（车辆工程专业论文）基于再生制动的电动汽车制动系统的轻量化设计.pdf

摘要 在传统汽车工业所引发的石油资源渐趋匮乏、空气质量日益恶化的严峻形势 下，具有明显节能和环保优势的电动汽车近年来成为了各大汽车厂商和科研机构 竞相开发的热点。电动汽车被认为是解决能源短缺问题和环境污染问题的有效途 径之一。再生制动则是电动汽车相对于传统燃油汽车的巨大节能优势。利用再生 制动，可以将制动过程中的动能转化为电能储存到电池当中，以备驱动时使用， 提高整车的能量利用率。目前，如何协调控制摩擦制动和再生制动之间的分配比 例，在保证制动稳定性前提下，尽可能多地回收制动能量，成为再生制动控制研 究的关键问题之一。 与传统汽车制动不同，电动汽车的制动是由摩擦制动和再生制动共同完成 的。制动时由于电机再生制动转矩承担了制动总需求转矩的一部分，要求传统摩 擦制动器提供的制动转矩相应地减少了。而且，由于制动能量的一部份通过电机 发电转变为了电能，由摩擦制动器承担的制动能量耗散任务相应地减小了，对制 动器承载热负荷的要求也会降低。因此摩擦制动器的尺寸和重量是可以减小的。 本文首先对城市工况下汽车的制动能量进行了分析，显示了制动能量回收的 巨大潜力，介绍了电动汽车的再生制动系统的工作原理和基本结构，对影响再生 制动回收能量的主要因素进行了分析。 然后在研究传统汽车制动理论中前后制动器制动力分配对汽车制动稳定性 的影响基础上，建立电动汽车再生制动时的制动力分配模型。在考虑电机工作特 性和电池充电能力限制的情况下，建立了电机的力学模型，从而确定电机能够提 供的最大再生制动力。在前面理论分析的基础上，提出了基于e c e 法规的再生制 动控制策略，在制动力分配时向驱动轴倾斜，同时根据电机能够提供的最大再生 制动力，优先利用再生制动，动态分配摩擦制动和再生制动比例。 随后，利用a d v i s o r 仿真软件对本文再生制动控制策略进行了建模，在n e d c 和u d d s 行驶循环工况下进行了仿真试验，并和a d v i s o r 再生制动策略作了对比。 结果表明本文控制策略充分发挥了电机的再生制动能力，回收制动能量的效果较 好，优于a d v i s o r 再生制动控制策略。 最后，利用a d v i s o r 软件，进行特定制动工况仿真试验以确定有电机再生制 动参与下研究车型前轮盘式制动器的一些性能要求，在盘式制动器设计理论的指 导下利用遗传优化算法对原车前轮钳盘式制动器进行了轻量化设计。 关键字：再生制动，控制策略，钳盘式制动器，轻量化设计 a b s t r a c t i nt h ec o n d i t i o nt h a t p e t r o l e u ms o u r c ei s t ob es c a r c ea n da i r q u a l i t y i s d e t e r i o r a t i n g ，e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) w h i c hh a sg r e a ta d v a n t a g eo fe c o n o m i z i n g e n e r g y a n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n th a sb e c o m i n gt h ef o c u st h a tb i gc a rm a n u f a c t u r e r sa n d r e s e a r c hi n s t i t u t i o n sd e v e l o p e vi sr e g a r d e da so n eo fw a y st h a tr e s o l v et h ee n e r g y s o u r c e ss h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o np r o b l e m s r e g e n e r a t i v eb r a k i n gi se v s g r e a ta d v a n t a g eo v e rt r a d i t i o n a lc a r s k i n e t i ce n e r g yi nt h ec o u r s eo fb r a k i n gc a nb e t r a n s f o r m e dt o e l e c t r i c i t ye n e r g yi n t ob a t t e r yb yr e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n dc a nb e u t i l i z e da g a i nw h e n d r i v i n g ，s ot h ev e h i c l e se n e r g ye f f i c i e n c yi si m p r o v e d 。