（车辆工程专业论文）电储能式再生制动系统实验方法的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 再生制动系统就是在车辆制动时，将车辆行驶动能转化为其它形式的能量 储存起来，在车辆启动或加速行驶时再次加以利用的装置或系统。这种系统属于 新型的节能装置，在未来的混合动力汽车及纯电动汽车上将有广泛的运用。在能 源问题越来越突出的今天，节约能源已成为所有行业的发展目标之一。再生制动 系统，将原本摩擦制动耗散的能量，部分回收再利用，有效地提高了车辆的能量 效率。 本论文的研究内容足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 ) 的重要组成部分，在搭建的 试验台架上进行再生制动系统实验方法的研究。主要工作包括了以下几个方面： 1 、从来理论上分析了开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 缩写s r m ) 在再生制动系统中运用的可行性，并进行了建模仿真分析。 2 、根据试验目标和需求，开发了基于虚拟仪器技术的数据采集系统，其中 包括数据采集模块和控制模块。 3 、进行了试验台的调试。包括各个部件的单独调试，系统集成调试。 4 、制定评价指标，根据评价指标制定了试验方案并进行台架试验。 5 、对全文进行总结，提出不足之处。 关键词：再生制动，开关磁阻电机，虚拟仪器技术，数据采集系统，试验台 江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 mi sas y s t e mt h a tc a n t r a n s f e rk i n e t i ce n e r g yt oo t h e r k i n d so fe n e r g yd u r i n gb r a k i n g ，a n dt h e nr e s t o r et h i se n e r g yw h i c hc a nb eu s e dn e x t t i m eo fs t a r t u po ra c c e l e r a t e i ti san e ws y s t e mw h i c hw i l lb ew i s e l yu s e di ne l e c t r i c a l v e h i c l ea n dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei nf u t u r e t o d a y , e n e r g ys h o r t i n gi sas e r i o u s p r o b l e m s os a v i n ge n e r g yi sb e c o m i n gad e v e l o pa i mi na l li n d u s t r y p a r tk i n e t i c e n e r g yw h i c hi sl o s i n gi nt r a d i t i o ns y s t e mw i l lb eu s e di n t h i ss y s t e m e n e r g y e f f i c i e n c yo fv e h i c l ew i l lb ei m p r o v e d t h i sd i s s e r t a t i o ni sai 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 t u 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 o a 5 8 0 0 7 ) ) ，a n da l s oi sao p e n i n gf u n dp r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c e a u t o m o b i l ee 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 e b r a k i n gs 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 ”( 0 c 2 0 0 6 0 6 ) ) ，a n di tf o c u so nm e a n s o fe x p e r i m e n to fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mi nl a b m a i ns i d e sa sf o l l o w ： 1 a n a l y s i s t h e f e a s i b i l i t y o fs