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畢 業(yè) 設 計 （論 文）
設計(論文)題目： 無人駕駛電動汽車再生制動
系統(tǒng)的設計
學生姓名
二級學院
班 級
提交日期
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目 錄
摘 要 Ⅲ
Abstract Ⅳ
1.緒論 1
1.1課題研究背景及意義 1
1.2無人駕駛電動汽車的概述 1
1.3課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.4本文的研究意義及主要研究內(nèi)容 3
2.再生制動系統(tǒng)的基本原理 4
2.1汽車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 4
2.2再生制動系統(tǒng)的工作原理 4
2.3再生制動系統(tǒng)的設計要求 5
2.4常見的再生制動方式 6
2.5本章小結(jié) 6
3 再生制動力的計算與修正 8
3.1再生制動力的限制因素分析 8
3.2電動汽車的技術(shù)參數(shù) 9
3.3制動力分配系數(shù)計算 10
3.4電機峰值轉(zhuǎn)矩限制計算 14
3.5本章小結(jié) 15
4 制動能量的回收 16
4.1儲能器件的選擇 16
4.2超級電容的基本原理 16
4.3超級電容的特性 17
4.4本章小結(jié) 17
5 再生制動系統(tǒng)的建模與仿真 18
5.1制動系統(tǒng)的建模 18
5.2 制動零部件主要系統(tǒng)的仿真分析 21
5.3 主動輪和從動輪的仿真分析 24
5.4本章小結(jié) 26
6 結(jié)論與展望 27
參考文獻 28
致謝 29
II
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無人駕駛電動汽車再生制動系統(tǒng)的設計
摘 要
汽車經(jīng)過一百多年的發(fā)展歷程，現(xiàn)在已經(jīng)融入到人們生活的方方面面。它擴大了人們的出行范圍，提高了人們的生活質(zhì)量，極大地促進了社會的進步。伴隨著汽車的增多，它的弊端也隨之出現(xiàn)，例如：交通擁堵、環(huán)境污染等。在全世界范圍內(nèi)，已經(jīng)出現(xiàn)了好幾次重大的污染事件，汽車排放也是罪魁禍首之一。由于電動汽車具有零排放、低污染等優(yōu)點，已受到人們的重視。
本文主要的研究目地，是根據(jù)已有理論知識，設計出一套再生制動系統(tǒng)，通過在前軸上添加一齒輪，并將該齒輪與電機上的齒輪嚙合，通過制動時汽車的慣性帶動電機產(chǎn)生電能回收能量。整個再生制動系統(tǒng)的設計包含機械與電路兩部分，本文側(cè)重于機械部分重要零部件的分析及計算。通過對現(xiàn)有的電動汽車相關(guān)參數(shù)進行分析，計算出制動力分配系數(shù)、電機轉(zhuǎn)矩等重要數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行仿真分析，分析仿真結(jié)果，驗證設計的可行性，并對其中出現(xiàn)的的問題加以分析解決。
關(guān)鍵詞：電動汽車； 再生制動 ；能量回收
VI
Abstract
The design of the unmanned electric vehicle regenerative braking system
Abstract
After one hundred years of development, car has now been integrated into all aspects of people's life.It enlarged the scope of people's travel, improve people's quality of life and greatly promoted the progress of the society.With the increasing of the car, its disadvantages are also emerged, traffic congestion, environmental pollution, etc.?there have been several major pollution incident all the world, emissions from cars is also one of the culprit.Due to it has the advantages of zero emissions, low pollution, the electric car has received people's attention.
The purpose of this paper is based on existing theory knowledge, design a set of regenerative braking system,By adding the one on the front axle gear and the gear on the motor gear mesh, by inertia driven motor to generate electricity when braking energy recycling.The whole design of regenerative braking system includes mechanical and circuit two parts, this paper focuses on the important parts of mechanical part of analysis and calculation.Through the analysis of the existing electric vehicle related parameters calculation, calculate the braking force distribution coefficient, motor torque and other data, and carries on the simulation analysis based on these data, the analysis of simulation results, the feasibility of the design are verified, and the analysis of the problems of solution.
