电动汽车制动能量回收系统方案设计与控制研究设计说明书

设计说明书电动汽车制动能量回收系统方案设计与控制研究机械与动力工程学院 学生姓名： 学号： 车辆工程学 院： 专 业： 指导教师： 20 年 月 电动汽车制动能量回收系统方案设计与控制研究摘要进入二十一世纪，随着人们对环境、能源问题的关注，电动汽车开始迎来蓬勃发展的春天。尤其近五年，全球电动汽车的保有量和销售量不断上升。但是，目前电动汽车相比于传统燃油汽车，仍有一些明显短板：续驶里程短、控制成本高、电池充电时间长且能量存储不足等。为了汽车提高续航里程，论文研究了电动汽车制动能量回收方案和控制策略，以有效回收汽车制动能量，节约能源，增加汽车续航。本文主要研究电动汽车制动能量回收系统方案以及控制策略。具体工作包括以下几个方面：第一，根据整车参数匹配动力系统，其中包括电机、蓄电池和传动这三大模块；第二、通过对汽车制动时的动力学分析，选择汽车最佳制动力分配参数；第三、对现有的制动控制策略进行分析比较，提出了串联式最佳制动力分配控制策略。第四、为了验证控制略的可行性，通过基于MATLAB/simulink平台的ADVISOR 仿真软件，对该车进行了建模并在符合我国纯电动汽车行驶工况的ECE循环工况下进行了仿真研究。最后仿真结果显示：该控制策略在保证汽车制动力需求和安全性的前提下，尽可能多地回收了制动能量，能量回收效率为24.3%，证明本设计具有可行性，可以有效地提高纯电动汽车的续驶里程。 咨询图纸 口口加414951605关键词：纯电动汽车，能量回收，控制策略，ADVISOR，仿真Design and Control of Electric Vehicle brake energy recovery system solutionsAbstract Into the twenty-first century, with the human society on the environment, energy issues, electric cars began to usher in the vigorous development of the spring. Especially in the past five years, the global electric car holdings and sales continue to rise. However, the current electric car compared to traditional fuel vehicles, there are still some obvious short board: driving range is short, high cost control, battery charging time and energy storage and so on. In order to improve the mileage of the car, the paper studies the energy recovery scheme and control strategy of the electric vehicle brake to recover the energy of the automobile brake, save the energy and increase the automobile life. This paper mainly studies the energy recovery system of electric vehicle brake and the control strategy. Specific work includes the following aspects: First, according to the vehicle parameters to match the power system, including the motor, battery and drive the three modules; second, through the dynamic analysis of the car brake, select the best car system Power distribution parameters; Third, the existing control strategy for the comparison and comparison, put forward the optimal combination of tug-rate control strategy. Fourthly, in order to verify the feasibility of the control, the vehicle is modeled by ADVISOR simulation software based on MATLAB / simulink platform and simulated under the ECE cycle condition which meets the driving condition of pure electric vehicle in