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設(shè)計(jì)說(shuō)明書
電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案
設(shè)計(jì)與控制研究
機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院
學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：
車輛工程
學(xué) 院：
專 業(yè)：
指導(dǎo)教師：
20 年 月
電動(dòng)汽車制動(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)汽車開始迎來(lái)蓬勃發(fā)展的春天。尤其近五年，全球電動(dòng)汽車的保有量和銷售量不斷上升。但是，目前電動(dòng)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(shí)間長(zhǎng)且能量存儲(chǔ)不足等。為了汽車提高續(xù)航里程，論文研究了電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收方案和控制策略，以有效回收汽車制動(dòng)能量，節(jié)約能源，增加汽車?yán)m(xù)航。
本文主要研究電動(dòng)汽車制動(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)汽車制動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析，選擇汽車最佳制動(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)該車進(jìn)行了建模并在符合我國(guó)純電動(dòng)汽車行駛工況的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)汽車的續(xù)駛里程。
關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車，能量回收，控制策略，ADVISOR，仿真
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)汽車模型的建立 25
5.2.1 整車模型的建立 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
IV
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(huì)的各個(gè)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(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)政府和汽車企業(yè)普遍意識(shí)到節(jié)能減排是未來(lái)汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向，新能源汽車由此應(yīng)運(yùn)而生，其中，純電動(dòng)汽車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)汽車可以說(shuō)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(dòng)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(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)汽車的研究與開發(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(guò)對(duì)能源的回收，來(lái)增加電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。例如傳統(tǒng)的燃油汽車制動(dòng)時(shí)，將汽車的動(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]。
第 3 頁(yè) 共 48 頁(yè)
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。所以開發(fā)純電動(dòng)汽車對(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)汽車列入國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，重點(diǎn)開展關(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)汽車的重要性，從那時(shí)開始，各國(guó)就開始在電動(dòng)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(dòng)汽車產(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?yán)m(xù)航里程7公里。 同時(shí)該車還配置了先進(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。豐田汽車公司從上個(gè)世紀(jì)九十年代研發(fā)電動(dòng)汽車以來(lái)，先后推出燃料電池電動(dòng)車FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5YIJI以及Prius混合動(dòng)力汽車，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]。
美國(guó)純電動(dòng)汽車的研究開發(fā)也得到政府非常大力度地支持，通用汽車公司在純電動(dòng)汽車方面也一直有新成果，先后推出了GMEVl純電動(dòng)跑車和第一個(gè)可駕駛的燃料電池示范車“Electrovan”。第一款將燃料電池技術(shù)與“線控技術(shù)”結(jié)合起來(lái)的汽車他起名為“自主魔力”，該車實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量的回收。A.M Walker和F.AWczalk研究了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)的兼容工作的思路，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)能量回收和ABS的切換工作[11]。
自1970年起，奔馳汽車公司和大眾汽車公司便開始合作研發(fā)電動(dòng)汽車，他們將再生制動(dòng)系統(tǒng)與汽車的ABS系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和制動(dòng)器的協(xié)調(diào)作用，在確保ABS系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下，有效的回收制動(dòng)能量。
瑞典沃爾沃公司于上世紀(jì)80年代首次進(jìn)行了制動(dòng)能量回收實(shí)驗(yàn)，他們?cè)谥亓繛?6噸的汽車上安裝了質(zhì)量為300kg、平均轉(zhuǎn)速為1000r/min，可以無(wú)級(jí)變速的飛輪作為儲(chǔ)能裝置，當(dāng)引擎功率為105kw時(shí)，其儲(chǔ)能高達(dá)230kwh，可以節(jié)約15%～20%的燃料。沃爾沃公司還投入20多輛公交車在倫敦等地進(jìn)行試驗(yàn)，和其它普通公交車相比，這種公交車裝配有制動(dòng)能量回收裝置，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，這種公交車可以節(jié)省28%～35%的燃料，減少45%以上有害氣體的排放
1.3 本論文研究的主要內(nèi)容
