电动汽车车轮能量反馈回收检测与控制

毕 业 设 计（论 文）题 目： 电动汽车车轮能量反馈回收检测与控制 （英文）： Detection and control for the electric vehicle energy feedback 院 别： 汽车学院 专 业： 车辆工程 姓 名： 吕娇龙 学 号： 2011095243016 指导教师： 许 铀 日 期： 2015年5月 电动汽车车轮能量反馈回收摘要 传统汽车工业的发展给人类生活带来了方便和快捷的同时，也使环境和能源日趋紧电动汽车由于其零排放、不依赖石油的特点，成为国内外汽车研发的关注点。整车驱动优化控制、能源优化配置以及结构轻量化是目前电动汽车主要的研发方向。与传统汽车不同，电动汽车具有能量回收的特点可以进一步提高电动汽车的续驶里程。因此对电动汽车能量回收控制进行优化设计成为目前电动汽车关键技术之一。 本文以研究电动汽车行驶能量反馈和回馈电流测试为目的，在汽车实验室搭建电动三轮车，对无刷直流电机的能量回馈技术进行了研究。首先分析了电动汽车及其驱动系统的发展历史和现状，对直流电机系统构成进行了分析，详细分析了无刷直流电机的结构特征和运行原理，阐述了无刷直流电机的控制方法；其次对电动车用人力驱动模拟下坡进行能量回馈研究，分析了直流电机能量回馈的基本原理。通过分析电动车电机空转时的能量回馈过程，介绍能量回馈的工作原理；通过采集不同速度下，电机回馈电流数据，分析电动车速度与能量回馈电流之间的关系，从而提出一套关于能量回馈的控制策略，指出不通车速下能量回馈电流与速度之间的优化匹配关系。本实验测试表明，在模拟下坡的情况下所进行的电流采集数据，可以明显直观的显示能量回馈的过程；本文所采用的回馈控制策略对能量回馈过程进行有效控制。最后对实验电动三轮车进行了系统设计，达到能量回收的测试效果。实验结果表明所构建的直流电机控制系统表现出了良好的动态性能和稳定性。 关键词：电动汽车；无刷直流电机；能量反馈；电流检测；控制策略Detection and Control for The Electric Vehicle Energy FeedbackABSTRACT Environment and energy crisis makes the development of electric vehicles is more and more attention. energy feedback with motor of electric vehicle technology can be part of the kinetic energy into electrical energy feedback when the car brake to the battery, thus improve the trip range of electric cars. This paper is to study the electric car driving performance and line continuation mileage for the purpose, in the automotive laboratory building electric tricycle, electric tricycle driven by dc motor of electric energy feedback technology is studied.Electric vehicle and its drive system is firstly analyzed the development of history and the actual state,expounds the control method of dc motor.Second no power in the electric energy under dynamic state feedback was studied, analysis the basic principles of dc motor and energy feedback. On the analysis of the electric car has no power under the dynamic state of energy feedback process, the process is driven by human, thus for energy recovery, under different speed, the corresponding current data, analysis of the data to build a relationship between vehicle speed and current, so as to build a set of control system, the control system adopts the process way to express