（光学工程专业论文）纯电动汽车再生制动控制策略与仿真研究.pdf

武汉理- t 大学硕士学位论文 摘要 伴随当前经济的快速发展，能源和环保问题的压力正日益加大。而汽车在国 民经济发展中起到的作用是至关重要的，可以说没有汽车的帮助，经济的发展是 不可想象的。目前在道路上行驶的汽车基本上都是传统的燃油车，随着石油资源 的日益枯竭及温室效应的凸显，经济环保的新能源车辆的研究已经迅速开展了， 目前研究最多的是混合动力车型，虽然该车与传统车相比，经济性有了明显改善， 但其仍然依赖燃油，而纯电动汽车只需要消耗电能，而电能的来源比较广泛：如 水力发电、风能发电、核能发电、太阳能发电等，随着技术的不断发展，相信未 来二三十年一定可以普及纯电动汽车。 纯电动汽车除了具有节能环保的巨大优势外，也有许多不足：续驶里程短、 电池成本太高、动力性比传统车弱等。本文就是针对续驶里程短的问题，开展了 有助于提高续驶里程的再生制动控制策略与仿真的研究。 再生制动控制策略研究的是如何分配电机再生制动力和传统的摩擦制动力， 在保证制动效能的前提下，还要尽量兼顾驾驶者的制动感觉。目前主要有三种控 制策略：理想制动力、最佳制动能量回收和并联制动能量回收控制策略。基于目 前技术和成本的考虑，本文选择了简单易控制的并联能量回收策略。 文章介绍了再生制动系统的基本结构，电动车用异步电机再生制动的原理和 工作过程，影响再生制动效果的影响因素等。 本文是在已经匹配好动力系统的现有车辆的基础上进行m a t l a b s i m u l i n k 仿 真建模的，其中包括：整车模型、驾驶工况模型、驾驶员模型、主控制器模型、 电机模型、电池模型、变速器模型、驱动桥模型及车辆模型等，而每一模型中又 有若干参数需要设定，通过不断地修改参数值使其更接近真实的车辆，从而提高 了仿真的准确性。 最后，通过实际车辆的e c e 续驶里程试验，验证了实际车辆在选定控制策 略下的再生制动效果，并与仿真结果做了对比。通过试验、积分计算和仿真得到 的能量回收率分别为：1 7 9 、2 4 3 和2 5 4 。 关键词：纯电动汽车，再生制动控制策略，建模仿真，续驶里程，能量回收率 a b s t r a c t w i t ht h ep r o m p td e v e l o p m e n to fp r e s e n te c o n o m y , t h ep r e s s u r eo fe n e r 2 a i l d e n v l r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni s b e c o m i n gl a r g e r a u t o m o b i l ep l a y sa l li m p o r a n tr o l ei n d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , w i t h o u tt h eh e l po fa u t o m o t i v e ，w e c a i ln o t 1 m a g m eh o we c o n o m yw i l lb e a tp r e s e n t ，c a r sw h i c hr u no nm er o a da r et r a d i t i o n a l 0 1 lc a r sm o s t l y ，w i t ho i lb e c o m i n gl e s sa n dl e s s ，a n dh o t h o u s ee f f e c tm o r e o b v i o u s n e we n e r g yc a r sw h i c ha l ee c o n o m i ca n d e n v i r o n m e n t a l l yp r o t e c t i v e 啪b e i n g d e v e l o p e d n o w , w eh a v ed e v e l o p e dm a n y h y b r i dv e h i c l e s ，c o m p a r e dt ot r a m t i o n a l c a r s ，t h e i re c o n o m yi sb e t t e r ，b u t ，t h e ya l s or e l yo no i l p u r ee vj u s tc o n s 啪e s e l e c t f l c i t y ，a l s o ，t h e r ea r em a n yr e s o u r c e so fo b t a i n i n ge l e c t r i c i t y s u c ha sw a t e r p o w e r ，w i n dp o w e r ，n u c l e a re n e r g y ，s o l a r e n e r g ya n ds oo n a l o n gw i t h d e v e l o p m 朗to fe vt e c h n o l o g y ，p e o p l eb e l i e v et h a