（车辆工程专业论文）电动汽车制动能量回收系统仿真及控制器设计.pdf

摘要 随着汽车工业的快速发展，世界汽车保有量迅速增涨。汽车所带来的能源短缺，环 境污染和气候变暖等负面影响日益严重。电动汽车作为新能源汽车，是解决能源危机和 环境污染问题的最有效途径。 电动汽车续驶里程短，己成为制约电动汽车发展的主要问题，解决续驶里程最直接 的方法是增加蓄电池的容量，但蓄电池能量存储技术在短期内不会有重大的突破，那么 电动汽车续驶里程的增加主要依靠能量利用率的提高。电动汽车能量利用率的关键突破 技术是制动过程中怎样合理、高效的把汽车机械能转化为电能，存储到储能元件中。本 课题以纯电动汽车的工程项目“纯电动汽车试验车研究( 批准号：2 0 0 1 k 1 0 g 1 ) ”为背 景，主要研究制动能量回收系统仿真及控制器设计。 本论文对电动汽车制动过程进行受力分析，根据电动汽车制动能量回收的约束条 件，建立了制动系统的动力学模型，并把该模型整合到s i m u l i n k 环境下进行仿真，其中 采用恒定制动电流控制策略，使用p i d 控制器控制d c d c 变换器的占空比d ，使得制 动状态下，电机电枢电流对制动踏板开度具有良好的跟随性。实验结果表明：( 1 ) 当需 求制动力小于电机所能提供的最大制动力时，电动汽车制动力全部由电制动系统产生。 在满足制动安全性和制动约束条件的前提下，制动时电机电枢电流越大制动力越大，制 动距离越短，制动过程回收的能量越多。( 2 ) 当需求制动力大于电机所能提供的最大制 动力时，电动汽车制动力由复合制动系统产生。复合制动时，制动力较大，制动距离较 短，制动回收的能量较少。本论文的最后，设计了一款电动汽车制动能量回收控制器， 该控制器基于飞思卡尔m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机，控制器主要由四个模块组成：数据采集 模块，数据显示模块，数据通讯模块，驱制动控制模块，并设计了这四个模块的硬件电 路和软件程序流程图。并且在电动汽车试验台上对主控制器、功率变换器i g b t 、驱动 电机机械特性以及传感器进行试验和测试。 本文的研究工作对于提高我国在电动汽车制动能量回收领域的研究水平具有一定 的现实意义。 关键词：电动汽车、制动能量回收、仿真、s i m u l i n k 、控制器、m c 9 s 1 2 d g l 2 8 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fv e h i c l ei n d u s t r y , v e h i c l es t o c ko ft h ew o r l dr a p i dg r o w s u p t h en e g a t i v ei m p a c to fe n e r g ys h o r t a g e s ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，g l o b a lw a r m i n gc a u s e d b ya u t o m o b i l eb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s a san e wa u t o m o b i l e ，t h ee v ( e l e c t r i c v e h i c l e ) i st h em o s te f f e c t i v ew a y t os o l v et h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h es h o r td r i v i n gd i s t a n c eo fe vi ss t i l lt h em a j o rp r o b l e mt h a th i n d e r st h ed e v e l o p m e n t o fe v i n c r e a s et h ec a p a c i t yo ft h eb a t t e r yi st h em o s te f f e c t i v ew a yt os o l v ed r i v i n gd i s t a n c e o fe v h o w e v e r , b a t t e r ye n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g yw i l lb en om a j o rb r e a k t h r o u g hi nt h en e a r f u t u r e s o ，d r i v i n gr a n g eo fe vm a i n l yr e l i e so ni n c r e a s i n ge n e r g yu t i l i z a t i o nf a c t o nak e y b r e a k t h r o u g ho fe n e r g ye f f i c i e n c yo fe v i nt e c h n o l o g yi sh o wr e a s o n a