四轮轮毂驱动电动汽车再生制动系统设计

青岛理工大学毕业设计摘要从汽车诞生直到现在,经过一百多年的发展,汽车已经成为人们日常生活中不可或缺的交通工具,但能源短缺和环境污染的问题越来越严重，因此，电动汽车的开发与运用成为了世界各国研发的热点。然而,这里有一个很大的缺陷,那就是电动汽车的续驶里程短，再生制动系统能够有效地增大电动汽车的行程能量利用范围，因此，对再生制动系统的研究非常重要。以前后轴采用不同功率轮毂电机驱动的电动汽车为对象，提出了一种新的再生制动控制策略，充分利用了电机的再生制动能力，提高了制动能量回收效率。本文以陕西省自然科学基金项目“电动汽车防抱死制动系统研究(2014M7280)”和西安市科技局技术转移促进项目“电动汽车复合制动系统开发(cx12177-3)”为依托。本文在设计再生制动控制策略时,为实现最优制动力分配，将电动汽车的行驶速度,蓄电池的SOC值,以及在相应电机转速下前、后轴上轮毂电机可提供最大再生制动力作为控制系统的输入变量，同时设计了一种驱动力分配控制策略，实现了对电机性能的充分利用。通过选择Simulink平台建立了电动汽车系统的模型，并将设计了的控制策略嵌入其中，在仿真时选择了ECE城市道路循环工况。通过对仿真结果的分析，并与并联制动力分配控制策略进行比较，最终验证了本文所设计的再生制动控制策略的有效性，适用于四轮轮毂电机驱动的电动汽车。关键词:电动汽车；轮毂电机；再生制动；控制策略；建模仿真AbstractSince the birth of the automobile until now, after more than a hundred years of development, the automobile has become an indispensable means of transportation in Peoples Daily life. However, the problem of energy shortage and environmental pollution has become more and more serious. Therefore, the development and application of electric vehicles have become the hot spot of research and development in various countries around the world.However, there is a big defect here, that is, the continuous driving range of electric vehicles is short, regenerative braking system can effectively increase the range of travel energy utilization of electric vehicles, so the research on regenerative braking system is very important.In the past, a new regenerative braking control strategy was proposed for the electric vehicle driven by hub motor with different power in the rear axle, which makes full use of the regenerative braking ability of the motor and improves the efficiency of braking energy recovery.This paper is based on the natural science fund project of shaanxi province, research on anti-lock braking system of electric vehicles (2014M7280), and the technology transfer promotion project of xi an science and technology bureau, development of hybrid braking system of electric vehicles (cx12177-3).Regenerative braking control strategy based on the design, to achieve the optimal braking force