te v sw i l lb ep o p u l a ri n 觚e n t vo r t i l i r t y y e a r s w i t ht h ee x c e p t i o no fe n e r g y - s a v i n ga n d m a n ys h o r t c o m i n g s ，s u c ha ss h o r to f c r u i s i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i v e ，e va l s oh a s r a n g e ，h i g hp r i c eo fb a t t e r y , w e a k n e s s o 士d y n a m l cp r o p e r t ya n ds oo n - i no r d e rt oi n c r e a s ec r u i s i n gr a n g e ，w ed os o m e r e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g yo f r e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n ds i m u l a t i o n t h es t r a t e g yi sa b o u th o wt od i s t r i b u t ee l e c t r i cm o t o r r e g e l l e f a t i v eb r a k i n gf o r c e a n dt r a d i t i o n a lf r i c t i o nb r a k i n gf o r c e ，w en o to n l ye n s u r eb r a k i n ge f f i c i e n c yb u ta l s o d r i v e sb r a k i n gf e e l i n g n o wt h e r ee x i s tt h r e ec o n t r o ls t r a t e g i e s ：i d e a lb r a k i n b e s t b r n ge n e r g yr e c o v e r y ，p a r a l l e lb r a k i n ge n e r g y r e c o v e r y c o n s i d e r i n gp r e s 铋t t e c 量1 1 1 0 l o g ya n dc o s t ，w ec h o o s ep a r a l l e lb r a k i n ge n e r g yr e c o v e r ys t r a t e g y t h ea r t i c l ei n t r o d u c e sb a s i cs t r u c t u r eo f r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m ，p r i n c i p l e 舭dw 0 kp r o c e s so fa s y n c h r o n o u sm a c h i n e ，a n di n f l u e n c ef a c t o ro fr e g 胁e r a t i v e b r a k i n g t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ni sb a s e do nt h ev e h i c l ew h o s e d y n 锄i cs y s t e mh a s b e e nm a t c h e d ，i n c l u d i n g ：e n t i r ec a r ，d r i v i n gc o n d i t i o n ，d r i v e r ，m a i nc o n t r o l l e r e j e c t r i cm o t o r ，b a t t e r y ，t r a n s m i s s i o n ，d r i v i n ga x l ea n dv e h i c l e m o d e l s ，e v e r ym o d e l h a ss e v e r a ip a r a m e t e r st ob es e t ，w ec a l ld e f i n ev a l u e st o a p p r o a c hr e a lv e h i c l e ，b y t h i sw a y ，w ec a nr a i s ea c c u r a c yo f s i m u l a t i o n a tl a s t ，w ec o n d u c tr e a lv e h i c l e ， t e s to f c r u i s i n gr a n g e ，v a l i d a t i n gr e g e n 吲i v e b r a k i n ge f f e