電動(dòng)汽車能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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I 電動(dòng)汽車能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 摘要 ： 隨著 全 世界范圍內(nèi)“低碳生活”呼聲的增強(qiáng)以及 世界 各國(guó)對(duì)環(huán)保節(jié)能的重視 程度越來越大 , 低污染 、 零排放的 新能源 電動(dòng)汽車 應(yīng)運(yùn)而生，蓬勃發(fā)展。 但 當(dāng)前 限制電動(dòng) 汽 車發(fā)展的最 主要的 問題是 如何提升行駛里程 。在電動(dòng)汽車 行駛中，如果能夠回收汽車所浪費(fèi)的能量再回收利用在汽車的工作中，那么將會(huì)最大程度地 提升電動(dòng)汽車 單次行駛路程 。 關(guān)鍵詞 ：電動(dòng)汽車；能量再生；制動(dòng)能量再生 of As on of at of is to In if it be by in so a of 錄 摘要 ............................................................. Ⅰ ........................................................ Ⅱ 目 錄 ........................................................... 緒 論 ........................................................... 1 文研究的背景 ................................................. 1 內(nèi)外制動(dòng)能量回收研究現(xiàn)狀 ..................................... 3 文主要內(nèi)容 ................................................... 5 2 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收再生系統(tǒng) .................................... 6 生原理 ....................................................... 6 動(dòng)能量再生的基本原理 ....................................... 6 .............................................. 7 動(dòng)能量再生系統(tǒng)的組成 ......................................... 8 動(dòng)能量再生系統(tǒng)的分類 ......................................... 8 動(dòng)能量再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 .................................. 10 章小結(jié) ...................................................... 14 3 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收的約束 ..................................... 15 4 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量再生控制策略 ................................... 18 動(dòng)能量再生過程的動(dòng)力學(xué)分析 .................................. 18 動(dòng)能量回收系統(tǒng)的控制策略 .................................... 22 想剎車控制策略 ............................................ 22 動(dòng)能量回收控制策略 ........................................ 23 ........................................... 24 聯(lián)再生制動(dòng)控制策略 ........................................ 24 ....................................................... 25 5 總結(jié)與展望 ..................................................... 26 參 考 文 獻(xiàn) ...................................................... 27 謝 ........................................................... 29 1 1 緒 論 文研究的背景 自 從 1886 年世界上 第一輛汽車誕生至今一百多年的時(shí)間里，汽車已經(jīng)遍人類社會(huì)的各個(gè)角落 而且已經(jīng) 成為人們不可缺少的 出行 工具。 在當(dāng)今世界 全球汽車工業(yè)迅猛發(fā)展 的同時(shí) 不僅給人類社 會(huì)生存發(fā)展 帶來 了巨大的 便利，同時(shí)也消耗了大量的 不可再生 能源 。 傳統(tǒng) 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒燃料 進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 的同時(shí) 也 排放出了 大量 的 尾氣 ， 給全球環(huán)境造成了巨大的危害。即便 隨著 汽車 科技 技術(shù) 的飛速發(fā)展 已經(jīng) 在尾氣上著重發(fā)展， 使汽車尾氣排放 量 降到很低，但由于 全球氣溫快速上升、城市霧霾越來越嚴(yán)重、 汽車保有量持續(xù)高速 增長(zhǎng) ，還是對(duì) 我們賴以生存的 環(huán)境造成 了不可估量 的影響 ， 嚴(yán)重 污染了環(huán)境 威脅了我們的生存 。 根據(jù)一些調(diào)查報(bào)告可以看出 ， 2011 年全球汽車 保守估計(jì)約有 輛 ， 每年大概需要消耗 石油產(chǎn)量 的 60%，全球 氣溫上升約有超過 25%量 來自汽車尾氣 排放 [1]。隨著全球汽車保有量的不斷 升高 ， 傳統(tǒng)的 普通燃油汽車 快速發(fā)展 所帶來的能源危機(jī)和 環(huán)境 污染日趨嚴(yán)重。 當(dāng)局和各大汽車企業(yè)未來的技術(shù)發(fā)展方傾向定是著重于減少能源消耗和尾氣排放，電動(dòng)汽車一定會(huì)在未來大放異彩。 自從第一輛 汽車 誕生以來為它提供能量的一直是石油 ， 而地球上的 石油 當(dāng)前是 不可再生 資源 ， 按現(xiàn)在已經(jīng) 探明的石油總 儲(chǔ)量約 為 12000 億桶 算 ， 當(dāng)今世界 的開采速度 也僅僅 只夠開采 40年左右，即使 在今后的探測(cè)開采中 不斷 地 發(fā)現(xiàn)新的油田，但總會(huì)有消耗 完 的一天?？梢娛唾Y源的 緊缺 將會(huì)直接影響 到 我國(guó)的能源安全， 社會(huì)的穩(wěn)定，人民的生活和 國(guó)家 的 安全， 是 我國(guó) 堅(jiān)持 長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展 策略的一個(gè)重大隱患。 因此 尋求 石油以外的 新 能源是 當(dāng)今全球 迫切需要解決的 難題 [2]。 最近這些年以來 ，我國(guó) 的 汽車 企業(yè)在新能源方面完成了初步的 發(fā)展， 個(gè)別骨干企業(yè)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，產(chǎn)銷量規(guī)模位居世界前列，但與發(fā)達(dá)國(guó)家 比擬 ，在核心尖端技術(shù) 要求 和應(yīng)用水平上還有一定差距 。 我國(guó)“十三五”控制溫室氣體排放工作方案中提出，國(guó)務(wù)院 提出 到 2020年純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的生產(chǎn)能力要 有 200萬輛 [3]。