本設(shè)計(jì)主要研究純電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)的能量回收方案。制動(dòng)能量回收是利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可逆性將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)由電機(jī)提供制動(dòng)力矩幫助汽車實(shí)現(xiàn)制動(dòng)停車。擁有制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)汽車在制動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)能的一部分經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)流向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)電機(jī)開始發(fā)電，將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存在蓄電池中，這樣可以有效延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程[12]。本設(shè)計(jì)參考的主要車型為前驅(qū)型電動(dòng)汽車，所以在前后輪制動(dòng)力分配上，本設(shè)計(jì)還將根據(jù)所提出的的制動(dòng)方案和驅(qū)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系等的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)再生制動(dòng)和傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)的比例分配，調(diào)用時(shí)機(jī)上，也需要利用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算，選出最優(yōu)解。
2 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收的原理與控制策略研究
2.1 制動(dòng)能量回收技術(shù)的基本原理
制動(dòng)能量回收是電動(dòng)汽車最重要的特性之一，因?yàn)樵诩冸妱?dòng)汽車上，做為驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)也具有發(fā)電功能。電動(dòng)汽車在制動(dòng)過(guò)程中，汽車的一部分動(dòng)能通過(guò)車輪，傳動(dòng)軸等傳向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，向蓄電池充電。同時(shí)，電機(jī)發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的阻力作用于車輪，從而達(dá)到使汽車減速的作用。
需要注意的是，為了回收制動(dòng)能量，電動(dòng)汽車通常都是利用電動(dòng)機(jī)的發(fā)電能力而設(shè)計(jì)的再生制動(dòng)系統(tǒng)。而電動(dòng)機(jī)提供的阻力矩是不能完全滿足汽車制動(dòng)要求的。所以在電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)中機(jī)械制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)應(yīng)該同時(shí)存在。
圖2.1 制動(dòng)能量回收基本原理
2.2 制動(dòng)能量回收控制策略
用電機(jī)制動(dòng)來(lái)回收能量使得電動(dòng)汽車制動(dòng)面臨兩個(gè)問(wèn)題。第一是如何在電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng)之間合理分配制動(dòng)力，從而回收更多的能量；第二是如何分配前后軸之間的制動(dòng)力，從而以達(dá)到穩(wěn)定可靠的制動(dòng)效果。所以，制動(dòng)力分配是制動(dòng)能量回收控制策略的核心問(wèn)題。，它直接決定了能否在保持制動(dòng)穩(wěn)定和安全的前提下，盡可能多地回收制動(dòng)能量。目前，電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收控制策略主要有兩種類型：1）并聯(lián)式控制策略；2）串聯(lián)式控制策略。其中在串聯(lián)式控制策略下，又有兩個(gè)不同的分類：1）理想制動(dòng)力分配控制策略；2）最佳制動(dòng)能量回收控制策略[13]。
2.1.1 并聯(lián)式控制策略
并聯(lián)式制動(dòng)能量回收控制策略包括電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)控制和機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)控制。在制動(dòng)力分配方面：并聯(lián)式的機(jī)械制動(dòng)力和傳統(tǒng)汽車的機(jī)械制動(dòng)力相同，是按照一定比例分配的。同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪上也有電機(jī)制動(dòng)力存在，當(dāng)制動(dòng)踏板行程小于某一個(gè)設(shè)定值時(shí)，汽車的制動(dòng)力全部都由電機(jī)制動(dòng)提供，隨著踏板行程的增大，電機(jī)制動(dòng)強(qiáng)度也逐步加大，當(dāng)制動(dòng)踏板行程大于到某個(gè)程度時(shí)，這時(shí)屬于緊急制動(dòng)，電機(jī)制動(dòng)逐漸減小為零，此時(shí)前后輪制動(dòng)力分配按傳統(tǒng)I曲線線分配，以縮短制動(dòng)距離，提高制動(dòng)安全性。圖2.2為在并聯(lián)式控制下的電機(jī)制動(dòng)力的變化，圖2.3為汽車制動(dòng)系統(tǒng)總體制動(dòng)力分配圖（以踏板行程為參考）
圖2.2并聯(lián)制動(dòng)能量回收控制策略
圖2.3并聯(lián)式
2.1.2 串聯(lián)式控制策略
串聯(lián)式制動(dòng)能量回收控制策略同樣也主要有兩個(gè)方面：電機(jī)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)力的分配和前后輪制動(dòng)的分配。在制動(dòng)先后順序上，串聯(lián)式會(huì)優(yōu)先使用電機(jī)制動(dòng)， 而不是機(jī)械制動(dòng)，這樣可以更加充分的利用電機(jī)制動(dòng)，從而回收更多的能量。同時(shí)為了提高制動(dòng)能量的回收率，可以盡量增大電機(jī)制動(dòng)力占總制動(dòng)力的比例，但對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)的汽車來(lái)說(shuō)，電機(jī)制動(dòng)只在前輪上起作用，因此電機(jī)制動(dòng)與摩擦制動(dòng)之間的分配比例關(guān)系受前后輪制動(dòng)力分配的限制。圖2.4為在串聯(lián)式控制策略下汽車制動(dòng)系統(tǒng)總體制動(dòng)力分配圖（以踏板行程為參考）
圖2.4串聯(lián)式
下面介紹一下串聯(lián)式控制策略下的兩個(gè)不同的分類：
（1） 理想制動(dòng)力分配控制策略
理想的制動(dòng)力分配控制策略原理如圖2.5所示。汽車制動(dòng)控制器根據(jù)制動(dòng)踏板位置傳感器的數(shù)據(jù)，可以分析計(jì)算出汽車制動(dòng)減速度，當(dāng)制動(dòng)減速度小于某一具體數(shù)值時(shí)，汽車所需制動(dòng)力全部由電機(jī)提供，后輪無(wú)制動(dòng)力。當(dāng)制動(dòng)減速度大于某一具體數(shù)值時(shí)，汽車前后輪上的制動(dòng)力將按照理想的制動(dòng)力分布曲線進(jìn)行分配。
（2） 最佳制動(dòng)能量回收控制策略
