（车辆工程专业论文）后轮驱动电动汽车再生制动控制策略的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着政府和社会对环境及能源问题的重视程度的提高，节能环保 已成为汽车行业发展的主要目标之一。电动汽车技术的发展进入了一 个重要的阶段，其中再生制动技术作为节能和环保的关键技术之一， 有很多问题丞待解决。汽车在制动过程中大量的动能通过摩擦转化为 热能耗散掉，导致汽车制动系统过早地磨损，增加汽车使用成本。利 用再生制动进行能量回收是电动汽车的一大节能优势。再生制动系 统，将原本摩擦制动耗散的能量，部分回收再利用，能够有效提高车 辆的能量利用率，起到节约能源的作用。 本文以后驱电动汽车为研究对象，主要做了如下工作： 通过对储能系统和再生制动约束条件的分析，选择超级电容为再 生制动系统的储能装置。 在分析电动汽车再生制动系统结构设计要求的基础上，提出了超 级电容和锂电池组相互独立的再生制动系统结构方案。 从理论上分析了无刷直流电机在再生制动系统中运用的可行性， 并运用s i m u l i n k 建立其仿真模型；搭建了无刷直流电机再生制动 试验台，通过试验验证模型的正确性。 分析了后驱电动汽车液压制动特性，制定出以车速和制动踏板行 程为控制信号的再生制动控制策略，并运用s i m u l i n k 建立后驱电 动汽车再生制动系统仿真模型，根据g b 2 1 6 7 0 - 之0 0 8 乘用车制动系 统技术要求及试验方法进行了o 型试验仿真。仿真结果表明，在满 足车辆制动性能的同时可以回收1 0 以上的制动能量，验证了控制策 略的可行性。 关键词：后驱电动汽车，再生制动，试验台，控制策略 江苏大学硕士学位论文 a st h eg o v e r n m e n ta n ds o c i e t yp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h e e n v i r o n m e n ta n de n e r g yr e s o u r c e s ，s a v i n ge n e r g yi sb e c o m i n go n eo ft h e m a i na i m so ft h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r y t h ed e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cv e h i c l et e c h n o l o g yh a se n t e r e da ni m p o r t a n ts t a g e ，i nw h i c h r e g e n e r a t i v eb r a k i n gt e c h n o l o g yp l a y sa l li m p o r t a n tp a r to ne n e r g ys a v i n g a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n dt h e r ea r eal o to f p r o b l e m st ob es o l v e d m o s tk i n e t i ce n e r g yc h a n g e si n t oh e a tb yb r a k i n gf r i c t i o n , w h i c ht e n d st o c a u s et h eb r a k ea p p a r a m sw o r np r e m a t u r e l ya n di n c r e a s e st h ec o s to fa u t o u s e r e g e n e r a t i v eb r a k i n gf o re n e r g yr e c o v e r yi sag r e a te n e r g y s a v i n g a d v a n t a g eo fe l e c t r i cv e h i c l e s ap a r to fk i n e t i ce n e r g yw h i c hi sl o s ti n t r a d i t i o nb r a k i n gs y s t e mw i l lb eu s e di nr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m s o r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mw i l lp l a yar o l ei ne n e r g yc o n s e r v a t i o nb y i m p r o v i n gt h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h e v e h i c l e w i t hr e a r - w h e e ld r i v i n ge l e c t r i cv e h i c l e sb e i