我國(guó)在“十三五”生態(tài)環(huán)保、節(jié)能減排、應(yīng)對(duì)氣候變化、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)規(guī)劃和工作方案當(dāng)中，都制定了一系 2 列推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的政策， 囊括推進(jìn) 交通領(lǐng)域節(jié)能減排、 加強(qiáng) 機(jī)動(dòng)車環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和污染 節(jié)制 ，提升電動(dòng)汽車整車 核心 部件、電池技術(shù)， 推動(dòng)市區(qū)社會(huì) 公共服務(wù)區(qū)、居民區(qū)和 公司 的充電設(shè)施 建造 ，完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和市場(chǎng)監(jiān)管體系，繼續(xù)對(duì)推廣應(yīng)用和充電設(shè)施建設(shè)的營(yíng)運(yùn)給予財(cái)政獎(jiǎng)勵(lì)和補(bǔ)貼。 推動(dòng) 綠色金融， 推行 電動(dòng)汽車企業(yè)的融資渠道，推廣低碳出行 意識(shí) ，積極 地指導(dǎo) 消費(fèi)者購(gòu)買使用 新能源 汽車 。 東風(fēng)電動(dòng)汽車研發(fā)團(tuán)隊(duì) 研發(fā) 出產(chǎn) 的 合 型 動(dòng)力城市公交車被評(píng)為國(guó)家重點(diǎn)新 能源 產(chǎn)品 。 比亞迪以 超前 的新能源技術(shù)、過硬的產(chǎn)品 質(zhì)量 ，助推新能源汽車應(yīng)用 推行。 電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車 比較具備 零排放、 構(gòu)造簡(jiǎn)單容易 、 容 易 啟動(dòng) 、 噪聲 低、易操縱等 長(zhǎng)處 ， 有 關(guān)的技術(shù)研究 已經(jīng) 成熟，是公認(rèn) 將來 汽車 發(fā)展 的 必然趨勢(shì)。自 1997年 日本豐田公司 出產(chǎn) 的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 全 世界 銷售額 已經(jīng)逾越 50 萬輛。 在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域，日本的豐田 公司 和本田 公司在技術(shù)層面和銷售量以及 宣傳等方面已經(jīng)走在 其他公司的前面 ，推出了諸如 能源 動(dòng)力 汽車 ， 深受大眾喜歡 。 其他國(guó)外汽車制造 企業(yè) 也相繼推出相應(yīng)的 各種 車型，例如寶馬 3 系 、 5 系 、 7 系 、 8 系都推出了相應(yīng)的混合動(dòng)力車型，大眾 推出的 途銳混合動(dòng)力版 車型 ，特斯拉 主 推的 純電動(dòng)車 ， 中國(guó)的 汽車 公司 比亞迪在電動(dòng)汽車 范圍內(nèi) 也 已經(jīng)走在前 面 ，相繼推出包含 了唐、宋、秦 等 在內(nèi)的多種混合動(dòng)力車型 和純電動(dòng)車型。 盡管電動(dòng)汽車 具有諸多優(yōu)勢(shì)卻 遲遲 未 能 成為 當(dāng)今社會(huì) 主流交通工具，因?yàn)槠淙觞c(diǎn)和局限性 同樣明顯：續(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)、電池造價(jià)昂貴、整車造價(jià)高 等問題。 在電動(dòng)汽車 科研范圍 中， 怎么 研制 出 高性 性價(jià)比 的儲(chǔ)能設(shè)備 和 如何提升 能量的 利用率 ，是 全部 汽車廠商 非常注重 的兩個(gè)方面。盡管 電動(dòng)汽車 蓄電池技術(shù)發(fā)展迅速，但受 到 經(jīng)濟(jì)性、安全性等因素制約 很難 在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn) 技術(shù)上的 突破。因此如何提高電動(dòng)汽車的能量利用率是 解決現(xiàn)階段 問題 的一個(gè)突破口。 鉆研 制動(dòng)能量再生 技術(shù) 對(duì) 提 高 電動(dòng)汽車的能量利用率 有著 非比尋常的 意義。汽車在制動(dòng) 的 過程 當(dāng) 中， 發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生 的動(dòng)能 會(huì) 通過摩擦 轉(zhuǎn)變 為熱能 而 消散掉， 巨大 的能量被 白白 浪費(fèi)掉。 依照有關(guān) 數(shù)據(jù) 發(fā)現(xiàn) ，在幾種 有關(guān) 城市工況下，汽車 在 制動(dòng) 情況下由 摩擦制動(dòng) 而消散 的能量占汽車總 的 動(dòng)量的 50%左右。 3 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)是 現(xiàn)今世界上 電動(dòng)汽車 研究開發(fā)的核心 技術(shù)，也是 電動(dòng)汽車未來的發(fā)展趨勢(shì) 。其工作原理如圖 示 ， 在 普通 的 傳統(tǒng) 燃油 汽車 中 ，當(dāng)車輛減速、制動(dòng)時(shí)，車輛的 動(dòng)能會(huì) 通過制動(dòng) 體系 而 轉(zhuǎn)化 為熱能 向 空氣 中 消散 。而在電動(dòng)汽車這種被 揮霍 掉的部分 動(dòng)能 能夠經(jīng)過 制動(dòng)能量回收技術(shù)， 通過 擁有可逆 功能 的電動(dòng)機(jī) 或 發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)能和電能 間的 互相轉(zhuǎn)變 。 能夠明顯 的改 進(jìn) 車輛的經(jīng)濟(jì)性及車輛的制動(dòng)性，提 升 能量的利用率， 提高 電動(dòng)汽車的續(xù)航 里程。 根據(jù) 國(guó)際相關(guān) 研究 表示 ，在存在較 經(jīng)常 制動(dòng)與起動(dòng)的 市區(qū) 工況條件下， 可以高 效地回收制動(dòng)能量，電動(dòng)汽車可 以 降低 15% 的能量消耗， 可以使 電動(dòng)汽車的行駛 里程 延長(zhǎng) 10%～ 30%。 圖 1 動(dòng)能量回收原理 內(nèi)外制動(dòng)能量回收研究現(xiàn)狀 因?yàn)?回收電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量不 光 能提 高 汽車的能量利用率，增加 續(xù)航 里程，還能保護(hù)制動(dòng) 系統(tǒng)，保持 整車的 行駛 安全 穩(wěn)定 性。因此， 如何提高汽車的能量利用率是各大汽車廠商所要研究的主要問題。 國(guó)外再生制動(dòng)技術(shù)的研究比較深入，除了實(shí)驗(yàn)室大量的理論研究成果，整車實(shí)用也比較成熟。豐田公司的普銳斯和本田公司的音賽特 就是成功將再生制動(dòng)技術(shù)使用在汽車上的。 出 了 基于制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車 統(tǒng)的控制策略，通過精確設(shè)計(jì)電機(jī)制動(dòng)力門限值，使得再生制動(dòng)系統(tǒng)與 統(tǒng)可兼容工作 [4]。 當(dāng)前 ， 中國(guó)的 制動(dòng)能量回收技術(shù)處于 才開始 起步 。 如表 個(gè)高校、汽車廠商、科研院所都在這方面進(jìn)行了大量的研究，也取得了很大的研究成果 [5從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可看出，汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)科研方向主要在如何回收制動(dòng)能量、怎么提高回收制動(dòng)能量效率、驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)、符合國(guó)情的再生制動(dòng)控制策略等方面。 