（车辆工程专业论文）电储能式车辆再生制动系统模拟试验台的研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 再生制动系统( r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m ，简称r b s ) 是在汽车减速 或制动时，将汽车行驶动能转化为其它形式的能量存储起来，并利用它辅助汽车 启动、加速、爬坡的一种节能装置。一方面，它能够提高汽车对能量利用率，减 少燃料消耗，达到提高燃油经济性的目的；另一方面，可以降低制动器的热负荷、 减轻制动部件的磨损、提高了汽车行驶安全性和使用经济性。 本论文是江苏省高校自然科学重大基础项目“汽车制动能量再生理论与方 法”( 0 5 k j a 5 8 0 0 7 ) 和江苏省汽车工程重点实验室开放基金项目“电储能式车辆 再生制动系统实验研究”( q c 2 0 0 6 0 6 ) 研究的重要组成部分，着重解决电储能 式车辆再生制动系统模拟试验台的设计。具体开展了以下几方面的工作： ( 1 ) 对车辆再生制动系统的几种结构进行了分析，利用仿真软件与汽车动 力学理论进行了建模和仿真；并且初步提出了基于制动力矩分配的车辆再生制动 控制策略的模型。 ( 2 ) 在详细比较车辆再生制动系统模拟试验台方案的基础上，提出了具体 的模拟试验台方案，进行了机械传动系统、电气系统、辅助工件的详细研究，在 此基础上，构建了车辆再生制动系统模拟试验台，并且描述了模拟试验台工作原 理。 ( 3 ) 针对构建的再生制动系统模拟试验台的特点，以及试验台各个子系统 的工作原理、控制方法，利用虚拟仪器技术，从控制参数、硬件构成、测控软件 等方面分析了模拟试验台测量系统的需求，开发了模拟试验台测量系统。 ( 4 ) 针对车辆再生制动系统控制策略研究的需要，以及现有的计算机硬件 在环仿真技术对模拟试验台在控制系统开发方面的优势，从硬件构建、系统设计 等方面提出了基于硬件在环仿真技术的模拟试验台控制系统方案。 关键词：再生制动系统，模拟试验台，建模仿真，虚拟仪器技术， 硬件在环仿真技术 缸苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m ( a s s ) i sas y s t e mt h a tc a nt r a n s f e rm e c h a n i c a l e n e r g yt oo t h e rk i n d so fe n e r g yd u r i n gv e h i c l ed e c e l e r a t i n go rb r a k i n g ，a n dt h es t o r e d e n e r g yc a nb eu s e da sap o w e rt o a s s i s tv e h i c l ed r i v i n g r b sc o u l di m p r o v ee n e r g y a v a i l a b i l i t ya n dd e c r e a s ef u e lc o n s u m p t i o n , i m p r o v ee c o n o m i c a l o nt h eo t h e rh a n d ，i t c o u l dr e d u c eb r a k et h e r m a ll o a da n db r a k ew o r n , a n di m p r o v ev e h i c l es a f e t ya n d e c o n o m i c a l t h i sd i s s e r t a t i o ni si m p o r t a n tp a r to fj i a n s up r o v i n c eh i 【g hs c h o o ln a m r a l s c i e n c er e s e a r c hp r o j e c t ( r e s e a r c ho nw a ya n dt h e o r yo fa u t o m o t i v er e g e n e r a t i v e s y s t e m ”( 0 5 r , j a s s 0 0 7 ) ) ，a n do p e n i n gf u n de r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c ea u t o m o b i l e e n g i n e e r i n gk e yl a b o r a t o r y , ( e x p e r i m e n tr e s e a r c ho nr e g e n e r a t i v eb r a k i n g s y s t e mw i t he l e c t r i c a ls t o r e de n e r g y ( o c 2 0 0 6 - 0 6 ) ) ，a n df o c u s e so nd e s i g no ft e s t b e n c