n gt h er e s e 砌o b j e c t ， t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa x ea sf o l l o w s ： b yt h ea n a l y s i so fe n e r g ys t o r a g es y s t e m sa n di m p a c tf a c t o mo f r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，u l t r a c a p a c i t o ri su l t i m a t e l yc h o s e na st h ee n e r g y s t o r a g ed e v i c ef o re n e r g ys t o r a g es y s t e m as t r u c t u r ep l a no fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mi s p r o p o s e d ，b a s e d o nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fe l e c t r i cv e h i c l er e g e n e r a t i v eb r a k i n g s y s t e ms t r u c t u r e a f t e rt h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gt h eb m s l l l e 鳃d c m o t o r ( b d c m ) i n r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mh a v i n gb e e nt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ，a s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n gs i m u l i n k t h e nab r u s h l e s s d cm o t o rr e g e n e r a t i v eb r a k i n gt e s tb e n c hi sb u i l tt ot e s tt h ec o r r e c t n e s s 江苏大学硕士学位论文 o ft h em o d e l t h eh y d r a u l i cb r a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fr e a r w h e e ld r i v i n ge l e c t r i c v e h i c l ei s t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d a n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o l s t r a t e g yw h i c h t a k e sv e h i c l es p e e da n db r a k ep e d a lt r a v e l i n gs c h e d u l ea s c o n t r o ls i g n a la r ep r o p o s e d s i m u l a t i o nm o d e lo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n g s y s t e mo nt h er e a r - w h e e ld r i v i n ge l e c t r i cv e h i c l ei s s e tu pb yu s i n g s i m u l i n ka n ds i m u l a t e df o rt y p e - 0t e s t s ，a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a l s t a n d a r dg b 2 1 6 7 0 2 0 0 8 ，t h ep a s s e n g e rc a rb r a k es y s t e m st e c h n i c a l r e q u i r e m e n t sa n dt e s tm e t h o d s r e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tm o r e t h a n1 0 o f b r a k i n ge n e r g yc a nb er e c l a i m e dw h i l em e e t i n gt h eb r a k i n g p e r f o r m a n c e ，a n da l s ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sc o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：r e a r - w h e e ld r i v i n ge l e c t r i cv e h i c l e ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ， t e s tb e n c h , c o n t r o ls t r a t e g y 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 晋旋 日期：z ojo 年6 月j i l a 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：瑶荻指导挪签名：彦么丫冱 渐口年歹月，z 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 汽车诞生( 1 8 8 6 年) 至今已有一百多年的历史，它极大地改变了人们的生 活方式，提高了人们的生活质量。如今，汽车已经成为人们日常生活中不可缺少 的代步和交通运输工具。但随着全世界汽车产量和保有量的不断增加，汽车所带 来的环境污染和石油资源消耗日趋增加等问题是人类所不得不面对的。据美国电 子工业协会( e i a ) 报道，2 0 0 9 年全世界现在每天消耗石油约8 3 6 7 万桶。而地 球上的石油资源是有限且不可再生。根据目前全世界已探明的石油总储量和年产 量计算，石油资源最多再能支持3 0 - - 4 0 年的工业消费。而我国更是一个石油资源 相对贫乏的国家。2 0 世纪8 0 年代以来，我国石油年产量远远低于消耗量。2 0 0 9 年中国的石油对外依存度达到5 2 ，汽车的燃油供应存在着潜在的隐患。传统内 燃机汽车对环境的污染也是相当严重。据统计，每千辆汽车每天排出一氧化碳约 3 0 0 0 k g ，碳氢化合物2 0 0 - - 4 0 0 k g ，氮氧化合物5 0 1 5 0 k g 。汽车尾气已成为城市空 气污染的主要来源之一【。 汽车工业的可持续发展面临节能与环保的双重压力，世界各国为此正大力发 展电动汽车。电动汽车分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等三种， 其具有无排放或低排放、低噪声的优点，是一种环保型产品。其中纯电动汽车被 称为“绿色环保车”，最具有产业化和市场前景，越来越受到世界各国的重视。我 国在“十一五”期间，为了支持电动汽车的发展，国家制定了相应的补助政策。财 政部、科技部联合发出节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办 法，针对公共服务领域购车进行一定的补贴【2 1 。随着电动车技术的日益成熟， 纯电动汽车逐渐成为各国城市交通工具和短途代步工具的首选。 纯电动汽车与传统内燃机汽车的主要区别在于驱动系统。纯电动汽车驱动系 统主要由储能装置和驱动电机组成，它们取代了传统内燃机汽车上使用的油箱和 动力系统。目前，在纯电动汽车上使用的储能装置以蓄电池组为主，从技术发展 趋势来看，在短时间内蓄电池技术不会有大的突破。这也就意味着电动汽车的发 l 江苏大学硕士学位论文 展在很大程度上受到蓄电池技术的制约。因此，如何提高纯电动汽车的能量利用 率和电动汽车的续驶里程成为电动汽车研究的热点问题。 汽车在制动过程中主要受车轮与地面之间的制动力、空气阻力、滚动阻力以 及域道阻力等阻力实现汽车的减速。如图1 1 ，当汽车以较低的车速制动时，空气 阻力、滚动阻力都较小( 约占总受力的9 ) ，整车制动需要的阻力绝大部分都是 由制动系统摩擦制动造成的车轮与地面之间的制动力( 约占总受力的9 1 ) 实现 的。而普透的液压制动是把汽车的牵引能量，通过制动系统以纯机械摩擦的方式 直接转化成热能消耗在空气中。这样制动系统既产生了机械损耗，又消耗了能量。 制动系统摩擦阻力 圈1 1 车辆制动过程中主要受力的组成 f 皓1 1 b m b d g 口w c 鹞o f t h e 唧o n0 f 也e m 血如口 在城市循环工况下，由于交通拥挤，车速不高且经常变化，需要车辆频繁的 加速和制动造成大部分牵引能量在制动过程中以制动系统摩擦发热的形式消 耗。通过对一些典型城市驱动循环下整事牵引能量和制动能量的计算i , 4 1 ，可得 到制动能量占整车有效牵引总能量的比例，各种典型驱动循环下的计算结果与比 较见表1 1 。 袁1 1 典型循环下整丰牵引能量和制动能量分析 t a b 1 1 圳y b i s0 f 蛳口h i c y c l e 朝e 嘶r v e , 耻c l e 雠州a n d h 诅d 岵韧e f 盯 典掷循环础 牵群蝴篙0 a 雌制；i ：嚣6i 尉l牢驼蔓明吃惘 欧洲e 理 1 9 31 1 66 0 1 日本1 0 - 1 5 美国u d d s 美国l a 0 2 美目n y c c 澳丈利驱公交循环 伦敦公交循环 3 2 呻 醐 6 0 4 1 1 7 5 3 0 1 3 辨 3 5 5 6 3 6 7 5 0 孵 1 7 3 6 5 4 4 3 4 6 n 8 3 13 6 & 6 江苏大学硕士学位论文 由表1 1 可得以下结论：在城市驱动工况下，制动工况消耗的能量约占整车 牵引总能量的3 1 - - 一6 6 。