b l ea n de f f i c i e n tc h a n g e m e c h a n i c a le n e r g yi n t oe l e c t r i c i t ya n ds t o r e si ti n t ot h es t o r a g ed e v i c e t h es u b j e c tb a s e do n t h e e n g i n e e r i n gp r o j e c to fp u r ee v t h e r e s e a r c ho ft e s ta u t o m o b i l eo fp u r ee v ( a u t h o r i z a t i o nn u m b e r ：2 0 0 1k 1 0 - g 1 ) t os t u d yt h es i m u l a t i o no f b r a k ee n e r g yr e c o v e r ys y s t e m a n dt h ed e s i g no fc o n t r o l l e r f o r c ea n a l y s i so fe vb r a k i n gp r o c e s sa n de s t a b l i s had y n a m i cm o d e lo ft h eb r a k i n g s y s t e mb a s e do ns o m ec o n s t r a i n t so fe vb r a k i n ge n e r g yr e c o v e r ya n ds i m u l a t i o nb a s e do n s i m u l i n k c o n t r o ls t r a t e g yi sm a k i n gb r a k i n gc u r r e n tc o n s t a n ta n du s i n gp i dc o n t r o l l e rt o c o n t r o ldo fd c d cc o n v e r t e r m o t o ra r m a t u r ec u r r e n tc a nf o l l o wt h eb r a k ep e d a li nt h e b r a k i n gc o n d i t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w s ：( 1 ) w h e nt h ed e m a n d e db r a k i n gf o r c ei sl e s s t h a nt h em a x i m u mb r a k i n gf o r c et h a tm o t o rc a ns u p p l y e v sb r a k i n gf o r c ei sp r o v i d e db yt h e e l e c t r i c a lb r a k i n gs y s t e m c o m p l yw i t hs a f e t yr e q u e s t sa n dc o n s t r a i n t so fb r a k e ，t h eg r e a t e r t h em o t o ra r m a t u r ec u r r e n t ，t h eg r e a t e rt h eb r a k i n gp o w e r , s h o r t e rb r a k i n gd i s t a n c ea n dc a n r e c o v e r ym o r eb r a k i n ge n e r g y ( 2 ) w h e nt h ed e m a n d e db r a k i n gf o r c ei sl a r g e rt h a nt h e m a x i m u mb r a k i n gf o r c et h a tm o t o rc a ns u p p l y e v sb r e a k i n gf o r c ep r o v i d e d b yt h e c o m p o s i t eb r a k i n gs y s t e m ，t h i ss y s t e mc a l ls u p p l ym u c hm o r eb r e a k i n gp o w e ra n dm a k et h e b r a k i n gd i s t a n c es h o r t e rb u tr e g e n e r a t el e s sb r a k i n ge n e r g y d e s i g nac o n t r o l l e ro fe vb r a k i n g e n e r g yr e c o v e r yi nt h ep a p e rl a s t t h ec o n t r o l l e ri sb a s e do nt h ef r e e s c a l em c 9 s 1 2 d g l 2 8 c