hr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m f o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e nd o n e ： ( 1 ) t h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mw a sa n a l y z e da n ds i m u l a t i o nm o d e lw a s b u i l tb ys i m u l a t i o n l f w a r ea n dk n o w l e d g eo fv e h i c l ed y n a m i c s a f t e rt h a t ，t h e c o n t r o ls u a t e g yo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mt h a tb a s e do nt o r q u ed i s t r i b u t i o nh a s p r o p o s e d ( 2 ) a f t e rc o m p a r i n gs e v e r a lk i n d so fd e s i g ns c h e m ef o rr b s t e s tb e n c hi n d e t a i l s ，t h ed e s i g ns c h e m eo ft e s tb e n c hi n c l u d e dm a c h i n es y s t e m 、e l e c t t i c i t ys y s t e m a n da s s i s ts y s t e mw a sd e t e r m i n e d t h e nt e s tb e n c hw a sb u n t ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fr b st e s tb e n c ha n do p e r a t i n gp d n c i p l e 、 c o n t r o lm e t h o d ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t m ls y s t e mo ft e s tb e n c hw a sd e s i g n e db ys i d e o fc o n t r o l l a b l ep a r a m e t e r 、h a r d w a r e 、s o f t w a r e ，w h i c hi sb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y ( 4 ) a c c o r d i n gt oa d v a n t a g eo fh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , h a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o ns y s t e ms c h e m eo nt e s tb e n c hw a sp r o v i d e dt om e e tt h e r e q u i r e m e n to fr e s e a r c h i n gr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ： r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m ，s i m u l a t i n gt e s tb e n c h , s i m u l a t i o na n dm o d e l ，v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , h a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o nt e c h n o l o g y 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与电子版，允许论文被查询和借 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，可以采用复印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 敢知 向，而 毒 p 【 扛丌_ 髅孙 师月 老b 导年 指哆 江苏大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导老师的指导下，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外，本论文不包括其他个 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表明。