distribution, the electric vehicle speed, battery SOC value, and under the corresponding motor speed on the front and rear wheel motor can provide maximum regenerative braking force as the input variable of the control system, design a kind of driving force distribution control strategy at the same time, make full use of the performance of motor is realized.The model of electric vehicle system was established by selecting Simulink platform, and the control strategy was embedded in it. ECE urban road cycle condition was selected in the simulation.Through the analysis of the simulation results and the comparison with the parallel braking force distribution control strategy, the effectiveness of the regenerative braking control strategy designed in this paper is finally verified, and it is suitable for the electric vehicle driven by four-wheel hub motor.Key words: electric vehicle;Hub motor;Regenerative braking;Control strategy;Modeling and simulationAbstract绪论研究背景及意义随着现代科学技术的不断发展，汽车工业进入了快速发展的轨道，汽车越来越成为人们出行和运输的重要工具。国际能源机构IEA在伦敦发布了今年的世界能源展望WEO(World Energy Outlook)，并预测到2035年全球汽车总数将增至17亿1。根据中国汽车数量和销量的增长速度，专家也做出了相关预测，中国汽车的最大数量是3.7亿辆，到2025年将达到饱和。随着传统燃油汽车数量的快速增加，环境保护和能源短缺的挑战越来越严重。因此，人们迫切需要一辆环境污染少或零污染排放的汽车来解决这个严重的问题。然而，我国正处于快速发展的过程中，这一过程带来的环境压力也日益严重。面对这样的困境，就现阶段而言,较低的排放,提高能源利用率的新绿色能源汽车是一个有效的方法来解决当前环境的问题。中国在针对汽车带来的环境污染严重的问题时，采用类似于其他国家的处理方法,增加了在混合动力和纯电动汽车的研究和开发的投资上,并实现产业化和商业化,这一方面可以解决严重的环境污染问题,同时对保护生态环境具有重要意义,另一方面,可以直接与汽车工业相对发达的国家如德国、美国和日本在这一领域并驾齐驱，以缩小汽车工业技术发展的差距。纯电动汽车一般采用可反复充电的电池作为动力源，就目前电池的研发和应用而言，主要的铅酸电池、保护电池、镍氢电池或离子电池2都比较成熟，它们在纯电动汽车中应用广泛。由于电动汽车的驱动力主要是由电机提供,对当前汽车技术开发可以应用到电动汽车的电机技术更成熟,种类更繁多,主要有直流电机、交流电机,最具前沿性的轮毂电机技术将是未来电动汽车的最终驱动形式。传统汽车的缺点是发动机在空转时产生的噪音较大，如果被带入驾驶室内会引起乘客的身体不适。而依靠电机驱动的电动汽车在行驶时，电机主轴旋转是相对稳定的,因此，与传统汽车相比,噪声相对较小,对乘客影响较小,也对城市环境造成噪声污染较少。因为电动汽车主要消耗电能,造成的污染非常小,甚至可以实现零排放,因此,从以上来看，电动汽车是最好的交通工具和运输工具。其次，电动汽车的系统结构大大简化，操作相对简单轻便，电动汽车通过电气化控制进行传输，使得各个系统和部件在布局上具有较高的灵活性。但在现阶段，仍然存在很多难以解决的核心问题，主要集中在续航里程短，制造成本高等等。续航里程短是制约电动汽车普及发展的关键因素， 再生制动能量回收技术是提高电动车续航里程的有效手段。 再生制动能量回收即汽车在制动时， 通过制动装置将动能化为电能储存在动力电池、超级电容等储能设备，供驱动时使用，以达到延长电动汽车续驶里程的目的， 同时还可起到减少制动器工作强度、 延长机械制动系统寿命的作用。