电动汽车制动能量回收系统方案设计与控制研究-二档变速器 二挡-两挡（三维CATIA图）【3张CAD图纸+PDF图】

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（1）解相关混合动力系统的工作原理；（2）传动系统中主要部件的选型、设计或者控制系统的设计；（3）完成不少于5000汉字的外文文献翻译；（4）对本设计内容需要绘制2张以上工作图，撰写2万字以上设计说明书。 简述毕业设计（论文）开始以来所做的具体工作和取得的进展（要详细内容） 1、 通过查阅相关文献，首先系统的了解了电动汽车的驱动，制动原理。然后对国内外制动能量回收进行了系统的研究。在控制策略方面，目前主流的控制方案分两大类：一个是并联式控制，其特点是对前后轮摩擦制动力不加调节，制动电机在不超过驱动轮最大制动力的前提下输出回馈制动力，其大小与目标制动力成一定比例；一个是串联式控制，其特点是对前后轮摩擦制动力进行调节，使摩擦制动力和电机回馈制动力之和满足目标制动力需求。 2、 通过毕业设计选题所提供的参考车辆参数，确定所涉及电动车的具体参数信息。包括驱动电机的功率、驱动电机的转速、驱动电机的转矩、驱动电机的电压、蓄电池的类型、蓄电池的数量、传动系统传动比、传动系统档位数、传动系统传动比等。这些参数的作用是为之后的制动策略的制定提供稳定的汽车平台，也方便后期仿真策略的可行性。 3、 制动过程的动力学分析阶段。在制动策略提出之前，需要详细地了解制动过程的能量损失情况以及制动力分配情况，以便在制动策略中提高能量回收效率和安全可靠性。分析的结当驱动电机单独制动时，回收的能量与起止车速有关，当起止车速确定时，回收的能量与制动距离有关；当驱动制动与机械制动联合制动时，驱动电机的制动力矩发挥到最大，此时能量回收与制动时间有关。 设 计（ ）中 期 报 告 2.目前存在的问题，下一步的主要研究任务，具体设想与安排（要详细内容） 1、 在毕业设计，要开始制定详细的制动策略，包括驱动电机制动力和摩擦制动力的分配，希望可以调试出最佳的分配系数，以达到最优的能量回收效果。 2、 在仿真阶段，我希望能够参照国内的路况来进行仿真测试。之后我会尝试对ADVISOR中路况这方面的内容进行研究学习，尽最大努力使用我国自己的路况。 3、 为了提高驱动电机的工作效率与系统的传动效率，需要设计简易的变速箱。我在之前所确定是二挡变速箱。变速箱中的齿轮，轴等参数目前还没进行计算校核。下来的时间会完成这部分内容，以便之后画图使用。 设 计（ ）中 期 报 告 3.指导教师对该学生前期研究工作的评价（是否同意继续研究工作） 该学生选题目前的进度符合开题报告中的时间安排，切合专业方向与现实，与大学所学内容结合紧密。且该生相比较于前一段时间，对课题进行了较为详尽的调研和更有深度的研究，参考了许多文献和书籍，也时常与我进行讨论交流。我认为以目前该同学的研究方法和研究进度，他能够在预定时间内完成该课题的设计。 　　同意该同学继续研究工作。 指导教师签字： 年 月 日 备注：1、本表由学生填写，指导教师亲笔签署意见。 2、以上各项句间距可以根据实际内容需要调整。 - 6 - 大 学 设计任务书 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 车辆工程 学 生 姓 名： 学 号： 设计题目： 电动汽车制动能量回收系统方案设计 与控制研究 起 迄 日 期: 20 年 月 日~20 年 月 日 设计地点: 指 导 教 师: 负 责 人: 发任务书日期: 20 年 月 日 任务书填写要求 1．毕业设计任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在学院的负责人审查、负责人签字后生效。此任务书应在毕业设计开始前一周内填好并发给学生； 2．任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴； 3．任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及学院领导审批后方可重新填写； 4．任务书内有关“学院”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号（如0201140102,为10位数），不能只写最后2位或1位数字； 5．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。 设 计 任 务 书 1．毕业设计课题的任务和要求： 任务：①掌握纯电动汽车的工作原理，了解纯电动汽车能量回收的意义与用途；②根据给定的已知条件设计能量回收方案；③制定能量回收控制策略；④设计回收减速系统；⑤用软件建立仿真模型；⑥仿真研究能量回收效果，证明理论研究的正确性。 要求：根据设计的能量回收系统，仿真研究预期产生的节能效果。 学生应具备的知识：机械方面的基础知识、车辆学科相关的专业知识。 2．毕业设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 原始数据： 发动机型号：1.4L 90马力 L4；整备质量（kg）：1200kg；最高转速(r/min)： 5500r/min；最大扭矩（N·m）：132/3800；最大功率（Kw/rpm）：80/5200； 轮胎规格：175/70 R14 滚动阻力系数为0.0144；迎风面积为1.9m2；迎风阻力系数为0.3； 最高车速为180 km/h；最大爬坡度为20%。 技术要求： ① 过计算匹配各元件的参数； ② 设计电机与发动机连接的分动箱或者简易变速箱； ③ 校核所设计元件是否满足系统工作要求； ④ 选取合理的控制策略； 工作要求： ① 解相关混合动力系统的工作原理； ② 动系统中主要部件的选型、设计或者控制系统的设计； ③ 成不少于5000汉字的外文文献翻译； ④ 对本设计内容需要绘制2张以上工作图，撰写2万字以上设计说明书。 设 计 任 务 书 3．对毕业设计课题成果的要求〔包括毕业设计、图纸、实物样品等)： 1 毕业设计论文一篇，字数不少于20000字。 2 设计过程中产生的所有图纸（注：包括毕业设计、图纸、实物样品等）。。 3 外文资料及翻译一篇。 4．毕业设计课题工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2016年 02月13日 ~ 03月10日 03月10日 ~ 04月 10日 04月10日 ~ 05月 10日 05月10日 ~ 06月 10日 查阅文献，完成开题报告。 学习仿真软件，了解纯电动汽车能量回收的意义与用途。 设计回收控制方案，保证系统可靠、安全、高效工作，仿真研究节能效果。 撰写毕业论文，准备相关材料，准备论文答辩 学生所在学院审查意见： 负责人： 年 月 日 外文翻译 设计外文翻译 基于能量管理的插电式混合动力电动汽车多目标组件尺寸优化 机械与动力工程学院 学生姓名： 学号： 车辆工程 学 院： 专 业： 指导教师： 20 年 月 基于能量管理的插电式混合动力电动汽车多目标组件尺寸优化 摘要：本文提出了一种并联插电式混合动力汽车的零件尺寸优化方法，这种方法将其视为多目标优化问题。 