n o w , h o w t oc o o r d i n a t ea n dc o n t r o lt h ea s s i g n m e n tp r o p o r t i o nb e t w e e n f r i c t i o nb r a k ea n d r e g e n e r a t i v eb r a k ea n dr e c y c l eb r a k i n ge n e r g y 笛m o r ea s p o s s i b l eg i v e nt h e p r e c o n d i t i o nt h a tb r a k es e c u r i t yi se n s u r e d ，h a sb e c o m eo n eo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n g s y s t e m sk e yq u e s t i o n s u n l i k et r a d i t i o n a lc a r sb r a k e ，e v sb r a k ei s c o m p l e t e db yf r i c t i o nb r a k ea n d r e g e n e r a t i v eb r a k ec o l l e c t i v e l y b e c a u s em o t o r sr e g e n e r a t i v eb r a k et o r q u eb e a r sp a r t o ft o t a lb r a k et o r q u ed e m a n d ，b r a k et o r q u es u p p o s e dt ob e s u p p l i e db yt r a d i t i o n a l f r i c t i o nb r a k ei sr e d u c e da c c o r d i n g l y 。m o r e o v e r , s o m eo fb r a k ee n e r g yi st r a n s f o r m e d t oe l e c t r i c i t yb yg e n e r a t o r , t h er e q u e s tt ob r a k eb e a rh o tl o a di sr e d u c e d s ot h es i z e a n dm a s so ff r i c t i o nb r a k ec a l lb er e d u c e d t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y s e sc a r sb r a k ee n e r g yi nt h ec i t yd r i v ec o n d i t i o na n d s h o w st h eg r e a tp o t e n t i a l i t yo fb r a k ee n e r g yr e c y c l i n g i ti n t r o d u c e st h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n db a s i cs t r u c t u r eo fe v sr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e ma n da n a l y s e sm a i n f a c t o r st h a ti n f l u e n c er e g e n e r a t i v eb r a k i n gr e c y c l i n g e n e r g y o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gt h e i m p a c tt h a tf r o n ta n dr e a rb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o n m a k e so nc a rb r a k e s t a b i l i t yi n t h et r a d i t i o n a l b r a k i n gt h e o r y , t h i sp a p e rh a s e s t a b l i s h e dt h em o d e lo fb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o n d u r i n ge vr e g e n e r a t i v eb r a k i n g c o n s i d e r i n gm o t o rw o r k i n gc h a r a c t e ra n db a t t e r y sc h a r g ea b i l i t y , t h i sp a p e rh a s e s t a b l i s h e dt h em o d e lo fm o t o rm e c h a n i c sa n dd e t e r m i n e st h em a x i m u m r e g