表 內(nèi)制動(dòng)能量回收技術(shù)研究分析 4 研究單位 研究者 控制策略 所得結(jié)果 清華大學(xué) 羅禹貢 李蓬等 研究對(duì)象混合動(dòng)力車 設(shè)計(jì)目標(biāo)駕駛員制動(dòng)意圖 &能量回收率 思想基于最優(yōu)控制理論設(shè)計(jì)了制動(dòng)力分配模型 顯著提高汽車制動(dòng)響應(yīng)速度提高制動(dòng)能量回收率 10% 北京理工 李玉芳 林逸等 研究的對(duì)象為獨(dú)立式制動(dòng)控制系統(tǒng)的制動(dòng)力 設(shè)計(jì)目標(biāo)最大限度地回收再生制動(dòng)能量 得到再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)的分配與控制規(guī)律 華南理工 羅玉濤 吳昊硅等 研究對(duì)象 給定的 在能量回收原理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)混合勵(lì)磁無刷電動(dòng)機(jī) 安裝在 達(dá) 10%能量回收 武漢理工 過學(xué)訊 張靖等 針對(duì) 實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)的必要性和可行性 具體工作并聯(lián)式制動(dòng)能量回收的仿真研究 建立 重慶大學(xué) 詹訊 秦大同等 針對(duì)輕度 典型城市驅(qū)動(dòng)循環(huán)工況下特點(diǎn) 能滿足整車制動(dòng)力分配的要求能量回收效率達(dá)到 北京交大 張欣 耿聰?shù)? 根據(jù)城市公交車車速變化大，制動(dòng)強(qiáng)度低，頻繁等特點(diǎn) 設(shè)計(jì)目標(biāo)保證低強(qiáng)度時(shí)制動(dòng)能量再生針對(duì) 降低 5 文主要內(nèi)容 本文 主要是對(duì) 電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量再生系統(tǒng)進(jìn)行 研究和刨析 ， 對(duì)比 制定能量回收控制策略， 指定 符合我國(guó)國(guó)情 發(fā)展 的控制策略。 具體的研究?jī)?nèi)容主要有： 1) 研究了各種制動(dòng)能量回收方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 2) 分析制動(dòng)能量再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 對(duì) 三個(gè)典型的再生制動(dòng)控制策略進(jìn)行了比較和分析， 連系 再生制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力的分配關(guān)系、電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩、鋰離子電池充電特性、 動(dòng)法規(guī)的分析，對(duì)并聯(lián)再生制動(dòng)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，提出了符合本文研究電動(dòng)汽車的 能量回收 控制策略。 和制動(dòng)制動(dòng)效能以及行車安全 能耗 10%～ 20% 上海交大 王保華 張建武等 建立并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力模型 目標(biāo) 對(duì)純電動(dòng)汽車制動(dòng)模式和機(jī)電模式下動(dòng)力汽車能量進(jìn)行再生制動(dòng)仿真分析 純電機(jī)制動(dòng)效能高能量回收率 29% 機(jī)電混合僅 2% 6 2 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收再生系統(tǒng) 生原理 動(dòng)能量再生的基本原理 在純電動(dòng)汽車上，作為一種 擁有 驅(qū)動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)同時(shí)具有發(fā)電的功 用 ，利用可逆的這個(gè) 特征 ，可以 完成 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量的 回收利用 。 電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中，在汽車車輪的運(yùn)動(dòng)的過程中將動(dòng)能傳遞給電動(dòng)機(jī)。從而帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，向能量存儲(chǔ)設(shè)備 (電池或超級(jí)電容器 )充電。將制動(dòng) 時(shí)所產(chǎn)生的 能量轉(zhuǎn)化為電能 儲(chǔ)存起來 ， 從而完成制動(dòng) 能量的回收。與此同時(shí)，電機(jī)所 提供 的阻力力矩被作用到車輪上，從而 減緩了 汽車 的 速度起到了制動(dòng)效果。 圖 動(dòng)能量再生原理圖 7 動(dòng)能量再生原理 電動(dòng)汽車 在完成 制動(dòng)能量 回收的過程中 ， 電路簡(jiǎn)圖 如圖 示。 圖 動(dòng)能量回收電路圖 起初應(yīng) 將電機(jī)的 啟動(dòng) 電流斷開，電機(jī)電樞 兩頭各 接入一個(gè)開關(guān)， 然后讓工況保持 在高頻通斷狀態(tài)。由于電機(jī)屬于電感性器件，感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì) （ 2 式中， L 為電機(jī)電樞電感。 當(dāng) ，由電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)引起的感應(yīng)電流經(jīng)開關(guān) S 形成回路，感應(yīng)電流為： （ 2 式中， 電樞電阻， 限流電阻， 1I 為制動(dòng)電流。 當(dāng)斷開 快速變大 而 使得 感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì) 速 變大 ， 當(dāng) 成能量的回收，回收的電流為制動(dòng)電流 2I 。 （ 2 式中， 電流回饋電路等效電阻。 ?? 8 動(dòng)能量再生系統(tǒng)的組成 由于電機(jī)工作產(chǎn)生的再生制動(dòng)力總是不能滿足傳統(tǒng)燃油汽車制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)要求，因此在電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中又分為兩個(gè)系統(tǒng)：液壓制動(dòng)和再生制動(dòng)。同時(shí)也涉及到整車控制器、變速箱、主減速器和車輪及相關(guān)零部件 如圖 動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、動(dòng)力電池和電池管理系統(tǒng) ，電池管理系統(tǒng)控制電能回收于電池 。 液壓控制系統(tǒng) 包含 液壓制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和制動(dòng)控制器 部分 ,作用于 控制摩擦制動(dòng)力 。 圖 動(dòng)能量回收系統(tǒng)的組成 動(dòng)能量再生系統(tǒng)的分類 電動(dòng)汽車 的 制動(dòng)能量再生系統(tǒng)主要包括兩部分：電機(jī)再生制動(dòng)部分和傳統(tǒng)液壓制動(dòng)部分。再生制動(dòng)能恢復(fù)制動(dòng)能量，為車輪提供部分動(dòng)力，但電機(jī)的再生性能、電機(jī)的性能、轉(zhuǎn)速等限制了電機(jī)的再生制動(dòng)效果，在緊急制動(dòng)和高強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)不能完成制動(dòng)要求，為了保證車輛制動(dòng)的安全性，在使用再生制動(dòng)時(shí)，還要采用傳統(tǒng)的液壓摩擦制動(dòng)器作為輔助裝置。電動(dòng)汽車制動(dòng)能量再生系統(tǒng)的構(gòu)造 如圖 9 圖 動(dòng)能量再生系統(tǒng)構(gòu)造 按回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力 之間的聯(lián)系 ,制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可分為疊加式(或并聯(lián)式 )和協(xié)調(diào)式 (或串聯(lián)式 )兩種 [10]。 如圖 圖 加式與協(xié)調(diào)式 疊加式制動(dòng)能量回收是 直接將制動(dòng)力供給車輪的制動(dòng)裝置 ,不 改變?cè)械闹苿?dòng)系統(tǒng) ， 雖然結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單方便， 但 是工作效率缺比較低，安全性不高 。 