如果能找到一种行之有效地方法回收这部分由制动 工况所消耗的能量，并加以合理的利用，将能大大提高整车的能量利用率，降低 整车的能耗。 1 1 2 研究意义 再生制动( r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ) 亦称回馈制动，即在制动时将车辆的动能转 化其它形式的能量并储存起来，而不是变成热能消耗在空气中。纯电动汽车采用 电机驱动系统，保证了能量双向流动的能力，使再生制动回收制动能量成为可能【5 l 。 在纯电动汽车上使用再生制动，就是在车辆制动时让电动汽车的驱动电机工作于 发电模式，将汽车的一部分动能转变为电能储存于电动汽车的蓄能设备中待用， 同时电机产生的制动转矩对汽车起制动作用。 电动汽车再生制动系统把制动动能转化成电能回收再利用，提高了汽车能量 综合利用率。在纯电动汽车上合理运用再生制动技术，有助于提高汽车能源利用 率，减轻制动器的热负荷，减少机械磨损，有效增加纯电动汽车的续驶里程。 如何控制再生制动力获得预期的制动性能，并尽可能多的回收再生制动能 量，成为再生制动的关键问题。 1 2 再生制动领域的研究状况 电动汽车的再生制动对制动系统控制策略的设计添加了一些复杂性，呈现出 两个基本问题m 。 ( 1 ) 如何在前后轴上分配总制动力，以实现汽车制动稳定性。为回收尽可 能多的动能，须控制牵引电动机产生特定量的制动力，同时，应控制传统制动系 统满足由驾驶员给出的制动指令。 ( 2 ) 如何在再生制动和传统制动之间分配所需的总制动力，以回收尽可能 多的车辆的动能。 目前有关再生制动与液压制动协调工作的制动系统研究，根据制动力分配模 式不同，可将制动能量回收系统分为并联式制动能量回收系统和串联式制动能量 回收系统。其制动力分配模式分别如图1 2 和图1 3 所示。 3 江苏大学硕士学位论文 总制动， 厢制i制动办 线 器制动力 制动踏板力 图1 2 并联式制动力分配模式 f i g 1 2p a r a l l e lm o d eo f b r a k i n gf o r c e s 制动踏板力 图1 3 串联式制动力分配模式 f i g 1 3s e r i e sm o d eo fb r a k i n gf o r c e s d i s t r i b u t i o nd i s t r i b u t i o n 并联式制动力分配模式前后制动器制动力按照固定的比例分配目标制动力， 电机在不超过前轮最大制动力的前提下输出制动力，其大小与目标制动力成一定 比例。串联式制动力分配模式驱动轮的制动力由电机制动力和制动器制动力矩共 同组成，电机制动力占主要地位，剩余部分由制动器来提供。 1 2 1 国外再生制动领域的研究状况 再生制动技术最早是应用于电力机车，使用再生制动技术后电动机车在提高 能量利用率方面取得了显著的效果。上世纪6 0 年代工程师尝试在电动汽车上应 用再生制动技术，到上世纪8 0 年代再生制动技术有了进一步的发展网。至今国 外在再生制动理论研究和实际应用方面均取得了一定成果。 ( 1 ) 理论研究方面 针对并联式和串联式制动能量回收系统的特点，都有相应的控制策略。具有 代表性的是美国t e x a s a & m 大学的y l m i ng a o 等提出了串联式制动能量回收系 统以及相应的前、后轮制动力分配模型和控制策略【9 以1 1 。 1 ) 最优制动性能控制策略 最优制动性能控制策略通过控制施加于前、后车轮上的制动力，来实现时制 动距离趋于最小值，且优化驾驶者的感觉。根据分析，最短的制动距离和良好的 制动感觉要求旌加在前、后轮上的制动力遵循理想的制动力分布，曲线。这种控 制策略的控制方法优先考虑制动时的安全，保证车辆前后轴制动力能够沿理想制 动力分配曲线进行分配，在这个前提下再进行能量回收。 4 江苏大学硕士学位论文 控制策略如图1 4 所示【9 】。 图1 4 最优制动性能控制策略图 f i g 1 4c o n t r o ls t r a t e g i e so fb e s tb r a k i n gp e r f o r m a n c e 该策略控制的控制思想如下： 当制动强度z 如1 时，仅再生制动系统工作，模仿传统汽车的发动机制动。 当制动强度z o 1 时，前、后轴制动力分配将被控制在理想制动力分配曲线 上。当控制系统得到驾驶员的减速度要求时，将根据制动电机的特性和车载电池 的s o c 值来决定驱动轴制动力由再生制动系统单独提供，还是由液压制动系统 和再生制动系统共同提供。 该控制策略的优点：提供了最佳制动力分配的同时还回收了制动能量。 该控制策略的缺点：控制系统较复杂，需对摩擦制动力精确控制，实现困难， 而且回收的能量有限。 2 ) 最优能量回收控制策略 最佳制动能量回收控制策略的原理是在任何路面附着系数下，制动系提供对 应给定制动减速度指令的总制动力，且驱动轮不能比从动轮先抱死，给驱动轮分 配更多的制动力，尽可能多的地回收制动能量，因此在进行制动力分配时，在不 抱死的前提下尽量使再生制动力最大，充分发挥电机制动能力，以达到多回收能 量的目的。 控制策略如图1 5 所示【埘。 