（电力电子与电力传动专业论文）电动汽车再生制动能量高效回收控制策略研究.pdf

山东大学硕士学位论文 驱动系统效率，合理利用其有限的能量以延长电动汽车的续驶里程提供了有效 途径 关键词：电动汽车；再生制动；感应电机；效率优化：模糊控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 ks u s t a i n a b l ed e v c l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yi s 血c i n gt w om a j o r e h a l l a a g c s ：舒 l c l g y r e l i a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n m a n yc o u n l r i c s 黜 w o f l d n g o i lh o wt od e v e l o p m e n te l e e t t i ev e h i c l e ( e nw h i e l ah a sz e r od i s c h a r g ea n d z e r op o l l u t i o n h o w e v e r , t l a cr a n g eo fc l e c t r i cv e h i c l ei sm t t e hs m a l l e rt h a n e o n v a a t i o n a lf u e lv e l a i e l e t l a i si m u t t i e i e 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 l i o n a n dt l a er a p i ap r o m o t i o no f t h ee l e c t r i cv e h i c l e r e g e n e r a t i v eb r a k i n gt ol 呛e y e l et l a o b r a k i n ge n e r g yi s 瓤e f l e e t l y ea p p r o a e l at oe x t e n dt l a oo p e r a t i n gr a n go fa no l e e t r i e v e h i c l e a tp r e s e n t , h o wt oe 自f i e i e n t l yr e c y c l er e g e n e r a t i o nt e n c b l - g yo f e l e e l r i ev e h i c l e h a sa l r e a d y b e c o m e1 h em a i nq u e s t i o ni nl o wi n t a a s i t yb 瑚瞳ep l o c c s s i nt h i sp a p e r , t h ee l e c t r i cv e l a i c l er e g e n e r a t i v eb r a k i n g ss m l c t u r ea n dt h e i n i n e i p l eo fw o r k 躺s u m m a r i z e da tf a s t , s o 躺t h er e s t r i e t i o mw h i e l aa f f e c tt h e r e g e n e r a t i v eb r a k i n go fe v a t t e r 眦t h ee l e e l r i ev e l a i c l em o d e l i sa n a l y z e d ，w l a i e l a p r o v i d e sf o u n d a t i o nf o ra n a l y s i ss y s t e mp e r f o r m a n c ea n dc o n t r o ls t r a t e g y e l e c t r i cv e h i c l ei n d u c t i o nm o t o r sa l - eu s u a l l yc h a r a c t e r i z e db yt h e i rl o w m a g n e t i z i n gi n d u c t a n c e , w h i e l ac 孤s 髓s i g n i f i c a n ta m o u n to fi r o nl o s s c l a s s i c a l v e c t o rc o n t r o lh a sp o o l e f f i c i e n c yu n d e rt i g h tl o a ds i n c ei ts t i l la d o p t st h ec o n s t a n t m a g n e t i cf l u xc o n t r o