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并联插电式混合动力汽车再生制动系统研究 摘要 再生制动系统是混合动力汽车的关键技术之一 通过在汽车制动或减速时 将汽车的动能进行回收再利用 本文以长丰c s 7p l u g i n 混合动力汽车为研究对 象 对再生制动系统进行了深入的理论分析和仿真研究 首先从多种新能源汽车的结构特点出发 得出并联插电式混合动力汽车在结 构上具有最明显的动力传递优势 节省能源 以满足汽车行驶需要为目标 利用 功率平衡方程对整车的动力参数进行了匹配 选定了本车的主要关键零部件 接 下来 参照汽车理论的知识 对混合动力汽车在制动过程中进行动力学分析 通 过对传统汽车制动过程中的制动力分配方式分析 论述了混合动力汽车制动力分 配控制策略 并与传统比例分配策略进行了分析和比较 得出一种在保证制动安 全前提下 实现能量回收最大化的复合型混合动力制动力分配策略 然后 在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下 利用实验建模法 通过插值查表的 方式建立了发动机的数值模型和电机的数值模型 通过理论建模的方式 利用数 学公式建立起蓄电池和带液力变矩器的c v t 仿真模型 参照a d v i s o r 内嵌的模型 搭建起整车 车轮模型 驾驶员模型和制动力分配模型 驾驶员模型中 用p i 控制器模拟加速信号 用p i d 控制器模拟制动信号 可以很好的跟踪速度变化 最后 对提出的复合型制动力分配策略进行仿真分析 进行在同一附着系数 路面下的不同车速在不同制动强度下制动力分配仿真 结果表明制定的复合型制 动力分配控制策略可以很好的提高再生制动系统的利用效率 进而提高能量回收 效率 对在不同的路面附着系数条件下 汽车在f t p 7 5 循环工况下的制动力分 配以及能量回收效率进行了分析 结果表明在电机能提供充足制动扭矩的前提下 附着系数的提高也能提高能量回收效率 最后 对n e d c 下的能量回收率进行仿 真分析 结果表明能量回收明显 总之 本文分析的结果对研究再生制动系统的 优化与完善奠定了基础 关键词 插电式混合动力汽车 再生制动 参数匹配 控制策略 建模仿真 i l 硕士学位论文 a bs t r a c t r e g e n e r a t i v eb r a k i n gi so n eo ft h ek e ya n da d v a n c e dt e c h n i q u e sf o rh e v w h i c h w i l lr e c o v e ra n dr e u s et h ek i n e t i ce n e r g yw h e nh e vi sb r a k i n go rd e c e l e r a t i n g i nt h i s p a p e r w es e l e c tc h a n g f e n gc s 7p l u g i nh e v f o rt h es t u d ys u b j e c ta n dh a v ead e e p l y t h e o r e t i c a lr e s e a r c h i n g c o n t r o ls t r a t e g ys i m u l a t i o na n ds y s t e ms i m u l a t i o n f i r s t l y b yc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ed i f f e r e n th y b r i d e l e c t r i cv e h i c l es t r u c t u r e sc h a r a c t e r i s t i c s i ts h o w st h a tt h ep a r a l l e lp l u g i nh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l eh a so b v i o u sa d v a n t a g eo ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o na n ds a v i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n t om e e tt h en e e d so ft h ev e h i c l eb a s e do nt h ep o w e r b a l a n c ee q u a t i o n t h ev e h i c l e sd y n a m i cp a r a m e t e r sa r em a t c h e da n dt h ek e yc o m p o n e n t so ft h ev e h i c l e a r es e l e c t e d t h e n a c c o r d i n gt ov e h i c l ed y n a m i ct h e o r y t h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h e