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電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與控制研究

摘要

　　　進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著人們對(duì)環(huán)境、能源問(wèn)題的關(guān)注，電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始迎來(lái)蓬勃發(fā)展的春天。尤其近五年，全球電動(dòng)汽車(chē)的保有量和銷(xiāo)售量不斷上升。但是，目前電動(dòng)汽車(chē)相比于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，仍有一些明顯短板：續(xù)駛里程短、控制成本高、電池充電時(shí)間長(zhǎng)且能量存儲(chǔ)不足等。為了汽車(chē)提高續(xù)航里程，論文研究了電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收方案和控制策略，以有效回收汽車(chē)制動(dòng)能量，節(jié)約能源，增加汽車(chē)?yán)m(xù)航。

　　　本文主要研究電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)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(gè)方面：第一，根據(jù)整車(chē)參數(shù)匹配動(dòng)力系統(tǒng)，其中包括電機(jī)、蓄電池和傳動(dòng)這三大模塊；第二、通過(guò)對(duì)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析，選擇汽車(chē)最佳制動(dòng)力分配參數(shù)；第三、對(duì)現(xiàn)有的制動(dòng)控制策略進(jìn)行分析比較，提出了串聯(lián)式最佳制動(dòng)力分配控制策略。第四、為了驗(yàn)證控制略的可行性，通過(guò)基于MATLAB/simulink平臺(tái)的ADVISOR 仿真軟件，對(duì)該車(chē)進(jìn)行了建模并在符合我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)行駛工況的ECE循環(huán)工況下進(jìn)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(chē)制動(dòng)力需求和安全性的前提下，盡可能多地回收了制動(dòng)能量，能量回收效率為24.3%，證明本設(shè)計(jì)具有可行性，可以有效地提高純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē)，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(guó)內(nèi)外關(guān)于制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究概況 2

1.2.1  國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2

1.2.2  國(guó)外研究現(xiàn)狀 2

1.3  本論文研究的主要內(nèi)容 3

2 電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收的原理與控制策略研究 4

2.1  制動(dòng)能量回收技術(shù)的基本原理 4

2.2  制動(dòng)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(duì)比與分析 7

2.3  制動(dòng)能量回收的影響因素 7

2.4  本章小結(jié) 8

3  電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)計(jì) 9

3.1  動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 9

3.2  整車(chē)參數(shù)及動(dòng)力參數(shù) 9

3.3  驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)確定 10

3.3.1  驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率確定 10

3.3.2  驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速確定 12

3.3.3  驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(lèi)型的選擇 13

3.4.2  蓄電池?cái)?shù)量計(jì)算 13

3.5  傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)確定 14

3.5.1  傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比范圍確定 14

3.5.2  傳動(dòng)系統(tǒng)檔位數(shù)確定 15

3.5.3  傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的確定 15

3.6  本章小結(jié) 16

4  電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 17

4.1  制動(dòng)能量回收過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)分析 17

4.1.1  電機(jī)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的關(guān)系 17

4.1.2  驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)制動(dòng) 18

4.1.3  電機(jī)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)混合制動(dòng) 20

4.2  最佳制動(dòng)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(jiǎn)介 23

5.1.1  ADVISOR軟件仿真方法 24

5.2  純電動(dòng)汽車(chē)模型的建立 25

5.2.1  整車(chē)模型的建立 25

5.2.1  制動(dòng)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(dòng)力性與續(xù)航能力 30

5.4.2  制動(dòng)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(jì)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(dòng)比的計(jì)算 35

2  齒輪強(qiáng)度的校核 36

2.1  齒輪彎曲強(qiáng)度的校核 36

2.2  齒輪接觸應(yīng)力校核 37

3  軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核 38

3.1  初選軸的直徑 38

3.2  軸的剛度計(jì)算 38

3.3  軸的強(qiáng)度計(jì)算 39

參 考 文 獻(xiàn) 41

致   謝 43

1  緒論

1.1  研究的背景與意義

　　　汽車(chē)誕生至今已經(jīng)遍及人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)角落并成為我們重要的交通工具。全球汽車(chē)工業(yè)迅猛的發(fā)展不僅給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)便利，同時(shí)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(chē)數(shù)量達(dá)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(chē)數(shù)量已達(dá)到12億輛之多，且以每年3000萬(wàn)輛甚至更高的速度增長(zhǎng)[2]。各國(guó)政府和汽車(chē)企業(yè)普遍意識(shí)到節(jié)能減排是未來(lái)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的主要方向，新能源汽車(chē)由此應(yīng)運(yùn)而生，其中，純電動(dòng)汽車(chē)這種零污染交通工具首當(dāng)其沖成為發(fā)展重點(diǎn)。

