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电动汽车制动能量回收的分析与研究 摘要 2 0 世纪汽车产业高速发展，资源无节制消耗，污染物的过量排放，是当前 直接和主要问题。电动汽车被看成能够解决这两大问题的重要途径之一。然而， 电动汽车的动力性能由驱动系统决定且续驶里程( 即能量供给) 受限于蓄电池的 存储电量，制约了其发展和普及，为提高动力性能和续驶里程，须对电动汽车驱 动电机的特性及能量回收控制策略进行分析研究。a d v i s o r 软件是目前应用 最广泛的车辆仿真软件之一，利用它可对电动汽车进行快速、准确地建模和仿 真研究。 本文主要研究电动汽车动力性能方面的仿真技术和反馈能量回收到大容量 电容中的评价技术。通过a d v i s o r 软件测试得到电动汽车一些动力性指标， 以此为基础，通过对汽车制动模式及其产生的能量进行分析，利用永磁无刷直 流电机系统来实现电气制动的工作模式，仿真了回馈制动过程。然后计算反馈 能量的数值，评价大容量电容回收的能量和电动汽车的续驶里程。 最后提出了一些建议和展望。 关键词：电动汽车、动力性能、仿真、再生制动、大容量电容器 s t u d ya n da n a l y s i so nr e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g y o ft h ee l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t a u t o m o b i l ei n d u s t r i e sh a v ed e v e l o p m e n to fh i 曲s p e e di n2 0c e n t u r y r e s o u r c e i n s o b r i e t yi sc o r 塔嘲e d ，e x c e s s i v ec o n t a m i n a t i o na l el e to u t w h i c ha r ed i r e c ta n d m o s t l yc a u s a t i o no fm e n t i o nq u e s t i o n e l e c t r i cv e h i c l ea l er e g a r da so n eo ft h e a p p r o a c ho fs o l v i n gt w oi m p o r t a n tq u e s t i o n s h o w e v e r , d y n a m i c a lp e r f o r m a n c e so f e l e c t r i cv e h i c l ea r ed e c i d e db yd r i v es y s t e m sa n de x t e n s i o no fd r i v i n gr a n g e ( e n e r g y s u p p l y ) r e s t r i c t sd e v e l o p m e n t , p r e v a l e n c ea n di sl i m i tt oe l e c t r i c i t yc a p a c i t yo f s t o r a g eb a t t e r y i no r d e rt oi m p r o v ed y n a m i c a lp e r f o r m a n c e sa n de x t e n s i o no f d r i x , i n gr a n g e ，w em u s ta n a l y z ea n dr e s e a r c ht r a i t so fd r i v em o t o ra n dc o n t r o lt a c t i c o fe n e r g yr e c y c l ei ne l e c t r i cv e h i c l e a d v i s o rs o f h v a r ei so n eo f w i d e l ya p p l i e d s o f t w a l eo fv e h i c l es i m u l a t i o n s ou t i l i z i n gi tm a yb er a p i da n dt r u et om o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no f t h ee l e c t r i cv e h i d e t h i sp a p e rm o s t l yr e s e a r c hs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo ft e s t i