e n e r a t i v e b r a k i n gf o r c et h a tm o t o rc a ns u p p l y o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sb e f o r e ，t h i s p a p e rc o m e su pw i t hr e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hi sb a s e do ne c e b r a k er u l e s t h ec o n t r o ls t r a t e g yi n c l i n e st od r i v ea x l ei nb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o na n d u t i l i z e sr e g e n e r a t i v eb r a k ep r e f e r e n t i a l l y a c c o r d i n gt o t h em a x i m u mr e g e n e r a t i v e i i b r a k i n gf o r c et h a tt h em o t o rc a ns u p p l y i ta s s i g n sp r o p o r t i o n sb e t w e e nf r i c t i o nb r a k e a n dr e g e n e r a t i v eb r a k ed y n a m i c a l l y t h e n ，t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h em o d e lo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g y b ya d v i s o rs o f t w a r ea n dd i ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti nn e d ca n du d d sd r i v i n g c y c l e s ，c o m p a r e dt oa d v i s o rb u i l t i nr e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g y t h e r e s u l ts h o w st h a tt h i sp a p e r sr e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yc a n b r i n gm o t o r ，s r e g e n e r a t i v eb r a k i n ga b i l i t yi n t op l a ye f f i c i e n t l ya n dp e r f o r m sb e t t e ro v e ra d v i s o r r e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yi nr e c y c l i n g b r a k i n ge n e r g y i nt h ee n d ，o nt h eb a s i so fc a l i p e rd i s c b r a k ed e s i g n t h e o r y ，t h i sp a p e rh a s e s t a b l i s h e di t sm o d e l i td i db r a k es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti nc e r t a i nd r i v i n gc y c l et o d e t e r m i n ep e r f o r m a n c ed e m a n dt of r o n td i s cb r a k eo fe v t h i sp a p e rr e s e a r c h e d i nt h e g u i d eo fd i s cb r a k ed e s i g nt h e o r y , i td i dl i g h t w e i g h td e s i g na i m i n ga t t h ec a r ，s p r e v i o u sf r o n tb r a k eb yg e n e t i ca l g o r i t h m k e yw o r d s ：r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，c o n t r o l s t r a t e g y , c a l i p e rd i s cb r a k e ，l i g h t w e i g h t d e s i g n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：江黝导师签名：日期：2 力汐s 武汉理工大学硕七学位论文 1 1 本课题的研究背景 第1 章绪论 汽车，这项2 0 世纪最为伟大的发明之一，极大地改变了人类的生活方式， 提高了人们的生活质量。