l 岫d 盯l o wb l a k et o r q t 塘r e q u e s t r l a r o u g ht h ea n a l y s i so f t y p i c a l , t t i v i n gc y c l e 骶d i s c u s st h eo p c m t l i o ne h a r a c t e r i 础so fc l e c t r i cm o t o ri nb | 妇p r o c e s s t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ei n d u c t i o nm o t o ri n1 3 s y n c h r o n o u s l yr o t a t i n gf l a m e c o m i d e f i n gi r o nl o s s e si s 叫h s h e d ，o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d 吲c o n v e r s i o n o f r o t o rf l u xo r i e n t e de o n u o l l e di n d u c t i o nm o t o ri nb r a k ep r o c e s sa 聆c t i s e l m e d , t h e n f o l l o w e db y8 l y i n gt h ee x p r e s s i o no fi n d u c t i o nm o t o rl o s s e s , ah i 曲e f f i c i e n c y r e g e n c r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nl o s sm o d e l i sp r o p o s e d t h ec o n t r o l s t r a t e g yr e d i s t r i b u t e st h em a g n e t i z i n gc u r r e n ta n dt o r q u ec u l r e n ta c c o r d i n gt os p e e d a n db r a k et o r q u er e q u e s t , w h i e l ac ml i n t , r o v et h ee f l i e i e n e yb yf i n d i n gt h eb a l a n c e b e t w e e ni n d u c t i o nm o t o r sc o p p e i rl o s s e sa n di r o nl o s s e s t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s t h a tt l a e r ci so b v i o u si m p r o v e m e n ti nr e c y c l i n ge t t i e i e n e yo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n g i i i 山东大学硕士学位论文 e n e r g y , w h i c hc o n 丘肋st h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g y t h ee n e r g ys a v i n gr e s u l t i sr e m a r k a b l e e s p e c i a l l yf o rt h ev e h i c l et h a tm a “yr u n si nu r b a na r e 国j i a tt h ee n d , t h ep a p e rd i s c u s s e st h eb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o ns l r a t e g yo f e l e c t r i cv e h i c l es i m u l a t i o ns o f l w 甜ea d v i s 0 i lt a k i n gt h ef r o n tw h e e ld r i v i n g e l e c t r i cv e h i c l ea sa ne x a m p l e , af u z z yd i s t r i b u t i o ns t r a t e g yi sp r o p o s e d o nt h eo n e h a n d , t h es t r a t e g ya s s i g n st h eb r a k i n gf o r c et ot h ed r i v i n gw h e e la sm u c ha sp o s s i b l e w i t