China. Finally, the simulation results show that the control strategy can recover the braking energy as much as possible under the premise of ensuring the demand and safety of the vehicle braking force. The energy recovery efficiency is 24.3%, which proves that the design is feasible and can improve the purity Electric vehicle driving range.Keywords: pure electric vehicle, energy recovery, control strategy, ADVISOR, simulation 目 录1 绪论11.1 研究的背景与意义11.2 国内外关于制动能量回收系统研究概况21.2.1 国内研究现状21.2.2 国外研究现状21.3 本论文研究的主要内容32 电动汽车制动能量回收的原理与控制策略研究42.1 制动能量回收技术的基本原理42.2 制动能量回收控制策略42.1.1 并联式控制策略52.1.2 串联式控制策略62.1.3 几种控制策略的对比与分析72.3 制动能量回收的影响因素72.4 本章小结83 电动汽车动力系统方案设计及参数设计93.1 动力系统方案设计93.2 整车参数及动力参数93.3 驱动电机相关参数确定103.3.1 驱动电机功率确定103.3.2 驱动电机转速确定123.3.3 驱动电机转矩确定123.4 蓄电池相关参数确定133.4.1 蓄电池类型的选择133.4.2 蓄电池数量计算133.5 传动系统相关参数确定143.5.1 传动系统传动比范围确定143.5.2 传动系统档位数确定153.5.3 传动系统传动比的确定153.6 本章小结164 电动汽车制动能量回收系统方案设计174.1 制动能量回收过程中的动力学分析174.1.1 电机制动与机械制动的关系174.1.2 驱动电机单独制动184.1.3 电机制动与机械制动混合制动204.2 最佳制动力分配控制策略214.3 本章小结225 基于ADVISOR的仿真分析235.1 ADVISOR简介235.1.1 ADVISOR软件仿真方法245.2 纯电动汽车模型的建立255.2.1 整车模型的建立255.2.1 制动控制策略模型的建立265.3 仿真参数与环境275.3.1 仿真参数275.3.2 仿真路工况选择295.4 仿真结果与分析305.4.1 动力性与续航能力305.4.2 制动能量回收效率315.5 本章小结326 总结与展望33附 录341 变速器的设计与使用341.1 中心距的选择341.2 变速箱的外形尺寸341.3 齿轮参数的选择341.4 各档齿轮齿数的分配及传动比的计算352 齿轮强度的校核362.1 齿轮弯曲强度的校核362.2 齿轮接触应力校核373 轴的设计计算和校核383.1 初选轴的直径383.2 轴的刚度计算383.3 轴的强度计算39参 考 文 献41致 谢43 IV1 绪论 咨询图纸 加4149516051.1 研究的背景与意义汽车诞生至今已经遍及人类社会的各个角落并成为我们重要的交通工具。全球汽车工业迅猛的发展不仅给人类社会带来便利，同时也消耗了大量的能源，产生的污染物很大程度上影响了我们的生存环境。根据有关调查显示，2010年全球汽车数量达到了为8.5亿辆，消耗了当年全球石油产量的551，而且截止到2014年初，全球汽车数量已达到12亿辆之多，且以每年3000万辆甚至更高的速度增长2。各国政府和汽车企业普遍意识到节能减排是未来汽车技术发展的主要方向，新能源汽车由此应运而生，其中，纯电动汽车这种零污染交通工具首当其冲成为发展重点。纯电动汽车可以说是一种全新的电气设备，是汽车、电子、化学、新能源、新型材料等工程技术中最新成果的集成产物。另一方面，电动汽车又涉及车辆、控制理论、电力电子等众多学科领域，它对能量源、能源管理、电机等行业，既是发展应用新技术的挑战，也是合成新兴支柱产业的重大机遇。因此，电动汽车的研究与开发具有巨大的现实意义3。但是，目前限制纯电动车辆发展的最大因素就是电池技术。电池的容量直接关系到纯电动汽车的续航里程，而充电时间则对人的生活容易造成影响。虽然自电动汽车出现至今，相关电池技术已经有了不小的进展，但是电动汽车一次充满电的续驶里程仍小于传统的燃油汽车4。在此基础上，就需要利用有效的能源控制策略，通过对能源的回收，来增加电动汽车的续航能力。例如传统的燃油汽车制动时，将汽车的动能通过摩擦制动装置转化为热能，散失到大气中而无法加以利用。但是对于安装有制动能量回收装置的纯电动汽车而言，由于驱动电机的可逆性，即电动机可在特定条件下工作在发电运行状态，因此可以把汽车制动时的部分制动能量转化为电能储存在蓄电池中，从而再加以利用，这样就可以有效提高能量利用率，增加续驶里程5。第 3 页 共 48 页 1.2 国内外关于制动能量回收系统研究概况1.2.1 国内研究现状我国是一个能源消耗大国，随着汽车数量的增加，能源和环境污染问题也日益严重。所以开发纯电动汽车对我国环境和能源现状都有非常重要的意义。