how much in speed,current control in how much less than a reasonable and reliable.Finally, the experimental system is designed for electric tricycle,achieve energy recovery test result. The experimental results show that the constructed dc motor control system shows good dynamic performance and stability. Key words: The electric car; The motor; Energy feedback; Current detection; The control strategy 30目录1 绪论11.1 课题的目的和意义11.2 电动汽车能量反馈回收技术的发展现状11.2.1 国内发展现状21.2.2 国外发展现状41.3 课题研究的主要内容62 电动汽车基本平台搭建及原理研究82.1 电动汽车供电以及运行流程82.2 能量回馈的结构92.3 永磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理102.3.1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理102.3.2 无刷直流电动机的制动方式112.3.3 永磁无刷直流电机能量回馈制动原理122.4 能量回馈的影响因素142.5 制动模式与能量的分析152.5.1 制动模式152.5.2 能量反馈回收的约束条件162.5.3 能量反馈回收控制算法172.6 本章小结193 能量反馈控制策略研究183.1 能量反馈策略203.1.1 前、后轴制动力理想分配控制策略213.1.2 前、后轴制动力比例分配控制策略213.1.3 最大能量回收控制策略223.2 最优控制策略的再生制动研究223.2.1 最优控制策略的理论研究223.2.2 最佳制动力分配控制策略223.3 本章小结234 系统搭建244.1 小车的搭建244.2能量回馈电流的测试及控制策略的提出274.3本文创新点304.4本章小结315 论文工作总结与展望325.1 论文工作总结325.2 展望32参考文献33致谢35电动汽车车轮能量反馈回收检测与控制11 绪论1.1 课题的目的和意义 课题目的： 本设计拟针对电动汽车采用的无刷直流电机驱动系统，通过了解和分析国内外电动汽车电机驱动能量反馈回收技术发展现状，并对电动汽车电机驱动控制进行分析，设计一套电动汽车电机能量回收驱动系统，并且对能量回收效果进行试验测试。 课题意义： 能源短缺及环境污染的加剧，电动汽车的研发成为目前国内外汽车研发的热点。经研究分析，制动能量回收技术是能够在当前技术条件下显著提高电动汽车续驶里程的关键技术。电动汽车的制动能量反馈回收，是指相对于一般的汽车制动时，储存在汽车上的动能或者是（下坡时）势能只能通过摩擦制动器从而转化为热量散掉；而当有制动能量回收系统时，在电动汽车处于制动状态下，我们通过让电机工作在发电模式为制动提供一定的力矩，同时达到将其一部分动能转化电能存储起来，当电动汽车加速及正常行驶时为电机输出提供能量，达到能量回收再利用的目的。制动能量回收策略是指电动汽车的制动能量回收系统中，让电机上产生的制动力矩与摩擦制动器的制动力矩共同作用的控制方法，在保证制动安全性的同时，通过优化控制策略提高制动能量回收效率。有数据表明，在城市循环工况下，汽车制动消耗的能量占到了整车驱动能量的31%67%。如果通过制动能量回收系统把汽车制动过程中的能量回收，在汽车的下次启动和行驶中利用，可以显著提高电动汽车的续驶里程。一般有制动能量回收功能的电动汽车续驶里程增加15%20%；研究制动能量回收技术对提高电动汽车有着实用性，能促进电动汽车的产业化有十分重要的作用。 本课题的项目是“电动汽车能量反馈回收检测与控制”，是以纯电动三轮车作为研究对象，主要研究电动汽车电机驱动系统制动能量回收系统的控制策略。通过本设计，拟为电动汽车驱动能量策略提供一套可行的方案，同时提高能量回收及再利用的效率，以达到绿色节能的要求。1.2 电动汽车能量反馈回收技术的发展现状 在电动汽车中,由于电机能在发电状态运行,因此当汽车在刹车或者减速的时候都能利用能量转换装置将能量转化为电能进行储存。随着电机控制技术的发展,电池技术的发展,都为电动汽车的再生制动奠定了良好的基础。据最新的数据显示,使用了再生制动技术的电动车,能把整个汽车在刹车和减速的时候消耗能量的15%一18%都回收到电池组中。目前最新的电动汽车行驶记录是德国奔驰公司创造的,一次性行驶了600多公里,主要应用的技术就是再生制动系统,这为电动汽车的发展打下了良好的基础。1.2.1 国内发展现状 在国内，我们很多的企业、高等院校以及科研机构对电动汽车能量反馈回收都会有自己的研究1-4，而且很多已经有所发展和取得了较大的成就。