c to ft h ev e h i c l eu n d e rt h ec h o s e ns t r a t e g y ，t h er e s u l tc a i lb ec o m p a r e d t o r e s u l to fs i m u l a t i o n t h er a t eo fe n e r g yr e c o v e r yo f t e s t ，e v a l u a t i o no fi n t e 霄a i sa n d i l 武汉理工大学硕士学位论文 s i m u l a t i o na r e17 9 2 4 3 a n d2 5 4 k e yw o r d s ：p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，c o n t r o ls t r a t e g yo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n g ， m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，c r u i s i n gr a n g e ，r a t eo fe n e r g yr e c o v e r y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 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了谢意。 签名： 鱼! i 邃荔日期：丛也主：1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密自嗽文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕：b 学位论文 第1 章绪论 中国是一个能源短缺国家，随着燃油汽车保有量的急剧增加，能源和环境问 题将会日益严重。国家能源局最近宣称，2 0 0 9 年，中国原油生产1 8 9 亿吨，净 进口原油为1 9 9 亿吨，原油对外依存度首次超过警戒线5 0 ，达到5 1 2 9 。同 时，中国石油进口源和石油运输线相对单一，进一步强化了国家能源安全的风险。 汽车虽然是推动国民经济迅速发展的主要工具，但其也是消耗石油的主要对象。 至2 0 0 9 年底，我国汽车保有量己达7 6 1 9 3 l 万辆，与上年相比，增加1 1 5 2 1 0 万 辆，增长1 7 8 1 。同时汽车尾气的排放也给环境造成了空前压力，最突出的就 是尾气中的c 0 2 所造成的温室效应及其所引发的各种气候灾难。 我国在上世纪九十年代便开始了电动汽车研究。中科院电工所、上海8 1 1 所、 清华大学、武汉理工大学、北京理工大学等单位，在“8 6 3 ”计划和“十五”国家科 技专项等国家项目的推动下，取得了阶段性的研究成果，培养了一支能力较强的 研发队伍，人才储备体系正在日渐完掣1 1 。最近几年，许多科研单位、高等院校 都增加了研发电动汽车的机构和人员，并将电动汽车及相关零部件的研发列为重 点项目，从而为我国电动汽车产业的发展打下了坚实的基础。 近年来，全球汽车工业重心开始向中国市场转移，电动汽车的产业化进程明 显加快。据不完全统计，目前，我国包括比亚迪、上汽、一汽、东风、北汽、奇 瑞、吉利等在内的整车企业超过1 0 0 家，包括一汽、上汽、字通等在内的从事混 合动力客车研制和生产的厂家就有3 0 多家。特别是由于我国电动汽车的制造体 系逐步建立，自主创新能力得到较大提升，国内许多企业已开始涉足与电动汽车 相关的电池、发动机等关键零部件的研制和生产，技术水平与国际先进水平的差 距正在缩小。 当前，国际金融危机还在继续，各国汽车企业的发展都受到很大影响，企业 生存面临的挑战极大。针对这一形势，根据国务院指示，国家发展改革委组织制 定了汽车工业调整和振兴规划，对我国汽车工业发展进行了全面规划部署， 财政部、科技部等部门也制定了节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理 暂行办法，推出了“十城千辆”计划等一系列行动方案，加大了对电动汽车的政 策扶持力度。在此政策的鼓舞下，国内汽车企业纷纷增加对电动汽车及相关零部 件的研发投入，我国电动汽车产业正在进入高速发展的新阶段【2 】。 混合动力电动汽车的研制与应用，虽然在一定程度上缓解了能源和环境的压 力，但是仍然摆脱不了对燃油或替代燃料的依赖，因此只能作为一种过渡车型。 纯电动汽车因其零排放、低噪音、能量利用效率高的巨大优势引起了各国的高度 关注，尽管电动汽车的研究和开发近年来取得了一定的进展，但仍存在一些技术 武汉理工人学硕一 = 学位论文 难题亟待解决： ( 1 ) 一次充电续驶里程较短。目前，车辆充一次电能行驶大约1 5 0 k r n 左右。 ( 2 ) 电池寿命较短、更换率高。一般铅酸电池循环寿命在3 0 0 - - 5 0 0 次，优点 是价格较便宜【3 】。虽然现在最先进的磷酸铁锂动力电池的循环寿命最高达到了 1 0 0 0 次以上，但其价格成本较高，对一般纯电动汽车而言，电池的成本占到整 车成本的1 3 以上，大部分用户很难承受。 