電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案設(shè)計與控制研究含開題、CATIA三維及3張CAD圖

電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案設(shè)計與控制研究含開題、CATIA三維及3張CAD圖,電動汽車,制動,能量,回收,系統(tǒng),方案設(shè)計,控制,研究,開題,CATIA,三維,CAD XX設(shè)計說明書 電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案 設(shè)計與控制研究 XX XX XX 學(xué)生姓名： 學(xué)號： XX 學(xué) 院： XX 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 20XX年6月 設(shè)計說明書 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(jìn)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(jī)、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(jìn)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(jìn)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(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 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(jī)相關(guān)參數(shù)確定 10 3.3.1 驅(qū)動電機(jī)功率確定 10 3.3.2 驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速確定 12 3.3.3 驅(qū)動電機(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(jī)制動與機(jī)械制動的關(guān)系 17 4.1.2 驅(qū)動電機(jī)單獨制動 18 4.1.3 電機(jī)制動與機(jī)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(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(qiáng)度計算 39 參 考 文 獻(xiàn) 41 致 謝 43 III 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(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(yùn)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(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(jìn)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(jī)的可逆性，即電動機(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]。 第 3 頁 共 48 頁 設(shè)計說明書 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(jī)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(jī)使大部分工業(yè)發(fā)達(dá)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(jī)，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(jìn)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(yùn)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(jī)械制動和電機(jī)制動的比例關(guān)系，提高能量回收效率[9][10]。 美國純電動汽車的研究開發(fā)也得到政府非常大力度地支持，通用汽車公司在純電動汽車方面也一直有新成果，先后推出了GMEVl純電動跑車和第一個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)合起來的汽車他起名為“自主魔力”，該車實現(xiàn)了制動能量的回收。