Keywords: electric vehicle； regenerative braking； energy recovery
第一章 緒論
1.緒論
1.1課題研究背景及意義
從1886年本茨發(fā)明了第一輛三輪汽車，到如今已有130年的歷史，在這過程中汽車產(chǎn)業(yè)有了長足的發(fā)展，從最初的三輪簡陋的汽車，到如今功能齊全速度飛快地四輪汽車，汽車這一對促進社會進步起到非常重要作用的工具也在人們的不斷努力下得以完善。如今汽車已經(jīng)與人類的生活密不可分。它極大地擴展了人們的出行范圍，為貨物的運輸提供了極大的便利。雖然汽車對人類的進步作用巨大，但我們并不能只看到它的好處而無視它帶來的危害。最近十幾年，伴隨著世界汽車保有量的增加，作為汽車能源的石油等資源不可避免的被大量消耗，據(jù)預測，世界各地的石油等資源只夠再挖掘50多年。有數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)今全世界每天石油的消耗量大約在4000萬桶左右，其中大約30%～50%是被用來進行貨物的流通，而作為主要交通工具的汽車消耗的石油大約占交通運輸消耗總量的70%～80%。
汽車不僅僅是消耗大量石油資源，還會產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，影響人類的健康以及動植物的生長。目前，絕大多數(shù)的汽車都是靠燃燒汽油或者柴油來工作的，在理想情況下，汽車發(fā)動機能夠充分利用汽油的話，就只有二氧化碳和水會被排放到大氣中去，這些二氧化碳會被自然界中的植物吸收。但是隨著交通運輸量的增加，汽車的使用量急劇上升，汽車排放的二氧化碳量已經(jīng)超過的環(huán)境能凈化的上限，大量的二氧化碳累積起來，就會產(chǎn)生溫室效應。而實際并不如想象的那么美好，汽油在內(nèi)燃機內(nèi)燃燒不充分，就會有大量的沒有完全燃燒的碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物等物質(zhì)產(chǎn)生，這些氣體成分對人體是有害的。我國作為發(fā)展中國家，片面的追求經(jīng)濟發(fā)展而容易忽視對環(huán)境進行保護，所以我國的環(huán)境污染問題相當嚴重。
人們逐漸重視汽車所造成的負面影響，世界各國都在制定有關(guān)的法律法規(guī)。當下，為尋求更好的發(fā)展，促進汽車的節(jié)能、環(huán)保和安全等性能已經(jīng)成為焦點。在汽車行業(yè)，促進節(jié)能、環(huán)保主要有兩大途徑:一是降低油耗并且限制有害物的排放;另一方法是開發(fā)使用新能源汽車如：燃料電池電動汽車、純電動汽車等。目前，經(jīng)過多年的發(fā)展內(nèi)燃機技術(shù)己經(jīng)走到頂點，想要再做重大突破已然不現(xiàn)實，所以各國汽車行業(yè)將新能源汽車的研發(fā)作為主要的研究方向。相較于傳統(tǒng)燃油汽車，新能源汽車在尾氣的排放、能量的來源、總能量利用率、高功率運行工況以及未來的應用前景等方面都有優(yōu)勢。
1.2無人駕駛電動汽車的概述
電動汽車屬于電動車輛，是指那些靠汽車所攜帶的儲能器件上儲存的能量來驅(qū)動的一類汽車。電動汽車在性能上基本與內(nèi)燃機保持一致，只是驅(qū)動方式和動力線路與內(nèi)燃機不同，且具有電動車輛的基本特征。電動汽車通常分為三類：純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車。
研發(fā)電動汽車的目的只是改善日益嚴峻的能源壓力以及環(huán)境污染，所以電動汽車與內(nèi)燃機相比，只有有關(guān)動力系統(tǒng)方面的進排氣系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)有所不同，其它的汽車中的系統(tǒng)包括造型、車身、底盤等都與內(nèi)燃機大同小異。目前由于電動汽車處于研發(fā)、示范階段，個人想法不同，設計的結(jié)構(gòu)形式也就五花八門，但總體來說，電動汽車一般包括電源供給系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等系統(tǒng)。
電動汽車的顯著優(yōu)點如下：1、污染少；2、可使用多種能源；3、效率高；4、噪聲低；5、更利于智能化。現(xiàn)在，發(fā)展電動汽車已成為減輕環(huán)境污染的行之有效的途徑之一，同時，隨著社會的進步，各種高新技術(shù)蓬勃發(fā)展，為電動汽車的研發(fā)及完善提供了有利條件。
1.3課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1國外再生制動技術(shù)研究現(xiàn)狀
從二十多年前，國外就已經(jīng)關(guān)注并研究再生制動系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)，經(jīng)過長時間研究，在這塊全新的領(lǐng)域已經(jīng)獲得了成功，他們的有關(guān)技術(shù)已經(jīng)相當成熟，并且部分已經(jīng)運用于實車之上。
在1997年，日本豐田汽車公司研發(fā)出一款名為Prius的混合動力轎車，該車在當時就已經(jīng)配備了再生制動系統(tǒng)，這是再生制動系統(tǒng)在實車上的首次運用。該系統(tǒng)包含兩種制動方式，即再生制動與傳統(tǒng)摩擦制動。它通過調(diào)節(jié)再生、摩擦制動的比例，來控制再生制動力與摩擦制動力的大小。