n go fd y n a m i c a l p e r f o r m a n c e si ne l e c t r i cv e h i c l ea n de v a l u a t et e c h n o l o g yr e g e n e r a t i v eb r a k i n gi n l a r g ec a p a c i t a n c ec a p a c i t o r v i aa d v i s o rs o f t w a r et e s t i n go b t a i ns o m et a r g e t so f d y n a m i c a lp e r f o r m a n c e s i nv i e wo ft h ea n a l y s i so fb r a k i n gm o d e ，t h ep e r m a n e n t m a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o rs y s t e mi su s e dt of u l f i l le l e c t r i c a lb r a k i n gw i t ht h ec o n t r o l s t r a t e g yd u r i n ga c t i n ga sp o w e ro f e v r e g e n e r a t i v eb r a k i n gr e s u l t sw i l lb es i m u l a t e d i nt h ec o m p u t e r a t t e r w a l dc a l c u l a t i n gn u m e r i c a lv a l u eo ff e e d b a c ke n e r g y s e t t i n g o u te v a l u a t er e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g yi nl a r g ec a p a c i t a n c ec a p a c i t o ra n de l e c t r i c v e h i c l e se x t e n s i o no fd r i v i n gr a n g e f i n a l l yt h ep a p e rw i l lg i v es o m ea d v i c e sa n de x p e c t k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lv e h i c l e 、s i m u l a t i o n 、p e r f o r m a n c e 、r e g e n e r a t i v eb r a k i n g 、 l a r g ec a p a c i t a n c ec a p a c i t o r 插图清单 图2 - 1 仿真数据流程 图2 2 各个部件的仿真模型和整车模型界面l o 图2 - 3 测试道路循环界面 图2 4 复合电源电动车辆结构原理图1 2 图3 1 车轮行驶时的受力分析1 4 图3 2 转数( 一) 与力矩( 瓦) 关系1 9 图3 3 驱动电机1 9 图3 _ 4 速度( u o ) 与驱动力( e ) 关系1 9 图3 5 速度( u o ) 与行驶阻力( 月) 关系。1 9 图3 - 6 加速度( a ) 与速度( u o ) 关系2 0 图3 - 7 加速度( 口) 的倒数与速度( ) 关系 图3 - 8 速度( u o ) 与时间( t ) 关系 图3 - 9 电动汽车驱动转矩和功率仿真2 1 图3 1 0 蓄电池系统仿真模型图。 图3 1 l 机电集成化驱动布置方式结构简图2 5 图3 1 2 制动电磁转矩等效图2 6 图3 1 3 电动机模型仿真2 6 图3 1 4 功率平衡图l 2 7 图3 1 5 功率平衡图2 2 7 图3 1 6 功率平衡图3 2 7 图3 1 7 主减速器仿真2 9 图3 1 9 整车行驶工况进行性能的仿真2 9 图3 1 9 路面循环工况3 0 图3 2 0 电动机输出的速度3 0 图3 - 2 1 电池s o c 值特性3 l 图3 - 2 2 电动机的输出功率特性3 l 图3 2 3 蓄电池充放电特性。