v e h i c l ei sp r e s e n t e di nt h eb r a k i n gp r o c e s s t h ec o m p o u n ds t r a t e g i e sf o rb r a k i n gf o r c e d i s t r i b u t i o na n dc o n t r o lo fp h e vw h i c hc a na c h i e v em a x i m u me n e r g yr e c o v e r yw i t ha p r e m i s eo fe n s u r i n gt h eb r a k es a f e t y a r ep r o p o s e da n dc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l v e h i c l e sb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o ns t r a t e g i e s s e c o n d l y t h ee n g i n ea n dt h em o t o rn u m e r i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e db yt h e e x p e r i m e n t a lm o d e l i n g m e t h o di nt h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t b yt h e t h e o r e t i c a lm o d e l i n gm e t h o d t h ew h o l ev e h i c l em o d e la n db a t t e r i e sa n dc v tw i t h f l u i dt o r q u ec o n v e r t e rm o d e l sa r eb u i l tu s i n gm a t h e m a t i c a lf o r m u l a s a c c o r d i n gt ot h e a d v i s o re m b e d d e dr e f e r e n c em o d e l s t h ew h e e lm o d e la n dt h ed r i v e rm o d e la r e e s t a b l i s h e d i nt h ed r i v e rm o d e l t h ev e h i c l es p e e dc a nb et r a c k e dw e l lb ya c c e l e r a t e p ic o n t r o l l e ra n db r a k ep i dc o n t r o l l e r f i n a l l y t h ec o m p o u n ds t r a t e g yf o rb r a k i n gf o r c e d i s t r i b u t i o na n dc o n t r o lo f p h e va r es i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p o u n ds t r a t e g yc a ni m p r o v et h e r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y t h e r e b yi n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo f e n e r g yr e c o v e r y t h e n t h eb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o na n de n e r g yr e c o v e r ye f f i c i e n c ya r e a n a l y z e di nc i r c l e f t p 一7 5u n d e rd i f f i d e n tr o a da d h e s i o nc o e f f i c i e n t a n dt h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n tc a nb ei n c r e a s e dt oi m p r o v et h er e c o v e r y e f f i c i e n c y l a s t l y t h es i m u l a t i o nr e s u l to fc i r c l en e d cs h o w st h a t t h ev e h i c l e s a d v a n t a g ei so b v i o u s i nc o n c l u s i o n t h er e s e a r c hl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rf