s 江苏大学硕士学位论文 图1 5 最优制动能量回收控制策略图 f i g 1 5c o n t r o ls t r a t e g i e so fb e s tb r a k i n ge n e r g yr e c l a i m i n g 该策略控制思想如下： 当制动强度卸1 时，仅再生制动提供整车制动。 当制动强度0 1 0 7 时，仅液压制动起作用。 该控制策略的优点：可以最大程度的回收制动能量。 该控制策略的缺点：控制系统复杂且需要同时对电机制动力和液压制动力进 行精确控制。制动稳定性不高，在路面附着系数变化时可能发生单个车轮先抱死 的情况。 并联式制动力分配模式的能量再生制动系统，一般是在传统汽车制动系统基 础上加入一个再生制动装置( 能量转换装置和储能器) ，在车辆制动时，驱动轴上 采用液压制动与再生制动系统联合制动，制动的同时回收部分制动能量，而非驱 动轴上仍然采用传统液压制动。 美国福特研究所的c i k a n e k 等提出了基于最小附加成本并能有效改善制动性 能和效率的并联式混合动力汽车的再生制动系统。车辆前轴实现再生制动的控制 策略如图1 6 所示1 1 2 1 。 6 江苏大学硕士学位论文 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 2 5 2 0 1 5 0 0 、1 0 0 0 嫩弋fj j l 5 ， 0 2 0 4 0 0 0洲飘0 01 0 0 0 01 2 0 图1 6 并联式制再生制动系统控制策略图 f i g 1 6c o n t r o ls t r a t e g i e so fp a r a l l e lr e g e n e r a t i v eb r a k 迎 如图1 6 所示为并联式再生制动控制策略，在制动减速度要求小于等于0 1 9 时，液压制动系统不工作，仅再生制动系统工作，制动效果与发动机制动类似； 在制动减速度要求大于o 1 9 而且小于等于0 7 9 时，前轴的制动力由再生制动系 统和液压制动系统共同提供；后轴的制动力由液压制动系统遵循线( 液压制动 系统中前、后制动力分配系数) 产生的；当制动减速度要求大于0 7 9 时，再生制 动系统不再工作，由液压制动系统单独完成制动。 该控制策略的优点：对再生制动系统的控制相对简单容易实现，不需要对液 压制动系统进行复杂的控制，可靠性高。 该控制策略的缺点：制动能量的回收受到液压制动系统的限制，回收能量有 限，且在车辆制动时因再生制动的介入，会影响制动的平顺感。 此外，日本交通研究所的h a - y a s h i d a 等对装备蓄电池和超级电容组合储能系 统的混合动力客车的再生制动进行了仿真分析和台架试验研究【1 3 1 。美国u n i o n 学院的w i c k s 等建立了城市客车在市区行驶循环工况下的数学模型，研究了再生 制动系统的节能效果【1 4 1 5 1 。 ( 2 ) 实际应用方面 2 0 世纪9 0 年代全球掀起电动汽车研究热潮以后，国外在电动汽车再生制动 系统的研究上取得了比较快的进展。特别是各大汽车公司，在量产的混合动力汽 车上普遍采用该系统后，大大提高了整车的能量利用效率，降低了整车油耗，延 长了车辆的续驶里程。 7 江苏大学硕士学位论文 1 9 9 7 年1 0 月，丰田公司推出了第一辆产品化的混合动力轿车p r i u s 。2 0 0 9 年5 月，第三代p r i m 成功上市销售，它的再生制动系统根据车辆制动过程中的 能量控制策略，通过电液比例控制单元，调节液压制动力，实现再生制动与摩擦 制动的综合控制，能通过再生制动系统提高整车能量利用率达2 0 以上【垌。这 款混合动力轿车是目前应用再生制动技术且市场占有率最高的车型。 美国福特公司f o c u s 燃料电池汽车的再生制动系统在制动时以电能的形式回 收制动能量。它将电动技术改善行驶里程和动力特性的优点与燃料电池的综合效 益结合了起来。新的蓄电池组、再生制动和贮氢罐的组合使用，可使承载四人的 燃料电池汽车的行驶里程达到1 6 0 , , 2 0 0 英里之间【1 7 1 。 1 2 2 国内再生制动领域的研究状况 国内的再生制动技术研究还起步相对较晚。2 0 0 1 年，科技部启动“十五”国 家电动汽车重大科技专项。近几年来随着国内电动汽车技术的突飞猛进，再生制 动领域研究处于蓬勃发展时期。国内各高校、汽车厂商、科研院所都在这一领域 进行了研究，并取得了一定成果。但是大部分研究都处于理论分析和建模仿真阶 段，目前在再生制动技术的实际应用方面还没有取得突破性进展。 2 0 0 3 年，江苏大学的何仁，在充分比较飞轮储能、液压储能和电化学储能 三种汽车制动能量再生方法的优点和技术制约问题的基础上，提出了一种新型制 动能量再生系统的技术方案。它将汽车上起动机和发电机功能组合，应用一个集 成电机布置在发动机与变速器之间，将机械传动与电传动组合为复合传动。同时 采用复合储能装置，即化学电池与超级电容器的组合，将电器储能元件与电力电 子功率变换电路相结合，进行快速大功率能量的储蓄，缓冲释放再生能量储存于 化学电池中。该新型制动能量再生系统既可以实现汽车制动能量的回收和在车发 电，也能买现发动机起动，汽车加速辅助功率等功能。在城市工况下可节油 1 0 。3 0 n 。 