国内外轮毂电机研究现状轮毂电机技术简介轮毂电机技术又称车轮内装电机技术4，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。除了结构更为简单之外，采用轮毂电机驱动的车辆可以获得更好的空间利用率，同时传动效率也要高出不少。因此，各大汽车厂商，研究院纷纷展开了对轮毂电机驱动电动汽车的研究5。国外轮毂电机研究与应用现状 20世纪初，保时捷首次制造了轮毂电机，并将其应用于电动汽车的前轮。由于当时储能装置技术的局限性，这项技术没有得到进一步的发展和应用。直到20世纪70年代，轮毂电机技术才开始逐步发展起来。美国通用电气公司首次将轮毂电机应用于矿山运输车辆。在普通乘用车和商用车轮毂电机研究项目上,几大汽车公司和电机公司如日本的本田,丰田汽车公司,富士,安川电气公司对其开展相对较早,技术也比较成熟,美国汽车公司,如通用汽车(general motors)和特斯拉,大众汽车和汽车技术厂商也展开了对这项技术的研究。2008年，米其林公司也推出了主动轮系统，如图1.1所示。该系统由两个电机组成，一个用于驱动车轮，另一个通过齿条和齿轮结构，充当液压减震器。米其林轮毂电机结构图代尔夫特理工大学打造的DUT14赛车创造了2.134秒的百公里加速时间记录,DUT14电动车质量只有149.2公斤,驱动电机采用德国AMK公司生产AMK DT5-14-10类型的轮毂电机，汽车的驱动力是由四个AMK轮毂电机提供,实现牵引力矩控制和制动能量回收功能,单个AMK电机可以实现的最大功率可达27 k W,最大扭矩可达28 N, m,同时,可以对每个轮毂电机的驱动力和制动力可以独立控制。美国Protean Electric company生产的Protean Drive直驱轮毂电机具有优异的功率性能，最大功率可达75k W，最大输出扭矩可达995Nm，每台电机重量仅为34kg。配备该轮毂电机的电动汽车在制动过程中也能回收制动能量，试验结果表明，制动能量回收率可达85%7-11。此外，Protean Drive hub motors与传统汽车相结合，形成混合动力汽车，将油耗降低到70%，大大提高了燃油经济性。图1.2展示了Protean Drive轮毂电机及其结构图。Protean Drive轮毂电机及其结构图国内轮毂电机研究与应用现状我国轮毂电机研究始于20世纪80年代, 1995年，在中国清华大学成功开发了国内第一个轮毂电机电动自行车,从那时起,电动自行车和新能源电动汽车的开发和推广将国内研究和开发轮毂电机推向了高潮,各种汽车企业科研单位、大学和一些私人公司和个人纷纷展开对轮毂电机的研究。 目前,国内轮毂电机的研究有了一些进展和突破,2002年,同济大学自主研发的“春晖”系列的燃料电池电动汽车使用永磁直流无刷轮毂电机,这一系列的车型的驱动力是四个轮毂电机提供的, “春晖一号”是中国第一个纯粹的新能源汽车12,一些国内自主品牌汽车公司在轮毂电机电动汽车的研究上也取得了一些成就,在2004年北京车展上,比亚迪推出ET电动概念车,以四个轮毂电机作为驱动装置,采用先进技术“四轮独立驱动模式”, ET概念车汽车技术已达到国际先进水平13,中国科学院北京三环通用电气公司开发了适用于电动汽车的轮毂电机,功率可以达到7500 w，额定电压264 v14, 2011上海车展,奇瑞推出了首个上市销售的电动汽车瑞麟MI - EV受到极大关注,汽车设置额定电压为336 v的四轮毂电机,通过调整单个轮毂电机的供电模式实现每个车轮驱动力的调整,制动期间,实现了ESP和ABS的功能，同时回收制动能量。图1.3为奇瑞瑞麟轮毂电机驱动的纯电动汽车 瑞麒X1增程电动汽车国内外电动汽车再生制动研究现状再生制动概述 再生制动亦称反馈制动，是一种使用在电动车辆上的制动技术。在制动时把车辆的动能转化及储存起来；而不是变成无用的热。再生制动在制动工况将电动机切换成发电机运转，利用车的惯性带动电动机转子旋转而产生反转力矩，将一部分的动能或势能转化为电能并加以储存或利用，因此这是一个能量回收16的过程。再生制动系统主要由储能装置、能量转换裝置和系统电子控制单元等组成。目前，再生制动技术方面的研究己比较成熟，而且在新能源汽车上已经得到全面的应用。通过调查结果显示，纯电动汽车(如奇瑞Eq、Smart fortwo、特斯拉Model、长安逸动、比亚迪c6、北汽EV系列等)和混合动力电动汽车(如法拉利Laferrari、宝马i3和i8、广汽传棋GA5、丰田Pruis等)都已广泛使用再生制动技术，由此可见再生制动在新能源汽车领域有着广阔发展前景17。国外再生制动研究概况再生制动能量回收系统最开始应用在火车上， 后来一些学者将其应用在汽车上， 早期主要是在传统汽车上使用，利用液压和飞轮的储能机构， 能量回收效率低。 