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： 嗽知 2 0 0 7 年6 月7 日 扛苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 再生制动系统的研究背景及意义 节能、环保和安全是当今世界汽车技术发展的方向。由于石油资源日益 枯竭，大气环境日益恶化，汽车界不得不着手寻找使用可持续发展或可再生 的新型能源。同时，应用新技术、新材料和新工艺来改进现有内燃机汽车动 力传动系统结构和性能，以提高汽车能量利用率，降低燃料消耗，减少废气 排放。 制动是汽车三大基本功能( 行驶、转向和制动) 之一，它直接关系到整 车行驶安全。众所周知，传统汽车的制动是通过制动盘与制动钳或者制动鼓 与制动蹄之间的摩擦力实现汽车减速的过程，在此过程中整车的动能通过摩 擦以热量的形式消耗掉，这就造成了大量的能量浪费。 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 力以及坡道阻力等阻力的作用；汽车低速行驶时，空气阻力、滚动阻力比较 小，整车制动需要的阻力主要是制动系统摩擦制动造成的车轮与地面之间的 制动力。 汽车在城市行驶工况下，由于交通拥挤、车速不高、经常反复起动停止， 造成了发动机产生的牵引能量大部分在制动过程中以摩擦产生的热能形式 消耗掉了，使得汽车能量利用效率低下川嗍。通过对典型城市行驶循环( 日 本1 0 1 5 循环工况) 下汽车制动工况和有效能量消耗的变化分析，可以确定 制动消耗的能量在总能耗中的比例。图1 1 ( a ) 为日本1 0 1 5 行驶循环工况。 在该循环中，汽车的减速情况较多。图1 1 ( b ) 、( c ) 是对应循环工况下的汽 车加速度和制动强度变化曲线，当汽车加速度为负、制动强度为正时，表明 汽车正在减速制动。图1 2 是对应循环下汽车的能量消耗图，它反映了该循 环工况下牵引汽车所需的总能量和制动过程中消耗的能量。从图中可以看 出，在该循环结束时，牵引汽车总能量中的5 0 被制动过程消耗掉了。表 1 1 为其它一些城市行驶循环工况下整车制动能量与整车总能耗的对比。制 动能量占循环总能量的比例，最少也在3 0 以上，最多可达6 0 。因此，如 果能将这部分能量转化为机械能充分利用起来，则可以提高汽车的能量利用 江苏大学硕士学位论文 率，降低汽车对燃料的消耗量，延长整车的行驶罩程。 蔓1 口。 ；5 0 a 孚0 1 啊 童 、 l j p l n 。1 5d r i wc y c l b li、 nm 八八爪r| 01 0 02 d d3 0 d4 0 03 0 06 0 0 刘：同司菌刊 “2 厍j 意焉焉焉焉i i 赢磊示可 t i 戏，l 图l 1 日本1 0 - 1 5 循环工况分析 f i g 1 1 t h ea n a l y s iso f j p1 0 1 5c y c t ef o rv e m c l e s l t o t s e n e r g ye r r a c 赳。由l i c o m s u m p t e d e n e r g y b y b r 出i n gl l f f 。 厂 ， _ ， 乒 ( a ) ( c ) t i m e s 图1 2 日本1 0 - 1 5 循环工况下的能量变化 f i g i 2t h ee n e r g yv a f a t i o no f h e vi nj a p a n1 0 1 5d r i r ec y cl e 1 2 再生制动系统的分类比较 日i i i 应用在汽车上的制动装置有机械式、气压式、液压式、气液混合式 等形式，但其基本工作原理是完全相同的，都是利用制动装置把汽车行驶的 动能以机械摩擦的方式转换为热能耗散掉，达到汽车制动或减速的目的。 2 2 d 2 羹、赫赫蠡 江苏大学硕士学位论文 回收汽车制动能量的概念早已提出，如德国、美国、瑞典和英国等，并 且从2 0 世纪7 0 年代起就开始研究汽车制动能量的回收技术，然而有实际意 义的实现是在8 0 年代。 按照储能方式的不同，汽车制动能量回收方法有液压储能、飞轮储能、 电储能。储能装置通过行星排或锥齿轮与原机械传动构成双流传动，设法回 收汽车制动能量，然后在汽车起步或加速时释放，加以利用，从而达到汽车 节能的目的“1 。 表1 1 不同驱动循环下制动能量所占比例 t a b 1 1t h eb r a k i n ge n e r g yi nd i f f e r e n td ri v i n go y c l e 飞轮储能是利用高速旋转的飞轮来存储和释放能量。汽车在制动或减速 过程中将行驶动能转化为飞轮高速旋转的动能；当汽车再次启动或加速时， 高速旋转的飞轮又将储存的动能通过传动装置转化为汽车的驱动力，以增加 汽车的行驶动能。 液压储能将汽车在制动或减速过程中的动能转化为液压能储藏在液压蓄 能器中；当汽车再次启动或加速时，液压系统又将蓄能器中的液压能以机械 能的形式作用于汽车，以增加汽车的行驶动能。 电储能是将汽车在制动或减速过程中的动能，通过发电机转化为电能并 以化学能的形式储存在蓄能器中；当汽车需要启动或加速时，再将储能器中 的化学能释放出来，通过电动机转化为汽车行驶所需的动能。