1 2 0 1 0 0 8 0 1 升1 3 0 _ 4 0 2 0 0 1 0 0 8 0 鼍1 5 0 比 譬4 0 2 0 0 0 02 0 04 叩6 0 0b 0 01 0 0 0 循环 图1 1 电化学性能循环寿命( 1 c 充放电) 01 叩2 0 0了叩4 叩5 叩5 叨7 0 db d 09 d d1 口叩 循环数 图1 2 电化学性能循环寿命( 阻值、循环数) ( 3 ) 电池充电时间较长。专门的快速充电设施较少且价格昂贵，目前大部分 使用家庭普通充电方式即慢充电，大约需要1 0 小时左右才能充满。 ( 4 ) 电动汽车的动力性能还比较弱，尤其是在加速爬坡的时候，电机控制器 的设计及稳定性能还不够完善，动力电池的能量管理系统复杂，技术还不成熟， 距离实际使用水平还有很大差距。 2 武汉9 1 人学学位论文 1 1 纯电动汽车再生制动的必要性 l 一驱动轿：2 一驱动鞋；3 桔动轴；4 一电机控制器；s 一电池管理器： 忙从动轮：7 动力电池：8 一电动机：9 一离合器：i 叫f 盟齿轮变速器 凹1 3 纯电动汽乍结构简蹦 i * i 日目 匝婴匦 幽1 4 纯电动汽车总结构 引 电动汽1 二的主要构造如下： 纯电动系统构成：电机系统( 含d c d c ) ，减速器，动力电池系统，空调系 统，整车电器，充电机。 整车c a n 网络系统：主控制器，电机控制器，空调控制器，电池控制器， 充电机控制器，仪表。 萨常行驶时，动力电池给电机供给电能驱动车辆前进。减速或制动时，汽车 行驶的动能通过传动系统传递给电机，此时控制电机工作在再生发电状态，给动 一一_ 工一 武汉理t 大学顾士学位论文 力电池充电，实现制动能量的回收利用，可以降低电动汽车的能量损失。同时产 生的电机制动力矩通过传动系统给驱动轮施加制动力，使车辆减速【4 1 。 在城市循环工况下，汽车的平均时速较低、负荷率起伏变化大，需要频繁的 启动和制动( 见表1 1 所示) ，相关研究显示，汽车制动过程中以热能方式消耗 到空气中的能量约占驱动总能量的5 0 左右( 见表1 2 所示) ，如果可以将该部 分损失的能量加以回收利用，毫无疑问，车辆的续驶里程将会得到很大提高。国 外试验证明，具有再生制动( 制动能量回收) 功能的电动汽车的一次充电续驶里 程至少可以增加1 0 3 0 以上1 5 】。 表1 1 武汉、北京市城市公交工况与e c e 工况的对比 工况武汉公交北京长安街北京三环路e c e 工况 最高车速k m h5 59 1 2 28 7 6 05 0 平均车速k m h1 8 2 82 2 6 23 5 3 01 8 7 0 怠速时间比例 2 9 2 6 2 5 4 74 6 l3 0 8 0 加速时间比例 2 2 6 33 1 8 l3 7 5 42 1 5 0 减速时间比例 2 2 7 72 9 2 l3 4 2 41 8 5 0 匀速时间比例2 0 3 41 3 5 l2 3 6 l2 9 2 0 表1 2 典型城市1 ：况i - n 动消耗能量与总能量的对比 ：况 美国u d d s日本1 0 1 5伦敦公交e c e i i 况 驱动能量k j 2 8 2 4 11 8 1 4 2 6 0 53 9 5 制动能量k j 1 3 4 3 29 3 81 7 3 62 0 7 制动能量占百分比4 7 65 1 76 6 65 2 3 1 2 再生制动技术发展现状 1 2 1 国外再生制动技术发展现状 国外研究电动汽车再生制动技术已经超过1 0 年，取得了较明显的进步，不 少理论可以在实车上得到应用。其研究基本集中在车辆城市循环工况下的行驶工 况。 日本 随着电动汽车技术的发展，再生制动技术也将逐日益渐走向实用阶段。丰田 汽车公司开发了混合动力轿车“p r i u s ”的再生制动系统，根据车辆制动过程中的制 动力控制策略，通过控制电液比例调节液压制动力大小，实现再生制动与摩擦制 动的联合控制，使得整车能量利用效率提高2 0 以上同时也可保证制动稳定性。 4 武汉理工大学硕上学位论文 0 4 版“p r i u s ”引进电子伺服制动控制技术，且加强计算机对制动过程中的电动机、 发电机和摩擦制动器的控制，能够更加有效地回收制动时的惯性能量。丰田公司 在混合动力汽车“e s t i m a 弄q b 引入了电控柔性制动系统，并将再生制动嵌入整车动 力控制系统中进行控制，同时采用c v t 控制，进一步提高了再生制动能量回收 率【6 1 。 本田汽车公司开发的i n s i g h t 混合动力轿车，在i s a 电机、液压系统并结合 发动机节气门控制技术的基础上，提出一种双制动力分配系数控制再生制动系 统，实现了车辆制动能量的高效回收。公司还在开发的e v p l u s 纯电动轿车上， 就能量的最大化回收、驾驶员制动感觉以及能量的尽量回收和驾驶员制动感觉兼 顾的三种再生制动目标，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效果，为电动汽车再生制动技术的应 用奠定了基础。 东京r & d 公司在电动汽车上使用超级电容回收制动能量，将电动汽车行驶 里程提高2 0 以上，动力电池的使用寿命也延长了1 5 倍。