（车辆工程专业论文）电动汽车再生制动控制的研究与仿真.pdf

中文摘要 近年束，汽车排放的尾气对人类健康和人们生活构成了严重的威胁，再综 合能源问题的考虑，具有零排放、零污染的电动汽车重新被重视起来，各国都 制定了相关的鼓励政策。各大公司在政府的支持下，也制定了发展电动汽车的 长远规划，调动了社会上各种力量参与电动汽车的研制。然而，电动汽车一次 充电的续驶罩程远远小于传统的内燃机汽车，这一不足严重影响了电动汽车的 产业化和迅速推广。增加电动汽车的续驶里程的一个有效方法是在电动汽车上 使用再生制动系统来回收制动能量。目前，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，已经成为了再生制动系统的关键问题之一。 本论文在查阅大量有关电动汽车技术资料的基础上，简述了电动汽车再生 制动的基本结构、工作原理和工作过程，分析了制约电动汽车再生制动的各方 面因素。并在建立电动汽车整个系统的能量平衡模型的基础上分析了影响电动 汽车一次充电续驶里程的主要因素和可行的解决方案。之后在建立了整车系统 及各部件的数学模型的基础上，详细分析了电动汽车再生制动常见的五种控制 模式的优缺点以及各种控制策略中的制动电流、制动功率、能量回馈效率和电 池充电电流，比较五种控制模式的安全性( 制动时间、制动距离) 和回馈能量 的多少，确定最大回馈功率控制模式和恒定制动电流控制模式是比较好的选择。 本文还说明了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的原因，并提出了固定分配和动态分配再生制动和机 械制动比例关系两种方案，并将两者进行比较得出动态分配两者间的比例关系 能够更多的回收制动能量的结论。 论文最后从a d v i s o r 中提取h o n d ai n s i g h t2 0 0 0 模型的数据，在e c e 循环 规定的1 况下进行了仿真试验，计算了在e c e 循环工况中的制动减速过程中制 动功率、制动能量、回收效率的变化情况，并证实了在动态分配再生制动和机 械制动比例关系时，保证电池和系统的安全性的前提下，可以回收最多的制动 能量并能增加续驶罩程2 1 2 5 。 关键字：电动汽车再生制动能量回收控制策略 a b s t r a c t br e c e n ty e a r s t h ee x h a u s to ft h ea u t o m o b i l ep o s e dt h es e r i o u st h r e a tt ot h e h u m a nh e a l t ha n dp e o p l e s l i v e s ，c o n s i d e r i n g t h e e n e r g yq u e s t i o n ，e l e c t r i c a u t o m o b i l e ，w h i c hh a sz e r od i s c h a r g e ，h a sz e r op o l l u t i o ni st a k e na g a i n a n dt h e v a r i o u sc o u n t r i e sh a v ea l lf o r m u l a t e dt h er e l a t e de n c o u r a g e m e n tp o l i c y u n d e r g o v e r n m e n t ss u p p o r t ，e a c hb i gc o m p a n ya l s oh a sf o r m u l a t e dl o n gt e r mp l a nt o d e v e l o p m e n te l e c t r i ca u t o m o b i l e t h e s ea c t i v i t i e st r a n s f e ra l lk i n d so fs t r e n g t hi nt h e s o c i e t yt op a r t i c i p a t ee l e c t r i ea u t o m o b i l ed e v e l o p m e n t h o w e v e r , t h er a n g eo f e l e c t r i ca u t o m o b i l em u c hs m a l l e rt h a nt h et r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e a u t o m o b i l e ，t h i si n s u 筋c i a n th a ss e r i o u s l ya f f e c t e di n d u s t r i a l i z a t i o na n dt h er a p i d p r o m o t i o no ft h ee l e c t r i ca u t o m o b i l e n e r ei s a l le f f e c t i v em e t h o dw h i c hc a n i n c r e a s e st h er a n g eo ft h ee l e c t r i ca u t o