储能器可采用 蓄电池或超级电容。 无论是飞轮储能还是液压储能，其实质都是将汽车制动或减速时的动能 存储起来，并释放利用于本身的再生技术，属于机电一体化的能量再生系统。 但这两种方法实际上存在着明显的区别。首先从制造角度看，飞轮装置比液 3 江苏大学硬士学位论文 压装置简单易行，因此飞轮储能能够降低制动能量再生系统制造成本；飞轮 式再生制动方法靠飞轮存储能量，飞轮储存能量的多少与飞轮的质量和半径 有关，这就使得飞轮装置的重量和体积增大，对运行的汽车来说有效装载质 量将随之减小或者意味着汽车运行将耗去更多的燃料，而在这方面液压式制 动能量再生方法就有明显地优越了。其次在制动能量再生存储的时效方面飞 轮装置比液压装置差得多；这就是说，在汽车长时自j 停车后再启动时，飞轮 式装置无助于汽车的加速，因此在汽车飞轮储能装置中，提高飞轮的储能能 量和能量的保存效率是主要的研究问题。改变飞轮的形状和材料解决提高飞 轮的转速达到提高飞轮能量密度的目的；采用悬浮技术、真空技术等来减少 能耗，这就是正在研制中的超高速飞轮；但是高速飞轮作为储能装置应用在 汽车上还存在两大主要问题：( i ) 当汽车转弯或产生颠簸偏离直线方向行驶 时，飞轮将产生陀螺力矩，严重影响汽车的操纵稳定性；( 2 ) 如果飞轮一旦 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 应产生的大功率输出将对汽车产生巨大破坏。 飞轮储能式制动能量再生方法适用于启动、制动频繁的大型汽车，比如 城市公交汽车，其技术难点是高速飞轮的研制。液压储能式制动能量再生系 统具有系统构成零件少，成本较低，工作可靠性高的特点，同时还具有体积 小、安装布置方便的优点，可广泛适用于各类型的大小汽车。其技术关键是 比例储能器和复合可逆液压元件( 泵一马达) 的研制。 电化学储能制动能量再生方法则是目前最具有发展前途的一种方案，它 具有结构简单、操作方便、可靠性好、制动能量回收利用率高的优点。理论 上讲，电化学储能方式制动能量再生方法适用于各种汽车。近年来正在开发 和研制的纯电动车和混合动力电动汽车上普遍考虑采用这种方法实现制动能 量再生，以节约能源、增加汽车连续行驶能力。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器。当前作为电化学储能器主要是 各种可充电电池和超级电容；超级电容的低比功率特性使之不可能单独用作 电动汽车的能量源，但用它作为辅助能量源则具有显著的优点一充放电率 高，与蓄电池相比可迅速高效地吸收和释放制动再生能量。 通常希望储能元件具有大的功率密度和高的能量密度，但很难同时满足。 空气储能装置结构庞大、密封性能要求很高、实用化困难。液压储能装置能 4 扛苏大学硕士学位论文 量密度低、功率密度大、其零部件密封性能要求高、控制结构复杂、存在工 作噪声。飞轮储能装置功率密度较大、其体积小、质量轻，但要求高转速和 周围空间真空、技术上实现较复杂、且只能短时间储能。电池储能各方面性 能均好、结构简单，只是功率密度低、能量转换环节多，故要广泛的应用仍 然受到一定的限制。 上述研究表明，储能元件的性能对汽车能量的有效利用影响很大。鉴于 电动汽车技术的研究与开发具有广泛的发展前景，目前国内外研究主要集中 在电储能式制动能量再生系统在电动汽车或混合动力汽车上的应用。 1 3 电储能式再生制动系统的国外研究现状 国外对混合动力汽车或电动汽车制动能量再生系统的研究已经有l o 多年 了。研究领域主要集中在以下几个方面：( 1 ) 再生制动过程中的整车制动动力 学综合建模与仿真；( 2 ) 再生制动、摩擦制动以及a b s 的综合协调控制方法； ( 3 ) 再生制动过程中储能系统、电动机发电机和c v t 的性能及控制方法。 日本丰田公司开发了用于混合动力汽车“p r i u s ”的再生制动系统，根据 汽车制动过程中的能量控制策略，通过电一液比例控制调节液压制动力，实 现再生制动与摩擦制动的综合控制，使整车能量效率提升2 0 以上，在确保 制动安全性的前提下，达到了提高整车燃油经济性的目的。另外，丰田公司 在混合动力汽车“e s t i m a ”中采用了电控柔性制动系统，并将再生制动系统 纳入整车动力控制系统进行集中控制，通过控制c v t ，提高了再生制动能量的 回收率”1 。 日本本田汽车公司在其开发的“i n s i g h t ”混合动力汽车上，采用了集成 起动机发电机( i s g ) 、液压系统结合发动机节气门的控制方法，开发了一种 双制动力分配系数控制再生制动系统，通过该系统，实现了混合动力汽车制 动能量的高效回收。另外，本田公司还在“p l u s ”纯电动汽车上，针对能量 回收最大化、驾驶员制动感觉以及能量的较大回收和兼顾驾驶员制动感觉三 种不同再生制动目标，分别建立了再生制动系统制动力分配控制策略并进行 了试验。结果表明：各控制策略都达到了预期的效果，为混合动力汽车或纯 电动汽车再生制动系统的特性化打造提供了基础”1 。 美国t e x a sa & m 大学的y i m i ng a o 等研究者提出了针对再生制动能量回 5 江苏大学硕士学位论文 收效率的三种制动力分配控制策略，并在城市行驶循环工况下对中度混合动 力进行了仿真研究。