最佳能量回收控制策略的重點(diǎn)是盡可能多地回收制動(dòng)能量。其前后輪制動(dòng)力分配方法如圖2.6所示。其控制思路為：
1) 當(dāng)汽車的制動(dòng)強(qiáng)度小于路面附著系數(shù)時(shí)，前后輪制動(dòng)力可以在一定范圍變化。在這種情況下，應(yīng)盡可能多的利用前輪制動(dòng)力。
2）如果制動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于路面附著系數(shù)，整車制動(dòng)僅由電機(jī)制動(dòng)力提供。
3）當(dāng)車輛制動(dòng)強(qiáng)度大于某一數(shù)值時(shí)，前后輪制動(dòng)力分配點(diǎn)落在I曲線上，當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)很大時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力無(wú)法滿足制動(dòng)要求，剩余部分機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供。當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)夠較小時(shí)，只用電機(jī)制動(dòng)力制動(dòng)。
2.1.3 幾種控制策略的對(duì)比與分析
并聯(lián)式控制策略優(yōu)勢(shì)有：1、不需要控制機(jī)械制動(dòng)力的大小，僅需要控制電機(jī)制動(dòng)力大小；2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，制造成本低；3當(dāng)電機(jī)制動(dòng)失效時(shí)，機(jī)械制動(dòng)仍可發(fā)揮作用，制動(dòng)安全性好；。其缺點(diǎn)是制動(dòng)能量回收效率低，在城市行駛的工況下，其能量回收率幾乎可以忽略不計(jì)。當(dāng)電機(jī)回饋制動(dòng)力變化時(shí)總制動(dòng)力也發(fā)生變化，制動(dòng)感覺(jué)不好。
串聯(lián)式控制策略優(yōu)點(diǎn)有：1、制動(dòng)能量回收效率高；2、制動(dòng)感覺(jué)比較好，駕駛員有與傳統(tǒng)汽車相同的制動(dòng)感覺(jué)；3、制動(dòng)力分配精準(zhǔn)，車輛制動(dòng)穩(wěn)定性更好。缺點(diǎn)：需要對(duì)原有制動(dòng)系統(tǒng)改造，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高。
Motomu Hakiai,和Toshio Taiche曾在在實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了一款由美國(guó)科學(xué)院研發(fā)的小型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收性能，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，他們發(fā)現(xiàn)并聯(lián)式的控制策略只能回收及其微小的一部分能量，對(duì)整車的續(xù)駛里程幾乎沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性的提高。但是若想提高能量回收效率，則會(huì)犧牲駕駛舒適性。Michael Panagiote團(tuán)隊(duì)的仿真研究發(fā)現(xiàn)，在不降低駕駛員行駛舒適性的前提下，串聯(lián)式控制策略的能量回收效率可以達(dá)到10%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)了并聯(lián)式的控制策略。因此，串聯(lián)式控制策略逐漸成為主流，國(guó)內(nèi)外各大汽車公司在設(shè)計(jì)混合動(dòng)力汽車的能量回收方案時(shí)，開始逐步向串聯(lián)式過(guò)渡。所以本文選擇串聯(lián)式控制策略進(jìn)行研究[14]。
2.3 制動(dòng)能量回收的影響因素
汽車在制動(dòng)過(guò)程當(dāng)中受到的阻力主要有滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和制動(dòng)器的摩擦制動(dòng)力等，對(duì)于安裝有制動(dòng)能量回收裝置的純電動(dòng)汽車而言，還要受到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)力。而這其中一大部分能量都以熱或者其他形式的方式散失了，能被回收的能量只限于驅(qū)動(dòng)軸上的一小部分。盡管如此，這一小部分能量仍然能夠大幅改善汽車的續(xù)駛里程[15]。事實(shí)上，制動(dòng)能量回收的多少與摩擦制動(dòng)力和電機(jī)制動(dòng)力的比例分配有很大關(guān)系，而它們的比例分配關(guān)系要受到很多因素的制約。所以，總的看來(lái)，制動(dòng)能量回收的影響因素主要包括一下幾個(gè)方面：
（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)能力越強(qiáng)，電機(jī)制動(dòng)比例相應(yīng)越高，從而制動(dòng)回收的能量越多。其次就是電機(jī)的發(fā)電能力直接影響制動(dòng)能量回收的多少。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型、輸出功率、效率等都會(huì)影響能量回收。
（2）能量存儲(chǔ)裝置。能量存儲(chǔ)裝置既可以輸出能量，又可以作為制動(dòng)能量回收的儲(chǔ)存裝置。能量存儲(chǔ)裝置主要有蓄電池、超級(jí)電容和高速飛輪等幾類，目前在電動(dòng)汽車方面使用較多的 依然是蓄電池。本論文中，選用蓄電池作為能量存儲(chǔ)裝置。蓄電池的工作狀態(tài)主要體現(xiàn)在SOC和最大充電功率兩個(gè)方面。 當(dāng)蓄電池過(guò)度充電或者過(guò)度放電時(shí)，SOC便會(huì)超過(guò)其范圍，此時(shí)對(duì)蓄電池會(huì)造成不利影響。蓄電池的能量密度、比功率、充放電效率以及循環(huán)使用次數(shù)等都會(huì)對(duì)純電動(dòng)汽車的使用性能產(chǎn)生影響，進(jìn)而在一定程度上影響制動(dòng)能量回收。
（3）控制策略?？刂撇呗园ú⒙?lián)式控制和串聯(lián)式控制兩大類。如何合理地分配電機(jī)制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力等便屬于控制策略的范圍。合理的控制策略不僅能達(dá)到最佳的制動(dòng)效果，而且可以最大限度地回收制動(dòng)能量，有效地提高能量回收效率【16】。
（4）其他因素。汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)形式等都會(huì)對(duì)能量回收產(chǎn)生影響。
2.4 本章小結(jié)
本章簡(jiǎn)單介紹了制動(dòng)能量回收的原理，并介紹對(duì)比了幾種主流的制動(dòng)能量回收控制策略，同時(shí)從驅(qū)動(dòng)電機(jī)、能量?jī)?chǔ)存裝置、控制策略、環(huán)境等方面闡述了他們對(duì)制動(dòng)能量回收的影響。本文主要就控制策略方面入手剖析，以改善或提高制動(dòng)能量的回收。
3 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)計(jì)
3.1 動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩個(gè)部分。其中，機(jī)械傳動(dòng)部分由電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置的方式而決定。本文選用典型的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)。如圖3.1所示，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)車輪、差速器、減速器、簡(jiǎn)易變速器組成；電氣系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、蓄電池組成。電動(dòng)汽車的其他系統(tǒng)基本與內(nèi)燃機(jī)汽車形同。