m o b i l ei su s e st h ee l e c t r i cr e g e n e r a t i v e b r a k i n gs y s t e mo nt h ee l e c t r i ca u t o m o b i l et or e c y c l et h eb r a k et h ee n e r g y a tp r e s e n t ， h o wt oa s s i g nr e l a t i o n sb e t w e e nt h ef r i c t i o nb r a k ea n dt h er e g e n e r a t i r eb r a k i n g ，h o w t oc o o r d i n a t ea n dc o n t r o lt h e i ra s s i g n m e n tp r o p o r t i o n ，h a sa l r e a d yb e c o m et h e r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mk e yq u e s t i o n o nt h eb a s i co fm a s s i v et e c h n i c a li t u n d a t i o nr e l a t e de l e c t r i ca u t o m o b i l e s ，t h i s a r t i c l es u m m a r i z e dt h ee l e c t r i ca u t o m o b i l e r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ss t r u c t u r e ， p r i n c i p l eo fw o r ka n dp r o c e s so fw o r k a n a l y z e dt h er e s t r i c t i o ne l e c t r i ca u t o m o b i l e e l e c t r i cr e g e n e r a t i v eb r a k i n gv a r i o u sa s p e c t sf a c t o r a n da f t e re s t a b l i s h e de l e c t r i c a u t o m o b i l eo v e r a l is y s t e me n e r g yb a l a n c em o d e l 。t h i sa r c i c l ea n a l y z e dt h ep r i m a r y i n f l u e n c ef a c t o rt or a n g eo fe l e c t r i ca u t o m o b i l ea n dt h ef e a s i b l es o l u t i o n a n dt h e n t h i sa r t i c l ee s t a b l i s h e dt h er e c o v e r ys y s t e mm a t l l e l l a a t i c a lm o d e l a n dm u l t i a n a l y z e d c o m m o nf i v ek i n d so fc o n t r o i ss t r a t e g yg o o da n db a dp o i n t so fe l e c t r i ca u t o m o b i l e r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，a n da n a l y z et h ee l e c t r i cc u r r e n t ，t h eb r a k i n gp o w e r , t h ee n e r g y b a c kc o u p l i n ge f f i c i e n c ya n dt h eb a t t e r yc h a r g i n gc u r r e n to fe a c hk i n do fc o n t r o l s t r a t e g ya p p l l e d ，a n dc o m p 删f i v ek i n do fc o n t r o l ss t r a t e g i e s ，p a ya t t e n t i o nt ob o t h e l e c t r i ca u t o m o b i l es e c u r i t y ( s t o pt i m e ，s t o p p i n gd i s t a n c c ) a n dr e c y c l ee n e r g y , t h i s a r t i c l ed r a wac o n c l u s i o na sf o l l o w i n g ：o b t a i n e dt h eb i g g e s tr e c y c l ep o w e rc o n t r o l p a t