此后，又进一步提出了一种基于再生制动系统的纯电动 汽车和混合动力汽车a b s 系统的控制策略，在这种控制策略的基础上建立了 混合动力或纯电动汽车的电子制动系统仿真模型，实现了不同制动强度下制 动能量的最大化。另外，他们还提出了基于开关磁阻电动机的再生制动过程 神经网络控制系统，并在行驶循环工况下进行了能量回收效率的分析”。 韩国s u n gk y u nk w a n 大学k o n g h y e o nk i m 等以4 w d 混合动力汽车为研究 对象，提出了四轮驱动混合动力汽车再生制动系统制动力分配控制策略。提 出了基于模糊控制的四轮驱动混合动力汽车再生制动系统、四轮液压力及a b s 控制策略，通过硬件在环仿真，实现了四轮驱动混合动力汽车再生制动的综 合控制”1 。 日本交通公害研究所的h a y a s h i d a 等研究者对装备蓄电池和超级电容组 合式储能系统的混合动力客车再生制动进行了仿真分析和台架试验研究“1 。 美国m i c h i g a n 大学的p a n a g i o t i d i s 等研究者建立了并联式混合动力汽车的 再生制动模型，对再生制动的效果进行了仿真计算和影响因素的比较分析。3 。 美国u n i o n 学院的w i c k s 等研究者建立市区行驶循环工况下城市客车再生制 动过程的数学模型，研究了再生制动系统的节能效果”1 。美国福特研究所的 c i k a n e k 等研究者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再生制动系统”1 。荷兰e i n d h o v e n 大学的s h u i w e ns h e n 对飞轮储能的c v t 系统进行了仿真研究”。 总之，由于国外在纯电动汽车领域对再生制动系统的研究己具有了一定 的基础，因此2 0 世纪9 0 年代全球掀起混合动力汽车研究热潮以后，国外在 混合动力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，已经在量产的混合动力汽车上普遍采用再生制动系统，大大地提高了 整车的能量利用效率，降低了整车油耗，延长了整车续驶里程。 1 4 电储能式再生制动系统的国内研究现状 我国对于混合动力电动汽车再生制动系统的研究还处于起步阶段，在多 年吸收国外先进技术和经验之后，各汽车厂商、科研院校在这一领域的研究 6 江苏大学硕士学位论文 也取得了初步的结果。目前国内对再生制动系统的研究主要集中在以下几个 方面： ( 1 ) 再生制动系统建模和汽车制动过程动力学建模的研究。根据再生制 动要求，建立合理的蓄电池充放电能量控制模型、电动机发电机效率控制模 型，基于各子系统模型，建立再生制动系统模型。基于再生制动模型、摩擦 制动模型，建立多工况条件下的混合动力汽车综合制动动力学模型。 西安理工大学周春国、冯莉等人对并联式混合动力汽车动力分配装置进 行了建模与仿真研究。建立了并联式混合动力电动汽车( p h e v ) 在混合驱动工 作模式下动力分配装置的数学模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台上进行 了仿真验证，得出了转速特性、功率分配特性和扭矩输出特性曲线。 ( 2 ) 再生制动能量管理和控制策略的研究。根据混合动力汽车不同的行 驶工况、路面附着条件、制动力要求，在保证制动安全性等条件下，确定合 理的再生制动和摩擦制动的能量分配管理模型和控制策略，实现再生制动、 摩擦制动、a b s 的综合协调控制，提高制动能量回收率。 武汉理工大学曹正策、吴森等人对串联式混合动力城市客车的再生制动 控制模式进行了研究分析。提出了适用于串联式混合动力城市客车的再生制 动能量回收制动踏板控制模式；并且进行了试验验证。 清华大学李蓬、李克强等人基于最优控制理论对制动能量回收的控制策 略进行了研究。设计了制动力分配最优控制模型，并且进行了仿真验证”1 。 ( 3 ) 再生制动系统的实验模拟、匹配控制、综合评价的研究。构建能反 映汽车行驶状态的混合动力汽车再生制动系统的物理模拟环境，并对再生制 动系统进行参数匹配和性能优化；根据再生制动系统的试验模拟，提出科学 的混合动力汽车再生制动综合性能的试验与评价方法。 重庆大学秦大同、詹迅等人对i s g 混合动力再生制动系统进行了硬件在 环仿真的研究。以i s g 型混合动力长安轿车为原型，进行了基于制动能量分 配控制策略的整车制动动力学建模和离线仿真，并在i s g 型混合动力系统上 构建了基于d s p a c e 环境的硬件在环仿真再生制动试验平台，进行了再生制动 控制策略的硬件在环仿真，对不同车速、制动强度、变速器档位和离合器状 态下的再生制动系统性能进行了试验与分析”。 7 江苏大学硕士学位论文 总之，国内的再生制动系统研究还处于方兴未艾的阶段，无论在理论方 面和实践方面都有待进一步深入研究。 1 5 本课题研究主要内容和意义 本课题是江苏省高校自然科学研究计划重大基础研究项目“汽车制动能 量再生理论和方法”( 0 5 k j a 5 8 0 0 7 ) 和江苏省汽车工程重点实验室开放基金项 目“电储能式车辆再生制动系统实验研究”( q c 2 0 0 6 0 6 ) 研究的重要组成部分， 主要解决电储能形式车辆再生制动系统模拟试验台的设计与构建技术问题。