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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。
关键词：纯电动汽车，能量回收，控制策略，ADVISOR，仿真
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Design and Control of Electric Vehicle brake energy recovery system solutions
Abstract
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 1
1.1 研究的背景与意义 1
1.2 国内外关于制动能量回收系统研究概况 2
1.2.1 国内研究现状 2
1.2.2 国外研究现状 2
1.3 本论文研究的主要内容 3
2 电动汽车制动能量回收的原理与控制策略研究 4
2.1 制动能量回收技术的基本原理 4
2.2 制动能量回收控制策略 4
2.1.1 并联式控制策略 5
2.1.2 串联式控制策略 6
2.1.3 几种控制策略的对比与分析 7
2.3 制动能量回收的影响因素 7
2.4 本章小结 8
3 电动汽车动力系统方案设计及参数设计 9
3.1 动力系统方案设计 9
3.2 整车参数及动力参数 9
3.3 驱动电机相关参数确定 10
3.3.1 驱动电机功率确定 10
3.3.2 驱动电机转速确定 12
3.3.3 驱动电机转矩确定 12
3.4 蓄电池相关参数确定 13
3.4.1 蓄电池类型的选择 13
3.4.2 蓄电池数量计算 13
3.5 传动系统相关参数确定 14
3.5.1 传动系统传动比范围确定 14
3.5.2 传动系统档位数确定 15
3.5.3 传动系统传动比的确定 15
3.6 本章小结 16
4 电动汽车制动能量回收系统方案设计 17
4.1 制动能量回收过程中的动力学分析 17
4.1.1 电机制动与机械制动的关系 17
4.1.2 驱动电机单独制动 18
4.1.3 电机制动与机械制动混合制动 20
4.2 最佳制动力分配控制策略 21
4.3 本章小结 22
5 基于ADVISOR的仿真分析 23
5.1 ADVISOR简介 23
5.1.1 ADVISOR软件仿真方法 24
5.2 纯电动汽车模型的建立 25
5.2.1 整车模型的建立 25
5.2.1 制动控制策略模型的建立 26
5.3 仿真参数与环境 27
5.3.1 仿真参数 27
5.3.2 仿真路工况选择 29
5.4 仿真结果与分析 30
5.4.1 动力性与续航能力 30
5.4.2 制动能量回收效率 31
5.5 本章小结 32
6 总结与展望 33
附 录 34
1 变速器的设计与使用 34
1.1 中心距的选择 34
1.2 变速箱的外形尺寸 34
1.3 齿轮参数的选择 34
1.4 各档齿轮齿数的分配及传动比的计算 35
2 齿轮强度的校核 36
2.1 齿轮弯曲强度的校核 36
2.2 齿轮接触应力校核 37
3 轴的设计计算和校核 38
3.1 初选轴的直径 38
3.2 轴的刚度计算 38
3.3 轴的强度计算 39
参 考 文 献 41
致 谢 43
1 绪论
1.1 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55％[1]，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]。
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ABS\EBD\ASR\ESP时代，直接研发ABS\EBD\ASR\ESP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[9][10]。