w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r s ( s r m ) i n r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mf r o mt h e o r y , a n di ti sa n a l y z e db ys i m u l a t i o n 2 f r o mt h ea i ma n dd e m a n d i n g ，a n db a s e st h ev i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，ad a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dw h i c hi n c l u d e sd a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o l l i n g 3 t h ee q u i p m e n ti sd e b u g g e d f i r s t l y , t h ee v e r yp a r to fe q u i p m e n ti sd e b u g g e d a n dt h e nt h ew h o l ee q u i p m e n t t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi st e s t 4 e s t a b l i s ht h ee s t i m a t er u l e ，a n dt h e nd e s i g nat e s tb l u ep r i n tf r o ma c c o r dw i t h t h er u l e l a s t ，d ot h ee q u i p m e n t 5 t h ew h o l ea r t i c l ei ss u m m a r i z e d ，a n dt h es h o r t a g ei sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：r e g e n e r a t i v e ，s r m ，v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ， e x p e r i m e n t 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。本人授权江苏大学呵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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：= j - 扭 砷年占月矿日 指导老师签字： z 神7 年6 月莎日 刁 -， 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：立掣乳 叫年月矿日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 再生制动系统研究背景 自1 8 8 6 年发明汽车以来，汽车成为人们日常生活中的代步和运输工具， 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，汽车也给世界带来了无法1 日 避的负面影响。 机动车辆运行对环境的影响主要是大气污染和噪声污染。在世界卫生组织 确认的6 类大气污染物质：一氧化碳( c o ) ，铅( p b ) 、二氧化氮( n o ：) 、悬浮颗粒物 ( p m ) ( 包括尘土、烟灰、烟雾和烟尘) 、二氧化硫( s 0 2 ) 和对流层臭氧( w h o1 9 9 9 ) 及温室气体中，机动车辆主要污染物排放占其中5 项n 1 。城市噪声的污染主要 来自于机动车。根据美国e p a l 9 9 4 年公布的资料，在大气污染中，6 1 3 的c o 来自于汽车，3 1 9 的n o x 来自汽车，2 8 3 的p b 来自于汽车，1 4 的s 0 2 来 自汽车，0 7 的p m 来自汽车乜1 。 机动车排放的c o 和n o x 是城市大气污染的最主要来源，城市大气污染是 环境污染的一个很重要的方面，全球4 7 的人口生活在城市，并且世界城市化 还在以每年2 的速度增加，越发达的地区城市化水平越高，欧洲城市化水平达 到7 0 ；同时城市建筑物、人口密度大，空气流通差：世界机动车中保有量的绝 大多数在城市，机动车辆的运行和排放水平极大的影响了城市大气质量水平昭3 。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于石油等能源的日渐紧缺，节能成为汽车工业的 一个重要发展方向。