后来随着电动汽车技术的发展， 电机能源转化效率高， 电池储能效率高， 再生制动系统进入了研究的快车道， 并成为电动汽车上一重要的组成部分。早在20世纪70年代， 美国威斯康星大学Norman H. Beachley等学者就开始了汽车再生制动系统的研究，当时主要是对传统汽车采用飞轮和液压储能方式对制动年能量回收。1979年，丹麦P. Buchwald和G. Christensen等比较详细的研究了再生制动能量回收理论， 同时在福特汽车上研制出了液压储能的再生制动系统，测试表明,使用该系统后可以有效地使汽车燃料消耗降低到原来的70%19,日本丰田公司于 1997 年推出了具有再生制动功能的混合动力轿车 Prius，这款轿车制动的惯性能量能够通过再生制动系统得到回收， 回收的能量约能提供汽车5%23%的驱动力， 从而能够提高轿车 10%左右的燃油经济性。本田汽车公司紧随其后，于1999 年开发了混合动力汽车 Insight， 提出了采用双制动力分配系数控制再生制动系统，试验结果表明， 该车实现了高效的制动能量回收。由美国加州大学开发的PHEV混合动力汽车系统配备了再生制动装置，并在城市循环条件下进行了测试。结果表明，该系统可减少18%的油耗7。博世，世界上最大的汽车技术供应商，已经开发了一种再生制动系统ESP hey用于混合动力和电动汽车。该系统可以协调车轮的摩擦和电机制动功能，而不需要额外的组件，并可以回收大部分制动能量。国内再生制动研究概况国内的再生制动技术起步比较晚。 国内研究机构和高校都对再生制动系统进行了相关的研究， 并取得了一定的进展， 但尚未达到十分成熟的阶段。国内最早开展再生制动技术研究的是原吉利理工大学，飞轮储能系统的研究可追溯到上世纪80年代。1997年，由青岛大学与中国重汽集团公司联合研制的ZK141A型客车采用了飞轮储能式蓄能器。车辆通过试验测试后，燃油经济性明显提高，节省燃油35.1%。长安大学郭金刚、叶敏提出了主辅电源能量反馈系统，这是在对电动汽车制动电气再生与机械摩擦联合制动的综合分析上提出的,因此再生制动系统可以实现的功能提升和降低压力的同时,实现能量回收并对主辅电源充电。西安交通大学曹炳刚等人对电动汽车再生制动辅助电源系统及其再生充电系统进行了详细研究，设计了鲁棒H。该控制器应用于XJTUEV-1和XJTUEV-2电动汽车。实际车辆的试验结果表明，再生制动控制系统采用鲁棒H控制方法可以有效地提高车辆的行驶里程，将现代控制理论的最新方法应用于XJTUEV-2电动汽车能量回收系统，有效提高了能量回收效率，取得了良好的节能效果。一些中国汽车公司在再生制动研究也有一定的创新和突破,比亚迪的汽车公司在电动汽车再生制动技术的研究在国内处于领先地位,比亚迪生产的F3DM混合动力电动汽车和 E6全电动汽车的民用化,汽车再生制动功能,F3DM轿车有两个电机,可以在大功率情况下为汽车提供动力,可以提供再生制动,并在制动时回收制动能量。总的来说，国外电动汽车和再生制动都发展得比较早，所以在研究和实际应用上都比较成熟。国内电动汽车的研究也还处于初级阶段,由于高起点，产品开发主要集中在再生制动性能的软件仿真和测试的发展阶段,而且对再生制动控制策略的研究和应用对象的是比较单调的,主要用于前式或后驱式的电动汽车，而在较先进的轮毂电机驱动电动汽车方面相对研究较少，有待深入分析。再生制动能量回收系统优点第一，再生制动是提高电动汽车能量利用率的重要途径之一。尤其是在起、停频的城市工况下，研究表明，利用再生制动，可使城市工况下的电动汽车续驶里程延长 14%到40%；第二，再生制动可承担低制动强度的制动任务。通常情况下能承担制动强度在 0.1 以下的制动任务， 但当车型与档位不同时，能承担的制动强度可以更大；第三，再生制动可起辅助制动作用。特别是电动汽车恒速下长坡时，为保持制动强度的恒定性， 延长行车制动系工作寿命，再生制动单独或与行车制动系协同对车辆进行速度控制；第四，利用再生制动提高电动汽车主动安全性。这种功能包括两个方面：一是电动汽车在低附着系数路面上进行再生制动时， 通过控制再生制动力来使驱动轮获得最佳滑移率，缩短制动距离，这是一种区别于传统机械 ABS 的电磁制动系统，它在保持滑移率最佳的同时，能回收制动能，即具有再生 ABS 功能，二是利用再生制动产生横摆力矩来提高电动汽车的转弯操纵稳定性。本论文研究的主要内容(1)通过查阅资料了解电动汽车再生制动的基本知识和国内外研究开发现状，简要介绍了电动汽车和轮毂电机的发展和应用，并简要分析了轮毂电机的优缺点。(2)简单介绍电动汽车的再生制动的基本原理,并详细分析它的潜力,对再生制动系统基本结构及其影响因素进行详细描述,列出了本文研究的电动汽车的参数,主要包括车辆参数,前后轮毂电机和电池参数,和制动系统的结构。