A.M Walker和F.AWczalk研究了制動能量回收系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)的兼容工作的思路，同時通過調(diào)節(jié)電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩和制動器轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)對制動能量回收和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)電動汽車，他們將再生制動系統(tǒng)與汽車的ABS系統(tǒng)結(jié)合起來，通過驅(qū)動電機(jī)和制動器的協(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)行了制動能量回收實驗，他們在重量為16噸的汽車上安裝了質(zhì)量為300kg、平均轉(zhuǎn)速為1000r/min，可以無級變速的飛輪作為儲能裝置，當(dāng)引擎功率為105kw時，其儲能高達(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，和其它普通公交車相比，這種公交車裝配有制動能量回收裝置，經(jīng)過一段時間的統(tǒng)計，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)計主要研究純電動汽車制動時的能量回收方案。制動能量回收是利用驅(qū)動電機(jī)的可逆性將動能轉(zhuǎn)化為電能，同時由電機(jī)提供制動力矩幫助汽車實現(xiàn)制動停車。擁有制動能量回收系統(tǒng)的電動汽車在制動過程中，動能的一部分經(jīng)過傳動系統(tǒng)流向驅(qū)動電機(jī)，此時電機(jī)開始發(fā)電，將制動能量轉(zhuǎn)化成電能儲存在蓄電池中，這樣可以有效延長電動汽車的續(xù)駛里程[12]。本設(shè)計參考的主要車型為前驅(qū)型電動汽車，所以在前后輪制動力分配上，本設(shè)計還將根據(jù)所提出的的制動方案和驅(qū)動機(jī)、傳動系等的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。同時，對于驅(qū)動電機(jī)再生制動和傳統(tǒng)的機(jī)械制動的比例分配，調(diào)用時機(jī)上，也需要利用Matlab軟件進(jìn)行計算，選出最優(yōu)解。 2 電動汽車制動能量回收的原理與控制策略研究 2.1 制動能量回收技術(shù)的基本原理 制動能量回收是電動汽車最重要的特性之一，因為在純電動汽車上，做為驅(qū)動裝置的驅(qū)動電機(jī)同時也具有發(fā)電功能。電動汽車在制動過程中，汽車的一部分動能通過車輪，傳動軸等傳向驅(qū)動電機(jī)，此時，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，向蓄電池充電。同時，電機(jī)發(fā)電時產(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，為了回收制動能量，電動汽車通常都是利用電動機(jī)的發(fā)電能力而設(shè)計的再生制動系統(tǒng)。而電動機(jī)提供的阻力矩是不能完全滿足汽車制動要求的。所以在電動汽車制動系統(tǒng)中機(jī)械制動與電機(jī)制動應(yīng)該同時存在。 圖2.1 制動能量回收基本原理 2.2 制動能量回收控制策略 用電機(jī)制動來回收能量使得電動汽車制動面臨兩個問題。第一是如何在電機(jī)制動和機(jī)械摩擦制動之間合理分配制動力，從而回收更多的能量；第二是如何分配前后軸之間的制動力，從而以達(dá)到穩(wěn)定可靠的制動效果。所以，制動力分配是制動能量回收控制策略的核心問題。，它直接決定了能否在保持制動穩(wěn)定和安全的前提下，盡可能多地回收制動能量。目前，電動汽車制動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，又有兩個不同的分類：1）理想制動力分配控制策略；2）最佳制動能量回收控制策略[13]。 2.1.1 并聯(lián)式控制策略 并聯(lián)式制動能量回收控制策略包括電機(jī)制動系統(tǒng)控制和機(jī)械摩擦制動系統(tǒng)控制。在制動力分配方面：并聯(lián)式的機(jī)械制動力和傳統(tǒng)汽車的機(jī)械制動力相同，是按照一定比例分配的。同時驅(qū)動輪上也有電機(jī)制動力存在，當(dāng)制動踏板行程小于某一個設(shè)定值時，汽車的制動力全部都由電機(jī)制動提供，隨著踏板行程的增大，電機(jī)制動強(qiáng)度也逐步加大，當(dāng)制動踏板行程大于到某個程度時，這時屬于緊急制動，電機(jī)制動逐漸減小為零，此時前后輪制動力分配按傳統(tǒng)I曲線線分配，以縮短制動距離，提高制動安全性。圖2.2為在并聯(lián)式控制下的電機(jī)制動力的變化，圖2.3為汽車制動系統(tǒng)總體制動力分配圖（以踏板行程為參考） 圖2.2并聯(lián)制動能量回收控制策略 圖2.3并聯(lián)式 2.1.2 串聯(lián)式控制策略 串聯(lián)式制動能量回收控制策略同樣也主要有兩個方面：電機(jī)制動與機(jī)械制動力的分配和前后輪制動的分配。在制動先后順序上，串聯(lián)式會優(yōu)先使用電機(jī)制動， 而不是機(jī)械制動，這樣可以更加充分的利用電機(jī)制動，從而回收更多的能量。同時為了提高制動能量的回收率，可以盡量增大電機(jī)制動力占總制動力的比例，但對于前輪驅(qū)動的汽車來說，電機(jī)制動只在前輪上起作用，因此電機(jī)制動與摩擦制動之間的分配比例關(guān)系受前后輪制動力分配的限制。