在这种方法中，定义了两个目标函数来同时最小化传动系统损失、燃料消耗和废气排放。 并且驱动性能要求被看做是约束条件。 此外，本文还为PHEV开发了包含混合控制策略的模糊逻辑控制器。 最后，通过多目标粒子群优化算法，挑选TEH-CAR和UDDS共计32英里的行驶周期是组件的最佳选择。 仿真结果证明了该方法的有效性和实用性，这种方法准备了不同最佳组件尺寸组合下的各种传动系损失，等效燃料消耗和废气排放。 关键词：最优零件尺寸、插电式混合动力汽车、模糊逻辑控制器、混合控制策略、多目标粒子群优化 介绍：全球变暖、燃料价格上涨和能源节约问题极大地促使政府去寻找节能减排的最有效的方法。最主要的化石燃料使用方式之一和空气污染来源就是运输行业，它占了全世界总能源消耗的几乎27%，同时在2012年33.7%的温室气体排放也来自运输行业。最近的研究阐明混合动力汽车可以明显的减少燃料的消耗和废气排放。插电式混合动力汽车是混合动力汽车中的一种，它有更大的电池容量，不同的能源管理策略，并且可以和输电网络连接来为汽车充电。PHEV针对HEV，将其电池能量视为能源供应，在驾驶期间或之后，发动机和化石燃料不需要完全充电，而PHEV则使用更便宜和更清洁的能量（电力）进行推进。混合动力汽车的电池剩余电量在汽车行驶开始和尾声阶段变化很小，这就表明了汽车非常依赖化石燃料，然而插电式混合动力汽车的电池剩余电量则有很大的变化幅度（这也取决于行驶里程），这就表明了电力是汽车的主要能量来源。拥有两种动力能源来源并且电力占更高地位，让插电式混合动力汽车有更好饿燃料经济性，并且通过使用输电网络也让废气排放减少。 本文提出的分析，首先确定了来自消费者对插电式混合动力汽车成本效益的观点，然后通过分析一个简单假设的例子来评估插电式混合动力汽车对电力效用的潜在作用。 通过优化算法和仿真技术来优化机械和电气组件的尺寸在过去的各类研究中被学习。Redelbach等人在德国市场环境下提出了PHEV和EREV的最佳电池尺寸。他们的结果显示电池大小会对总成本有显著影响。他们展示了对于平均每年行驶15000公里的德国司机来说4kWh（PHEV）和6kWh（EVER）的电池容量将会是最佳成本选择。Hu等人研究了精简电池对在瑞典哥德堡运行的一系列插电式混合动力公交车的影响。他们使用了凸集模型并对动力系统进行了分解优化。为了混合动力车辆锂电池的最优设计，Xue等人提出了一种结合了多个独立优化器的混合算法优化模型。无梯度优化器与梯度优化器相结合，解决了混合整数非线性电池组的设计问题。优化框架被应用于最小化质量，体积和材料成本。Hung和Wu开发一种集成优化方法，为了得出零件尺寸和混合动力系统控制策略的最佳解决方案。 为了同步优化电池尺寸和公交车的PHEV动力系统的能量管理，Murgovski等人提出了一种凸集模型方法。结果表明，能量缓冲器的成本优化，即：这些PHEV的额定功率和电池容量极大的取决于基础充电设施，驱动方式和公交线路的地形。Malikopoulos调查了电动机/发电机电池尺寸对中型PHEV的燃油经济性和排放量的影响。他们提出了一个并联的动力总成配置，预传动和后传动，以获得关于电机和电池大小的帕累托前沿。Lee等人通过使用在持续充电模式下维持电池SOC的方法来分析发电机组的额定输出功率。他们还提出了一个最佳发电机组工作线的定义，以最大限度地降低设定电力输出功率下的燃油消耗。 Ribau等人强调了驾驶条件的重要意义和对燃料电池汽车动力系统设计优化的投资成本，效率和寿命周期影响的优化之间的冲突。将单目标和多目标遗传算法与车辆模拟软件ADVISOR相结合，以优化动力传动系统组件。另外，Ribau等人提出燃料电池车辆的部件由遗传算法确定，其优化了典型的城市出租车车队使用的成本。遗传算法旨在优化设计车辆的成本，并使用ADVISOR评估性能。Kim等人证实，影响混合燃料电池车辆整体效率的最相关因素是燃料电池和电池的尺寸。他们使用模糊逻辑控制器来分配燃料电池/电池混合动力微型公交车的动力。此外，Khayyam和Bab-Hadiashar提出了基于ANFIS（模糊推理系统）和GA（遗传算法）组合的PHEV自适应能量管理优化控制策略。 Montazeri-Ga和Poursamad引入了通过GA（遗传算法）优化并联混合动力电动汽车部件尺寸的程序。他们使用GA（遗传算法）来最小化由一些加权项组成的单个目标函数。除此之外，他们已经描述了使用并行混沌优化算法优化PHEV组件尺寸的方法。在他们的方法中，定义了目标函数，以便最小化传动系成本。使用车辆能量消耗的参数分析模型分析组件尺寸。Song和Al-Sayed开发了一个多目标优化程序，以优化车辆纵向加速时间，稳态燃油经济性，乘坐质量和转向稳定性。还有一些研究使用粒子群优化（PSO）和多目标优化算法来优化燃料电池组件，通过使用多目标GA（遗传算法）开发PHEV。通过PSO（粒子群优化），在主动分配网络中电动汽车的负担被最小化。 在本文中，开发了一种基于多目标粒子群优化（MOPSO）的多目标优化程序，用于PHEV的分量优化，以同时降低车辆传动系统成本，等效燃料消耗和污染物排放。多目标优化的主要优点是提出了一套解决方案，其目标可以同时增强，或者至少可以增加一个目标，而不牺牲其他目标。为此，选择燃料消耗和废气排放作为第一目标函数进行最小化。然后车辆纵向动力学和性能被认为是约束函数。最后，通过考虑动力传动系成本作为第二目标函数，限制多目标优化得到了较为经济的组件，具有最佳的燃油经济性和废气排放，而不牺牲车辆性能。此外，本文还为各种PHEV设计了基于混合模式的模糊逻辑控制器。基于FLC和组件尺寸化程序的提出的控制策略的原理图如图1所示。 图1 PHEV优化与控制策略程序示意图 图2并行结构的PHEV PHEV模型 如前所述，在优化过程中，考虑了根据图2的平行PHEV模型。该车辆在ADVISOR中进行建模和仿真。作为默认值，并联的PHEV动力总成包括一台82kw的发动机，由伊朗Khodro动力总成公司（IKCO）生产，西屋75kw（连续）AC感应电动机/逆变器和12v 6Ah怠速动力锂离子电池。表1列出了所选车辆的一些其他参数和组件规格。 表1 SAMAND插电式混合电参数及组件规格 行驶循环 关于能源安全和气候变化问题，运输部门被认为是主要问题之一。它们在世界上消耗相当大一部分石油，排放大量的温室气体。2011年伊朗主要污染源（约80％）和2012年巴西（高达48％）是汽车行业。为了克服这些问题，HEV可以被认为是替代交通工具。相反，PHEV可以实现更好的平衡和更有吸引力，因为它们可以使用替代来源，而不是石油衍生的燃料。 在PHEV组件尺寸中，驾驶距离及其侵蚀强度是一些最重要的因素。据了解，在美国，城市车辆的平均每日驾驶总共只有36.5英里，而农村汽车的平均驾驶时间为48.6英里。另外在伊朗，根据城市交通统计和数据的组织情况，平均每日距离据报道大约为30英里。因此，在德黑兰最近开发的TEH-CAR城市驾驶循环和UDDC城市驾驶循环中，完成了模拟和优化程序，以达到在两个驾驶循环32英里（51.5公里）内的最低目标函数，这是在美国的混合控制策略中开发的。优化算法在45次迭代中找到最佳解决方案。这些驱动周期如图3所示，其特性列于表2。 表2 THE— CAR和UDDS驱动循环特性 能源管理策略 在这项工作中，如图4所示，为具有并行配置的PHEV设计了一个模糊逻辑控制器。