u r t h e r r e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t i i i 并联插电式混合动力汽车再生制动系统研究 k e y w o r d s p l u g i nh y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e r e g e n e r a t i v eb r a k i n g p a r a m e t e r m a t c h i n g c o n t r o ls t r a t e g y m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n i v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 混合动力汽车的研究背景和意义 传统内燃机汽车在保有量和销量上的不断上升 对环境的影响 石油能源的 需求越来越大 为保证汽车工业的长远发展 需要寻找替代能源或减少汽车燃油 消耗量 节能汽车成为各大汽车厂商的主要研发方向 但由于电池过短的使用寿 命和昂贵的价格 氢气的携带不便等等原因注定了只有可持续回收能量 能继续 使用现有燃料补给设施的混合动力技术将会在现阶段内得到长足的发展 卜3 1 采用 混合动力减少了汽车尾气中二氧化碳和有毒气体如一氧化碳 含氮的氧化物的排 放 十分符合当前国际上提倡的环保理念 在混合动力汽车 h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 简称h e v 上 以汽油发动机为主 要动力和以电机为主要动力的两个动力系统 通过电动机的作用可以将汽车在制 动过程中浪费的能量收集起来 转化为电能 并储存在动力电池组中 从而达到 节省燃料 降低尾气排放的目的 为了既发挥发动机持续时间工作长 动力性较 好的优势 又可以发挥电动机无污染 低噪声的优点 一般混合动力汽车采用排 量较小的内燃机和满足需求功率的电机 与纯电动汽车和传统内燃机汽车相比较 而言 混合动力电动汽车具有低油耗 低排放的较多优势 4 欧洲和日本国家的 汽车生产厂家早就将混合动力系统作为降低油耗和排放的首选技术 并且混合动 力汽车技术在许多方面取得了很大进展 开发出了许多成熟的混合动力汽车车型 有的车型已经进入批量生产并且大量投放欧美和日本市场1 5 由于混合动力技术可以将制动能量回收再利用 可以使能量利用率从传统内 燃机汽车的6 0 一7 0 提高到9 5 以上 混合动力汽车可以节省近一半的汽油 日本丰田公司对p r i u s 的测试结果表明 在1 0 l5 循环工况和l a 4 循环工况中 利用制动能量回收系统能使h e v 的燃油经济性分别提高2 4 和2 0 1 6 可以说 和没有制动能量回收的其他驱动系统车辆相比其优势是异常明显的 因此 为了 提高燃油经济性 混合动力的制动能量回收系统是必要的条件之一 制动能量回 收系统在保证车辆制动效能的条件下 先将车辆制动或减速时的一部分机械能 动 能 转换 或转移 为其他形式的能量 储存于储能器 可以有多种形式 中 同时电 机产生的制动转矩可以使车辆减速制动 当车辆再次启动或加速时 又将储存在 储能器中的能量转换为车辆行驶所需的动能 制动能量回收 既实现了车辆所需 的减速和制动 又能够将摩擦制动能量回收 提高燃油经济性和减少污染物排放 本文研究的再生制动系统是通过发电机和动力电池组共同实现的 7 1 并联插电式混合动力汽车再生制动系统研究 1 1 1 混合动力汽车的定义 国际电工委员会 i e c 电动汽车技术委员会对混合动力汽车的定义为 有多于 一种能量转换器能提供驱动动力的混合型电动汽车 8 也有学者对混合动力汽车 作如下定义 即车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的驱动系统联合组成的 车辆的行驶功率需求由单个驱动系统单独或多个驱动系统共同提供的汽车 混合 动力汽车在控制策略的控制下 使燃料转换装置 电机和动力电池组在驱动工况 下尽可能工作在高效率 低排放区域 在混合动力汽车制动时 可以通过发电机 或电机工作象限的调整回收部分制动能量 从而改善汽车变工况行驶时的燃油经 济性 排放性能 1 1 2h e v 混合动力的分类和特点 1 只有内燃机一种动力源 采用汽油或柴油给汽车提供驱动能量 就是传统内 燃机汽车 如果只有电机一种动力源 同时给汽车提供能量的能量源是动力电池 或者氢燃料电池 则分别为纯电动汽车或纯燃料电池电动汽车 按照动力传动系 的机械连接结构进行分类 主要的分类依据是判定内燃机与车轮是否直接机械联 接 可分为串联式混合动力 并联式混合动力和混联式混合动力三种 按照电机 在整车能量中所占的比例分 混合动力汽车可分为四种 9 l 如图1 1 所示 并联潼禽 一 1q l l 毫 l 比髓蝗 寸睇 孵t 嗣譬 船j 一 竺篓苎池传统率辅 构出髑 一 内燃枫徽浸禽 缸 蝻 p i q i 览 j 砖 垒电动i l 羹 垒惩辩电建车辆 动力嚣i 七饿电机 图1 1 混合动力汽车的分类 1 微混合动力系统 m i c r oh y b r i d s 有时也叫 起一停混合 一该种类型的混 合动力电动汽车依靠电池提供功率的比例很小 而内燃机功率的比例很大 例如 