第八个五年计划期间，电动汽车列入国家科技攻关计划，重点开展关键技术方面的研究；第九个五年计划期间，电动汽车正式成为国家重大科研项目；第十个五年计划期间，电动汽车成为国家863重点专项项目6。在制动能量回收技术方面，重庆大学，西安交通大学，清华大学和北京理工大学等院校都有自己的研究成果，研究方向有变速器-电机再生控制策略、控制电池组充放电流和制动力分配比策略等7。实际应用方面，我国将会跳过传统能源汽车ABSEBDASRESP时代，直接研发ABSEBDASRESP单元与制动能量回收单元、驱动单元一体化的新型制动系统8。1.2.2 国外研究现状二十世纪七十年代的石油危机使大部分工业发达国家认识到纯电动汽车的重要性，从那时开始，各国就开始在电动汽车基础技术的研究上发力并取得了丰硕的成果。其中日本一直走在电动汽车产业发展的前端，本田曾推出的一台以锂离子电池为能源的电动机，它可以使得“飞度”汽车续航里程7公里。 同时该车还配置了先进的CVT无级变速器制动使用能量回收系统，可以最大限度提升制动能量回收率。丰田汽车公司从上个世纪九十年代研发电动汽车以来，先后推出燃料电池电动车FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5YIJI以及Prius混合动力汽车，其制动系统也是通过运用控制策略，合理分配汽车前、后轮制动力矩，以及合理分配机械制动和电机制动的比例关系，提高能量回收效率910。 美国纯电动汽车的研究开发也得到政府非常大力度地支持，通用汽车公司在纯电动汽车方面也一直有新成果，先后推出了GMEVl纯电动跑车和第一个可驾驶的燃料电池示范车“Electrovan”。第一款将燃料电池技术与“线控技术”结合起来的汽车他起名为“自主魔力”，该车实现了制动能量的回收。A.M Walker和F.AWczalk研究了制动能量回收系统与ABS系统的兼容工作的思路，同时通过调节电机制动转矩和制动器转矩实现对制动能量回收和ABS的切换工作11。自1970年起，奔驰汽车公司和大众汽车公司便开始合作研发电动汽车，他们将再生制动系统与汽车的ABS系统结合起来，通过驱动电机和制动器的协调作用，在确保ABS系统稳定工作的前提下，有效的回收制动能量。瑞典沃尔沃公司于上世纪80年代首次进行了制动能量回收实验，他们在重量为16吨的汽车上安装了质量为300kg、平均转速为1000r/min，可以无级变速的飞轮作为储能装置，当引擎功率为105kw时，其储能高达230kwh，可以节约15%20%的燃料。沃尔沃公司还投入20多辆公交车在伦敦等地进行试验，和其它普通公交车相比，这种公交车装配有制动能量回收装置，经过一段时间的统计，结果表明，这种公交车可以节省28%35%的燃料，减少45%以上有害气体的排放1.3 本论文研究的主要内容本设计主要研究纯电动汽车制动时的能量回收方案。制动能量回收是利用驱动电机的可逆性将动能转化为电能，同时由电机提供制动力矩帮助汽车实现制动停车。拥有制动能量回收系统的电动汽车在制动过程中，动能的一部分经过传动系统流向驱动电机，此时电机开始发电，将制动能量转化成电能储存在蓄电池中，这样可以有效延长电动汽车的续驶里程12。本设计参考的主要车型为前驱型电动汽车，所以在前后轮制动力分配上，本设计还将根据所提出的的制动方案和驱动机、传动系等的参数进行优化。同时，对于驱动电机再生制动和传统的机械制动的比例分配，调用时机上，也需要利用Matlab软件进行计算，选出最优解。2 电动汽车制动能量回收的原理与控制策略研究2.1 制动能量回收技术的基本原理制动能量回收是电动汽车最重要的特性之一，因为在纯电动汽车上，做为驱动装置的驱动电机同时也具有发电功能。电动汽车在制动过程中，汽车的一部分动能通过车轮，传动轴等传向驱动电机，此时，驱动电机转变为发电机，向蓄电池充电。同时，电机发电时产生的阻力作用于车轮，从而达到使汽车减速的作用。需要注意的是，为了回收制动能量，电动汽车通常都是利用电动机的发电能力而设计的再生制动系统。而电动机提供的阻力矩是不能完全满足汽车制动要求的。所以在电动汽车制动系统中机械制动与电机制动应该同时存在。图2.1 制动能量回收基本原理2.2 制动能量回收控制策略用电机制动来回收能量使得电动汽车制动面临两个问题。第一是如何在电机制动和机械摩擦制动之间合理分配制动力，从而回收更多的能量；第二是如何分配前后轴之间的制动力，从而以达到稳定可靠的制动效果。所以，制动力分配是制动能量回收控制策略的核心问题。，它直接决定了能否在保持制动稳定和安全的前提下，尽可能多地回收制动能量。目前，电动汽车制动能量回收控制策略主要有两种类型：1）并联式控制策略；2）串联式控制策略。其中在串联式控制策略下，又有两个不同的分类：1）理想制动力分配控制策略；2）最佳制动能量回收控制策略13。2.1.1 并联式控制策略并联式制动能量回收控制策略包括电机制动系统控制和机械摩擦制动系统控制。在制动力分配方面：并联式的机械制动力和传统汽车的机械制动力相同，是按照一定比例分配的。同时驱动轮上也有电机制动力存在，当制动踏板行程小于某一个设定值时，汽车的制动力全部都由电机制动提供，随着踏板行程的增大，电机制动强度也逐步加大，当制动踏板行程大于到某个程度时，这时属于紧急制动，电机制动逐渐减小为零，此时前后轮制动力分配按传统I曲线线分配，以缩短制动距离，提高制动安全性。