ht h ew h e e ln o tb e i n gl o c k e d , o nt h eo t h e rh a n d , u n d e rt h eg u a r a n t e et h ev e h i c l e h a se n o u g hb r a k i n gi n t e n s i t ya n ds a f e t y , t h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gi sp r e f e r r e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e r ei so b v i o u si m p r o v e m e n ti nr e c y c l i n ge f f i c i e n c yo f r e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g y , w h i c hc o n 触st h ev a l i d i t yo f t h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y t h es t r a t e g yp r o v i d e saw a yt oe m t a n c et h ee l e c t r i cv e h i c l ep r o p u l s i o ns y s t e m e f 五c i e n c y , w h i c hc a l l 眦t h el i m i t e de n e r g yt ol e n g t h e nt h ee l e c t r i cw 缸d 铭t r a v e l d i s t a n c ee f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e 饵v ) ； e f 五c i e n c yo p t i m i z a t i o n ；f u z z yc o n t r o l i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：拙酞 日期：塑显坠塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者躲避导师签名砀蹈翔：坐印 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 汽车发明一个多世纪以来，为人类文明做出了巨大贡献，已成为人们生产 和生活中不可缺少的交通运输工具。汽车工业在当代世界经济活动中发挥了巨 大的作用，给人们带来了大量的就业机会，带来了巨额财富，带来了舒适与繁 荣。汽车工业也已成为当今世界最庞大、最重要的工业部门之一，是世界主要 工业化国家的支柱产业【。然而，科学技术是一把双刃剑，在推动人类社会向 前发展及给人类带来便利和经济利益的同时，也产生了很大的负面影响，比如 汽车消耗大量的石油资源、排放大量废气、制造噪音和严重污染环境等等。在 传统能源日益紧张、环境问题日趋国际化的背景下，如何实现行业的可持续发 展，已经成为现代汽车行业的最大课题。融多项高新技术于一体的电动汽车具 有无排放污染、噪声低，运行成本低等优点，在节能和环保方面具有不可比拟 的优势，正在引发一场世晃汽车工业革命 2 - f 1 在这种情况下，电动汽车的研究 与开发引起了世界各国的广泛关注 近1 0 年来，日本、美国和欧洲的一些国家已投入超过1 0 0 亿美元的资金， 并且以每年不少于l o 亿美元的力度继续开发各大汽车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，并在技术上取得了一些重大成果和进展。1 9 9 7 年丰田公司推出世界上首辆 商品化的混合动力轿车p r i m ，并陆续在日本本土、欧洲及美国市场取得了成功。 在2 0 0 3 年纽约国际汽车展上，丰田公司展出了技术更为成熟的，采用第二代丰 田混和动力系统( t o y o t ah y b r i ds y s t e m , t h si i ) 的混和动力轿车p r i u s2 0 0 4 ， 并于2 0 0 5 年1 2 月开始，在长春一汽丰田合资工厂生产国产丰田p r i u s 。据( a u t o b l o g ) ( 2 0 0 6 年6 月) 报道，截至2 0 0 6 年4 月，全球共累计销售5 0 4 7 0 0 辆p r i u s 车型 1 7 1 。在日本，除丰田公司外，本田和日产也分别推出了各自商品化混和动 力轿车i n s i g h t 和t i n o i s - 。美国在1 9 9 3 年由能源部和三大汽车公司牵头成立了 “新一代汽车伙伴关系( p n g v ) ”0 1 ，开展高效节能电动汽车的研究，比较 有代表性的是通用汽车公司的电动汽车e v l 、福特公司的e s c a p e 混和动力型 山东大学硕士学位论文 s u v 和戴姆勒一克莱斯勒公司的n e c a r 5 。