德国戴姆勒公司旗下的 s m a r tf o r t w o 如图1 2 所示 在2 0 0 7 年的法兰克福 车展上出现 并在2 0 0 8 年实现量产 在德国等欧洲国家量产销售 根据戴姆勒公 司提供的数据 s m a r tf o r t w o 的微混装置可节省约8 的油耗 达到百公里4 3 l 的油耗水平 而二氧化碳排放量也从1 1 2 9 k m 降到1 0 3 9 k i n 在经济 低污染等 方面都有出色的表现 微混的特点有 电机仅作为内燃机的起动机 发电机使用 对它管理的控制策略是 如遇到红灯车辆停止 内燃机熄火 并当车辆再次行驶 时 立即重新起动内燃机 当汽车制动时发电 实现能量回收 车辆正常行驶时 仅由内燃机驱动 电机不提供能使车辆行驶的助力作用 根据数据显示 微混合 2 含 瀑 漫 全 一1 上甲 麓 荫 硕士学位论文 动力汽车可实现5 1 5 的节油 图1 2 藏姆勒s m a r tf o r t w o 2 轻度混合动力系统 m i l dh y b r i d s 该类型的混合动力电动汽车相对于微 混来说 依靠电机和电池的比例较大 驱动车辆的两种动力源中电机功率的比例 相对微混有所提高 轻度混合动力汽车的特点有 电机可在汽车行驶时提供辅助 的驱动扭矩 加速助力等功能 同时具有能量回收 发动机启停功能 由于匹配 了功率大一些的电机 内燃机功率可以适当降低一些 根据数据显示 轻度混合 动力汽车的节油可达2 0 2 5 3 全混合动力系统 f u l lh y b r i d s 该类型的混合动力汽车依靠电池能量的 比例更大 与轻混合系统相比 驱动车辆的两种动力源中电机功率的比例也更大 全混的特点有 由于电机功率接近内燃机功率 所以电机和内燃机都可以独立驱 动车辆 在低速 车辆起步和倒车等情况下 车辆可以纯电动行驶 避免内燃机 高油耗的工作区间 具备制动能量回收的功能 例如奥迪q 5h y b r i dq u a t t r o 如 图1 3 所示 该汽车的电动机输出功率为5 4 马力 扭矩可达2 1 0 牛 米 它与发 动机采用直列排列 并联连接的方式形成一个全混合式动力总成 该系统能够实 现1 8 0 k w 功率和4 8 0 牛 米最大扭矩 在正常驾驶情况下 奥迪q 5h y b r i dq u a t t r o 的油耗极低一欧洲标准循环 n e d c 的平均油耗仅6 9 l 1 0 0 公里 并且如果以 二氧化碳排放量计算的话 该数值不超过1 5 9 9 k m 图1 3 奥迪q 5h y b r i dq u a t t r o 4 插电式混合动力系统 p l u g i nh y b r i d s 该类型的结构与全混合系统类似 电机功率比例与纯电动相当 同时电池容量应保证必要的行驶里程 其主要特点 有 纯电动行驶里程比全混合系统长 全电动行驶时的车辆性能与全混合系统相 同 具有接受外部公用电网对车载电池组充电的能力 可改善电厂发电机组效率 并联插电式混合动力汽车再生制动系统研究 消峰填谷缓解供电压力 内燃机功率水平与全混合系统类似 电机功率水平与纯 电动车辆类似 但比全混合系统高 电池容量水平要保证足够的续驶里程 1 2 混合动力汽车再生制动系统的背景及意义 混合动力汽车 h e v 最重要的特性之一就是具有显著回收能量的再生制动 系统 混合动力汽车的电机可以根据道路情况的变化做出对应的改变 在某些情 况 比如制动或滑行时 可以控制为发电机运行 将汽车的动能转化为电能 储 存在动力电池组或飞轮装置中 以便需要的时候再次利用 汽车制动性能是影响 汽车安全性最重要因素之一 传统的汽车采用盘式或鼓式制动器的摩擦来实现制 动 制动效果虽然很好 但摩擦将汽车巨大的动能或位能以热能地方式消耗掉了 造成大量的能量浪费 再生制动系统研究重点就是如何降低传统摩擦制动消耗的 能量 并且最大化的提高能量使用效率 同时保证汽车正常行驶的安全性 l 0 1 以汽车在城市工况下运行为例 由于汽车拥挤 车速较低 制动和起步频繁 汽车发动机产生的能量大部分消耗在了制动摩擦片上 整车能量使用效率很低 并且发动机工作的区间也不是最优的经济性区间 在欧洲n e d c 循环工况下 根 据汽车行驶速度 对制动加速度以及制动能量进行分析 如图1 4 一图1 7 所示 时间 s 图1 4 欧洲n e d c 工况的速度曲线图 j l 一出一 一0 一 一 j l 由 o k 卵it i吼 ii琏1l 晦11 1娅 i 阿杼母 i 门i i 1 u r 一一一一 1 f 一 一一 o2 枷6 o1 o1 2 时间 s 图1 5 加速度曲线图 4 瑚瞄啪 铷 伽瑚 5 1 5 o 5 1 5 佰 o 一 矿堇毯瑷鹰 硕士学位论文 x1 矿 f l j i 1 一 j 8 一 一 一 一 lh 1 j 图1 6 循环工况制动强度图 i 一翥裂雾羹器霪茎i r 7 7 一 一 一一 一 一i o2 400啪嘲 1 o1 烈 町刚i s 图1 7n e d c 工况下汽车的能量消耗变化图 从图1 4 和图1 5 可以看出 在n e d c 工况下汽车的减速工况较多 意味着 利用再生制动系统回收的能量也越多 对于在城市工况运行的汽车来说 带有再 生制动系统的混合动力汽车有着其他类型汽车无法拥有的优势 图1 6 是在整个 循环工况下的制动强度数据图 从图中可以看出 在e c e 城市循环工况内 制动 强度不超过0 1 属于轻制动 所以 