　　　純電動(dòng)汽車(chē)可以說(shuō)是一種全新的電氣設(shè)備，是汽車(chē)、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(dòng)汽車(chē)又涉及車(chē)輛、控制理論、電力電子等眾多學(xué)科領(lǐng)域，它對(duì)能量源、能源管理、電機(jī)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(jī)遇。因此，電動(dòng)汽車(chē)的研究與開(kāi)發(fā)具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

　　　但是，目前限制純電動(dòng)車(chē)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(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，而充電時(shí)間則對(duì)人的生活容易造成影響。雖然自電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)至今，相關(guān)電池技術(shù)已經(jīng)有了不小的進(jìn)展，但是電動(dòng)汽車(chē)一次充滿電的續(xù)駛里程仍小于傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)[4]。在此基礎(chǔ)上，就需要利用有效的能源控制策略，通過(guò)對(duì)能源的回收，來(lái)增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力。例如傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，將汽車(chē)的動(dòng)能通過(guò)摩擦制動(dòng)裝置轉(zhuǎn)化為熱能，散失到大氣中而無(wú)法加以利用。但是對(duì)于安裝有制動(dòng)能量回收裝置的純電動(dòng)汽車(chē)而言，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可逆性，即電動(dòng)機(jī)可在特定條件下工作在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，因此可以把汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的部分制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)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(guó)內(nèi)外關(guān)于制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究概況

1.2.1  國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　　我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，隨著汽車(chē)數(shù)量的增加，能源和環(huán)境污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重。所以開(kāi)發(fā)純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)我國(guó)環(huán)境和能源現(xiàn)狀都有非常重要的意義。第八個(gè)五年計(jì)劃期間，電動(dòng)汽車(chē)列入國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，重點(diǎn)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)方面的研究；第九個(gè)五年計(jì)劃期間，電動(dòng)汽車(chē)正式成為國(guó)家重大科研項(xiàng)目；第十個(gè)五年計(jì)劃期間，電動(dòng)汽車(chē)成為國(guó)家863重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目[6]。在制動(dòng)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(jī)再生控制策略、控制電池組充放電流和制動(dòng)力分配比策略等[7]。實(shí)際應(yīng)用方面，我國(guó)將會(huì)跳過(guò)傳統(tǒng)能源汽車(chē)ABS\EBD\ASR\ESP時(shí)代，直接研發(fā)ABS\EBD\ASR\ESP單元與制動(dòng)能量回收單元、驅(qū)動(dòng)單元一體化的新型制動(dòng)系統(tǒng)[8]。

1.2.2  國(guó)外研究現(xiàn)狀

　　　二十世紀(jì)七十年代的石油危機(jī)使大部分工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家認(rèn)識(shí)到純電動(dòng)汽車(chē)的重要性，從那時(shí)開(kāi)始，各國(guó)就開(kāi)始在電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前端，本田曾推出的一臺(tái)以鋰離子電池為能源的電動(dòng)機(jī)，它可以使得“飛度”汽車(chē)?yán)m(xù)航里程7公里。 同時(shí)該車(chē)還配置了先進(jìn)的CVT無(wú)級(jí)變速器制動(dòng)使用能量回收系統(tǒng)，可以最大限度提升制動(dòng)能量回收率。豐田汽車(chē)公司從上個(gè)世紀(jì)九十年代研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)以來(lái)，先后推出燃料電池電動(dòng)車(chē)FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5YIJI以及Prius混合動(dòng)力汽車(chē)，其制動(dòng)系統(tǒng)也是通過(guò)運(yùn)用控制策略，合理分配汽車(chē)前、后輪制動(dòng)力矩，以及合理分配機(jī)械制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)的比例關(guān)系，提高能量回收效率[9][10]。