圖3.1前輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)
3.2 整車參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)
某款純電動(dòng)汽車的整車參數(shù)由表3.1所示
表格 3.1純電動(dòng)汽車整車性能參數(shù)
參數(shù)
符號(hào)
數(shù)值
整車整備質(zhì)量（kg）
—
1350
滿載質(zhì)量（kg）
m
1650
空氣阻力系數(shù)
CD
0.3
迎風(fēng)面積（m2）
A
1.9
滾動(dòng)阻力系數(shù)
f
0.0144
車輪滾動(dòng)半徑（m）
R
0.3
純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能參數(shù)由表3.2所示
表格 3.2純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能參數(shù)
動(dòng)力性能參數(shù)
符號(hào)
數(shù)值
最高車速（km/h）
Umax
180
最大爬坡度
i
20%
傳動(dòng)系效率
η1
0.92
最大爬坡時(shí)穩(wěn)定車速（km/h）
Ua
25
0~50km/h加速時(shí)間（s）
T
8
50~80km/h加速時(shí)間（s）
T
10
汽車?yán)m(xù)駛里程（km）
S
≥200
3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)確定
電動(dòng)汽車在日常行駛過(guò)程中，不可避免地頻繁地起停和加減速，而減速的過(guò)程也是制動(dòng)能量回收的關(guān)鍵過(guò)程。所以，純電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求比較高。具體要求如下[17] ：
1、在低速或爬坡時(shí)，電機(jī)可以提供較高的的轉(zhuǎn)矩；
2、調(diào)速范圍盡量大，同時(shí)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)要保持較高的運(yùn)行效率；
3、電機(jī)應(yīng)該重量輕，體積??；
4、電動(dòng)機(jī)應(yīng)該能夠在汽車減速時(shí)使用電機(jī)制動(dòng)，將能量回收并儲(chǔ)存至蓄電池，；
5、成本不能過(guò)高，電機(jī)可靠性和環(huán)境適應(yīng)性要優(yōu)秀。
通過(guò)綜合考慮，考慮選用永磁同步電機(jī)為純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)組件，永磁同步電機(jī)較強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩負(fù)載承受能力，較寬的調(diào)速范圍，重量輕，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠等特點(diǎn)對(duì)整車正常平穩(wěn)地運(yùn)行有重要的作用。
3.3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率確定
電動(dòng)機(jī)的功率要依次滿足（1）最高車速要求；（2）最大爬坡度要求；（3）加速性能要求；才能保證電動(dòng)汽車正常行駛。下面根據(jù)表格3.1和3.2中數(shù)據(jù)依次進(jìn)行計(jì)算，從而得到合適的額定功率，峰值功率。
（1） 滿足車輛最高車速的功率Pmax1計(jì)算：
Ρmax1=13600η1(mgfUmax+CDAUmax321.15 （3.1）
代入表3.1和3.2中數(shù)據(jù)可得Pmax1=60.11kw
（2） 滿足車輛最大爬坡度的功率Pmax2計(jì)算：
Pmax2=Ua3600η1mgfcosαmax+mgsinαmax+CDAUa221.15 （3.2）
式中，αmax為最大爬坡角，αmax=arctani100。
代入表3.1和3.2中數(shù)據(jù)可得Pmax2=25.76kw
（3） 滿足加速性能的功率Pmax3計(jì)算：
電動(dòng)汽車加速性能影響整車的性能，而加速性能與后備功率有關(guān)。選擇大功率電機(jī)能夠提高電動(dòng)汽車的加速性能。電動(dòng)機(jī)的功率過(guò)小則會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的加速、爬坡等性能造成影響。但是電機(jī)的功率過(guò)大會(huì)帶來(lái)能耗過(guò)大的問(wèn)題，電動(dòng)機(jī)的效率降低，甚至導(dǎo)致續(xù)駛里程的減少[18]。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，純電動(dòng)汽車在起步加速時(shí)，其速度公式可以表示為：
u=um(ttm)0.5 （3.3）
式中，tm——車輛加速過(guò)程所需時(shí)間
um——車輛加速結(jié)束之后的車速。
假定車輛在筆直路面上加速行駛時(shí)，此過(guò)程的瞬態(tài)總功率可以表示為：
Pall=Pj+Pf+Pw=13600tmη1(δmum2dt+mgfum1.5tm+CDAum321.15×2.5tm) （3.3）
式中， ——加速過(guò)程的總功率；
——滾動(dòng)阻尼功率；
——加速功率；
——空氣阻力功率；
——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，一般取1.0左右。
因此，因此，加速過(guò)程最大功率為：
Pmax3=13600tmη1(δmum22+mgfum1.5tm+CDAum3m21.15×2.5tm) （3.4）
代入表3.2中0~50km/h和50~80km/h的加速時(shí)間要求，可得出Pmax3=80.59kw
汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率Pmax必須同時(shí)滿足三項(xiàng)要求，即：
Pmax≥{Pmax1,Pmax2,Pmax3} （3.5）
由以上分析計(jì)算以及綜合考慮，選用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率為Pmax=82kw
驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率可由下式計(jì)算得出：
P額=Pmaxλ （3.6）
式中，--電機(jī)過(guò)載系數(shù)（的取值范圍一般為2～4，本文取2）
代入計(jì)算可得P額=41kw
3.3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速確定
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高低對(duì)電動(dòng)機(jī)的整體有著很大的影響。當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率相同時(shí)，轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)尺寸、質(zhì)量和成本相對(duì)較小，因此選擇高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)有優(yōu)勢(shì)，然而由于生產(chǎn)制造等方面的原因，轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)成本高，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇也要綜合多方面因素[19]。電動(dòng)機(jī)以 6000r/min 的轉(zhuǎn)速為界限劃分高低速電機(jī)，客車上通常使用的是低速電機(jī)而轎車上通常使用的是高速電機(jī)。本文選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為9000r/min，經(jīng)過(guò)核算，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可以滿足車輛動(dòng)力性要求。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速同額定轉(zhuǎn)速存在一個(gè)比值β ，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與β呈正比關(guān)系[20]，β 取值一般在 2～4，本文取值 2。故電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速范圍為4000r/min～4500r/min。