t e r na n dc o n s t a n t l ya p p l i e st h eb r a k et h ee l e c t r i cc u r r e n tc o n t r o lp a t t e r ni st h e q u i t eg o o dc h o i c e t h i sa r t i c l ea l s os h o w e dt h er e a s o uo ft h ee l e c t r i ca u t o m o b i l er e g e n e r a t i v e b r a k i n gm u s tw o r kw i t ht h et r a d i t i o n a lf r l o t i o nb r a k et oa p p l ye f f e c t i v ed e c e l e r a t e s b r a k e ，a n dp r o p o s e dt w ok i n do fp r o p o r t i o n a lr e l a t i o n s h i p ：t h ef i x c da s s i g n m e n ta n d t h ed y n a m i ca l l o c a t i o nr e g e n e r a t i v e b r a k i n ga n dt h em a c h i n e r yb r a k e ，a f t e r c o m p a r e dt h e m ，g e tac o n c l u s i o n ：d y n a m i ca l l o c a t i o nt w ot h ep r o p o r t i o n a l r e l a t i o n s h i pi sa b l cl or e c y c l i n gm o r eb r a k et h ec n e r g y t h ea r t i c l ef i n a l l yw i t h d r a w sh o n d ai n s i 9 1 l t2 0 0 0m o d e l sd a t af r o ma d v i s o r ， a c t u a t e dj ne c es t i p u l a t i o no p e r a t i n gm o d et oc a r r yo nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ， c a l c u l a t e da p p l i e dt h eb r a k ei nt h em o d e r a t i n gp r o c e s si nt h ee c ec i r c u l a t i o n o p e r a t i n gm o d et h eb r a k i n gp o w e r , a p p l i e st h eb r a k et h ee n e r g y , t h er e c y c l i n g e f f i c i e n c yc h a n g es i t u a t i o n ，a n dc o n f i r m e dac o n c l u s i o n ：w h e nt h ed y n a m i c a l l o c a t i o ne l e c t r i cr e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n dt h em a c h i n e r y , g u a r a n t e e dt h eb a t t e r y a n du n d e rt h es y s t e ms e c u r ep r e m i s e ，m i g h tm a x i m i z er e c y c l i n ge n e r g ya n dt h i sk i n d o fs t r a t e g yc a ni n c r e a s e2 1 2 5 r a n g e k e yw o r d s ：e l e c t r i ca u t o m o b i l er e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g yr e c y c l i n g c o n t r o ls t r a t e g y 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 自1 8 8 6 年发明了汽车以来，汽车就成为人们日常生活中不可缺少的代步 和运输工具，可以说汽车大大的缩短了人们之间的距离，改变了人们的生活方 式，提高了人们的生活质量。但是由于燃油汽车要消耗大量的石油资源、排放大 量的废气、制造噪音和严重污染环境，汽车也给世界带来了无法回避的负面影 响。正是在这种情况下，电动汽车( e v ) 的研究与开发引起了世界各国的关注。 近年来，各大公司在政府的支持下，也制定了发展电动汽车的长远规划， 调动了社会上各种力量参与电动汽车的研制。