图2.2为在并联式控制下的电机制动力的变化，图2.3为汽车制动系统总体制动力分配图（以踏板行程为参考） 图2.2并联制动能量回收控制策略图2.3并联式2.1.2 串联式控制策略串联式制动能量回收控制策略同样也主要有两个方面：电机制动与机械制动力的分配和前后轮制动的分配。在制动先后顺序上，串联式会优先使用电机制动， 而不是机械制动，这样可以更加充分的利用电机制动，从而回收更多的能量。同时为了提高制动能量的回收率，可以尽量增大电机制动力占总制动力的比例，但对于前轮驱动的汽车来说，电机制动只在前轮上起作用，因此电机制动与摩擦制动之间的分配比例关系受前后轮制动力分配的限制。图2.4为在串联式控制策略下汽车制动系统总体制动力分配图（以踏板行程为参考）图2.4串联式下面介绍一下串联式控制策略下的两个不同的分类：（1） 理想制动力分配控制策略理想的制动力分配控制策略原理如图2.5所示。汽车制动控制器根据制动踏板位置传感器的数据，可以分析计算出汽车制动减速度，当制动减速度小于某一具体数值时，汽车所需制动力全部由电机提供，后轮无制动力。当制动减速度大于某一具体数值时，汽车前后轮上的制动力将按照理想的制动力分布曲线进行分配。 （2） 最佳制动能量回收控制策略最佳能量回收控制策略的重点是尽可能多地回收制动能量。其前后轮制动力分配方法如图2.6所示。其控制思路为：1) 当汽车的制动强度小于路面附着系数时，前后轮制动力可以在一定范围变化。在这种情况下，应尽可能多的利用前轮制动力。 2）如果制动强度远远小于路面附着系数，整车制动仅由电机制动力提供。3）当车辆制动强度大于某一数值时，前后轮制动力分配点落在I曲线上，当地面附着系数很大时，电机制动力无法满足制动要求，剩余部分机械制动系统提供。当地面附着系数够较小时，只用电机制动力制动。2.1.3 几种控制策略的对比与分析并联式控制策略优势有：1、不需要控制机械制动力的大小，仅需要控制电机制动力大小；2、结构简单可靠，制造成本低；3当电机制动失效时，机械制动仍可发挥作用，制动安全性好；。其缺点是制动能量回收效率低，在城市行驶的工况下，其能量回收率几乎可以忽略不计。当电机回馈制动力变化时总制动力也发生变化，制动感觉不好。串联式控制策略优点有：1、制动能量回收效率高；2、制动感觉比较好，驾驶员有与传统汽车相同的制动感觉；3、制动力分配精准，车辆制动稳定性更好。缺点：需要对原有制动系统改造，控制系统比较复杂，成本较高。Motomu Hakiai,和Toshio Taiche曾在在实验中测试了一款由美国科学院研发的小型混合动力电动汽车的制动能量回收性能，通过对数据的对比分析，他们发现并联式的控制策略只能回收及其微小的一部分能量，对整车的续驶里程几乎没有什么实质性的提高。但是若想提高能量回收效率，则会牺牲驾驶舒适性。Michael Panagiote团队的仿真研究发现，在不降低驾驶员行驶舒适性的前提下，串联式控制策略的能量回收效率可以达到10%左右，远远的超过了并联式的控制策略。因此，串联式控制策略逐渐成为主流，国内外各大汽车公司在设计混合动力汽车的能量回收方案时，开始逐步向串联式过渡。所以本文选择串联式控制策略进行研究14。2.3 制动能量回收的影响因素汽车在制动过程当中受到的阻力主要有滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和制动器的摩擦制动力等，对于安装有制动能量回收装置的纯电动汽车而言，还要受到驱动电机的制动力。而这其中一大部分能量都以热或者其他形式的方式散失了，能被回收的能量只限于驱动轴上的一小部分。尽管如此，这一小部分能量仍然能够大幅改善汽车的续驶里程15。事实上，制动能量回收的多少与摩擦制动力和电机制动力的比例分配有很大关系，而它们的比例分配关系要受到很多因素的制约。所以，总的看来，制动能量回收的影响因素主要包括一下几个方面：（1）驱动电机。驱动电机的制动能力越强，电机制动比例相应越高，从而制动回收的能量越多。其次就是电机的发电能力直接影响制动能量回收的多少。因此，驱动电机的类型、输出功率、效率等都会影响能量回收。（2）能量存储装置。能量存储装置既可以输出能量，又可以作为制动能量回收的储存装置。能量存储装置主要有蓄电池、超级电容和高速飞轮等几类，目前在电动汽车方面使用较多的 依然是蓄电池。本论文中，选用蓄电池作为能量存储装置。蓄电池的工作状态主要体现在SOC和最大充电功率两个方面。 当蓄电池过度充电或者过度放电时，SOC便会超过其范围，此时对蓄电池会造成不利影响。蓄电池的能量密度、比功率、充放电效率以及循环使用次数等都会对纯电动汽车的使用性能产生影响，进而在一定程度上影响制动能量回收。（3）控制策略。控制策略包括并联式控制和串联式控制两大类。如何合理地分配电机制动力和机械制动力等便属于控制策略的范围。合理的控制策略不仅能达到最佳的制动效果，而且可以最大限度地回收制动能量，有效地提高能量回收效率【16】。（4）其他因素。汽车的结构参数、驱动形式等都会对能量回收产生影响。2.4 本章小结本章简单介绍了制动能量回收的原理，并介绍对比了几种主流的制动能量回收控制策略，同时从驱动电机、能量储存装置、控制策略、环境等方面阐述了他们对制动能量回收的影响。本文主要就控制策略方面入手剖析，以改善或提高制动能量的回收。