而电动汽车在环保和节能方面表现出明显的优势，日益受 到汽车工业界蕈视。 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。例如在德国多尔斯滕，人们正在 制造新一代生态汽车。这款名为“洛雷默l s 的汽车将于2 0 0 9 年下线，成为 首款量产的百公罩耗油量仅1 5 升的汽车。宝马最新一代1 系和5 系车的二氧 化碳排放量比老款车降低了2 0 。奔驰在最新的c 系车上使用了名为“蓝色科 技”的更清洁柴油发动机技术，据说可满足将于2 0 1 5 年生效的欧6 排放标准。 江苏大学硕士学位论文 据统计，2 0 0 6 年在德国共售出9 4 2 0 3 辆二氧化碳排放量低于每公里1 2 0 克的生 态汽车。生态汽车的销量约占德国整个汽车市场的2 8 n 引。 电动汽车经历了关键性技术的突破，样机的研制，区域性试用以及小批量 实际应用等探索阶段b 1 。但是由于在功率、快速充电、环保、寿命等方面还存 在瓶颈，尤其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。 如何充分提高车辆行驶能量效率，进而延长车辆续驶里程，节约能源，是 电动汽车需要解决的一个关键问题。制动能量再生是解决该问题的主要技术措 施。 所谓再生制动技术，是通过一种或多种储能装置将车辆的机械能( 包括动 能和势能) 转换成其他形式的能量，以便汽车再次使用，从而提高车辆能量利用 率、延长制动器使用寿命和增加车辆行驶安全性，节约的第一主能源的消耗。 尤其在城市交通中，制动频繁的情况下，再生制动技术更能显示出其优势。制 动能晕的再生作为一项新技术已经开始应用于电动汽车。 1 2再生制动系统的分类 由储能方式的不同，能最回收的形式可分为飞轮式，液压式，以及电化学 储能式这三种形式。各种储能方式皆有其特点。 1 ，2 1 飞轮电池储能 飞轮电池是9 0 年代才提出的新概念电池，众所周知，当飞轮以一定 角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池i f 是以其动能转换成电能 的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。飞轮电池中有一个 电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞 轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电 增加了飞轮的转速从而增大其功 能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能， 完成机械能( 动能) 到电能的转换h4 i 。其系统结构如图1 1 所示。 一、飞轮电池储能的特点 2 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 储存密度高。转子转速大于6 0 0 0 0r m i n 的飞轮电池在7 5 放电深度 下产生大于2 0w h l ( 瓦时升) 的比能量。而镍氢电池只有5 6w h l 的比 能量其放电深度一般限制在3 0 一4 0 的范围内畸1 。 ( 2 ) 无过充电、过放电问题。化学电池一般不能深度放电，也不能过充电否 则其寿命会急剧下降。而飞轮电池在深度放电时，其性能完全不受影响。而且 在电力电子协助下非常容易防止过充电( 实际上是限制转子的最高转速) 。飞轮 电池的寿命主要取决于其电力电子的寿命，故一般可达到2 0 年左右。 ( 3 ) 容易测量放电深度，充电时间较短。飞轮电池只要测出转子的转速， 就能确切知道其放电深度。而化学电池就没有这么容易了。另外，飞轮电池的 充电一般在几分钟之内即可完成。而化学电池则需要几个小时，常见的需要七 八个小时。 ( 4 ) 对温度不敏感。化学电池在高温或低温时其性能会急剧下降，而飞轮 电池则不然。 ( 5 ) 对环境友好。化学电池在报废后会对环境产生恶劣影响，而且回收成 木较高。飞轮电池是一种绿色电池，它不会对环境产生任何影响，故它在电动 汽车方而的应用极具潜力。 f1 订 i 、，| 、 i ，、l ；j 、 k 曩，乙 乙】! 缓_ 耋醣电斑躲舯 电动柳p ：璧电撬 寥玮簸台材辫飞轮 船瓷 图1 - l 飞轮储能系统结构简图 f i 9 1 1d i a g r a mo ff l y w h e e ls t o r e de n e r g ys y s t e ms t r u c t u r e 二、飞轮储能系统的所需要解决的问题 ( 1 ) 飞轮储能系统不能长时间的储能，只能是在汽车运行时靠飞轮的转动 暂时储存能量，在汽车停止以后，飞轮停止转动后就必须释放能量。于是汽车 3 江苏大学硕士学位论文 上应该再装有与之相配套的蓄电池，可以在汽车熄火是储存飞轮上剩余的能量。 