圖2.4為在串聯(lián)式控制策略下汽車制動系統(tǒng)總體制動力分配圖（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不同的分類： （1） 理想制動力分配控制策略 理想的制動力分配控制策略原理如圖2.5所示。汽車制動控制器根據(jù)制動踏板位置傳感器的數(shù)據(jù)，可以分析計算出汽車制動減速度，當(dāng)制動減速度小于某一具體數(shù)值時，汽車所需制動力全部由電機(jī)提供，后輪無制動力。當(dāng)制動減速度大于某一具體數(shù)值時，汽車前后輪上的制動力將按照理想的制動力分布曲線進(jìn)行分配。 （2） 最佳制動能量回收控制策略 最佳能量回收控制策略的重點是盡可能多地回收制動能量。其前后輪制動力分配方法如圖2.6所示。其控制思路為： 1) 當(dāng)汽車的制動強(qiáng)度小于路面附著系數(shù)時，前后輪制動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力。 2）如果制動強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于路面附著系數(shù)，整車制動僅由電機(jī)制動力提供。 3）當(dāng)車輛制動強(qiáng)度大于某一數(shù)值時，前后輪制動力分配點落在I曲線上，當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)很大時，電機(jī)制動力無法滿足制動要求，剩余部分機(jī)械制動系統(tǒng)提供。當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)夠較小時，只用電機(jī)制動力制動。 2.1.3 幾種控制策略的對比與分析 并聯(lián)式控制策略優(yōu)勢有：1、不需要控制機(jī)械制動力的大小，僅需要控制電機(jī)制動力大小；2、結(jié)構(gòu)簡單可靠，制造成本低；3當(dāng)電機(jī)制動失效時，機(jī)械制動仍可發(fā)揮作用，制動安全性好；。其缺點是制動能量回收效率低，在城市行駛的工況下，其能量回收率幾乎可以忽略不計。當(dāng)電機(jī)回饋制動力變化時總制動力也發(fā)生變化，制動感覺不好。 串聯(lián)式控制策略優(yōu)點有：1、制動能量回收效率高；2、制動感覺比較好，駕駛員有與傳統(tǒng)汽車相同的制動感覺；3、制動力分配精準(zhǔn)，車輛制動穩(wěn)定性更好。缺點：需要對原有制動系統(tǒng)改造，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高。 Motomu Hakiai,和Toshio Taiche曾在在實驗中測試了一款由美國科學(xué)院研發(fā)的小型混合動力電動汽車的制動能量回收性能，通過對數(shù)據(jù)的對比分析，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，對整車的續(xù)駛里程幾乎沒有什么實質(zhì)性的提高。但是若想提高能量回收效率，則會犧牲駕駛舒適性。Michael Panagiote團(tuán)隊的仿真研究發(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，國內(nèi)外各大汽車公司在設(shè)計混合動力汽車的能量回收方案時，開始逐步向串聯(lián)式過渡。所以本文選擇串聯(lián)式控制策略進(jìn)行研究[14]。 2.3 制動能量回收的影響因素 汽車在制動過程當(dāng)中受到的阻力主要有滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力和制動器的摩擦制動力等，對于安裝有制動能量回收裝置的純電動汽車而言，還要受到驅(qū)動電機(jī)的制動力。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]。事實上，制動能量回收的多少與摩擦制動力和電機(jī)制動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，制動能量回收的影響因素主要包括一下幾個方面： （1）驅(qū)動電機(jī)。驅(qū)動電機(jī)的制動能力越強(qiáng)，電機(jī)制動比例相應(yīng)越高，從而制動回收的能量越多。其次就是電機(jī)的發(fā)電能力直接影響制動能量回收的多少。因此，驅(qū)動電機(jī)的類型、輸出功率、效率等都會影響能量回收。 （2）能量存儲裝置。能量存儲裝置既可以輸出能量，又可以作為制動能量回收的儲存裝置。能量存儲裝置主要有蓄電池、超級電容和高速飛輪等幾類，目前在電動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方面。 當(dāng)蓄電池過度充電或者過度放電時，SOC便會超過其范圍，此時對蓄電池會造成不利影響。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)等都會對純電動汽車的使用性能產(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)制動力和機(jī)械制動力等便屬于控制策略的范圍。