2 0 0 6 年，清华大学的罗禹贡、李蓬、金达锋等，以混合动力电动汽车为研 究对象，以驾驶员的制动意图和制动能量回收率为设计指标，基于最优控制理论 设计了一套有效的制动力分配模型。仿真结果表明，该控制方法能够显著提高汽 车制动时的响应速度，大约在o 5 s 以内就能实现制动意图，并且能够提高制动 8 江苏大学硕士学位论文 能量回收率1 0 左右【1 8 1 。 2 0 0 7 年，北京理工大学的李玉芳、林逸等，以在满足车辆制动性能要求、 保证车辆制动稳定性的条件下，最大限度地回收再生制动能量为原则，对独立式 制动控制系统的制动力的分配原理进行了分析，得出再生制动力及液压制动力的 分配与控制规律：制动强度小于z 时，只有前轮提供需求制动力，包括再生制动 力和摩擦制动力，在提供足够的需求制动力的同时也能保证制动稳定性；制动强 度大于z 时，则由前、后轮同时提供制动力【1 9 1 。 2 0 0 9 年，哈尔滨工业大学的张京明、崔胜民、宋宝玉等，依据理想的前后 轮制动力分配曲线，基于比例控制策略，提出了一种并行制动力的分配策略，以 对摩擦制动力和再生制动力进行合理分配，进而以平均再生制动力为目标，对并 行再生制动控制策略进行了优化设计。通过仿真，优化后的并行控制策略既可以 满足制动安全性的要求又可以回收更多的制动能量，回收总能量增加了1 4 4 ， 回收效率提高了5 4 5 ，有效能量回收效率提高了1 8 3 1 2 0 1 。 2 0 0 9 年，江苏大学的何仁、陈庆樟，在分析开关磁阻电机再生制动机理的 基础上，结合汽车制动要求，建立了再生制动转矩计算及能量回馈模型，设计了基 于双开关磁阻电机前驱的汽车制动能量回收系统方案，并提出了系统控制策略。 在汽车制动能量再生试验台上进行了在环仿真试验，结果表明。采用该系统方案 的制动能量回收率在中小制动强度下比单个电机方案高1 0 以上【2 1 】。 1 3 课题研究的主要内容 随着电动汽车技术的研究与发展，为再生制动技术的研究提供了前所未有的 技术平台。再生制动与液压制动的协调工作，不仅可以通过再生制动时进行能量 回收达到节能的效果，而且能够提高整车的制动效果。 本课题以某型号后驱微型电动汽车为研究对象，在借鉴国内外学者研究的基 础上，主要对以下内容进行了研究与探讨： 1 再生制动基本原理的分析。介绍再生制动的基本原理，并对不同类型再 生制动系统工作原理、储能装置及约束条件进行了分析。 2 分析再生制动系统结构设计要求，根据要求提出合理的再生制动系统的 结构方案。 9 江苏大学硕士学位论文 3 针对永磁直流无刷电机搭建再生制动试验台，并进行再生制动仿真与试 验。验证单独采用再生制动系统进行制动时直流无刷电机的工作特性及能量回收 的效果，为今后采用直流无刷电机进行再生制动的研究提供依据和参考。 4 对原车液压制动性能进行理论分析，针对具体情况提出符合该车的再生 制动与液压制动协调工作的控制策略。运用s i m u l i n k 建立电动汽车整车再生 制动控制模型，进行整车再生制动与液压制动协调工作的制动仿真。通过仿真验 证再生制动与液压制动协调工作对整车制动性能的提高及再生制动时能量回收 的可行性。 江苏大学硕士学位论文 第二章再生制动的基本原理及约束条件 2 1 再生制动的基本原理 再生制动又称能量回馈制动，是指汽车在减速或制动时，通过与驱动轮( 轴) 相连的能量转换装置，把汽车的一部分动能转化为其他形式的能量储存起来，在 减速或制动的同时达到回收制动能量的目的，并尽量减少制动器摩擦片的磨损； 然后在汽车起步或者加速时又释放储存的能量，以增加驱动轮( 轴) 上的驱动力， 从而增加汽车的续驶里程。 再生制动原理如图2 1 所示。 图2 1 再生制动原理 f i g 2 1p r i n c i p l eo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n g 理论上汽车再生制动的储能装置可分为液压储能装置、飞轮储能装置和电储 能装置圈。 2 1 1 液压储能式再生制动系统 液压式再生制动系统是在驱动轴和分动器之后串联一套“泵液压马达”单 元，并连接到从动轴。其原理如图2 2 所示。“泵液压马达”单元可实现储能器中 的液压能与车辆的动能之间的转化。当车辆制动时它可视为“泵工作，将液压油 能量转换能量转换 图2 2 液压式再生制动系统原理 f i g 2 2d i a g r a mo fh y d r a u l i cp r e s s u r es t o r e de n e r g ys y s t e m l l 江苏大学硕士学位论文 压入储能器中把能量储存起来，并提供制动转矩；当车辆启动或者加速时它可视 为“液压马达，工作，将储能器中的能量通过传动系放出，帮助车辆加速1 2 3 1 。 由于液压储能装置能量密度低，但功率密度大，其零部件密封性能要求高， 控制结构复杂和存在工作噪声等，所以液压式再生制动系统应用并不广泛洲。 2 1 2 飞轮式再生制动系统 飞轮式再生制动系统是一种纯机械的结构，它把制动的部分能量存储在高速 旋转的飞轮中，在需要动力输出的时候再把能量释放出来，作为车辆加速使用 1 2 5 】。其原理如图2 3 所示。在f 1 赛车上使用的能量回收系统( k i n e t i ce n e r g y r e c o v e r ys y s t e m s 简称k e r s ) ，就是典型的飞轮式再生制动系统。