在欧洲，雪铁龙公司、菲亚特汽车 公司、雷诺公司等汽车厂商都争先恐后地推出了本公司研制的电动汽车。各个 汽车制造商在不断推动电动汽车技术发展的同时，也使电动汽车这一产业商业 化。 随着我国政府对建设节约型社会的倡导，发展节能环保汽车已成为我国汽 车产业技术创新的重要方向和实现可持续发展的必然选择。我国在“八五”和 “九五”期间都有计划的开展了电动汽车关键技术开发和整车研制；经过。十 五”期间的迅速发展，我国的电动汽车研发能力迅速提升。我国8 6 3 计划“十五” 电动汽车重大专项确立了“三纵三横”的研发布局，即以燃料电池汽车、混合 动力汽车、纯电动汽车为“三纵”，以多能源动力总成控制、驱动电机、动力 蓄电池及燃料电池等关键零部件为“三横”，全面推动电动汽车整车开发和关 键零部件核心竞争力的提升”2 ) ( 1 3 1 。电动汽车专项是一个庞大的工程，于2 0 0 1 年 正式启动，目前，在北京、天津、上海、大连已分别建立起包括电动汽车动力 蓄电池、驱动电机、燃料电池发动机在内的6 个检测基地和试验平台；在北京、 武汉、天津、威海等几个城市开展电动汽车商业化试验示范运营，试验运行电 动汽车超过6 0 辆。涉及大型汽车企业和相关企业、高等院校和科研院所2 0 0 多家， 直接参加电动汽车专项研发的科技人员3 3 0 0 j l , ，申请了超过5 2 0 项国内外专利， 并已研制出部分样车。北京理工大学联合有关企业研发的4 种车型4 0 辆电动客 车，已投入到北京市公交车系统运行；天津清源电动车辆股份有限公司与天汽 集团等单位联合研发的纯电动轿车已出口美国；由同济大学牵头研发的燃料电 池轿车节能效果十分显著；由清华大学牵头研发的燃料电池客车，主要技术指 标均达到国际先进水平。我国的混合动力汽车也初步具备了产业化条件，东风 电动车辆股份有限公司自主研发的2 0 辆混合动力公交客车已经在武汉累计运行 了4 0 多万公里，载客8 6 万人次；一汽集团研发的混合动力客车产品车也已下线， 具备了小批量生产能力。我国在电动汽车领域的核心产品和新兴产业竞争力已 有效提升 随着2 0 0 8 年北京奥运会的临近，与世界脉搏接轨的“绿色”、“环保”正 在迅速的深入人心我们相信，在这一段奔向绿色未来的里程中，电动汽车必 将获得更为广阔的发展前景。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 课题的实用价值与理论意义 我国是一个能源短缺的国家，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，续驶里程不足仍然是制约电动汽车商业化发展的主要瓶颈1 1 1 7 1 ， 为了解决这个问题，一方面必须开发能量密度高的电池；另一方面，必须极大 限度地提高驱动系统的效率，有效地利用有限的能量 近年来，电池技术在飞速发展，如铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电池、飞轮 电池以及锌一空气电池等，性能也不断提高但距离高性能、低价格的要求还 有很大差距【1 5 l 【垧。因此，合理的利用电机的再生制动，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 电动汽车的一次充电续驶里程。根据美国电力科学研究院( e p r i ) 对在美国几 个城市中的电动汽车实际运行所作的统计数据表明，对于在这些城市中频繁起、 停的公交电动汽车，再生制动给动力蓄电池组补充的能量，能使它的续驶里程 增加1 0 2 0 t 1 7 】，因此在现有的情况下，对电动汽车再生制动进行研究是一 项非常有意义的工作。表1 1 所示为i n s i g h t 和p r i u s 车在u d d s 、1 0 1 5 、e c e - e u d c 和e c e 循环工况下的能量回收率1 1 8 ，从表中可以看出，这两款车的能量回收水 平比较高，并且回收能力大致相同。 表1 - 1h s j 啦t 和p r i u 车的能量回收率 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，在 电动汽车下坡时，将车辆的制动，减速能量回收储存起来，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【1 9 l1 2 0 因此，对电动汽车的再生制动，如果采取 合理的控制策略，对电动汽车减速、制动时的能量进行回收利用，将产生非常 3 山东大学硕士学位论文 可观的经济和社会效益。 1 3 国内外在电动汽车再生制动领域的研究现状 上世纪八十年代至今，现代电力电子、微电子、新材料技术和计算机技术 的迅速发展，为电动汽车的开发研制提供了良好的条件当前电动汽车的研究 集中于蓄电池及其检测管理技术，电机驱动技术，整车系统集成控制技术，充 电技术和车体的优化改进其中，驱动电机系统的选型，驱动方式的确定，驱 动电机系统高效率、高性能指标的实现，再生制动和能量回馈的实现，整车的 行驶驱动控制策略是电动汽车系统实现必须面临的关键问题【2 1 l 瞄】。 