3 1 图3 2 4 蓄电池电压与时间的关系3 l 图3 - 2 5 行驶里程与时间关系3 1 图3 - 2 6 原地加速之速度变化曲线3 3 图3 2 7 原地加速之距离变化曲线3 3 图4 1 电动汽车能量应用模式3 5 图4 2 基于常规汽车制动系统的能量回馈控制方式3 7 图4 3 回馈能量传递路径3 9 图4 - 4 汽车制动过程曲线4 1 图4 - 5 车速随时间的交化曲线4 1 图4 6 电动机制动力随时间变化曲线4 2 图4 - 7 控制系统主电路结构图4 3 图4 8 电机能耗制动原理图二4 4 图4 9 电机反接制动原理图( a ) j 4 4 图4 - 1 0 电机反接制动原理图( b ) 图4 - 1 1 电机回馈制动原理图4 5 图4 - 1 2 低速能量回馈制动原理图 图4 - 1 3 电机简图 图4 - 1 4 回馈制动v t 4 导通时等效电路4 8 图4 - 1 6 时间( 0 _ 电机转速( n ) 5 l 图4 - 1 7 时间( 炉回馈能量5 1 图4 - 1 8 时间睁充电电流( d 图5 1 超大容量薄膜电容器5 3 图5 2 电容充电电路原理图5 6 图5 - 3 充电实验5 6 图5 4 电容器两极板问的电压随时问的变化曲线5 6 图5 5 电路电流随时间的变化曲线5 6 图5 - 6 放电试验电路原理图5 7 图5 7 放电试验5 7 图5 8电容器两极板间的电压随时间的变化曲线5 7 图5 - 9 电路电流随时间的变化曲线。5 7 图5 1 0 自放电试验电路原理图5 8 图5 1 l 自放电试验 图5 1 2 电容器的自放电性能5 8 图5 1 3 目标电压与车速的关系6 l 图5 1 5 复合电源的续驶里程图( 上线) 与蓄电池的续驶里程图( 下线) 6 2 图5 1 6 蓄电池( 上线) 电压与复合电源( 下线) 电压 随汽车里程的下降曲线6 2 图5 1 7 带限流环节的电容器 图5 1 s 实际的电动汽车。 图5 1 9 汽车性能综合测试仪6 3 图5 2 0o e s - i i 型车速传感器6 3 图5 2 l 车速传感器安装6 3 图5 - 2 2 测试设备。6 3 图5 - 2 3 电动汽车的母线电压随汽车里程的下降曲线6 4 插表清单 表2 - 1 文件命名说明。 表3 - l 道路循环参数及模拟的电动汽车数据 9 3 0 表4 - l 电动汽车能量回馈控制方式3 6 表4 - 2 附着摩擦系数。 表4 - 3c h 7 1 1 1i d e a l 的基本参数5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。 据我所知，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，也不包含为获得金赶王些去堂或其他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 并表示谢意。 学雠一躲廖鸥 签字吼冲幻乡日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂有关保目、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 i 兰些太堂可以将学位论文的全部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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期枷叼年后 ， 蓓鸺 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 乃? 刃 签字日期：1 - 1 年月) 日 电话 邮编 致谢 本论文是在尊敬的导师孙骏副教授的悉心指导下完成的。孙老师在我研究 生学习的每一个阶段都给予了关键性的、启发性的和鼓励性的指导，对我严格 要求，不断帮助我进步，帮助我成长，我所取得的每一点成绩都是和导师的辛 勤工作分不开的。孙老师严谨求实的科学态度，渊博的专业知识，忘我的工作 热情以及对工作一丝不苟的态度，使我终身受益。在此，我向导师致以衷心的 谢意。 此外，实验室的王启瑞副教授和尹安东副教授在本论文工作实验阶段以及 日常的学习生活中给予了极大的指导和帮助，对此，我向他们表示诚挚的谢意。 在硕士研究生学习期间，汽车教研室各位老师不断给予我成长的机会和无 私的关怀。在此向各位老师表示衷心的感谢。 感谢全体2 4 班同学对我研究工作的帮助、关心和鼓励。 感谢家人对我精神上和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切。 作者：唐鹏 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 课题来源，目的，意义与该课题国内外的概况 当今时代，汽车已经成为人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具，改 变了人们的生活方式，提高了人们的生活质量【“自上世纪以来，汽车工业的 发展就开始面临两大难以回避的挑战：能源短缺与环境保护。根据目前世界石 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，汽车的燃料供应存在着潜在 的隐患。此夕卜汽车废气造成的大气污染日益严重。