而協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收則是 利用 回饋 來的 制動(dòng)力 ,對(duì)液壓制動(dòng)力進(jìn)行 有關(guān)的改變 ,使兩種制動(dòng)力與總制動(dòng) 力保持 一致 ,回饋率高制動(dòng) 穩(wěn)定性更 好 ,但 必須要對(duì) 傳統(tǒng)的液 壓制動(dòng) 裝置 進(jìn)行改造 ,完成比較困難 。 初 期的電動(dòng)車輛大多 選用 疊加式回饋制動(dòng)。隨著技術(shù)的 進(jìn)步 ,在回饋效率、制動(dòng) 穩(wěn)定性 和制動(dòng)安全 性 等方面具有 強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)的協(xié)調(diào)式回饋制動(dòng) 逐步變 為了研發(fā)的 重點(diǎn)趨勢(shì) 。 10 在 疊加式回饋制動(dòng) 系統(tǒng)中 ,液壓制動(dòng)力 沒必要改變 ,傳統(tǒng) 的 液壓制動(dòng) 裝置就可以完成 。而對(duì)于協(xié)調(diào)式回饋制動(dòng) ,應(yīng)設(shè)計(jì)方案重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造 。 根據(jù) 其液壓調(diào)節(jié) 裝置 所依托的 理論數(shù)據(jù) ,協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收系統(tǒng) 包含 以下 3 類 ： (1) 基于 術(shù)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng) ， 這個(gè)類型都根據(jù) 統(tǒng)車輛電控液壓制動(dòng)系統(tǒng) ， 將液壓裝置作為執(zhí)行完成工作的裝置 。 (2) 基于 術(shù)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng) ， 這種類型根據(jù) 術(shù)平臺(tái) ,使用正規(guī) 零部件 ,對(duì)制動(dòng) 的相關(guān) 管路布置 完成相關(guān)的建造 。 (3) 基于新型主缸 /助力技術(shù)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng) ， 這種類型根據(jù) 協(xié)調(diào)式回饋制動(dòng)的 重點(diǎn) 技術(shù) ， 設(shè)計(jì)并完成 對(duì)制動(dòng)主缸和助力系統(tǒng) 的改造 。 在 使用 電機(jī)回饋制動(dòng)力時(shí)要 顧慮 電機(jī)的 各種制約因素和面臨的各種問題 ，因此在 進(jìn)行 制動(dòng) 時(shí) 電機(jī) 所 回饋 的 制動(dòng)力 總是不斷 變化的， 而 這 就要求系統(tǒng) 準(zhǔn)確快速 的 調(diào)整液壓 制動(dòng)力來 滿足 汽車的需求 。除了液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以靈活地調(diào)整液壓制動(dòng)力，還需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕ǚ峙浞植挤答佒苿?dòng)力和液壓制動(dòng)力和制動(dòng)力的前后車輪，主要包括反饋功率和水力分配，以及前后輪功率分配，控制策略必須注意制動(dòng)穩(wěn)定性、電池壽命、電機(jī)特性和駕駛經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前設(shè)計(jì)研究 制動(dòng)能量回收 的重點(diǎn)分別體現(xiàn)在 兩個(gè) 方 面： 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)和 良好 控制策略 。 動(dòng)能量再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 在剎車控制系統(tǒng)上，目前基本上所有配備 抱死制動(dòng)系統(tǒng)的車輛，在各種不良工作下的系統(tǒng)都能在很大程度上保證車輛的控制和剎車的穩(wěn)定性。在電動(dòng)汽車制動(dòng)控制 ,由于電機(jī)再生制動(dòng)的引入 ,防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的不確定影響。需要制動(dòng)反饋系統(tǒng)和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)，共同協(xié)調(diào)類型 (串聯(lián) )制動(dòng)反饋系統(tǒng)和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)整方法和致動(dòng)器，防抱死制動(dòng)和串行反饋制動(dòng)制動(dòng)下融合是相同的，這為實(shí)現(xiàn)兩種制動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制提供了一種方便的方法 [11]。 因此，在運(yùn)用協(xié)調(diào)制動(dòng)反饋系統(tǒng)時(shí)，為了充分保證汽車運(yùn)行的安全性，優(yōu)化汽車的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的集成程度 ，對(duì)制動(dòng)能量 回收和 抱死制動(dòng)進(jìn)行一體化研究 與控制具有 重大 意義。目前，國(guó)內(nèi)外許多知名汽車零部件廠商都提出了自己的解決方案，其中大部分都適用于客車液壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng) 。根據(jù)其工作原理，可分為兩種：一種是基于原有的 統(tǒng)，裝置安裝在制 11 動(dòng)管上，調(diào)節(jié)摩擦制動(dòng)力矩，同時(shí)保證制動(dòng)踏板的感覺； 第二類是原制動(dòng)系統(tǒng)的主缸改造，在進(jìn)入車輪控制閥之前完成踏板的感覺與實(shí)際功率解耦 。 以上兩種方案中，為了保證 剎車 感覺與 傳統(tǒng)的汽車 保持相同 ， 大都 安裝了踏板感覺模擬器。 圖 動(dòng)能量回收防抱死系統(tǒng) 第一類是日本豐田公司的 代表作 。他們推出制動(dòng)能量回收功能制動(dòng)防抱死系統(tǒng) 如 圖 經(jīng) 大量 應(yīng)用于 合動(dòng)力車上，在 一般 制動(dòng) 時(shí) ，主缸與制動(dòng)管路分離， 隔絕 踏板和液壓管路之間的連接 。 踏板位移傳感器和主缸壓力傳感器 會(huì)自主適應(yīng)司機(jī) 的制動(dòng) 指令 ，在 得到 最大回饋制動(dòng)力 之 后，總制動(dòng)力被分配給摩擦制動(dòng)和回饋制動(dòng)，相應(yīng)的控制信號(hào)分別傳遞給輪側(cè)壓力控制閥和電機(jī)控制器。其中，調(diào)壓閥的邊緣也用作防抱制動(dòng)機(jī)構(gòu)，在防抱制動(dòng)循環(huán)中有壓力、壓力、壓力等操作 。 當(dāng)系統(tǒng) 無法控制時(shí) ，主缸與制動(dòng)管路 會(huì)連接一起 關(guān)閉沖程模擬器，主缸 產(chǎn)生的 壓力直接 傳送給車輪轉(zhuǎn)化為 制動(dòng)力。該方案的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)氣缸的壓力可以任意調(diào)整，因此反饋策略的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能量回收效率高 。 東風(fēng)日產(chǎn) 公司推出的能量回收系統(tǒng)則 是徹底根據(jù)車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)開發(fā) ，沒有原有基礎(chǔ) 上增加任何 改動(dòng) ， 只是針對(duì) 制動(dòng)管路 有些設(shè)計(jì)。 在制動(dòng)能量回收 12 時(shí)，要調(diào)整摩擦制動(dòng)力，而主缸和缸閥關(guān)閉，消除氣缸壓力對(duì)主缸壓力波動(dòng)的影響。其次， 處在 蓄能器和主缸之間的開關(guān)閥 要適當(dāng)依據(jù) 制動(dòng)踏板傳感器的信號(hào)進(jìn)行適度地調(diào)節(jié) 大小 ，從而 更好地 模擬主缸壓力對(duì)踏板的 干擾 。