日本交通公害研究院 对装备蓄电池和超级电容组合储能装置的混合动力汽车的再生制动进行了仿真 和台架试验研究。 美国 福特汽车公司研发的e s c a p e 混合动力车使用了线传电液系列再生制动系统， 线传操控技术以及电子系统和机械制动器代替机械及液压制动系统，把来自驾驶 员的指令转换成信号，以驱动电机实现所需的操作，有效提高了制动能量回收率， 同时对汽车制动方向稳定性和汽车舒适性也有明显的改善。美国天和汽车集团开 发了用于混合动力汽车的再生制动系统，通过防滑控制助力和主动液压助力技 术，在高效回收汽车制动能量的基础上，也提高了汽车的制动稳定性和安全性。 纽约斯卡奈塔第联合大学对重型汽车的回馈制动进行了建模研究，使用飞轮 储能。在设定的城市平均驾驶循环中( 特点是加速减速很快、车辆运行距离短、 停车时间短、整个循环时间是5 6 秒) 进行了定量经济性分析。通过理想制动能 量回馈系统使每辆车的燃油成本从1 2 2 7 0 美元年降低到5 0 3 0 美元年。美国威斯 康星大学n o r m a n h b e a c h l e y 等也较早地开展了再生制动系统的研究。经过几年 的反复实践，他们的工作小组研制出飞轮式、液压式和蓄电池式等三种储能形式 的制动能量再生系统。美国m i c h a h i a n 大学的m i c h a e lp a n a g i o t i d i s ，g e o r g ed e l a g r a 和d e n n i s a s s a n i s 的仿真研究发现，在不降低驾驶员感受的前提下，串联式制动 能量回收系统在多个典型工况下的能量回收效率都可达到2 0 以上，性能比并联 式制动能量回收系统优越地多。美国u n i o n 学院的w i c k s 等建立了车辆在市区循 环工况下的数学模型，研究了再生制动系统的节能效果。美国福特研究所提出了 武汉理工大学硕上学位论文 基于最小附加成本且有效改善制动性能及效率的并联式混合动力汽车的再生制 动系统。 1 2 2 国内再生制动技术发展现状 国内各大企业、科研机构和高等院校，以官、产、学、研四位一体的方式联 合进行攻关，在再生制动的研究方面取得了阶段性的成果，为国内开展再生制动 技术的研究创造了条件。但目前大部分研究都集中在理论分析及实验室验证领 域，技术研究先于市场主流产品，实车应用不多，尚未产业化。 国内电动汽车研究发展速度最近加快了步伐，清华大学、武汉理工大学、重 庆大学和吉林大学等大学与汽车企业合作以电动汽车项目为依托，从许多方面 ( 约束条件、控制策略和算法、制动力分配、仿真、试验系统等) 入手对再生制 动进行了不同深度的探索研究。目前研究对象主要是混合动力公交车，电机功率 ( 相对纯电动汽车) 较小，回收制动能量的能力受到限制。电机再生制动与传统 机械制动主要有两种协调方式：一种是最大限度地回收制动能，通过调节传统制 动系统制动压力，同时让电机最大限度地工作在再生制动发电状态，面临的困难 是系统和控制算法复杂、成本高，短期内无法实现；另一种是在原有液压制动系 统基础上，调节再生制动力来满足整车的制动效能和制动稳定性，优点是操作实 施简单且成本不高，缺点是能量回收率受到一定程度限制【7 】。目前，天津清源电 动车辆有限责任公司的哈飞赛豹纯电动轿车及p l u g - i n 混合动力车都在积极地采 用后一种方式来改善汽车的续驶里程或燃油经济性，相信经过长时间不断地实车 试验与改进，最后一定能达到实用的效果。本文以纯电动轿车为研究对象，在原 有液压系统不变的基础上，深入细节提出自己的具体控制策略。 1 3 典型的再生制动系统 e c o v e h i c l e 再生制动系统： e c o v e h i c l e 是日本国家环境协会研发的一款电动汽车，该车制动系统使用 了传统制动系统不具有的制动压力控制阀单元，单元安装在主缸和前后制动器之 间的液压回路中。同时压力控制阀还包括主缸压力传感器和两个由制动控制器控 制的电磁调节器，如图1 5 所示【引。 6 武汉理工犬学硕上学位论文 图1 5e c o - v e h i c l e 制动控制系统 图1 6e c o - v e h i c l e 制动过科制动力矩变化曲线 压力控制阀单元包含两个阀体且每个阀体能够独立地作用在前后轮制动器 上，同时每个阀体都有一个电磁调节器。利用电磁调节器来控制输出的压力不会 直接输送到轮缸，车上的制动控制器控制输出液压制动力，其制动力矩如图1 6 ( a ) 所示；当电磁调节器不工作时，输出压力等于输入压力，制动力矩如图1 6 ( c ) 所示；这种输入输出特性是连续变化的，作为连续变化的结果，实现了图 1 6 ( b ) 中所示的力矩输出。因此，在e c o v e l l i c l e 的制动系统中，使用压力控 制阀减小液压制动力所占比例。压力控制阀中还有一种补偿制动液损失的机械装 置，它能够在压力出现起伏波动时减轻踏板的振动。制动控制器根据接收的主缸 压力信号做出判断，计算出施加的再生制动力的大小，并将结果以电信号形式发 送给车辆控制器，之后车辆控制器参与到再生制动过程中，同时将结果反馈给制 动控制器。紧接着，制动控制器根据反馈信号决定压力控制阀的调节器应处在什 么位置，从而控制制动压力的大小。 h o n d a e vp l u s 制动控制系统： 7 武汉理i 大学碗l 学位论文 。