在考虑制动安全性的前提下 一般是能让 再生制动扭矩来承担汽车制动任务的 图1 7 是根据循环工况的速度 采用积分 方式计算出的能量消耗量对比图 由图所示 在8 0 0 s 以前 基本属于e c e 循环 工况 制动所造成的能量损失已经达到汽车牵引力总能量的一半 因此回收这部 分被摩擦制动热消耗的能量对提高能源再利用率的意义重大 通过对其他城市工况的能量消耗数据分析 可以得到相似的结论 即城市驱 动工况下 汽车制动消耗的能量占整车牵引产生的有效总能量的3 0 6 0 如 果能有效的回收这部分由制动消耗的能量 将能大大提高整车的能量消耗率 降 低整车的油耗 1 2 1 再生制动系统的原理 再生制动又称电机再生回馈制动 是指在混合动力汽车制动时 汽车的动能 经过车轮 传动轴系统 变速器 电动机 发电机 将能量储存在动力电池组中 在能量回收过程中 通过电流的方向改变电机的工作象限 电机此时可以充当发 侣 住 舛 o o n o o o o o n 鹤飘日錾誉 6 5 3 2 1 o 一3 栅怒 并联插电式混合动力汽车再生制动系统研究 电机使用 为动力电池组充电 实现制动能量的回收 在制动或减速过程中 汽 车的惯性能量作用于前轴 因此前轴由电机驱动的混合动力汽车在制动时 可以 将惯性能量传递给电机 由电机转化为电能 储存在电池组中 以便在汽车加速 时使用 此外 电机在充当发电机发电过程中 产生的电机制动力矩也可以对驱 动轮施加制动 产生制动扭矩 即所谓的再生制动 图1 8 混合动力汽车再生制动时的能量流方向 从图1 8 可以直观的看出 电机驱动轴在制动时 汽车的制动能量是沿着能 量传递的反方向传递 电机为作为发电机工作 为电池组充电 发动机可以通过 离合器的结合和断开 根据道路情况的变化 为电池组充电 相对传统汽车 混合动力汽车能够回收实现再生制动 但不是所有的动能都 可以再生 在e v 或者h e v 上 再生制动只在电机驱动轮上可实现 电机驱动轴 在制动时 汽车的制动能量可以沿着能量传递的反方向传递 为电池组充电 再 生制动可以分担一部分摩擦制动 但不能完全取代摩擦制动 比如没有和电机连 接的车轴就只能使用摩擦制动方式 这是由电机的特殊性所决定的 此外 出于 安全性考虑 摩擦制动也必不可少 首先 单纯的再生制动提供给驾驶者主观上 的制动感觉有别于传统汽车制动时的感觉 容易因为错觉产生安全隐患 其次 在汽车需要紧急制动时 制动强度较大 摩擦制动仍将起到关键性的作用 因此 只有将再生制动与摩擦制动有效结合 实时确定各自的制动力分配比率 才能形 成一个高效安全的制动系统 所以 混合动力汽车的再生制动系统不要和传统的 液压摩擦制动系统相配合 才能实现安全有效的减速制动i l 卜1 2 j 1 2 2 再生制动系统国外研究现状 再生制动系统在国外的发展是伴随着混合动力汽车的发展而发展的 上世纪 8 0 年代 混合动力技术成为解决能源危机的一个主要手段 混合动力汽车成为汽 车节能汽车的发展方向 再生制动技术也f 1 益引起众多学者的注意与研究 国外在再生制动技术上已经进行了大量的实验研究 对于回收能量的储存装 置也发展了多种方案 目前 在市场上的混合动力汽车多以动力电池组作为能量 6 硕士学位论文 回馈吸收装置 但由于电池不可能一次进行大量电能的充放电 为了增加回收效 率 就必须增加电池组的数目 体积和成本 因此 有学者提出采用飞轮 超级 电容或液压储能装置来代替电池组 但均由于某些局限性而未能进入市场化 反 而电池的技术取得了较大的进步 此外 在控制理论上 日本和美国依然走在世 界的前列 日本丰田公司在1 9 9 7 年推出第一款量产的混合动力轿车p r i u s 该车的再生 制动系统是根据汽车在制动过程中的能量控制策略 通过电液比例控制调节液压 制动力以及电机调节制动扭矩 达到两者协调分配的目的 进而提高汽车的燃油 消耗率 同时保证汽车的制动安全性 据有关数据显示 p r i u s 的再生制动系统可 以对整车的燃油消耗率提升达到2 0 以上 1 3 本田汽车公司在其开发的i n s i g h t 混合动力汽车上 采用了一种双制动力分配系数控制的再生制动系统 该系统综 合利用电机系统 液压系统和发动机控制技术 实现了混合动力汽车制动能量的 高效回收 之后 本田公司还在其开发的e vp l u s 纯电动汽车上 基于能量的最 大化回收 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 u d d s 工况下实验数据显示 能量消耗降低2 6 1 4 05 1 克兰菲尔德大学的宰j t e c o n o m o u 等对整车制动系统控制系统进行了优化 并且详细分析了制动强度 地面附着系数对再生制动能量回收效率的影响 提出 了基于最大化提高再生制动能量回收效率的控制策略 美国m i c h a h i a n 大学的 p a n a g i o t i d i s 等建立了并联式混合动力汽车再生制动模型 对再生制动系统的效果 进行了仿真计算以及影响因素分析 t e x a sa m 大学的y i m i ng a o 等提出了混合 动力汽车基于开关磁阻电机制动能量回收的神经网络控制系统 并在行驶循环工 况下进行了能量回收效率的分析 提出的两种前 后轮制动力分配策略 第一种 制动力分配策略是在保证车辆的制动性的前提下获得较大的能量回收率 另一种 制动力分配策略可使前 后轮远离抱死区域 