同時(shí)電機(jī)控制泵 要 抽取 部分 制動(dòng)液 送進(jìn) 輪缸 ， 然后 各輪缸根據(jù) 需求 分別進(jìn)行 工作 。 韓國(guó) 的 司 在 2009 年 完成開發(fā) 的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)， 也是根據(jù) 完成的 。在 原來 的 統(tǒng) 中 ， 添加了完整的 開關(guān)閥 裝置 ，用來 調(diào)節(jié) 在摩擦制動(dòng) 時(shí)阻止 主缸和輪缸之間的聯(lián)系，從而 為 制動(dòng) 提供良好的 感覺。 這套系統(tǒng)具有 同時(shí) 完成 節(jié)的 能力 ， 而為了快速進(jìn)油 ， 添加了兩個(gè)泵在系統(tǒng)中。 總結(jié)上述方案，在同一廠家的實(shí)踐中，基本著眼于現(xiàn)有液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改造。 好處 是 它們 普遍具有同時(shí) 完成 制動(dòng)能量回收控制和底盤動(dòng)力學(xué)控制的能力 ， 對(duì)于四個(gè)車輪的控制也比較自如 。 不過也存在以下一些不足： 基于 此對(duì) 本太高，可靠性有待驗(yàn)證 。目前，豐田公司本身也在改進(jìn)過程中，以降低成本。 司的 設(shè)計(jì) 與 其他兩種 相比 ， 較低 ， 安全性 也有 了保證。 總結(jié)起來比較 ， 要是使用 原有的 統(tǒng) 完成 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 一定要以相對(duì)完善的 統(tǒng)為基礎(chǔ)，這樣本身可靠且代價(jià)較小。同時(shí)也要 注重減少 系統(tǒng)中的 關(guān)鍵性 部件， 節(jié)省 成本。 第二類方案 是廣泛針對(duì)于 原有制動(dòng)主缸 革新 ，主要目的是將踏板力和主缸壓力 徹底分開 。 針對(duì)這個(gè)問題就要重新設(shè)計(jì)完成新的 制動(dòng)主缸設(shè)計(jì) 。 因此在 開始時(shí) 需要付出的 巨大地 代價(jià)和精力。 同時(shí) 該系統(tǒng)的可靠性比以前更未知 。 本田公司 完成 了一種新型主缸 設(shè)計(jì) 取代傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)主缸設(shè)計(jì) 。 制動(dòng)回饋調(diào)節(jié)閥 被安置在制動(dòng)主缸里 ，負(fù)責(zé)防抱死控制 的是壓力調(diào)節(jié)閥 。除了在制動(dòng)主缸中回饋調(diào)節(jié)閥 的 制動(dòng)回饋時(shí)調(diào)節(jié)制動(dòng)管路的壓力，還 會(huì)將 制動(dòng)液直接送 道輪缸主動(dòng) 進(jìn)行 制動(dòng)。同時(shí) 經(jīng)過使用 行程模擬器和伺服制動(dòng)閥， 會(huì)使 踏板制動(dòng)力與制動(dòng)管路壓力解藕。該系統(tǒng)是一個(gè)純機(jī)械系統(tǒng)，具有較高的可靠性。本田將該方案應(yīng)用在 五洲公司于 2008 引進(jìn)電子真空助力器液壓制動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 示。踏板力與液壓制動(dòng)力之間完全解藕 也在它身上體現(xiàn) ， 制動(dòng) 踏板 的回饋 力 全 13 部 由行程模擬器 供應(yīng) ， 為駕駛者提供了良好的體驗(yàn) 。 在這個(gè)體系中 ， 在 主缸和踏板之間 增添了液壓腔 ， 其他的 電控真空泵 為其供給動(dòng)力 。 在進(jìn)行 制動(dòng)時(shí)，液體 會(huì)進(jìn)入液壓 腔， 像一道門 在制動(dòng)主缸和踏板之間。主缸的 變化完全 由液壓腔內(nèi)的液體直接控制，同時(shí)該部分液體能夠 提供反向的作用力作用在 踏板相關(guān)部件 上 ，保證 在 壓力調(diào)節(jié) 時(shí)不會(huì)對(duì) 踏板等位置 產(chǎn)生影響 。液壓腔 會(huì) 有部分 余量，在 踏板相關(guān)部件和主缸部件在系統(tǒng) 無法工作 時(shí) 保證 機(jī)械接觸 正常 ， 轉(zhuǎn)變?yōu)?常規(guī)液壓制動(dòng) 作用 ， 應(yīng)急保護(hù)較好 。 圖 子真空助力器液壓系統(tǒng) 在該系統(tǒng)中 ， 制動(dòng) 踏板力 全部是 行程模擬器 供給的 ， 因此駕駛員能從制動(dòng)踏板上獲得良好的駕駛體驗(yàn) 。系統(tǒng) 無法工作事 時(shí)可 轉(zhuǎn)變 為常規(guī)液壓制動(dòng)， 應(yīng)急保護(hù)方案較好。其缺點(diǎn) 主要 是電動(dòng)真空泵 損耗率太高 ，另外該系統(tǒng)只能 在 主缸中調(diào)節(jié) 制動(dòng)力，不能對(duì) 所有輪胎 液壓制動(dòng)力單獨(dú) 進(jìn)行 調(diào)節(jié)，因此 會(huì) 受到 大量地限制。目前該系統(tǒng)尚未應(yīng)用在任何量產(chǎn)車型上。 另一種常見的 設(shè)計(jì)是 在主缸內(nèi) 阻斷 踏板力和主缸壓力 。 可 起到 推動(dòng) 踏板的作用，從而防止在摩擦制動(dòng)過程中受壓力影響的踏板推桿。 韓國(guó)的 司都基于該思路開發(fā)出了各自的新型主缸。 14 日產(chǎn)和現(xiàn)代 采用的均是與踏板同軸放置的電機(jī)，首先將電機(jī)的輸出經(jīng)過一級(jí)增速機(jī)構(gòu)，隨后利用螺紋螺桿機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線移動(dòng)，推動(dòng)某種軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 本田在不久前 提出的新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與前兩者略有 差異 ，該系統(tǒng)在制動(dòng)踏板 之間 相連的一級(jí)主缸后加入了一個(gè)次級(jí) 的 主缸。動(dòng)力機(jī)構(gòu)就是與該次級(jí)主缸相連，通過一個(gè)錐齒輪結(jié)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成活塞的移動(dòng)來推動(dòng)次級(jí)主缸內(nèi)的彈簧和滑塊，進(jìn)而來控制壓力并將其輸出至其后的各制動(dòng)輪缸對(duì)應(yīng)的開關(guān)閥處。在調(diào)節(jié)次級(jí)主缸內(nèi)的壓力時(shí)，通過一組開關(guān)閥阻斷一級(jí)主缸和次級(jí)主缸，同時(shí)使用了蓄能器和開關(guān)閥的組合來模擬踏板制動(dòng)感覺 ，這一點(diǎn)做法與第一類中的相似。 總結(jié)了第二個(gè)系統(tǒng)，我們可以看到，如果你使用一個(gè)新的主缸，它一般是不可能避免獨(dú)立調(diào)整前后缸壓力的缺陷，本田的程序是這樣的， 日產(chǎn)和現(xiàn)代 的設(shè)計(jì) 方案同樣如此。這樣 就 導(dǎo)致在制動(dòng)能量回收 在運(yùn)算 的設(shè)計(jì) 上有一些局限性 。本田 于 2010年提出通過增加次級(jí)主缸和開關(guān)閥 的方案打破這一技術(shù)壁壘 ， 完成了 前后輪 可以 獨(dú)立調(diào)節(jié)，不過成本 代價(jià) 太高，結(jié)構(gòu) 也存在缺陷 ， 不適合在整車上應(yīng)用 。第二種方法最致命的一點(diǎn) 是 ，需要重新設(shè)計(jì)制動(dòng)主缸，精度要求高，而從目前的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水平來看有許多差距 。其他外國(guó)公司或研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域也進(jìn)行了研究，但 整車成品 較少， 無法大量 應(yīng)用。 章小結(jié) 本章主要首先介紹了制動(dòng)能量再生系統(tǒng)的基本原理，通過對(duì)比 電機(jī)再生制動(dòng)部分和傳統(tǒng)液壓摩擦制動(dòng)部分 的關(guān)系，初步得出目 前制動(dòng)能量回收技術(shù)的研究主要集中在兩個(gè)面：方案設(shè)計(jì)和控制策略 。 通過對(duì)比國(guó)外幾家大型汽車公司所研發(fā)的技術(shù)成果，可以看出我國(guó)目前距世界領(lǐng)先水平還有一段距離。分析了制動(dòng)能量回收的原理以及電路原理。 