3.3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩確定
電機(jī)轉(zhuǎn)矩與功率存在關(guān)系，功率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，得出公式：
T額=9550P額n額 （3.7）
代入數(shù)據(jù)可以得到T額=88N?M。同時(shí)由經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算得到 T峰=190N?M
表3.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)
參數(shù)
符號(hào)
數(shù)值
額定功率P額
kw
41
最大功率P峰
kw
82
最高轉(zhuǎn)速n峰
r/min
9000
額定轉(zhuǎn)速n額
r/min
4000~4500
最大轉(zhuǎn)矩Te
Nm
190
額定轉(zhuǎn)矩T額
Nm
88
3.4 蓄電池相關(guān)參數(shù)確定
3.4.1 蓄電池類型的選擇
電池組是純電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中全部能量的來(lái)源，蓄電池的體積、容量、技術(shù)參數(shù)等對(duì)純電動(dòng)汽車的行駛性能、續(xù)駛里程有很大的影響。是純電動(dòng)汽車最重要的一部分。當(dāng)蓄電池的容量過(guò)小時(shí)，續(xù)駛里程短；當(dāng)蓄電池的容量過(guò)大時(shí)，其體積、重量也會(huì)隨之增加，會(huì)增加功率消耗。因此，在選擇蓄電池時(shí)要綜合考慮，不僅要滿足續(xù)駛里程和動(dòng)力性等要求，還要使其質(zhì)量和體積達(dá)到最小。
當(dāng)前，電動(dòng)汽車上可以使用的動(dòng)力電池很多，但主流在汽車上使用的只有三種：鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池。他們各有自己的特點(diǎn)，也有自己特定的使用場(chǎng)景。鉛酸蓄電池價(jià)格低廉，一般用在電動(dòng)自行車或三輪車等短距離行駛車輛上；鎳氫電池價(jià)格相對(duì)便宜，但是能量密度低，適合較大電流放電，一般用在混合動(dòng)力汽車上； 鋰離子電池能量密度、功率密度和循環(huán)壽命等電池性能都很不錯(cuò)，可靠性也強(qiáng)，所以一般用在純電動(dòng)汽車上。
綜合考慮各種實(shí)際運(yùn)行的情況，本文選擇磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力電池。
3.4.2 蓄電池?cái)?shù)量計(jì)算
本文選擇的單個(gè)磷酸鐵鋰電池規(guī)格為3.2V/6Ah。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)純電動(dòng)汽車以U1=40km/h的速度勻速行駛時(shí)，滿電的續(xù)駛里程不應(yīng)少于200km。則單位時(shí)間所需要的功率為：
P1=U13600η1mgf+CDAU1221.15 （3.8）
代入表3.1中數(shù)據(jù)計(jì)算可得 P1=3.3kw
假設(shè)行駛過(guò)程中，汽車上其他用電設(shè)備全部用于工作狀態(tài)，則用電設(shè)備一共需要消耗功率P2=0.7kw，則所需功率一共為P總=P1+P2=4kw。
在此續(xù)航條件下，車輛一共所需要的能量W為：
W=P×t=P×(S÷U1) （3.9）
代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得W=20kwh。
為了滿足能量的要求，需要多個(gè)電池串聯(lián)，即：
W=n×ηt×u×C/1000 （3.10）
式中，n——電池個(gè)數(shù)； ηt ——電池放電深度，本文取0.9；
u——單個(gè)電池的電壓； C——單個(gè)電池的容量；
經(jīng)計(jì)算， n=115.74 取n=117個(gè)
故本設(shè)計(jì)的電池組為117只磷酸鐵鋰電池，單個(gè)規(guī)格為3.2V/14Ah。
本文采用的電池組合方式為三個(gè)一組并聯(lián)，之后39組串聯(lián)。
表3.4 蓄電池組參數(shù)
電池類型
磷酸鐵鋰電池
電池聯(lián)接形式
串聯(lián)
單組標(biāo)稱電壓（V）
3.2
電池組數(shù)
39
單組標(biāo)稱容量（Ah）
42
電池組總電壓（V）
372
3.5 傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)確定
目前，純電動(dòng)汽車的主要駕駛路況在市區(qū)和城市近郊，最低穩(wěn)定車速在3至6km/h，最高車速可達(dá)120km/h左右，電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中所遇到的各種阻力情況復(fù)雜，僅靠電動(dòng)機(jī)的力矩變化是不可能滿足電動(dòng)汽車行駛性能要求的。因此，在電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間需要安裝減速器和變速器，這樣既可以滿足行駛性能要求，也可以使電動(dòng)汽車經(jīng)常保持在高效率的工作范圍內(nèi)，減輕電動(dòng)機(jī)和蓄電池的負(fù)荷。
3.5.1 傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比范圍確定
純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)首先必須保證汽車的最大爬坡度，其次是要滿足汽車的最高車速[21]。同時(shí)，增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程也是選擇傳動(dòng)比考慮的重要方面。
（1） 最小傳動(dòng)比的確定：
i≤0.377*nmax*RUmax （3.11）
i≤i0*ig （3.12）
式中，i0為主減速器的傳動(dòng)比，ig為變速器的傳動(dòng)比，nmax為電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，通過(guò)公式計(jì)算可以得到i≤5.655。
（2） 最大傳動(dòng)比的確定:
i≥FumaxRη1Tumax （3.13）
式中，F(xiàn)umax為汽車行駛時(shí)最高車速的行駛阻力，Tumax為電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)的輸出扭矩，η1位為機(jī)械傳動(dòng)效率。
Fumax=Ff+Fw （3.14）
Ff=mg*fcosαmax （3.15）
Fw=CDAUmax221.15 （3.16）
通過(guò)計(jì)算可以得到i≥6.06
3.5.2 傳動(dòng)系統(tǒng)檔位數(shù)確定