3 电动汽车动力系统方案设计及参数设计3.1 动力系统方案设计电动汽车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两个部分。其中，机械传动部分由电动汽车驱动系统布置的方式而决定。本文选用典型的纯电动汽车动力系统。如图3.1所示，机械传动系统由驱动车轮、差速器、减速器、简易变速器组成；电气系统由驱动电机、电机控制器、蓄电池组成。电动汽车的其他系统基本与内燃机汽车形同。图3.1前轮驱动的电动汽车动力系统3.2 整车参数及动力参数某款纯电动汽车的整车参数由表3.1所示表格 3.1纯电动汽车整车性能参数参数符号数值整车整备质量（kg）1350满载质量（kg）m1650空气阻力系数CD0.3迎风面积（m2）A1.9滚动阻力系数f0.0144车轮滚动半径（m）R0.3纯电动汽车的动力性能参数由表3.2所示表格 3.2纯电动汽车动力性能参数动力性能参数符号数值最高车速（km/h）Umax180最大爬坡度i20%传动系效率10.92最大爬坡时稳定车速（km/h）Ua25050km/h加速时间（s）T85080km/h加速时间（s）T10汽车续驶里程（km）S2003.3 驱动电机相关参数确定 电动汽车在日常行驶过程中，不可避免地频繁地起停和加减速，而减速的过程也是制动能量回收的关键过程。所以，纯电动汽车对驱动电机的要求比较高。具体要求如下17 ：1、在低速或爬坡时，电机可以提供较高的的转矩；2、调速范围尽量大，同时在整个调速范围内要保持较高的运行效率；3、电机应该重量轻，体积小；4、电动机应该能够在汽车减速时使用电机制动，将能量回收并储存至蓄电池，；5、成本不能过高，电机可靠性和环境适应性要优秀。通过综合考虑，考虑选用永磁同步电机为纯电动汽车动力系统的驱动组件，永磁同步电机较强的转矩负载承受能力，较宽的调速范围，重量轻，体积小，结构简单，运行可靠等特点对整车正常平稳地运行有重要的作用。3.3.1 驱动电机功率确定电动机的功率要依次满足（1）最高车速要求；（2）最大爬坡度要求；（3）加速性能要求；才能保证电动汽车正常行驶。下面根据表格3.1和3.2中数据依次进行计算，从而得到合适的额定功率，峰值功率。（1） 满足车辆最高车速的功率计算： （3.1）代入表3.1和3.2中数据可得（2） 满足车辆最大爬坡度的功率计算：（3.2）式中，为最大爬坡角，。代入表3.1和3.2中数据可得（3） 满足加速性能的功率计算：电动汽车加速性能影响整车的性能，而加速性能与后备功率有关。选择大功率电机能够提高电动汽车的加速性能。电动机的功率过小则会对电动汽车的加速、爬坡等性能造成影响。但是电机的功率过大会带来能耗过大的问题，电动机的效率降低，甚至导致续驶里程的减少18。根据经验，纯电动汽车在起步加速时，其速度公式可以表示为：（3.3）式中，车辆加速过程所需时间 车辆加速结束之后的车速。假定车辆在笔直路面上加速行驶时，此过程的瞬态总功率可以表示为：（3.3）式中，加速过程的总功率；滚动阻尼功率； 加速功率； 空气阻力功率；旋转质量换算系数，一般取1.0左右。因此，因此，加速过程最大功率为：（3.4）代入表3.2中050km/h和5080km/h的加速时间要求，可得出80.59kw汽车驱动电机的峰值功率必须同时满足三项要求，即：（3.5）由以上分析计算以及综合考虑，选用驱动电机的峰值功率为82kw驱动电机的额定功率可由下式计算得出：（3.6）式中，-电机过载系数（的取值范围一般为24，本文取2）代入计算可得41kw3.3.2 驱动电机转速确定电动机的转速高低对电动机的整体有着很大的影响。当电动机功率相同时，转速高的电动机尺寸、质量和成本相对较小，因此选择高转速电动机有优势，然而由于生产制造等方面的原因，转速高的电动机成本高，因此电机转速的选择也要综合多方面因素19。电动机以 6000r/min 的转速为界限划分高低速电机，客车上通常使用的是低速电机而轿车上通常使用的是高速电机。本文选用的驱动电机的最高转速为9000r/min，经过核算，电机的最高转速可以满足车辆动力性要求。驱动电机最高转速同额定转速存在一个比值 ，电机转矩与呈正比关系20， 取值一般在 24，本文取值 2。故电机的额定转速范围为4000r/min4500r/min。3.3.3 驱动电机转矩确定 电机转矩与功率存在关系，功率决定电机的转矩，得出公式：（3.7）代入数据可以得到88。同时由经验公式可以计算得到表3.3驱动电机的参数参数符号数值额定功率P额kw41最大功率P峰kw82最高转速n峰r/min9000额定转速n额r/min40004500最大转矩TeNm190额定转矩T额Nm883.4 蓄电池相关参数确定3.4.1 蓄电池类型的选择电池组是纯电动汽车运行过程中全部能量的来源，蓄电池的体积、容量、技术参数等对纯电动汽车的行驶性能、续驶里程有很大的影响。是纯电动汽车最重要的一部分。当蓄电池的容量过小时，续驶里程短；当蓄电池的容量过大时，其体积、重量也会随之增加，会增加功率消耗。因此，在选择蓄电池时要综合考虑，不仅要满足续驶里程和动力性等要求，还要使其质量和体积达到最小。当前，电动汽车上可以使用的动力电池很多，但主流在汽车上使用的只有三种：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池。他们各有自己的特点，也有自己特定的使用场景。