本田汽車緊跟著豐田的腳步，在1999年研發(fā)出自己的混合動力汽車Insight。在這款車上雙制動力分配系數(shù)更加的合理，這就使得再生制動的控制向精確化與速度化發(fā)展，不僅使汽車的制動過程更加安全舒適，同時它還增加了制動能量的回收效率。
國外的各個汽車企業(yè)研發(fā)機構(gòu)都在研究再生制動系統(tǒng)這一技術(shù)，同時，受到他們的影響，國外的大學也將這一課題作為熱門課題加以研究。
由于國外較早的就開始對再生制動系統(tǒng)進行研究，所以目前在再生制動這個領(lǐng)域里己取得了較多成果，并且已經(jīng)能夠?qū)⒃偕苿酉到y(tǒng)運用于特定的量產(chǎn)車型之上。
1.3.2國內(nèi)再生制動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
我國受到經(jīng)濟發(fā)展與技術(shù)水平的限制，所以對于再生制動這個領(lǐng)域的研究起步比較晚，目前國內(nèi)對于再生制動這方面的研究仍處于起步階段，雖然在理論研究等方面已經(jīng)有所突破，但距離實用仍需要很長時間。
重慶大學的譚強俊搭建了再生制動系統(tǒng)硬件環(huán)仿真試驗平臺，并對制動系統(tǒng)進行控制參數(shù)的在線整定與性能實驗，為混合動力轎車再生制動系統(tǒng)的完善和優(yōu)化提供研究基礎[1]。
江蘇大學的陳慶樟、何仁、商高高等通過模塊化、分層控制等方法設計出一套環(huán)仿真試驗臺，該試驗臺在研究制動穩(wěn)定性、能量回收率、制動踏板穩(wěn)定性、等方面具有顯著的效果，同時他們將各個部分通過CAN總線進行連接，使試驗臺具有較好的可控性與線控制動試驗系統(tǒng)擴展性[2]。
江蘇大學的隋妮、王廣萍等以電動汽車上的輪轂電機為研究對象，通過對于輪轂電機的研究，設計出了直流無刷電機再生制動試驗臺，并將在該試驗臺上采集的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行對比分析，驗證了再生制動試驗臺的可行性和控制策略的合理性[3]。
從以上例子能看出，再生制動系統(tǒng)技術(shù)在我國仍屬于新技術(shù)，我們對它的研究較少，大多都是仿真分析等理論性的研究，應用于實車上技術(shù)的較少，還需要繼續(xù)深入研究。
1.4本文的研究意義及主要研究內(nèi)容
由于目前還沒有發(fā)明出小體積大能量且價格便宜的儲能器件，電動汽車的動力來源問題沒辦法從根本上解決，所以現(xiàn)在電動汽車不能像傳統(tǒng)內(nèi)燃機一樣長時間長距離的使用是限制電動汽車發(fā)展的最大難題。既然開源我們沒辦法解決，那就從節(jié)流入手，而采用再生制動系統(tǒng)，能夠回收部分本應被浪費的制動能量，雖然沒辦法增加儲能系統(tǒng)的能量上限，但會使電動汽車使用的總能量增加，這就能夠在一定程度上增加它的的續(xù)駛里程，所以研究再生制動系統(tǒng)對于電動汽車的發(fā)展具有重大意義。
本課題的主要研究內(nèi)容為：
1.分析可能會對再生制動系統(tǒng)造成影響的地方，并根據(jù)電機分析計算再生制動力矩，保證電機的轉(zhuǎn)矩等符合強度要求，從而使整個系統(tǒng)能夠順利工作。
2.對再生制動系統(tǒng)進行建模，對系統(tǒng)的重要零件進行強度校核及受力分析，對整個系統(tǒng)進行仿真分析，分析仿真結(jié)果，為以后的改進創(chuàng)新奠定基礎。
29
第二章 再生制造系統(tǒng)的基本原理
2.再生制動系統(tǒng)的基本原理
2.1汽車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
汽車的制動系統(tǒng)的組成見圖2-1，操縱機構(gòu)接收控制員的制動信號，并將它發(fā)送到下一機構(gòu)，同時它也得判斷在電機制動失效的情況下，將所有的制動壓力傳送給摩擦制動系統(tǒng)而切斷電機制動。負責接收操縱機構(gòu)命令的是控制器，它的主要作用是根據(jù)控制算法來分配摩擦制動和電機制動各自所占的比例。摩擦制動系統(tǒng)即是傳統(tǒng)的機械制動，把動能轉(zhuǎn)化為熱能然后通過散熱消耗掉，以此來進行汽車的制動過程。而電機制動系統(tǒng)和能量存儲系統(tǒng)共同組成了能量回收系統(tǒng)，在保證制動安全性的前提下回收部分制動能量。
圖2-1再生制動系統(tǒng)基本構(gòu)成
2.2再生制動系統(tǒng)的工作原理
再生制動系統(tǒng)基本原理如圖2-2所示，電機的作用就是在汽車制動減速時回收制動能量并將回收的能量在加速時回饋給汽車，當電機M在汽車加速狀態(tài)下工作時，蓄電池給電機供電，促進汽車的啟動行駛；當電機M在汽車制動減速狀態(tài)下工作時，電機工作方式有兩種情況：一種是開關(guān)K閉合時，電動機工作增加反向力來幫助汽車減速;一種是開關(guān)K斷開時，電機發(fā)電并將能量儲存在蓄電池當中。
圖2-2再生制動系統(tǒng)原理
——電樞電阻；——制動限流電阻；
——電流回饋電路的等效電阻；——制動電流；
——感應電勢；——電機電樞的電感。
當電機制動時，一般情況下都會斷開開關(guān)K，來回收部分能量，這時由于切割磁感應線，感應電動勢會迅速上升，通過帶動電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電實現(xiàn)制動能量的回收以及再利用。
2.3再生制動系統(tǒng)的設計要求
2.3.1制動穩(wěn)定性