純電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)變速箱傳遞給驅(qū)動(dòng)軸，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)在轉(zhuǎn)速低的時(shí)候轉(zhuǎn)矩大、可以高效率工作的區(qū)域較寬等優(yōu)點(diǎn)，有很好的驅(qū)動(dòng)特性，因此，變速器的擋位不需要太多，暫時(shí)設(shè)定為兩個(gè)擋位。
3.5.3 傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的確定
由于電動(dòng)機(jī)的特性曲線要比發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線更加的理想，可以簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，因此采用兩檔變速器，其中Ⅰ檔用來(lái)起步和加速，Ⅱ檔可以用來(lái)保證汽車的正常運(yùn)行。
通過(guò)以上計(jì)算可以得到變速器的上限傳動(dòng)比和下限傳動(dòng)比分別為 5.655和 6.06，為了換擋的時(shí)候平順，減輕電機(jī)負(fù)荷等，在對(duì)變速器的檔位進(jìn)行選擇的時(shí)候，相鄰兩個(gè)檔位之間的傳動(dòng)比比值要求在1.8以下。通過(guò)查閱相關(guān)資料確定主減速比為 3.8，初定變速器Ⅰ檔、Ⅱ檔傳動(dòng)比為 1.6、1.1。
通過(guò)附錄對(duì)變速器的設(shè)計(jì)計(jì)算Ⅰ檔、Ⅱ檔傳動(dòng)比為 1.58、1.1，實(shí)際的通過(guò)使用所選傳動(dòng)比對(duì)電動(dòng)汽車的最高車速和最大爬坡度進(jìn)行計(jì)算，可以檢驗(yàn)所選傳動(dòng)比能否滿足動(dòng)力性的要求。
（一） 通過(guò)電動(dòng)汽車的最高車速檢驗(yàn)
按照所選的兩檔變速器，電動(dòng)汽車以二擋行駛時(shí)才能達(dá)到最高車速，當(dāng)電動(dòng)汽車以180km/h的最高車速行駛時(shí)，可以通過(guò)下式計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為
n=Umaxigi00.377R （3.17）
代入數(shù)據(jù)計(jì)算的n=8709。此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為：
T=Rη1igi0（mgf+CDAUmax221.15） （3.18）
代入相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到T=65.9N?M。車輪上的驅(qū)動(dòng)力為：
Ft=Tigi0η1R （3.19）
代入數(shù)據(jù)可以得到Ft=1106.03N。由水平方向上行駛的動(dòng)力學(xué)方程可以得到：
∑F=Fi+Fw+Ff+Fj=mgf+CDAUmax221.15 （3.20）
代入數(shù)據(jù)可以得到∑F=1106N。則通過(guò)計(jì)算可以知道Ft>∑F，由此計(jì)算可知此時(shí)能夠滿足最高車速的需要。
（二） 通過(guò)最大爬坡度檢驗(yàn)
通常情況下電動(dòng)汽車使用一檔進(jìn)行爬坡，在爬坡的過(guò)程中電動(dòng)汽車的后備功率達(dá)到最大，這些后備功率可以克服坡度阻力做功以保證電動(dòng)汽車正常行駛，在此情況下電動(dòng)汽車的車速為25km/h，在爬坡的過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩[22]，由上面的計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩為246N?M。由公式3.20可以得到Ft=8860.26N。
電動(dòng)汽車在爬坡時(shí)所受到的阻力為：
∑F=Fi+Fw+Ff=mgfcosα+CDAUmax221.15+mgsinα （3.21）
將數(shù)據(jù)代入公式3.21計(jì)算可得到∑F=3579.01N，通過(guò)對(duì)比可以知道Ft>∑F，此時(shí)的變速器處于一檔時(shí)的驅(qū)動(dòng)力能夠滿足電動(dòng)汽車的爬坡的要求。
表格3.3 傳動(dòng)系參數(shù)
參數(shù)
變速器
主減速器
檔位數(shù)
一檔
二擋
主減速比
傳動(dòng)比
1.58
1.1
3.8
3.6 本章小結(jié)
本章設(shè)計(jì)了一套完整的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，之后參考2017款大眾捷達(dá)的部分整車參數(shù)，分別計(jì)算確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、蓄電池、傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。其中，涉及到的傳動(dòng)系統(tǒng)的校核以及變速器尺寸，將在附錄中給出。
4 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
4.1 制動(dòng)能量回收過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)分析
4.1.1 電機(jī)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的關(guān)系
目前純電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)基本上都是采用機(jī)械制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)相結(jié)合的方式。傳動(dòng)機(jī)械制動(dòng)技術(shù)成熟可靠，能提供的制動(dòng)力矩較大，但是能量浪費(fèi)是其最大問(wèn)題；電機(jī)制動(dòng)由于電機(jī)性能、速度等因素影響，制動(dòng)力矩大小有限，制動(dòng)時(shí)間也較長(zhǎng)，并不能在汽車中中單獨(dú)使用。兩者在電動(dòng)汽車分配關(guān)系為：（1）當(dāng)電動(dòng)汽車制動(dòng)強(qiáng)度低時(shí)，主要采用電機(jī)制動(dòng)以回收更多能量。（2）當(dāng)電動(dòng)汽車制動(dòng)強(qiáng)度較高時(shí)，此時(shí)采用摩擦制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)相結(jié)合，同時(shí)加大電機(jī)制動(dòng)所占比例。（3）當(dāng)汽車緊急制動(dòng)或電機(jī)制動(dòng)失效等情況發(fā)生時(shí)，盡量使用機(jī)械制動(dòng)。
純電動(dòng)汽車的制動(dòng)力分配如圖4.1所示，電動(dòng)汽車制動(dòng)回收控制策略的核心是在確保制動(dòng)性能和安全性能要求的前提下，協(xié)調(diào)電機(jī)制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力的分配關(guān)系，最大限度實(shí)現(xiàn)能量回收。
圖4.1制動(dòng)力分配示意圖
制動(dòng)能量回收階段，車輛的一部分動(dòng)能從車輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到電機(jī)，電機(jī)發(fā)電將電能存儲(chǔ)到蓄電池中。根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)可知汽車行駛方程：
Ft=Ff+Fw+Fi+Fj （4.1）
式中，F(xiàn)t為車輪驅(qū)動(dòng)力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力；
在城市工況下，行駛速度較低，道路平坦，并且所研究的車輛迎風(fēng)面積小，上式可以化簡(jiǎn)為：
Ft=Ff+Fj （4.2）
車輛制動(dòng)時(shí)，加速阻力變?yōu)檐囕v行駛的制動(dòng)力Fb，則汽車的行駛方程變?yōu)椋?