现在，国家对电动汽车有扶持政策，这更使国内各大汽车公司增加了企业内对电动汽车的研发和资金的投入，而且都各自推出了企业品牌的混合电动汽车5、6和纯电动汽车。在电动汽车的蓬勃发展同时，国内各大高校与各大汽车巨头也加紧对制动能量反馈回收进行研究7-9。但相比国外能量回收技术10-13，我国仍处于起步阶段。 根据当前的电动汽车的发展形势，同济大学余卓平、张元才等研究14的是基于有效识别驾驶员的想法与意图，在驾驶员有不同意图的制动状态，汽车能进行不同的复合制动力分配以及控制。在驾驶员的不同制动意图下用cpu识别算法与制动力分配策略的不同，进行可行性和有效性的试验分析，验证了其复合制动系统的应用与基础。 而同济大学的宁国宝、王阳等15则提出了以双轮毂电机作为驱动方式，进行电动汽车的制动总体设计，根据不同需求，提出了电动汽车在复合制动系统下，对前轴和后轴制动力进行分配控制策略，并且分析测试了轮毂电机的特性与其对电动汽车的复合制动性能的的影响，最后的目的是使其前轴、后轴的制动力符合制动力分配策略，再使用非线性优化策略优化复合制动系统的前轴和后轴的制动力分配情况，再对整车及电机外特性情况根据不一样的循环工况进行仿真和优化并进行结果的评估。 江苏大学陈庆樟16-18使用电机再生制动防抱死控制策略的系统模型和液压防抱死制动协调控制策略,实现符合原始纯液压制动系统的制动踏板的稳定特征,对其进行硬件测试。仿真结果和测试结果表明,该模拟电动汽车再生制动系统相关的控制策略能有效地提高汽车的电池寿命,分析了再生制动和液压制动和机械制动和再生制动系统的基本结构之间的协调关系。 山东大学的徐海东9以电动轮驱动的电动汽车为分析目标，提出了基于模糊控制策略的电动轮驱动车辆的再生制动力的分配方案，即保证电动轮驱动车辆的车轮不抱死的稳定制动情况下，将制动力最大化的分配到驱动轮;并且在保证电动轮驱动车辆的制动强度及其安全性能的前提下，使电机的再生制动力最大化。仿真研究结果表明，制动力采用模糊分配策略的电动轮驱动车辆，其制动能量回收率、整车能量利用效率都有较显著的提高。 清华大学罗禹贡19与李蓬等运用最优控制理论针对混合动力车进行分析，并以驾驶员的制动意图和电动车辆的制动能量的回收效率作为设计的指标，建立了制动力分配控制策略的模型，该模型能在0.5秒内辨识驾驶员的制动意图，制动能量回收的能力具有较大的提高。北京理工大学林逸与李玉芳等以“在满足驾驶员的制动性能要求和保证车辆制动稳定性的前提下,最大化的对制动能量进行回收”为原则,对电动车辆的再生制动力与制动器制动力的分配控制策略进行研究,得到电动车辆制动时制动力分配的控制算法,最后针对某电动车辆进行仿真分析。该制动力分配算法对车辆再生制动力和机械制动力的分配规律的制定具有较好的参考。吉林大学王鹏宇20以解放牌的混合动力城市客车为原型，设计了一套先进复式制动系统，该系统可以对制动力进行数值化控制的液压再生复式制动，并在复式制动系统的基础上，按照在保证电动车辆的制动方向稳定性的前提下能尽量的回收制动能量的原则下制定了一套制动力分配策略，并运用仿真平台进行城市循环仿真，仿真结果表明所设计的复式制动系统制动力分配的控制策略具有有效提高制动能量回收，进而进一步提高整车燃油经济性。华南理工大学电动汽车重点实验室设计的再生制动控制系统在EV6600电动汽车上进行了实验，在50kmh的初始车速下，整车系统的能量回收效率达到了103。上海交通大学汽车电子研究所也对电动汽车能量回馈的整车控制进行了研究，并在曙光纯电动轿车上进行了实验分析，在车速高于10kmh时可以实现能量回馈。此外，东风混合动力轿车EQ7200HEV也采用了制动能量回馈技术。 相对于高校的研究21-25，国内的汽车企业也都致力于机电复合制动系统以及电机再生制动技术的研究。但是国内的汽车企业对于该领域的研究还面临着电机再生制动力不便于精准控制、液压管路处于常开状态、制动能量回馈水平不高而电动车辆的机电复合制动系统和电机再生制动技术的开发能力都是有待提高。综上，我们可以发现，国内的各高校、主要的汽车厂商及其科研院所等针对电动车辆的再生制动技术进行了研究，并取得了一定的结果。目前国内对于再生制动系统的研普遍存在着难以准确控制其制动力，较差的制动稳定性，较低的能量回收率等问题；而且大部分都停留在理论分析和建模仿真阶段。1.2.2 国外发展现状在国外，电动汽车热潮的开始阶段，他们便对制动能量回收系统的研究和应用十分重视。对制动能量回收技术的研究已经经历了理论研究、实验室仿真发展到在实际电动汽车中推广应用的过程。在实车应用方面，日本丰田公司在1997年推出了带有制动能量回收系统的混合动力汽车Prius，该汽车搭载HTS-能量回收系统，汽车控制系统实现了液压制动力跟随再生制动变化，合理分配了再生制动与摩擦制动在制动状态下转矩的提供比例，该车在保证制动安全性的前提下，实现了制动能量回收比例达到20%的目标。丰田公司在2001年推出了另一款混合动力汽车Estima，它直接将制动能量回收系统整合到了整车控制系统中。