从而使汽车的制动更加可靠 同时 能获得一定的能量回收率 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i 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 此后 又提出了一种综合考虑纯电动汽车 和混合动力汽车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 动系统的混合动力和纯电动汽车的制动系统仿真模型 在不同制动强度下的的仿 真结果显示可实现制动能量回收的最大化 韩国s u n g k y u n k w a nu n i v e r s i t y 的 k o n g y e o nk i m 等针对4 w d 混合动力汽车提出了四轮驱动混合动力汽车制动能量 回收系统制动力分配控制策略 并针对该策略 提出了基于模糊控制的四轮驱动 混合动力汽车制动系统 四轮液压力及a b s 控制 并通过硬件在环仿真 实现了 并联插电式混合动力汽车再生制动系统研究 四轮驱动混合动力汽车制动的综合控制 福特公司和本田公司推出的混合动力款 的e s c a p e 应用了线传电液系列再生制动系统 极大地提高了制动能量回收效率 实验数据表明 这款福特e s c a p e 混合动力车与传统型福特e s c a p e 相比 城际公 路综合燃料经济性提高约5 0 在客车制动能量回收方面 美国纽约州的斯卡奈 塔第联合大学进行了研究 客车采用飞轮储能装置 满载重量达1 2 4 7 4 k g 通过 在城市驾驶循环中进行测试结果显示 理想的再生制动系统可以使每辆车的燃油 消耗成本降低4 0 以上 1 6 2 4 1 国外对于混合动力的研究有很长时间了 在再生制动领域的研究也有很多成 就 很多都已经用在市场上的车型上 并且收到良好的效果 目前 各大汽车厂 商正在大力推出自己的新混合动力汽车 普遍都在整车控制中加入了再生制动系 统 用于提高汽车的能量消耗率 降低油耗 同时增加续驶里程 提高整车的经 济型 1 2 3 国内研究现状 我国由于在内燃机领域本来就处于弱势 一直在追赶欧美日企业 上个世纪 九十年代中期才开始将目光放在新能源汽车上 有关专家对混合动力汽车表示了 极大的关注 并着手开始研发样车 短短十年时光 国内的各大院校和企业共同 合作 在混合动力和纯电动车领域取得了不错的成绩 目前 国内各大汽车厂商 如一汽 东风 上汽 长安以及比亚迪等都做出了自己的混合动力汽车 并大力 将自己的混合动力技术往产业化方向推广 国内的混合动力技术成为汽车研究的 热点并得到国家和政府的支持 从2 0 0 1 年起 新能源汽车研究项目被列入国家 十 五 期间的 8 6 3 电动汽车重大专项 重大科技课题 2 0 0 9 年 国家财政部 科技部 下发 节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法 在1 3 个城市开 展节能与新能源汽车示范推广试点工作 在2 0 1 1 年3 月出台的 十二五 规划纲要 中 中国把新能源汽车列为战略性新兴产业之一 经过多年研发 我国已基本掌 握了混合动力汽车关键零部件和动力系统平台技术 拥有了相关技术标准和测试 能力 开发出一批混合动力汽车产品 实现了小批量的整车生产能力 混合动力 公交车已在多个城市开展了小规模示范应用 此外 在混合动力结构匹配 动力 参数优化 电机控制技术以及电池管理系统方面也取得了很多研究成果 在再生 制动技术研究方面 国内的几个高校和研究院也都在努力进行试验研究 分析提 高能量回收效率的方法 重庆大学的秦大同教授等提出了基于电池电机联合高效优化工作线和电池 s o c 值与制动强度变化制定的c v t 速比控制策略及再生制动控制策略 提高了 电机发电效率 并建立了整车再生制动仿真模型 并通过基于d s p a c e 的再生制 动仿真实验 评价了不同车速 制动强度和档位及单双离合器状态下 再生制动 8 硕十学位论文 系统能量回收的效率的影响因素 2 5 之7 1 西安交通大学的曹秉刚教授等分析目前几 种电动汽车再生制动方式的不足 在防止充电电流过大对电池组造成损害的前提 下 提出了以电池组充电电流为控制对象的再生制动方案 此外 还根据电动汽 车电机反电动势 电池电压 道路情况以及初始车速变化大的情况 设计了电动 汽车再生制动也鲁棒控制器 并在s i m u l i n k 下建立再生制动仿真模型 通过 实验与传统的p i 控制器比较 得到了较好的稳定性 鲁棒性和抗干扰能力 2 引 北京理工大学的林逸教授等 在保证车辆制动性能和制动时的方向稳定性要求的 前提下 研究了电动汽车再生制动力与制动器制动力的分配算法 结合电机的输 出特性 建立电机模型 提出了车辆制动时前后轮制动力分配的控制算法 用在 某电动汽车上进行仿真分析 验证了该控制算法能够充分利用电机的制动转矩 大幅提高制动能量的回收效率 2 9 1 清华大学姚国春等人利用自主开发的c a n 总 线智能模块和嵌入式微计算机主控模块 组成了混合动力电动汽车的再生制动能 量回收控制系统 并运用相应的控制策略设计能量系统控制程序 实现了再生制 动的实车控制p 虽然在混合动力再生制动系统方面 国内学者做了大量的研究 但在整车的 控制和再生制动协调融合方面还有很大不足 致使我们在单个系统研究的很透彻 却没有在整车上有很好的调节控制 