合理的控制策略不僅能達(dá)到最佳的制動效果，而且可以最大限度地回收制動能量，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)動形式等都會對能量回收產(chǎn)生影響。 2.4 本章小結(jié) 本章簡單介紹了制動能量回收的原理，并介紹對比了幾種主流的制動能量回收控制策略，同時從驅(qū)動電機(jī)、能量儲存裝置、控制策略、環(huán)境等方面闡述了他們對制動能量回收的影響。本文主要就控制策略方面入手剖析，以改善或提高制動能量的回收。 3 電動汽車動力系統(tǒng)方案設(shè)計及參數(shù)設(shè)計 3.1 動力系統(tǒng)方案設(shè)計 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)包括機(jī)械傳動系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩個部分。其中，機(jī)械傳動部分由電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)布置的方式而決定。本文選用典型的純電動汽車動力系統(tǒng)。如圖3.1所示，機(jī)械傳動系統(tǒng)由驅(qū)動車輪、差速器、減速器、簡易變速器組成；電氣系統(tǒng)由驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器、蓄電池組成。電動汽車的其他系統(tǒng)基本與內(nèi)燃機(jī)汽車形同。 圖3.1前輪驅(qū)動的電動汽車動力系統(tǒng) 3.2 整車參數(shù)及動力參數(shù) 某款純電動汽車的整車參數(shù)由表3.1所示 表格 3.1純電動汽車整車性能參數(shù) 參數(shù) 符號 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 滾動阻力系數(shù) f 0.0144 車輪滾動半徑（m） R 0.3 純電動汽車的動力性能參數(shù)由表3.2所示 表格 3.2純電動汽車動力性能參數(shù) 動力性能參數(shù) 符號 數(shù)值 最高車速（km/h） Umax 180 最大爬坡度 i 20% 傳動系效率 η1 0.92 最大爬坡時穩(wěn)定車速（km/h） Ua 25 0~50km/h加速時間（s） T 8 50~80km/h加速時間（s） T 10 汽車?yán)m(xù)駛里程（km） S ≥200 3.3 驅(qū)動電機(jī)相關(guān)參數(shù)確定 電動汽車在日常行駛過程中，不可避免地頻繁地起停和加減速，而減速的過程也是制動能量回收的關(guān)鍵過程。所以，純電動汽車對驅(qū)動電機(jī)的要求比較高。具體要求如下[17] ： 1、在低速或爬坡時，電機(jī)可以提供較高的的轉(zhuǎn)矩； 2、調(diào)速范圍盡量大，同時在整個調(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、電動機(jī)應(yīng)該能夠在汽車減速時使用電機(jī)制動，將能量回收并儲存至蓄電池，； 5、成本不能過高，電機(jī)可靠性和環(huán)境適應(yīng)性要優(yōu)秀。 通過綜合考慮，考慮選用永磁同步電機(jī)為純電動汽車動力系統(tǒng)的驅(qū)動組件，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)簡單，運(yùn)行可靠等特點對整車正常平穩(wěn)地運(yùn)行有重要的作用。 3.3.1 驅(qū)動電機(jī)功率確定 電動機(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計算： 電動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)能夠提高電動汽車的加速性能。電動機(jī)的功率過小則會對電動汽車的加速、爬坡等性能造成影響。但是電機(jī)的功率過大會帶來能耗過大的問題，電動機(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，純電動汽車在起步加速時，其速度公式可以表示為： u=um(ttm)0.5 （3.3） 式中，tm——車輛加速過程所需時間 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，此過程的瞬態(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，——加速過程的總功率； ——滾動阻尼功率； ——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的加速時間要求，可得出Pmax3=80.59kw 汽車驅(qū)動電機(jī)的峰值功率Pmax必須同時滿足三項要求，即： Pmax≥{Pmax1,Pmax2,Pmax3} （3.5） 由以上分析計算以及綜合考慮，選用驅(qū)動電機(jī)的峰值功率為Pmax=82kw 驅(qū)動電機(jī)的額定功率可由下式計算得出： P額=Pmaxλ （3.6） 式中，--電機(jī)過載系數(shù)（的取值范圍一般為2～4，本文取2） 代入計算可得P額=41kw 3.3.2 驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速確定 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速高低對電動機(jī)的整體有著很大的影響。