该汽车采用了柔性制动系统，使再生制动力矩与液压制动力的分配更加合理、高效，加上该汽车配备了CVT，使制动力矩的调整更加方便可控，有效地提高了制动能量回收系统的效率。丰田公司在2004年又推出了采用电子伺服控制技术的新款“Prius”混合动力轿车，电子伺服的引入使整车控制系统对摩擦制动力和电机力分配的智能化控制成为了可能，智能化的控制策略有效提高了制动能量回收系统的工作效率。日本本田公司在1999年也推出了使用ISG电机，搭载制动能量回收系统的混合动力汽车Insight，该车在制动控制方面除了将液压制动与电机再生制动结合外，还同时控制了汽车发动机的节气门，在制动力分配方面采用了双制动力分配系数控制策略，提高了制动能量回收系统的回收效率。美国福特公司推出了采用线传控制技术的“Escape”混合动力汽车，在该车的制动能量回收系统中利用机械摩擦制动器和再生制动系统，线传控制系统将驾驶员的操作信息转变为电机的控制信号，它属于另一种电子伺服系统。线传技术的引入也使制动能量回收系统效率得到了提高。福特汽车公司还研发了带制动能量回收系统的燃料电池汽车FOCUS，该款车型能量源由蓄电池组和燃料电池组合而成，汽车的续驶里程达到160-200英里，制动能量回收系统在提升该车续驶里程方面起到了至关重要的作用。日本日产汽车公司在2010年底推出了包含制动能量回收系统的纯电动汽车Leaf（聆风），该车采用再生制动和机械盘式制动的复合制动结构，并计划在全球范围内大规模地推广销售。在制动能量回收平台及试验研究方面，日本本田公司在EV PLUS实验平台的实验条件下，提出了最佳制动能量回收和制动感觉两个方面的再生制动指标化设计方法，通过对两个方面的侧重不同，个性化的制动能量回收控制策略的制定方法得到了实验的验证，制定的多种汽车制动能量回收策略达到了预定的个性化控制效果。日本交通研究所的Ha-yashida等对为混合动力客车的制动能量回收系统建立了仿真实验平台，该混合动力汽车采用了复合电源，在仿真实验的同时，为混合动力再生制动系统建立了实物试验台，并为优化制动能量回收控制策略进行了台架试验。韩国Sungkyunkwan大学研制了用于优化混合动力汽车再生制动力与传统制动力分配策略的HILS系统。该系统通过多个传感器采集混合动力汽车制动状态下的各信号量，为制动力分配提供数据参考。同时设计了专用液压装置实现混合动力汽车前、后轮的制动力分配并更好的与再生制动系统配合，有效地提高了制动能量回收效率。通过以上信息可知，国外在电动汽车及混合动力汽车的制动能量回收技术研究已经取得一定的成绩，许多制动能量回收系统已经走出实验室，在量产的电动、燃料电池和混合动力汽车中得到了应用，并取得了不错的效果。在制动能量回收实车应用方面，日本取得的成绩最为显著。在理论研究方面，再生制动系统控制所研究的关键问题是如何合理的分配摩擦制动力与再生制动力，目标是在保证制动稳定性的前提下最大程度的回收制动能量。美国Union学院的Wicks，建立了再生制动系统的数学模型，结合城市客车在市区的工作特征，分析了客车在增加制动能量回收模块后再的节能效果。Michahian大学的Panagiotidis等在建立了并联混合动力汽车再生制动模型的基础上，对再生制动系统的影响因素进行了讨论，并进行了仿真。韩国Sungkyunkwan大学的Konghyeon Kim等对四轮驱动的混合动力汽车的制动能量回收系统进行了研究，提出了针对四轮驱动的电动汽车的再生制动力与传统摩擦制动力的分配方法，并将模糊控制理论引入到四轮驱动混合动力汽车的控制中，实现了较高的制动能量回收效率。美国Texas A&M大学的Yimin Gao、A.Sakai、Hoon Yeo、Mehrdad等人提出了多种前、后轮制动力分配控制策略，建立了它们的分配模型，提出了一种与ABS系统相结合的制动能量回收系统，该系统将电子制动系统与电机再生制动系统结合，实现了各种条件下的制动能量的最大化回收，并对相应的制动能量回收系统进行了仿真。美国的福特研究所 Ci kanek等设计了可以较显著提高其并联的混合动力车辆的制动效率，并且实现了其成本最低的制动能量回收系统。美国德州农机大学的Ho ngweiG ao等以 HEV 作为研究对象，其再生制动采用自行设计的开关磁阻的电机并采用神经网络控制策略控制能量回收系统，对混合动力车辆的制动能量回收的能力进行了系统的分析与研究。美国密歇根大学 Pa nagiotidis等针对并联混合动力车辆的制动能量回收系统进行研究，得到了不同的参数对并联的混合动力车辆的制动性能的影响。韩国成均馆大学的 Ko nghyeonK i m等针对混合动力四驱车的复合制动力的分配控制策略进行深入的分析和研究，并对混合动力四驱车的复合制动系统的模糊控制方法及其防抱死控制进行了台架的在线仿真。 当前对于制动能量回收的理论研究处在蓬勃发展的阶段，在国外，许多针对制动能量回收系统控制的新方法在不断地被提出来。俄罗斯一直专注于电容车技术和电动车能量回馈的研究，取得了显著效果。德国曼商用车公司、福伊特驱动技术有限公司及西门子汽车科技公司联合开发了使用EPCOS超级电容的柴一电混合动力电动客车，并于 1998年3月首次在德国纽伦堡投入试运行。