下一步需要在以下几个方面继续深入的研究 第一 再生制动系统建模和整车控制系统建模 对汽车制动理论进行深入分析 采用更精确的数学模型搭建更合理和符合实际的模型 第二 再生制动的控制策 略与整车控制策略的匹配 由于再生制动与传统的摩擦制动不属于同一种制动系 统 需要建立一种高效安全的控制方法来合理的分配两者之间的关系 达到既能 保证制动的安全性又可以回收更多的制动时的动能 第三 再生制动系统与整车 的匹配标定 因为影响再生制动系统工作的有很多因素 确定出对提高能量回收 效率影响突出的因素 然后与整车控制系统进行优化匹配 提高整车的动力性与 燃油经济性 1 3 本课题的主要研究内容 本文在国内外在混合动力再生制动技术研究的基础上 主要着重研究插电式 混合动力汽车的动力系统的参数匹配 再生制动系统控制策略方案 整车与再生 制动系统的建模以及循环工况仿真分析 对长丰c s 7 越野车的动力系统进行改装 确定整车的动力性以及电动续驶里程等因素 选择合适的布置方案和相应的动力 系统参数 主要内容有以下几个方面 1 根据整车设计目标 确定所要设计的插电式混合动力汽车c s 7 的结构类 9 并联插电式混合动力汽车再生制动系统研究 型 通过计算 确定包括驱动和能源部件的参数设计和选型 2 根据汽车理论知识 对插电式混合动力汽车的制动过程进行动力学分析 选择制动强度和附着系数研究对象 参照传统汽车制动过程中的制动力分配方法 提出基于安全性和高效能量回收的混合动力汽车的再生制动系统制动力分配策略 和控制方法 3 基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台 通过建立发动机和电机 c v t 变速器 动力电池组以及整车模型 对不同循环工况下的制动情况进行分析 对整车的动 力性以及燃油经济性进行仿真 并与台架试验做对比分析 l o 硕上学位论文 第2 章混合动力汽车的结构与动力参数匹配 2 1 插电式 p l u g i n 混合动力汽车 从上一节的叙述可以看出 p l u g i nh e v 有着其他类型混合动力无法企及的 优点 而且从目前世界各大汽车厂商研发方向看 插电式混合动力 p l u g i nh e v 正越来越多的成为主要的混合动力研究内容 本章将以p l u g i nh e v 为重点 详 细分析他的结构特点 插电式混合动力主要可分为串联式 并联式和混联式三种 结构 3 1 1 其特点在于在传统混合动力汽车的基础上 使用可充电的动力电池组 与传统所不同的只是二者所选择的发动机和电机以及动力电池组的功率 从数值 上说插电式混合动力用发动机功率比传统的小 电机和电池功率比传统混合动力 的大 2 1 1 串联式p l u g i nh e v 串联式p l u g i nh e v 与传统h e v 在结构上是一致的 即汽车的最终驱动转矩 来自电机 其结构如图2 1 所示 发动机 电池组 d c d c 电机 车轮 图2 1 串联式p l u g i nh e v 动力结构图 从图2 1 中可以看出 和驱动轴有机械连接的部件是电机 通过电力驱动电 机旋转 从而驱动车轮行驶 发动机带动发电机为电池组充电 发动机独立工作 于峰值效率区域 发动机功率是以汽车在某一速度下稳定运行所需的功率选定的 当汽车运行工况变化 电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时 由控 制器控制发电机向电池充电 吸收发电机富裕的电能 或使电池向电动机放电 协 助发电机供电 电池组充放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化进 行控制 基于此 串联式p l u g i nh e v 有以下几个优点 1 由于有电池进行驱动 并联插电式混合动力汽车再生制动系统研究 功率 调峰 发动机的功率只需满足汽车在特定运行工况下所需的功率 因此可 选择低排量的发动机 2 发动机只与电机连接 起发电作用 对发动机的转速无 任何要求 发动机功率的选择范围较大 3 发动机的输出需全部转化为电能再转 变为驱动汽车的机械能 所以需要功率足够大的发电机和电动机 要起到良好的 发电机输出功率平衡作用 又要避免电池出现过充电和过放电 就需要较大的电 池容量 4 发动机工始终在其最佳的工作区域内稳定运行 因此 发动机具有良 好的经济性和较低的排放指标 串联式p l u g i nh e v 除了以上4 个方面的有点外 还存在着不足之处 在发 动机和驱动桥之间 通过电力转化 能量经化学能一机械能一电能一化学能一电 能一机械能的转移 最后到达车轮 所以尽管发动机工作在高效区 但由于整车 能量转化率相对较低 节能效果并不明显 2 1 2 并联式p l u g i nh e v 并联式p l u g i nh e v 的特点是电动机与发动机可以单独或联合驱动车辆 其 结构是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车 动力系统机构如图2 2 所 示 电池组 电机 车轮 图2 2 并联式p l u g i nh e v 动力结构图 并联型p l u g i nh e v 动力系统同串联型p l u g i nh e v 动力系统的布置比较起 来 结构相对复杂 适应合适工况的能力也较强 因为汽车可在停止状态下进行 外接充电 增加续驶里程 与串联p l u g