在电动汽车上，这个能量又可以支持汽车的正常运行。 ( 2 ) 安全问题。飞轮要储存能量就要高速旋转，一旦应力超过材料的极限 应力，飞轮破裂，后果不堪设想。于是要求，首先飞轮的质量尽可能轻，储存 能量尽可能多，可承受的应力尽可能的大。最关键的是外面的壳体能承受飞轮 在最高速旋转时破裂所带来的冲击。汽车应该有应急系统，在飞轮出现故障后， 能按普通模式正常运行。 ( 3 ) 能量损耗，采用磁悬浮轴承而减少飞轮摩擦而损耗的能量，但飞轮本 身的设计和制造的不平衡，同样会消耗能量，以及空气阻力的影响到底有多大。 ( 4 ) 飞轮的高速旋转不可避免的会产生热量，完全消除热量是不可能的， 于是这个热量怎么回收利用，才能使得整个回收系统回收到更多的能量。 1 2 2 液压储能 汽车起动或加速的过程就是液压系统将储存的液压能转换成机械能并释 放给汽车，以增加汽车动能的过程。系统主要由发动机、液压泵马达、液压蓄 能器、变速箱、驱动桥、离合器和液压控制系统组成起动、加速或爬坡时，液 控离合器接合，液压蓄能器与连动变速箱连接，液压蓄能器中的液压势能通过 泵马达转化为车辆动能，用来辅助发动机满足驱动汽车所要求的峰值功率减 速时，电控元件发出信号，使系统处于蓄能状态，将动能转换为压力能储存在 液压蓄能器内，这时车辆行驶阻力增大，车速降低直至停车。在紧急制动或初 始车速较高时，再生制动系统不工作，不影响原车制动系统发挥效能h 3 。其结 构如图1 2 所示。 4 江苏大学硕士学位论文 图1 2 液压储能式制动能量系统示意图 f i 9 1 2o i a g r a mo fh y d r a u li cp r e ss u r es t o r e de n e r g ys y s t e m 1 2 3 电化学储能 储能器可采用蓄电池或超级电容器，由发电机电动机执行机械能一电能之 间的转化。系统还包括一个电子控制单元( z c u ) ，用来控制蓄电池或超级电容器 的充放电状态，并且保证蓄电池的剩余电量在规定的范围内。 电储能形式的再生制动系统使用的蓄电池作为蓄能器，相对其他储能方式 而言，具有储能时间长，一次储能量大，储能稳定性好，维护次数少，使用方 便等优点。理论上讲，电化学储能方式再生制动方法适用于各种车辆。近年 来正在开发和研制的电动汽车上普遍考虑采用这种方法实现再生制动，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充放电率高，与蓄电池相 比可迅速高效地吸收和释放制动回收的能量。其机构如图1 3 所示。 所以，本课题采用蓄电池加超级电容的电化学储能形式。 5 江苏大学硕士学位论文 被 图1 3 电储能式制动能量回收系统示意图 f i 9 1 3d i a g r a mo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mw i t he l e c t r i c a l 1 3 国内外研究现状 对于再生制动系统的研究，国内目前主要集中在建模和仿真的阶段【5 ，6 7 j ， 和困际上相比落后很多，德国，美国，r 本等国家都已经推出了不同形式的 较为成熟的车型1 8 - a 5 1 。 1 3 1 国外研究现状 回收汽车制动能量的概念早已提出，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。世纪8 0 年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资进行电动汽车实用车型的研制 和开发。进入2 1 世纪后，各国加快了电动车( e l e c t r i cv e h i c l e 简称e v ) 的产品化进程，相继推出了不同型式的e v 产品，很多车型都显示出优良的环 保与节能性能。 ( 1 ) 日本 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 了再生制动系统的回收率n 0 1 。 6 江苏大学硕士学位论文 同本本f f l 汽车公司在其开发的“i n s i g h t 电动汽车上，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，实现了汽车制动能量的高 效回收n 。 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，为电动汽车再生制动系统的特性化 打造提供了基础引。 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 x v 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 l o m i n 缩短到l o s n 引。 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h 。 ( 2 )美国 1 9 9 7 年由美国宇航局( n a s a ) l e w i s 中心、俄亥俄州政府和工业界、大学 等9 个单位合作，开发出串联式电动一喷气涡轮混合动力大客车n 4 1 。 福特福克斯燃料电池汽车将电动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， 使口丁载四人的电池汽车的行驶里程达到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里程， 通过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，但足目前燃料电池技术相对来讲还要相当时间的开发 历程n 2 1 。 t e x a sa & m 大学的y i m i ng a o 等提出了评价再生制动效率的三种制动力 分配的控制策略，并在城市行驶循环工况下对中度电动汽车进行了仿真分 7 江苏大学硕士学位论文 析。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a b s 系统的 控制策略，在该控制策略的基础上建立了基于电子制动系统的纯电动汽车的 制动系统仿真模型，实现了在不同制动强度下的制动能鼍的最大化回收n 引。 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 w y 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n 7 i 。 美国m a x e l l 公司所开发的超级电容器已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5w 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 l o 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 y c o n s o r t i u m ) 机构，专门主持e d i 。c 的研究与开发n 5 1 。 ( 3 ) 意大利 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 14 | 。 总之，由于国外在纯电动汽车领域对再生制动的研究已具有了一定的 基础，2 0 世纪9 0 年代全球掀起电动汽车研究热潮以后，国外在电动汽车再 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该系统，大大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 3 2 国内研究现状 重庆大学秦大同和詹迅等人提出了i s g 混合动力车硬件在环仿真系统模 8 江苏大学硕士学位论文 型。该模型通过电动汽车制动动力学建模，进行基于制动能量分配控制策略 ( 再生制动控制策略) 的离线仿真，并在电动试验台上进行再生制动系统的硬 件在环仿真与匹配试验，实现了d s p a c e 实时仿真系统和控制系统m a t l a b s i m u l i n k 的无缝连接及测试过程中的参数整定、数据观察、分析和储存n 6 l 。 浙江大学王庆丰等人针对液压驱动惯性系统提出了电容储能式液压 马达能量回收的节能方案。搭建了液压马达能量回收试验台，进行了能量 回收过程中的能量转化效率和节能效果的试验研究。并进行试验，试验结 果表明，在液压驱动惯性系统中采用液压马达进行能量回收和发电机转速 控制执行元件运动速度的节能方案是可行的n 7 。 天津大学应用m a t l a b s i m u li n k 建立混合动力汽车模型，利用d s p a c e 作为虚拟车辆与真实多能源动力总成控制器连接的纽带，组建驾驶平台、 执行机构等真实反映车辆工作状态的实物平台，共同集成为多能源动力总 成半实物仿真试验系统n 8 | 。 清华大学的刘博、杜继宏、齐国光在采用蓄电池作为储能装置实现制 动能量的回收，通过仿真研究，考虑到摩擦阻力及各部分效率问题，回收 能量占总耗能的2 3 。3 h 副。同时在飞轮储能方面，清华大学在国内也处于 领先地位，他们已经成功地研制出高速飞轮电池，以及在此基础上的再生 制动控制系统。基于飞轮储能技术的新型u p s 就是其中一个典型的代表 2 0 3 o 总体来说，目前国内关于再生制动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计算机仿真阶段，只有个别单位进行了硬 件在环仿真。这对于再生制动系统的研究来说是远远不够的。所以，对再 生制动硬件在环仿真的实验方法的研究是有重大意义的，也是迫切需要 的。 1 4 再生制动系统实验方法研究的主要内容和意义 ， 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， 9 江苏大学硕士学位论文 主要解决电储能形式再生制动系统试验台实验方法的研究。