ISE公司的串联性混合电力动力系统，也采用了电池和超级电容的储能系统，在减速时实现能量回馈。 在现如今的高效动力概念下，新生产设计的电动车辆（如2010年10月上市的奥迪 A3 、2011款宝马3系、2011款Panamera、标致308Hybrid4 等）均配备了再生制动系统，实现制动能量的回收，提高了能量的利用率，从而使其提高了其燃油经济性。目前，全球的零部件厂商如博世、联电等也投入巨资来研究油电的混合制动系统，为电动车辆匹配制动能量回收系统。福特设计的混合动力款 Escape 的采用了集 ABS 与再生制动于一体的制动系统，并且其排放的碳氢化合物和氮氧化合物比国家一级排放标准减少了 97% ，二氧化碳排放量也减少了50% 。在美国环保局的市内行驶循环燃油经济性测评中其百公里油耗仅为5.92-6.77升，与传 统福 特 Escape 相比大约提高了 75%的燃油经济性。1.3 课题研究的主要内容本文对电动汽车用直流电机驱动系统以及能量回馈控制技术展开研究，主要研究内容如下： 1）对直流电机系统构成进行了分析，根据电机基本原理及特点，设计电机能量回馈电路以及绘制电路图。 2）在实验室搭建电动三轮车，对电动三轮车采用直流电机驱动的能量回馈进行研究，使电机满足电机空转时能量回馈功能运作，并进行优化改进。 3）设计电流采集电路。 4）对电机能量回馈进行信息采集，获得电机在能量回馈过程电流变化特性；在不同的速度下，采集相应的电流数据，分析该数据再构建小车速度与电流的相关关系，从而搭建出一套控制系统。 5）采用流程的方式的控制系统来表达在车速多少的时候，电流控制在多少以内比较合理可靠；然后对制动能量进行收集分析。 2 电动汽车基本平台搭建及相关基本原理研究 2.1 电动汽车供电以及运行流程 该小车的供电由动力电池组，正负极继电器，控制器，电机组成，供电电路图如下所示：图2.1 电动汽车电路图 电动汽车供电以及运行流程如下： 1）电动汽车钥匙孔有两档，当打开钥匙孔一档时，负极继电器打开； 2）只有在打开一档后，才可以打开二档； 3）二档打开2s后，正极继电器打开，此时将动力电池组的直流电输入到升压转换器，电流经升压后输入控制器，再输入电机驱动车辆。 4）电动汽车在正常行驶时，动力电池组给电机控制器供电，电机控制器输出UVW三相交流电供电机运转，整车VCU会根据驾驶员当前踩踏加速器的程度确定给电机控制器发送转动扭矩的大小。 5）二档打开后，按下前进档位，向电机控制器发送正转指令，同时根据驾驶员踩踏加速器的程度确定给电机控制器发送的正向转动扭矩的大小，促使车辆前进。 6）二档打开后，按下倒档档位，向电机控制器发送反转指令，同时根据驾驶员踩踏加速器的程度决定给电机控制器发送的反向转动扭矩的大小，促使车辆后退。 7）当电动汽车在前进时若检测到刹车信号，向电机控制器发送零力矩，促使车辆停止加速。 通过再生制动能量回收的方法，可以有效的提高电动汽车能量利用率。制动能量回收系统能够将汽车制动时的动能通过传动系统和电动机来转化为蓄电池的电能存储。 一般来说，电动汽车的制动模式可分为紧急制动、正常制动等2类。 1）紧急制动。紧急制动对应于制动加速度大于2m/s2的过程。从制动时的安全性考虑，紧急制动应以机械摩擦制动为主，电制动同时发挥作用。但由于紧急制动出现的频率较低，且过程持续较短，能够回收利用的能量较少。 2）正常制动。正常制动对应于汽车的正常行驶工况，可分为减速过程与停止过程。电制动负责减速过程，同时再生制动能量；停止过程由机械摩擦制动完成。两种制动的切换点由当前车速确定，掌握好准确的切换点，就能够回收尽可能多的制动能量。 由以上分析可知，若想尽可能提高电动汽车的能量利用率，需在制动过程中尽可能的让电机再生制动力发挥作用，尤其是在正常制动过程。2.2 能量回馈的结构 能量回馈是电动车辆在动能减小时将动能减小的部分转化为电能在加以利用。能量回馈主要是在滑行行驶和制动情况下，通过电机作发电机，将车辆部分多余的动能转化为电能，反向流入电池储存加以利用。包含制动器、电机、电池和控制系统。普通燃油车辆的制动装置包括制动器和控制系统，在液压制动的作用下将动能转化为摩擦能和热能，达到降低车速的目的。而纯电动车制动时通过机械摩擦制动和电制动共同作用，摩擦制动依靠传统的机械制动将动能转化为热能消耗而产生制动效果，而电机制动只能回收驱动轮上的动能。如图2.3所示,当车辆滑行或制动时，进入能量回馈程序，整车控制器根据车辆行驶状况和驾驶要求协调分配摩擦制动和电机制动的比例，并对电机控制器发出能量回馈制动转矩命令，电机由电动状态转化为发电状态，将驱动轮上的动能转化为电能储存在电池中。当在电机制动失效时，只有摩擦制动系统负责车辆制动。摩擦制动系统制动控制器能量回馈命令能量回馈转化为电量储存电机制动系统制动 图2.2 能量回馈系统基本构成图2.3 永磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理2.3.1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理永磁无刷直流电机是近年来随着电力电子器件及新型永磁材料而迅速发展成熟的一种新型电机。