制動系統(tǒng)是保證汽車行駛安全最重要的系統(tǒng)，保證制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性是制動系統(tǒng)設計的首要考慮因素[4]。與單純的摩擦制動系統(tǒng)相比，再生制動系統(tǒng)是摩擦制動與電機制動兩部分聯(lián)合工作，由于電機制動力受外界的影響較大，所以總的制動力的大小總是上下浮動的。在前驅(qū)電動汽車上，電機的制動力矩一般都是作用在前輪上的，如果電動機的制動力矩以及傳統(tǒng)液壓制動力矩兩者之和超過所需要的制動力矩的話，那么前輪就會抱死，則車輛無法控制方向，容易發(fā)生汽車失控的情況;如果電動機的制動力矩以及傳統(tǒng)液壓制動力矩兩者之和小于所需要的制動力矩，那么汽車對地面的附著力不夠，汽車從制動到完全停止的距離就會拉長，這在某些時候就會對駕駛員及乘員的安全造成威脅。所以，再生制動系統(tǒng)設計過程中最重要的是保證再生制動系統(tǒng)的制動穩(wěn)定性，避免發(fā)生車輪抱死或者制動力不夠的情況。
2.3.2制動平順性
再生制動系統(tǒng)中的電機制動部分受外界影響較大，特別是當車速變化時，制動力矩的大小也會隨之變化。當電機制動力矩減小時，為了保證制動效果，摩擦制動力矩的大小就得隨之增加，從而保證兩者之和在允許范圍內(nèi)，避免制動力不足而引起的制動距離增加的情況；當電機制動力矩增加時，摩擦制動力矩就得隨之減小，否則的話，兩者之和總的制動力超出了汽車制動所需制動力，就會產(chǎn)生車輪抱死的情況。以上都只能在理論滿足的條件，因為液壓制動過程總是需要一定的時間，這就使得制動力矩的變化有滯后性，這種滯后性最顯著的反饋就是制動踏板的抖動，這就會影響駕駛員的操作。
2.3.3制動能量回收率
再生制動系統(tǒng)最初被設計出來的目的就是能夠回收制動能量，所以能量的回收率不可避免的成為衡量制動系統(tǒng)好壞的一個標準。然而，汽車的制動過程并不僅僅只有再生制動系統(tǒng)參與，還有液壓制動，即傳統(tǒng)的摩擦制動，其消耗的制動能則是無法回收的；滾動阻力、空氣阻力等也會消耗部分能量，這部分的能量也是不可回收的，能夠加以回收得能量只有電機參與的再生制動過程中消耗的部分能量。
2.4常見的再生制動方式
2.4.1飛輪再生制動系統(tǒng)
飛輪再生制動系統(tǒng)，就是在汽車制動時，將飛輪系統(tǒng)接入制動系統(tǒng)，通過車輪帶動飛輪，將本來應該被轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉的部分制動能量轉(zhuǎn)化為飛輪的動能，其實質(zhì)就是能量的轉(zhuǎn)移。在20世紀80年代，這種技術(shù)就已被人們研究，但受限于當時的技術(shù)，并沒有取得成果。隨著科學技術(shù)的不斷進步，利用飛輪來儲存能量這一技術(shù)又再次回到了人們研究范圍。而其缺點也是較為明顯的，機械機構(gòu)較為復雜，能量釋放難以控制以及噪聲大等。
2.4.2液壓再生制動系統(tǒng)
液壓制動系統(tǒng)實質(zhì)與飛輪再生制動相似，它的工作方式是通過控制液壓泵/馬達中液壓油的流向來產(chǎn)生制動效果的。在汽車需要制動停車或減速時，慣性能量驅(qū)動液壓泵/馬達工作，使得液壓油從低壓蓄能器內(nèi)流向高壓蓄能器，然后制動能量就會被保存在高壓蓄能器中;在汽車處于啟動或加速狀態(tài)下時，高壓蓄能器中的液壓油釋放能量并流入低壓蓄能器，當液壓油流經(jīng)液壓泵/馬達時，儲存在液壓油中的能量轉(zhuǎn)化為動能，幫助汽車啟動或者加速。液壓再生制動系統(tǒng)的優(yōu)點是比功率高，回收或者釋放能量的速度快，但其局限性在于存儲的能量有限，而且要求較高的油路密封性，如果發(fā)生泄露，不僅會污染環(huán)境，還會引起汽車動力性能方面的安全隱患。
2.4.3電化學再生制動系統(tǒng)
電化學再生制動系統(tǒng)是通過發(fā)電機將汽車的制動能量轉(zhuǎn)化為電能存儲在儲能設備中，存儲在儲能設備中的能量則通過電動機在需要時向外輸出機械能。在電動汽車中，作為核心的能量轉(zhuǎn)換元件驅(qū)動電機它本身就是汽車的一部分，這就能避免像飛輪儲能、液壓儲能等方式一樣加裝額外零部件或者改變機械結(jié)構(gòu)，因此電化學再生制動技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域上的應用的比較廣泛。
2.5本章小結(jié)
本章首先介紹了再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成工作原理和它是如何工作的，提出了制動穩(wěn)定性、制動平順性和能量回收率這幾個需要重點考慮方面的要求。并且根據(jù)儲能器的不同，將常見的再生制動方式進行分類并根據(jù)其工作環(huán)境和優(yōu)缺點簡單介紹了一下。本章主要是是為下一章制動力的計算與校核做準備工作的。
第三章 再生制動系統(tǒng)的計算與修正
3 再生制動力的計算與修正
3.1再生制動力的限制因素分析
再生制動系統(tǒng)包含是機械制動和再生制動，當系統(tǒng)起作用時，機械與再生制動兩部分相輔相成。機械制動部分主要是靠制動鉗受到液壓油給他的壓力，兩側(cè)間隙變小，表面與制動盤接觸產(chǎn)生摩擦力，幫助汽車制動。再生制動力來自電機轉(zhuǎn)矩，靠電機產(chǎn)生反向的力矩使汽車制動減速或停止。由于力的作用是相互的，電機制動對車輪的反向力越大，那么相應的，通過電機進入儲能機構(gòu)的能量的量就越大，那么能不能將汽車所需要的力矩全部用電機來提供呢?用電機來幫助汽車制動這是一整個系統(tǒng)，與之相關(guān)的一系列零件，工況等都會影響它的工作，即使我們想要將電機制動的利益最大化，也不能為了片面追求能量的回收再利用率而危害整車的制動安全與穩(wěn)定。限制電機再生制動力的幾點主要因素如下：