再生制动这项技术最早应用于电力机车，在机车减速时回收制动能量。而 再生制动应用于汽车开始于上世纪6 0 年代，汽车设计者们注意到了电动机车应 用再生制动技术后显著的节能效果，就尝试在直流电机驱动的电动汽车上应用 再生制动系统，并获得了成功。但由于当时电动汽车的关键技7 卜电池技术 一直没有突破，再生制动这个电动汽车的独有技术一直发展缓慢。 到了上个世纪8 0 年代，随着混和动力汽车成为下一代节能汽车的发展方 向，再生制动这项技术又得到了人们的重视。但在那时，再生制动技术并不完 善还存在很多问题，汽车能回收的制动能量很有限和汽车制动时可以明显感觉 到制动力的不均匀性是再生制动技术的两大缺陷】。 进入2 1 世纪后，各国加快了对电动汽车的开发进程，对再生制动能量回 收的研究更加深入丰田公司的p r i u s 和本田公司的i n s i g h t ，戴姆勒一克莱斯勒 公司的e s x 3 ，福特公司的p r o d i g y ，日产公司的t i n o ，通用公司的p r e c e p t 等都 是具有代表性的车型渊，他们普遍采用了更加有效的控制策略，制动系统的设 计也有了长足的进步其中，p r i m 车采用的e c b 制动系统功能非常完善，能 够实现四轮单独控制【2 5 】；i n s i g h t 车采用的e s p 系统同时也集成了多种控制技术， 可实现制动能量回收、车轮防抱死和防加速打滑控制等功能；e s x 3 车采用的制 动系统兼容了制动能量回收和a b s 两种功能，该系统被称为能量可回收式a b s 系统；福特公司的p r o d i g y 、日产公司的t i n o 和通用公司的p r e c e p t 车均为新研 制出的电动汽车，它们的制动系统也都集成了很多功能，如制动能量回收以及 车轮防抱死控制等。 山东大学硕士学位论文 目前在有关制动能量回收的研究中，制动力分配是制动能量回收控制策略 研究中的关键问题，其设计目标为提高能量回收率和优化驾驶员感受嘲 s r c i k 锄e k 刚和k + e b a i l e y 【2 7 1 认为，加大电机制动力的分配比例将有利于提高 整车的能量回收率。y h n i no a o ，a s a k a t 2 8 l 嗍和h o o ny e o 1 明分别发表了各自设 计的制动能量回收系统以及相应的前、后轮制动力分配模型。m i ng a o 提出了 两种前、后轮制动力分配策略。第一种制动力分配策略可获得较大的能量回收 率，并且也可保证车辆的制动性能；另一种制动力分配策略可使前、后轮远离 抱死区域，从而使汽车的制动性能更加可靠，同时能获得一定的能量回收率。 但是第一种制动力分配策略在特定的路面附着系数以及车辆制动强度下，制动 力分配点可能出现在j r 曲线以外，从而导致前、后轮不同时抱死；第二种制动 力分配策略不能最大限度地回收制动能量，原因是没有充分利用前轮的附着能 力来对车辆进行制动。h o o ny e o 采用，曲线作为前、后轮制动力分配策略。但 是该分配策略加大了后制动器制动力，减小了电机制动力，从而降低了能量回 收率，增大了前轮或后轮抱死的可能性 y i m i ng a o 和m e h “l a de h s a n i 2 9 1 发表了关于制动能量回收系统的研究成果。 这些成果表明：通过精确设计电机制动力门限值，制动能量回收系统与a b s 系 统可兼容工作。他们还提出了一套区分常规制动与紧急制动的制动力分配逻辑， 通过调节电机制动转矩和制动器制动转矩来实现车轮的防抱死控制与电机回馈 能量。但是利用软件来区分制动能量回收与紧急制动，增加了软件开发的难度； 制动能量回收系统与a b s 系统对同一个门限参数做出判断，因而当车轮抱死时， 两套系统需要切换工作，从而增大了系统出错的可能性。 此外，电动汽车感应电机效率优化控制已经引起国内外学者的广泛关注 1 3 0 - 3 2 1 ，现有的方法大致分为四种类型：基于简单状态变量的效率优化控制；基 予搜索法的效率优化控制；基于电机损耗模型的效率优化控制以及以上几种方 法结合的基于混和控制器的优化控制【3 3 ( 3 4 1 。而电动汽车制动过程中发电机的效 率优化问题仍未引起足够重视。电动汽车制动时从车轮到电池，能量受传动机 构及整个电驱动系统的效率所限逐级递减，运行于发电状态的电机效率是整个 电驱动效率中的重要环节目前的文献中，关于再生制动时电机效率的探讨仅 限于电流与转矩关系相对简单的直流电机，而电动汽车常用的感应电机在制动 5 山东大学硕士学位论文 时的效率问题却鲜有研究，有待于我们进一步探讨。 1 4 本文主要工作与研究内容 本文主要研究电动汽车制动能量高效回收利用技术，在分析已有研究成果 的基础上，对电动汽车用感应电机的能量回馈系统进行全面分析，结合电动汽 车感应电机模型和效率优化理论，探讨如何合理高效的回收再生制动能量；并 运用模糊控制算法合理的分配机械制动和再生制动之间的关系，协调二者的比 例分配。对运用此两种控制策略后的电动汽车的动静态特性进行分析，验证本 文提出的效率优化策略和模糊制动力分配策略均提高了电动汽车的能量回收 率，延长了车辆一次充电的行驶里程 全文共分为六章： 第一章介绍课题的研究背景、实用价值与理论意义，同时介绍目前国内外 电动汽车再生制动的研究现状和本论文研究的主要内容 第二章介绍电动汽车制动的基础知识，包括再生制动系统的结构，能量再 生系统的工作原理及影响再生制动的因素。 