据有关资料显示：城市大气 中c o 的8 2 、n o x 的4 8 、h c 的5 8 和微粒的8 均来自汽车排放的尾气， 各国政府对上述两个问题都非常关注，纷纷制定相应的对策，力图开发出新一 代的低能耗和低排放汽车【2 j ，如纯电动汽车、混合动力车和燃料电动汽车 1 ) 来源：安徽省2 0 0 6 年度科技攻关计划项目 项目编号：0 6 0 1 2 1 4 2 h 项目名称：混合动力汽车用薄膜电容器研制及其应用系统设计开发 2 ) 目的；通过对电动汽车的建模和仿真，对电动汽车制动能量的回收过程进行 分析和研究，为提高制动能量回收能力提出解决方案。 3 ) 意义：通过对仿真研究和验证，可以为整车制动能量回收性能仿真中的相关 研究提供一个更好的平台，同时通过对提高制动能量回收能力的研究， 可提高电动汽车的续驶里程。 纯电动汽车e v 即e l e c t r i cv e h i c l e ，就是不使用内燃机而使用蓄电池、电 动机作为驱动装置的汽车 3 1 电动汽车的能量转换模式与内燃机汽车相比较， 能量转换模式发生了根本性的变化内燃机汽车是把燃料燃烧的热能转交为机 械能，而电动汽车是以蓄电池中的电能作为动力而非燃料燃烧的热能，通过电 动机把电能转化为机械能其优点是：噪音很小、行驶平稳、乘坐舒适、安全 性好及驾驶简单轻便等。内燃机汽车的传动系统部件较多，包括离合器，变速 器，万向传动装置，驱动桥等而电动机由于有更好的转矩特性和控制特性，因 此传动系统可以简化，直至将电动机直接嵌入车轮内形成电动轮驱动式汽车。 电动汽车的能量来源是非常丰富的，运行零排放以及无废气污染，对环境保护 和空气的洁净十分有益。随着技术的发展，可逐渐成为燃油汽车有效的替代产品。 电动汽车的另一个优势在于不会产生噪音污染。燃油汽车的发动机和复杂的机 械传动装置会对环境产生严重的噪音污染。与燃油汽车不同，电动汽车用电动 机驱动，工作时噪音小，同时电动汽车采用单级齿轮减速装置或者根本不需要 齿轮变速装置，因而产生的噪声小，且没有燃油机的燃烧噪声和进排气噪声。 电动汽车较燃油车辆结构简单，运转传动部件少维修工作量小，不承受内燃 机所承受高温，高压和交变载荷，更重要的是驾驶简单轻便。在制动减速过程 中，电动机可自动转化为发电机，实现减速制动能量的再利用。目前电动汽车 尚不如燃油汽车技术完善尤其是动力电源的寿命短，使用成本高，充电所需 时间长和电池的储能量低，动力性差，由此派生出来的汽车续驶里程不尽人意 电动汽车一次充电后的续驶里程一般为1 0 0 - 2 0 0 公里，而一般燃油车加满油后的 续驶里程都在4 0 0 公里以上。又因目前电动汽车的造价都高于一般燃油车，故电 动汽车目前不能与燃油汽车相竞争 2 0 世纪6 0 ，7 0 年代发生了两件影响汽车发展的重大事件【”一是汽车的排 放污染在美国等发达国家相继出现光化学烟雾，严重地威胁人们的健康与生 命安全1 9 6 0 年美国加j 首先通过立法控制汽车排放的污染物，以后美国其它 地区相继进行类似的法案。日本以及欧洲各国制定了控制汽车排放的标准和法 规，且更加严格，完善。二是石油危机，西方发达国家的汽车工业非常依赖进 口的石油，石油危机严重威胁这些国家利益和安全这两件事引起了世界范围 地研究，开发及应用电动汽车的高潮。自上世纪九十年代开始，世界上各大汽 车公司首先把目光投放戮电动汽车e v 上，但是由于蓄电池的能量密度低和质量 大，使得纯电动汽车的续行里程短和成本也较高，很难实现市场化。因此1 9 9 6 年 以后多数公司开始研究混合动力电动汽车h e v 和燃料电池电动汽车f a ，而且 国内外很多科研机构也对其产生了浓厚的兴趣，可以说在本世纪之初电动汽车 正受到越来越多的青睐 电动汽车的发展和开发得到了各国政府的大力支持c 鲥德国早在1 9 7 2 年就 开始研制电动汽车，在“电动道路交通协会”指导下进行开发实验工作。日本是 能源短缺的工业国，城市污染严重。日本政府直接参与推动电动汽车发展的事 业，制定了电动汽车普及应用计划。在应用研究方面，如日本东京电力公司 和日本研究开发公司，联合研制成功i z a 豪华型电动汽车。它采用2 8 8 v 镍镉 电池作为驱动电源，设有制动能量回收装置，最高车速可达1 7 6 k m h ，一次充 电行驶里程高达5 4 4 k m ( 4 0 k m h 等速行驶) 。美国汽车工业十分发达，汽车产量大， 保有量最多，石油消耗量和汽车排放污染物居世界首位。1 9 9 0 年美国提出了联 邦清洁空气法修正案规定了严格的汽车尾气排放标准。这些措施推动了美国电 动汽车的迅速发展。1 9 9 1 年美国三大汽车公司合作研究电动汽车用先进电池， 成立了先进电池联合体，同年7 月美国电力研究所参加，1 0 月美国政府批准了2 2 6 亿美元资助此项研究。据美国电动车协会发表的统计数据，美国有2 0 0 多家企业 研制和开发电动汽车另外，法国，意大利，韩国等均投巨资开发电动汽车， 并制定相应的优惠政策。 我国是一个能源短缺的国家，随着汽车保有量的增加，能源问题和环境污 染问题也日益严重。