具 体包括以下几方面工作： ( 1 ) 分析汽车制动能量再生过程，构建电储能形式再生制动系统的模型， 为电储能形式车辆再生制动系统模拟试验台方案研究提供理论基础。 ( 2 ) 分析电储能再生制动系统模拟试验台的试验要求，提出模拟试验台方 案，并进行详细设计；在此基础上，构建模拟试验台。 ( 3 ) 针对设计的模拟试验台的特点，利用虚拟仪器技术，开发试验台测控 软件，构建模拟试验台测量系统。 ( 4 ) 在本论文研究的模拟试验台方案的基础上，初步提出硬件在环仿真试 验方案。 汽车制动能量再生理论与方法的研究是以电储能式最小化混合动力传动 系为应用对象，对电储能式混合动力再生制动系统进行基础性研究。以最大 限度提高再生制动能量回收率为目标，在保证良好的制动性能前提下，进行 再生制动系统的理论建模、系统仿真、试验模拟、性能评价、参数优化等工 作。本论文研究是进行汽车制动能量再生机理和方法研究的必要工具，为理论 研究提供了试验验证条件。 通过该项目的研究，对混合动力汽车再生制动系统的理论分析、仿真研 究、试验模拟和性能测试标准的制定提供研究手段，为最终在混合动力汽车 上实现再生制动功能奠定基础。 8 扛苏大学硕士学位论文 第二章电储能式再生制动系统理论分析及仿真建模 2 1 电储能式再生制动系统的工作机理 电储能式再生制动系统是混合动力汽车所特有的一个系统。按照机电耦合形 式的不同，再生制动系统可以分为固定轴式动力耦合系统、单行星排动力耦合系 统。单行星排动力耦合系统按混合程度的不同，可以分为多电机单行星排动力耦 合系统、集成电机单行星排动力耦合系统，结构示意图分别如图2 1 、2 2 、2 3 所示。 图2 1 固定轴式动力耦合系统结构示意图 f i g 2 1 t h et e m p o s i t i o nd i a g r a mo fd r i v i n gf o r c es y s t e mw l t ha x i s 固定轴式动力耦合系统由一对固定速比的常啮合齿轮组成，输入轴通过离合 器与发动机曲轴相连，输出轴与传动轴相连，中自j 轴上齿轮与一轴、二轴上齿轮 构成常啮合传动齿轮副，中间轴上增加了一个电机动力输入装置，采用锥齿轮输 入动力。 图2 2 多电机单行星排动力耦合系统结构示意图 f i g 2 2t h ec o m p o s i t i o nd i a g r a mo fd r i v i n gf o r c es y s t e mw i t hp l a n e t 多电机单行星排动力耦合系统将串联与并联两种形式结合在一起，通过控制 系统对执行装置的控制，可以顺利地实现从并联驱动到串联驱动的转换，直到由 9 江苏大学硕士学位论文 发动机驱动。比传统的混合驱动系统更轻，效率和整体性能更高。该系统可以实 现无级变速，但缺点是不能实现发动机输出转矩和电机输出转矩的直接叠加。 集成电机单行星排动力耦合系统为集成电动机发电机单行星排动力耦合系 统，实现了电动机助力和发电的两大功能，采用发动机和电动机扭矩叠加方式进 行动力合成。按照不同的行驶工况要求，发动机和电动机的扭矩在变速器i i 进行 多种形式复合，以实现最优的驱动效率。发动机为整车主动力源，电机系统起“补 峰平谷”的作用。加速时电动机助力，弥补发动机低速低扭矩的不足：在减速和 制动时实施制动能量回收，使发电机发电并存储于动力电池中；停车时关闭发动 机，消除费油、高排放的怠速状态，起动时电机启动发动机进入工作状态。集成 电机( i s g ) 系统结构简单、紧凑、重量轻，可以大幅度改善燃油经济性并降低 排放。 图2 3 集成电机单行星排动力耦合系统结构示意图 f i g 2 3 t h ec o m p o s i t i o nd i a g r a mo fi s gd r i v i n gf o r c es y s t e mw i t hp l a n e t 图2 4 为混合动力汽车一种电储能式再生制动系统的结构组成示意图，由液 压制动系统、整车动力传动系统、集成起动机发电机( i s g ) 、控制器系统和电 池能量管理系统组成，各个子系统在整车控制器的协调下共同工作n 2 ”。 图2 4 再生制动系统结构示意图 f i g 2 4t h ec o m p o s i t i o nd i a g r a mo fr b s 当驾驶员踩下制动踏板时，液压制动系统就像传统汽车一样产生一个前后轮 扛苏大学硕士学位论文 制动器制动力，制动控制器根据此时整车电动机的工作状况、电池的电荷状态 ( s t a t eo fc h a r g e ，简称s 0 c ) 、车轮滑移率等参数，在电动机制动模式、复式 制动模式、摩擦制动模式中选择合理的制动模式；然后通过液压制动系统、电动 机及其控制系统来执行整车的制动过程。当制动系统工作模式是电动机制动模式 或复式制动模式时，整车的全部或部分行驶动能，通过车轮、主减速差速器、 变速箱、离合器传递到i s g 电动机，电动机控制器控制电动机发电，把整车动能 转化成电能，最后由蓄电池组存储转化的电能实现制动能量的回收。 