具体包括以下几 方面工作： ( 1 ) 本新型试验台的构成及特点的分析； ( 2 ) 分析电储能再生制动系统模拟试验台的实验要求，提出实验方案， 及其模型分析。制定试验评价标准。 ( 3 ) 基于虚拟仪器的数据采集系统的设计。 ( 4 ) 进行部分试验并对试验结果进行分析。 本文对再生制动的深入研究有着极其重大的意义。再生制动试验台，是把 建模和仿真的理论转化为实际的一种手段，而基于试验台的实验方法的研究， 是完成实验及对其结果进行分析的必需的过程。我国与发达国家相比还比较贫 困，目前还不能广泛的进行实车试验，所以各种试验数据极度匮乏。为了改变 这一现状，我们设计了新型的试验台架，在此平台上进行实验定研究。在一定 程度上弥补了数据的匮乏。虽然和实车检测还有一些距离，但已经迈出了具有 重要意义的一步。2 1 世纪是能源的世纪，国家的发展战略中，已经将节能环保 列为重中之重。再生制动系统的研究，是对国家节能环保政策的积极响应，符 合科学发展观。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机用于再生制动的理论分析 作为汽车三大功能( 行驶，制动和转向) 之的制动性能，是汽车安全性 能中的重要指标之一。无论任何车辆的制动性能，首先必须满足安全性能的要 求。 与国内其它具有相仿功能的试验台相比，本试验台采用的开关磁阻电机代 替无刷直流电机或者感应电机作为回收能量的主要原件。虽然无刷直流电机以 及感应电机在电动汽车上有着广泛是使用，但是开关磁阻电机( s r m ) 却是一 个更好的选择妲q2 。s r m 结构简单、坚同、成本低、工作可靠、控制灵活、运 行效率高、适于高速与恶劣环境运行，由其构成的传动系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c e d r i v e s ，简称s r d ) 具有交、直流传动系统所没有的优点心2 吨引，以及优良的调速 性能，所以它越来越受到人们的青睐。 s r m 在应用研究也是国内外目前研究的重点，其主要研究方向是在s r m 的电动状态下的转矩特性及应用，以及在电动汽车能量储存系统的控制中的应 用瓣2 8 1 。 本章分析了s r m 的制动状态下的转矩特性，以及在8 座以内的普通乘用车 上如何使用s r m 进行制动，以部分代替传统的摩擦制动，分析了s r m 提供的 制动力是否能够满足制动性能要求，并对其再生制动性能进行了分析。 2 1 开关磁阻电机( s r m ) 转矩特性分析 s r m 的转矩为乜副： 删) = 三z 2 等 ( 2 1 ) 式中：臼转子位置角，t a d ； f 绕组电流，a 。 s r m 相绕组电感线如图2 1 所示。在电感上升区包一岛内绕组通电，旋转 电动势为正，产生电动转矩；在最大电感常数色一只内，旋转电动势为零；在 电感下降区域以一0 5 内，因旋转电动势为负，产生制动转矩，s r m 运行于发电 江苏大学硕士学位论文 状态。由式( 2 1 ) 可知，此时堕d o o 。因此在适当的时候给s r m 供电，就可 以得到需要的电磁转矩。而s r m 转矩的控制主要是通过控制主丌关器件导通角 眈，即起始开通角气和关断角实现的豫7 。在再生制动系统中，需要s r m 运 行在制动状态下，如图2 2 所示，控制和在电感下降区域即可。如需要 s r m 运行在电动状态下。 0； l 【即 l l 。 乙 j | | 一m m 。 q 0 包以 毋 图2 1不饱和时相绕组电感曲线 己( 9 ) 三 三r n j n f ( 秒) o e ，e够8 2 图2 2角度位置控制方式典型相电流波形 由上文分析，则s r m 的在制动时的转矩： 江苏大学硕士学位论文 即力=引量丽20,-00-0 式中：u ，外加电压，y ； 三一最大相电感； k ：l n i i l i - - l m 包一q 垡鱼些二墨! 翌二翌! 塑 ( 2 2 ) d 秒 三。；。最小相电感。 u ，k ，三一，曲均为常数，所以，调节和是调整电流波形和峰值的 主要手段。由此，可以通过调节吒和可调整制动转矩z 。 2 2 制动的特性分析 ( 1 ) 车辆制动力分析瞳钒3 们 制动时车轮的受力如图2 3 所示。车轮在制动时受两个力，一个是制动器制 动力e ，一个是地面制动力e 。制动器制动力： e ：曼 ( 2 3 ) r 式中：瓦制动器的制动力矩，m ； 厂车轮半径，历。 车轮 图2 3 制动时车轮受力分析 嚷褥。让浮j 江苏大学硕士学位论文 理想状态下，即忽略滚动阻力偶矩和减速时的惯性力，则地面制动力e 与 制动器制动力矩瓦应有以下关系： e ：曼 厂 制动器制动力是随制动力矩成比例增长的， 数的限制。 ( 2 4 ) 地面制动力要受到地面附着系 见c = 矽 ( 2 5 ) 式中：t 作用在轮胎上的地面垂直反作用力之和，n ； 矽附着系数。 