国内对清洁汽车需求的呼声则更高，因为混合动力汽车的 技术实现难度小、成本相对较低，所以开发国产电动汽车对我国汽车工业的发 展非常有意义。在我国政府支持下，电动汽车的研究和开发工作被正式列为“八 2 五”期间科技攻关项目，在一些科研机构和大专院校取得了较好的成果。在“九 五”期间又被正式列入重大科技攻关项目，并设立了四个子项目：电动汽车关键 技术的研究、概念车的开发、改进汽车的试验、电动汽车试验区的建立另外， 政府还制订了相关的技术标准和激励政策，所有这些都为中国电动汽车的发展 奠定了坚实的基础比如中科院承担的电动机及其控制系统的研究项目、清华 大学承担的蓄电池电量测量和能量管理系统的研究项目、东风汽车的概念车的 总体设计的研究项目科技部在“十五”规划和国家8 6 3 计划中，以电动汽车的产 业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术，系统集成技术及整 车技术上取得突破。为成功举办北京2 0 0 8 年奥运会，国家提出了“入文典运、科 技奥运和绿色奥运”的口号，如何在汽车上得以体现，则是发展清洁汽车的重要 方向 1 2 制约电动汽车发展的一些技术因素 电动汽车在环境指标上具有燃油汽车不可比拟的优势，使人们看到了解决汽 车对环境的污染问题，电动汽车应该出现迅速发展的势头1 6 但事实并非如此， 电动汽车至今尚未形成规模，主要原因是：电动汽车的不尽人意续驶里程以及电 能的转换效率电动汽车发展的技术包括：汽车技术、电气技术、电子技术、 信息技术和化学技术尽管电源技术至关重要，但车身设计、电力驱动、能量 管理系统和系统优化也同样重要事实上，所有这些领域技术上的整合才是电 动汽车技术发展的关键。 1 ) 车载电源是制约电动汽车发展的关键技术之一 对车载电源技术的基本要求是比能量高，使用寿命长，成本低。蓄电池是最重 要的车载电源，在电动汽车研究与开发过程中，使用最为广泛的铅酸电池的比能 量低，一般为4 0 w * h k g 左右，而汽油的比能量是1 2 3 k w * h k g ，两者相差3 0 0 倍。 即使把电动机效率高于内燃机这一因素考虑在内，两者还相差几十倍。这就使 得铅酸电池的电动汽车的车载能量少，续驶里程短，其最高车速、最大加速度、 最大爬坡能力这些指标受到限制。此外，蓄电池价格高，寿命短，比能量相对 不足( 比能量是汽车动力设备的能量密度，其数值越高，经济性能越好) 即蓄电池 所含的能量密度比发动机燃料要低，从而造成电动汽车生产、购置及使用成本 高。若在汽车的生命周期内多次更换蓄电池将提高电动汽车的运营成本。另外 蓄电池的应用还涉及到充电时间较长，电池荷电状态s o c 辨识等问题，这些都 影响整车性能，所以蓄电池应用技术的研究极其重要。鉴于铅酸电池性能继续 提高的潜力不大，世界各国都在研究新蓄电池，如镍镉电池，镍氢电池和锂电 池，以使电动汽车的性能、价格能与燃油汽车相抗衡。现在从研究和开发的情 况看，锂离子电池比较理想，比能量已达1 0 0 1 2 0 w * h k g ，且比功率大，寿命长， 充放电效率高，一批样品车进行实验，效果较好。作为一种新兴的能源系统， 燃料电池将燃料的化学能直接转化为电能。效率能达6 0 8 0 ，且其本身不排 放有害物质，仅生成清洁的水燃料电池其他相关技术解决好后，能很好地用 于电动汽车。燃料电池也作为车载电源研究的一个重要方向 2 ) 驱动电动机、控制器及能量管理系统 对电动汽车驱动电动机及控制器的最基本的要求是启动转矩大，具有较宽 的恒功率范围以适应电动汽车频繁的启动和功率变化大的要求t ”此外，要求 电动机的结构尺寸小，重量轻便于安装，无驱动噪音。经过多年的研究和试 验，现在采用异步电机和永磁无刷直流电机作为电动汽车的驱动电机，随着性 能的改善，开关磁阻电机的应用也在逐渐增加，究竟采用何种电机取决电动汽 车本身的要求 在电动机控制技术上采用电动汽车专用集成化电子控制系统，并实现机电 一体化设计。一般的线性控制已不能满足高性能的电动汽车的需要。近几年应 用模糊逻辑和系统网络技术以实现智能电子控制电动汽车驱动。电机技术、超 级电容技术与汽车传动系统效率和整车能量回收技术的实现有关。超级电容应 用技术、转矩合成技术和新材料新工艺的应用技术对于动力系统的工作性能也 发挥着举足轻重的作用比如超级电容充电快能量大，寿命长的特点非常适合 能量回收，但是成本和效率问题有待解决 由此可见，电动汽车发展的关键是提高蓄电池的性能，电动机的控制系统 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。 3 ) 整车系统设计、关键部件与系统选型、控制策略和参数优化 扬弃电动汽车研制以改装为主的传统设计开发思维，通过系统建模与数字 仿真、虚拟设计，结合整车总体性能和市场化使用的要求，确定动力驱动控制 系统，多能源动力分配与管理系统的参数建立评估方法和标准。考虑到电动 汽车的各子系统之间的相互作用会影响整车的性能，应分析和考虑这些相互作 用的重要性。