电动汽车经历了关键性技术的突 破，样机、样车的研制，区域性试用以及小批量实际应用等探索阶段，现在已 接近商业化生产。 电动汽车是集高新技术、电子技术、新材料等一体化的高科技产品，而发 展电动汽车更是一项复杂的系统工程。目前国内外研制和小批量生产的电动汽 车尚处在改进和试验阶段，许多没有完全解决的技术问题影响了电动汽车的整 体性能，如驱动系统、电池供电系统等。而新概念车的开发也仅仅处在样品车 的地位，可以说，目前电动汽车的整体性能暂时还无法与燃油汽车相比拟。另 外从电池技术方面看，电池作为电动汽车的动力源而成为电动汽车发展的关键。 这一技术长期不能得以突破，在功率、快速充电、环保、寿命等方面成为电动 汽车发展的瓶颈。 由于蓄电池的功率密度比较小，电动车能够携带的蓄电池能量有限，所以 电动车的一次充电续驶里程相对比较短，目前一般为1 5 0 k m 左右，和传统的内 燃机汽车相比还相差太远，受到这一限制，到目前为止几乎上还没有一辆具有 商业价值的电动汽车。虽然如此，发展环保型汽车是今后汽车发展的方向这一 观点在世界各国已经形成了认同，况且未来的市场是企业保持可持续发展的根 本条件，国内外生产厂商都在进行不懈的努力，纷纷抢占未来市场。所以对于 如何增加电动汽车续驶里程，如何减少电动汽车在行驶过程当中能量损耗的研 究，不论是对于生产厂商还是对于我固的汽车产业都是十分必要的，都有着重 武汉理工大学硕士学位论文 要的实际意义。 1 2 本课题研究的实用价值与理论意义 我国是一个能源短缺国家，随着燃油汽车保有量的急剧增加，能源问题和 环境污染问题必将日益严重。电动汽车的研究与发展必将越来越受到人们的重 视，然而，电动汽车的研究和开发近年来虽然取得了一定的进展，但还存在如 下的一些技术难题亟待解决： ( 1 ) 一次充电续驶里程太短； ( 2 ) 电池的循环寿命短、更换率高； ( 3 ) 电池的充电时间长。通常需要6 1 0 个小时才能完成； ( 4 ) 电动汽车的动力性能还不够理想，电机的调速控制系统和蓄电池的能 量管理系统复杂，技术不成熟。 由此可见，电动汽车发展的关键问题是提高蓄电池的性能、电机的控制系 统和蓄电池的能量管理系统的性能，以增加续驶里程、提高动力性能。 目前电动车上大多采用的驱动能源是铅酸蓄电池。但是铅酸蓄电池的功率 密度比较小，电动车能够携带的蓄电池能量有限，所以电动车的一次充电续驶 里程相对比较短，目前一般为1 5 0 k m 左右。电动车续驶里程偏低，其主要原因 有：电池容量有限；系统效率偏低；驱动方式不够理想；城市运行工况下频繁 刹车及下坡刹车能量没有回收。 因此，合理的利用电制动，不仅能为汽车提供辅助制动功能，提高整车制 动性能，而且能够通过回收制动能量来节约能源，延长电动车辆的一次充电续 驶里程，所以可以说在现有的情况下再生制动的研究是一项非常有意义的工作。 本论文中所要研究的再生制动就是能够尽量回收电动汽车在制动过程中的 能量，增加一次充电的续驶里程。课题的研究可以在一定程度上缓解电动汽车 目前所遇到的技术难题。 特别地，我国是一个多山的国家，丘陵和山地占国土面积的三分之二，图 卜1 给出了采用再生制动技术后不同地形可以增加的电动汽车一次充电的行驶 里程。通过实地路况试验，可以充分证明在中国，特别是在中国的谣部，山高 坡陡，丌展再生制动研究十分必要，中国西部大部分地区道路起伏变化明显， 常有数十米乃至数百米的大坡道，在下坡时，将车辆的制动、减速能量回收储 武汉理工大学硕士学位论文 存起来，等到上坡时再释放使用，这样不但可以节省能源，还可以减少刹车片 的磨损，降低故障 率，减少使用成本。 在城市交通中， 由于需要频繁的加 减速，再生制动同样 具有重要的意义，有 着显著的经济价值。 因此，对电动汽 车的再生制动，如果 图卜1 地形对续驶里程的影响 采用合适的控制策 略，对电动汽车的减速、制动时的能量进行回收利用，将产生非常可观的经济 和社会效应。 1 3 国内外在电动汽车再生制动领域的研究现状 再生制动是指将车辆的动能依靠发电机储存在电动车的储能装置中重新加 以回收利用。再生制动在电动车的能量回收中占有突出的地位，在电动车的能 量管理系统中，要求能尽可能多的利用再生制动回馈的能量。 再生制动可以将电动车输出动能能量的3 0 5 0 转换为惯性能，1 5 1 8 能真j 下被存储，其余部分消耗在制动过程中的道路负载上或机械电子系统损耗 上。通常多采用向蓄电池充电来吸收再生制动回馈的能量，其缺点是蓄电池难 以实现短时问大功率充电且充放电循环次数有限，成本高。还有就是使用超级 电容、飞轮等储能元件进行能量回收，其中超级电容是一种较可行的方法。超 级电容是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，具有比静电电容器高得 多的能量密度和比电池高得多的功率密度，适合用作短时问功率输出源。具有 比功率高、比能量大、一次储能多等优点，因此能大大提高电动汽车的一次续 驶里程数并能在汽车启动、加速和爬坡时有效改善电动汽车的运动特性。另外， 在电动车上使用超级电容后，能够平滑动力电池的充放电电流，动力电池的使 用寿命亦可有较大延长。 国外对再生制动技术已经进行了一些研究，多采用菁电池吸收回馈能量， 武汉理t = 大学硕士学位论文 利用超级电容的很少，而且所采用的电容价格高( 在1 5 0 美元只上下) 、比能量 较低( 仅为2 3 w h k g 左右) 、额定电压低( 2 5 伏) ，因此多采用串、并联上百只 电容的方案，致使控制系统可靠性降低，整车成本大大提高。 