在制动器制动力e 不超过地面最大制动力时，兄= 瓦。当其超过地面最大 制动力时，地面制动力不再增加。 ( 2 )s r m 制动工况分析 前置前驱动轿车，前轴可以进行s r m 制动和摩擦制动，s r m 独立控制， 后轴仅能进行摩擦制动。如图2 5 所示： 丰汽缶t 图2 4 制动系统结构图 f i g2 4s t r u c t u r eo fb r a k i n gs y s t e r n 制动时，前、后轴制动力为口： 1 4 踏板力 江苏大学硕士学位论文 f ，砂孵抄争 ( 2 6 ) c 砂以爷w ( 2 7 ) 式中：附着系数。 f ，f i 轴制动力，n 只后轴制动力，n ，彬前后轴法向反作用力，n 汽车总质量，k g 日质心高度，m 轴距，m 在任何形式制动时，前后轴制动力分配都遵循这一原则。 s r m 制动原理足由s r m 提供制动力矩， 由e c e 制动法规，m 1 类( 8 座以内乘用车) 车辆制动强度z = o 1 加6 1 之间。且满足= 墨等的关系。 则当制动强度： ( 1 ) 0 1 z 0 2 时： 判断为缓慢制动，由s r m 提供纯电制动，由式( 2 2 ) ( 2 8 ) 制动力即 为： 。 z ，艘m2 5 ， u ，2 0 0 - 一0 0 l l 一0 d o 一一k ( 臼一岛) 如 d 亿一一k ( o 一舅) ) d o ， ( 2 8 ) 因为只有s r m 进行制动，所以整车所需的制动力f 即为s r m 制动力，制 动力要求如式( 2 9 ) f ：矽w ：z + 0 0 7 w ( 2 9 ) 0 8 5 7 所以当： 出f ( 2 1 0 ) 即可认为缓慢制动下，s r m 可以提供足够制动力。 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 0 2 z 0 3 ： 判断为中等强度制动时，混合制动模式，则前轴为电磁制动，后轴为摩擦 制动力。 。 r 奎s 咖2 2 ， u ，2 一气一0 d o 三一一k ( 秒一q ) 坐 ， 矗( 己一一k ( o g ) ) 。 d o ( 2 1 1 ) 前轴：f ，= 矽孵+ 矽争= 等警孵+ 百z + 0 0 7 肌争( 2 1 2 ) 后轴： c ：b 二矽( 孵一矽w 了h ) ( 2 1 3 ) 式中：砟摩擦制动器制动力，n 式( 2 1 1 ) 为s r m 所能提供的制动力，式( 2 1 2 ) 为s r m 所在的前轴所需的 理论制动力，所以，只要： 凡 h 一 ( 2 1 4 ) 即可认为中等强度制动下，s r m 可以提供足够制动力。式( 2 1 3 ) 为后轴摩擦 制动器提供制动力，本处不作讨论。 ( 3 ) 0 3 z 0 6 1 ： 判断为高强度制动，前后轴均为摩擦制动。s r m 不参与制动，再生制动 系统不运行。在此状态下，车辆制动系和传统制动系一样。本文不作讨论。 2 3 s r m 在能量回收系统中的应用 ( 1 ) s r m 制动的目的 运用s r m 进行电制动的目的是进行再生制动。由能量守恒定律，传统的 摩擦制动在制动过程中将汽车的动能转化为摩擦片的热能耗散到空气中。而此 部分热能目前尚无法回收再利用。所以，为实现制动能量的回收，本实验利用 s r m 电机在制动阶段的发电功能2 5 1 ，使其在制动时发电并用储能原件储存这部 分能量，实现制动能量的回收。所以在本实验中要检测再生制动系统是否有效， 1 6 江苏大学硕士学位论文 只要检测s r m 的发电状况即可。 ( 2 ) s r m 发电性能的分析 s r m 在制动发电状态下，其发出的电流为乜5 。： 鹕= 量丽z o o m - o o - o d t ( 2 1 5 ) 式中k = 生嚣三鲁堕，其余各量含义与上文相同。墨幺，, l m ；, u s 均为已 知常量，所以转子位移角9 影响电流z ( d 的大小。 2 。4 。仿真实验验证 ( 1 ) 制动力仿真 本实验采用某国产车为载体，加装s r m 制动器，其主要参数如表2 1 ： 表2 1 试验车主要尺寸参数 t a b 2 。1d i m e n s i o n p a r a m e t e ro ft e s tv e h i c l e 载 汽车总质量车轮、卜径质心高度质心到前轴线距离质心到后轴线距离 荷r ma | m m b m m w 培 h g m m 空9 9 0o 33 5 01 1 0 01 2 3 5 载 本实验采用四相开关磁阻电机参数如表2 2 所示： 四相( 8 6 ) s r m 电机z r = 6 0 。在制动模式下3 0 。， 4 5 。 5 5 。取如= 3 0 。，= 4 5 。 表2 2 四相( 8 6 ) s r m 参数表 t a b 2 2p a r a m e t e ro f4p h a s es r m 最大相电感一h l h 最小相电感l m i l m h外加e g 压, u 。