當(dāng)電動機(jī)功率相同時，轉(zhuǎn)速高的電動機(jī)尺寸、質(zhì)量和成本相對較小，因此選擇高轉(zhuǎn)速電動機(jī)有優(yōu)勢，然而由于生產(chǎn)制造等方面的原因，轉(zhuǎn)速高的電動機(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)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為9000r/min，經(jīng)過核算，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可以滿足車輛動力性要求。 驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速同額定轉(zhuǎn)速存在一個比值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。同時由經(jīng)驗公式可以計算得到 T峰=190N?M 表3.3驅(qū)動電機(jī)的參數(shù) 參數(shù) 符號 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 電池組是純電動汽車運(yùn)行過程中全部能量的來源，蓄電池的體積、容量、技術(shù)參數(shù)等對純電動汽車的行駛性能、續(xù)駛里程有很大的影響。是純電動汽車最重要的一部分。當(dāng)蓄電池的容量過小時，續(xù)駛里程短；當(dāng)蓄電池的容量過大時，其體積、重量也會隨之增加，會增加功率消耗。因此，在選擇蓄電池時要綜合考慮，不僅要滿足續(xù)駛里程和動力性等要求，還要使其質(zhì)量和體積達(dá)到最小。 當(dāng)前，電動汽車上可以使用的動力電池很多，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，也有自己特定的使用場景。鉛酸蓄電池價格低廉，一般用在電動自行車或三輪車等短距離行駛車輛上；鎳氫電池價格相對便宜，但是能量密度低，適合較大電流放電，一般用在混合動力汽車上； 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，可靠性也強(qiáng)，所以一般用在純電動汽車上。 綜合考慮各種實際運(yùn)行的情況，本文選擇磷酸鐵鋰電池作為動力電池。 3.4.2 蓄電池數(shù)量計算 本文選擇的單個磷酸鐵鋰電池規(guī)格為3.2V/6Ah。根據(jù)設(shè)計要求，當(dāng)純電動汽車以U1=40km/h的速度勻速行駛時，滿電的續(xù)駛里程不應(yīng)少于200km。則單位時間所需要的功率為： P1=U13600η1mgf+CDAU1221.15 （3.8） 代入表3.1中數(shù)據(jù)計算可得 P1=3.3kw 假設(shè)行駛過程中，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)計算可得W=20kwh。 為了滿足能量的要求，需要多個電池串聯(lián)，即： W=n×ηt×u×C/1000 （3.10） 式中，n——電池個數(shù)； ηt——電池放電深度，本文取0.9； u——單個電池的電壓； C——單個電池的容量； 經(jīng)計算， n=115.74 取n=117個 故本設(shè)計的電池組為117只磷酸鐵鋰電池，單個規(guī)格為3.2V/14Ah。 本文采用的電池組合方式為三個一組并聯(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 傳動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)確定 目前，純電動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，電動汽車在行駛過程中所遇到的各種阻力情況復(fù)雜，僅靠電動機(jī)的力矩變化是不可能滿足電動汽車行駛性能要求的。因此，在電動機(jī)和驅(qū)動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，也可以使電動汽車經(jīng)常保持在高效率的工作范圍內(nèi)，減輕電動機(jī)和蓄電池的負(fù)荷。 3.5.1 傳動系統(tǒng)傳動比范圍確定 純電動汽車傳動系統(tǒng)的傳動比設(shè)計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，增加電動汽車的續(xù)駛里程也是選擇傳動比考慮的重要方面。 （1） 最小傳動比的確定： i≤0.377?nmax?RUmax （3.11） i≤i0?ig （3.12） 式中，i0為主減速器的傳動比，ig為變速器的傳動比，nmax為電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，通過公式計算可以得到i≤5.655。 （2） 最大傳動比的確定: i≥FumaxRη1Tumax （3.13） 式中，F(xiàn)umax為汽車行駛時最高車速的行駛阻力，Tumax為電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速時的輸出扭矩，η1位為機(jī)械傳動效率。 Fumax=Ff+Fw （3.14） Ff=mg?fcosαmax （3.15） Fw=CDAUmax221.15 （3.16） 通過計算可以得到i≥6.06 3.5.2 傳動系統(tǒng)檔位數(shù)確定 純電動汽車行駛過程中，驅(qū)動電機(jī)的動力通過變速箱傳遞給驅(qū)動軸，由于驅(qū)動電機(jī)在轉(zhuǎn)速低的時候轉(zhuǎn)矩大、可以高效率工作的區(qū)域較寬等優(yōu)點，有很好的驅(qū)動特性，因此，變速器的擋位不需要太多，暫時設(shè)定為兩個擋位。 3.5.3 傳動系統(tǒng)傳動比的確定 由于電動機(jī)的特性曲線要比發(fā)動機(jī)的特性曲線更加的理想，可以簡化傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，因此采用兩檔變速器，其中Ⅰ檔用來起步和加速，Ⅱ檔可以用來保證汽車的正常運(yùn)行。 通過以上計算可以得到變速器的上限傳動比和下限傳動比分別為 5.655和 6.06，為了換擋的時候平順，減輕電機(jī)負(fù)荷等，在對變速器的檔位進(jìn)行選擇的時候，相鄰兩個檔位之間的傳動比比值要求在1.8以下。通過查閱相關(guān)資料確定主減速比為 3.8，初定變速器Ⅰ檔、Ⅱ檔傳動比為 1.6、1.1。 通過附錄對變速器的設(shè)計計算Ⅰ檔、Ⅱ檔傳動比為 1.58、1.1，實際的通過使用所選傳動比對電動汽車的最高車速和最大爬坡度進(jìn)行計算，可以檢驗所選傳動比能否滿足動力性的要求。 （一） 通過電動汽車的最高車速檢驗 按照所選的兩檔變速器，電動汽車以二擋行駛時才能達(dá)到最高車速，當(dāng)電動汽車以180km/h的最高車速行駛時，可以通過下式計算得到驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n=Umaxigi00.377R （3.17） 代入數(shù)據(jù)計算的n=8709。此時電機(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。則通過計算可以知道Ft>∑F，由此計算可知此時能夠滿足最高車速的需要。 （二） 通過最大爬坡度檢驗 通常情況下電動汽車使用一檔進(jìn)行爬坡，在爬坡的過程中電動汽車的后備功率達(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汽車正常行駛，在此情況下電動汽車的車速為25km/h，在爬坡的過程中電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩[22]，由上面的計算得到電動機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩為246N?M。由公式3.20可以得到Ft=8860.26N。 電動汽車在爬坡時所受到的阻力為： ∑F=Fi+Fw+Ff=mgfcosα+CDAUmax221.15+mgsinα （3.21） 將數(shù)據(jù)代入公式3.21計算可得到∑F=3579.01N，通過對比可以知道Ft>∑F，此時的變速器處于一檔時的驅(qū)動力能夠滿足電動汽車的爬坡的要求。 表格3.3 傳動系參數(shù) 參數(shù) 變速器 主減速器 檔位數(shù) 一檔 二擋 主減速比 傳動比 1.58 1.1 3.8 3.6 本章小結(jié) 本章設(shè)計了一套完整的電動汽車動力系統(tǒng)，之后參考2017款大眾捷達(dá)的部分整車參數(shù)，分別計算確定了驅(qū)動電機(jī)、蓄電池、傳動系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。其中，涉及到的傳動系統(tǒng)的校核以及變速器尺寸，將在附錄中給出。 4 電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案設(shè)計 4.1 制動能量回收過程中的動力學(xué)分析 4.1.1 電機(jī)制動與機(jī)械制動的關(guān)系 目前純電動汽車制動系統(tǒng)基本上都是采用機(jī)械制動與電機(jī)制動相結(jié)合的方式。傳動機(jī)械制動技術(shù)成熟可靠，能提供的制動力矩較大，但是能量浪費(fèi)是其最大問題；電機(jī)制動由于電機(jī)性能、速度等因素影響，制動力矩大小有限，制動時間也較長，并不能在汽車中中單獨使用。兩者在電動汽車分配關(guān)系為：（1）當(dāng)電動汽車制動強(qiáng)度低時，主要采用電機(jī)制動以回收更多能量。（2）當(dāng)電動汽車制動強(qiáng)度較高時，此時采用摩擦制動和電機(jī)制動相結(jié)合，同時加大電機(jī)制動所占比例。（3）當(dāng)汽車緊急制動或電機(jī)制動失效等情況發(fā)生時，盡量使用機(jī)械制動。 