2 2 电储能式再生制动系统的物理建模 由于混合动力传动系物理建模是对汽车再生制动过程进行理论分析、仿真研 究的重要步骤。本文根据图2 4 所示的混合动力传动系统结构示意图，利用a m e s i m 软件( a d v a n c e dm o d e l i n ge n v i r o n m e n tf o rp e r f o r m i n gs i m u l a t i o n so f e n g i n e e r i n gs y s t e m s 的缩写) 建立汽车再生制动系统物理模型”，如图2 5 所 示。a m e s i m 是由法国i m a g i n e 公司于1 9 9 5 年推出的专门用于液压机械系统建模、 仿真及动力学分析的优秀软件。该软件不要求用户具备完备的仿真专业知识，采 用面向系统原理图建模的方法，便于工程技术人员掌握和使用。 根据一定的汽车行驶工况条件，电动机再生制动功率仿真曲线如图2 6 所示。 图2 5 再生制动系统物理模型图 f i g 2 5t h ep h y si c a lm o d e lo fr b s i i 江苏大学硕士学位论文 e g e n e r 采eh a k h gd i t t a n c e m l 图2 6 电动机再生制动功率仿真曲线 f i g 2 6 t h esi m u l a t e dc u r v eo fr e g e n e r a tl y eb r a k i n ge n e r g y 图2 6 中，负功率数值表示电动机发动机起到电动机作用，用于汽车驱动 时利用；j 下功率数值表示电动机发动机起到发电机作用，是汽车再生制动过程 回收的能量。 2 3 制动能量再生过程理论分析 2 3 1 制动能量再生过程力矩数学建模 在汽车再生制动过程中，除受到行车制动系统的作用外，还受到电动机作用 在驱动轮上的惯性阻力矩，其示意图如图2 7 所示阍。 j 。 2 1 一汽车蹙砖机 2 - 汽车离备暑 4 - - 髂支盘行星齿静传建机槽 5 - - 车主藏蓬垂 3 一 车壹遗誊 6 一崩毋能量回收电动机 图2 7 混合动力车辆传动系统物理模型结构示意图 f i g 2 7t h ec o m p o s i t i o nd i a g r a mo fp h y s i c a lm o d e l a b o u tv e h i c l e 1 2 江苏大学硕士学位论文 图中，v 为汽车车速，l e m h ：c o o 为电动机输出角速度，r a d r a i n ；q 为主 减速器输入角速度，r a d m i n ；( 0 2 为变速器输入角速度，r a d n f i n ；0 ) 3 为变速 器输出角速度，r a d r a i n ；纨为主减速器输出角速度，r a d r a i n ；j 。为电动机 的旋转惯量，船m 2 ；j 。为主减速器的输出齿轮旋转惯量，k g m 2 ；j d ：为主 减速器的输入齿轮旋转惯量，k g m 2 ；j 。为发动机的旋转惯量，k g m 2 ；j ，l 为 变速器的输出齿轮旋转惯量，船m 2 ；j ，：为变速器的输入齿轮旋转惯量，k g m 2 ； ，。为发动机输入行星齿轮传递机构的齿轮旋转惯量，k g - m 2 ；j ，：为电动机输 入行星齿轮传递机构的齿轮旋转惯量，k g m 2 ；j 。为行星齿轮传递机构的输出 齿轮旋转惯量，培m 2 ； 为主减速器的传动比；i 0 为复式行星齿轮传递机构 传递到电动机的传动比；厶为变速器传动比。 建立汽车发动机、变速器、电动机、轮胎动力学微分方程式： ( j 。+ ，2 ) 西2 = 瓦一正。 ( 2 1 ) ( 以i + 以t ) 西3 + ( 以3 + 以2 ) 嘲= t 一乃一2 乃 ( 2 2 ) ( j ，+ ，2 ) 成= 乃 ( 2 3 ) ，d 1 呶+ ，也= 乃一耳 ( 2 4 ) 式中，瓦为发动机输出转矩，n m ；正为变速器输入转矩，n m ；i 为作 用于变速器输入轴的转矩，n m ；o 为行星齿轮传递机构输入转矩，n m ；乃 为主减速器输入转矩，n m ；为路面作用与后轮的制动力矩，n m 。 各角速度之自j 有如下关系： 吐= 绝i 2 ( 2 5 ) = q i o ( 2 6 ) ( 0 1 = 伤 ( 2 7 ) 以= ( - 0 4 i l ( 2 8 ) 当轮胎未抱死时，汽车液压制动器产生的制动力矩应当与路面作用与轮胎的 阻力力矩保持一致。 汽车在再生制动过程中，除了和传统汽车一样受到制动器作用于前轮的阻力 转矩m ，、制动器作用于后轮的阻力转矩m ，外，还受到电动机作用与汽车的惯 扛苏大学硕士学位论文 性阻力转矩l 。其数学方程式组为： i m ，= 弘协) r k = 弘一) 罐 ( 2 。) k “鲁 生制动系统重量；h 8 为汽车质心高度，册；l 为电动机惯性力矩，n m 。 方程式： 华：丝掣攀： 眩 砭 譬( 6 一) “ v ：0 3 7 7 r n , , 如 z ：0 2 8 1 d v gd t ( 2 1 1 ) 2 7 。丽 式中，n 。为电动机的输出转速，r a d m i n 。 