翱 m 籀 貅勰l - 。、 一m l 斟怂 摹 f 砰二二+ 面蔺 卢石气_ - _ i 目17 丰田e v p l u s 制动控制系统 h o n d a e v p l u s 的制动系统与现在的传统液压( 气压) 制动系统有所区别： ( 1 ) 使用电动真空泵给制动助力器提供动力源。 ( 2 ) 制动过程中将回收能量传递到动力电池中。使用制动e c u 控制真空 泵和补偿阀，同时也用于计算制动过程中所需再生制动力矩的太小。 h o n d ae vp l u s 制动系统如图l7 所示，当驾驶员踩r 制动踏板一定时间后， 电机将以发电方式工作。制动回收的动能经过能量控制单元进入电池，转化为电 能储存起来。在制动中，主缸产生的液压击恸力矩经过补偿阀，补偿阎根据能量 回收制动力矩的大小对液压制动力矩进行相应的调节控制。 1 4 本文主要研究内容 在阐读了大量相关资料的基础上，考虑到再生制动对于提高电动汽车续驶里 程的重要性论述了目前国内外再生制动韵发展现状及典型的再生制动系统。 介绍了再生制动系统的结构，异步电机再生制动时的工作过程，对电机再生 制动功率进行了理论推导计算，分析了影响再生制动效果的众多影响因素这对 再生制动技术的具体实施具有重要的参考价值。 根据实际需要，使用m a t l a b s i m u l i n k 对电动汽车进行了建模仿真研究，为以 后更准确的仿真研究提供了参考。 根据实车在转鼓上的续驶里程试验，分析了实际结果与计算结果，最后与仿 真结果做了对比，并对结果的差异进行了分析比较。 武汉理丁大学硕：卜学位论文 第2 章再生制动系统的结构、原理和影响因素 电动汽车在再生制动过程中将由电机发电得来的电能储存在储能装置中，如 动力电池、超级电容器或超高速飞轮等，进一步延长了电动汽车的续驶里程。当 储能装置已接近充满状态时，车辆控制器将取消再生制动功能，只有常规液压制 动系统提供所需的制动力。目前很多电动汽车都已采用再生一液压制动装置，实 现了驱动能的有效利用并回收部分车辆动能，同时为驾驶员提供常规制动性能 【9 】 0 在车辆减速或踩下制动踏板至停车过程中时，开始启动再生制动功能。正常 减速时，再生制动力矩通常为恒转矩状态；高速巡航时，电机一般工作在恒功率 状态，驱动力矩与驱动电机的转速或者车辆速度成反比关系。即恒功率下驱动电 机的转速越高，再生制动力越小。另一方面，当踩下制动踏板时，驱动电机通常 工作在低速状态。由于在低速时，车辆的动能不足以为驱动电机提供能量来产生 最大的制动力矩，因而再生制动力也会随着车速降低而减小。电动汽车的再生制 动力一般没有传统车辆的制动系统提供的制动力矩大。因此电动汽车同时使用传 统液压制动系统和再生制动系统。在再生制动力已经达到最大值仍不能满足制动 要求时，液压制动开始起作用。 2 1 再生制动系统的结构 电动汽车上也有与传统车辆相同的制动装置，作用都是使车辆减速或停车。 该装置通常包括制动器及其控制系统。而电动汽车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，使减速制动时的动能回馈给动 力电池充电，从而得到再生利用。再生一液压混合制动系统是电动汽车所特有的 装置，发动机车辆没有。再生制动力与液压制动力的协调是最关键的问题，设计 时应当尽量考虑以下要划i u j ： ( 1 ) 为使驾驶员在制动时有适当的平顺感，液压制动力矩应该可以根据再 生制动力矩的变化进行控制( 如果条件许可) ，能够获得驾驶员希望的总力矩。 同时，控制再生制动力矩时不应导致制动踏板的剧烈冲击，不会给驾驶员带来不 正常的感觉。 ( 2 ) 为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，为了防止车辆发生滑移现象，加在前后轮上的最大制动力应小于允许的最 大值。 ( 3 ) 为提高电动汽车整车的能量回收率，在保证再生制动力和机械制动力 9 武汉理工大学碗l 学位论文 合理分配的前提下。同时应考虑电机的最大发电能力和蓄电池组的最大允许充电 功率。 以再生一液压混合制动系统为例介绍其结构，如图2 1 所示。只在前轮上进 行制动能量回收，前轮上的总制动力矩大小等于电机产生的再生制动力矩与机械 制动系统产生的摩擦制动力矩的和。踩f n 动踏板后，电动泵使制动液压力增加 以产生所需的制动力，制动控制器与电机控制器协同工作以确定再生制动力矩和 前后轮上的液压制动力矩大小。在电机再生制动过程中，再生制动控制模块回收 再生制动能量并输送至动力电池中，电动汽车上的a b s 及其控制阀的作用与传 统燃油车上的相同，其作用都是产生尽可能大的制动力】。 幽2 - 1 再生一涟压泄台制动系统的结构 22 电动汽车再生制动原理 电机轴 罗重 幽2 - 2i 乜机结构简图 电机工作在再生制动状态时，其内部将产生以下变化：电机转子的旋转速度 n 超过给定频率下的同步转速n 0 ，即超过电机内部同步旋转磁场的转速，从而引 武汉理t 大学硕十学位论文 起转子切割磁力线的方向反向，导致转子导体上感应电动势以及感应电流的方向 相反【1 2 】。 通常有以下两种方法可以实现转予转速n 大于同步转速i l o ： ( 1 ) 增大转子转速n ，满足n n o 条件。 