第三章主要对电动汽车系统相关的数学模型进行分析研究。主要分析研究 电动汽车行驶动力学模型、电动汽车电机驱动系统和蓄电池组的数学模型。 第四章对电动汽车制动过程中电机发电效率优化控制策略进行研究，提出 基于损耗模型的效率优化控制策略，并对设计的效率优化策略进行仿真分析， 验证其有效性。 第五章主要研究电动汽车制动力分配控制策略，分析了a d v i s o r 中制动 力分配策略的不足，提出一种基于模糊控制的制动力分配策略，并建立相应的 分配模型并与a d v i s o r 制动力分配策略进行比较，以验证本文提出的模糊 控制策略的有效性 第六章总结全文并提出需要进一步研究的方向 6 山东大学硕士学位论文 第二章电动汽车再生制动的基础知识 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，存储在能量存储装置中，最终增加电动汽车的续驶里程。 本章旨在介绍电动汽车再生制动的基础知识。首先介绍了电动汽车再生制 动系统的结构，然后阐述了再生制动的工作原理与影响因素，最后简要分析了 电动汽车的制动模式，为后文制定控制策略奠定基础。 2 1 再生制动系统的结构 电动汽车的制动装置同传统燃油汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的， 通常由制动器及其操纵装置组成在电动汽车上，一般还有再生制动装置，它 可以利用驱动电机的控制电路实现电机的发电运行，使减速制动时的能量回馈 给蓄电池充电，从而得到再生利用。再生液( 气) 压混合制动系统是电动汽 车所独有的，燃油汽车没有。再生制动与液( 气) 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【3 5 l ： ( 1 ) 为了使驾驶员在制动时有平顺感，液( 气) 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，再 生制动的控制不应引起制动踏板的冲击，不会给驾驶员一种不正常的感觉。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 为了提高电动汽车整车的能量回收率，再生制动和机械制动的比例 必须很好的分配。同时，应当考虑电机的发电能力和蓄电池组的充电功率 以再生液压混合制动系统为例介绍其结构，如图2 i 所示嗍。制动回收只 在前轮，前轮的制动力矩大小与电机制动系统产生的再生制动力矩和机械制动 系统产生的摩擦制动力矩有关踩下制动踏板后，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矩再生制动时，再生制动控制模块回收再生制动 能量并回馈到蓄电池中，电动汽车上的a b s 及其控制阀的作用与传统燃油车上 7 山东大学硕士学位论文 的相同，其作用是产生最大的制动力 图2 1 再生一液压混和制动系统的结构 2 2 电动汽车再生制动原理 再生制动又称再生回馈制动，其原理是在制动时将汽车行驶的惯性能量通 过传动系统传递给电机，电机以发电方式工作，电机转子轴上的动能将转变为 电能，此能量经过逆变器的反向二极管回馈到直流侧，为蓄电池充电，实现能 量的再生利用。与此同时，产生的电机制动力矩又可通过传动系统对驱动轮施 加制动，产生制动力册 电机内部将发生以下变化过程【3 3 】：电机转子的旋转速度超过给定频率下的 同步转速，也即超过电机内部同步旋转磁场的转速。造成转子切割磁力线的方 向反向，转子导体上感应电势以及感应电流的方向反向。由于转子电流中的励 磁分量不会发生变化( 电机不可能使励磁电流反向，因为它需要从变频器侧吸 收励磁电流以建立电机内部磁场，维持电机的运转) ，所变化的只是转子电流 中的转矩分量，而转子电流转矩分量的变化又引起了定子电流转矩分量的变化。 其结果是：定子电流的合成量( 即我们平时所说的定子电流) 和电机的转矩反 向，能量由电机侧回馈至变频器直流环节从坐标上看，即电机的机械特性曲 线从第一象限运动到第二象限。 如图2 - 2 所示，曲线，i 为电动汽车行驶时电动机正向电动状态时的特性曲 线，此时电动机的机械特性位于第一象限，速度为露，拖动负载死当电动汽车 山东大学硕士学位论文 需要减速( 制动) 时，控制变频器输出电压、频率下降，电机运行由特性曲线 转为压，由于转速不能突变，运行点由彳转为露此时电磁转矩为负，转速拧高 于同步速疗2 ，电机处于再生制动状态，转速由一( 曰点) 渤降为t o o ( c 德) ，此 时负载转矩仍大于电磁拖动转矩，转速继续下降至d 点运行( 对应图2 - 2 中的曰 点到d 点) 。