2 3 2 制动能量再生过程能量数学建模 制动能量再生系统工作过程中，质量为m 的汽车以速度1 ，。行驶时，具有的 动能为圭m 2 ；再生制动结束时的速度为h ，则此时汽车的动能为；脚v ；。 汽车在再生制动过程中，有三部分能量消耗，第一部分是汽车克服各种外界 阻力( 滚动阻力，迎风阻力) 所消耗的能量e ，这部分能量足不可逆，由于迎 1 4 江苏大学硕士学位论文 风阻力对汽车制动过程影响相对较小，可以忽略不计；第二部分是制动能量再生 系统回收的制动能量e ，；第三部分是前后轮液压制动器机械制动耗散的热能 e ，；汽车制动前后的动能差为晏埘砩一v ? ) 。 根据能量守恒定理，建立制动能量再生系统的数学方程式： 三m i 七一v ? ) ：e ：+ e ，+ e 。 ( 2 1 2 ) 式中，m 为汽车总质量( 含再生制动系统的质量) ，堙。 对式( 2 1 2 ) 进行变换，得到： e 2 = 0 5 小k v ? ) 一层3 一e l ( 2 1 3 ) 制动器作用于前后轮的制动力耗散的热能e ，为： e 3 = 卅a s ( 2 1 4 ) 式中，s 为汽车再生制动过程制动距离，所，口为汽车再生制动减速度，m s 2 。 建立外界阻力消耗的能量e ，数学方程式： e 1 = g ，s ( 2 1 5 ) 建立汽车制动距离与车速的关系方程式： s = 罴e v 扯呲2 8e v 西 ( 2 1 6 ) 把式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 3 ) 。得到： e ：= o - 5 。肌似一订) 一o 2 8 ，所。面d v e v 办一o 2 8 g 厂e v 出 ( 2 1 7 ) 从式( 2 1 7 ) 中可以看出，当汽车基本参数、制动初始车速选定时，在汽车 再生制动过程中，回收的制动能量与再生制动结束时车速值以及制动减速度，制 动距离有关。 另一方面，从电动机的角度，可以建立汽车再生制动能量邑的另种形式 数学方程式： 耻j 铬出( 2 1 8 ) 式中，h 。为电动机的输出转速，r a d m i n ；l 为电动机惯性力矩，n m 把式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 8 ) ，得到 江苏大学硕士学位论文 驴如国甜面= 警等啦v 甜出 汜 式( 2 1 9 ) 反映了制动回收能量与车速的关系。取制动初始车速、制动末 时车速为零，得到： e ，：型掣f ，咖 ( 2 2 0 ) 一 r 9 5 5 0 嘞 式中：r 为汽车轮胎半径，脚：1 ，为汽车车速，b n h 。 从式( 2 2 0 ) 中可看出，当汽车基本参数、电动机基本参数选定时，汽车再 生制动过程中回收的制动能量与制动减速度以及车速时间变化曲线有关。 与式( 2 1 7 ) 相比较，式( 2 2 0 ) 更能反映出再生制动能量的变化与汽车制 动状态( 即制动减速度、制动车速反应制动状态) 的关系。 2 3 3 车辆行驶状态数学建模 参考文献 1 6 ，建立汽车道路行驶状态方程式： f | = f g + f 。+ fj + f l ( 2 2 1 ) 式中，只为发动机输出驱动力，n ；t 为汽车滚动阻力，n ；r 为汽车迎 风阻力，n ；e 为汽车加速减速惯性力，n ；f 为汽车爬坡阻力，。 i 疋= g ， 卜嚣汜。：， i f ：万m d v l。dt 旧= g f 汽车在水平路面上制动时，f = e = 0 ，式( 2 2 1 ) 可以变形为： 一0 2 8 万堡立：g ，+ 里d v 2( 2 2 3 ) g d t 2 1 1 5 式中，占为汽车旋转惯性质量系数；，为汽车滚动阻力系数；c 。为汽车迎 风阻力系数；a 为汽车迎风面积，脚2 ：f 为道路坡度。 2 4 制动能量再生过程的仿真分析 根据上面建立的数学方程式，利用m a t l a b s i m u li n k 仿真软件进行仿真分析 江苏大学硕士学位论文 例；得到具有再生制动系统汽车l j f 后轮制动力矩分配系数与传统汽车前后轮制 动力矩分配系数的仿真曲线，如图2 8 所示；再生制动能量与制动车速关系的仿 真曲线，如图2 9 所示。仿真的参数如表2 1 所示。 表2 1 仿真车辆基本参数 t a b 2 1t h e1i s to fp a r a m e t e r s 基本参数数值大小 基本参数数值大小 轮胎滚动阻力系数( ，) 0 0 2 电动机惯量( j ) 汽车轮胎的半径( r ) 0 2 5 m电动机磁感应强度( b ) 汽车主减速器传动比( f ) 2 8 汽车制动初始车速( v o ) 汽车旋转质晕等效系数( 考虑了电动机惯量因素) ( j ) 汽车总重量( 含电动机在内的再生制动系统的重量) ( g ) 8 k g m 2 1 5 f 1 2 0 b n | h 1 2 2 2 5 0 0 吖 墨 l 芑 宝 量 呈 差 言 f 一i 一 f n e 珈n 彦e lb r a k i n g t o r q u eo nt m d i t i o n b m k i n gs y s t e m 久 h e 图2 8 前后轮制动力矩分配比例仿真 f i g 2 8t es i m u l a t dcurefb r a k