它由一套高转 速飞轮、两套固定传动比齿轮组、一台c v r ( 无级变速箱) 和一套离合器构成。在 赛车刹车的过程中，后轮的动能会由c v t 变速箱传入飞轮，处于真空盒中的飞 轮被驱动、高速旋转积蓄能量。当需要额外的加速力时，飞轮的动能再经过c v t 传递到后轮，驱动赛车前进。 图2 3 飞轮式再生制动系统原理 f l g 2 3d i a g r a mo ff l y w h e e ls t o r e de n e r g ys y s t e m 飞轮储能装置有功率密度大、体积小、质量小的优点，但要求高转速和周围 空间真空，技术上实现复杂，制造和使用成本昂贵，且只能短时间储能，因此以 现阶段的技术水平很难将其推广到民用车辆。 2 1 3 电储能式再生制动系统 电储能式再生制动系统由“发电机电动机”执行机械能与电能之间的转化， 储能装置可采用蓄电池或超级电容。电储能式再生制动系统还包括一个电子控制 单元，用来控制蓄电池或超级电容器的充放电状态，并且保证蓄电池的剩 余电量在规定的范围内陶。其原理如图2 4 所示。 江苏大学硕士学位论文 图2 4 电储能式再生制动系统原理 f l g 2 4d i a g r a mo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mw i t he l e c t r i c a l 当前作为电化学储能装置主要是各种可充电电池和超级电容。电储能式再生 制动系统使用的电化学储能装置相对其他储能方式，具有储能时间长、一次储能 量大、储能稳定性好、维护次数少、使用方便等优点。但制约这一方法应用的技 术瓶颈仍是缺乏高性能、低成本的电化学储能装置。 2 2 电储能装置 电储能装置各方面性能均很好，且结构简单，只是功率密度低，能量转换环 节多。随着汽车驱动电机技术和储能技术的进一步发展，采用电机来回收与利用 制动能量越来越显现出其优势，特别是在纯电动或混合动力汽车中，主要采用电 储能的再生制动方式f 2 7 , 2 8 l 。 为了实现更充分地回收和利用制动能量，电储能装置需要在比能量、比功率、 效率、充放电速度、充电次数、成本、安全等方面符合要求。目前比较成熟的电 化学储能装置主要包括铅酸电池、镍金属电池、锂电池；另外还有一种介于电池 和静电电容器之间的储能装置超级电容【2 9 l 。 2 2 1 电化学储能装置 ( 1 ) 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池可靠性高、原料易得、成本低、适用温度和电流范围大，一直在 汽车储能中使用最广泛。可分为注水式( f l 镪) 和阀控式( v a l a b ) 两大类，目前 使用的铅酸蓄电池一般采用阀控式，因为这种电池较之普通铅酸电池使用更为方 便( 日常使用免维护) 1 1 , 刈，正常使用的循环使用寿命达到1 0 0 0 次以上。但其在 比能量、比功率等方面相对较低。铅酸电池作为再生制动能量储能系统存在的最 主要的缺点是充电速度慢、质量体积大等。 江苏大学硕士学位论文 伪镍金属电池 镍金属电池有c d n i 和m h - n i 电池，但由于c d ( 镉) 对环境有严重污染，很 多国家限制发展和使用c a n i 电池。m h - n i 电池是一种绿色镍金属电池，具有 很高的能量存储能力。高能量m h n i 电池的比能量可达到9 5 w h k g ，高功率 m h - n i 电池的比功率能达到9 0 0 w k g ，而且循环使用寿命超过1 0 0 0 次。相对于 铅酸电池它具有比能量高，充电速度快，过充放电、深度放电性能都较好，循环 寿命也较长的优点，但它的单元电池额定电压较低，仅为1 2 v 左右( 铅酸电池 2 v ) ，这就导致构成相同额定电压的镍金属电池单元数目比铅酸电池要多2 3 ，增 加了电池系统的复杂性【1 ，刈。另外，镍金属电池还存在记忆效应和充电发热等方 面的问题。因此再生制动能量储能系统的研究中很少使用镍金属电池。 ( 3 ) 锂离子电池 锂离子电池( l i b ) 是2 0 世纪末发展起来的高容量可充电电池【1 ，3 0 1 ，它的特 性与m h n i 电池相比具有工作电压高和较宽的充电功率范围，且比能量大、循 环寿命长、自放电率小、无记忆效应和无环境污染，是当今各国能量存储技术研 究的热点。 2 2 2 超级电容 超级电容( u l t r ac a p a c i t o r ) 是最近几年随着新电极材料的出现而提出一种具 有超级储电能力、可提供强大脉动功率的物理二次电源，它与常规电容器不同， 其容量可达数万法。它是一种能满足汽车能量和功率实时变化要求的能量存储装 置，在再生制动领域得到越来越广泛的关注。 超级电容按储能机理主要分为三类【3 1 】：由碳电极和电解液界面上电荷分离 产生的双电层电容；采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原 反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容：由导电聚合物作为电极而发生氧化还原 反应的电容。其中双电层电容的充放电纯属于物理过程，其循环次数高，充电过 程快，因此比较适合在电动车上应用。