在模糊控制器中，利用驱动器命令，能量存储器SOC和电动机/发电机的速度，开发出一套规则，以有效地确定区分电动机与内燃机。模糊逻辑控制器中有决策的作用，其可以管理能量供应和组件以在不同的投入条件下推动车辆。PHEV有两种可能的控制策略，包括全电气范围（AER）和混合控制策略。 在图4中，Tct，Te和Tm分别指示牵引力，发动机转矩和电机转矩。 lTct是Tct的成员，lSOC是电池SOC的成员，lTe是Te的成员。 在AER控制策略中，驾驶开始时，当电池SOC处于最高级别时，CD模式被激活。在这种模式下，电机不需要发动机的任何辅助来推动车辆。当SOC达到最小限制（35％）时，可以启动CS模式，然后引擎对电池充电，并协助电动机推动车辆。在混合控制策略中，除了电动机之外，还可以使用发动机以CD模式推进车辆。当电池SOC达到最小阈值电平时，CS模式将自动激活。在CS模式中，发动机比CD模式更主要地运行，以推动车辆并将电池充电到预定义的水平（取决于在CS模式下使用的控制策略）。 图3驱动循环a TEH-CAR驱动循环b UDDS驱动循环 第 6 页 共 7页 大 学 设计开题报告 学 生 姓 名： 学 号： 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 车辆工程 设计题目： 电动汽车制动能量回收系统方案设计 与控制研究 指导教师: 20 年 月 日 开题报告填写要求 1．开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业论文工作前期内完成，经指导教师审查后生效； 2．开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3．学生写文献综述的参考文献一般应不少于10篇（不包括辞典、手册）。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB 7714—87《文后参考文献著录规则》的要求书写，不能有随意性； 4．学生的“学号”要写全号（如0201140102,为10位数），不能只写最后2位或1位数字； 5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”； 6. 指导教师意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。 毕 业 设 计 开 题 报 告 1．选题依据： 1.1、课题研究的意义及目的 从汽车诞生至今的一百多年里，汽车已经遍及人类社会的各个角落并成为人们不可缺少的交通工具。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各类能源，产生了大量各类污染物，极大影响了我们赖以生存的地球环境。有调查显示，2010年全球汽车保有量为8.5亿辆，消耗了全球石油产量的55％[1]，而且截止到2014年初，全球的汽车保有量已达到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攻方向，新能源汽车应运而生，其中，纯电动汽车首当其冲成为发展重点。 纯电动汽车不仅是一种新能源车辆，更是一种全新的电气设备，是汽车、电子、化学电源、计算机、新能源、新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、国外纯电动汽车制动能量回收发展现状 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。 其中日本一直走在发展的前端，本田曾推出的一台以锂电池为能源的电动机，它为FIT EV（飞度）提供的续航里程达76公里。而与之相匹配的是一台先进的CVT无级变速器制动使用能量回收系统，可以最大限度提升潜在能量回收率。丰田汽车公司自1992年开始研发电动汽车以来，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，提高能量回收的利用率[6][7]。 德国、英国、法国、意大利等许多欧洲工业发达国家，也都在上个世纪九十年代落实电动汽车市场发展计划。1990年成立的欧洲“城市电动车”协会，旨在帮助其成员国进行电动汽车的可行性研究和安装运行电动汽车的必要设备，并指导电动汽车的发展和运营，目前为止，已有60个欧洲城市加入这一协会。 美国纯电动汽车的研发也得到政府的大力支持，通用汽车公司在电动汽车的开发和研制方面也一直不断创造成果，先后推出了GM EVl纯电动跑车和第一个可驾驶的燃料电池示范车“Electrovan”。“自主魔力”是第一款将燃料电池技术与“线控技术”结合起来，实现了制动能量的回收。美国Maxwell公司开发利用的超级电容器不仅使汽车制动时实现了能量回收利用，提高了系统效率，而且进一步提高了汽车的启动、加速性能。A.M Walker和F.AWczalk提出了制动能量回收系统与ABS系统的兼容工作，同时通过调节电机制动转矩和制动器转矩实现对制动能量回收和ABS的切换工作[8]。 1.3、国内纯电动汽车制动能量回收发展现状 我国是一个能源短缺的国家，随着汽车保有量的增加，能源问题和环境污染问题也日益严重。所以开发电动汽车对我国环境和汽车工业都有非常重要的意义。“八五”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；“九五”期间，电动汽车正式成为国家重大科研项目；“十五”期间，电动汽车成为国家863重点专项[9]。在再生制动技术方面，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[10].实际应用方面，我国将会直接跨越传统能源汽车ABS\EBD\ASR\ESP时代而直接研发将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[11]。 1.4、课题研究的实用价值 对于纯电动汽车来说，由于受限于电池技术的发展，所以每一点能量对其来说都很珍贵。提高电动汽车的能量利用率是增加其续航的重要手段，也完全符合目前节能减排的社会倡导。其中，制动能量回收技术就可以有效提高汽车电池能量利用率。有关研究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下，有效的回收制动能量，可使电动汽车的行驶距离延长10%～30%[12]。本文以纯电动汽车为研究对象，对其制动过程进行受力分析并合理分配制动力，同时对如何进行再生制动能量回收进行探讨和研究，并提出可行方案。 参考文献： [1] 靳显浩,刘航.汽车尾气对环境的影响及治理[J].资源节约与环保,2015（5）：80 [2]叶永贞.纯电动汽车制动能量回收系统研究[D].硕士学位论文.山东：青岛理工大学，2013 [3]汪贵平.纯电动汽车驱动与制动能量回收控制策略研究[D].博士学位论文.长安：长安大学，2009 [4]方运舟.纯电动轿车制动能量回收系统研究[D].博士学位论文.安徽：合肥工业大学，2012 [4] [5]刘剑雄,管前新.当前世界电动汽车发展概况[J].