o n t r o l l e rm a i n l yc o n s i s t so ff o u rm o d u l e s ：d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t ad i s p l a ym o d u l e ， d a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，d r i v e b r a k ec o n t r o lm o d u l e a tl a s t ，d e s i g nh a r d w a r ea n d 1 i i s o f t w a r ef l o w c h a r to ft h ef o u rm o d u l e s p r i m a r yc o n t r o l l e r , p o w e rc o n v e r t e v l g b t , m o t o r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds e n s o r sh a v eb e e nt e s t e db ye v st e s tb e da n dg o tr e a d yf o r b r a k i n ge n e r g yr e c o v e r yt e s t t h i sr e s e a r c hw o r kh a ss o m ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h ef i e l do fb r a k ee n e r g yr e c o v e r y o f e v k e yw o r d s ：e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) ；b r a k ee n e r g yr e c o v e r y ；s i m u l a t i o n ；s i m u l i n k ； c o n t r o l l e r ；m c 9 s12 d g 12 8 i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究电动汽车的意义 自1 8 8 6 年德国人卡尔本茨成功发明了第一辆内燃机汽车至今的一百多年时间里， 汽车已经遍及人类生活的每一个角落，成为人类生活中必不可少的交通工具。它不但提 高了人类的生活质量，加快了人类的生活节奏，而且加速了人类文明的发展。汽车工业 在推动经济发展，提高人类生活质量的同时，也带来了能源短缺，环境污染和气候变暖 等资源环境问题【l j 。 随着汽车工业的快速发展和人民生活质量的不断提高，汽车保有量持续增涨【2 】。据 统计，截止到2 0 1 0 年世界汽车保有量已接近1 0 亿辆，并以每年3 0 0 0 万辆的速度快速 增长【3 1 。与世界其它汽车工业发达的国家相比，中国汽车保有量的增长速度更加迅速。 据统计，中国机动车保有量从1 9 7 8 年不足百万辆到2 0 1 0 年底将突破1 8 亿辆，并持续 急剧增n 4 1 。随着全球汽车工业的快速发展，全球汽车保有量急剧增加，对能源的消耗 也与日俱增。以中国为例，2 0 0 9 年中国机动车消耗了全国石油总产量的8 5 ，其中汽车 行业对石油的消耗量高达总消耗量的3 0 。据估计，未来的2 0 年，汽车行业将成为石油 最大的消耗业，3 0 年后汽车行业对石油的消耗量将达到总消耗量的8 0 以上。美国布什 政府前能源部长亚伯拉罕指出，据能源信息部门估计，未来2 5 年到3 5 年内全球石油消 耗将增加两倍。能源需求的增加将会引发能源安全和国家安全问题。同时，汽车保有量 的增加不可避免地带来交通堵塞、道路拥挤、空气污染、能源短缺、城市空间不足、噪 声污染、废弃物污染等一系列世界性问题【5 】。世界各国的大中型城市都面临着不同程度 的汽车排放污染问题。美国的资料表明，城市大气污染量( 主要包括二氧化碳、一氧化 碳、氧化硫、碳氢化合物、氮氧化合物等) 6 3 来自于汽车尾气排放，8 0 的城市噪声污 染源自交通。汽车的大量使用所产生的废气、噪声以及扬尘对自然环境和人体身心健康 造成了极大污染和危害。为了保护人类的居住环境、保持能源的可持续发展、保护人类 的身心健康，各国政府不惜投入大量人力、物力、财力寻求解决能源和环境问题的最佳 途径【6 - 7 】。发展新型能源汽车不仅是经济发展、环境保护的需求而且关系着我国的能源 安全，具有十分重要的战略地位。 纯电动汽车，从储能装置( 车载蓄电池、超级电容、飞轮电池等) 上获得电力，以 电机驱动，但同时又满足道路交通安全法规对汽车的各项要求，并获准在正规道路上行 驶的车辆【2 】。与传统的燃油汽车相比，电动汽车具有低污染，低能耗，零排放，高效率， 第一章绪论 低噪声等优点，在环境保护和新能源利用等方面具有无可比拟的优越性，是解决能源危 机和环境污染问题的最有效途型引。近年来，世界各国政府、科研机构、汽车制造商以 及交通、电力、环保、能源等有关部门都投入巨大的人力、物力、财力来研发和制造电 动汽车。 