对电动汽车而言，转子转速对应车速，而在制动时车速是逐渐降低的，因此 该方法不可行。 ( 2 ) 减小同步转速i l o ，满足n n o 条件。 因为同步转速i l o = 6 0 f i p ，所以在保持定子频率乃不变时，增加极对数p ， 则同步转速n o 减小；或保持极对数不变时，减小定子频率力，同步转速n o 也可 减小。通常采用的是后面一种方法即变频控制。 电机再生制动时，转子电流中的励磁分量没有变化( 电机不可能使励磁电流 反向，因为电机需要从变频器侧吸收励磁电流以建立电机内部磁场以维持电机运 转) ，只有转子电流中的转矩分量能发生变化，而转子电流的转矩分量变化又引 起定子电流转矩分量变化，其结果是定子电流的合成量( 即通常所说的定子电流) 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【1 3 】。 图2 - 3 感应电机再生发电时的特性曲线 如图2 3 所示，曲线乃是车辆行驶时电机工作在电动状态时的特性曲线，此 时机械特性曲线位于第一象限，转速为n ，拖动负载t l 。当电动汽车需要减速 ( 制动) 时，控制变频器输出电压，频率下降，电机运行的特性曲线疗转到曲线 尼，因转速不能发生突变，工作点将由a 点转至b 点。这时电磁转矩为负，转速 n 高于同步转速，电机处于再生制动状态，转速由n ( b 点) 沿艿降为1 1 2 0 ( c 点) ， 武汉理t 大学硕上学位论文 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 3 中的 b 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。如果车辆继续减速，则电 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b 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厅运行沿e 点到o 点，电动汽车停车【1 4 j 。 电动汽车刹车时，转子轴上产生制动转矩，同时定子端会建立起电压，若将 定子端连接到蓄电池上，当定子两端电压大于蓄电池电压时，就可以给电池充电。 随着制动的继续，转子的转速逐渐减小，相应地，转子绕组切割同步磁场的速度 也将减小，即转差率的绝对值减小( 转差率在电机发电时为负) ，因此充电电流 也减小。为了尽可能多的回收制动能量，就需要使充电电流保持在较高的水平， 如果减小旋转磁场的频率，由n o = 6 0 3 ) p 可知，则同步磁场的转速也会降低， 使转差率的下降速度不会过快，进而充电电流的下降趋势也将变缓【l 5 1 。 2 3 变频调速器再生能量的产生机理 p 图2 _ 4 泵升电路等值电路 图2 4 为变频器拖动电机工作时泵升电路的等值电路。为说明泵升电压产生 机理，假设电容电压u c 、绕组反电动势e 、电阻r 、电感l 都是常数。可得回路 方程【1 6 1 。 电动状态时： u c - e = 卜等 协， 再生发电状态时： u c + e = 卜等 协2 ， 电动状态时e 和i 方向相反，回路电压为u c e ，若保持i 不变，泵升时间 t 随e 的升高而增大；再生发电状态时e 和i 方向相同，回路电压为u c + e ，在a i 1 2 武汉理t 大学硕l 学位论文 相等的条件下，泵升时间a t 随e 的升高而减少。从能量变化角度看，电动状态 时u c 和e 都吸收电感释放的电能；而再生发电状态时只有u c 吸收能量，它不 仅吸收电感释放的能量，而且也吸收制动时电机产生的电能。如果没有吸收再生 能量的装置，将会引起电容电压升高，升高的该部分电压即为泵升电压。 2 4 再生能量回馈状态下的理论计算 ( 1 ) 惯性体运动能量的计算1 7 】 设n 为旋转体的转速( r r a i n ) ，j 和g d 为旋转体的转动。陨r ( k g m 2 ) ，且g 剃j 则旋转体的运动能量可表示为 = = 三叫等卜去 协3 ) 当转速由n i 降至n 2 ( r r a i n ) 时，要释放的能量为 。去g d ( ，l ；一，l ；) 2 4 ( 2 ) 变频器驱动电机再生制动时的能量计算 再生能量是由电机机械系统的动能转化而来的，表达式为 矿= 彬+ 彬一彬一 ( 2 - 5 ) 式中：= 寺，四为机械系统的动能；形= l i 2 为电机电感中储存的电磁能； 彬= 儿( f ) 彩( f ) 以为机械阻力所消耗的等效电能，吩( f ) 为机械阻力矩函数， 0 缈( f ) 为电机角速度函数；为其他损耗。为方便计算，假设电感中的能量与机 械阻力和其他因素损耗的能量相抵消，即机械系统的动能都转化为再生能量回馈 变频器直流侧，则有： 矽2 2 畦2 壶，西2 去g d ，1 2 ( 2 - 6 ) 所以电机再生发i 乜功率( w ) - p ：d w e ：土g n 力拿 ( 2 7 ) d t3 6 5 ”d f ( 3 ) 制动转矩计算 电机加速时，其运动能量增加；相反，减速时释放运动能量。加速或减速时 所需要的转矩表达式为 m 纠斋阱受嘲 协8 ， 武汉理工大学硕卜学位论文 ( 4 ) 变频器参数设定与制动能力分析 异步电机转速可以表示为 ，z ：6 0 f l ( 1 - s )( 2 9 ) 刀p 其中彳为电机定子频率，s 为转差率，l ，为电机极对数。