汽车技术,1997（1）.1～5 [6]Rahlnan S，Castro A.D.Environmental impacts of electricity generation-A global perspective[J].IEEE Transactions on Energy Conversation.1995，lO(2)：307—313 [7]陈清泉.环境保护和电动车的开发[J].江苏机械制造与自动化.2000,(1)：3—7 [8]邓绍伟.纯电动汽车再生制动技术的研究与仿真[D].硕士学位论文.武汉：武汉理工大学，2012 [9]王震坡,孙逢春,刘鹏.电动汽车原理与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2014（1）.5～8 [10]李博溪. 插电式混合动力汽车制动能量回收策略研究[D].硕士学位论文.合肥：合肥工业大学，2015 [11]姜峰.浅谈新能源汽车的制动能量回收技术[J].中国高新技术企业，2016（36）：107-108 [12] Jornsen Reimpell and Helmut Stoll.The automotive chassis:engineer- ing principle.London:Arnold,2006 [13]崔胜民.新能源汽车技术[M].北京：北京大学出版社，2009 毕 业 设 计 开 题 报 告 ２．设计方案： 2.1、本设计的主要内容： 本设计主要研究纯电动汽车制动时的能量回收方案。制动能量回收是利用驱动电机的可逆性将动能转化为电能，同时由电机提供制动力矩帮助汽车实现制动停车。拥有制动能量回收系统的电动汽车在制动过程中，动能的一部分经过传动系统流向驱动电机，此时电机工作在发电状态，将电能储存在蓄电池中，这样可以有效延长电动汽车的续驶里程[13]。本设计参考的主要车型为前驱型电动汽车，所以在前后轮制动力分配上，本设计还将根据所提出的的制动方案和驱动机、传动系等的参数进行优化。同时，对于驱动电机再生制动和传统的机械制动的比例分配，调用时机上，也需要利用Matlab软件进行计算，选出最优解。 2.2、工作内容： 一、纯电动汽车基本结构方案的初步确定 （1）简要分析所提出的结构方案 （2）对比选择最优方案 二、再生制动能量回收方案设计 三、电动汽车各项参数设计 （1）驱动电机的选型、传动系统的设计计算 （2）蓄电池的选型及参数计算 四、根据所选择方案对各参数进行优化 五、利用仿真软件ADVISOR研究方案效果 2.3、进度安排 2017年 2月13日～3月10日 查阅相关文献，完成开题报告 3月10日～4月10日 深入学习仿真软件ADVISOR和 MATLAB 4月10日～5月10日 设计回收控制方案，仿真研究节能效果 5月10日～6月10日 撰写毕业论文，准备相关材料 毕 业 设 计 开 题 报 告 指导教师意见： 该学生的选题，切合专业方向与现实，与大学所学内容结合紧密。且该生对所开课题进行了较为详尽的调研和一定程度的探索，参考了许多文献，最后确定的课题具有一定的实用价值。本课题是学生所学专业知识的延续，符合学生专业发展方向，对于提高学生的基本知识和技能，对于提高学生的研究能力有益。研究方法和研究计划基本合理，难度合适，学生能够在预定时间内完成该课题的设计。 　　同意该课题开题。 指导教师： 年 月 日 设计说明书 电动汽车制动能量回收系统方案 设计与控制研究 机械与动力工程学院 学生姓名： 学号： 车辆工程 学 院： 专 业： 指导教师： 20 年 月 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 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 IV 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]。 第 3 页 共 48 页 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]。 美国纯电动汽车的研究开发也得到政府非常大力度地支持，通用汽车公司在纯电动汽车方面也一直有新成果，先后推出了GMEVl纯电动跑车和第一个可驾驶的燃料电池示范车“Electrovan”。第一款将燃料电池技术与“线控技术”结合起来的汽车他起名为“自主魔力”，该车实现了制动能量的回收。A.M Walker和F.AWczalk研究了制动能量回收系统与ABS系统的兼容工作的思路，同时通过调节电机制动转矩和制动器转矩实现对制动能量回收和ABS的切换工作[11]。 自1970年起，奔驰汽车公司和大众汽车公司便开始合作研发电动汽车，他们将再生制动系统与汽车的ABS系统结合起来，通过驱动电机和制动器的协调作用，在确保ABS系统稳定工作的前提下，有效的回收制动能量。 瑞典沃尔沃公司于上世纪80年代首次进行了制动能量回收实验，他们在重量为16吨的汽车上安装了质量为300kg、平均转速为1000r/min，可以无级变速的飞轮作为储能装置，当引擎功率为105kw时，其储能高达230kwh，可以节约15%～20%的燃料。沃尔沃公司还投入20多辆公交车在伦敦等地进行试验，和其它普通公交车相比，这种公交车装配有制动能量回收装置，经过一段时间的统计，结果表明，这种公交车可以节省28%～35%的燃料，减少45%以上有害气体的排放 1.3 本论文研究的主要内容 本设计主要研究纯电动汽车制动时的能量回收方案。制动能量回收是利用驱动电机的可逆性将动能转化为电能，同时由电机提供制动力矩帮助汽车实现制动停车。拥有制动能量回收系统的电动汽车在制动过程中，动能的一部分经过传动系统流向驱动电机，此时电机开始发电，将制动能量转化成电能储存在蓄电池中，这样可以有效延长电动汽车的续驶里程[12]。本设计参考的主要车型为前驱型电动汽车，所以在前后轮制动力分配上，本设计还将根据所提出的的制动方案和驱动机、传动系等的参数进行优化。同时，对于驱动电机再生制动和传统的机械制动的比例分配，调用时机上，也需要利用Matlab软件进行计算，选出最优解。 2 电动汽车制动能量回收的原理与控制策略研究 2.1 制动能量回收技术的基本原理 制动能量回收是电动汽车最重要的特性之一，因为在纯电动汽车上，做为驱动装置的驱动电机同时也具有发电功能。电动汽车在制动过程中，汽车的一部分动能通过车轮，传动轴等传向驱动电机，此时，驱动电机转变为发电机，向蓄电池充电。同时，电机发电时产生的阻力作用于车轮，从而达到使汽车减速的作用。 需要注意的是，为了回收制动能量，电动汽车通常都是利用电动机的发电能力而设计的再生制动系统。而电动机提供的阻力矩是不能完全满足汽车制动要求的。所以在电动汽车制动系统中机械制动与电机制动应该同时存在。 图2.1 制动能量回收基本原理 2.2 制动能量回收控制策略 用电机制动来回收能量使得电动汽车制动面临两个问题。第一是如何在电机制动和机械摩擦制动之间合理分配制动力，从而回收更多的能量；第二是如何分配前后轴之间的制动力，从而以达到稳定可靠的制动效果。所以，制动力分配是制动能量回收控制策略的核心问题。，它直接决定了能否在保持制动稳定和安全的前提下，尽可能多地回收制动能量。目前，电动汽车制动能量回收控制策略主要有两种类型：1）并联式控制策略；2）串联式控制策略。