汽车技术发展到今天，电动汽车不仅仅是一种交通工具，更是一个高新技术集于一 体的智能产品。电动汽车技术包含着汽车设计、机械制造、交通运输、环境保护、新 材料、新能源、电子控制、自动化、信息技术、计算机等多门学科的尖端技术和新型 成果。因此，电动汽车的研发和制造具有巨大的现实意义，是体现一个国家工业化水 平的重要标志。 1 2 国内外纯电动汽车发展现状 1 8 7 3 年，英国人罗伯特戴维森制造了第一辆以蓄电池作为动力源的电动汽车，比 卡尔本茨的汽车还早1 3 年。但由于受到储能电池和驱动控制系统等技术的限制，其 发展速度远落后于内燃机汽车。1 9 7 3 年和1 9 7 9 年的石油危机使大部分工业发达国家重 新认识到电动汽车的重要性，电动汽车的研究和开发成为汽车界研究的热点。经过多年 的努力，在电动汽车基础技术的研究上取得了丰硕成果。近年来，由于环境污染和能源 短缺日益严重，世界范围又掀起了新一轮的电动汽车研发热潮，欧、美、日等许多著名 汽车制造商( 标致、雷诺、菲亚特、通用、福特、丰田、本田等公司) 都把电动汽车的 开发和研制看作解决资源短缺和环境问题的有效手段，不惜投入大量人力、物力和巨额 资金，竞相展开新一代电动汽车的研究开发工作【l0 1 。 德国、法国、英国、意大利等许多欧洲工业发达国家，也都发起了进入电动汽车市 场的电动汽车发展计划。成立于1 9 9 0 年的欧洲“城市电动车 协会，至今已有6 0 多个 城市加入，帮助各城市进行电动汽车可行性研究以及安装电动汽车运行的必要设备，并 指导城市的电动汽车运营。德国大众汽车公司在2 0 1 0 北京国际汽车展览会上推出的朗 逸电动汽车，最高时速达1 3 0 千米d , 时，百公里起步加速时间可达1 1 秒，续驶里程为 1 5 0 公里。法国标致汽车公司将在2 0 1 0 年底推出i o n 电动汽车，最高车速可达1 3 0 千米 4 , 时，续驶里程为1 3 0 公里。英国t h i n kg l o b a l 公司开发的新第一代两座纯电动汽车 t h i n kc i t y ，最高车速可达8 0 千米d 时，续驶里程为1 7 2 公里。1 9 9 0 年意大利菲亚特 汽车公司开始生产的派力奥电动汽车，最高车速达7 0 千米d , 时，续驶里程为1 0 0 公里。 1 9 9 1 年，美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司投入了4 5 亿美元，联合成立了 2 长安大学硕士学位论文 美国先进电池联合体，共同开发镍氢、镍镉和燃料电池等高性能车载蓄电池。上世纪9 0 年代初期，通用汽车公司投入1 0 亿美元开始开发e v - i 型、e v - i i 型纯电动轿车，该车 载能源采用镍氢电池，最高时速可达8 0 千米d , 时，一次充电最大里程达1 3 0 公里。通 用汽车公司在2 0 0 7 年上海国际汽车工业博览会上推出新款雪佛兰v o l t 电动汽车概念车， 该车采用了最新研发的e f l e x 动力推进系统，纯电动模式下可在城市道路上行驶约6 4 公里，当内置电池组中的电能耗尽后，e f l e x 动力推进系统可以将汽油、乙醇、生物柴 油、氢气等能源转化成电能，为车辆的行驶提供了足够的驱动能量。2 0 0 2 年福特公司推 出全新的t h i n k 都市车，最高车速可达8 0 千米d , 时，续驶里程为8 0 公里。2 0 1 0 年福 特汽车公司将投资4 5 亿美元用于研发电动汽车，计划在2 0 1 0 年推出福特全顺c o n n e c t ， 一次充电可行驶1 2 9 公里。1 9 9 2 年克莱斯勒公司、美国电力研究院与南加州爱迪生公司 共同开发了5 0 辆电动货车。 2 0 世纪7 0 年代日本汽车生产商开始从事研发和制造纯电动汽车的工作，日本政府 制定了电动汽车普及应用计划，大部分日本汽车制造商都制定了商业化电动汽车发 展计划，多款纯电动汽车已步入规模化生产和商业化阶段。截止到2 0 0 2 年，日本纯电 动汽车的保有量已达到2 6 9 6 辆。目前，日本电动车辆协会、汽车协会、汽车电子协会 等部门已经初步建立了一些纯电动汽车共同利用系统，进行实用化试运行。9 0 年代末， 丰田公司研制出腓4e v 型纯电动轿车，一次充电时间5 1 小时，最高车速达1 2 5 千米d , 时，一次充电行驶里程达2 1 5 公里。2 0 0 5 年日产公司研制成功了l u n n e te v 五 座纯电动轿车，该车采用锂离子电池，最高车速达1 2 0 千米d , 时，一次充电行驶里程达 2 3 0 公里。2 0 0 9 年1 2 月，日产公司推出纯电动汽车l e a f ，它完全依靠锂电池提供动力， 最高时速达1 4 0 千米d , 时，一次充电可行驶1 6 0 公里。 我国政府从上世纪八十年代开始就非常重视电动汽车的发展。“八五期间，电动 汽车列入国家科技攻关计划，重点开展电动汽车关键技术的研究；“九五 期间，电动 汽车正式列入国家重大科技产业工程项目；2 0 0 1 年，我国确立“十五”国家高新技术发 展计划( 8 6 3 计划) 电动汽车重大专项项目，明确了我国的电动汽车战略发展基本原则， 并提出了“三纵三横”研发布局。2 0 0 6 年开始实施的国家中长期科技规划把电动汽车研 发提到相当重要的战略地位。