当今时代，汽车已经成为人们日常生活中不可缺少的 交通运输工具。 自从汽车诞生以后，汽车工业就如雨后春笋在发达国家蓬勃发展起来。欧 美一些发达国家均把汽车工业作为本国的支柱产业而大力发展。全世界的汽车 产量和保有量日益增长，据相关统计数据，2 0 0 7 年全球汽车保有量已达到9 2 亿辆。国外有研究机构预测，在未来7 年内全球汽车保有量仍将继续增长 近2 0 。到2 0 1 5 年，全球汽车保有量将增至11 2 亿辆左右。 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 资源消耗同趋增加等问题是人类所不得不面对的。据美国地理杂志报道， 全世界现在每天消耗石油8 0 0 0 万桶。而地球上的石油资源是有限而不可再生的。 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三 四十年的工业消费，再加上政治、局部战争等不稳定因素对能源安全的影响， 汽车的燃油供应存在着潜在的隐患。 而我国更是一个石油资源相对贫乏的国家。据统计，我国人均石油资源占 有量仅为世界平均水平的1 1 0 ，属于人均占有油气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。从1 9 9 3 年起，我国更是由 石油出口国变为石油净进口国。2 0 0 5 年，中国的石油对外依存度达到4 3 。有 关部门预计，到2 0 2 0 年中国石油需求量将高达4 5 亿吨，其中2 亿吨自产，2 5 亿吨来自进口。随着我国对进口石油依赖程度的提高，今后国际石油市场暂时 和局部的短缺以及油价的异常波动，将对我国的石油供给和国民经济产生越来 越大的影响和冲击，从而面临着严重的能源安全危机。从长远看，石油短缺将 成为发展汽车工业必须面对的主要问题之一。 燃油汽车对环境的污染也是相当严重。汽车尾气已成为城市空气污染的主 要来源之一。汽车尾气污染物主要包括：一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、 二氧化硫、烟尘微粒( 某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾) 、臭气( 甲 武汉理l ：人学硕士学位论文 醛等) 。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 旺1 5 0 k g ；据美国环保署调查，洛杉矶市汽车等流动 污染源排放的污染物己占该市大气污染物总量的9 0 。汽车尾气可谓大气污染 的“元凶”。汽车尾气最主要的危害是形成光化学烟雾。汽车尾气中的碳氢化 合物和氮氧化合物在阳光作用下发生化学反应，生成臭氧，它和大气中的其它 成份结合就形成光化学烟雾。其对健康的危害主要表现为刺激眼睛，引起红眼 病；刺激鼻、咽喉、气管和肺部，引起慢性呼吸系统疾病。光化学烟雾能使树 木枯死，农作物大量减产；能降低大气的能见度，妨碍交通。2 0 0 5 年我国机动 车尾气排放在城市大气污染中的分担率已达到了7 9 以上。世界银行估计，因 空气污染导致的医疗成本增加以及工人生病丧失生产力使得中国g d p 被抵消掉 5 。国家环保总局的一项报告说，在我国的大雾天气中，由汽车尾气污染造成 的占7 9 。 面对汽车工业所引发的石油资源渐趋匮乏、空气质量日益恶化的严峻形势， 具有明显节能和环保优势的电动汽车成为了近年来发达国家竞相开发的热点之 一。电动汽车的发明最早可以追溯到1 9 世纪并且早于内燃机汽车，只是后来由 于在性能方面远远落后于内燃机汽车，所以其发展一直几乎处于停滞状态。2 0 世纪7 0 年代的石油危机使电动汽车重获新生，美国以及欧洲一些国家开始重新 对电动汽车进行研究开发，各国政府从资金、人力、政策等方面给予了大力支 持，尤其是最近十多年来更加被重视。美国、欧盟、日本都制定了专门的电动 汽车开发相关计划，主要有美国的f r e e d o mc a r 计划、欧盟的f p 5 和f p 6 计划、 日本的低公害车开发及行动计划。 电动汽车分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车三种类型。它具 有无排放或低排放、低噪声的优点，是一种环保型产品，目前正受到全球多个 国家提倡而成为发展的热点。电动汽车被认为是目前解决节能和环保问题的有 效途径之一。 1 2 国内外在再生制动领域的研究现状 电动汽车与传统车辆的一个最重要的区别便是电动汽车可以实现再生制 动，能回收一部分传统车辆在制动过程中损失的能量。所谓再生制动，是指在 车辆在减速或制动时，将汽车行驶的惯性能量通过传动系统传递给电机，控制 2 武汉理下大学硕士学位论文 电机以发电方式工作，为动力电池充电，实现制动能量的再生利用。与此同时， 发电过程中产生的电机制动力矩又可通过传动系统对驱动轮施加制动，产生制 动力。 再生制动技术最早应用于电力机车领域，在机车减速时回收制动能量。