若此时不再继续减速，则电动机将按照特性曲线，运转，最终将由 再生发电状态返回到电动状态，在d 点稳定运行而若电动汽车继续减速，则电 动机将保持这种再生发电状态，其运行特性也将保持在第二象限，最终将由曰 点到达停车点e 点当频率给定值降为零时，电动机将按照特性曲线后运行沿e 点到d 点，电动汽车停车 j n n l o 、一 、 裼 ，枷 、 - 篷 死 广z ， r 、v 图2 - 2 感应电机发电状态时的特性曲线 再生制动能量回收的优点除可提高能量利用率外，还有减小机械、液压等 制动方式的机械磨损，可实现更加精确的制动控制，以及降低传统汽车制动过 程中因温度升高而产生的制动热衰退现象等。 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，再生制动系统启用，正常减速时，再生制动的力矩通常保持在最大负 荷状态，但由于受到电机发电能力的限制，电动汽车的再生制动力矩通常不能 像传统燃油汽车中的制动系统一样提供足够的制动减速度。同时如果储能装置 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。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。 9 山东大学硕士学位论文 2 3 再生制动的影响因素 在制动过程中，除去空气阻力和行驶阻力消耗掉的能量，我们希望能最大 限度的回收所有能量，然而实际上，并不是所有的制动能量都可以回收。在电 动汽车上，只有驱动轮的制动能量可以沿着与之相连接的驱动轴传送到能量存 储系统，另一部分的制动能量将由车轮上的摩擦制动以热的形式散失掉。同时， 在制动能量回收过程中，能量传递环节和能量存储系统的各部件也将会造成能 量损失。另外一个影响制动能量回收的因素是，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保持不变，超出的这部分能 量就要被摩擦制动系统所吸收 图2 3 所示为再生制动能量传递过程中的损耗示意图，如图所示，在车轮 处可以获得的可再生制动能量沿着传递路线传递时一步步的损耗经过车轮和 半轴，部分能量被摩擦制动和轴承的摩擦和克服转动惯量所消耗，传递到驱动 轮的再生制动能量为制动能量的2 3 左右；另外一小部分能量被变速器和电动 机所损耗；同时，能量存储系统消耗部分能量，只有不到一半的能量被存储在 蓄电池中嗍。 1 0 圈2 - 3 再生制动能量传递过程中的损耗示意图 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， 山东大学硕士学位论文 在分配再生制动和机械制动之间的比例关系时，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， 电机的发电功率越大，可以提供给电池的充电功率也越大，回收的能量也就越 多；另外电机的效率对再生制动能量回收也都有影响，关于这一点，将在第四 章展开讨论。 ( 2 ) 储能装置储能装置是能够储存再生制动能量的装置，主要有蓄电池、 电容器和飞轮等几类，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和充电功率。即发电功率不能大于储能装置允许 充电功率和线路损耗之和，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，对再生制动控制策略的研究也有很多p 9 l 【柚】控制 策略的制定，规定了再生制动和机械制动的比例关系，规定了电池充放电的状 态以及再生制动过程中能量回收的多少。 ( 4 ) 使用环境使用环境包括路况、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；在一定范围内，环境温 度越低，电机和储能装置散热越快，发电和充电的能力就越好；车辆的当前状 态主要是指当前储能装置的状态，储能装置当前的充放电能力不同，能够回收 的再生制动能量就不同 2 4 电动汽车制动模式 电动汽车制动可分为以下三种模式，不同模式应辅以不同的控制策略【4 1 1 1 紧急制动对应于制动加速度大于2 m s z 的过程。出于安全性方面的考 虑应以机械制动为主，电机再生制动仅起辅助作用在急刹车时，可根据初始 速度的不同，由车上a b s 控制提供相应的机械制动力。 山东大学硕士学位论文 2 中轻度制动对应于汽车在正常工况下的制动过程，如遇红灯或者靠站 停车等，可分为减速过程与停止过程电机制动负责减速过程，停止过程由机 械制动完成。 3 汽车长下坡时的制动汽车长下坡一般发生在盘山公路下缓坡时，在制 动力要求不大时，可完全工作于纯再生制动模式。 2 5 本章小结 本章介绍了电动汽车再生制动的基础知识。详细介绍了电动汽车再生制动 系统的结构，以三相感应电机为例阐述了能量再生系统的工作原理。同时着重 分析了电机、储能装置、控制策略和使用环境对制动能量回收的影响，并简要 介绍了电动汽车的制动模式，为制定控制策略提供理论依据。 山东大学硕士学位论文 第三章电动汽车系统的数学模型 电动汽车的使用环境多变，运行条件复杂，车辆的综合性能以其行驶性能、 实用安全性、舒适性、经济性和美观性进行评测，其中以行驶性能最为关键 不同于传统的燃油汽车，纯电动汽车以蓄电池组为能源，以电机系统为驱动装 置，车体与控制管理系统也有区别于传统的燃油汽车。因此，有必要结合车辆 使用的数学模型构造电动汽车系统的数学模型，以此作为电动汽车系统分析与 研究的基础。 