在再生制动系统方面，美国纽约州的斯卡奈塔第联合大学( u n i o nc o l l e g e s c h e n e c t a d yn e wy o r k ) 对大型客车的回馈制动的建模进行了研究，该车满员为 3 0 人，满载重量可达1 2 ，4 7 4 k g ，采用飞轮储能。在设定的城市平均驾驶循环中 ( 其特点为加速、减速很快，匀速运行的距离短，停车时间短，整个循环为5 6 秒) 进行了定量的经济性分析。在此循环中制动时的惯性能量占总能量的5 9 ， 可以给予回收。通过理想的能量回馈系统可以使每辆车的燃料消耗成本从 1 2 ，2 7 0 美元年降到5 ，0 3 0 美元年。目前，意大利的f i a tc i n q u e c e n t oe l e t t r a 已 经开始对超高速飞轮的实用性能进行评价，具体是把采用超高速飞轮作为铅酸 电池辅助能源的混合能源系统用于电动汽车上并进行实验测试，模拟结果显示 使用该系统可节能2 0 。 但是，与固定储能装置不同，超高速飞轮用作电动汽车的储能装置面临两 大问题。首先，当车辆转弯或产生颠簸偏离直线行驶时，飞轮将会产生陀螺力 矩，陀螺力矩将严重影响车辆的操纵性能；其次，若飞轮出现故障，以机械能 形式存储在飞轮中的能量就会在短时间内释放出来，相应地，产生的大功率输 出将会对车辆产生巨大破坏。比如1 k w h 的飞轮失效，在1 5 s 内将产生7 2 0 3 6 0 0 k w 的功率输出，因此故障抑制一直是超高速飞轮用于电动汽车面临的巨 大障碍，要将超高速飞轮用于电动汽车还有很长的路要走。 福特福克斯燃料电池汽车( f c v ) 将混合动力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 组合起来，使可载四人的福克斯f c v 的行驶里程达到1 6 0 2 0 0 英里之间，较 以前的车型有了大幅度的改善。再生制动系统的作用是在施加制动时以电能的 形式回收能量。回收的电能被送到蓄电池储存以后使用，汽车之所以能大幅度 提高续驶罩程，通过再生制动回收的能量也起了较大作用。这是在利用燃料电 池作为主能源的基础上用蓄电池回收能量的，但是目前燃料电池技术相对来讲 还要相当时间的开发历程。 在储能装置方面，超级电容与电池联用作为电动汽车的动力系统已被公认 为解决电动汽车推动问题的最佳途径。早在第十三届国际电动车会议( e v s ) 上， 就提出用超级电容和充电电浊配合来实现回馈制动的能量存储。由于超级电容 具有很高的功率密度，且即使在大电流充放电的工况下也具有很长的寿命，但 4 武汉理_ l 入学硕士学位论文 能量密度较低；而充电电池一般功率密度较低，但能量密度较高，因此可以将 超级电容与充电电池结合起来，进行优势互补。在第十六届e v s 上的报告显示， 同本的研究人员己经用这种方法制成了实验样车，并进行了试验，结果表明采 用超级电容与充电电池配合的回馈制动方案可以降低电池的峰值功率并显著提 高行驶里程。 美国m a x e l l 公司所开发的超级电容器己在各种类型电动汽车上都得到良好 应用，能源部推出电动汽车用超级电容的可行性研究计划，到2 0 0 5 年实现了能 量密度5 w h k g 和功率密度5 0 0 w k g ，中期目标是实现能量密度1 0 w h k g 和功 率密度1 0 0 0 w k g ，长远目标是实现能量密度1 5 wh k g 和功率密度1 5 0 0 w k g 。 美国三大汽车巨头成立u s a b c ( u sa d v a n c e db a t t e r yc o n s o r t i u m ) 机构，专门主 持e d l c 的研究与开发。本田公司在其开发出的第三代和第四代燃料电池电动 汽车f c xv 3 和f c xv 4 中分别使用了自行开发研制的超级电容器来取代二次 电池，减少了汽车的重量和体积，使系统效率增加，同时可在刹车时回收能量。 测试结果表明，使用超级电容器时燃料效率和加速性能均得到明显提高，启动 时间由原来的1 0 m i n 缩短到1 0 s 。此外，法国s a f t 公司、韩国n e s s 公司等也 都在加紧电动汽车用超级电容器的开发应用。 世界上电动车的开发虽然十分重视再生制动问题，但主要集中在考虑车辆 在城内行驶时非常频繁的刹车一一启动( 或加速) ，通过使用超级电容、飞轮等将 制动能量回收，并在启动时加以利用。例如：日本东京r & d 公司在电动车上使 用超级电容实现再生制动后，可提高电动车行驶里程2 0 ，动力电池的使用寿 命也延长1 5 倍。 国外有关研究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下， 有效地回收制动能量，可使电动汽车的行驶距离延长百分之十到百分之三十。 我们所熟知的丰田公司的p r i u s 和本田公司的i n s i g h t 都代表了比较成熟的电 动汽车技术，p r i u s 回收的制动能量大约可以使续驶里程增加2 0 ；i n s i g h t 回 收的制动能量大约可以使续驶里程增加3 0 目前国内关于制动能量回收的研究还处在初级阶段，对再生制动的研究现 多停留在理论分析和实验室验证阶段，而且只有个别单位在进行利用超级电容 实现再生制动的研究工作。