随 着电动汽车的发展，上世纪6 0 年代汽车设计师们开始尝试在直流电机驱动的 电动汽车上应用再生制动系统，并获得了成功。但是，由于电动汽车的关键技 术电池技术一直没有取得突破性进展，这在很大程度上制约了再生制动技 术在电动汽车领域的发展速度。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着世界汽车保有量的大幅增加，伴随而来的空气质 量日益恶化，石油资源渐趋匮乏等问题引起了人们的高度重视。世界各国特别 是汽车工业比较发达的国家，开始致力于研究和开发低污染和无污染汽车。纯 电动汽车e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) 是取代传统内燃机汽车、满足零排放要求的最佳选 择。但是目前电池的能量密度、充电时间、价格、使用寿命等问题仍未得到理 想的解决，从而限制着纯电动汽车的发展。近年来燃料电池汽车发展十分迅速， 但在成本、氢能源的制备等方面仍存在一些急需解决的问题。因此，世界许多 著名汽车生产厂商已将研究的重点转向了可实施性较强的混合动力电动汽车 h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 。混合动力电动汽车一方面可以充分利用传统汽车 的技术成果和工业基础，另一方面可以有效地减少排放、降低油耗，是传统燃 油汽车向零排放纯电动汽车过渡时期各国政府和汽车制造商的最佳选择。 随着混合动力汽车成为下一代节能汽车的发展方向，再生制动这项技术又 得到了人们的重视。1 9 9 7 年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 ，1 9 9 9 年本田公司也推出了一辆产品化的混合动力轿车i n s i g h t 。这两款成 熟的混合动力轿车都应用了再生制动系统。当时的再生制动技术并不完善，存 在很多问题。在当时的再生制动系统控制策略中，机械制动系统常开，再生制 动系统只是起辅助作用，能够回收的制动能量非常有限，并且在制动时可以明 显感觉到制动力的不均匀性。这两个问题是当时再生制动技术的两大缺陷。 进入2 1 世纪后，各国加快了对混合动力电动汽车的研发进程，再生制动技 术也同趋成熟。2 0 0 4 年丰田公司推出了新款0 4 版p r i u s 混合动力轿车。新版 p r i u s 混合动力轿车通过e c b ( 电控制动系统) 控制制动过程中摩擦制动力和再 生制动力的大小，提高了计算机对制动过程中扮演不同角色的电动机发电机和 摩擦制动器的管理，使得制动过程更加平稳，并有效地回收了制动能量。福特 3 武汉理工大学硕十学位论文 公司在2 0 0 4 年推出的混合动力汽车e s c a p e 应用了线传电液系列再生制动系统， 极大的提高了制动能量回收效率、汽车制动方向稳定性和汽车舒适性。丰田公 司在推出的混合动力汽车“e s t i m a 中采用了电控柔性制动系统，将再生制动纳 入整车动力控制系统进行集中控制，并通过c v t 控制，提高了再生制动能量回 收率。戴姆勒克莱斯勒e x s 3 采用的制动系统兼容了制动能量回收和a b s 两种功能，该系统被称为能量可回收式a b s 系统。福特公司的p r o d i g y 、日产公 司的t i n o 和通用公司的p r e c e p t 均为新研制出的混合动力电动汽车，它们的制动 系统都集成了很多的功能，如制动能量回收以及车轮防抱死控制等。这些混合 动力电动汽车的制动力分配策略都采用了逻辑门限值与学习控制相结合的控制 方法，在试验中总结规律，从而制定门限值的大小。 目前国内对再生制动这一纯电动汽车或混合动力汽车所具有的关键性功能 的研究还很薄弱，相关理论和技术的研究文献很少，基本上处于起步阶段。 重庆大学的詹迅、秦大同等分析了轻度混合动力汽车在典型城市行驶循环 工况下的工作特点，在传统汽车制动理论的基础上，提出了一种简单有效的混 合动力汽车制动力分配控制策略，进行了整车再生制动系统建模和城市行驶循 环工况下的仿真。结果表明，采用该制动力分配策略能满足整车制动力分配的 要求，能量回收率达到了1 2 5 。 北京交通大学的耿聪、张欣等分析了典型循环工况下城市公交汽车制动能 量随制动减速度变化的分布规律，根据城市公交汽车车速变化大、制动频繁且 制动强度较低的特点，提出了适合于混合动力电动公交汽车( h e b ) 的再生制动 控制策略低制动强度时优先采用再生制动，高强度时按比例复合再生制动 与摩擦制动。这种控制策略既可保证低制动强度时制动能量的再生利用，又可 保证制动效能和制动安全性的要求。针对e q 6 1 1 0 h e v 混合动力电动汽车进行的 再生制动性能仿真计算表明：不同循环工况下，采用这种再生制动控制策略的 h e b 均有较好的节能效果，可降低能耗1 0 - - - - 2 5 。 清华大学的李蓬、金达锋等以某轻度混合动力电动汽车为研究对象，分析 了制动能量回收系统在制动回收工作过程中的控制策略，并在分析的基础上建 立其在制动过程中的制动力分配模型和数学模型，利用6 个典型的循环工况来 评价现有制动力分配策略的优劣，并与a d v i s o r 中的制动力分配策略进行了比 较。