本文讨论的电动汽车结构如图3 - 1 所示由发动机前置前轮驱动的燃油汽 车发展而来的，它由电机、蓄电池组、主减速器和变速箱等组成。 图3 - 1 电动汽车动力系统结构示意图 3 1 电动汽车行驶的动力学模型1 4 2 1 3 1 1 汽车的驱动力 在不打滑的条件下，路面对车辆的驱动轮的反作用力r 即是驱动电动汽车 的外力，称为汽车的驱动力 个 只= l( 3 1 ) 。 ， 式中，瓦为作用于驱动轮上的转矩，r 为车轮的半径 对于纯电动汽车来说，作用于车轮上的转矩墟由驱动电机产生并经传动 系传至驱动轮上的。若用表示电动机的输出电磁转矩，谛示变速器的传动比， i o 表示主减速器的传动比，裱示传动系的机械效率，电机输出力矩与传递到驱 动轮的扭矩兀的关系为： 正= 瓦毛，7 t ( 3 - 2 ) 山东大学硕士学位论文 3 1 2 汽车的行驶阻力 汽车在水平的道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力毋和来自 空气的空气阻力凡；在坡道上行驶时，还必须克服坡道阻力最；汽车加速时还 需要克服加速阻力局。因此，汽车行驶的总阻力为 f = e + l + e + 墨( 3 - 3 ) 其中 e - - f m g c o s a e ：三c n 么 e ：，瞎2s in-口(3-4) 巧= 翻害 式中，为滚动阻力系数，m 为汽车质量，口为爬坡角，c d 为风阻系数，a 为车 辆迎风面积，p 为空气密度，为车辆与空气的相对速度。艿为汽车旋转质量换 算系数，占 l 。 3 1 3 附着力 路面对车辆轮胎的切向作用力的极限值称为附着力c ，在硬路面上它与驱 动轮法向反作用力屁成正比，通常写成 乃一= 艺= 疋尹( 3 - 5 ) 式中，妒为附着系数，由路面与轮胎决定。 3 1 4 电动汽车的行驶方程式 根据以上分析，电动汽车的行驶方程式为 e = e + 乓+ 舅+ 墨( 3 - 6 ) 或了r i d 0 7 , = f m g c o s 口+ 三c d 劬；+ m g s i n 口+ 锄害( 3 7 )rz讲 行驶方程式可以很清晰地显示出电动汽车驱动电机的负载状况，即所需的 输出转矩与车辆的质量、车速、加速度、坡度、车辆的形状( 涉及c d 和a 等参 1 4 山东大学硕士学位论文 数) 等因素都有关系。即使是在平坦的道路上匀速行驶，其负载载特性也不是 简单的恒转矩或恒功率加之电动汽车的运行工况复杂，且工作状态的变化是 随机的，这就给其电机驱动系统的控制提出了更高的要求 3 2 电动汽车电机驱动系统的数学模型 电动汽车的电机驱动系统由电机本体和电机驱动器组成 3 2 1 考虑铁损的感应电机在三相静止坐标系下的模型 感应电机的数学模型是个高阶次、非线性、强耦合的多变量系统。在研究 感应电动机的多变量数学模型时，常作如下假设：( 1 ) 忽略空间谐波设三相 绕组对称( 在空间上互差1 2 0 电角度) ，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律 分布；( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的；( 3 ) 忽略铁心损 耗；( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。这些假设给电动机数学模 型的推导和矢量控制策略的实施带来了简便。然而从某种意义上说，以简化后 的电机数学模型为基础推导出来的控制策略，在实际应用时体现出其局限性。 再者，感应电动机的效率优化实际就是寻求电动机运行时本身铜损和铁损的某 种平衡，使电机总损耗实现最小化，而忽略铁损的数学模型是无法用于分析此 问题的。因此，有必要在上述电机模型的基础上将电机的铁损考虑进来 4 3 - 4 6 1 3 211 考虑铁损的感应电机物理模型3 3 】 4 6 1 感应电机的铁损由定予铁损和转子铁损组成，电机正常运行时，转子转速 接近于同步转速，转子内交变电流的频率即滑差频率一般在几赫兹以下，转子 铁损较小，可以将其忽略，即仅考虑感应电机的定子铁损。 不计电机转子的形式，将其等效成绕线转子并折算到定子侧，则折算后的 每相匝数都相等。这样，实际电机绕组就被等效为图3 - 2 所示的考虑铁损的三 相感应电机物理模型。相对通常采用的感应电机模型，它在定子侧增加了三相 铁损等效绕组。 山东大学硕士学位论文 图3 2 考虑铁损的感应电机物理模型 图中，定子三相绕组轴线彳、及c 在空间中的位置是固定的，以a 轴为 参考坐标轴，转子绕组轴线4 、b 、c 随转子以角速度q 旋转，转子口轴和定子 一轴闻的电角度一为空间角位移变量，并规定各绕组电压、电流、磁链的正方 向符合电动机惯例和右手螺旋定则。图中，枞，妇，l c ，鼬啦，蝴，眈， 分别为三相定子绕组、转子绕组和铁损等效绕组的电压瞬时值；“，缶，电， 厶，毛，奄，抽，垃，垴分别为三相定予绕组、转子绕组和铁损等效绕组的电流瞬 时值；并设吮，蛐，忱，蛳，他，约分别为三相定子绕组、转 子绕组和铁损等效绕组的磁链瞬时值；皿，辟，j 分别为定子电阻、转子电阻 和铁损绕组的等效电阻。