15 3 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收的約束 制動(dòng)能量回收問題 解決有著重大 意義對(duì)于提高 動(dòng)汽車使用 電制動(dòng)時(shí) ,驅(qū)動(dòng)電機(jī)在發(fā)電狀態(tài) 下運(yùn)行 ,會(huì)把 部分動(dòng)能 傳遞 給蓄電池對(duì)其 進(jìn)行 充電 ,這 對(duì)電動(dòng)汽車 續(xù)航 距離是至關(guān)重要的。 電動(dòng)汽車 的 制動(dòng) 大概有 以下 幾種方式，不同的 控制策略 適用于不同的情況 。 1) 急剎車 將電剎車和傳統(tǒng)各大機(jī)械剎車相結(jié)合，目的是為了 增大剎車 時(shí)的摩擦力 ,通過控制系統(tǒng) 完成 剎車 的制動(dòng)力 分配。由于剎車 所用的時(shí)間較少 ,其回收的能量 主要用于供應(yīng) 車輛 二次 啟動(dòng) 和 加速過程 所需要的電能 。降低電池在啟動(dòng)和加速時(shí)的負(fù)擔(dān) 。 2) 中度輕剎車 中輕度剎車對(duì)應(yīng)汽車在 普通 工況下的制動(dòng) 情況 ,分為減速 情況和 停止 情況 。電剎車 和機(jī)械剎車分別負(fù)責(zé)汽車減速和停車 。兩種剎車的切換點(diǎn)由電機(jī)發(fā)電特性確定。 回收的電能 儲(chǔ)存在儲(chǔ)能設(shè)備中儲(chǔ) 滿后開始向電池 進(jìn)行 充電 。 3) 長(zhǎng)時(shí)間減速時(shí)的剎車 汽車長(zhǎng)下坡一般發(fā)生在下坡路的曲折路段。當(dāng)不需要制動(dòng)力時(shí)，可完全由電動(dòng)制動(dòng)器提供。反饋電流的充電特性是小的，但充電時(shí)間較長(zhǎng)。限制因素是電池的最大充電時(shí)間 。 還能在 最大 程度 上 的 為 剎車 減輕壓力 ， 避免剎車 因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間 制動(dòng) 而引起的熱衰退 ， 造成的剎車力不足甚至剎車 失效車輛失去控制。 可回收制動(dòng)能量是電動(dòng)汽車最重要的 特色 之一，但是電動(dòng)汽車制動(dòng)能量 回收有許多 因素的制約。電動(dòng)汽車制動(dòng)能量 的 回收 受到的 約束主要 包含 以下幾個(gè)方面： ① 行駛工況 要滿足各種工況下的制動(dòng)要求，契合不同駕駛員的制動(dòng)習(xí)慣，不同的行駛工況，車輛制動(dòng)頻率不一樣，使制動(dòng)能量可以回收不同 。在剎車的過程中，安全永遠(yuǎn)都要擺在首要位置 。確保電氣制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)器工作良好，盡可能多的能源，同時(shí)確保安全。應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車 程序結(jié)構(gòu)一樣 ,這將保證在實(shí)際整車工作 中 ,駕駛者會(huì)有更好駕駛體驗(yàn) 。 16 ② 蓄電池 蓄電池的充電效率要收到蓄電池的 電池溫度、以及充電電流的限制。電池 過高或溫度過高 是 不能制動(dòng)能量回收。充電電流過大，使電池溫度迅速升高，制動(dòng)能量 回收率 不高。 ③ 電機(jī)因素 考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作特性和輸出功率 。 電機(jī)制動(dòng)力矩越大，制動(dòng)能量越大。再生制動(dòng) 力矩 受到發(fā)電功率和轉(zhuǎn)速 大小的影響 ， 電機(jī)要滿足制動(dòng)的要求，就要求 制動(dòng) 力度不能過于強(qiáng)烈 。 ④ 控制策略 為了保證制動(dòng)安全狀態(tài)下的能量完全恢復(fù)，有必要設(shè)計(jì)再生制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的關(guān)系。 ⑤ 驅(qū)動(dòng)形式 再生制動(dòng)系統(tǒng)只能回收驅(qū)動(dòng)輪上的制動(dòng)能量。 如圖 文電動(dòng)汽車所 采用 的驅(qū)動(dòng)方式為 四輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)， 為的是 回收更多的制動(dòng)能量。 圖 生制動(dòng)系統(tǒng)能量 現(xiàn)在不思考 再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng) 的 控制策略對(duì)制動(dòng)能量回收 有多大 影響，從電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)能量圖 中觀察可知 ，制動(dòng) 所產(chǎn)生的 能量 最開始從 17 車輪 產(chǎn)生，最終傳遞到 蓄電池 。 傳遞所經(jīng)過 的每一個(gè)零部件都會(huì)對(duì)能量造成 或多或少的 損失，考慮到機(jī)械傳動(dòng)效率 比較穩(wěn)定 ，因此影響制動(dòng)能量回收的主要因素有 以下幾種 ：電機(jī)的工作特性、蓄電池 工況 和液壓制動(dòng) 裝置 的 分布方式 。另外，相關(guān)研究表明在 相應(yīng) 的制動(dòng)力范圍內(nèi)，再生制動(dòng)力 與制動(dòng)能量回收率成正比 。 18 4 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量再生控制策略 動(dòng)能量再生過程的動(dòng)力學(xué)分析 在 再生制動(dòng)過程 中 ，汽車部件的動(dòng)能，從車輪通過 傳動(dòng)系統(tǒng) 到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī) 工作發(fā)電 ，由存儲(chǔ)的能量存儲(chǔ)裝置 儲(chǔ)存所 產(chǎn)生的能量。 根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)可知汽車行駛方程為： ???t （ 4 式中， 作用于車輪上驅(qū)動(dòng)力為滾動(dòng)阻力； 滾動(dòng) 阻力； 空氣阻力；坡度阻力； 加速 阻力； 單位都是 N 。 在城市工況下，車輛行駛速度 比 較低， 城市路況較好 ，且所研究 的車輛為電動(dòng)轎車 ，故 以忽略不計(jì)。所以上式可簡(jiǎn)化為 ： （ 4 車輛 在 制動(dòng)時(shí)，加速阻力變?yōu)檐囕v行駛的制動(dòng)力 則汽車的行駛方程變?yōu)椋? ? （ 4 電動(dòng)汽車 在進(jìn)行 制動(dòng) 的過程中， 機(jī)械制動(dòng) 力 與電機(jī)再生制動(dòng) 力共同 存在。車輛全部 制動(dòng)力由機(jī)械制動(dòng) 產(chǎn)生 的摩擦制動(dòng)力 電機(jī) 的反接 制動(dòng)力 同 提供，則有： （ 4 m a xm a x ?? ?? mo th y ? （ 4 式中， 摩擦制動(dòng)器提供的最大制動(dòng)力； — 當(dāng)前轉(zhuǎn)速功率下的電機(jī)最大制動(dòng)力； α— 機(jī)械摩擦制動(dòng)力的加權(quán)系數(shù) ?? 10 ??? ； β— 電機(jī)制動(dòng)力的加權(quán)系數(shù) ?? 10 ?? ? 。 可以通過調(diào)節(jié)制動(dòng)踏板，使加權(quán)系數(shù)α和β的值進(jìn)行改變。當(dāng)所需求的制動(dòng)力矩小于電機(jī)所能提供的最大制動(dòng)力矩時(shí)，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)失效α =0，所需 19 要的制動(dòng)力就會(huì)全部由電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)所提供，制動(dòng)踏板會(huì)通過調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)β值的大小來調(diào)節(jié)電機(jī)制動(dòng)力的大??；當(dāng)需求制動(dòng)力矩大于電機(jī)所能提供的制動(dòng)力矩時(shí)，電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)工作在最大制動(dòng)力狀態(tài)下β =1，制動(dòng)踏板通過調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)α值的大小來調(diào)節(jié)機(jī)械制動(dòng)力的大小 。 