其中在串联式控制策略下，又有两个不同的分类：1）理想制动力分配控制策略；2）最佳制动能量回收控制策略[13]。 2.1.1 并联式控制策略 并联式制动能量回收控制策略包括电机制动系统控制和机械摩擦制动系统控制。在制动力分配方面：并联式的机械制动力和传统汽车的机械制动力相同，是按照一定比例分配的。同时驱动轮上也有电机制动力存在，当制动踏板行程小于某一个设定值时，汽车的制动力全部都由电机制动提供，随着踏板行程的增大，电机制动强度也逐步加大，当制动踏板行程大于到某个程度时，这时属于紧急制动，电机制动逐渐减小为零，此时前后轮制动力分配按传统I曲线线分配，以缩短制动距离，提高制动安全性。图2.2为在并联式控制下的电机制动力的变化，图2.3为汽车制动系统总体制动力分配图（以踏板行程为参考） 图2.2并联制动能量回收控制策略 图2.3并联式 2.1.2 串联式控制策略 串联式制动能量回收控制策略同样也主要有两个方面：电机制动与机械制动力的分配和前后轮制动的分配。在制动先后顺序上，串联式会优先使用电机制动， 而不是机械制动，这样可以更加充分的利用电机制动，从而回收更多的能量。同时为了提高制动能量的回收率，可以尽量增大电机制动力占总制动力的比例，但对于前轮驱动的汽车来说，电机制动只在前轮上起作用，因此电机制动与摩擦制动之间的分配比例关系受前后轮制动力分配的限制。图2.4为在串联式控制策略下汽车制动系统总体制动力分配图（以踏板行程为参考） 图2.4串联式 下面介绍一下串联式控制策略下的两个不同的分类： （1） 理想制动力分配控制策略 理想的制动力分配控制策略原理如图2.5所示。汽车制动控制器根据制动踏板位置传感器的数据，可以分析计算出汽车制动减速度，当制动减速度小于某一具体数值时，汽车所需制动力全部由电机提供，后轮无制动力。当制动减速度大于某一具体数值时，汽车前后轮上的制动力将按照理想的制动力分布曲线进行分配。 （2） 最佳制动能量回收控制策略 最佳能量回收控制策略的重点是尽可能多地回收制动能量。其前后轮制动力分配方法如图2.6所示。其控制思路为： 1) 当汽车的制动强度小于路面附着系数时，前后轮制动力可以在一定范围变化。在这种情况下，应尽可能多的利用前轮制动力。 2）如果制动强度远远小于路面附着系数，整车制动仅由电机制动力提供。 3）当车辆制动强度大于某一数值时，前后轮制动力分配点落在I曲线上，当地面附着系数很大时，电机制动力无法满足制动要求，剩余部分机械制动系统提供。当地面附着系数够较小时，只用电机制动力制动。 2.1.3 几种控制策略的对比与分析 并联式控制策略优势有：1、不需要控制机械制动力的大小，仅需要控制电机制动力大小；2、结构简单可靠，制造成本低；3当电机制动失效时，机械制动仍可发挥作用，制动安全性好；。其缺点是制动能量回收效率低，在城市行驶的工况下，其能量回收率几乎可以忽略不计。当电机回馈制动力变化时总制动力也发生变化，制动感觉不好。 串联式控制策略优点有：1、制动能量回收效率高；2、制动感觉比较好，驾驶员有与传统汽车相同的制动感觉；3、制动力分配精准，车辆制动稳定性更好。缺点：需要对原有制动系统改造，控制系统比较复杂，成本较高。 Motomu Hakiai,和Toshio Taiche曾在在实验中测试了一款由美国科学院研发的小型混合动力电动汽车的制动能量回收性能，通过对数据的对比分析，他们发现并联式的控制策略只能回收及其微小的一部分能量，对整车的续驶里程几乎没有什么实质性的提高。但是若想提高能量回收效率，则会牺牲驾驶舒适性。Michael Panagiote团队的仿真研究发现，在不降低驾驶员行驶舒适性的前提下，串联式控制策略的能量回收效率可以达到10%左右，远远的超过了并联式的控制策略。因此，串联式控制策略逐渐成为主流，国内外各大汽车公司在设计混合动力汽车的能量回收方案时，开始逐步向串联式过渡。所以本文选择串联式控制策略进行研究[14]。 2.3 制动能量回收的影响因素 汽车在制动过程当中受到的阻力主要有滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和制动器的摩擦制动力等，对于安装有制动能量回收装置的纯电动汽车而言，还要受到驱动电机的制动力。而这其中一大部分能量都以热或者其他形式的方式散失了，能被回收的能量只限于驱动轴上的一小部分。尽管如此，这一小部分能量仍然能够大幅改善汽车的续驶里程[15]。事实上，制动能量回收的多少与摩擦制动力和电机制动力的比例分配有很大关系，而它们的比例分配关系要受到很多因素的制约。所以，总的看来，制动能量回收的影响因素主要包括一下几个方面： （1）驱动电机。驱动电机的制动能力越强，电机制动比例相应越高，从而制动回收的能量越多。其次就是电机的发电能力直接影响制动能量回收的多少。因此，驱动电机的类型、输出功率、效率等都会影响能量回收。 （2）能量存储装置。能量存储装置既可以输出能量，又可以作为制动能量回收的储存装置。能量存储装置主要有蓄电池、超级电容和高速飞轮等几类，目前在电动汽车方面使用较多的 依然是蓄电池。本论文中，选用蓄电池作为能量存储装置。蓄电池的工作状态主要体现在SOC和最大充电功率两个方面。 当蓄电池过度充电或者过度放电时，SOC便会超过其范围，此时对蓄电池会造成不利影响。蓄电池的能量密度、比功率、充放电效率以及循环使用次数等都会对纯电动汽车的使用性能产生影响，进而在一定程度上影响制动能量回收。 （3）控制策略。控制策略包括并联式控制和串联式控制两大类。如何合理地分配电机制动力和机械制动力等便属于控制策略的范围。合理的控制策略不仅能达到最佳的制动效果，而且可以最大限度地回收制动能量，有效地提高能量回收效率【16】。 （4）其他因素。汽车的结构参数、驱动形式等都会对能量回收产生影响。 2.4 本章小结 本章简单介绍了制动能量回收的原理，并介绍对比了几种主流的制动能量回收控制策略，同时从驱动电机、能量储存装置、控制策略、环境等方面阐述了他们对制动能量回收的影响。本文主要就控制策略方面入手剖析，以改善或提高制动能量的回收。 3 电动汽车动力系统方案设计及参数设计 3.1 动力系统方案设计 电动汽车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两个部分。其中，机械传动部分由电动汽车驱动系统布置的方式而决定。本文选用典型的纯电动汽车动力系统。如图3.1所示，机械传动系统由驱动车轮、差速器、减速器、简易变速器组成；电气系统由驱动电机、电机控制器、蓄电池组成。电动汽车的其他系统基本与内燃机汽车形同。 图3.1前轮驱动的电动汽车动力系统 3.2 整车参数及动力参数 某款纯电动汽车的整车参数由表3.1所示 表格 3.1纯电动汽车整车性能参数 参数 符号 数值 整车整备质量（kg） — 1350 满载质量（kg） m 1650 空气阻力系数 CD 0.3 迎风面积（m2） A 1.9 滚动阻力系数 f 0.0144 车轮滚动半径（m） R 0.3 纯电动汽车的动力性能参数由表3.2所示 表格 3.2纯电动汽车动力性能参数 动力性能参数 符号 数值 最高车速（km/h） Umax 180 最大爬坡度 i 20% 传动系效率 η1 0.92 最大爬坡时稳定车速（km/h） Ua 25 0~50km/h加速时间（s） T 8 50~80km/h加速时间（s） T 10 汽车续驶里程（km） S ≥200 3.3 驱动电机相关参数确定 电动汽车在日常行驶过程中，不可避免地频繁地起停和加减速，而减速的过程也是制动能量回收的关键过程。