vb 。皖。 30 3 33 8 01 0 1 0 由式( 2 1 5 ) ，用s i m u l i n k 对s r m 制动力进行仿真，仿真模型如图2 5 所示，其 结果如图2 6 ，2 7 ，2 8 所示： 1 7 江苏大学硕士学位论文 1 4 0 0 0 1 3 0 0 0 图2 5s r m 制动力仿真模型 f i 9 2 5s i m u l a t e dm o d e mo fs r l db r a k i n gf o r c e o 二= = = 二二= = 2 2 7 。2 2 3 1。、_l一一。i，一1l。一1一i 5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 t h e i ar a d s 图2 6 z - - o 1 s r m 制动力b 肼仿真曲线 f i 9 2 6b r a k i n gf o r c es i m u l a t ec u r v eo fs r l dw h e nz - - o 1 1 8 撇 姗 姗 砉| 蚴 | 堇 姗 姗 江苏大学硕士学位论文 5 0 0 0l 4 5 0 0 二 4 0 ( ) 07 芷z3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 j 2 0 0 0 一t r 一r 一 ，。一一，一一j 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 t h a t ar t t t d s 图2 7 z - - - o 2s r m 制动力量潮仿真曲线 t a b 2 7b r a k i n gf o r c es i m u l a t ec u r v eo fs r mw h e nz = o 2 圣1 5 0 0 o 0 t 一r 二一 一一1 _ 一_ j ，j l i i 5 01 0 01 5 02 0 02 3 t h e l ar a c l s 图2 8 z = o 3s r m 制动力f 删仿真曲线 t a b 2 8b r a k i n gf o r c es i m u l a t ec u r v eo fs r mw h e nz - - o 3 ( 2 ) s r m 再生制动仿真 由式( 2 1 6 ) 及表2 1 和表2 2 的参数，当车速在4 0 k m h 状态下制动，当 7 _ ；- 0 1 ，z = o 2 ，z = o 3 时，用s i m u l i n k 对回收的电流进行仿真，仿真模型如图 1 9 一 一 差言 | 言 江苏大学硕士学位论文 2 8 所示，其结果如图2 9 ，2 1 0 ，2 1 1 所示： 墨- 2 8 o 图2 8 s r m 电流仿真模型 t a b 2 8s i m u l a t e dm o d e mo fs r mc u r r e n t j + 。l 一。，i 一，- l 1 5 0 幼o 2 5 03 0 0 t h e t an t d $ 图2 9z = o 1 角速度一电流曲线 t a b 2 9a n g u l a rs p e e d e l e c t r i cc u r r e n tc u r v eb yz = o 1 江苏大学硕士学位论文 1 3 厂1 一 。1 4 8 叫 。1 6 h 耵 付哟旧彤8 图2 10z = 0 2 角速度一电流曲线 f i 9 2 1 0a n g u l a rs p e e d e l e c t r i cc u r r e n tc u r v eb yz - - 0 2 。1 5 j 亩1 右i 一一1 蠡一荔i 一。茹厂茹f 凶 l h e t af a d 8 图2 1 1z = 0 3 角速度一电流曲线 f i 9 2 1 1 a n g u l f i rs p e e d e l e c t r i cc u r r e n tc u r v eb yz = 0 3 2 5 仿真结果及分析 ( 1 ) s r m 制动力曲线 由图2 6 ，2 7 ，2 8 可知，在车速较高时，s r m 所提供的制动力在很短的时 间内就能趋于稳定。在转速很低的情况下开始急剧下降。 由e c e 法规要求，在缓慢制动情况下，0 1 z 0 2 ，由式( 2 1 0 ) ，f 的 值和z 呈线性关系，所以当z = o 2 时，f 取最大值。所以f = 6 5 0 4 2 6 n 。在中 等强度制动下，0 2 zs0 3 ，w ，由表1 参数得到1 1 1 2 8 2 8 n ，由式( 2 1 3 ) ， ，与z 呈二次关系，在z = 0 3 时，f 达到最大值5 7 1 7 2 9 n 。 2 1 一一一一一一 1 圳 江苏大学硕士学位论文 由图2 6 ，2 7 ，2 8 ，在0 1 制动强度