永磁无刷直流电机与永磁同步电机的结构相似，定子结构与普通的同步电机及异步电机相同，铁心中嵌放对称多相绕组，绕组可结成星形或三角形；转子采用永磁结构。这种结构的电机根据磁路结构和永磁体的形状不同，其气隙磁场波形可以是方波、梯形波或者正弦波，电机运行时对应的反电势波形也为方波、梯形波以及正弦波。通常，反电势为正弦波的电机叫做永磁同步电机，反电势为方波或梯形波的电机称为永磁无刷直流电机。 如果把电机、逆变器以及转子位置传感器作为一个整体，则逆变器相当于直流电机的换向器，转子位置传感器相当于直流电机的电刷，永磁体代替了原来直流电机的定子励磁绕组以及铁心，两者的区别在于定转子位置互换了。从逆变器直流侧看，电流为直流，因此称为无刷直流电机。无刷直流电机既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便，又具备直流电机那样良好的调速性能而没有机械式换向的优点。由于采用了永磁结构，无刷直流电机没有励磁损耗，比传统的交直流电机体积小、效率高。并且永磁无刷直流电机能够很好地满足电动汽车频繁地起动、加速、制动，故是理想的电动汽车用驱动电机之一。 图2.3 永磁无刷电机图永磁无刷直流电机如图2.3所示，一般由电动机本体(包括定子和转子)、位置传感器笋及电子换向线路三大部分组成。永磁无刷直流电机的工作原理就是，利用电机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁电机转子旋转。同时，随着电机转子的转动，转子位置传感器又不断送出位置信号，以不断的改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变，这样电机就旋转起来了。2.3.2 无刷直流电动机的制动方式 无刷直流电动机的电磁制动方式与拖动系统的电气制动方式一般有能耗制动、反接制动和回馈制动。1）能耗制动原理：制动时电动机将电枢回路与外电源断开，在电枢回路串联一个制动电阻R。使电枢回路经电阻R闭合，使电机处于发电状态，电枢电流改变方向，电磁转矩与驱动时相反，将系统的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上。2）反接制动有两种不同的接线方式:(l)在电动机制动时将电枢电流经反向开关反接,反接电源并串接一制动电阻。使电源电动势与感应磁场所产生的电动势作用方向一致,电流方向与驱动时相反，共同产生电枢电流，电磁转矩与驱动时相反，成为制动转矩。(2)在电动机制动时将电动机励磁电源经反向开关反接，励磁电流反向，此时电枢电压与感应电势方向相同。共同产生电枢电流，电磁转矩与驱动状态相反，变为制动转矩。 两者由动能转换来的电功率以及由电源输入的电功率一起消耗在电枢回路不能反馈电能。但在机械特性上是相同的。3） 回馈制动:将电机电枢驱动电流断开，电枢两端接入一个开关电路，并使其处于高频通断状态。电机具有电感特性，感应电势与感生电流有如下关系: (2.1)式中：为电机电枢的电感量。开关闭合时,由电动机感应电势引起的感应电流经开关形成回路,感应电流为制动电流,即: (2.2)式中:为电枢电阻；为制动限流电阻；为制动电流；为电枢感应电势。开关断开时感应电势迅速上升，直至感应电动势大于电源电动势时，形成反馈电流。实现能量回收，产生制动电流：从而把机械能转化为电能回馈到电池。反馈电流为： (2.3)式中：为电流回馈电路的等效电阻。 能量回馈时的机械特性方程: （2.4）式中，为等效制动电阻，为电枢电阻，为能量回馈的电量，为磁通量。 就电动汽车而言，能量回收时回馈制动所需的三个条件是可以满足的。电机在制动前做电动机运行，磁场已经建立。制动开始的瞬间剩磁存在，定子两端接在蓄电池两端。对电池充电，即把输入的机械能转换为电能。电动汽车制动时，转子轴上产生制动转矩，同时定子端会建立起电压。如果定子端接蓄电池，当定子两端电压大于蓄电池电压时，电池处于充电状态。随着制动的进行，转子的转速减小，相应转子绕组切割同步磁场的速度也减小，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。为了尽量回收制动能量，当然希望充电电流保持在较高的值；如果减小旋转磁场的频率,则同步磁场的转速也会降低，则转差率的下降速度不致很快，从而使充电电流的下降趋势变缓。2.3.3 永磁无刷直流电机能量回馈制动原理从制动的角度来说，只要使电机的电枢电流反向就可以实现。实现电流反向最简单的方法是使电源极性反接，也就是在电机正转过程中，控制逆变器的开关管，通入和电势反相的方波电流。虽然这种方式可以产生制动性质的电磁转矩，但并不能将能量回馈到电源，如果控制不好，还可能使电机反转（在低速时）。电动汽车电气制动显然不能这样简单地采用电源极性反接的方式；电动汽车电气制动具有特殊的要求:由于电池能量有限，因而要求将制动的能量回馈到电池，且要求回馈的效率尽量高；能够有效地控制充电电流的大小，以满足电池特性的要求：能够有效地控制制动转矩的大小，使电动汽车能够很好地控制制动速度的快慢。