铅酸蓄电池价格低廉，一般用在电动自行车或三轮车等短距离行驶车辆上；镍氢电池价格相对便宜，但是能量密度低，适合较大电流放电，一般用在混合动力汽车上； 锂离子电池能量密度、功率密度和循环寿命等电池性能都很不错，可靠性也强，所以一般用在纯电动汽车上。综合考虑各种实际运行的情况，本文选择磷酸铁锂电池作为动力电池。3.4.2 蓄电池数量计算本文选择的单个磷酸铁锂电池规格为3.2V/6Ah。根据设计要求，当纯电动汽车以=40km/h的速度匀速行驶时，满电的续驶里程不应少于200km。则单位时间所需要的功率为：（3.8）代入表3.1中数据计算可得 =3.3kw假设行驶过程中，汽车上其他用电设备全部用于工作状态，则用电设备一共需要消耗功率0.7kw，则所需功率一共为4kw。在此续航条件下，车辆一共所需要的能量W为：（3.9）代入数据计算可得W=20kwh。为了满足能量的要求，需要多个电池串联，即： （3.10）式中，n电池个数； 电池放电深度，本文取0.9； u单个电池的电压； C单个电池的容量；经计算，115.74 取n=117个故本设计的电池组为117只磷酸铁锂电池，单个规格为3.2V/14Ah。本文采用的电池组合方式为三个一组并联，之后39组串联。 表3.4 蓄电池组参数电池类型磷酸铁锂电池电池联接形式串联单组标称电压（V）3.2电池组数39单组标称容量（Ah）42电池组总电压（V）3723.5 传动系统相关参数确定目前，纯电动汽车的主要驾驶路况在市区和城市近郊，最低稳定车速在3至6km/h，最高车速可达120km/h左右，电动汽车在行驶过程中所遇到的各种阻力情况复杂，仅靠电动机的力矩变化是不可能满足电动汽车行驶性能要求的。因此，在电动机和驱动轮之间需要安装减速器和变速器，这样既可以满足行驶性能要求，也可以使电动汽车经常保持在高效率的工作范围内，减轻电动机和蓄电池的负荷。3.5.1 传动系统传动比范围确定纯电动汽车传动系统的传动比设计首先必须保证汽车的最大爬坡度，其次是要满足汽车的最高车速21。同时，增加电动汽车的续驶里程也是选择传动比考虑的重要方面。（1） 最小传动比的确定： （3.11） （3.12）式中，为主减速器的传动比，为变速器的传动比，为电机的最大转速，通过公式计算可以得到5.655。（2） 最大传动比的确定: （3.13）式中，为汽车行驶时最高车速的行驶阻力，为电动机最高转速时的输出扭矩，位为机械传动效率。（3.14）（3.15）（3.16） 通过计算可以得到6.063.5.2 传动系统档位数确定纯电动汽车行驶过程中，驱动电机的动力通过变速箱传递给驱动轴，由于驱动电机在转速低的时候转矩大、可以高效率工作的区域较宽等优点，有很好的驱动特性，因此，变速器的挡位不需要太多，暂时设定为两个挡位。3.5.3 传动系统传动比的确定由于电动机的特性曲线要比发动机的特性曲线更加的理想，可以简化传动系统的结构，因此采用两档变速器，其中档用来起步和加速，档可以用来保证汽车的正常运行。通过以上计算可以得到变速器的上限传动比和下限传动比分别为 5.655和 6.06，为了换挡的时候平顺，减轻电机负荷等，在对变速器的档位进行选择的时候，相邻两个档位之间的传动比比值要求在1.8以下。通过查阅相关资料确定主减速比为 3.8，初定变速器档、档传动比为 1.6、1.1。通过附录对变速器的设计计算档、档传动比为 1.58、1.1，实际的通过使用所选传动比对电动汽车的最高车速和最大爬坡度进行计算，可以检验所选传动比能否满足动力性的要求。（一） 通过电动汽车的最高车速检验按照所选的两档变速器，电动汽车以二挡行驶时才能达到最高车速，当电动汽车以180km/h的最高车速行驶时，可以通过下式计算得到驱动电机的转速为（3.17）代入数据计算的8709。此时电机的转矩为：（3.18）代入相关数据可以得到65.9NM。车轮上的驱动力为：（3.19）代入数据可以得到1106.03N。由水平方向上行驶的动力学方程可以得到：（3.20）代入数据可以得到。则通过计算可以知道，由此计算可知此时能够满足最高车速的需要。（二） 通过最大爬坡度检验通常情况下电动汽车使用一档进行爬坡，在爬坡的过程中电动汽车的后备功率达到最大，这些后备功率可以克服坡度阻力做功以保证电动汽车正常行驶，在此情况下电动汽车的车速为25km/h，在爬坡的过程中电动机的转矩可以达到峰值转矩22，由上面的计算得到电动机的峰值转矩为246NM。由公式3.20可以得到。电动汽车在爬坡时所受到的阻力为：（3.21）将数据代入公式3.21计算可得到，通过对比可以知道，此时的变速器处于一档时的驱动力能够满足电动汽车的爬坡的要求。表格3.3 传动系参数参数变速器主减速器档位数一档二挡主减速比传动比1.581.13.83.6 本章小结本章设计了一套完整的电动汽车动力系统，之后参考2017款大众捷达的部分整车参数，分别计算确定了驱动电机、蓄电池、传动系统的相关参数。其中，涉及到的传动系统的校核以及变速器尺寸，将在附录中给出。4 电动汽车制动能量回收系统方案设计4.1 制动能量回收过程中的动力学分析4.1.1 电机制动与机械制动的关系目前纯电动汽车制动系统基本上都是采用机械制动与电机制动相结合的方式。传动机械制动技术成熟可靠，能提供的制动力矩较大，但是能量浪费是其最大问题；电机制动由于电机性能、速度等因素影响，制动力矩大小有限，制动时间也较长，并不能在汽车中中单独使用。