Ft=Ff+Fb （4.3）
在電動(dòng)汽車中，機(jī)械制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)同時(shí)存在。汽車總的制動(dòng)力由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦制動(dòng)力F摩和電機(jī)制動(dòng)力F電共同作用，則：
Fb=F摩+F電 （4.4）
Fb=αF摩-max+βF電-max （4.5）
式中，F(xiàn)摩-max ——摩擦制動(dòng)器提供的最大制動(dòng)力；
F電-max ——電機(jī)所提供的最大制動(dòng)力；
α——機(jī)械摩擦制動(dòng)力的分配系數(shù)0≤α≤1；
β——電機(jī)制動(dòng)力的分配系數(shù)0≤β≤1。
通過(guò)制動(dòng)踏板位移傳感器信號(hào)，調(diào)節(jié)制動(dòng)力分配系數(shù)α和β的值。當(dāng)所需要的制動(dòng)力小于電機(jī)所能提供的最大制動(dòng)矩時(shí)， α為0，制動(dòng)力全部由電機(jī)制動(dòng)提供，制動(dòng)踏板通過(guò)調(diào)節(jié)分配系數(shù)β的值調(diào)節(jié)電機(jī)制動(dòng)的大??；當(dāng)所需要的制動(dòng)力大于電機(jī)所能提供的制動(dòng)力矩時(shí)，電機(jī)提供最大制動(dòng)力，此時(shí)β為1，制動(dòng)踏板通過(guò)調(diào)節(jié)分配系數(shù)α的值調(diào)節(jié)機(jī)械制動(dòng)的大小。
4.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)制動(dòng)
當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)所需要的制動(dòng)力小于電機(jī)制動(dòng)所能提供的最大制動(dòng)力時(shí)，所需的制動(dòng)力全部由電機(jī)產(chǎn)生。
在此狀況下，制動(dòng)方程的推導(dǎo)如下：
純電動(dòng)汽車的總負(fù)載功率為：
Pt=F?u=（Ff+Fb）?ua （4.6）
式中，ua——瞬時(shí)車速。
在制動(dòng)過(guò)程中，傳動(dòng)系統(tǒng)的瞬時(shí)功率P1為：
P1=Fb?ua （4.7）
開始制動(dòng)時(shí)刻t1汽車的動(dòng)能E1為：
E1=12mu12 （4.8）
式中，m——整車滿載質(zhì)量；u1——車輛在制動(dòng)初時(shí)刻t1的瞬時(shí)速度。
制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻t2汽車的動(dòng)能E1為：
E2=12mu22 （4.9）
式中，u2——車輛在制動(dòng)初時(shí)刻t2的瞬時(shí)速度。
在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，消耗的能量?E為：
?E=E1-E1=12m（u12-u22） （4.10）
根據(jù)能量守恒定律可得：
?E=Pt?dt=ΣF?u?dt=Ff+Ffua?dt （4.11）
設(shè)：
Eb=Fb?ua?dt
Ef=Ff?ua?dt
則：
?E=Eb-Ef （4.12）
其中，Ef=Ff?ua?dt=Ffua?dt=Ff?S
式中，S——制動(dòng)距離。
制動(dòng)過(guò)程中，輸入驅(qū)動(dòng)電機(jī)的瞬時(shí)功率P2為：P2=η1?P1=Mω
式中，η1——傳動(dòng)系統(tǒng)的效率；
M——驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；
ω——驅(qū)動(dòng)電機(jī)角速度。
制動(dòng)過(guò)程中，輸入驅(qū)動(dòng)電機(jī)的瞬時(shí)功率P3為：P3=η2?P2=η1?η2?P1
式中，η2——驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)下的效率。
制動(dòng)過(guò)程中，輸入蓄電池的瞬時(shí)功率P4為：P4=η3?P3=η1?η2?η3? P1
式中，η3——蓄電池的工作效率。
因此，制動(dòng)過(guò)程中，可回收的總能量E4為：
E4=P4?dt=η1?η2?η3? P1?dt=η1?η2?η3P1?dt=η1?η2?η3?Eb
E4=η1?η2?η3?E-Ef=η1?η2?η3?E-Ff?S （4.13）
汽車在制動(dòng)過(guò)程中的瞬時(shí)速度ua為：ua=u1-at=u1-（Ff+Fb）mdt
通過(guò)以上分析，當(dāng)車輛所需的總制動(dòng)力小于驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以提供的最大制動(dòng)力時(shí)，制動(dòng)力可以完全由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供。由式4.13可知，當(dāng)始末車速確定時(shí)，可回收的制動(dòng)能量與制動(dòng)距離有關(guān)。
4.1.3 電機(jī)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)混合制動(dòng)
當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)所需的總制動(dòng)力大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以提供的最大制動(dòng)力時(shí)，總制動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大的制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力共同提供。在此狀況下，相關(guān)制動(dòng)方程的推導(dǎo)如下所示：
驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)力矩為：T1=T1max=CTΦImax （4.14）
式中，CT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；
Φ——通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的磁通量；
Imax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)在當(dāng)前功率下的最大制動(dòng)電流。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用在驅(qū)動(dòng)輪上的制動(dòng)力F1為：F1=T1?ig?i0r （4.15）
式中，ig——變速器傳動(dòng)比；
i0——主減速器傳動(dòng)比；
r——車輪半徑。
機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)作用在車輪上的制動(dòng)力F2=βF2max （4.16）
因此，系統(tǒng)可以提供的總制動(dòng)力F為：
F=F1+F2=CTΦImaxigi0r+βF2max （4.17）
汽車在制動(dòng)過(guò)程中的瞬時(shí)速度ua為：
ua=u1-at=u1-（Ff+Fb）mdt （4.18）
因此，制動(dòng)過(guò)程中，可以回收的總能量E4為：
E4=η3?U?Imax?dt=η3?U?Imax?t （4.19）
通過(guò)以上分析可知，當(dāng)車輛在制動(dòng)時(shí)所需的總制動(dòng)力大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠提供的最大制動(dòng)力時(shí)，所產(chǎn)生的制動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大制動(dòng)力和機(jī)械摩擦制動(dòng)力共同提供。由式4.19可知，可回收的制動(dòng)能量與制動(dòng)時(shí)間有關(guān)。