純電動汽車的制動力分配如圖4.1所示，電動汽車制動回收控制策略的核心是在確保制動性能和安全性能要求的前提下，協(xié)調(diào)電機(jī)制動力與機(jī)械制動力的分配關(guān)系，最大限度實現(xiàn)能量回收。 圖4.1制動力分配示意圖 制動能量回收階段，車輛的一部分動能從車輪通過傳動系統(tǒng)傳遞到電機(jī)，電機(jī)發(fā)電將電能存儲到蓄電池中。根據(jù)汽車動力學(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)動力；Ff為滾動阻力；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，上式可以化簡為： Ft=Ff+Fj （4.2） 車輛制動時，加速阻力變?yōu)檐囕v行駛的制動力Fb，則汽車的行駛方程變?yōu)椋? Ft=Ff+Fb （4.3） 在電動汽車中，機(jī)械制動與電機(jī)制動同時存在。汽車總的制動力由機(jī)械制動系統(tǒng)的摩擦制動力F摩和電機(jī)制動力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——摩擦制動器提供的最大制動力； F電?max——電機(jī)所提供的最大制動力； α——機(jī)械摩擦制動力的分配系數(shù)0≤α≤1； β——電機(jī)制動力的分配系數(shù)0≤β≤1。 通過制動踏板位移傳感器信號，調(diào)節(jié)制動力分配系數(shù)α和β的值。當(dāng)所需要的制動力小于電機(jī)所能提供的最大制動矩時， α為0，制動力全部由電機(jī)制動提供，制動踏板通過調(diào)節(jié)分配系數(shù)β的值調(diào)節(jié)電機(jī)制動的大小；當(dāng)所需要的制動力大于電機(jī)所能提供的制動力矩時，電機(jī)提供最大制動力，此時β為1，制動踏板通過調(diào)節(jié)分配系數(shù)α的值調(diào)節(jié)機(jī)械制動的大小。 4.1.2 驅(qū)動電機(jī)單獨制動 當(dāng)車輛制動時所需要的制動力小于電機(jī)制動所能提供的最大制動力時，所需的制動力全部由電機(jī)產(chǎn)生。 在此狀況下，制動方程的推導(dǎo)如下： 純電動汽車的總負(fù)載功率為： Pt=F?u=（Ff+Fb）?ua （4.6） 式中，ua——瞬時車速。 在制動過程中，傳動系統(tǒng)的瞬時功率P1為： P1=Fb?ua （4.7） 開始制動時刻t1汽車的動能E1為： E1=12mu12 （4.8） 式中，m——整車滿載質(zhì)量；u1——車輛在制動初時刻t1的瞬時速度。 制動結(jié)束時刻t2汽車的動能E1為： E2=12mu22 （4.9） 式中，u2——車輛在制動初時刻t2的瞬時速度。 在整個制動過程中，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——制動距離。 制動過程中，輸入驅(qū)動電機(jī)的瞬時功率P2為：P2=η1?P1=Mω 式中，η1——傳動系統(tǒng)的效率； M——驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩； ω——驅(qū)動電機(jī)角速度。 制動過程中，輸入驅(qū)動電機(jī)的瞬時功率P3為：P3=η2?P2=η1?η2?P1 式中，η2——驅(qū)動電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)下的效率。 制動過程中，輸入蓄電池的瞬時功率P4為：P4=η3?P3=η1?η2?η3? P1 式中，η3——蓄電池的工作效率。 因此，制動過程中，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） 汽車在制動過程中的瞬時速度ua為：ua=u1?at=u1?（Ff+Fb）mdt 通過以上分析，當(dāng)車輛所需的總制動力小于驅(qū)動電機(jī)可以提供的最大制動力時，制動力可以完全由驅(qū)動電機(jī)提供。由式4.13可知，當(dāng)始末車速確定時，可回收的制動能量與制動距離有關(guān)。 4.1.3 電機(jī)制動與機(jī)械制動混合制動 當(dāng)車輛制動時所需的總制動力大于驅(qū)動電機(jī)可以提供的最大制動力時，總制動力由驅(qū)動電機(jī)最大的制動力和機(jī)械制動力共同提供。在此狀況下，相關(guān)制動方程的推導(dǎo)如下所示： 驅(qū)動電機(jī)的制動力矩為：T1=T1max=CTΦImax （4.14） 式中，CT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)； Φ——通過驅(qū)動電機(jī)的磁通量； Imax——驅(qū)動電機(jī)在當(dāng)前功率下的最大制動電流。 驅(qū)動電機(jī)作用在驅(qū)動輪上的制動力F1為：F1=T1?ig?i0r （4.15） 式中，ig——變速器傳動比； i0——主減速器傳動比； r——車輪半徑。 機(jī)械制動系統(tǒng)作用在車輪上的制動力F2=βF2max （4.16） 因此，系統(tǒng)可以提供的總制動力F為： F=F1+F2=CTΦImaxigi0r+βF2max （4.17） 汽車在制動過程中的瞬時速度ua為： ua=u1?at=u1?