（1） 制動時的安全穩(wěn)定性。汽車作為人們出行與運輸?shù)墓ぞ?，制動系統(tǒng)的最重要的，是在需要時，能按照駕駛員的操控降速或者停車，規(guī)避危險。如果為了盡可能多的回收能量，完全依靠電機制動的話，在某些緊急情況下，車輛需要在很短的時間范圍內(nèi)減速或者停車，如此高強度的制動力是電機根本無法輸出的。
（2）電機實時轉(zhuǎn)矩。電機的最大制動力取決于它的實時轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。由于電機能提供的制動力較小，所以只有在小強度制動的情況下才能單獨使用電機制動，當汽車需要很高的制動強度時，電機所能產(chǎn)生的制動力不夠大，這樣的話，摩擦制動就需要參與到制動過程中去，在緊急制動下，電機產(chǎn)生的制動力對于整個制動力來說只能占很少的部分，而且這時主要考慮的，應該是乘員與車輛的安全，所以電機制動能夠完全不參與到整車的制動。
（3）電池組功率限制。電池的SOC決定了電池是否實行充電。SOC表示的是電池現(xiàn)有電量與所能儲存的最大值的比值，它表示了電池的能量儲存的情況，最少為0，最大為1。SOC為0時，電池里完全空的，一點能量沒有；SOC為1時，能量已經(jīng)儲存滿。電池作為能量回收裝置的一部分，它的SOC數(shù)值，會直接影響整個系統(tǒng)的工作。一般情況下，電池中已儲存的能量越少，它能繼續(xù)儲存的量就會隨之增大，再生制動就要最大化的參與汽車的制動;蓄電池剩余電量較多時，要減少能量的回收，以免回收的電量過大而造成電池過載，再生制動應盡量少的參與制動。
（4）行駛工況。在城市工況，由于路上車輛行人較多，汽車需要頻繁制動，且強度較小，適合用電機再生制動;而在高速公路上，需要制動的情況較少，而且在高速上行駛時速度快，如果仍使用再生制動的話，在遇到突發(fā)情況時，制動系統(tǒng)將不能在很短的時間范圍內(nèi)降速，這就容易引發(fā)事故，威肋人員安全，所以這種情況下主要的制動力要由機械制動提供。
（5）駕駛?cè)藛T制動舒適感。在駕駛員操控制動減速時，要是因為再生制動力矩而引起駕駛?cè)藛T無法掌控制動力的大小，對汽車的制動也會產(chǎn)生影響。
3.2電動汽車的技術(shù)參數(shù)
本文研究的電動汽車是學校周邊運行的電動公交客車，其技術(shù)參數(shù)如下表3.1
表3.1汽車相關(guān)參數(shù)
本車的驅(qū)動方式為后軸驅(qū)動，前輪的制動方式為傳統(tǒng)摩擦制動。本文的設計思路是這樣的：在前軸的某一位置添加一主動齒輪，在主動齒輪的邊上并列一個小的從動齒輪，從動齒輪連接電機。當汽車正常行駛時，大齒輪空轉(zhuǎn)，不影響整車的行駛；當汽車制動時，兩個齒輪嚙合，用制動能量帶動電機發(fā)電，并將轉(zhuǎn)化出的電能儲存在儲能機構(gòu)中。詳見圖3.2.
圖3.2再生制動設計圖
3.3制動力分配系數(shù)計算
ECE法規(guī)全稱為聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會汽車法規(guī)，該法規(guī)針對不同車型，對其制動分配有不同的規(guī)定[5]。本文研究的對象按分類屬于M3型客車，按照ECE法規(guī)對于這類汽車的要求，本文的改進基礎車型的制動力分配曲線圖，如圖3.3所示:
圖3.3 ECE法規(guī)對M3車型的規(guī)定
由圖可知:
（1）當制動強度時，前、后軸利用附著系數(shù)曲線，應處于之下，在之上，并且，前軸利用附著系數(shù)曲線即應位于后軸利用附著系數(shù)曲線之上，以防止后車輪先抱死而前輪尚未抱死情況的出現(xiàn)。
（2）當制動強度時，后軸的利用附著系數(shù)滿足不等式
。
根據(jù)圖3-3，，可進一步計算出前、后軸制動力分配系數(shù)的范圍。計算過程如下:
當z=0.15～0.3時，按照規(guī)定，前軸利用附著系數(shù)應大于后軸利用隨著系數(shù)，即≥ 根據(jù)前文中提及得利用附著系數(shù)公式，可得到公式:
3-1
根據(jù)制動力分配系數(shù)的定義以及前軸地面法向反作用力的計算公式:
3-2
在考慮前后車輪總制動力均為超過要求，汽車整個制動系統(tǒng)能提供的制動力為:
3-3
由式3-1,3-2,3-3得:
3-4
3-5
在這種情況下，這里得最小值表示曲線并不是后軸利用附著系數(shù)得最小值。
當z = 0.3～0.61時，計算方式同樣:
3-6
式3-6中代表前輪上制動力與整車上所有制動力的總和的比值。結(jié)合以上能得到和制動強度的關(guān)系:
3-7
將汽車在空載和滿載時相應狀態(tài)下所測量的數(shù)據(jù)通過公式3-7，計算出取值的范圍，所得計算結(jié)果如圖3.4和3.5所示。
圖3.4空載時制動力分配系數(shù)曲線
圖3.5滿載時制動力分配系數(shù)曲線
根據(jù)上圖分析，為使再生制動的制動力分配系數(shù)符合相關(guān)法律法規(guī)的要求，以及防止后輪先抱死后汽車無法控制方向發(fā)生意外，所以值應該位于曲線e（E）之上，曲線a（A）之下。
以下為為了對原來的制動系統(tǒng)進行改造而重新計算汽車的制動力分配系數(shù)，分配系數(shù)上限曲線a取最小值的條件為
3-8
即：
3-9
值的最小值在曲線e(E)取得，e(E)曲線在z=0.3時位置最高，即:
3-10
分別將空載和滿載時的參數(shù)代入式中，計算得到:
空載時，再生制動不參與汽車的制動過程，所以在此無需計算，制動力分配系數(shù)取值范圍為:;滿載時，制動力分配系數(shù)的合理取值范圍為:。
空載與滿載兩種情況下制動分配系數(shù)有所不同，考慮到這兩種情況，我們選取空載的下限以及滿載的上限，即0.433≤≤0.532，在這范圍內(nèi)的任一數(shù)值都是符合要求的。所以，選取0.5這一數(shù)值既符合相關(guān)法律法規(guī)的要求，又能滿足車輛的制動要求。
如果汽車是前軸驅(qū)動的話，制動力分配系數(shù)值就會比較大，所以上段所取得的數(shù)值只能作為最低值，再考慮到電機再生制動力會參與制動，所以分配系數(shù)的取值為 ；
如果汽車是后軸驅(qū)動的話，只有后軸產(chǎn)生電機再生制動力，這時制動力分配系數(shù)值將會變小，所以上段所取得的數(shù)值能作為最大值，再考慮到電機再生制動力會參與制動，分配系數(shù)只能在這一范圍內(nèi)取得。
因為本文研究的車輛是靠后軸驅(qū)動的，所以制動力分配系數(shù)的取值范圍為0.433 ≤≤0.5。
3.4電機峰值轉(zhuǎn)矩限制計算
電機再生制動力的計算公式為:
3-11
式中，為電機制動轉(zhuǎn)矩，為主減速器，為變速器速比，為車輪半徑，為機械傳動效率。
電機的峰值轉(zhuǎn)矩與功率、轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為: 3-12
式(3-10)中，為電機峰值功率(kW)，n為電機轉(zhuǎn)速(r/min )，為不同轉(zhuǎn)速下電機的峰值轉(zhuǎn)矩(N·m)。
我們在上段中已經(jīng)計算出制動力分配系數(shù)的大小是是滿足要求的。由于兩根驅(qū)動軸上所要承擔的制動力占總制動力的大小是一定的，一旦后軸上有電機再生制動參與，就會破壞原有的平衡，假如不能很好的控制，那么實際的分配系數(shù)就很有可能會變化而超出規(guī)定。
當后軸增加電機制動力后，如果前軸的機械制動不變的話，那么相應的分配系數(shù)為:
3-13
式中:為電機再生制動力;為前制動器制動力;為總制動器制動力。
綜上，可得:
3-14
當，驅(qū)動軸再生制動力達到最大:
3-15
綜合考慮電機制動力以及力矩，電機最大制動轉(zhuǎn)矩為:
3-16
式中為電機再生制動轉(zhuǎn)矩的最大值;r為驅(qū)動輪半徑;為主減速器速比;為變速器速比；粉為傳動系效率。
3.5本章小結(jié)
本章分析了再生制動的限制條件。在原來汽車的一系列參數(shù)的基礎上提出自己的再生制動系統(tǒng)設計方案。并分別計算出空載和滿載時，汽車的制動力分配系數(shù)。考慮到原來車型的后軸驅(qū)動的特性，最后確定最終的制動力分配系數(shù)的取值。為后續(xù)的建模及仿真奠定基礎。
第四章 制動能量的回收
4 制動能量的回收
4.1儲能器件的選擇
在實際使用中，汽車總不能避免經(jīng)常性的停車減速等情況，特別是在市區(qū)內(nèi)行駛時，車載電源變動量在這時候就會很大。車載電源及相關(guān)的科技到目前為止，也只是在比能量、比功率及比功率和循環(huán)壽命這三個方面的限制下取最好的情況。
綜合考慮電動汽車續(xù)駛里程與瞬時最大功率的要求，設計出一套由兩種能源系統(tǒng)組成的最優(yōu)的能源系統(tǒng)，其中汽車正常行駛時，能量由一種能源系統(tǒng)提供，作為主要能源，而另一種輔助能源系統(tǒng)則提供瞬時的大功率。兩種能源系統(tǒng)中的能量應該是能夠相互轉(zhuǎn)移的。表4.1是集中典型的儲能器件的性能對比情況。通過比較，發(fā)現(xiàn)超級電容在循環(huán)壽命上具有優(yōu)勢且充放電時間也滿足作為輔助能源的要求，因此，選用超級電容作為輔助能源。
表4.1幾種典型的儲能器件性能對比
特性
蓄電池
超級電容
傳統(tǒng)電容
放電時間
0.3～3h
1～10min
～ s
充電時間
1～5h
1～10min
～s
功率密度/Wh*kg
20～200
1～16
<0.1
能量密度/W*kg
50～
～5×
循環(huán)壽命/次
200～
>
>
效率/%
70～90
>95
4.2超級電容的基本原理
超級電容儲能主要采用雙電層電容器技術(shù)。在稀硫酸中，用兩根碳棒為其充電，充電電壓由OV逐漸升至1.5V，在充電電壓達到1.2V時，在兩個電極附近有氣泡的出現(xiàn)，這些氣泡表明水己經(jīng)電解。此時的電壓稱為電解電壓，低于該電壓時，雖然沒有形成電流，卻在電極與電解液之間形成了“雙電層”。電子穿過這種“雙電層”表明被充電，這種功能即為一個電容器。
圖4.2雙電層電容器的儲能原理
這種雙電層電容器存儲的能量表達式為
（4.1）
其中為電容端電壓，為電容容值。
4.3超級電容的特性
超級電容的顯著特征是非常高的比功率，但與化學電池相比較，其比能量則低得多。它的比能量在每千克為幾w/h的范圍內(nèi)，然而比功率能達到3KW/Kg,比任何蓄電池都要高得多，所以超級電容并不能夠單獨的用來驅(qū)動電動汽車以及混合動力電動汽車。盡管如此，如果采用超級電容作為輔助能量源的話，卻會產(chǎn)生如下幾點優(yōu)勢：1、比能量和比功率同時受限制的情況得到改善，突破比功率的限制而盡量改進提高電池的比能量并且延長它的使用壽命：2、由于超級電容的負載電平效應，蓄電池在汽車加速時的大電流放電過程以及借助于再生制動器在汽車緊急制動時向蓄電池大電流充電的過程能被盡量的優(yōu)化，其結(jié)果是使蓄電池的有用能量和持續(xù)工作時間得到明顯的增加。
4.4本章小結(jié)