无论是燃油经济性、整车能量效率、回收能量占燃油消耗的百分比，还是 能量回收率都有明显的提高。 4 武汉理丁大学硕七学位论文 总之，国内的再生制动研究现在还基本处于起步阶段，无论在理论方面还 是实践方面的研究均较薄弱，需要进一步的深入。国内的汽车厂商和科研院所 在这一领域进行的研究虽然取得了初步的成果，但是均没有达到比较成熟的阶 段，主要存在着制动力难于准确控制、制动性能较差和制动能量回收率较低等 问题。 就本课题而言，目前存在的问题主要体现在： 当前大多数电动汽车的制动系统中，在摩擦制动器设计时都没有考虑电 机再生制动的影响。也就是说在设计电动汽车的摩擦制动器时，是把电动汽 车等同于没有再生制动的传统汽车来进行设计的。而实际情况中，制动时电 机是能够提供一部分制动力的，因此所设计的摩擦制动器所能提供的最大制 动转矩超过了实际制动过程中要求它提供的最大制动转矩，即摩擦制动器有 富余的制动能力。这就导致摩擦制动器的尺寸和重量过大，增加了制造成本， 也增加了整车的重量，加大了行驶时的滚动阻力，增加了车辆的能量消耗。 1 3 课题来源及研究目的、意义 本课题依托印度e t 公司委托的纯电动汽车设计开发项目。电动汽车再生制 动的研究以及摩擦制动器的轻量化设计是该项目的一部份内容。 1 3 1 研究目的 在电动汽车再生制动的研究中，再生制动控制策略是一个重点研究的方面。 而电动汽车再生制动过程中电机再生制动与摩擦制动的比例关系又是再生制动 控制策略的核心内容，直接关系到制动能量的回收效率。本课题的研究目的是 利用计算机仿真技术研究电动汽车的再生制动控制策略，分析如何分配摩擦制 动和再生制动之间的关系，协调控制二者的分配比例，在保证制动稳定性的前提 下，尽可能地实现再生能量最大化。 电动汽车的制动是电机再生制动和制动器摩擦制动共同构成的复合制动。 由于再生制动承担了制动总需求转矩的一部分，要求传统的摩擦制动器的提供 制动转矩相应地减少了。而且，由于制动能量的一部份通过电机发电转变为了 电能，由摩擦制动器承担的制动能量耗散任务相应地减小了，对制动器承载热 5 武汉理j ：大学硕士学位论文 负荷的要求也会降低。因此，减小摩擦制动器的尺寸和重量是可行的。基于这 一思想，本课题还将通过仿真试验，来确定制动过程中有电机再生制动的参与 下摩擦制动器的一些性能要求，结合制动器相关设计理论来对研究样车的摩擦 制动器进行轻量化设计。 1 3 2 研究意义 传统车辆使用的制动装置品种繁多形式多样，主要有机械式、气压式、液压 式和气液混合式等，但是它们的制动工作原理基本相同，即都是利用制动装置工 作时产生摩擦热的方式来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速的 目的。这些制动装置在工作时都存在很多缺点：制动时的动能或位能通过摩擦 转换成热能的形式而耗散掉，增加了车辆行驶过程中的能量损失，降低了车辆 的能量利用率。另外，在城市运行工况下，车辆需要频繁制动。在山区下长坡 时需要连续长时间的制动，有关制动表面将会产生大量热量，使制动装置摩擦 表面温度骤生，这会导致制动效果减弱，甚至失效，降低了车辆行驶的安全性。 而且，制动时会导致制动器摩擦片的磨损，需要经常更换摩擦片，增加车辆的 维修保养费用。 与传统汽车不同，电动汽车能够实现再生制动。利用再生制动，可以回收一 部份原本被消耗于摩擦制动的制动能量以备驱动时使用，有利于延长电动汽车 一次充电的续驶罩程，提高汽车的能量利用效率，节约能源。另一方面，由于 制动能量的一部份通过电机发电转变为了电能，由摩擦制动器承担的能量耗散 任务相应地减小，因此再生制动技术也可以减轻制动器的热负荷，减少其磨损， 提高车辆行使的安全性和使用的经济性。 根据再生制动控制策略中摩擦制动所承担的份额来对电动汽车的摩擦制动 器进行轻量化设计，可以节省材料和降低制造成本，减轻车辆的重量，降低行 驶时的滚动阻力，增加一次充电的续驶里程。 在全球能源问题日趋紧张和我国倡导建设节约型社会的大背景下，本课题的 研究是一项非常有意义的工作。 1 4 本文主要研究内容 本文研究的主要内容： 6 武汉理= 大学硕士学位论文 ( 1 ) 对城市工况下汽车的制动能量进行分析，揭示制动能量回收的巨大潜 力。研究电动汽车的再生制动系统的工作原理和基本结构，对影响再生制动回 收能量的主要因素进行分析。 ( 2 ) 通过对传统汽车的制动过程进行动力学分析，结合电动汽车再生制动 的特点以及电机力学模型，提出一种基于e c e 法规的电动汽车再生制动控制策 略。 ( 3 ) 利用a d v i s o r 软件建立本文提出的再生制动控制策略模型，在n e d c 工况和u d d st 况下进行了仿真试验，以考察该策略回收制动能量的效果，并 和a d v i s o r 再生制动策略仿真结果进行对比分析。 。 ( 4 ) 建立钳盘式制动器的设计模型。利用a d v i s o r 仿真软件，进行特定制 动工况下的仿真试验，以确定制动过程中有电机再生制动的参与下研究车型前 轮盘式制动器的一些性能要求。在盘式制动器设计理论的指导下，采用遗传优 化算法对研究车型的前轮制动器进行轻量化设计。 1 5 本章小结 本章简要介绍了本论文的课题研究背景、目前国内外关于电动汽车再生制动 领域的研究现状以及课题来源，对本课题的研究目的和意义做了阐述。最后介 绍了本文的主要研究内容。