在网上发现对电动汽车的制动能量回收的文章很多， 国内已有不少高校和研究所在实验，预期都不低。但由于电池的技术瓶颈，几 乎上还没有一辆有商业价值的电动汽车，特别是在能量回收方面。所以我国在 武汉理t 大学硕士学位论文 目前的条件下，对于制动能量回收的研究很有必要。 1 4 本课题的主要研究内容 本篇论文在建立电动汽车整车模型、功率模型、电池模型、电机模型、制 动力分配模型以及整车系统的能量模型的基础上，对电动汽车再生制动控制策 略进行分析和研究，并利用姒t l a b 中s i m u l i n k 模块以及a d v i s o r 2 0 0 2 对电动 车辆的四种再生制动控制策略进行仿真和计算，寻求电动汽车在制动过程中机 械制动和再生制动的最佳比例关系，使回收的能量最多，最大程度上增加电动 汽车一次充电的续驶里程。 1 5 本章小结 本章简要介绍了本篇论文的研究背景、实用价值和理论意义、目前国内外 关于电动汽车再生制动的研究现状、成果和本篇论文的主要研究内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章再生制动系统的结构、工作原理和影响因素 再生制动能量回收技术主要用于电动汽车，电动汽车采用电制动时，驱动 电机运行在发电状念，将汽车的部分动能回馈给蓄电池并对其充电，这对延长 电动汽车的行驶距离是至关重要的。据美国对电动汽车的实际运行测试结果表 明，再生制动给储能装置补充的能量，能够使电动汽车一次充电后行驶的里程 增加1 0 一3 0 。 再生制动是电动汽车所独有的，在减速制动( 刹车或者下坡) 时将车辆的部 分动能转化为电能，转化的电能储存在储存装置中，如各种蓄电池、超级电容 或超高速飞轮，最终增加电动汽车的行驶里程。如果储能器已经被完全充满， 再生制动就不能实现，所需的制动力就只能由常规的液( 气) 压制动系统来提 供。现在几乎所有的电动汽车都安装了这再生一液( 气) 压制动系统，从而 可实现节约制动能、回收部分制动动能，并为驾驶员提供常规制动性能。 一般而言，当电动汽车减速、在公路上放松加速踏板巡航或踩下制动踏板 停车时，再生制动系统启动。正常减速时，再生制动的力矩通常保持在最大负 荷状态；电动汽车高速巡航时，其驱动电动机般是在恒功率状态下运行，驱 动力矩与驱动电动机的转速或者车辆速度成反比。因此，恒功率下驱动电动机 的转速越高，再生制动的能力就越低。另一方面，当踩下制动踏板时，驱动电 动机通常运行在低速状态。由于在低速时，电动汽车的动能不足以为驱动电动 机提供能量来产生最大的制动力矩，因而再生制动能力也就会随着车速降低而 减小。电动汽车的再生制动力矩通常不能像传统燃油车中的制动系统一样提供 足够的制动减速度所以，在电动汽车中，再生制动和液( 气) 压制动系统通 常共同存在。不过应该注意，只有当再生制动已经达到了最大制动能力而且还 不能满足制动要求时，液( 气) 压制动才起作用。 2 1 再生制动系统的结构 电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成 既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于 内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机 武汉理工大学硕士学位论文 的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。 电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设嚣的，通 常由制动器及其操纵装置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可 以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转 换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。 再生一液压混合制动系统是电动汽车所独有。燃油车没有，再生制动与 液压制动之间的协调是问题的关键所在，而且，应该考虑如下特殊要求： ( 1 ) 为了使驾驶员在 制动时有一种平顺感，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 ) 由于在电动汽车 上没有发动机驱动液压 图2 - 1 再生一液压混合制动系统的结构 泵，所以需要一个电动泵来提高液压。液压制动力矩是电控的，将产生的液压 传到制动轮缸上。因而再生一液压制动系统需要防止制动失效的机构，为了提 高系统的可靠性，满足安全标准，系统一般采用双管路制动，当其中一条管路 失效时，另一条管路必须能提供足够的制动力。 ( 3 ) 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。此外，为了防止汽车发生滑移，加在前后轮上的最大制动力应该低于允 许的最大值( 主要由滚动阻力系数决定) 。 为了实现上述要求，再生一液压混合制动系统的结构设计如上图2 - 1 所示。 踩下制动踏板后，电动泵使制动液增压产生所需的制动力，制动控制与电动机 控制协同工作，确定电动汽车上的再生制动力矩和前后轮上的液压制动力。