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電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案設(shè)計與控制研究

摘要

　　　進入二十一世紀(jì)，隨著人們對環(huán)境、能源問題的關(guān)注，電動汽車開始迎來蓬勃發(fā)展的春天。尤其近五年，全球電動汽車的保有量和銷售量不斷上升。但是，目前電動汽車相比于傳統(tǒng)燃油汽車，仍有一些明顯短板：續(xù)駛里程短、控制成本高、電池充電時間長且能量存儲不足等。為了汽車提高續(xù)航里程，論文研究了電動汽車制動能量回收方案和控制策略，以有效回收汽車制動能量，節(jié)約能源，增加汽車?yán)m(xù)航。

　　　本文主要研究電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案以及控制策略。具體工作包括以下幾個方面：第一，根據(jù)整車參數(shù)匹配動力系統(tǒng)，其中包括電機、蓄電池和傳動這三大模塊；第二、通過對汽車制動時的動力學(xué)分析，選擇汽車最佳制動力分配參數(shù)；第三、對現(xiàn)有的制動控制策略進行分析比較，提出了串聯(lián)式最佳制動力分配控制策略。第四、為了驗證控制略的可行性，通過基于MATLAB/simulink平臺的ADVISOR 仿真軟件，對該車進行了建模并在符合我國純電動汽車行駛工況的ECE循環(huán)工況下進行了仿真研究。

　　　最后仿真結(jié)果顯示：該控制策略在保證汽車制動力需求和安全性的前提下，盡可能多地回收了制動能量，能量回收效率為24.3%，證明本設(shè)計具有可行性，可以有效地提高純電動汽車的續(xù)駛里程。