两者在电动汽车分配关系为：（1）当电动汽车制动强度低时，主要采用电机制动以回收更多能量。（2）当电动汽车制动强度较高时，此时采用摩擦制动和电机制动相结合，同时加大电机制动所占比例。（3）当汽车紧急制动或电机制动失效等情况发生时，尽量使用机械制动。纯电动汽车的制动力分配如图4.1所示，电动汽车制动回收控制策略的核心是在确保制动性能和安全性能要求的前提下，协调电机制动力与机械制动力的分配关系，最大限度实现能量回收。图4.1制动力分配示意图制动能量回收阶段，车辆的一部分动能从车轮通过传动系统传递到电机，电机发电将电能存储到蓄电池中。根据汽车动力学可知汽车行驶方程：（4.1）式中，为车轮驱动力；为滚动阻力；为空气阻力；为坡度阻力；为加速阻力；在城市工况下，行驶速度较低，道路平坦，并且所研究的车辆迎风面积小，上式可以化简为：（4.2）车辆制动时，加速阻力变为车辆行驶的制动力，则汽车的行驶方程变为：（4.3）在电动汽车中，机械制动与电机制动同时存在。汽车总的制动力由机械制动系统的摩擦制动力和电机制动力共同作用，则：（4.4）（4.5）式中，摩擦制动器提供的最大制动力； 电机所提供的最大制动力； 机械摩擦制动力的分配系数； 电机制动力的分配系数。通过制动踏板位移传感器信号，调节制动力分配系数和的值。当所需要的制动力小于电机所能提供的最大制动矩时， 为0，制动力全部由电机制动提供，制动踏板通过调节分配系数的值调节电机制动的大小；当所需要的制动力大于电机所能提供的制动力矩时，电机提供最大制动力，此时为1，制动踏板通过调节分配系数的值调节机械制动的大小。4.1.2 驱动电机单独制动当车辆制动时所需要的制动力小于电机制动所能提供的最大制动力时，所需的制动力全部由电机产生。在此状况下，制动方程的推导如下：纯电动汽车的总负载功率为：（4.6）式中，瞬时车速。在制动过程中，传动系统的瞬时功率为：（4.7）开始制动时刻汽车的动能为：（4.8）式中，m整车满载质量；车辆在制动初时刻的瞬时速度。制动结束时刻汽车的动能为：（4.9）式中，车辆在制动初时刻的瞬时速度。在整个制动过程中，消耗的能量E为：（4.10）根据能量守恒定律可得：（4.11）设：则：（4.12）其中，式中，S制动距离。制动过程中，输入驱动电机的瞬时功率为：式中，传动系统的效率； M驱动电机转矩； 驱动电机角速度。制动过程中，输入驱动电机的瞬时功率为：式中，驱动电机工作在发电状态下的效率。制动过程中，输入蓄电池的瞬时功率为：式中，蓄电池的工作效率。因此，制动过程中，可回收的总能量为：（4.13）汽车在制动过程中的瞬时速度为：通过以上分析，当车辆所需的总制动力小于驱动电机可以提供的最大制动力时，制动力可以完全由驱动电机提供。由式4.13可知，当始末车速确定时，可回收的制动能量与制动距离有关。4.1.3 电机制动与机械制动混合制动当车辆制动时所需的总制动力大于驱动电机可以提供的最大制动力时，总制动力由驱动电机最大的制动力和机械制动力共同提供。在此状况下，相关制动方程的推导如下所示：驱动电机的制动力矩为：（4.14）式中，转矩常数； 通过驱动电机的磁通量； 驱动电机在当前功率下的最大制动电流。驱动电机作用在驱动轮上的制动力为：（4.15）式中，变速器传动比； 主减速器传动比； 车轮半径。机械制动系统作用在车轮上的制动力（4.16）因此，系统可以提供的总制动力F为：（4.17）汽车在制动过程中的瞬时速度为：（4.18）因此，制动过程中，可以回收的总能量为：（4.19）通过以上分析可知，当车辆在制动时所需的总制动力大于驱动电机能够提供的最大制动力时，所产生的制动力由驱动电机的最大制动力和机械摩擦制动力共同提供。由式4.19可知，可回收的制动能量与制动时间有关。4.2 最佳制动力分配控制策略从提高制动能量回收的角度出发，在满足安全性和制动需求的前提下，电机提供的制动力理论上是越大越好。但是电机制动力的大小受限于前后轮制动力分配比例和汽车具体的制动情况，同时前后轮制动力的分配需要满足相关法律法规的要求。如图4.2所示，本文设计了一种制动力分配策略，按照国家标准 机动车运行安全技术条件（GB7258-2012）要求，行车制动系统的踏板的自由行程应符合该车型的技术条件。本文设计的控制策略不会改变原制动系统的自由行程，能够满足法规的要求。在该制动策略中，制动踏板开度越大，相应制动减速度越大，制动力变化过程为：（1）OA段，制动踏板的自由行程，无制动力；（2）AB段，前轮仅施加电机制动力，前后轮无制动力；（3）BC段，电机制动力达到最大值，前轮机械制动力逐渐增大，后轮正常施加机械制动力；（4）CD段，车辆紧急制动情况下，机械制动完全代替常规制动。图4.2制动力分配示意图在此，当制动减速度小于0.2g时，制动力可以完全由电机制动提供，也就是图中的B点处。当制动减速度大于0.2g而小于0.7g时，施加在前后轮的制动力依据制动力分配曲线进行分配，但此时前轴的总制动力是由电机制动和机械制动共同组成的。当制动减速度大于0.7g时，也就是图中的C点，属于紧急制动，此时制动力完全由机械制动提供。4.3 本章小结本章对制动能量回收过程进行动力学分析，得出了在不同制动模式下，机械摩擦制动和再生制动的比例分配关系；最后确定了系统的控制策略。