4.2 最佳制動(dòng)力分配控制策略
從提高制動(dòng)能量回收的角度出發(fā)，在滿足安全性和制動(dòng)需求的前提下，電機(jī)提供的制動(dòng)力理論上是越大越好。但是電機(jī)制動(dòng)力的大小受限于前后輪制動(dòng)力分配比例和汽車具體的制動(dòng)情況，同時(shí)前后輪制動(dòng)力的分配需要滿足相關(guān)法律法規(guī)的要求。
如圖4.2所示，本文設(shè)計(jì)了一種制動(dòng)力分配策略，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB7258-2012）要求，行車制動(dòng)系統(tǒng)的踏板的自由行程應(yīng)符合該車型的技術(shù)條件。本文設(shè)計(jì)的控制策略不會(huì)改變?cè)苿?dòng)系統(tǒng)的自由行程，能夠滿足法規(guī)的要求。
在該制動(dòng)策略中，制動(dòng)踏板開度越大，相應(yīng)制動(dòng)減速度越大，制動(dòng)力變化過(guò)程為：
（1） OA段，制動(dòng)踏板的自由行程，無(wú)制動(dòng)力；
（2） AB段，前輪僅施加電機(jī)制動(dòng)力，前后輪無(wú)制動(dòng)力；
（3） BC段，電機(jī)制動(dòng)力達(dá)到最大值，前輪機(jī)械制動(dòng)力逐漸增大，后輪正常施加機(jī)械制動(dòng)力；
（4） CD段，車輛緊急制動(dòng)情況下，機(jī)械制動(dòng)完全代替常規(guī)制動(dòng)。
圖4.2制動(dòng)力分配示意圖
在此，當(dāng)制動(dòng)減速度小于0.2g時(shí)，制動(dòng)力可以完全由電機(jī)制動(dòng)提供，也就是圖中的B點(diǎn)處。當(dāng)制動(dòng)減速度大于0.2g而小于0.7g時(shí)，施加在前后輪的制動(dòng)力依據(jù)制動(dòng)力分配曲線進(jìn)行分配，但此時(shí)前軸的總制動(dòng)力是由電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)共同組成的。當(dāng)制動(dòng)減速度大于0.7g時(shí)，也就是圖中的C點(diǎn)，屬于緊急制動(dòng)，此時(shí)制動(dòng)力完全由機(jī)械制動(dòng)提供。
4.3 本章小結(jié)
本章對(duì)制動(dòng)能量回收過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出了在不同制動(dòng)模式下，機(jī)械摩擦制動(dòng)和再生制動(dòng)的比例分配關(guān)系；最后確定了系統(tǒng)的控制策略。
5 基于ADVISOR的仿真分析
5.1 ADVISOR簡(jiǎn)介
ADVISOR是由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室NERL在MATLAB和Simulink軟件環(huán)境下開發(fā)的高級(jí)車輛仿真軟件。該仿真軟件用基本物理學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)的汽車部件為車輛建模，從而得到車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能、加速性能和爬坡性能。但是在該軟件的模型下所得到的結(jié)果是經(jīng)驗(yàn)性的，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有出入，同時(shí)它也極大依賴于動(dòng)力傳動(dòng)組件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)[23]。
ADVISOR的操作界面簡(jiǎn)單易操作，用戶可以單獨(dú)定義子文件參數(shù)，這樣極大方便了軟件的二次開發(fā)，軟件的界面圖形如圖5.1、5.2所示：
圖5.1 ADVISOR界面圖形
圖5.2 ADVISOR參數(shù)修改界面
5.1.1 ADVISOR軟件仿真方法
如圖5.3所示，ADVISOER軟件按照動(dòng)力的流向建立了仿真模型，并且在MATLAB和Simulink的軟件下運(yùn)行，同時(shí)此軟件也能對(duì)汽車的多個(gè)性能進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。
圖5.3 ADVISOR仿真流程圖
該軟件的仿真過(guò)程有兩步：
1）用標(biāo)準(zhǔn)的或者二次開發(fā)的部件以及車輛數(shù)據(jù)定義車輛。
2）規(guī)定車輛工作的路況，行駛坡度等條件。
然后讓車輛滿足道路循環(huán)以及動(dòng)力性要求，并測(cè)出從一個(gè)部件到另一部件的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電壓和功率等參數(shù)。ADVISOR可得到：
1．估算汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性
2．分析混合動(dòng)力汽車或電動(dòng)汽車如何通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)利用或損耗能量
3．比較各種循環(huán)工況的排放情況
4．評(píng)估混合動(dòng)力汽車的控制邏輯
5．優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比使燃油消耗或電池電量消耗達(dá)到最小或性能最優(yōu)
6．能量在傳統(tǒng)汽車、電動(dòng)汽車、混合電動(dòng)汽車中動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳遞[24]
5.2 純電動(dòng)汽車模型的建立
5.2.1 整車模型的建立
ADVISOR軟件中有多種類型整車的模型，我可以利用這些已經(jīng)建立好的模型或主要部件，來(lái)對(duì)本文中提出的制動(dòng)能量回收策略進(jìn)行仿真。整車以及各個(gè)部件的模型參數(shù)需要通過(guò)整車參數(shù)及技術(shù)要求確定，然后加入我的控制策略完成車輛模型參數(shù)的設(shè)計(jì)。整車模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.4所示。
圖5.4整車模型結(jié)構(gòu)示意圖
純電動(dòng)汽車的整車仿真模型由控制方法和零部件構(gòu)成，本文中選用的車輛為純電動(dòng)汽車模型（EV_defaults_in模型，如圖5.5），該整車仿真模型由循環(huán)工況 、主減速器 、變速箱 、電機(jī)控制器 和能量存儲(chǔ)裝置等組成[25]。
此模型先進(jìn)行后向仿真，信息依次向后一級(jí)傳遞，得到電機(jī)功率；然后進(jìn)行前向仿真，根據(jù)相關(guān)汽車參數(shù)得到實(shí)際的車速。在給定的工況下，該模型會(huì)根據(jù)控制策略的不同，調(diào)整各部件的響應(yīng)時(shí)間或狀態(tài)，從而最后得到該模型的油耗、電池使用狀態(tài)等信息。
圖5.5純電動(dòng)汽車仿真模型
5.2.1 制動(dòng)控制策略模型的建立
制動(dòng)能量回收控制策略流程圖如圖5.6所示，本設(shè)計(jì)所提出的的制動(dòng)策略規(guī)定，在制動(dòng)減速度小于0.2g時(shí)，制動(dòng)力全部電機(jī)產(chǎn)生；當(dāng)制動(dòng)減速度大于0.2g而小于0.7g時(shí)，施加在前后輪的制動(dòng)力依據(jù)制動(dòng)力分配曲線進(jìn)行分配，但此時(shí)前軸的總制動(dòng)力是由電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)共同組成的；當(dāng)制動(dòng)減速度大于0.7g時(shí)，此時(shí)制動(dòng)力全部由機(jī)械制動(dòng)提供。
圖5.6制動(dòng)能量控制策略流程圖
在ADVISOR中，制動(dòng)控制策略分