所以，纯电动汽车对驱动电机的要求比较高。具体要求如下[17] ： 1、在低速或爬坡时，电机可以提供较高的的转矩； 2、调速范围尽量大，同时在整个调速范围内要保持较高的运行效率； 3、电机应该重量轻，体积小； 4、电动机应该能够在汽车减速时使用电机制动，将能量回收并储存至蓄电池，； 5、成本不能过高，电机可靠性和环境适应性要优秀。 通过综合考虑，考虑选用永磁同步电机为纯电动汽车动力系统的驱动组件，永磁同步电机较强的转矩负载承受能力，较宽的调速范围，重量轻，体积小，结构简单，运行可靠等特点对整车正常平稳地运行有重要的作用。 3.3.1 驱动电机功率确定 电动机的功率要依次满足（1）最高车速要求；（2）最大爬坡度要求；（3）加速性能要求；才能保证电动汽车正常行驶。下面根据表格3.1和3.2中数据依次进行计算，从而得到合适的额定功率，峰值功率。 （1） 满足车辆最高车速的功率Pmax1计算： Ρmax1=13600η1(mgfUmax+CDAUmax321.15 （3.1） 代入表3.1和3.2中数据可得Pmax1=60.11kw （2） 满足车辆最大爬坡度的功率Pmax2计算： Pmax2=Ua3600η1mgfcosαmax+mgsinαmax+CDAUa221.15 （3.2） 式中，αmax为最大爬坡角，αmax=arctani100。 代入表3.1和3.2中数据可得Pmax2=25.76kw （3） 满足加速性能的功率Pmax3计算： 电动汽车加速性能影响整车的性能，而加速性能与后备功率有关。选择大功率电机能够提高电动汽车的加速性能。电动机的功率过小则会对电动汽车的加速、爬坡等性能造成影响。但是电机的功率过大会带来能耗过大的问题，电动机的效率降低，甚至导致续驶里程的减少[18]。 根据经验，纯电动汽车在起步加速时，其速度公式可以表示为： u=um(ttm)0.5 （3.3） 式中，tm——车辆加速过程所需时间 um——车辆加速结束之后的车速。 假定车辆在笔直路面上加速行驶时，此过程的瞬态总功率可以表示为： Pall=Pj+Pf+Pw=13600tmη1(δmum2dt+mgfum1.5tm+CDAum321.15×2.5tm) （3.3） 式中，——加速过程的总功率； ——滚动阻尼功率； ——加速功率； ——空气阻力功率； ——旋转质量换算系数，一般取1.0左右。 因此，因此，加速过程最大功率为： Pmax3=13600tmη1(δmum22+mgfum1.5tm+CDAum3m21.15×2.5tm) （3.4） 代入表3.2中0~50km/h和50~80km/h的加速时间要求，可得出Pmax3=80.59kw 汽车驱动电机的峰值功率Pmax必须同时满足三项要求，即： Pmax≥{Pmax1,Pmax2,Pmax3} （3.5） 由以上分析计算以及综合考虑，选用驱动电机的峰值功率为Pmax=82kw 驱动电机的额定功率可由下式计算得出： P额=Pmaxλ （3.6） 式中，--电机过载系数（的取值范围一般为2～4，本文取2） 代入计算可得P额=41kw 3.3.2 驱动电机转速确定 电动机的转速高低对电动机的整体有着很大的影响。当电动机功率相同时，转速高的电动机尺寸、质量和成本相对较小，因此选择高转速电动机有优势，然而由于生产制造等方面的原因，转速高的电动机成本高，因此电机转速的选择也要综合多方面因素[19]。电动机以 6000r/min 的转速为界限划分高低速电机，客车上通常使用的是低速电机而轿车上通常使用的是高速电机。本文选用的驱动电机的最高转速为9000r/min，经过核算，电机的最高转速可以满足车辆动力性要求。 驱动电机最高转速同额定转速存在一个比值β ，电机转矩与β呈正比关系[20]，β 取值一般在 2～4，本文取值 2。故电机的额定转速范围为4000r/min～4500r/min。 3.3.3 驱动电机转矩确定 电机转矩与功率存在关系，功率决定电机的转矩，得出公式： T额=9550P额n额 （3.7） 代入数据可以得到T额=88N∙M。同时由经验公式可以计算得到 T峰=190N∙M 表3.3驱动电机的参数 参数 符号 数值 额定功率P额 kw 41 最大功率P峰 kw 82 最高转速n峰 r/min 9000 额定转速n额 r/min 4000~4500 最大转矩Te Nm 190 额定转矩T额 Nm 88 3.4 蓄电池相关参数确定 3.4.1 蓄电池类型的选择 电池组是纯电动汽车运行过程中全部能量的来源，蓄电池的体积、容量、技术参数等对纯电动汽车的行驶性能、续驶里程有很大的影响。是纯电动汽车最重要的一部分。当蓄电池的容量过小时，续驶里程短；当蓄电池的容量过大时，其体积、重量也会随之增加，会增加功率消耗。因此，在选择蓄电池时要综合考虑，不仅要满足续驶里程和动力性等要求，还要使其质量和体积达到最小。 当前，电动汽车上可以使用的动力电池很多，但主流在汽车上使用的只有三种：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池。他们各有自己的特点，也有自己特定的使用场景。铅酸蓄电池价格低廉，一般用在电动自行车或三轮车等短距离行驶车辆上；镍氢电池价格相对便宜，但是能量密度低，适合较大电流放电，一般用在混合动力汽车上； 锂离子电池能量密度、功率密度和循环寿命等电池性能都很不错，可靠性也强，所以一般用在纯电动汽车上。 综合考虑各种实际运行的情况，本文选择磷酸铁锂电池作为动力电池。 3.4.2 蓄电池数量计算 本文选择的单个磷酸铁锂电池规格为3.2V/6Ah。根据设计要求，当纯电动汽车以U1=40km/h的速度匀速行驶时，满电的续驶里程不应少于200km。则单位时间所需要的功率为： P1=U13600η1mgf+CDAU1221.15 （3.8） 代入表3.1中数据计算可得 P1=3.3kw 假设行驶过程中，汽车上其他用电设备全部用于工作状态，则用电设备一共需要消耗功率P2=0.7kw，则所需功率一共为P总=P1+P2=4kw。 在此续航条件下，车辆一共所需要的能量W为： W=P×t=P×(S÷U1) （3.9） 代入数据计算可得W=20kwh。 为了满足能量的要求，需要多个电池串联，即： W=n×ηt×u×C/1000 （3.10） 式中，n——电池个数； ηt——电池放电深度，本文取0.9； u——单个电池的电压； C——单个电池的容量； 经计算， n=115.74 取n=117个 故本设计的电池组为117只磷酸铁锂电池，单个规格为3.2V/14Ah。 本文采用的电池组合方式为三个一组并联，之后39组串联。 表3.4 蓄电池组参数 电池类型 磷酸铁锂电池 电池联接形式 串联 单组标称电压（V） 3.2 电池组数 39 单组标称容量（Ah） 42 电池组总电压（V） 372 3.5 传动系统相关参数确定 目前，纯电动汽车的主要驾驶路况在市区和城市近郊，最低稳定车速在3至6km/h，最高车速可达120km/h左右，电动汽车在行驶过程中所遇到的各种阻力情况复杂，仅靠电动机的力矩变化是不可能满足电动汽车行驶性能要求的。