按照项目规定进程，纯动力电动汽车功能样车已经实现， 纯电动轿车和纯电动客车在国家质检中心的认证试验中各项指标均满足有关国家标准 和企业标准的规定，镍氢电池、锂离子电池等储能元件性能也有了较大提高。国内主要 汽车制造企业对新能源汽车的开发和研制也投入了相当的人力和物力，并且取得了一定 第一章绪论 的成果，如表1 1 示【1 1 1 。北京奥运会期间，奇瑞、长安、东风、一汽、京华及福田等汽 车生产企业联合清华大学、北京理工大学等单位，向社会提供了自主研发的5 5 辆纯电 动锂电池汽车、2 5 辆混合动力客车、7 5 辆混合动力轿车、2 0 辆燃料电池轿车，以及4 0 0 辆纯电动场地车等各种新能源汽车为奥运会服务。奥运会后，科技部还将计划连续3 年 在国内1 0 个以上有条件的大中型城市开展千辆级混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电 池汽车、以及提供基础设施的大规模示范，到2 0 1 0 年底节能与新能源汽车达到1 万辆i l 0 。 表1 1国内主要汽车公司的电动汽车计划及其取得的成就 汽车企业主要研究内容取得成就 “九五”期间，承担国家“8 6 3 计划”电动汽 一汽集团红旗世纪星、奔腾混合动力车 车重大专项资助项目 e q 6 11 0 h e v i 混合动力客车在国内 东风汽车公司主要研发中度混合动力客车和纯电动小巴 首次完成滚翻安全性试验 “新能源汽车三部曲”：加快推进混合动力 超级电容大客车已经在上海公交线 上汽集团汽车产业化，积极探索代用燃料汽车商品 路上示范运营 化，推动燃料电池技术研发和示范运营 掌握了混合动力汽车整车控制策略的开发 国内自主开发的第一条用于制造混 长安汽车公司 和整车匹配的标定技术合动力汽车的生产线 全球首家“铁”动力电池“e t - p o w e r ”电动汽铁电池经过高温、高压、撞击等试 比亚迪公司 车f 3 e ，纯电动车e 6 验测试 研发弱混合动力轿车，中度混合动力技术以 奇瑞汽车公司 2 0 0 9 年奇瑞s 18 电动汽车顺利下线 及深度混合动力汽车 在各国政府的大力支持和各大汽车制造商的努力下，电动汽车将代替传统燃油汽 车，成为二十一世纪的主要交通工具。它的出现很大程度的解决了环境污染、全球变暖、 能源短缺等问题，是一种新型的绿色环保交通工具。 1 3 制约电动汽车发展的因素 电动汽车在环境保护和节约能源方面具有传统燃油汽车不可比拟的优势，使人们看 到了解决环境污染和能源短缺问题最有效的途径和方法。电动汽车本应该出现迅速发展 的势头，但从世界各国的电动汽车发展现状来看，电动汽车的发展速度仍然非常缓慢， 其主要问题是关键核心技术难以突破，技术难点主要集中在：怎样解决车载能量源容量、 质量和使用寿命，如何提高能量利用效率，如何降低电动汽车的制造和使用成本。这些 问题均是影响电动汽车全面普及和应用的关键性因素。具体而言，目前电动汽车的发展 仍面临着如下一些主要问题【1 2 小】： ( 1 ) 续驶里程短。纯电动汽车的最大续驶里程2 0 卜3 0 0 公里，只是理论计算或台 4 长安大学硕士学位论文 架试验所得，在实际运行工况中难以实现。短距离的续驶里程给驾驶人带来了很大的不 便，极大的限制了纯电动汽车的普及和推广。 ( 2 ) 车载能量源的使用寿命短。电动汽车车载能量源的使用寿命一般都比较低， 车载锂电池的使用寿命为1 0 0 0 - - - 1 5 0 0 次，车载铅酸电池的使用寿命只有5 0 沪1 0 0 0 次。 到目前为止，仍然没有一套理想的储能装置达到电动汽车的使用要求，即能量源的使用 寿命与汽车使用寿命一致。 ( 3 ) 电动汽车成本高。电动汽车的制造成本是同性能燃油汽车成本的1 0 倍左右， 这无疑很大程度的限制了电动汽车的使用和推广。其中，昂贵的蓄电池和能源管理控制 系统是电动汽车价格居高不下的主要因素。为了提高电动汽车的性能，采用高性能的锂 离子蓄电池作为能量源，使电动汽车价格达数十万美元。 ( 4 ) 二次污染严重。电动汽车以蓄电池作为主要车载能量源，废旧蓄电池所带来 的二次污染则是电动汽车所面临的主要污染问题，直接影响到电动汽车的普及和发展。 因此，开发节能环保的车载能量源是解决电动汽车二次污染的主要途径。 ( 5 ) 再生制动技术仍待发展。电动汽车制动时，通过发电机把汽车的动能转化成 电能，存储到车载能量源，可以增加车辆的动力性( 加速和爬坡) 和经济性( 续驶里程) 。 电动汽车的再生制动技术还处于研发初期，还面临着制动时能量利用率低，机械制动和 电机制动的协调问题、制动时前后车轮制动力分配以及制动时电池状态检测等问题。 制约电动汽车发展的因素中最主要的是：续驶里程短和制造成本高。解决这两个问 题的关键是开发高性能的蓄电池，提高能量利用率。提高电动汽车能量利用率，最有效 最直接的方法是研发高效率高性能的制动能量回收系统。 1 4 制动能量回收技术的发展现状 制动能量回收技术涉及蓄电池性能，驱动电机特性，传动系统效率，制动时整车操 作稳定性以及制动控制系统等各方面的技术。目前国外电动汽车制动能量回收系统的研 发处于试验研究和初级生产阶段，而国内电动汽车制动能量回收技术还处于建模仿真和 初级研究阶段【1 6 。2 2 1 。 ( 1 ) 日本 日本丰田汽车公司生产的混合动力汽车p r i u s 上安装有再生制动系统，该系统根据 汽车制动过程的能量控制策略，通过调节a b s 系统的电液比例阀调节机械制动力，实 现机械制动与再生制动的协调工作。该款安装有制动能量回收系统的混合动力汽车的能 第一章绪论 量利用率提高了2 0 f 1 6 1 。 日本本田汽车公司开发的电动汽车“i n s i g h t 上，实现了制动能量回收系统的高效 工作。该制动能量回收系统是基于i s g 电机和液压系统，并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制动能量回收系数的控制策略【1 7 】。 ( 2 ) 美国 美国加利福尼亚大学研制和开发的p h e v ( p l u g - i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 混合动 力车系统。这种混合动力车装备了制动能量回收装置。仿真试验及道路实验显示，在循 环道路工况中，装备了制动能量回收的p h e v 比未装备的汽车少消耗1 8 的能量【1 8 】。 美国福特汽车公司研发的燃料电池汽车f o c u s ，该款车型把蓄电池组、再生制动 技术和储存氢气罐组合起来，使得汽车的续驶里程达到1 6 忙2 0 0 英里，比以前的车型 有了很大的改善。该车续驶里程增加的主要原因是安装t n 动能量回收系统u 9 1 。 ( 3 ) 比利时 比利时f l e m i s h 技术学院研制和设计的h e v a n 混合电动车实验平台口o l 。在这个实 验平台上可以根据需要安装永磁直流电机( p m d c ) ，感应电机和无刷直流电机。h e v a n 的制动能量回收系统是通过对永磁直流电机控制而实现的，为了提高制动能量回收系统 的效率，采用在低速时提高电机电动势的控制策略。在制动能量回收系统中，h e v a n 系统采用了两种提高电机电动势的方法，即提高磁场和逆变升压。并根据实验得到如下 的结论：在低速时，交流电机的制动能量回收效果好于永磁电机，但交流电机的制动力 矩较小，效率较低；在低速时，采用逆变升压方式可以提高制动电流，控制方式容易。 ( 4 ) 韩国 韩国s u n g k y u n k w a nu n i v e r s i t y 研制的h i l s 系统是专门用于混合动力汽车的制动 力分配系统【2 。该系统基于闭环的硬件仿真，通过多个传感器和专门设计制造的液压装 置实现了前后轮制动力的分配和制动能量的回收。试验表明装备有h i l s 系统的混合动 力汽车的能源使用效率提高了3 5 。 ( 5 ) 中国 目前国内关于电动汽车制动能量回收技术的研究还处于初级阶段，对制动能量回收 技术的研究还停留在理论分析计算和计算机建模仿真阶段。主要从事制动能量回收技术 研究的有清华大学，吉林大学，武汉理工大学，重庆大学和长安大学【2 2 1 。 1 5 研究制动能量回收技术的意义 6 长安大学硕士学位论文 在电动汽车的研究中，如何提高能量存储元件的功率密度、能量密度和能量利用率， 是提高电动汽车续驶里程的关键性问题1 9 。能量存储元件的功率密度和能量密度的提高， 主要依靠蓄电池技术的提高，但蓄电池能量存储技术在短时间内不会有重大的突破，那 么电动汽车续驶里程的增加主要依靠能量利用率的提高。能量利用率的关键突破技术 是，在制动过程中怎样合理、高效的把汽车机械能转化为储能元件的电能，即研发高效 率高性能的制动能量回收系统。 传统的燃油汽车制动时，将汽车的动能通过摩擦制动装置转换成热能，散失到大气 中而无法加以利用。对于安装有制动能量回收装置的电动汽车而言，由于电机的可逆性， 即电动机可在特定条件下工作在发电运行状态，因此可在制动时把汽车的动能转换成电 能存储在车载储能装置加以再利用，从而达到增加续驶里程、提高能量利用率的目的。 如表1 2 所示，城市循环工况下整车制动消耗的能量占驱动能量的百分比，从表中可以 看出，城市循环工况下，汽车制动消耗的能量占整车驱动能量的3 1 撕7 【1 5 】。如果把 汽车制动过程中的能量加以回收利用，可以很大程度的降低汽车的燃料消耗量，提高电 动汽车的续驶里程。 表1 2 城市循环工况下整车制动消耗的能量占驱动能量的百分比 循环工况驱动能量制动消耗能量制动能量消耗占驱动 ( )( ) 能量的比例( ) u d d s3 2 0 91 3 8 9 4 3 3 n y c c6 0 43 6 76 0 8 l a 0 26 0 0 23 5 6 65 9 4 澳大利亚公交循环工况 1 6 3 1 7 5 0 9 9 3 1 3 伦敦公交循环工况 2 6 0 51 7 3 66 6 6 制动能量回收系统在提高电动汽车续驶里程和能量利用率的同时，也提高了电动汽 车的制动性和安全稳定性。电动汽车制动系统的制动力，是由电机制动系统和机械摩擦 制动装置共同配合作用提供的。这样可以大大提高电动汽车制动时的车辆安全性、稳定 性、可靠性和灵敏性。 在城市工况中，汽车需要频繁启动、制动，有关研究表明，如果有效的回收制动能 量，电动汽车的续驶里程可以提高l o n3 0 1 0 】。研究和开发高性能、高效率的电动汽 车制动能量回收系统对电动汽车的发展和普及至关重要。因此，本课题以纯电动汽车的 7 第一章绪论 工程项目“纯电动汽车试验车研究( 批准号：2 0 0 1 k l o g 1 ) 为背景，主要研究电动汽 车制动能量回收系统仿真及控制器设计。 