本文主要分析了復(fù)合制動(dòng)的兩種制動(dòng)力分配狀態(tài)，一種是電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)提供全部所需求的制動(dòng)力，另一種是機(jī)械制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)共同 作用來提供制動(dòng)力。 ① 假設(shè) 需要 制動(dòng)力矩小于電機(jī)所能提供的最大 的 制動(dòng)力矩， 而 此時(shí)機(jī)械摩擦制動(dòng)力 不起作用 0，制動(dòng)力都是由電 機(jī) 制動(dòng) 而 產(chǎn)生，則 β 。 司機(jī) 通過調(diào)節(jié)制動(dòng)踏板的 角度 ， 來 調(diào)節(jié)制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)狀態(tài)下 的制動(dòng)能量回收。 根據(jù)上面所述和制動(dòng)相關(guān)方程及推導(dǎo)可知： 電動(dòng)汽車的負(fù)載功率 ： ?? ???? （ 4 式中， — 為瞬時(shí)車速。 制動(dòng)時(shí)輸入機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的瞬時(shí)功率 1P 為： ? （ 4 電制動(dòng)初始時(shí)刻 0t 的汽車動(dòng)能 0E 為： 20021 （ 4中， 0 電制動(dòng)初始時(shí)刻的速度。 制動(dòng)過程中，能量的損耗為： ?? 21202101 aa ???? （ 4 根據(jù)能量守恒定律， 0 ? ?? ? ? ????? d tE （ 4 設(shè)， ????4 ， ?? b （ 4 ??? ? ? （ 4 式中， — 制動(dòng)距離 制動(dòng)時(shí)，輸入的發(fā)電機(jī)瞬時(shí)功率 2P 為： ?? 112 （ 4 式中， — 機(jī)械傳動(dòng)部分的效率 — 電機(jī)轉(zhuǎn)矩 — 電機(jī)角速度 制動(dòng)時(shí)蓄電池輸入的瞬時(shí)功率 為： 112223 ? （ 4 式中， — 電機(jī)發(fā)電效率 制動(dòng)過程中所回收的能量的功率 為： 1123334 ? （ 4 式中， — 電池充電效率 制動(dòng)過程中回收的總能量為： ?? ? ???? 1 ? ?f??? 1234 （ 4 在制動(dòng)過程中，汽車的瞬時(shí)速度 為： ? ?? ??? （ 4電電流 i 為 : ? ?????? ?????01234（ 4中， U — 電池端電壓。 依據(jù)以上的驗(yàn)證可知，在需要制動(dòng)力矩小于電機(jī)供給的制動(dòng)力矩時(shí)候，電動(dòng)汽車制動(dòng)力完全由再生制動(dòng)裝置提供，回收能量為 ? ??? 。在方程中 E? 的值有關(guān)的制動(dòng)的初始速度和停止速度，并給定的車輛的值 1K 2K 3以，當(dāng)確定開始制動(dòng)時(shí)的車速和汽車停止時(shí)的車速時(shí)，制動(dòng)距離的大小就決定著回收能量的多少，距離越長(zhǎng)回收的能量越少，距離越短回收的能量就月多。以上所有的分析只是基于理想條件下的分析，制動(dòng)能量再生過程中，能夠回收多少能量還要受到電池 、電池的充電電流和電池所能承受的最高溫度的影響。 ② 當(dāng)需求的 電機(jī)所能提供的制動(dòng)力時(shí)，電機(jī)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)共 同發(fā)生作用。此時(shí)β =1，電機(jī)在該轉(zhuǎn)速下最大的的制動(dòng)力 ，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)起到作用。此時(shí)的制動(dòng)力為 m a x??? mo 。駕駛員通過調(diào)節(jié)制動(dòng)踏板開度來調(diào)節(jié)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力，從而達(dá)到自己想要的車速。 根據(jù)以上分析和制動(dòng)相關(guān)的方程可以推導(dǎo)出電機(jī)的制動(dòng)力矩： o tm o t mm a x I??? ? （ 4 式中， 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 2 ? — 磁通量 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大制動(dòng)電流 電機(jī)制動(dòng)力矩作用在車輪上的制動(dòng)力： g 0m （ 4 式中， 變速器傳動(dòng)比 0i — 主減速器傳動(dòng)比 r — 車輪半徑 依據(jù)以上分析可知 ,當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力可以提供地最大的制動(dòng)力不足以滿足要求時(shí) ,機(jī)械制動(dòng)和電機(jī)系統(tǒng)會(huì)一起工作。汽車制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力在這種工況下會(huì)提供最大的制動(dòng)力，而電動(dòng)汽車制動(dòng)能量能回收多少只與制動(dòng)所用的時(shí)間有關(guān)。 動(dòng)能量回收系統(tǒng)的控制策略 在原有的制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)，并通過兩種動(dòng)力的重新匹配實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)功能。當(dāng)前電動(dòng)汽車制動(dòng)需要解決兩個(gè)主要問題 :一是如何合理分配再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng) ,在保證安全的同時(shí)完成更多的能量回收；二是如何分配前后車軸的總功率達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的制動(dòng)效果。通常，再生制動(dòng)只適用于傳動(dòng)軸。為了回收盡可能多的能量，必須產(chǎn)生一定的制動(dòng)控制牽引電動(dòng)機(jī)，同時(shí)，應(yīng)控制機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)滿足駕駛員的剎車命令。 想剎車控制策略 理想的剎車控制策略原理如圖 示。根據(jù)剎車踏板位置傳感器或剎車管道回路壓力獲得汽車制動(dòng)力來減速度，當(dāng)制動(dòng)減速度小于 ，制動(dòng)力全部由前輪再生制動(dòng)力提供，后輪不行使制動(dòng)力。，對(duì)比原理圖可知，圖中的 I 曲線為后輪被施加的功率。其中 ,對(duì)前輪剎車力的影響可以分為兩個(gè)部分 :機(jī)械再生制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力 ,剎車力小于當(dāng)前輪需要電機(jī)可以產(chǎn)生最大的制動(dòng)力時(shí) ,前輪制動(dòng)力會(huì)提供再生制動(dòng)。最大制動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供，其余制動(dòng)力由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供。 23 圖 想剎車分配控制策略 理想剎車分配控制策略的好處是能夠充分利用地面附著力，剎車時(shí)剎車距離越短，剎車時(shí)汽車的穩(wěn)定性越好，同時(shí)還能夠回收更多的制動(dòng)能量。其缺點(diǎn)是需要準(zhǔn)確檢測(cè)前后橋的正常負(fù)載，以及需要相對(duì)高度智能化的智能控制器。目目前，即使是最先進(jìn)的傳統(tǒng)燃料汽車也無法實(shí)現(xiàn) 前后輪功率嚴(yán)格按照曲線分布，更不用說附加的電機(jī)制動(dòng)力，使得難以協(xié)調(diào)控制。但我相信隨著汽車技術(shù)的不斷更新發(fā)展，未來該策略一定會(huì)在汽車上得到實(shí)際的應(yīng)用 [12]。 動(dòng)能量回收控制策略 如何最大限度地提高制動(dòng)能量回收，是最佳制動(dòng)能量回收控制策略索要解決的問題。