因此，在电动机和驱动轮之间需要安装减速器和变速器，这样既可以满足行驶性能要求，也可以使电动汽车经常保持在高效率的工作范围内，减轻电动机和蓄电池的负荷。 3.5.1 传动系统传动比范围确定 纯电动汽车传动系统的传动比设计首先必须保证汽车的最大爬坡度，其次是要满足汽车的最高车速[21]。同时，增加电动汽车的续驶里程也是选择传动比考虑的重要方面。 （1） 最小传动比的确定： i≤0.377*nmax*RUmax （3.11） i≤i0*ig （3.12） 式中，i0为主减速器的传动比，ig为变速器的传动比，nmax为电机的最大转速，通过公式计算可以得到i≤5.655。 （2） 最大传动比的确定: i≥FumaxRη1Tumax （3.13） 式中，Fumax为汽车行驶时最高车速的行驶阻力，Tumax为电动机最高转速时的输出扭矩，η1位为机械传动效率。 Fumax=Ff+Fw （3.14） Ff=mg*fcosαmax （3.15） Fw=CDAUmax221.15 （3.16） 通过计算可以得到i≥6.06 3.5.2 传动系统档位数确定 纯电动汽车行驶过程中，驱动电机的动力通过变速箱传递给驱动轴，由于驱动电机在转速低的时候转矩大、可以高效率工作的区域较宽等优点，有很好的驱动特性，因此，变速器的挡位不需要太多，暂时设定为两个挡位。 3.5.3 传动系统传动比的确定 由于电动机的特性曲线要比发动机的特性曲线更加的理想，可以简化传动系统的结构，因此采用两档变速器，其中Ⅰ档用来起步和加速，Ⅱ档可以用来保证汽车的正常运行。 通过以上计算可以得到变速器的上限传动比和下限传动比分别为 5.655和 6.06，为了换挡的时候平顺，减轻电机负荷等，在对变速器的档位进行选择的时候，相邻两个档位之间的传动比比值要求在1.8以下。通过查阅相关资料确定主减速比为 3.8，初定变速器Ⅰ档、Ⅱ档传动比为 1.6、1.1。 通过附录对变速器的设计计算Ⅰ档、Ⅱ档传动比为 1.58、1.1，实际的通过使用所选传动比对电动汽车的最高车速和最大爬坡度进行计算，可以检验所选传动比能否满足动力性的要求。 （一） 通过电动汽车的最高车速检验 按照所选的两档变速器，电动汽车以二挡行驶时才能达到最高车速，当电动汽车以180km/h的最高车速行驶时，可以通过下式计算得到驱动电机的转速为 n=Umaxigi00.377R （3.17） 代入数据计算的n=8709。此时电机的转矩为： T=Rη1igi0（mgf+CDAUmax221.15） （3.18） 代入相关数据可以得到T=65.9N∙M。车轮上的驱动力为： Ft=Tigi0η1R （3.19） 代入数据可以得到Ft=1106.03N。由水平方向上行驶的动力学方程可以得到： ∑F=Fi+Fw+Ff+Fj=mgf+CDAUmax221.15 （3.20） 代入数据可以得到∑F=1106N。则通过计算可以知道Ft>∑F，由此计算可知此时能够满足最高车速的需要。 （二） 通过最大爬坡度检验 通常情况下电动汽车使用一档进行爬坡，在爬坡的过程中电动汽车的后备功率达到最大，这些后备功率可以克服坡度阻力做功以保证电动汽车正常行驶，在此情况下电动汽车的车速为25km/h，在爬坡的过程中电动机的转矩可以达到峰值转矩[22]，由上面的计算得到电动机的峰值转矩为246N∙M。由公式3.20可以得到Ft=8860.26N。 电动汽车在爬坡时所受到的阻力为： ∑F=Fi+Fw+Ff=mgfcosα+CDAUmax221.15+mgsinα （3.21） 将数据代入公式3.21计算可得到∑F=3579.01N，通过对比可以知道Ft>∑F，此时的变速器处于一档时的驱动力能够满足电动汽车的爬坡的要求。 表格3.3 传动系参数 参数 变速器 主减速器 档位数 一档 二挡 主减速比 传动比 1.58 1.1 3.8 3.6 本章小结 本章设计了一套完整的电动汽车动力系统，之后参考2017款大众捷达的部分整车参数，分别计算确定了驱动电机、蓄电池、传动系统的相关参数。其中，涉及到的传动系统的校核以及变速器尺寸，将在附录中给出。 4 电动汽车制动能量回收系统方案设计 4.1 制动能量回收过程中的动力学分析 4.1.1 电机制动与机械制动的关系 目前纯电动汽车制动系统基本上都是采用机械制动与电机制动相结合的方式。传动机械制动技术成熟可靠，能提供的制动力矩较大，但是能量浪费是其最大问题；电机制动由于电机性能、速度等因素影响，制动力矩大小有限，制动时间也较长，并不能在汽车中中单独使用。两者在电动汽车分配关系为：（1）当电动汽车制动强度低时，主要采用电机制动以回收更多能量。（2）当电动汽车制动强度较高时，此时采用摩擦制动和电机制动相结合，同时加大电机制动所占比例。（3）当汽车紧急制动或电机制动失效等情况发生时，尽量使用机械制动。 纯电动汽车的制动力分配如图4.1所示，电动汽车制动回收控制策略的核心是在确保制动性能和安全性能要求的前提下，协调电机制动力与机械制动力的分配关系，最大限度实现能量回收。 图4.1制动力分配示意图 制动能量回收阶段，车辆的一部分动能从车轮通过传动系统传递到电机，电机发电将电能存储到蓄电池中。根据汽车动力学可知汽车行驶方程： Ft=Ff+Fw+Fi+Fj （4.1） 式中，Ft为车轮驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为坡度阻力；Fj为加速阻力； 在城市工况下，行驶速度较低，道路平坦，并且所研究的车辆迎风面积小，上式可以化简为： Ft=Ff+Fj （4.2） 车辆制动时，加速阻力变为车辆行驶的制动力Fb，则汽车的行驶方程变为： Ft=Ff+Fb （4.3） 在电动汽车中，机械制动与电机制动同时存在。汽车总的制动力由机械制动系统的摩擦制动力F摩和电机制动力F电共同作用，则： Fb=F摩+F电 （4.4） Fb=αF摩-max+βF电-max （4.5） 式中，F摩-max——摩擦制动器提供的最大制动力； F电-max——电机所提供的最大制动力； α——机械摩擦制动力的分配系数0≤α≤1； β——电机制动力的分配系数0≤β≤1。 通过制动踏板位移传感器信号，调节制动力分配系数α和β的值。当所需要的制动力小于电机所能提供的最大制动矩时， α为0，制动力全部由电机制动提供，制动踏板通过调节分配系数β的值调节电机制动的大小；当所需要的制动力大于电机所能提供的制动力矩时，电机提供最大制动力，此时β为1，制动踏板通过调节分配系数α的值调节机械制动的大小。 4.1.2 驱动电机单独制动 当车辆制动时所需要的制动力小于电机制动所能提供的最大制动力时，所需的制动力全部由电机产生。 在此状况下，制动方程的推导如下： 纯电动汽车的总负载功率为： Pt=F∙u=（Ff+Fb）∙ua （4.6） 式中，ua——瞬时车速。 在制动过程中，传动系统的瞬时功率P1为： P1=Fb∙ua （4.7） 开始制动时刻t1汽车的动能E1为： E1=12mu12 （4.8） 式中，m——整车满载质量；u1——车辆在制动初时刻t1的瞬时速度。 制动结束时刻t2汽车的动能E1为： E2=12mu22 （4.9） 式中，u2——车辆在制动初时刻t2的瞬时速度。 