1 6 本文的研究内容及章节安排 第二章主要介绍电动汽车制动能量回收系统的基本原理，分析了复合制动系统相对 于机械制动系统的优越性。 第三章主要对电动汽车制动过程进行受力分析，建立了电动汽车制动系统的动力学 模型，分析了电动汽车制动能量回收的约束条件。 第四章提出了制动能量回收系统的控制策略，使用s i m u l i n k 软件对制动能量回收系 统进行建模仿真，并对仿真结果进行分析。 第五章基于飞思卡尔m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机设计了一款电动汽车制动能量回收控 制器，并对控制系统进行功能性和稳定性台架试验。 第六章对全文的工作进行总结，展望电动汽车制动能量回收技术在今后研究工作中 的研究方向。 8 长安大学硕： 学位论文 第二章制动能量回收技术的基本原理 制动能量回收即实现制动状态下，把电动汽车的动能转化成电能储存在储能元件 ( 电池、超级电容、飞轮等) 里，以便在加速和行驶过程中再利用【6 】。电动汽车采用电 机制动，通过控制电力系统使电机工作在发电状态，车辆产生制动力矩，同时把制动所 产生的电能存储到储能元件。通常电动汽车所需求的制动力矩比电机所能提供的最大制 动转矩大得多，在电动汽车上只使用电制动系统，无法满足整车制动要求，所以电动汽 车制动方式是传统的机械摩擦制动与电制动相结合的复合制动方式。在满足制动安全性 的前提下，最大限度的利用电机制动，增加制动能量的回收利用率。 本章主要研究，当电动汽车制动时，如何控制机械制动和电机制动的制动力分配关 系以及如何控制功率器件使电机工作在发电状态。并把汽车的动能转换成电能，存储到 车载蓄电池中，加以再利用，达到增加续驶里程的目的。 2 1 传统汽车制动系统 使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车速度保持稳定，以及使已停驶的 汽车保持不动，这些作用统称为汽车制动【l j 。对汽车起到制动作用的是作用在汽车上， 其方向与汽车行驶方向相反的外力。作用在汽车上的滚动阻力、上坡阻力、空气阻力都 能对汽车起制动作用，但这些外力的大小都是随机的、不可控的。故汽车上必须装设一 系列专门设备，以便驾驶员能根据道路和交通等情况，借以使外界( 主要是路面) 在汽 车某些部分( 主要是车轮) 施加一定的力，对汽车进行一定程度的强制制动。这种可控 制的对汽车进行制动的外力称为制动力。这样的一系列专门装置即称为制动系统【2 3 1 。 传统的制动系统一般是摩擦制动器。目前各类汽车所用的摩擦制动器可分为鼓式和 盘式两大类【2 5 l 。 传统制动系统工作原理如图2 1 所示【2 4 】。一个以内圆面为工作表面的金属制动鼓1 l 固定在车轮轮毂上，随车轮一同旋转。在固定不动的制动底板1 2 上，有两个支撑销5 ， 支撑着两个弧形制动蹄l o 的下端。制动蹄的外圆面上又装有摩擦片4 。制动底板上还装 有液压制动轮缸8 ，用油管7 与装在车架上的液压制动主缸6 相连通。主缸中的活塞3 可由驾驶员通过制动踏板l 来操作。制动系统不工作时，制动鼓的内圆面与制动蹄摩擦 片的外圆面之间保持一定的间隙，使车轮和制动鼓可以自由旋转【2 4 1 。 要使行驶中的汽车减速，驾驶员应踩下制动踏板l ，通过推杆2 和主缸活塞3 ，使 主缸内的油液在一定压力下流入轮缸，并通过两个轮缸活塞7 推使两制动蹄绕支撑销转 9 第二章制动能量回收技术的基本原理 动，上端向两边分开而使其摩擦压紧在制动鼓的内圆面上。这样，不旋转的制动蹄就对 旋转着的制动鼓作用一个摩擦力矩m ，其方向与车轮旋转方向相反。制动鼓将该力矩 m 。传到车轮后，由于车轮与路面间有附着作用，车轮对路面作用一个向前的周缘力 兄，同时路面也对车轮作用着一个向后的反作用力，即制动力b 。制动力b 由车轮经 车桥和悬架传给车架及车身，迫使整个汽车产生一个减速度。制动力愈大，则汽车减速 度愈大。当放开制动踏板时，复位弹簧即将制动蹄拉回复位，摩擦力矩m “和制动力尼 消失，制动作用即行终止【2 6 1 。 制动系主要由四部分组成：供能装置，控制装置，传动装置和制动器。制动系中， 主要由制动鼓1 1 、带摩擦片4 的制动蹄l o 构成的对车轮施加制动力矩( 摩擦力矩m 。) 以阻碍其转动的部件称为制动器【2 5 1 。 车轮对地面的力吒地面对车轮的力e 1 制动踏板，2 推杆，3 主缸活塞，4 摩擦片，5 主承销，6 制动主缸，7 油管，8 制动轮缸，9 轮缸 活塞，1 0 制动蹄，1 l 制动鼓，1 2 制动底板 图2 0 ! 摩擦制动器工作原理图 2 2 制动能量回收系统的基本原理 电动汽车驱动、制动控制系统主要是通过控制功率器件开关状态，来控制电机转 速和转矩的大小、方向。直流电机在不同情况下有不同的运行状态，根据电机转速和转 矩的方向，可分为电动运行状态和制动运行状态。当电机转速与转矩方向相同时为电动 运行状态，当电机转速与转矩方向相反时为制动运行状态。 2 2 1 永磁直流电机电动运行工作原理 l o 长安大学硕士学位论文 永磁直流电机具有高效、节能、运行平稳，低振动、低噪声、过载能力强、使用寿 命长，免维护性能好、控制简单、控制精度高、调速范围宽，响应速度快和损耗低等特 点，所以直流电机已广泛应用于汽车、航天、军事等各个方面【2 7 】。 