其前后輪制動(dòng)力的分配方法如圖 控制思想為： 1) 當(dāng)車輛制動(dòng)強(qiáng)度 z 小于路面附著系數(shù) ? 時(shí)，在滿足 ? 和 — 定范圍前后輪制動(dòng)力可以變化。在這種狀況下，應(yīng)該盡可能的多利用前輪的制動(dòng)力來制動(dòng)。如果電機(jī)的制動(dòng)力所表現(xiàn)出來的值在 前輪的全部制動(dòng)力都由電機(jī)再生制動(dòng)制動(dòng)力來提供，而后輪的機(jī)械摩擦制動(dòng)力則可以根據(jù)線段 果再生制動(dòng)力的值小于對(duì)應(yīng)于 前后輪功率分配值應(yīng)落在 A 一點(diǎn)上。由電機(jī)供給最大的制動(dòng)力，前輪液壓制動(dòng)供給欠缺部分會(huì)。 24 圖 佳制動(dòng)能量回收策略 2) 如果剎車強(qiáng)度要比路面表面附著系數(shù)小得多，那么再生制動(dòng)力將提供剎車所需的所有制動(dòng)力，而機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)將不會(huì)起作用 [13]。 3) 當(dāng) z =? 時(shí)，前后輪制動(dòng)力分配點(diǎn)落在 I 曲線上，附著系數(shù) ? 很大時(shí)，再生制動(dòng)力將會(huì)達(dá)到最大值，剩余的制動(dòng)力會(huì)由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供 [14]。當(dāng)附著系數(shù) ? 不大的時(shí)候，會(huì)使用再生制動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng)。 最好的能量回收控制策略在理論上可以最大限度的回收制動(dòng)能量，但是它需要對(duì)再生的制動(dòng)力和機(jī)械制制動(dòng)力進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性比較差，實(shí)現(xiàn)上它需要擁有極高智能控制器來控制，技術(shù)難度比較大難以實(shí)現(xiàn)，制造成本高昂，因此這個(gè)控制策略毫無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，只能存在于理論研究中。 抱死制動(dòng)策略 其是混合動(dòng)力汽車上更是體現(xiàn)的淋漓盡致。它模仿了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的控制。在收到制動(dòng)信號(hào)后，總制動(dòng)裝置，牽引電機(jī)和控制律的特性，給出前后制動(dòng)力矩，再生制動(dòng)力矩和機(jī)械制動(dòng)力矩 [15]。電機(jī)控制器將有一個(gè)適當(dāng)?shù)闹噶铖R達(dá)制動(dòng)力矩，而機(jī)械制動(dòng)控制器對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令是為了在每個(gè)輪子上有適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)力矩。電動(dòng)剎車裝置也由防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制，以防止車輪完全被抱死 。 聯(lián)再生制動(dòng)控制策略 制動(dòng)系統(tǒng)有一個(gè)傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)裝置，它被分配給后輪以固定制動(dòng)比。再生制動(dòng)增加了前輪上的附加力，從而產(chǎn)生了總動(dòng)態(tài)分布曲線。在前車軸上施加 25 的機(jī)械力與主缸的水壓成比例。電機(jī)產(chǎn)生的再生電能是主要?dú)飧椎囊簤汗δ?，因此它是降低車輛速度的函數(shù)。因?yàn)橛行У脑偕β适沁\(yùn)動(dòng)速度的函數(shù)，而且由于低速條件，幾乎沒有任何動(dòng)能恢復(fù)。當(dāng)要求負(fù)加速度小于給定的負(fù)加速度時(shí)，再生制動(dòng)是有效的，當(dāng)負(fù)加速度低于給定值時(shí)，就應(yīng)用再生制動(dòng)，并模擬了傳統(tǒng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的延遲點(diǎn)火，如圖 示。 圖 并聯(lián)再生制動(dòng)控制策略 與以上控制策略相比，盡管所能回收的制動(dòng)能量要比它們所能回收的小很多，但是該控制策略不需要控制機(jī)械制動(dòng)力的大小，僅僅只需要控制電機(jī)的再生制動(dòng)力的大小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便可靠，制造成本低。 當(dāng)再生制動(dòng)失靈時(shí)，仍能安全制動(dòng)，制動(dòng)安全性好，更符合 求的制動(dòng)安全控制策略，因此本文采用了并聯(lián)制動(dòng)的再生制動(dòng)方法 [16]。 章小結(jié) 本章在對(duì)制動(dòng)能量再生的過程分析中，得出了機(jī)械制動(dòng)力和再生制動(dòng)力之間的關(guān)系。通過分析轎車?yán)硐氲闹苿?dòng)力分配曲線的實(shí)際的制動(dòng)力分配曲線，為能量回收策略提供了理論上的依據(jù)。通過對(duì)比四種典型的控制策略，深度分析，結(jié)論得到 并聯(lián)法進(jìn)行再生制動(dòng)的控制策略基本符合本文所研究的主要控制策略。 26 5 總結(jié)與展望 新能源汽車是未來汽車領(lǐng)域發(fā)展之必然趨勢(shì)。新能源汽車目前是全球范圍內(nèi)都在開發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目，全球汽車大國(guó)如中國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)、意大利等都投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行深度研究和推廣，目的是為了搶占未來能源汽車市場(chǎng)。在當(dāng)今世界，人們的日常生活已經(jīng)離不開汽車，這也是各大汽車廠商爭(zhēng)奪的一個(gè)主要點(diǎn)。發(fā)展新能源汽車來逐漸取代傳統(tǒng)汽車對(duì)解決能源緊缺和環(huán)境污染等問題，以及提高國(guó)家的形象和實(shí)力有著重要的意義。未來新能源汽車的發(fā)展趨勢(shì)將向一下發(fā)展方向發(fā)展 : 在 使用協(xié)調(diào)式制動(dòng)回饋系統(tǒng) 的時(shí)候 ，為了 保證汽車行駛安全 ， 要簡(jiǎn)化有關(guān)的裝 置。將各個(gè)控制系統(tǒng)集合起來， 對(duì)制動(dòng)能量 回收 與防抱死制動(dòng)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)與控制具有 積極地 意義。 一類是基于原有的 統(tǒng) ， 另一類 是對(duì)原有的 制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行 改裝 ，在進(jìn)入調(diào)節(jié)閥之前完成 制動(dòng) 。 得到 并聯(lián)法進(jìn)行再生制動(dòng)的控制策略 更符合目前世界社會(huì)的發(fā)展和應(yīng)用。 如何提高再生制動(dòng)的能量回收效率的策略 ,傳統(tǒng)的燃油汽車使用摩擦制動(dòng)系統(tǒng)來用于制動(dòng) ,在減速的過程會(huì)損失巨大的能量。電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收技術(shù)和系統(tǒng)控制策略通過再生制動(dòng)系統(tǒng)和摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的相互合作 ,是為了得到更好的能量回收率。本文通過對(duì)比和優(yōu)化幾種制動(dòng)能量再生控制策略，得出 并聯(lián)法進(jìn)行再生制動(dòng)的控制策略為符合目前世界社會(huì)發(fā)展的控制策略。 27 參 考 文 獻(xiàn) [1] 曹秉剛 J]2007,41:1[2] 徐哲 J]2006. [3] 過學(xué)迅，張靖 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào) . 2005,27(1):22[4] of EV J]999[5] 陳慶棒，何仁 ， 商高高 拖拉機(jī)與農(nóng)用