在整个制动过程中，消耗的能量∆E为： ∆E=E1-E1=12m（u12-u22） （4.10） 根据能量守恒定律可得： ∆E=Pt∙dt=ΣF∙u∙dt=Ff+Ffua∙dt （4.11） 设： Eb=Fb∙ua∙dt Ef=Ff∙ua∙dt 则： ∆E=Eb-Ef （4.12） 其中，Ef=Ff∙ua∙dt=Ffua∙dt=Ff∙S 式中，S——制动距离。 制动过程中，输入驱动电机的瞬时功率P2为：P2=η1∙P1=Mω 式中，η1——传动系统的效率； M——驱动电机转矩； ω——驱动电机角速度。 制动过程中，输入驱动电机的瞬时功率P3为：P3=η2∙P2=η1∙η2∙P1 式中，η2——驱动电机工作在发电状态下的效率。 制动过程中，输入蓄电池的瞬时功率P4为：P4=η3∙P3=η1∙η2∙η3∙ P1 式中，η3——蓄电池的工作效率。 因此，制动过程中，可回收的总能量E4为： 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） 汽车在制动过程中的瞬时速度ua为：ua=u1-at=u1-（Ff+Fb）mdt 通过以上分析，当车辆所需的总制动力小于驱动电机可以提供的最大制动力时，制动力可以完全由驱动电机提供。由式4.13可知，当始末车速确定时，可回收的制动能量与制动距离有关。 4.1.3 电机制动与机械制动混合制动 当车辆制动时所需的总制动力大于驱动电机可以提供的最大制动力时，总制动力由驱动电机最大的制动力和机械制动力共同提供。在此状况下，相关制动方程的推导如下所示： 驱动电机的制动力矩为：T1=T1max=CTΦImax （4.14） 式中，CT——转矩常数； Φ——通过驱动电机的磁通量； Imax——驱动电机在当前功率下的最大制动电流。 驱动电机作用在驱动轮上的制动力F1为：F1=T1∙ig∙i0r （4.15） 式中，ig——变速器传动比； i0——主减速器传动比； r——车轮半径。 机械制动系统作用在车轮上的制动力F2=βF2max （4.16） 因此，系统可以提供的总制动力F为： F=F1+F2=CTΦImaxigi0r+βF2max （4.17） 汽车在制动过程中的瞬时速度ua为： ua=u1-at=u1-（Ff+Fb）mdt （4.18） 因此，制动过程中，可以回收的总能量E4为： E4=η3∙U∙Imax∙dt=η3∙U∙Imax∙t （4.19） 通过以上分析可知，当车辆在制动时所需的总制动力大于驱动电机能够提供的最大制动力时，所产生的制动力由驱动电机的最大制动力和机械摩擦制动力共同提供。由式4.19可知，可回收的制动能量与制动时间有关。 4.2 最佳制动力分配控制策略 从提高制动能量回收的角度出发，在满足安全性和制动需求的前提下，电机提供的制动力理论上是越大越好。但是电机制动力的大小受限于前后轮制动力分配比例和汽车具体的制动情况，同时前后轮制动力的分配需要满足相关法律法规的要求。 如图4.2所示，本文设计了一种制动力分配策略，按照国家标准 《机动车运行安全技术条件》（GB7258-2012）要求，行车制动系统的踏板的自由行程应符合该车型的技术条件。本文设计的控制策略不会改变原制动系统的自由行程，能够满足法规的要求。 在该制动策略中，制动踏板开度越大，相应制动减速度越大，制动力变化过程为： （1） OA段，制动踏板的自由行程，无制动力； （2） AB段，前轮仅施加电机制动力，前后轮无制动力； （3） BC段，电机制动力达到最大值，前轮机械制动力逐渐增大，后轮正常施加机械制动力； （4） CD段，车辆紧急制动情况下，机械制动完全代替常规制动。 图4.2制动力分配示意图 在此，当制动减速度小于0.2g时，制动力可以完全由电机制动提供，也就是图中的B点处。当制动减速度大于0.2g而小于0.7g时，施加在前后轮的制动力依据制动力分配曲线进行分配，但此时前轴的总制动力是由电机制动和机械制动共同组成的。当制动减速度大于0.7g时，也就是图中的C点，属于紧急制动，此时制动力完全由机械制动提供。 4.3 本章小结 本章对制动能量回收过程进行动力学分析，得出了在不同制动模式下，机械摩擦制动和再生制动的比例分配关系；最后确定了系统的控制策略。 5 基于ADVISOR的仿真分析 5.1 ADVISOR简介 ADVISOR是由美国可再生能源实验室NERL在MATLAB和Simulink软件环境下开发的高级车辆仿真软件。该仿真软件用基本物理学和标准的汽车部件为车辆建模，从而得到车辆的燃油经济性、排放性能、加速性能和爬坡性能。但是在该软件的模型下所得到的结果是经验性的，与实际试验结果会有出入，同时它也极大依赖于动力传动组件的实验测试数据[23]。 ADVISOR的操作界面简单易操作，用户可以单独定义子文件参数，这样极大方便了软件的二次开发，软件的界面图形如图5.1、5.2所示： 图5.1 ADVISOR界面图形 图5.2 ADVISOR参数修改界面 5.1.1 ADVISOR软件仿真方法 如图5.3所示，ADVISOER软件按照动力的流向建立了仿真模型，并且在MATLAB和Simulink的软件下运行，同时此软件也能对汽车的多个性能进行分析和预测。 图5.3 ADVISOR仿真流程图 该软件的仿真过程有两步： 1）用标准的或者二次开发的部件以及车辆数据定义车辆。 2）规定车辆工作的路况，行驶坡度等条件。 然后让车辆满足道路循环以及动力性要求，并测出从一个部件到另一部件的转矩、转速、电压和功率等参数。ADVISOR可得到： 1．估算汽车的燃油经济性 2．分析混合动力汽车或电动汽车如何通过动力传动系统利用或损耗能量 3．比较各种循环工况的排放情况 4．评估混合动力汽车的控制逻辑 5．优化传动系统的传动比使燃油消耗或电池电量消耗达到最小或性能最优 6．能量在传统汽车、电动汽车、混合电动汽车中动力和传动系统中的传递[24] 5.2 纯电动汽车模型的建立 5.2.1 整车模型的建立 ADVISOR软件中有多种类型整车的模型，我可以利用这些已经建立好的模型或主要部件，来对本文中提出的制动能量回收策略进行仿真。整车以及各个部件的模型参数需要通过整车参数及技术要求确定，然后加入我的控制策略完成车辆模型参数的设计。整车模型结构示意图如图5.4所示。 图5.4整车模型结构示意图 纯电动汽车的整车仿真模型由控制方法和零部件构成，本文中选用的车辆为纯电动汽车模型（EV_defaults_in模型，如图5.5），该整车仿真模型由循环工况 、主减速器 、变速箱 、电机控制器 和能量存储装置等组成[25]。 此模型先进行后向仿真，信息依次向后一级传递，得到电机功率；然后进行前向仿真，根据相关汽车参数得到实际的车速。在给定的工况下，该模型会根据控制策略的不同，调整各部件的响应时间或状态，从而最后得到该模型的油耗、电池使用状态等信息。 图5.5纯电动汽车仿真模型 5.2.1 制动控制策略模型的建立 制动能量回收控制策略流程图如图5.6所示，本设计所提出的的制动策略规定，在制动减速度小于0.2g时，制动力全部电机产生；当制动减速度大于0.2g而小于0.7g时，施加在前后轮的制动力依据制动力分配曲线进行分配，但此时前轴的总制动力是由电机制动和机械制动共同组成的；当制动减速度大于0.7g时，此时制动力全部由机械制动提供。 图5.6制动能量控制策略流程图 在ADVISOR中，制动控制策略分