關(guān)鍵詞：純電動汽車，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  錄

1  緒論 1

1.1  研究的背景與意義 1

1.2  國內(nèi)外關(guān)于制動能量回收系統(tǒng)研究概況 2

1.2.1  國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2

1.2.2  國外研究現(xiàn)狀 2

1.3  本論文研究的主要內(nèi)容 3

2 電動汽車制動能量回收的原理與控制策略研究 4

2.1  制動能量回收技術(shù)的基本原理 4

2.2  制動能量回收控制策略 4

2.1.1  并聯(lián)式控制策略 5

2.1.2  串聯(lián)式控制策略 6

2.1.3  幾種控制策略的對比與分析 7

2.3  制動能量回收的影響因素 7

2.4  本章小結(jié) 8

3  電動汽車動力系統(tǒng)方案設(shè)計及參數(shù)設(shè)計 9

3.1  動力系統(tǒng)方案設(shè)計 9

3.2  整車參數(shù)及動力參數(shù) 9

3.3  驅(qū)動電機相關(guān)參數(shù)確定 10

3.3.1  驅(qū)動電機功率確定 10

3.3.2  驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速確定 12

3.3.3  驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩確定 12

3.4  蓄電池相關(guān)參數(shù)確定 13

3.4.1  蓄電池類型的選擇 13

3.4.2  蓄電池數(shù)量計算 13

3.5  傳動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)確定 14

3.5.1  傳動系統(tǒng)傳動比范圍確定 14

3.5.2  傳動系統(tǒng)檔位數(shù)確定 15

3.5.3  傳動系統(tǒng)傳動比的確定 15

3.6  本章小結(jié) 16

4  電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案設(shè)計 17

4.1  制動能量回收過程中的動力學(xué)分析 17

4.1.1  電機制動與機械制動的關(guān)系 17

4.1.2  驅(qū)動電機單獨制動 18

4.1.3  電機制動與機械制動混合制動 20

4.2  最佳制動力分配控制策略 21

4.3  本章小結(jié) 22

5  基于ADVISOR的仿真分析 23

5.1  ADVISOR簡介 23

5.1.1  ADVISOR軟件仿真方法 24

5.2  純電動汽車模型的建立 25

5.2.1  整車模型的建立 25

5.2.1  制動控制策略模型的建立 26

5.3  仿真參數(shù)與環(huán)境 27

5.3.1  仿真參數(shù) 27

5.3.2  仿真路工況選擇 29

5.4  仿真結(jié)果與分析 30

5.4.1  動力性與續(xù)航能力 30

5.4.2  制動能量回收效率 31

5.5  本章小結(jié) 32

6  總結(jié)與展望 33

附 錄 34

1  變速器的設(shè)計與使用 34

1.1  中心距的選擇 34

1.2  變速箱的外形尺寸 34

1.3  齒輪參數(shù)的選擇 34

1.4  各檔齒輪齒數(shù)的分配及傳動比的計算 35

2  齒輪強度的校核 36

2.1  齒輪彎曲強度的校核 36

2.2  齒輪接觸應(yīng)力校核 37

3  軸的設(shè)計計算和校核 38

3.1  初選軸的直徑 38

3.2  軸的剛度計算 38

3.3  軸的強度計算 39

參 考 文 獻 41

致   謝 43

1  緒論

1.1  研究的背景與意義

　　　汽車誕生至今已經(jīng)遍及人類社會的各個角落并成為我們重要的交通工具。全球汽車工業(yè)迅猛的發(fā)展不僅給人類社會帶來便利，同時也消耗了大量的能源，產(chǎn)生的污染物很大程度上影響了我們的生存環(huán)境。根據(jù)有關(guān)調(diào)查顯示，2010年全球汽車數(shù)量達到了為8.5億輛，消耗了當(dāng)年全球石油產(chǎn)量的55％[1]，而且截止到2014年初，全球汽車數(shù)量已達到12億輛之多，且以每年3000萬輛甚至更高的速度增長[2]。各國政府和汽車企業(yè)普遍意識到節(jié)能減排是未來汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向，新能源汽車由此應(yīng)運而生，其中，純電動汽車這種零污染交通工具首當(dāng)其沖成為發(fā)展重點。

　　　純電動汽車可以說是一種全新的電氣設(shè)備，是汽車、電子、化學(xué)、新能源、新型材料等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。另一方面，電動汽車又涉及車輛、控制理論、電力電子等眾多學(xué)科領(lǐng)域，它對能量源、能源管理、電機等行業(yè)，既是發(fā)展應(yīng)用新技術(shù)的挑戰(zhàn)，也是合成新興支柱產(chǎn)業(yè)的重大機遇。因此，電動汽車的研究與開發(fā)具有巨大的現(xiàn)實意義[3]。

　　　但是，目前限制純電動車輛發(fā)展的最大因素就是電池技術(shù)。電池的容量直接關(guān)系到純電動汽車的續(xù)航里程，而充電時間則對人的生活容易造成影響。雖然自電動汽車出現(xiàn)至今，相關(guān)電池技術(shù)已經(jīng)有了不小的進展，但是電動汽車一次充滿電的續(xù)駛里程仍小于傳統(tǒng)的燃油汽車[4]。在此基礎(chǔ)上，就需要利用有效的能源控制策略，通過對能源的回收，來增加電動汽車的續(xù)航能力。例如傳統(tǒng)的燃油汽車制動時，將汽車的動能通過摩擦制動裝置轉(zhuǎn)化為熱能，散失到大氣中而無法加以利用。但是對于安裝有制動能量回收裝置的純電動汽車而言，由于驅(qū)動電機的可逆性，即電動機可在特定條件下工作在發(fā)電運行狀態(tài)，因此可以把汽車制動時的部分制動能量轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中，從而再加以利用，這樣就可以有效提高能量利用率，增加續(xù)駛里程[5]。

1.2  國內(nèi)外關(guān)于制動能量回收系統(tǒng)研究概況

1.2.1  國內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　　我國是一個能源消耗大國，隨著汽車數(shù)量的增加，能源和環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重。所以開發(fā)純電動汽車對我國環(huán)境和能源現(xiàn)狀都有非常重要的意義。第八個五年計劃期間，電動汽車列入國家科技攻關(guān)計劃，重點開展關(guān)鍵技術(shù)方面的研究；第九個五年計劃期間，電動汽車正式成為國家重大科研項目；第十個五年計劃期間，電動汽車成為國家863重點專項項目[6]。在制動能量回收技術(shù)方面，重慶大學(xué)，西安交通大學(xué)，清華大學(xué)和北京理工大學(xué)等院校都有自己的研究成果，研究方向有變速器--電機再生控制策略、控制電池組充放電流和制動力分配比策略等[7]。實際應(yīng)用方面，我國將會跳過傳統(tǒng)能源汽車ABS\EBD\ASR\ESP時代，直接研發(fā)ABS\EBD\ASR\ESP單元與制動能量回收單元、驅(qū)動單元一體化的新型制動系統(tǒng)[8]。

1.2.2  國外研究現(xiàn)狀

　　　二十世紀(jì)七十年代的石油危機使大部分工業(yè)發(fā)達國家認(rèn)識到純電動汽車的重要性，從那時開始，各國就開始在電動汽車基礎(chǔ)技術(shù)的研究上發(fā)力并取得了豐碩的成果。

　　　其中日本一直走在電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前端，本田曾推出的一臺以鋰離子電池為能源的電動機，它可以使得“飛度”汽車?yán)m(xù)航里程7公里。 同時該車還配置了先進的CVT無級變速器制動使用能量回收系統(tǒng)，可以最大限度提升制動能量回收率。豐田汽車公司從上個世紀(jì)九十年代研發(fā)電動汽車以來，先后推出燃料電池電動車FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5YIJI以及Prius混合動力汽車，其制動系統(tǒng)也是通過運用控制策略，合理分配汽車前、后輪制動力矩，以及合理分配機械制動和電機制動的比例關(guān)系，提高能量回收效率[9][10]。