(3)对电动汽车制动过程的动力学进行了分析,并对轮毂电机驱动电动汽车的制动特性进行了深入研究,简单介绍了几种常见的再生制动控制策略,最后结合以上的分析设计本文电动汽车再生制动控制策略,并详细实现过程。(4)简要介绍了本文仿真软件Simulink仿真软件，在仿真平台上搭建本文研究的电动汽车的系统和本文设计的控制策略的仿真模型，并对它的功能和工作原理的详细说明。最后,通过分析仿真结果,并将结果和并联制动力分配控制策略比较,最后,得出的结论是，本文所设计的控制策略适用于四轮轮毂驱动的电动汽车。再生制动系统基本结构及原理对于传统燃料车，当车辆处于制动状态时，由于机械制动系统结构的原因，大部分制动能量不会被利用，而是以热能或其他形式的能量在周围环境中消散。随着电动汽车的出现和发展，再生制动技术在电动汽车上的应用成功地改变了制动能量无法回收的现状。电动汽车驱动电机不仅可以提供动力,还有发电机的功能,所以,制动时汽车的动能可以转化为电化学能在储能设备中进行存储,更重要的是汽车制动能量转换的同时也能产生好的汽车制动效果。由于再生制动技术具有如此多的优点，在新能源汽车快速发展的今天，再生制动技术将能够更加完善，日益成为电动汽车不可缺少的一部分。再生制动的基本原理再生制动是指车辆在一定的减速工况下运行时，部分制动能量可以通过能量转换装置转换成其他形式的能量并通过能量转换装置的工作进行储存，储存的能量可以在车辆行驶时再次使用。电动机作为纯电动汽车的唯一动力源，在运行过程中既能产生动力，又能产生电机制动力。纯电动汽车的再生制动就是基于这一原理实现车辆的制动过程。电动汽车再生制动系统一般由制动系统控制器、控制机构、电机制动系统、机械制动系统和储能系统组成。系统控制器是整个系统的大脑,其总体负责计算和分配,和协调的努力机械汽车制动系统和制动系统,汽车制动系统主要负责制动能量转换和回收,机械制动系统主要进行辅助制动、能源存储设备是车辆能源供应商并进行制动能量回收。再生制动的基本原理如图2.1所示 再生制动基本原理再生制动的潜力分析在传统汽车的制动过程中，只有在机械制动系统起作用，大部分制动能量以热能的形式转移并耗散，这部分耗散能量相当大。多项测试表明，一辆重达1500公斤的汽车从每小时100公里减速至每小时0公里时，在短短几十秒内就会消耗0.16千瓦时的能量。如果汽车在滑行时只受到滚动阻力和空气阻力而不踩刹车踏板，这些能量可以使汽车行驶约2公里。图2.2为汽车滑行车速随时间变化关系，从图中可以看出制动能量回收是非常有必要的。汽车100km/h车速滑行距离 据调查，当汽车在典型的城市条件下行驶时，制动过程中回收的能量可以达到总能量消耗的34%以上。在一些大城市，电动汽车在城市行驶时可以回收大约80%的制动能量。因此，如果再生制动技术能够用于回收和储存制动能量，将是解决电动汽车行驶里程限制问题的重要突破。此外，再生制动力还可以降低传统汽车制动盘之间的摩擦损失，有效延长机械制动装置的使用寿命。汽车在平直的道路上行驶时，其功率P表示为: P=(mgf+CdAv2+m)v (2-1)式中:m一汽车总质量v一行驶车速一汽车旋转质量换算系数，S1f一车辆滚动阻力系数g一重力减速度C一空气阻力系数一空气密度A一汽车行驶时的迎风面积当汽车驱动时根据汽车受力分析可以知道其功率为P0，反之P0为汽车制动状态时的功率。 总能量E为: E=pdt (2-2) Ew表示为当汽车驱动行驶工况即E0时所需要消耗的能量。表示为动力传动系工作效率，E1表示为驱动时消耗的蓄电池能量的总和，则 E1= (2-3) Er表示为当汽车处于制动工况E0时所能回收的能量。2表示为能量回收时动力传动系统的工作效率，E2表示为全部制动过程中蓄电池储存全部回收能量的总和，则: E2=-Er2 (2-4)因此，制动能量回收的比例为 给定一组汽车参数:Cd=019；A=1.8m2；m=1540kg；f=0.0048；=1，05；1=0.75；2=0.65。表2-1为在几种典型循环工况下试验时制动时能量回收对比，表中的各工况为欧洲经济委员会市区循环(ECEI5)、中国城市乘用车普通道路运行循环(CCDC)、组约城市运行循环(NYCC)、新欧洲循环(NEDC)、美国城市道路运行循环(UDDS)和日本1015循环。典型运行循环能量回收对比再生制动系统的结构典型再生制动系统的结构电动汽车再生制动系统的结构与车辆的行驶方式有关。只有由电机驱动的车轮才能实现制动能量回收，而非驱动车轮的制动只能通过摩擦制动来实现。图2为前轮驱动汽车再生制动系统的结构示意图。制动系统以传统内燃机车的真空制动助力器为基础，采用电动真空泵产生稳定的真空。真空制动助力器中采用增压控制的再生制动控制系统为了实现电机制动和摩擦制动的复合控制，设计了一种带有气缸和操纵杆的升压控制机构来控制压力。三个电磁阀通过升压机构控制真空助推器的辅助功能。