模型的精确性通常与模型的复杂性一致，与其可用性相矛盾，故要综 合考虑模型的精确性和复杂性采用多能源系统提高电动汽车的续驶里程时，应 根据整车性能和价格来优化相应的混合比。由于传动比对整车性能和操作性能 影响很大，而电动汽车通常采用固定速比，因此通过驱动力平衡图并采用迭代优 化法来定最优速比传统的燃油汽车在制动时是将汽车的惯性能量通过制动器 的摩擦转化成无法回收的热能散发到环境中了对于电动汽车而言，由于电机 具有可逆性，即电动机在特定条件下可以转为发电机运行，因此可以在制动时 采用再生制动。将回馈能量储存在电力储能装置中，再加以利用，从而提高电 动汽车的续驶里程。 1 3 课题的主要研究内容 电动汽车的缺点主要是续驶里程有限，充电时间长，价格昂贵，导致应用 4 范围受到限制本文在一定理论的基础上，结合汽车动力电池、电动机的数学 模型，从电动汽车的整体上对部分影响因素进行仿真和定性分析，从而得到增 加续驶里程的方法和措施内容安排如下： ( 1 ) 通过铅酸电池的工作原理，建立了蓄电池的相关模型，并在此基础 上，分析了蓄电池的充放电特性； ( 2 ) 通过对电动机参数、整车参数的分析。建立了电动机模型和电动汽 车的动力学模型，并确立了能量回收的计算方法； ( 3 ) 按照建立的模型，利用进行仿真通过对仿真结果的分析，提出了 增加续驶里程的具体措施。 以纯电动汽车为原型，尝试对其动力性进行仿真。在对电动汽车相关技术 进行综合分析的基础上，对直流电机和整车受力情况建立了数学模型并从电动 汽车的整体上对其部分影响因素进行仿真分析，得出改善动力性能，增加续驶 里程的方法和措施。设定了以下计算任务：工况行驶和刹车里程计算，最高车 速，最大爬坡度和加速性能，反馈电流以及回收能量的数值在学习a d v i s o r 软件基础上进行开发，建立电动汽车模型，利用m a t l a b 进行仿真，并进行动 力性模拟计算，将计算结果与试验数据对比，以用于电动汽车再生制动系统的 优化。证明仿真模型可靠。其目标是为了解决电动汽车一次续驶里程不足问题， 在电动汽车再生制动系统基础之上，进行系统内部超级电容器的运用，使其能 量回馈效率进一步提高以及作为电源有效提供驱动能量。 1 4 动态仿真设计方案 电动汽车动力性能的评价有3 个动力性指标；汽车加速时间、最大爬坡度 和最高车速，但最终归结于汽车的动力因子。电动机动态仿真试验系统，主要 通过模拟汽车行驶时，作用在输出轴上的实际负载，再现汽车行驶中如起步、 换档、变速、制动等过程，理论上可以达到与道路实验完全相同的汽车实际行 驶工况，可灵活地进行汽车动力系统性能的研究。特制定如下动态仿真设计方 案t 1 ) 电动汽车动力参数的设计 2 ) 电动汽车动力性能的仿真 3 ) 电动机性能实验和动力性能实现 4 ) 总结提高电动汽车动力性能以及续驶里程的方法、关键问题、现有条件 及解决办法 1 s 本章小结 电动汽车在环境和能源指标上具有燃油车不可比拟的优势，电动汽车本应 该出现迅速发展的势头。但现实并非如此，其主要原因是：电动汽车受到连续行 驶能力的制约，以及如何提高电能转换效率和控制系统效率通过研究和验证， 为电动汽车制动能量的回收性能提供依据，同时通过改善制动能量回收能力的 研究，相应的提高电动汽车的续驶里程 6 第二章电动汽车仿真软件a d v i s o r 的应用 计算机仿真是指以计算机为主要工具运行真实系统或预研系统的仿真模 型通过对计算机输出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态和演化规 律的综合评估与预测它是分析评估现有系统运行状态或设计优化未来系统性 能与功能的一种技术手段。在很多领域中有着广泛的应用。 a d v i s o r ( a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ) 2 0 0 2 是由美国可再生能源实验 室在m a t l a b t | 】和s i m u l i n k 软件环境下开发的模型，它是目前世界上下载最多的 电动汽车仿真软件使用该软件可以快速分析普通车、电动车和混合动力车的 性能和燃油经济性等。a d v i s o r 并且为进一步理解s i m u l i n k 、用户定义传动 系部件、车辆的数据以及算法提供了依据。 2 1a d v i s o r 的简介 a d v i s o r 用基本物理学和标准的部件性能为存在或未来的车辆建模p i 。最 大作用在于预测还在设计中的车辆的性能。例如车辆的燃油经济性、排放性能、 加速性能和爬坡性能等。模拟有两步： 1 ) 用标准的或估计的部件以及车辆数据定义车辆 2 ) 规定道路循环，连同车辆要通过的行驶坡度。 然后让车辆满足道路循环以及相应的速度要求，并测出从一个部件到另一部件 的转矩、转速、电压和功率。