i nh e v 动力系统布置不同 并联式布置 保留了发动机与其后续传动 变速器 的机械连接 由电池组提供的动力和原驱动 系统的动力在传动部件处通过动力耦合装置进行动力合成 在四轮驱动下 发动 机和电动机产生的动力可以独立地驱动车轮 并联式结构中 发动机和电机是两 个独立但又相互配合工作的系统 既可实现纯电动行驶和纯内燃机行驶 又可以 在必要的时候实现全混合动力行驶 从复合模式分 可分为转矩复台型 转速复 1 2 硕士学位论文 合型和牵引力复合型 3 2 l 按结构分 可分为单轴式 双轴式和分路式 2 1 3 混联式p l u g i nh e v 混联式p l u g i nh e v 的驱动系统聚集了串联式系统结构的优点又吸收了并联 式系统结构的优点 它是几种类型的混合动力电动汽车中最符合混合动力电动汽 车的能量优化思想的一种结构类型 同时也是最复杂 形式最多样 研究难度最 大的一种结构形式 其基本原理是 发动机发出的功率一部分通过机械传动输送 给驱动桥 另一部分则驱动发电机发电 发电机发出的电能由控制器控制 输送 给电动机或电池组 电动机产生的驱动力矩通过动力耦合装置传递给驱动桥 这 种结构充分发挥了串联式和并联式的优点 将发动机 发电机 电动机等部件进 行更好的优化匹配后 因此更容易实现排放和油耗的控制目标 比较常见的混联 式p l u g i nh e v 的动力系统结构如图2 3 所示 发动机 电池组 d c d c 电机 车轮 图2 3 混联式p l u g i nh e v 动力结构图 2 2 插电式混合动力系统结构方案及参数匹配计算 在城市和市郊道路上 混合动力汽车 h e v 可以很好的降低空气污染和燃 油消耗 插电式混合动力 p l u g i nh e v 有着比普通混合动力更有优势的地方 他配备更大容量的电池储存系统 可以满足在纯电动模式下获得更大的续驶罩程 大大减少了燃油消耗和废气排放 从汽车的使用功能上看 越野车一般在崎岖起伏的山路或者沙漠等条件恶劣 情况下运行 比普通轿车要复杂 设计混合动力越野车必须考虑到汽车行驶功率 需求 而且选择的驱动方式对提高能量利用效率也有很大的影响 全时四驱和随 选四驱是目前四轮驱动上的主要的两种驱动方式 通用汽车公司的一份研究表明 全时四驱会给整车带来1 0 的附加燃油消耗 而随选四驱效率比全时四驱提高约 2 0 3 3 所以本文选取的是随选四驱结构 并以现有c s 7 越野车为基础平台 利 用原车底盘 在经过仔细的计算后选择合适的发动机 考虑到c v t 无级自动变速 并联插电式混合动力汽车再生制动系统研究 器具有速比连续变化 功率大 传动平稳等特性 可实现与发动机最佳匹配 所 以把原手动变速箱改为c v t 无级自动变速箱 前轴由电机驱动 并设计与之匹配 的二级减速器和主减速器 总体布局图如图2 4 所示 图2 4c s 7 p h e v 整车结构原理图 该结构方式可提高整车布置灵活性并使整车运行模式更加丰富 动力强劲 同时 在制动时 采用前电机进行制动能回收 可回收更多的制动能量 从而可 极大提高整车燃油经济性 相对于其他技术方案具有如下技术优势 1 结构相对简单 省去了复杂的机电耦合装置 整车系统可靠性高 2 在制动过程中 发动机是否参与制动是可控的 因而制动能回收效率比 较高 3 采用c v t 无级变速器作为驱动装置 整车系统驱动效率高 4 具有四驱功能 5 功能实现灵活 可实现外接插电功能 2 2 1 动力参数匹配和控制策略 插电式混合动力汽车动力参数匹配的原则是针对给定的车型和控制策略 在 保证车辆纯电动行驶里程和整车动力性的前提下 以经济性为主要目标进行设计 3 4 1 一般对于给定的车型 主要是考虑它的用途和使用情况 满足什么样的需求 起控制策略一般为低速纯电动 高速纯内燃机以及起步加速阻力作用 避免发动 机在高油耗区域工作 动力参数匹配的基本思路是 电机功率及转矩转速范围 电池功率 发动机功率 电池容量 1 4 硕上学位论文 p h e v 能量管理策略需要考虑不同期望电能消耗续驶里程下的能量分配问 题 为了能在每个电能消耗续驶里程内充分利用电网充入能量 可将能量控制分 为两个部分 电量耗尽型 c h a r g ed e p l e t i n g 简称c d 和电量维持型 c h a r g e s u s t a i n i n g 简称c s 能量管理模式 3 5 枷 电量消耗型 c d 在此工况下 要充分使用充入的电能驱动车辆 电池 s o c 在车辆行驶过程中不断的下降 但要考虑到电池的使用最低s o c 以免影响 电池的使用寿命 电量维持型 c s 此工况下 在能量控制策略下 电池组与发动机协同工 作 使电池s o c 值维持在某个固定的范围内 可以有一定的波动 2 2 2 电机的选择 作为混合动力汽车的动力源 电机承担着满足在纯电动工况下的行驶需求任 务 它的主要特征参数选择有三个 电机额定转速 电机最大转速 电 机最大功率已一 1 电机功率的选择 电机功率的选择主要根据蓄电池充满电后车辆在一定循环工况下 通常为城 市路况 纯电动行驶时要求的动力性能进行选择 37 1 最高车速和加速性能是主要 考虑因素 以纯电动最高车速估算电机额定功率 最高车速时无坡度阻力和加速 度阻力 有如下表达式 r 寺 淼矿 蒜n 2 式中 p 一驱动电机的额定功率 k w 珊一整车传动系效率 0 9 m 一整车最大总质量 k g 1 8 0 0 k