制动控制器使用来自电机控制器、主缸压力传感器和制动踏板传感器的信号控制这些电磁阀，并向电机控制器发送再生制动指令。电机驱动系统根据这一指令控制电机再生制动力矩。该系统的摩擦制动机理与传统的内燃机制动系统基本相同。即使该系统部分部件失效，也能保证有效制动力不受真空辅助制动力的影响。图3显示了带有后轮驱动的再生制动控制系统。每个后轮上安装有电机，车辆控制器通过与制动控制器的通信控制电机是否提供再生制动。摩擦制动系统采用压力分配单元总成，由主缸压力传感器和制动控制器控制的两个电磁执行器组成。制动控制器使用来自电机控制器、主气缸压力传感器和制动踏板传感器的信号来控制这些电磁阀。对于这种后轮驱动的电动汽车，必须增加后轮的制动力，以提高再生制动能量，这可能会导致车辆减速时的稳定性变差。特别是空载条件下，后轮达到附着极限的制动力仅为满载制动力的一半。后轮驱动再生制动系统示意图一种新型混合动力汽车再生制动系统如图4所示，它可以同时回收前后轮的制动能量。传输的系统使用一个独特的设计,它连接发动机和电动机/发电机,所以可以使用前轮驱动电动机/发电机,所以这种四轮再生制动系统,不仅可以提高燃油经济性在城市条件下,和可以优化前后车轮制动力分配,提高制动稳定性。四轮再生制动系统结构混合制动系统的类型 电动汽车的再生制动技术可以利用电机的特性回收制动过程中的部分能量。当汽车在一些情况下刹车制动力的需求较大,电机提供的再生制动力较少,往往不能满足要求,为了保证汽车制动效率,必须有额外的制动力参与汽车刹车制动,因此,电动汽车制动系统的设计考虑,保留传统的机械制动系统是非常必要的。因此,设计了一种混合动力制动系统,系统由传统的机械制动系统和电机再生制动系统组成，混合系统运行时不应违反通常汽车制动行为习惯和各种操作条件下的速度和制动力、制动减速需求等因素的条件下,以最大限度地回收制动能量。混合制动系统按工作方式的不同分为串联和并联两种。以下两种制动系统分别介绍: (1)串联制动 串联制动系统制动力分配原则如图2.3所示。串联制动系统制动力分配原则从图2.3可以看出，串联制动的工作方式随车辆制动力的大小而变化，始终遵循再生制动系统优先级和最大参与的原则。当所需制动力较小时，只有再生制动系统就能满足整车的要求，因此电动汽车的制动力由电机提供。当所需制动力较大时，再生制动系统提供的制动力是固定的，不能满足整车对制动力的需求。此时，必须参与机械制动系统的工作，以提供足够的制动力。串联制动系统一般需要与ABS系统相结合形成集成控制，可以调节单轮液压制动力，最大限度地利用再生制动力和路面附着条件。串联制动系统的工作原理决定了再生制动力比其他方式更能充分利用，因此回收能量较高。同时，串联制动系统也有一定的局限性，结构复杂，成本较高，需要集成控制系统。串联制动系统的控制原理如图2.4所示。串联制动系统的控制原理(2)并联制动并联制动系统的原理如图2.5所示。并联制动系统制动力分配原理从图2.5可以看到,并行制动系统的特点是再生制动力和机械摩擦制动之间的比例是一个固定值,即车辆制动力总是按照固定比例进行分配。与串联制动系统相比，再生式制动系统的效率不如串联式制动系统，回收能量少。然而，并联制动系统也有一定的优点和效益，仅需要对原有的传统机械制动系统进行微小的改动即可实现。因此，结构相对简单，制造成本低。并联制动系统的控制原理如图2. 并联制动系统的控制原理再生制动的影响因素影响电动汽车再生制动的因素有许多，影响电动汽车制动能量回收效能的因素主要有储能装置、 制动力分配比例、 驱动类型、 电机性能、 行驶工况、 控制策略等。下面对这些主要影响因素进行逐一分析。(1)储能装置 电动汽车上常用储能装置有蓄电池、燃料电池、超级电容、飞轮电池等，其中最常用的还是蓄电池。因此，在制动能量回收进行时要充分考虑蓄电池的状态，如果制动过程中蓄电池 SOC 值超过上限值，表明蓄电池电量充足不需充电，此时不宜进行制动能量回收，否则会损害蓄电池寿命并且有可能引发安全问题。另外，为了保护蓄电池，制动能量回收过程还要充分考虑蓄电池能承受的最大充电电流和充电功率。(2)制动力分配比例由于电动汽车运行速度较高，制动时仅仅依靠再生制动很难及时减速，这就需要机械制动提供相应的制动力，因此制动过程中再生制动力和机械制动力的比例就显得尤为重要，在保证制动稳定性的前提下，再生制动力所占比例越高，越有利于制动能量回收。(3)驱动类型从车型角度考虑，目前对于电动汽车研究涉及最多的是双轴电动轿车,但无论双轴电动轿车为两驱型还是四驱型,制动过程中能够回收的能量均只是驱动轮上的行驶动能，而从动轮上的动能只能依靠机械摩擦制动产生热量消耗掉。因此，在保证制动安全的前提下，尽可能多的向驱动轮分配制动力有利于提高制动能量回收效率。(4)电机性能 作为再生制动系统的关键部件，电机的制动能力越好，就可在分配再生制动力与机械制动力时提高再生制动力比例，增加制动能量回收效果。