a d v i s o r 可得到： 1 估算汽车的燃油经济性 2 分析传统汽车混合动力汽车或电动汽车如何通过动力传动系统利用或 损耗能量 3 比较各种循环工况的排放情况 4 评估混合动力汽车的控制逻辑 5 优化传动系的传动比使燃油消耗最小或性能最优 6 能量在传统汽车、电动汽车、混合电动汽车的动力传动系统中流动 a d v i s o r 的模型特点如下： 1 模拟结果是经验性的，它依赖于动力传动组件的实验测试数据 2 其模型是准稳态的，它所应用的参数值在稳态实验中获得 2 2a d v i s o r 的功能和用途 a d v i s o r 使用简单的物理学原理和测试数据模仿实际的或假想的车型。 它真正的用途是预测未来车型的性能。它解答了这样的问题：即如果应用某种 参数配置开发新车型结果会是怎样；车辆能达到的速度；要求用多少油或电能； 在一个循环中电池的s o c 浮动值；传动系部件传递的功率；发动机分配的转矩 和转速；齿轮箱的效率。通过反复改变车辆定义或道路循环，可以仿真以一定 7 速度的车辆所行使的坡度车辆质量、空气阻力或者其它部件的变化对能量消 耗的影响，测出加速度和速度大小a d v i s o r 的界面和其它脚本文件自动解决 了其中的许多问题，其它问题需要用户编程得到因为a d v i s o r 是有标准组件 的，所以其部件模型可以相对容易的扩展和改迸例如，电池的电化学模型， 连同扩散、极化和热作用可以被放进车辆与电动机共同工作 2 2 1a d v i s o r 局限性与系统要求 a d v i s o r 是分析工具。它的组件模型是准稳态的，不能用来预测时间范 围小的现象在电组件之间传递的数据是功率而不是电压和电流，只适用于前 驱驱动的汽车a d v i s o r 需要在m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 和s i m u i t n k 版本中 运行 2 2 2a d v i s o r 的系统结构与工作原理 作为分析工具【l o l ，a d v i s o r 将请求，期望速度作为输入来决定传动系的转 矩，转速和功率。a d v i s 0 隘合评价设计控制策略和能量管理策略。牵引力控 制和车轮滑动模型的动力学的计算是假设前轴是驱动轮系统分为输入脚本， 仿真模型，输出脚本和控制脚本四个部分输入脚本用于定义m a t l a b t 作空间 的变量和调用其他的脚本，它包括车辆定义文件和部件数据文件两部分。车辆 定义文件用于定义电动汽车的类型和动力系统的机构。部件数据文件用于定义 电动汽车的部件参数。输出脚本的作用是对仿真结果进行后处理，它包括绘图 程序和查错程序两部分。绘图程序用于绘制仿真特性图，查错程序用于检查仿 真结果的合法性仿真模型包括了用于仿真计算的各种方程式，控制脚本用于 仿真程序的运行，包括界面供用户选择不同的仿真功能以上系统在a d v i s o r 文件系统中的位置如下： 1 车辆定义文件目录：k a d v i s o r 2 0 0 2 、s a v e dv e h i c l e s ： 2 部件数据文件目录：、a d i s o r 2 0 0 2 k i a t a ： 3 仿真模型目录：、a i ) v i s o r 2 0 0 2 h o d e l s 4 输出脚本和控制脚本目录：a d v i s o r 2 0 0 孔和、a d v i s o r 2 0 0 2 、g u i a d v i s o r 的仿真过程是：首先控制输入脚本，由道路循环的请求行驶轨迹， 包括汽车行驶速度、道路坡度和汽车动态质量，根据车辆定义文件和部件数据 文件的数据，计算出汽车的实际速度和耗油等结果，然后再进行仿真计算，如此 入冀奉出本 图2 - l 仿真数据流程 反复，直到完成整个道路循环的仿真，最后由输出脚本给出仿真图形和报表 a d v i s o r 的仿真数据流程图如图2 1 上面是a d s o r 文件系统的交互式文件和数据流四种主要的类型如下： 1 ) 输入脚本定义工作空间中的变量或调用其它输入脚本 2 ) 方块图用于计算输出的仿真文件 3 ) 输出脚本通过查询工作空间对模型输出进行的后处理。 4 ) 控制脚本可以控制输入和处理后的输出 多数方块图有两个输入和两个输出，每个模块传递和转化请求的转矩和转 速，每个模块传递实际转矩和转速在道路循环和能量源之间的每个模块计算 其请求输入给予请求输出。最终，能量源用请求转矩输出和转速决定实际传递 的转矩和最大转速，然后返回给每个部件最后，车辆模块计算考虑牵引力和 速度限制的车辆实际速度，用此速度计算下一时间步的加速度。因此循环可以 持续整个过程。 2 2 3 文件类型说明 所有的模型、数据文件和变量都有着下划线( 一) 的前缀。所有包括前缀的 文件名都用大写字母来防止混淆都用小写字母的变量名。