双电层超级电容是靠极化电解液来储存电 能的一种新型储能装置，其原理结构如图2 5 所示。 江苏大学硕士学位论文 图2 5 双层超级电容结构 f i g 2 5s t r u c t u r eo fd o u b l e - l a y e rc a p a c i t o r s 当向电极充电时，处于理想化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶 液中的异性离子，使这些离子附于电极表面形成双电荷层，构成双电层电容。由 于超级电容与传统电容相比，储存电荷的面积大得多，电荷被隔离的距离小得多， 因此一个超级电容单元的电容量就高达几法至数万法。由于采用了特殊的工艺， 超级电容的等效电阻很低，电容量大且内阻小，使得超级电容可以有很高的尖峰 电流，因此具有很高的比功率，高达蓄电池的5 0 - - - - 1 0 0 倍，可达到l o k w k g 左 右，这个特点使超级电容非常适合于短时大功率的应用场合【3 2 1 。 超级电容容量是同等体积下的普通电容器容量的20 0 0 - 60 0 0 倍，放电电流 可达几千安培，能量密度高于传统电容器近百倍，瞬时放电功率比蓄电池高1 0 倍以上，充放电效率高，不需要维护和保养，寿命长达1 0 年以上。其与一般蓄 电池结合使用，可增强电动汽车加速及爬坡能力，并对蓄电池起保护作用，极有 发展前途 3 3 1 。、 超级电容器的研制成功是储能设备( 蓄电池) 的一次革命：其他电储能设备， 都是将电能转变成化学能，再由化学能转变成电能，两次转变能量有损失，超级 电容器直接充电，再直接放电，能量形式没有转变，能量也没有损失，充放电效 率高达9 8 。 超级电容器的优点( 对比电化学电池) ： 1 超级电容器是绿色能源( 活性炭) ，不污染环境。 2 超低串联等效电阻，功率密度是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流 放电( 一枚4 7 f 电容能释放瞬间电流1 8 a 以上) 。 3 超长寿命，充放电大于5 0 万次，是锂离子电池的5 0 0 倍，是m i - i - n i 和 江苏大学硕士学位论文 c d n i 电池的1 0 0 0 倍，如果对超级电容每天充放电1 0 0 次，连续使用可达十几 年。 4 可以大电流充、放电，充、放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆 效应。 5 免维护，可密封，使用安全。 6 适用温度范围广4 0 。c 7 0 ，一般电池是2 0 硼。 7 相对成本低。超级电容器价格比铅酸电池高，在大量生产后价格还会下 降；而且超级电容器的寿命比铅酸电池高1 0 倍，相对使用成本要低。 超级电容与铅酸电池和锂电池的性能及部分参数对比见表2 1 。 表2 1 三种储能装置的对比 t a b 2 1t h r e ek i n d so fc o m p a r i s o no fe n e r g ys t o r a g ed e v i c e 超级电容由于具有比功率高、循环寿命长、充放电时间短等优势，因此作为 电动车的动力源而得到重视。随着环保型电动车研究的深入，超级电容已经成为 近年来新型能源器件的一个研究热点，超级电容的市场份额也将会越来越大。但 是，使用超级电容作为唯一能源的电动车，由于超级电容比能量低的致命影响， 注定其续驶里程短，难以推广应用。超级电容和其他储能元件组成的复合电源系 统兼顾了其他储能元件的高比能量和超级电容的高比功率的优点，可以更好地满 足电动车启动和加速性能的要求，并能提高电动车制动能量的回收效率，增加续 驶里程刚。 江苏大学硕士学位论文 2 3 再生制动的约束条件 在车辆制动过程中，除去空气阻力和行驶阻力消耗掉的能量，期望能通过再 生制动系统最大限度的回收能量，然而实际上，并不是所有的制动能量都可以回 收。在电动汽车制动时，车轮处可以获得的可再生制动能量经过车轮和半轴，部 分能量被摩擦制动和轴承的摩擦和克服转动惯量所消耗，部分能量被变速器和电 动机所损耗，能量存储系统由于内阻而发热，也消耗部分能量。这样，经过层层 损耗，只有很少的能量存储在储能装置中【3 5 1 。同时，在制动能量回收过程中， 能量传递环节的效率和能量存储系统的储能效率都会影响再生制动系统能量回 收的效果。另外一个影响制动能量回收的因素是，再生制动时制动能量通过发电 机转化为电能，而发电机吸收制动能量的能力依赖于发电机的转速和当前的电池 s o c 值，在其转速范围内制动时，可再生的能量与车速基本上成正比( 能量守 恒) 。当所需要的制动能量超出能量回收系统的范围时，电动机可以吸收的能量 保持不变，超出的这部分能量就要被摩擦制动系统所消耗。 实用的再生制动系统要满足以下方面的要求： 1 满足制动的安全要求符合驾驶时的制动习惯。 制动过程中应充分考虑电动汽车的驾驶员和乘客的感受。因此要找到再生制 动和液压制动的最佳结合点，在确保安全的前提下尽可能多的回收能量。具有再 生制动系统的电动汽车的制动过程应尽可能的与传统的制动过程近似，这将保证 在实际应用中系统可以为大众所接受。 2 考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力。 电动汽车中常用的是永磁直流电机和感