此外，电机的发电效率也对制动能量回收有很大影响，另外在低速和高速时也不利于电机进行制动能量回收。(5)行驶工况行驶工况对于制动能量的回收影响最直接，若电动汽车行驶在城市交通较拥挤道路上,需要频繁起步、加速、减速,则制动工况较多，提高了再生制动次数，能够增加能量回收效果；若电动汽车行驶在高速公路，很少会出现制动减速工况， 制动能量回收较少。(6)控制策略 制动控制策略是电动汽车的软件核心。对于再生制动技术，提高能量回收效率需要依靠合理的再生制动控制策略。再生制动控制策略最关键的内容是在保证制动安全的前提下，最优的分配再生制动力和前、后轮机械摩擦制动力，最大限度的实现能量回收以及优化驾驶员感受。除上述6大主要影响因素外，在制动能量回收及传递过程中，各个部件自身的效率等也会制动能量回收效果产生影响。再生制动的模式和要求的分析 制动性是指汽车行驶时能在短时间内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力，汽车的制动性是汽车的主要性能之一。汽车制动作为评价汽车质量的重要指标之一，一直是人们关注的焦点。其性能的好坏直接影响到汽车的安全，因此也是一个不可避免的话题。在汽车的研发和生产过程中，提高汽车的制动性能一直是技术人员的一项重要任务。再生制动技术不仅可以精确地控制制动力，电动机通过产生一定的电能来实现制动，还可以回收制动能量，提高能量利用率。此外，参与再生制动还可以减少传统汽车制动装置的工作时间，减少液压、机械等制动方式的机械磨损，延长制动装置的使用寿命，防止制动热衰退的发生。再生制动虽然有很多优点，但由于各种限制因素的影响，只能在部分制动模式下实现。 电动汽车的制动方式主要分为中轻度制动方式、紧急制动方式和长下坡制动方式三种。在设计控制策略时，应综合考虑各种模式的特点，并在不同模式下采取不同的控制策略。(1)中轻度轻度制动:属于制动强度较弱的工况，减速度一般小于2m/s2。制动通常发生在车辆的正常运行条件下，例如，车辆在停车时停止，在红绿灯时减速，在车辆正常运行时减速。中度和轻度制动可分为减速和停车两种制动形式。在减速过程中，制动对回收更多的能量和再生制动起主要作用。停止过程主要由机械装置提供的摩擦制动力完成。(2)紧急制动:属于非常规制动，减速速度一般大于2m/s2，甚至可达7-8m/s2。在紧急制动模式下，电动汽车需要较短的制动时间，因此必须保证有足够大的制动减速速度，因此通常制动力较高。为了制动安全，机械制动系统应提供大部分的制动力，而电机的再生制动系统仅起辅助作用。在某些特殊情况下，再生制动不参与制动，仅采用摩擦制动。在此工况下，再生制动能量的回收较少，甚至不能回收。(3)长下坡制动:在制动的过程中,减速或在长下坡条件下保持一定的速度,所需的制动力电动汽车通常不是很大,电机提供的再生制动力汽车就足以满足车辆的制动效率的要求。因此，再生制动系统负责车辆运行的整个制动过程。这种制动方式主要出现在山路或蜿蜒山路的过程中。通过对以上三种模式分析可知，在(2)模式下所能回收的能量较少，在(1)、(3)模式下可充分利用电机的再生制动能力，可回收制动能量也相对较多。在保证汽车具有足够的制动效能和制动安全性的要求下，再生制动参与的比例越大，制动能量回收的效果也越明显。本文研究的电动汽车部件参数和制动系统的结构本文选择的车型是一辆四轮驱动的纯电动汽车。动力由四个轮毂电机直接提供。驱动电机为直流无刷外转子轮毂电机，前后轴采用不同功率的电机。制动能量反馈系统采用电能存储类型,能源存储设备是一个铝外壳锂离子电池, 主制动系统为液压机械制动系统，电动汽车前、后轮上均采用轮毂电机再生制动系统和机械摩擦制动组合的混合制动系统。四轮电动汽车再生制动系统结构如图2.9所示。四轮轮毂电机驱动电动汽车再生制动系统结构本文研究的四轮轮毂电机驱动电动汽车具体参数如表2-2所示。参数名称单位参数值整车整车质量kg800迎风面积m22.133空气阻力系数0.335质心高度m0.5轴距m2.34质心至前轴距离m1.06质心至后轴距离m1.28车轮半径m0.282滚动阻力系数0.007前/后轮直流无刷外转子轮毂电机额定功率kW3/2峰值转矩Nm70/50峰值转速r/min800/640额定电压V60/60最大电流A130/95转动惯量kg.m20.15/0.15铝壳锂离子电池单体电池电压V3.2单体电池数量个25标称电压V80最大容量Ah60电池初始SOC值80%电池总质量kg85电动汽车参数本文电动汽车所采用的轮毂电机及其参数是根据所研究课题的电机所设定的，图2.10为研究课题选用的直流无刷外转子轮毂电机，图2.11为课题中使用的直流无刷电机控制器。本章小结本章主要介绍了再生制动的基本知识和原理，并对其潜力进行了详细的分析，重点介绍了再生制动系统的结构，并对其制动方式及影响再生制动的因素进行了简要的描述。