如下表所示： 表2 1 文件命名说明 a c c _ * m 负载文件 c y c * m 驱动循环文件它定义了以c y c _ 开头的变量在记号 的 模块中使用 e s s m蓄电池数据文件它定义了以e s s - 开头的变量在记号 的 模块中使用 e ) 【m排气后处理文件如催化器 f c - + m内燃机数据文件 d ( - + m传动数据文件包括变速器和主减速器变量数据 c - c _ * m发电机与控制器数据文件 m c - m马达与控制器数据文件 p t ( - m动力传动系统控制数据文件它定义发动机控制离合器控制 和混合驱动控制策略的变量这些变量以v u c s 开头在标 有v c 和 2 5 ，应考虑在增加一个挡位，如图3 - 1 5 所示与前一种情况不同的是要 根据i = i o i 。再合理分配主传动比i o 和变速器各挡的传动比i g 。 ( 3 ) 电动机从基频向上调速的范围较窄，如图3 一1 6 所示。此时增加一个挡 位后在等功率车速无法衔接起来在这种情况下，当车速达到c 点后，可以进 入等转矩工作区，然后再经d 点，b 点进入等功率区段工作。 3 a a 无挡位情况下的动力参数设计 1 ) 电动机额定功率和额定，最高转速【2 7 i 【蚓 正确选择电动机的额定功率十分重要。如果选得过小，则电动机经常在过 载状态下运行；相反，如果选得太大，电动机经常在欠载下运行，效率及功率 因素降低，不仅浪费电能，而且需要增加动力电池的容量，综合经济效益下降。 通常从保证汽车预期最高车速来初步选择电动机的功率。最高车速虽是动力性 中的一个指标，但它实质上也反映了汽车的加速和爬坡能力。这是因为最高车 速越高，要求的电动机功率越大，汽车后备功率大，加速与爬坡能力必然较好。 具体确定公式如下： p 而l 丽( 6 y 一+ 焉羔以一) s 抛 另外，最高车速还跟电动机最高转速，k 及主传动比乇有关： 。= 0 3 7 7 - - 3 - 3 3 1 2 ) 电动机的最大转矩7 岫 在电动机只与心( 或互) 确定后，最大转矩乙为： 乙；盟 3 - 3 4 。4 最大转矩z k 应使汽车满足爬坡性能的要求 k 垃墅生掣塾竖立 3 - 3 5 埘l t 同时，最大转矩z k 又要使汽车满足加速性能，且与j o 相关。 总之，电动机参数的确定，同主传动比f o 息息相关，相互作用可实现电动汽车 的技术性能。 ( ) 传动比选择 电动汽车的传动比与挡位确定原则：对动力传动系统部件的设计参数进行研 究是提高电动汽车性能的重要手段之一电动汽车动力传动系统部件的设计参 数，如电动机功率和转矩、传动系统的传动比以及它们之间的合理匹配等，对 电动汽车的动力性、经济性，续驶里程等都有显著的影响。 车辆传动比包括变速器传动比和主传动比，由于直流电动机的起动转矩很 大，且易实现无极调速，传动比只需满足最高车速和最大爬坡度的要求即可 故可选择两档变速器。最小传动比档位为直接档，因此，主减速器的传动比可 以由最高车速求取，即： 南sf o 。= 0 3 7 7 = 二一 3 - 3 6 4 - 曩 (mgfcoscr一+mgsinctu)rs 毛so 3 7 7 丝3 - 3 7 一珊 。 乙一靠 式中：为主减速器的传动；一为电动机的最高转速；吃为轮胎滚动半径； 一为最高车速；9 为附着率。 一般最大爬坡度中的附着效率总是可以满足，求交集可得： 监翌霹竺型竖立毛 l 贝l j 禁止能量回馈；如果c 。= o 则允许能量回馈，且实际能量回馈力 矩为柔顺性控制模块，效率寻优模块确定的允许值；如果g 为以l 之间的数值，则 允许能量回馈，但实际能量回馈力矩根据g 大小进行限制为了节省控制器 e c u 的时间资源，控制软件设计中。c 。也同时作为能量回馈控制模块的进入条 件，即只有g o ) ， 车体运动方程：v = v o f 兰l 二：= ! 厶4 - 4 4 由“3 ，州解得：y ：1 6 7 - 芦丛量乌口：西+ f o + c t 。 m功 进一步可得：k = 3 0 ，矗= 1 5 7 5 ( n ) 由于汽车运动过程功率平衡，故p = u = k l k 2 玛e 矿4 - 4 5 充电梳小邵：弼( 一华出泸 若有电流反馈就代表制动能量回收， 回收能量的效果( 以秒为单位对电流的积分) ：陋 其中：车体质量为m ，瞬时车速为v ，制动初始车速为v o ，口为加速度，充电电流 为i ，电池端电压为u ，特定车型的机械传动效率为k i ，滚动阻力f f 一般为固 定值，充电效率k 3 也可认为恒定发电效率k 2 也可认为恒定： 项目单位数值 汽车质量 l 噜 1 3 6 0 滚动阻力系数0 0 1 2 蓄电池电压 v1 2 蓄电池个数 个1 2 机械传动效率k 1 o 9 发电效率如 0 9 ( 4 5 0 0 r m i n - 3 6 0 0 r m i n ) ， 0 9 - 0 8 2 d 6 0 0 r m i n - 1 5 0 0 r m i n ) , 0 8 2 - 0 6 ( 1 5 0 0 r l m i n - 5 0 0 r r a i n ) 。 充电效率墨 o 8 5 车长x 车宽x 车高 m m 3 5 6 0 x 1 6 0 0 x 1 6 7 0 轴距 m m2 3 3