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章再生制动系统的基本原理、结构和影响因素 2 1 制动能量的分析 传统汽车在制动过程中，汽车的动能或势能通过制动器的摩擦转化为热能 而耗散掉，浪费了大量的制动能量。下面我们先对制动能量进行分析，看看制 动能量到底有多大的利用潜力。 根据汽车理论，汽车在道路上行驶时，其驱动力f 和行驶阻力 + l + 互+ c 相平衡。汽车行驶方程式为 互：( m g f + l p c 。a v 2 + m gs i n a + 6 历i d v ) 式中：m 为汽车质量( k g ) ；g 为重力加速度( m s 2 ) ；f 为滚动阻力系数；j d 为 空气密度( s 2 。m - 4 ) ；c o 为空气阻力系数；a 为迎风面积( m 2 ) ；v 为汽车行 驶速度( m s ) ；a 为坡度；6 为旋转质量换算系数；半为行驶加速度( m s 2 ) 。f if , 0 口r 时为驱动力；f 0 时为驱动功率，是汽车必须利用燃油或其它能源发出的，传递到驱动 轮处用以克服行驶阻力的功率；p 0 时为驱动能量；e o - ， 。 时为制动能量。传统汽车在制动过程中，制动能量通过制动器的摩擦转化为热 能耗散掉。而电动汽车却可以通过再生制动，将制动能量通过发电机发电转变 为电能存储到蓄电池中，进行制动能量的回收利用。 图2 _ 1 是用来检测汽车燃油消耗量和燃油经济性的几个典型的城市循环工 况图，分别是欧洲的e c e 循环工况、r 本1 0 1 5 循环工况和美国u d d s 城市循 8 武汉理f 大学硕士学位论文 环工况。从这些工况图上可以看出，汽车行驶过程中速度变化较大，经常需要 减速制动，可回收利用的制动能量应该是非常多的。 图2 - 1 几个典型的城市循环_ ：况 图2 2 给出了e c e 工况下加速度和驱动n 动功率的变化情况。图2 2 中加 速度为负的部分表示车辆需要减速制动，功率为负的部分即表示制动消耗的能 量，此部分的能量即为可以回收利用的制动能量。若将此部分能量利用起来， 可以增加电动汽车的行驶里程，提高车辆的能量效率。 9 武汉理t 大学硕士学位论文 1 5 1 遵0 5 e ： 0 0 5 1 n _ - _ l j i l _ - 一 i f lf 1j|f u ； j ： 口 l 、一 ： ，s 图2 _ 2e c e 工况加速度和功率变化情况 表2 1 给出了这几种城市循环工况下，某汽车的总消耗能量、制动能量的 大小及两者之问的比例。从平均数值看，制动能量占总消耗能量的2 4 1 左右。 即总消耗能量中有相当一部分被制动所消耗，转化为制动能量。如果能够完全 回收制动能量，那就意味着车辆的能量利用效率将会有很大的提高。虽然，由 于在制动过程中还有其它一些能量消耗因素，真正回收的能量会明显低于车辆 的制动能量，但是表中的数据也说明了制动能量回收的潜力是巨大的，会给电 动汽车的能量利用效率带来质的飞跃。根据美国电力科学研究院( e p r i ) 对在美国 几个城市电动汽车实际运行所作的统计数据表明，对于在这些城市中频繁起停 的电动公交汽车，通过再生制动给动力蓄电池组补充的能量，能使它的续驶里 程增加1 0 2 0 。可见，在电动汽车驱动系统中实现再生制动功能是非常重要 也是十分必要的。 表2 - 1 几种城市r 况制动能餐情况 t 况 e c e j a p a n1 0 1 5 u d d s 总消耗能量删 5 9 22 3 9 87 0 8 1 制动能量 1 3 76 0 41 6 9 7 制动能量所- 与百分比 2 3 1 42 5 1 92 3 9 7 1 0 武汉理工人学硕十学位论文 2 2 再生制动的基本原理 再生制动又称再生回馈制动，其原理是在制动时将汽车行驶的惯性能量通 过车轮经由传动系统传递给电机，控制电机以发电方式工作，为动力电池充电， 实现制动能量的再生利用。与此同时，发电过程中产生的电机制动力矩又可通 过传动系统对驱动轮施加制动，产生制动力。 图2 3 电动汽车再生制动过程中能量流动方向 图2 - 3 显示了电动汽车再生制动过程中能量的流动方向，其中黑色箭头代 表机械能量的传递路径，红色箭头代表电能传输路径。从图2 _ 3 可以看出，电动 汽车制动时，制动能量沿车轮、半轴、差速器、传动轴、变速器、电动机发电 机、功率变换器、电池路径依次传递，最终储存到电池中。必须注意的是，并 不是全部的再生制动能量都可以最终被存储起来。在传递过程中，为了克服传 动系的机械摩擦、转动惯量要损耗一部分能量。另外，电动机发电机发电过程 中、电池充电过程中也要损耗一部分能量。在可以利用的再生制动能量中，除 去能量流动过程中各种部件的消耗和损失，最后才是电池所获得的能量。 再生制动系统工作过程中，制动功率通常由电机转换为电功率。目前，最 适合作为电动汽车牵引装置的电机有永磁无刷直流电动机、交流感应电动机和 开关磁阻电动机。它们经与电机控制器配合具有类似的功率和转矩变化特性。 这个特性也非常适合汽车对功率和转矩的需求，而且它们的发电特性又与其电 动特性基本相同，如图2 4 所示。电机回收制动功率的能力主要取决于电机的 转速。在基速以下，电机能够回收的最大制动功率与电机的转速成正比。在基 速以上，能够回收的最大制动功率为定值。