再 生制动时，再生制动控制回收再生制动能量并反充到蓄电池中、电动汽车上的 a b s 及其控制阀的作用与传统燃油车上的相同，其作用是产生最大的制动力。 8 武汉理工大学硕七学位论文 2 2 电动汽车能量回馈的基本原理 所谓能量回馈，即电动机工作于再生制动模式，如图2 2 所示。工作时，首 先将电机电枢驱动电流断开，电枢两端接入 一个开关电路，并使其工作于高速通断状 态。由于电机属感性器件，感应电势e 与感 应电流i 有如下关系： e 一竺 d t 式中：l 为电机电枢的电感。 当开关闭合时，电机感应电势引起的感 兄 图2 2 口辑 应电流经开关k 形成回路，感应电流为制动电流，有： ， 。一l r + r 式中：r 为电枢电阻；r 为制动限流电阻；，为制动电流；e 为感应电势。 当开关k 断开时，l 警1 迅速上升，导致感应电势e 迅速上升，直到e u 时， 实现能量反馈，回馈电流为制动电流i ，： ，：业 兄+ r 式中：r 为电流回馈电路的等效电阻。 2 3 电动机能量再生系统工作过程 电动汽车上常用的驱动电机包括鼠笼异步电机和永磁同步电机，永磁无刷 直流电机最大优点就是去掉了传统的直流电机中的换向器和电刷，因此由于电 机而引起的一系列问题也就都不存在了，它的另一个优点是由于矩形波电流和 矩形波磁场的相互作用，在电流和反电势同时达到峰值时，能产生很大的电磁 转矩，且散热好，提高了负载密度和功率密度。转矩脉动较小。永磁电机最大 弱点是磁钢的去磁现象以及换流时电磁转矩脉动较大，使系统的可靠性降低。 能量再生系统的基本工作原理是通过电机电驱的自感电动势、反电动势， 9 武汉理t 大学硕十学位论文 将存储在电枢中的磁场能量以及车体的动能保存至蓄电池或超大电容当中。 以图2 3 、图2 4 为例，来具体说明应用于三相永磁无刷直流电动机拖动系 统能量回收装置的工作原理和工作过程。 图2 3a 、b 相绕组蓄能时的电流走向 图2 - 4 a 、b 相绕组释放能量时的电流走向 图2 3 和图2 4 对应某个6 0 。电角度区间的再生过程，此时只有a 相下桥臂功 率管在p v n ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o np w m ) 的驱动下进行开关动作，其它所有 功率管关闭，当a 下桥臂导通时，对应着图2 3 ，此时电枢蓄能，当a 下桥臂关断时， 对应着图2 4 ，此时电枢释放能量，并向蓄电池、电容充电。 对于整个3 6 0 。的电角度区域，其切换过程如表2 一l 所示。表2 1 中，+ 表示工 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 作，表示关闭。通过表2 l 就可连续完成能量回收功能。 表2 1 能量再生过程功率管导通相序图 、母露 aabbcc 漶 fl 卜 上 卜 3 0 。钧 。1 5 0 1 5 0 * 一2 1 0 斗 2 l o 2 7 0 7 瓣3 3 0 3 粥一3 3 6 0 3 0 2 4 再生制动的影响因素 在制动过程中，除去空气阻力和行使阻力耗费掉的能量，我们希望能最大 限度地回收所有能量，然而实际上，并不是所有的动能或者制动能量都可以回 收。在纯电动车或混合动力电动汽车上，只有驱动轮上的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，另一部分的制动能量将由车轮上的摩 擦制动而以热的形式散失掉。同时，在制动能量回收的过程中，能量传递环节 和能量储存系统的各部件也将会造成能量的损失。另外一个影响制动能量回收 的因素是，在再生制动时，制动能量通过电动机转化为电能，而电动机吸收制 动能量的能力依赖于电动机的速度，在其速度范围内制动时，可再生的能量与 车速基本上成正比。当所需要的制动能量超出能量回收系统的范围时，电动机 可以吸收的能量将保持不变，超出的这部分能量就要被摩擦制动系统所吸收。 从总体上看，电动汽车再生制动的影响因素主要包括以下几个方面： ( 1 ) 电机电机是影响再生制动的主要因素之一，电机的制动能力越强， 在分配再生制动和机械制动之间比例关系时，可以使再生制动的比例增大，从 而增加回收的再生制动能量；其次电机的发电能力直接制约再生能量的多少， 电机的放电功率越大，可以提供给电池的充电功率也越大，回收的能量也就越 多；另外，电机的机械效率、定子转子电阻对再生制动能量回收也都有影响。 武汉理工大学硕士学位论文 在一定的电机转速下，电机所能提供的制动力矩与电机的发电功率及电机 效率直接关联， 制动力矩= 它们存在如下的关系 制动( 机械) 功率 电机转速 一电机发电( 电) 功率+ 电机发电效率 电机转速 ( 2 ) 储能装置储能装置是能够储存再生制动能量的装置，目前主要有蓄 电池、超级电容器、飞轮电池等几类。目前使用较多的依然是蓄电池。能否将 电机所发出的电能全部、快速吸收是研究和设计再生制动系统的最重要和急需 解决的问题之一。 另外电机允许发出的电功率除了受限于电机自身的性能外，还受限于车载 储能装置的最大允许充电电流及充电功率。即发电功率不能大于储能装置允许 充电功率及线路损耗之和，发电电流不得大于储能装置最大允许充电电流。否 则有可能损坏储能装置或因传输线路发热过大导致线路烧坏或系统过热而引发 的其他一些问题。 ( 3 ) 控制策略当电机和储能装置按照使用要求和设计意图选定之后，控 制策略就决定了再生制动能量回收的多少。