这里采用了一种称为低速能量回馈制动的电气制动方式。低速能量回馈制动在电机转速低于额定转速时可实现电磁制动，同时向电源回馈能量，这种控制方式制动效果较好，能量回馈效率高，控制方便、安全,是一种良好的电气制动方式。电动汽车在运行中回馈有两种方式。1）下坡时为防止速度过高的制动控制方式。当汽车下坡时带动电机作发电运行，电机三相线电压经各二极管整流后对电池充电，同时电机的力矩对汽车起制动作用。设蓄电池空载端电压为，电动状态下理想空载电机每相电势为。具体分析:电动汽车在平地或上坡时行驶，负载转矩起阻碍作用:下坡时，负载转矩相反，变成帮助电动车往下行驶。在制动转矩和负载转矩的共同作用下，转速加快。到达理想空载转速时，制动转矩为零，但负载转矩小于零，即其与转速方向相同，在负载转矩作用下，电机继续加速，越过理想空载转速继续加速。这时制动转矩反向并逐渐增大，最终达到等于负载转矩数值，电动车恒速下移。从转数大于理想空载转速后，电机过渡到发电状态。近似地认为相电压为正弦波。经过整流后电压向电池充电须，再生制动力矩的产生需要电机转速高于理想空载转速。故增加励磁可控制制动力矩，降低车速。2）驱动电机不超过最高转速时的减速制动控制方式。即低速回馈制动，其目的在于:在电机转速低于空载转速时，把汽车的动能转化为磁能存储在电感中，再通过逆变器作用，汽车的动能及前期存储在电感中的磁能一起转化为电能，通过电感升压作用，向蓄电池回馈能量。同时由于电机电流方向在整个周期内与电动运行时相反，故可得制动性电磁转矩，实现汽车的电气制动。在反电势一定的条件下，调节功率开关器件的占空比，就可以控制充电电流的大小。从低速能量回馈制动的原理可以看出，电机仍然工作在两相导通状态，只是电流方向和原来相反，因而工作在制动状态。同时，低速能量回馈还具有下列特点： （l）可以实现能量的回馈； （2）可以调节PWM占空比,可以控制充电电流以及制动转矩的大小； （3）制动转矩和反电势成比例,当电机转速下降时,制动的作用将减弱； （4）采用这种控制方式产生的转矩只可能为制动性质，也就是说，反电势的方向决定了制动转矩的方向，电机在这种情况下不可能反转。因此，这种低速能量回馈制动的方式适合于电动汽车制动。2.4 能量回馈的影响因素能量回馈的目的是为了回收多余的动能延长车辆的行驶里程，因此要尽可能的多回收能量，但实际上不是所有的能量都是能回收的。在纯电动车，只有驱动轮的动能能沿着驱动轴送至电机，电机将这部分能量转化为电能存储到电池中，其余的能量则以热量的形势消耗。1）电机：电机作为再生制动系统的关键部分，是影响再生制动效率的一个很重要的因素。电机的制动能力越强，则能够提供的制动转矩也就越大，那么在分配再生制动和摩擦制动之间的比例关系时，就可以使再生制动在总制动力中所占的比例尽可能的增大，从而回收更多的制动能量。其次，电机再发电状态下的功率越大，则可以提供给电池的充电功率也越大，回收的能量也就越多。 2）电池：电池的实时充电状态也决定了能否对制动能量进行完全的回收。如果在制动时刻电池已经处于一个满状态的情况下，则电池组的电压较高，充电电流的充电效果就比较弱。同时，电池的能量趋于饱和，如果继续进行充电的话，会电动汽车再生制动系统发生过冲现象。此时，为了保护蓄电池，防止过充，就不能再继续进行制动能量的回收，否则会损害电池，甚至引发安全问题。另外，电池的可充电能力也决定了电机反馈回来的电能能否被完全吸收，电池的瞬时充电功率越大，则吸收电机发出电能的能力就越强，反之亦然。这就要求再生制动系统要与电池管理系统紧密的结合在一起，并且对电池的要求也会越来越高，在以后的发展中这方面会是重中之重。这里可以考虑索尼公司的电池快充技术，如果整个电动汽车的电池组都是由这种快充电池组成的，那么这种电池的充电效率将会大大增加电动汽车的续航里程。所以，电机的发电功率不得大于电池运行的充电效率和所有的线路的损耗之和，充电电流必须小于电池允许的最大充电电流。电池的荷电状态和温度都会影响能量的回收率。 3）控制策略：控制策略制定的电机制动转矩值及再生制动力与机械制动力的比例直接影响能量回收的多少4)驱动形式：只有驱动轮上制动能量才能回收利用,被动轮只能通过摩擦消耗动能，无法回收。因此制动时驱动轮与被动轮上分配的制动力会影响能量回馈。5）电磁干扰：纯电动车的可靠性与周围的电磁场有密切联系，与传统燃油车相比，纯电动车里有很多电气元件，而且有高压电池组，需荽加强车辆的抗电磁干扰能力。6）效率：从电机到电池，每一个传递能量的部件都会损耗奔放能量，其中包括传动系机械效率、电机发电效率、逆变器效率、电池充电效率等。 7）行驶环境：汽车的行驶工况不同，制动的次数，力度大小等等就都不一样，这将对汽车的制动能量产生很大的影响。例如，在城市中，汽车车流密度大、红绿灯多，汽车需要的频繁起步与减速停车，制动频繁，电动汽车可以回收利用的能量就比较多。而在高速公路上，汽车长时间以较高速度行驶，道路通畅，制动频率相对较低，可以回收的制动能量就较少，这就是汽车的行驶工况因素。