（Ff+Fb）mdt （4.18） 因此，制動過程中，可以回收的總能量E4為： E4=η3?U?Imax?dt=η3?U?Imax?t （4.19） 通過以上分析可知，當(dāng)車輛在制動時所需的總制動力大于驅(qū)動電機(jī)能夠提供的最大制動力時，所產(chǎn)生的制動力由驅(qū)動電機(jī)的最大制動力和機(jī)械摩擦制動力共同提供。由式4.19可知，可回收的制動能量與制動時間有關(guān)。 4.2 最佳制動力分配控制策略 從提高制動能量回收的角度出發(fā)，在滿足安全性和制動需求的前提下，電機(jī)提供的制動力理論上是越大越好。但是電機(jī)制動力的大小受限于前后輪制動力分配比例和汽車具體的制動情況，同時前后輪制動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)計了一種制動力分配策略，按照國家標(biāo)準(zhǔn) 《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB7258-2012）要求，行車制動系統(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)計的控制策略不會改變原制動系統(tǒng)的自由行程，能夠滿足法規(guī)的要求。 在該制動策略中，制動踏板開度越大，相應(yīng)制動減速度越大，制動力變化過程為： （1） OA段，制動踏板的自由行程，無制動力； （2） AB段，前輪僅施加電機(jī)制動力，前后輪無制動力； （3） BC段，電機(jī)制動力達(dá)到最大值，前輪機(jī)械制動力逐漸增大，后輪正常施加機(jī)械制動力； （4） CD段，車輛緊急制動情況下，機(jī)械制動完全代替常規(guī)制動。 圖4.2制動力分配示意圖 在此，當(dāng)制動減速度小于0.2g時，制動力可以完全由電機(jī)制動提供，也就是圖中的B點處。當(dāng)制動減速度大于0.2g而小于0.7g時，施加在前后輪的制動力依據(jù)制動力分配曲線進(jìn)行分配，但此時前軸的總制動力是由電機(jī)制動和機(jī)械制動共同組成的。當(dāng)制動減速度大于0.7g時，也就是圖中的C點，屬于緊急制動，此時制動力完全由機(jī)械制動提供。 4.3 本章小結(jié) 本章對制動能量回收過程進(jìn)行動力學(xué)分析，得出了在不同制動模式下，機(jī)械摩擦制動和再生制動的比例分配關(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簡介 ADVISOR是由美國可再生能源實驗室NERL在MATLAB和Simulink軟件環(huán)境下開發(fā)的高級車輛仿真軟件。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)驗性的，與實際試驗結(jié)果會有出入，同時它也極大依賴于動力傳動組件的實驗測試數(shù)據(jù)[23]。 ADVISOR的操作界面簡單易操作，用戶可以單獨定義子文件參數(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，同時此軟件也能對汽車的多個性能進(jìn)行分析和預(yù)測。 圖5.3 ADVISOR仿真流程圖 該軟件的仿真過程有兩步： 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)以及動力性要求，并測出從一個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．分析混合動力汽車或電動汽車如何通過動力傳動系統(tǒng)利用或損耗能量 3．比較各種循環(huán)工況的排放情況 4．評估混合動力汽車的控制邏輯 5．優(yōu)化傳動系統(tǒng)的傳動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、電動汽車、混合電動汽車中動力和傳動系統(tǒng)中的傳遞[24] 5.2 純電動汽車模型的建立 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，來對本文中提出的制動能量回收策略進(jìn)行仿真。整車以及各個部件的模型參數(shù)需要通過整車參數(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。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)得到實際的車速。在給定的工況下，該模型會根據(jù)控制策略的不同，調(diào)整各部件的響應(yīng)時間或狀態(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純電動汽車仿真模型 5.2.1 制動控制策略模型的建立 制動能量回收控制策略流程圖如圖5.6所示，本設(shè)計所提出的的制動策略規(guī)定，在制動減速度小于0.2g時，制動力全部電機(jī)產(chǎn)生；當(dāng)制動減速度大于0.2g而小于0.7g時，施加在前后輪的制動力依據(jù)制動力分配曲線進(jìn)行分配，但此時前軸的總制動力是由電機(jī)制動和機(jī)械制動共同組成的；當(dāng)制動減速度大于0.7g時，此時制動力全部由機(jī)械制動提供。 圖5.6制動能量控制策略流程圖 在ADVISOR中，制動控制策