在本节的最后，列出了电动汽车的参数和再生制动系统的结构。电动汽车再生制动控制策略的研究再生制动是电动汽车的显著特征。实际中，在硬件结构及外部行车状况不易改变或控制的条件下，通过设计合理的再生制动控制策略，使得制动力分配合适，是提高再生制动能量回收效率的最有效途。再生制动作为电动汽车一项关键。 本文研究的纯电动汽车的驱动形式是四轮轮毂电机驱动。与两轮驱动车辆相比，对制动力分配的要求尤为关键。为了制定好的控制策略，需要对车辆行驶和制动过程中的车轮力进行详细的分析，对车辆的制动机理有深入的了解。然后，结合本文所研究的电动汽车各系统的特点，最终设计了本文所研究的电动汽车再生制动控制策略。整车运动方程根据汽车系统动力学分析，汽车在制动时，会受到各种外力的作用。主要包括来自轮胎与地面接触而产生滚动阻力Ff、由地面提供的地面制动力Fxb、与空气接触而产生在行驶方向上空气阻力Fw和在特殊情況下如坡道上制动时由于自身重力作用在行驶方向上的坡度阻力Fi。汽车沿纵向方向制动时的动力学方程为 m=-Ff-Fxb-Fw-Fi (3-1) 各阻力的计算如下: (1)滚动阻力Ff当充气轮胎在理想路面(通常指平坦的干、硬路面)上直线滚动时，其外缘中心对称面与车轮滚动方向一致，所受到的与滚动方向相反的阻力即为轮胎滚动阻力。滚动阻力在任何工况下均存在，其计算方程式为: Ff=Wf=mgfcos (3-2) 式中: W一车轮负荷(N) m一汽车质量(kg)a一道路坡度角g重力加速度f一滚动阻力系数 (2)空气阻力Fw 汽车在行驶过程中，车身因与空气接触而产生作用在行驶方向上的分力即空气阻力。空气阻力同滚动阻力一样始终存在且方向与汽车运动方向相反。空气阻力的计算方程式为： Fw= (3.3)式中:CD一空气阻力系数 ua一行驶速度(km/h)A一迎风面积(m2) (3)坡度阻力Fi 当汽车上坡行驶时，其重力沿坡道斜面的分力 表现为对汽车行驶的一种阻力，称坡度阻力。坡度阻力只在汽车处于上坡条件下会存在且方向同汽车运动的方向相反。坡度阻力的计算公式为: Fi=Gsin (3.4) 式中:G一汽车的重力(N) (4)地面制动力Fxb 当汽车减速或停车时，必须受到与运动方向相反的外力的作用，往往这个所需求相反的外来作用力比较巨大，空气阻力和滚动阻力所产生的影响相对较小，达不到制动时的要求，甚至可以忽略不计。因此，制动时需要来自其它外部的力来满足制动的要求，这个来自外部力由地面提供，通常我们将这个力称为地面制动力。地面制动力的存在是有条件的，只有在制动过程中才会存在。 Fxb=Fbf+Fbr (3.5) 式中:Fbf一前轮地面制动力(N) Fbr一后轮地面制动力(N) 由以上可知，当汽车在水平路面上运动且没有任何制动行为，通过对汽车受力分析，此时不存在地面制动力，所能获得的最小减速度amin为: amin= (3.6)通过对本文的四轮驱动的轮毂电机电动汽车制动过程研究分析，其四个电机均兼任着发电机的功能，在产生负的电枢电流的同时还可以生成一定的制动转矩直接作用在车轴上，从而可以实现电动汽车减速的目的，这作用在车轴上的力矩也称为轮毂电机制动力矩。电机制动力通常用Fm表示，其计算公式为: Fm=Tm/r (3.7) 式中:Tm一轮教电机输出转矩 r车轮滚动半径 当车轮处于纯滚动状态时，其地面制动力等于制动系统的制动力(制动系统制动力主要包括前轮制动力与后轮制动)，在各车轮上需求制动力等于轮电机动力与摩擦制动力之和，且随着制动踏板开度的增加而增大，但不能超过地面附着力，即: FbF=G* (3,.8) 式中: F一地面附着力 一地面附着系数 根据电动汽车的制动分析，空气阻力和滚动阻力所做的功被完全耗散，因此这部分无法回收。地面制动机制的工作主要分为电机工作和摩擦制动, 其中前、后轮毅电机制动力所做的那部分功可以通过电机作用转化为电能储存起来，而摩擦制动力所做那部分功通过机械摩擦制动装置耗散到空气中，这部分的能量也无法回收。电动汽车的再生制动技术就是充分利用发电实现能量回收和再利用。电动汽车制动过程中前、后车轮的受力分析由于在制动过程中，旋转质量产生的转动惯性力偶矩、空气阻力、滚动阻力对车辆的影响不大，所以在车辆受力分析中均忽略不计。此外，制动过程中也忽略了车轮的滚动和滑动过程，车轮半径和速度都是理想的。图3.1为车辆在水平路面制动过程中的受力情况。车辆在水平路面制动过程中的受力情况分别对图3.1中电动汽车前、后轮接地点取力矩得:Fz1L=Gb+mhg (3.9)Fz2L=Ga-mhg式中:Fz1一地面对前轮的法向作用力(N) Fz2一地面对后轮的法向作用力(N) a一质心到前轴中心线的距离(m)b一质心到后轴中心线的距离(m)hg一汽车质心高度(m)一汽车减速度(m/s2) 令=zg,将