不同的路况下车辆制动时回收的能量也不等。当温度适宜时，电池与电机的工作状态最佳，能够回收的能量更多。2.5 制动模式与能量的分析制动能量回收问题对于提高EV的能量利用率具有重要意义。电动汽车采用电制动时,驱动电机运行在发电状态,将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电,对延长电动汽车的行驶距离是至关重要的。国外有关研究表明,在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下,有效地回收制动能量,可使电动汽车的行驶距离延长百分之十到百分之三十。现在国内关于制动能量回收的研究还处在初级阶段。制动能量回收要综合考虑汽车动力学特性、电机发电特性、电池安全保证与充电特性等多方面的问题。研制一种既具有实际效用、又符合司机操作习惯的系统是有一定难度的。本文对上述问题作了一些积极的探索,并得出了一些有益的结论。2.5.1 制动模式电动汽车制动可分为以下三种模式，对不同情况应采用不同的控制策略。 1）急刹车：急刹车对应于制动加速度大于2m/s2的过程。出于安全性方面的考虑,急刹车应以机械为主,电刹车同时作用。在急刹车时,可根据初始速度的不同,由车上ABS控制提供相应的机械制动力。 2）中轻度刹车：中轻度刹车对应于汽车在正常工况下的制动过程，可分为减速过程与停止过程。电刹车负责减速过程，停止过程由机械刹车完成。两种刹车的切换点由电机发电特性确定。 3）汽车长下坡时的刹车：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,可完全由电刹车提供。其充电特点表现为回馈电流较小但充电时间较长。限制因素主要为电池的最大可充电时间。 一般电动汽车主要工作在城市工况下，而我搭建的小车速度较慢，所以本文将研究重点放在汽车长下坡时的刹车上。在下坡制动时，可再生的能量与速度成正比。当所需的制动能量超出能量回收系统的范围时,电机可吸收的能量将保持不变。超出的这部分能量就被摩擦制动系统吸收。故传统的摩擦制动也是必须的，只有将再生制动与摩擦制动有效结合，才有可能产生一个高效的制动系统。在电动汽车上,并非所有机械能或制动能量都可再生，制动力从地面与轮胎表面传送到车轮与半轴，然后由再生制动控制进行制动力的分配，决定前后轮摩擦制动和再生制动的多少。驱动轮上的制动能量可沿着与之相连接的电机转化为电量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而以热的形式散失与大气中。同时，在制动能量回收的过程中，能量传送环节和能量存储系统的各部件也会造成能量损失。2.5.2 能量反馈回收的约束条件 实用的能量回收系统应满足以下要求:1）满足刹车的安全要求，符合驾驶员的刹车习惯。刹车过程中，对安全的要求是第一位的。需要找到电刹车和机械刹车的最佳覆盖区间，在确保安全的前提下，尽可能多地回收能量。具有能量回收系统的电动汽车的刹车过程应尽可能地与传统的刹车过程近似，这将保证在实际应用中，系统有吸引力，可以为大众所接受。 2）考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力。电动汽车中用的是永磁直流电机，针对电机的发电效率特性，采取相应的控制手段。 3）确保电池组在充电过程中的安全，防止过充。电动汽车中常用的电池为镍氢电池、锂电池和铅酸电池。充电时，避免因充电电流过大或充电时间过长而损害电池。由以上分析可得能量回收的约束条件： 1）根据电池放电深度的不同，电池可接受的最大充电电流。 2）电池可接受的最大充电时间。 3）能量回收停止时电机的转速及与此相对应的充电电流值。本项目车为实验室三轮纯电动车，驱动采用直流电机，额定功率为250W，峰值功率为400W，额定转矩为5Nm，峰值转矩为10Nm。持续输出三倍额定转矩时间不小于30s，额定转速为600r/min，最高转速为900r/min。蓄电池采用12V镍氢电池，其瞬时充电电流可达0.05C(C为电池放电倍率)，即5A。在充电电流为0.01C时，可持续安全充电。实验表明，在电机转速为120r/min时，充电电流小于1A。可设此点为电刹车与机械刹车的切换点。 2.5.3 能量反馈回收控制算法2.5.3.1 制动过程分析经参照其他硕士论文可知，小车一次刹车回收能量；特定刹车过程中,车体动能衰减为定值。特定车型的机械传动效率和滚动摩擦力基本上是固定的。对蓄电池来说，制动能量回收对应于短时间(不超过20s)、大电流(可达10A)充电，因此能量回收约束条件(2)可忽略，充电效率也可认为恒定。对于电机来说,在制动过程中,其发电效率随转速和转矩的变化而变化。制动距离S取决于制动力的大小和制动时间的长短。由以上分析可知，如果电池状态(包括放电深度、初始充电电流强度)允许，回收能量只与发电机发电效率和刹车距离有关。在满足制动时间要求的前提下，通过调节电机制动转矩可以控制电机转速。2.5.3.2 控制算法控制策略可描述为：在满足