5 基于ADVISOR的仿真分析5.1 ADVISOR简介ADVISOR是由美国可再生能源实验室NERL在MATLAB和Simulink软件环境下开发的高级车辆仿真软件。该仿真软件用基本物理学和标准的汽车部件为车辆建模，从而得到车辆的燃油经济性、排放性能、加速性能和爬坡性能。但是在该软件的模型下所得到的结果是经验性的，与实际试验结果会有出入，同时它也极大依赖于动力传动组件的实验测试数据23。ADVISOR的操作界面简单易操作，用户可以单独定义子文件参数，这样极大方便了软件的二次开发，软件的界面图形如图5.1、5.2所示： 图5.1 ADVISOR界面图形 图5.2 ADVISOR参数修改界面5.1.1 ADVISOR软件仿真方法 如图5.3所示，ADVISOER软件按照动力的流向建立了仿真模型，并且在MATLAB和Simulink的软件下运行，同时此软件也能对汽车的多个性能进行分析和预测。 图5.3 ADVISOR仿真流程图该软件的仿真过程有两步：1）用标准的或者二次开发的部件以及车辆数据定义车辆。2）规定车辆工作的路况，行驶坡度等条件。然后让车辆满足道路循环以及动力性要求，并测出从一个部件到另一部件的转矩、转速、电压和功率等参数。ADVISOR可得到：1估算汽车的燃油经济性2分析混合动力汽车或电动汽车如何通过动力传动系统利用或损耗能量3比较各种循环工况的排放情况4评估混合动力汽车的控制逻辑5优化传动系统的传动比使燃油消耗或电池电量消耗达到最小或性能最优6能量在传统汽车、电动汽车、混合电动汽车中动力和传动系统中的传递245.2 纯电动汽车模型的建立5.2.1 整车模型的建立ADVISOR软件中有多种类型整车的模型，我可以利用这些已经建立好的模型或主要部件，来对本文中提出的制动能量回收策略进行仿真。整车以及各个部件的模型参数需要通过整车参数及技术要求确定，然后加入我的控制策略完成车辆模型参数的设计。整车模型结构示意图如图5.4所示。 图5.4整车模型结构示意图纯电动汽车的整车仿真模型由控制方法和零部件构成，本文中选用的车辆为纯电动汽车模型（EV_defaults_in模型，如图5.5），该整车仿真模型由循环工况 、主减速器 、变速箱 、电机控制器 和能量存储装置等组成25。 此模型先进行后向仿真，信息依次向后一级传递，得到电机功率；然后进行前向仿真，根据相关汽车参数得到实际的车速。在给定的工况下，该模型会根据控制策略的不同，调整各部件的响应时间或状态，从而最后得到该模型的油耗、电池使用状态等信息。 图5.5纯电动汽车仿真模型5.2.1 制动控制策略模型的建立制动能量回收控制策略流程图如图5.6所示，本设计所提出的的制动策略规定，在制动减速度小于0.2g时，制动力全部电机产生；当制动减速度大于0.2g而小于0.7g时，施加在前后轮的制动力依据制动力分配曲线进行分配，但此时前轴的总制动力是由电机制动和机械制动共同组成的；当制动减速度大于0.7g时，此时制动力全部由机械制动提供。 图5.6制动能量控制策略流程图在ADVISOR中，制动控制策略分为前向控制策略和后向控制策略两部分，其中后向控制策略是根据汽车所需求的整体制动力，计算并分配前后车轮电机制动力和机械制动力。前向控制策略是根据汽车所需求的总制动力和实际可获得的电机制动力，对汽车实际需求的前后轮机械制动力进行分配。本文提出的控制策略主要侧重于后向控制策略，并且着重在于前轮电机制动和机械制动的分配上。仿真模块如下图。 图5.7 ADVISOR需求制动力分配计算模块机构5.3 仿真参数与环境5.3.1 仿真参数表格 5.1纯电动汽车整车性能参数参数符号数值整车整备质量（kg）1350满载质量（kg）m1650空气阻力系数CD0.3迎风面积（m2）A1.9滚动阻力系数f0.0144车轮滚动半径（m）R0.3表格 5.2纯电动汽车动力性能参数动力性能参数符号数值最高车速（km/h）Umax180最大爬坡度i20%传动系效率10.92最大爬坡时稳定车速（km/h）Ua25050km/h加速时间（s）T85080km/h加速时间（s）T10汽车续驶里程（km）S200表5.3驱动电机的参数参数符号数值额定功率P额kw41最大功率P峰kw82最高转速n峰r/min9000额定转速n额r/min40004500最大转矩TeNm190额定转矩T额Nm88表5.4变速器参数参数档位主减速器档位数一档二档主减速比传动比1.531.13.8表5.5蓄电池参数电池类型磷酸铁锂电池电池联接形式串联单组标称电压（V）3.2电池组数39单组标称容量（Ah）42电池组总电压（V）372 5.3.2 仿真路工况选择ADVISOR软件有三类工况可以选择，分别为道路循环、多重循环和测试过程。通过道路循环和测试过程可以对车辆的性能进行仿真26。 图5.8 ADVISOR工况选择界面本文中，选取了ECE循环工况进行一系列仿真试验，因为其比较符合我国纯电动汽车行驶工况。在该循环工况中，汽车运行速度如图5.9所示。ECE循环工况总运行时间为195s，行驶距离0.99km，平均车速18.26km/h，最高车速50km/h,行驶过程中停车3次。ECE循环工况平均行驶速度低，制动平缓，符合城市制动仿真。 图5.9 ECE循环工况5.4 仿真结果与分析5.4.1 动力性与续航能力测试动力性与续航能力时，本文将循环次数调整为200次ECE工况（单次ECE工况为0.99km）。并且同时测试了汽车的动力性能。得到以