在变频调速系统中，s 和刀。通常可以看作常数。对式( 2 9 ) 两边分别求导数 象= 罢c - 一s ，鲁 ( 2 枷， 由式( 7 ) 、( 8 ) 和( 1 0 ) ，整理得 p ：6 0 g o n ( 1 一s 1 篮 ( 2 1 1 ) 3 6 5 n f r ：n g o ( 1 - s ) a f ,( 2 1 2 ) 2 h p f p ：1 2 0 n l _ 以 ( 2 1 3 ) 一= 一以 l z l j ， z 。3 6 5 n 9 5 5 其中f 为实际应用中要求的减速时间，西为变频器输出频率的变化量。式( 2 1 1 ) 一( 2 1 3 ) 表达了再生制动时电机发电功率、变频器基本参数、制动转矩相互间 的定量关系。由此可得以下结论【1 8 】： 1 ) 电机制动时回馈能量的大小与系统的转动惯量、机械阻力、转速、电机 绕组电感等因素有关： 2 ) 假定电感中储存的能量能与机械阻力能及各种损耗相抵消，则电机的发 电功率大小由电机的转动惯量g d 、电机转速n 、减速时间r 决定； 3 ) 若变频器的频率变化及减速时间参数确定，则可以求出制动转矩的大小。 所要求的减速时间越短，电机的发电功率越大，提供的制动转矩也越大。同时电 机再生制动时最大发电功率与制动转矩的关系，可由式( 1 3 ) 得到： 去_ 丁( 2 - 1 4 ) 显然，尸凇。与制动转矩丁、电机转速行。成正比； 4 ) 制动转矩的大小与机械系统的转动惯量成正比，与减速时间f 成反比。 2 5 再生制动影响因素分析 在车辆制动过程中，除空气阻力和行驶阻力消耗的惯性能量外，希望能尽量 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 多地回收剩余部分能量，而实际上并不是所有的制动能量都能够回收利用。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电机，经 过电机转换成电能储存到动力电池中，另一部分制动能量将被车轮上的摩擦制动 以热能的形式消耗掉。除此之外，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会导致能量损失。另外一个影响制动能量回收的因素是：再 生制动时，制动能通过电机转化为电能，而电机吸收制动能量的能力依赖于电机 的转速，在其转速范围内制动时，可再生的能量与车速基本成正比。当所需要的 制动能量超过能量回收系统的限值时，电机可以吸收的能量保持不变，超出的这 部分能量被摩擦制动系统消耗掉【1 9 j 。图2 5 所示为再生制动能量传递过程中的损 耗示意图。 图2 5 再生制动能量传递过程中的损耗示意图 ( i ) 电机 电机可以产生的再生制动力越大，在确定机械制动力和再生制动力的比例关 系时，再生制动力所占比例越大，回收的能量也越多；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，提供给动力电池的充电功率也越大， 回收的能量也就越多；另外，电机自身效率、定子转子电阻对再生制动能量回收 也有很大影响。电机及其控制器的温度也应保持在合理范围内，否则也会影响电 机的工作效率，在温度较高情况下，必须考虑给电机及其控制器增加额外的风冷 或水冷措施。 ( 2 ) 动力电池 电机发电功率应小于动力电池允许的充电功率及所有线路损耗之和，充电电 流值不能大于动力电池的最大允许充电电流，频繁制动或下长坡长时间制动时， 都有可能损害动力电池或因传输线路发热过大导致线路烧坏或系统过热等问题。 武汉理t 大学碗l - 学位论立 能否对制动惯性能量进行回收及回收的多少还取决于电池的荷电状态s o c 值和 温度，若制动过程中电池的s o c 值很高( 例如08 5 以一t - ) ，或温度过高( 高于 5 5 c ) ，为保护电池及延长电池使用寿命不能进行制动能量回收或减小充电电 流1 2 0 。 3 m 3 7 3 b 35 曼3 i 掌3 3 3 2 3 1 0 m y 7 0 川 瞢自柱盎( s o c 】 圈2 撕磷酸铁锂动力电池电化学性能一倍章充电特性 根据图2 - 6 可知，充电电流越大，则电池的电h 卜升得就越快，在达到截止 电压3 6 5 v 之前，电池的s o c 值却很难达到较高值。姥然，充电电流过高不利 于电池的持续充电。 4 s 。 3 5 3 0 2 5 12 0 鬟1 6 1 0 5 l 1 誊l 蘸 武汉理t 太学颂+ 学位论史 圈2 电池温度与放电电流( 连续) 关系图 从以上温升曲线看，克放电电流越大，电池温度上升也越快。电池最高温度 会很容易超过合适的工作温度范围，同时为了保证屯池温度的一致性，需要给电 池散热，冷却方式为风冷。由于电池锂电池在低温时充放电性能特别差，所以在 低温时需要给电池加热，通常用硅胶发热线来加热，以提高电池的亢放电性能 2 1 】。 ( 3 ) 控制策略 根据实际使用要求和殴计意图匹配好电机和动力电池及变速机构后，所采用 的制动力控制策略己决定了回收制动能量的多少。控制策略规定丁再生制动力和 机械恸力的大致分配比例关系、电池充放电的状奄( 电