因而目前在电动汽车再生制动领域 除了对储能装置的研究外，对再生制动控制的策略研究也是很多的。控制策略 的制定，规定了再生制动和机械制动的比例关系，规定了电池充发电的状态以 及再生制动过程当中能量回收的多少。 ( 4 ) 使用环境使用环境主要包括路况、环境温度和车辆的当前状态等。 不同的路况，车辆的制动要求不同，回收的能量也就不同：环境温度越低，电 机和储能装置的散热越快，发电和充电的能力就越好；车辆当前的状态主要是 指当前储能装置的状态，储能装置当前充放电能力不同，能够回收的再生制动 能量就不同。 结合目前电动汽车的基本结构和使用环境，具体来说，可回收的制动能量 的大小主要取决于如下些因素： ( 1 ) 在纯电动或混合动力电动汽车上，只有由电机驱动的车轮上的制动能 量能够沿与之相连接的驱动轴传送到能量存储系统实现回收，而非驱动轮上的 制动只能由摩擦制动实现。 ( 2 ) 是否能对制动能量进行回收取决于电池的荷电状态值s o c ，若制动时 武汉理工大学硕士学位论文 蓄电池的s o c 值很高，为保护蓄电池，延长电池使用寿命，不能进行制动能量 回收。 ( 3 ) 受到电池充电功率的限制，回收功率不能超过电池当时最大充电功率。 ( 4 ) 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发电能力，当制动强度大时，电机再生制动往往不能满 足制动要求。 ( 5 ) 若电机位置在变速器前，对于手动变速器和机械式自动变速器，减速 换档时，变速处于空档位置，从车轮到电机的动力传递被切断，电机不能实现 再生制动。 ( 6 ) 车辆制动时，变速器所在档位，档位越高，制动所需扭矩越大，档位 越低，制动扭矩所需扭矩越小。当变速器处于高档位时，电机再生制动往往不 能满足制动要求，而变速器处于低档位时，电机的制动扭矩过剩。 如下表2 - 2 为i n s i g h t 在e c e 循环工况下不同档位制动时制动力矩的需求 和分配情况： 表2 - 2 不同档位制动时制动力矩的需求和分配 一挡 二档 三档 四档 五档 制动所需总的制动 力矩( n m ) 1 8 8 23 7 2 35 9 2 17 5 7 49 1 7 4 电机处提供的制动 1 8 8 23 7 2 34 6 54 6 54 6 5 力矩( n m ) 机械制动系统需提 o 0 1 2 7 13 1 2 44 5 2 4 供的制动力矩( n m ) 由上表可以看出，不同的档位制动时，对再生制动能量回收有着很大的影 响。当控制策略为固定分配再生制动和机械制动比例关系时，影响更为明显。 ( 7 ) 循环工况对再生制动能量的影响 为了进行电动汽车能量回馈控制，需首先探明其在各种用途中的制动能量 回馈潜力。分别以美国f t p 工况、高速公路h f e t 工况、欧洲城市循环 e c e e u d c 工况和日本j p l 0 1 5 四种循环为例，进行制动能量的分析。 四种循环工况的驱动与制动能量如图2 5 所示，在这四种循环工况中，制 动能量都占了不小的比例，其中j p l 0 1 5 工况为2 5 7 ，e c e e u d c 工况为1 8 ， h f e t 工况为6 ，f t p 为2 5 。 1 3 武汉理工大学硕十学位论文 翟 鞠 樱 图2 5 四种典型工况的驱动与制动能量比较 上图2 5 说明了不同的路况对再生能量的影响。从上图可以看出，不同的 路况回收的制动能量的比例是不同的，制动越频繁，回收能量的比例越大。 ( 8 ) 回馈能量还与制动方式和回馈系统各环节的效率因子有关。电动汽车 的制动方式包括：再生制动、机械制动或两者同时作用的复合制动，其中机械 制动会导致一部分制动能量以热量的形式散失掉。能量回馈系统各个环节的效 率因子主要包括逆变器的效率、电机的效率、蓄电池的充电效率等。 由于以上种种原因，传统的摩擦制动还是必需的。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，才能产生一个高效的制动系统。 所以，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。如何分配摩擦制动和荐生制动之间的关系，协调控制二者 的分配比例，现在已经成为了再生制动系统的关键问题。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章详细介绍了电动汽车再生制动系统的结构、以无刷直流电动机为例描 述了能量再生系统的工作原理和工作过程。 在这一章中还着重分析了电机、储能装置、控制策略和使用环境是影响制 动能量回收大小的四大因素和具体的八个影响方面，强调了再生制动和机械制 动必须协调工作的必要性和重要性。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章再生制动系统的建模 3 1 整车模型 电动车直线行驶时，传递到驱动轮的扭矩为z ，在不打滑条件下，路面对 车辆的驱动力为： f 。= l( 3 1 ) 路面对车辆轮胎切向作用力的极限值称为附着力： 只= 瓯圣 式中，g 。为作用于驱动轮上的车辆重力，决定于车辆质心分布： 圣为附着系数，决定于轮胎和路厩的结构和性能 在电动车直线行驶时，驱动力f 。和阻力e + 耳+ 只+ e 相平衡，车辆正 常行驶的充分必要条件是驱动附着关系式： e + 巧+ 只s 只冬岛 上式中e 为空