如果制动功率完全包络在电机最大 武汉理丁大学硕士学位论文 功率一速度曲线以内，制动功率就有可能全部被回收。但是如果制动功率超过 了电机的最大功率，电机可以吸收的制动功率将保持不变，超出部分就要被摩 擦制动器通过摩擦热的形式所吸收。因此当制动强度较大时，单纯依靠电机再生 制动往往不能满足制动要求，不足部分必须由摩擦制动补充完成。 02 0 0 0 基速4 0 0 06 0 0 08 0 0 010 0 0 0 电机转速( r p m ) 图2 _ 4 电机特性图 汽车制动时不是所有的动能或者制动能量都可以再生。在纯电动汽车或混合 动力电动汽车上，只有驱动轮上可以实现再生制动，制动能量可以沿着与之相 连接的驱动轴传送到能量储存系统，即电机制动力矩只能施加于驱动轮上，而 从动轮上的制动只能由摩擦制动实现。 由此看来，传统的摩擦制动也是必需的。一方面，单纯的再生制动不能给驾 驶者在制动时提供很好的感觉，容易使他们产生错觉；另一方面，在汽车需要 紧急制动时，摩擦制动将起到关键性的作用。只有将再生制动与摩擦制动有效 结合，才能形成一个高效安全的制动系统。 由于以上种种原因，电动汽车的再生制动必须与传统的摩擦制动配合工作， 方能实现安全有效的减速制动。在制动过程中，如何合理分配摩擦制动和再生 制动之i b j 的关系，协调控n - 者的分配比例，在保证制动稳定性的同时，尽可 能多地回收制动能量，成为再生制动系统的关键问题。 2 3 典型再生制动系统结构 1 2 0 6 4 龟弓壤簿嚣廿刁 4 嗣 武汉理工大学硕十学位论文 再生制动系统为电动汽车所独有，同传统燃油车中的纯机械摩擦制动有较 大差别。各种类型电动汽车再生制动系统的结构基本上都类似。图猫是目前电 动汽车再生制动系统结构中的一种。电机发电机通过离合器与变速器相连，而 液压制动系统的布置基本上与传统燃油车一致，另外还增加了制动系统控制单 元e c u 。制动系统控制单元e c u 实时接收制动踏板单元、电池管理器、电机控 制器、档位传感器和轮速传感器传递来的信号并进行处理。 图2 5 中，绿色实线表示电信号。当驾驶员踩下制动踏板后，由制动踏板 单元将踏板行程信号传到制动系统控制单元e c u 中，制动系统控制单元e c u 根据信号计算出驾驶员的制动力需求和车辆的制动强度，- 同时根据电池充电功 率、s o c 等电池状态信号、电机功率信号、变速箱挡位信号、轮速信号按预先 设定的控制策略，进行逻辑判断，决定驱动轮再生制动力和前后轮摩擦制动力 的大小，并将命令信号传递给电机控制单元e c u 和液压制动系统执行。电机控 制单元e c u 根据制动控制单元传送的命令信号，通过控制电机输出电流的大 小来使电机的再生制动力矩按指令工作，与摩擦制动力协调配合以满足驾驶员 制动需求，并能使再生制动力矩能按照制动踏板行程的变换而变化。 图2 巧电动汽车再生制动系统结构简图 1 3 武汉理t 大学硕士学位论文 再生液压混合制动系统是电动汽车所独有而燃油车没有的。再生制动 与液压制动之问的协调是问题的关键所在，为使再生制动系统出色地完成安全 制动与回收制动能量的双重任务，对其有如下要求： ( 1 ) 平顺性要求：为了使驾驶员在制动时感觉与驾驶传统燃油车一样平顺， 液压制动力矩应该可以根据再生制动力矩的变化进行控制，最终使驾驶员获得 所希望的总力矩。同时，液压制动的控制不应引起制动踏板的冲击，因而不会 给驾驶员一种不正常的感觉。 ( 2 ) 稳定性要求：为了使车辆能够稳定地制动，前后车轮上的制动力必须 很好地平衡分配。一方面要防止电动汽车制动时，出现后轮先抱死的危险情况； 另一方面要尽量避免前轮拖死，以保证车辆的转向能力；同时，制动时前、后 轮均要有足够的制动效率，以保证足够的制动效能。 ( 3 ) 制动能量回收要求：在保证制动平顺性与稳定性的条件下，通过设置 适当的整车再生制动控制策略，尽可能多的回收制动能量。 2 4 再生制动的影响因素 电动汽车再生制动的影响因素主要包括以下几个方面： ( 1 ) 行驶工况。行驶工况不同，汽车制动的频率就不一样。在城市行驶工 况中，车流密度大、红绿灯多，造成车辆频繁起步与减速停车，制动频繁，电 动汽车可以回收利用的制动能量就比较多。而在高速公路行驶工况下，汽车长 时间以较高速度行驶，道路通畅，制动频率相对较低，可以回收的制动能量就 较少。 ( 2 ) 电机因素。作为再生制动系统的关键部件之一，电机是影响再生制动 的一个很重要的因素。电机的制动能力越强，能够提供的制动转矩越大，在分 配再生制动和摩擦制动之间的比例关系时，可以使再生制动在总制动力中所占 的比例增大，从而回收更多的制动能量；其次，电机的发电功率越大，可以提 供给电池的充电功率也越大，回收的能量也就越多。受电机发电能力的限制， 可由再生制动产生的最大制动转矩不可能超过当时转速和功率下电机的发电能 力。因此，当制动强度很大时，单独依靠电机再生制动往往不能满足制动要求， 需要由摩擦制动来补充。 ( 3 ) 电池因素。电池的荷电状态s o c 值决定了能否对制动能量进行回收。 1 4 武汉理r t 大学硕士学位论文 制动时如果蓄电池的s o c 值很高，表明蓄电池电量已经接近饱和状态，为了保 护蓄电池，防止过充，不能进行制动能量回收，否则会损害电池或引发安全问 题，此时电机不能处于发电状态，不能提供再生制动力。另外，电池的充电能 力