本章主要是介紹了制動能量回收之后的存儲過程，并對存儲器件中除常規(guī)蓄電池之外的超級電容進行詳細的介紹，對其結(jié)構(gòu)和原理進行了的介紹，并對其特性進行分析，已設計出一套完整的再生制動系統(tǒng)。從能量回收裝置到能量的儲存，為下一章再生制動的建模與仿真提供了理論基礎。
第五章 再生制動系統(tǒng)的建模與仿真
5 再生制動系統(tǒng)的建模與仿真
5.1制動系統(tǒng)的建模
Pro/E是現(xiàn)代三維造型軟件的領(lǐng)頭羊，是目前最先進、最廣泛的三維設計軟件，Pro/E已成為三維機械設計領(lǐng)域里最富有魅力的軟件,在當今世界的各個領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用，尤其是汽車領(lǐng)域。
現(xiàn)在的汽車行業(yè)已經(jīng)完全離不開各種制圖軟件的使用，各種主流軟件種類繁多，Pro/E就是一個典型的例子。Pro/E是把理想變成現(xiàn)實的杰出工具，現(xiàn)在汽車以及汽車零部件的設計已經(jīng)越來越離不開它。同時，通過Pro/E設計的軟件還可以進行運動仿真，這樣就能夠使設計師直觀的感受設計零件的工作狀態(tài)。通過Pro/E設計出來的參數(shù)化的圖也能夠非常方便的導入帶其他的3D軟件中，能夠方便的進行如受力分析（導入到ANSYS中）等其他方面的研究，對現(xiàn)代設計研究工作起著越來越重要的作用。
5.1.1 齒輪的的建模
齒輪建模:設置齒輪相關(guān)參數(shù)→繪制齒輪基本圓曲線→創(chuàng)建齒輪相關(guān)關(guān)系式，確定齒輪尺寸→創(chuàng)建齒輪輪廓漸開線→創(chuàng)建齒輪螺旋曲線→創(chuàng)建齒頂圓實體特征→創(chuàng)建倒斜角特征→創(chuàng)建草繪曲線特征→創(chuàng)建另一端齒廓曲線→創(chuàng)建掃描混合切剪特征→創(chuàng)建陣列特征→創(chuàng)建基準平面→隱藏基準特征并保存文件等，完成如圖5.1所示電機在主動齒輪的pro/E模型和如圖5.2所示從動齒輪的建模。由于是在制動的時候制動盤將通過齒輪傳遞給發(fā)電機，所以大齒輪為主動輪，小齒輪為從動輪。
圖5.1主動齒輪模型
圖5.2從動齒輪模型
5.1.2 發(fā)電機的建模
拉伸→草繪→創(chuàng)基面→拉伸，去除材料→倒圓角→染色等進行發(fā)電機的建模。如圖5.3所示為已經(jīng)建好的電機模型。
圖5.3電機模型
5.1.3 制動回收系統(tǒng)的轉(zhuǎn)配
新建組件→插入齒條，默認缺省→插入零件，移動后對齊，齒條嚙合完整，部分約束→插入球頭銷，中心線對齊，端面配對，部分約束→染色。同樣的方法把各個零件插入，完成總轉(zhuǎn)配圖。
將已經(jīng)建好的零件圖進行能量回收系統(tǒng)的裝配，圖如5.4位已經(jīng)建好的制動能量回收裝置。
圖5.4 制動能量回收系統(tǒng)
制動能量回收系統(tǒng)由發(fā)電機、主動齒輪和從動齒輪組成。
5.1.4 制動系統(tǒng)的建模
拉伸→草繪→創(chuàng)基面→拉伸，去除材料→倒圓角→裝配等進行制動系統(tǒng)的建模。如圖5.5為已經(jīng)建好的制動系統(tǒng)。
圖5.5為制動系統(tǒng)
5.2 制動零部件主要系統(tǒng)的仿真分析
5.2.1制動鉗 CAE模型的仿真
① 幾何處理
將所建的CATIA模型包括風道和風扇。將CATIA模型導入hypermesh進行幾何處理。消除模型導入中的一些錯誤，去除細小對仿真結(jié)果可以忽略的特征。幾何處理過的制動鉗模型如圖5.6所示：
圖5.6幾何處理過的制動鉗模型
② 網(wǎng)格劃分
使用hypermesh里面的automesh進行網(wǎng)格劃分。由于風道中氣流復雜且流速變化大將應力集中地方進行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格大小設置成5mm，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，防止計算過程中網(wǎng)格質(zhì)量問題報錯，利用2D面板下qualityindex工具對不合格質(zhì)量進行修改，保證QI<1,修改后網(wǎng)格質(zhì)量如圖3所示。采用殼單元并賦予3mm厚度并將風扇賦予材料及屬性。殼單元有限元模型如圖5.7、5.8所示。
圖5.7修改前殼單元有限元模型
圖5.8修改后殼單元質(zhì)量
利用tetramesh進行三維網(wǎng)格質(zhì)量的填充。如圖5.9為填充過四面體網(wǎng)格.新建實體賦予材料和屬性并更新comp，將材料和屬性賦予實體單元。
圖5.9填充過四面體網(wǎng)格
5.2.2 制動鉗的線性受力分析
① 邊界條件的設定
在hypermesh的radioss模塊下進行制制動鉗的受力工況設定，如圖5.10將螺栓連接用constrans按鈕約束X、Y和Z方向上平動和轉(zhuǎn)動的自由度，模擬螺栓約束。如圖5.11通過load施加部分施加壓力，方向選擇normal。通過loadsteps進行工況設定，SPC選擇所在設定的約束，load選擇施加載荷，新建工況后，提交radioss求解計算。
圖5.10模擬螺栓連接
圖5.11 液壓部分受力的模擬
② 計算結(jié)果及其分析
直接用hyperview打開h3d文件查看計算結(jié)果。選擇result type選擇displacement并選擇所有組件，查看位移云圖。位移云圖如圖5.12所示
圖5.12 位移云圖
將displacement切換成element stress，選中所有單元，查看制動鉗所受應力分布，應力云圖如圖5.13所示。
圖5.13 應力分布