如图2 2 ，图2 3 所示，电机运行分为四种状态，即正转电动运行、反转电动运行、 正转制动运行、反转制动运行【2 引。 ( 1 ) 正转电动运行时，开关管s 1 、s 4 同时导通，s 2 、s 3 处于截止状态，电机两 端为正向电压，此时电机旋转方向为转速n 的正向，1 1 为正值，电磁转矩t 为正值，机 械特性上的工作点在第一象限。 ( 2 ) 反向电动运行时，开关管s 2 、s 3 同时导通，s 1 、s 4 处于截止状态，电机两 端为反向电压，旋转方向为转速n 的负方向，n 为负值，电磁转矩t 为负值，机械特性 上的工作点在第三象限。 ( 3 ) 正转制动运行时，电机转速方向为正，电磁转矩为负，电机工作在正转减速 状态，机械特性上的工作点在第二象限。电机处于正转状态时，将s 2 、s 3 同时导通， s 1 、s 4 同时截止，此时电机两端为反向电压，电磁转矩的方向与转速方向相反，电机实 现正转制动运行。 ( 4 ) 反转制动运行时，电机转速方向为负，电磁转矩为正，电机工作在反转减速 状态，机械特性上的工作点在第四象限。电机处于反转状态时，如果将s 1 、s 4 同时导 通，s 2 、s 3 同时截止，此时电机两端为正向电压，电磁转矩的方向与转速方向相反，电 机实现反转制动。 2 2 2 永磁直流电机制动运行工作原理 电力拖动系统采用电气制动时，电机即做制动运行。其特点是：电磁转矩t 的方向 与旋转方向n 相反。电机不是将电能转换成机械能，而是将机械能转化成电能全部损耗 掉或部分回馈电网。根据所采用的电气制动的方式和转速n 的正方向不同，制动时机械 特性上的工作点在第二或第四象限【2 9 - 3 0 。 根据制动的方式和制动时电机能量传递关系的不同，制动运行分为3 种3 1 】：能耗制 动、反接制动和回馈制动。 第二章制动能量回收技术的基本原理 转速1 1j i + + + l + 转 图2 2 电机机械特性图 2 2 2 1 能耗制动运行 t 、c c 蔓】 d ld 3 【 一 7 听油 i 8 ： d 2 i 【 j j 7 图2 3 电机运行电路图 永磁直流电机电动运行的电路原理图如图2 4 所示。当触点s 1 闭合时，电机电枢 两端加正向电压，电机处于电动运行状态，电机转速方向和转矩方向相同且都为正。开 始能耗制动时：电路如图2 5 所示，断开触点s 1 ，闭合触点s 2 ，电源断开，且电机电 枢与电阻尺接通，电枢电压u = 0 。由于机械惯性，电机转速不能突变，因而反电势色 依然存在，其方向与电动状态时相同。此时电枢电流l 由反电势包产生，方向与反电 势包方向相同而与电动状态时的电流方向相反，则转矩r 也随之反向，即转矩丁方向 与转速，z 方向相反，起制动作用，电机为制动运行状态。 在制动运行过程中，电机电枢始终与电源断开( 即u = 0 ) ，电机工作在发电机运 行状态，将系统的动能转换为电能消耗于电枢回路中的电阻上，因而称为能耗制动。 直流电机机械特性的一般表达式： ，z = 茜一筹r 眨， ，z = 一一 f ，1 、 c 囊c c t 妒 。 将能耗制动的特定条件u = 0 代入直流电机机械特性表达式中，得能耗制动机械特 性方程式： ，z = 一冬竺丁 ( 2 2 ) e g 妒2 一“7 式中，刀电机转速，u 电机电枢电压，e 电机电势常数，c 电机转矩常数， 妒磁通量，兄电枢回路电阻，尺回路等效电阻。 由能耗制动机械特性方程式可以看出，电机转速方向与电磁转矩方向始终相反，机 1 2 长安大学硕二f ：学位论文 械特性工作点应在第二、四象限，并通过坐标原点。 + + 图2 4电动运行的电路原理图 图2 5 能耗制动运行的电路原理图 2 2 2 2 反接制动运行 永磁直流电机反接制动电路原理图如图2 6 所示。当触点s 1 接通、触点s 2 断开时， 电机处于正向电动运行状态，电机转速，z 为正值，电枢电流l = 半( 2 3 ) 为正， 电机电磁转矩也为正。为了使工作机械迅速停车或反向运转，断开触点s l ，接通触点 s 2 ，此时电机电枢与电源反接，同时在电枢电路中串入电阻r 。由于电枢反接，电枢电 压变为- u 。由于转速挖不能突变，则电势e 方向亦与电动状态时相同，所以电枢电流 为l = 等变为负值，转矩r 亦变为负值。此时由于电磁转矩丁与电机转速门方 向相反，电机为制动运行状态。因为是电枢反接引起的制动，故称为反接制动运行状态。 电枢反接时，电压变为一u ，代入直流电机机械特性表达式中得反接制动机械特性 方程式： 刀= 一丽u 一面r + 万r 上一飞一瓦r 口+ 万r 丁 眨4 ， e e q z”c p q 咖2 + i i l i o。 r ic i t l i * 一 i 咄 j 、e 图2 6 反接制动电路原理图 图2 7 反馈制动的机械特性 机械特性上的工作点在第二象限中的部分为反接制动，在第三象限中的部分为反向 第二章制动能量回收技术的基本原理 电动运行状态。在反接制动过程中，电机的机械特性与负载特性没有交点，所以反接制 动没有稳态运行点，只能使系统减速。在反接制动过程中，制动转矩的平均值比较大， 制动作用强烈。常用于快速制动。 2 2 2 3 回馈制动运行 当电机电枢两端电压为正时，电机带动负载正向运行。此时将电机电枢与