由仿真結(jié)果可知，制動鉗的位移最大位移分布在制動鉗下端中間位置，最大位移量可以忽略，滿足設計要求。由應力場分布圖可知，最大為集中在螺栓孔外緣拐角處，大小為149MPa,在設計是應考慮此處因截面劇烈變化而引起的應力集中，符合實際情況。應力大小在允許范圍內(nèi)，符合設計要求。
5.3 主動輪和從動輪的仿真分析
基于pro/E已經(jīng)建立的齒輪模型，利用以上仿真方法，進行受力分析。如圖5.14、5.15主動輪的位移和應力云圖.如圖5.16,5.17為從動輪的位移和受力分析。
圖5.14 主動輪的位移云圖
圖5.15主動輪的應力云圖
圖5.16從動輪的位移云圖
圖5.17 從動輪的應力云圖
本章對制動回收系統(tǒng)的主要部分進行了仿真，根據(jù)仿真結(jié)果制動系統(tǒng)主要部分滿足要求。同事也發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有設計的一些問題，并提出了優(yōu)化意見。本次設計對由于本次設計的制動鉗為近乎堆成結(jié)構(gòu)所以只需分析一半制動鉗的性能即可。因本次設計時間有限，任務量大，也僅僅分析了右半部分的制動鉗的力學性能，接下的研究中可以對剩下部分進行進制一步分析。
5.4本章小結(jié)
本章主要對再生制動系統(tǒng)中制動部分及電機的能量回收部分進行了仿真建模及分析，通過對系統(tǒng)的分析，驗證整個仿真系統(tǒng)的可行性。
第六章 發(fā)展與展望
6 結(jié)論與展望
制約電動汽車發(fā)展的最大瓶頸就是續(xù)駛里程不足，科學家們通過不斷的試驗和探索想要解決這一難題，但是一直到目前為止都沒有重大的突破。而再生制動系統(tǒng)能夠回收部分制動能量，如果電動汽車能夠采用的話，將極大的改進續(xù)駛里程短這一弊端。本文對于這方面的研究的主要內(nèi)容具體如下：
（1） 敘述了再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及工作原理，并對三種常見的再生制動方式進行分析比較。
（2） 選擇正確類型的電機以及儲能器件，確定了本文研究的對象，并結(jié)合其參數(shù)，對于車輛的制動力的分配以及電機的轉(zhuǎn)矩等進行計算工作。
（3） 利用軟件對再生制動系統(tǒng)進行建模與仿真，并分析其仿真結(jié)果，仿真的結(jié)果顯示，本文所采用的制動力的分配方案，不僅能滿足汽車對于制動安全性能的要求，還能回收部分本應被浪費的制動能量。
（4） 雖然本文提出了一種再生制動系統(tǒng)并驗證了它的有效性，但由于時間以及技術(shù)層面上的不足，仍有許多需要改進的地方，本人總結(jié)了如下幾點:
1.本文所建立的制動力模型是以汽車行駛方程式為基礎的，該模型沒辦法測量四個車輪的速度等信息，這就會影響汽車制動性能的分析結(jié)果。如果以后還有人繼續(xù)研究這個課題的話，最好是能夠建立更加準確而全面的模型，提高車輛的制動安全性。
2.對于再生制動系統(tǒng)的控制，本文只是從理論上分析驗證它的可行性，并沒有進行實物及仿真的驗證，如需更加精確細致驗證本文的控制策略，則需要搭建再生制動試驗臺。
3.本文只是提出一種再生制動系統(tǒng)的可行性方案，而后續(xù)的硬件的開發(fā)以及在該系統(tǒng)的改進型號在實車上的運用，仍需以后的努力。
參考文獻
參考文獻
[1] 譚強俊.CVT混合動力汽車再生制動系統(tǒng)性能仿真與試驗研究[D].重慶：重慶大學，2006
[2] 陳慶樟，何仁，商高高等.汽車能量再生制動模擬試驗臺設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2008,39（4）：15-42
[3] 隋妮，王廣萍，李仲興等.直流無刷電機再生制動系統(tǒng)試驗臺的設計與驗證[J].汽車技術(shù)，2011（1）：49-53
[4] 川羅起.雙電機獨立驅(qū)動電動車穩(wěn)定性控制研究與試驗車設計[D].北京：中國科學院研究生院，2003
[5] 楊其校，劉昭度.汽車ABS電機故障診斷[J].儀器儀表學報，2012，（5）：45-50
[6] 成龍.電動汽車再生制動技術(shù)研究[J ].河北農(nóng)機，2015，（2）：46-48
[7] 馮能蓮.電動汽車再生制動控制策略[J ].北京工業(yè)大學學報，2008，VOL34（12）：46-48
[8] 劉紅亮，董學平.電動汽車再生制動控制策略的研究[J ].合肥工業(yè)大學學報，2012，VOL35（11）：1485-1487
[9] 陳翔.電動汽車再生制動控制器的開發(fā)[J ].公路交通科技，2009，VOL26（4）：138-142
[10] 劉寵譽.電動汽車再生制動特點及控制策略[J ].汽車工程師，2009，(10)：38-40
[11] 周美蘭.電動汽車再生制動系統(tǒng)的建模與仿真[J ].哈爾濱理工大學學報，2013，VOL18（5）：98-102
[12] 譚元文.電動汽車再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制策略研究[J ].北京汽車，2007，（2）：15-18
[13] 張樹培.電動汽車再生制動系統(tǒng)回收特性與能量流分析[J ].重慶交通大學學報（自然科學版），2015，VOL34（1）：158-161
[14] 周蘇，楊國.基于Cruise的燃料電池曾程式電動汽車再生制動轉(zhuǎn)矩分配策略研究[J ].新能源技術(shù)，2015，（4）：46-51
[15] 艷濤.期待無人駕駛汽車[J ].機器人技術(shù)與運用，2015，（2)：17-20
[16] 孟秋紅.汽車節(jié)能新技術(shù)—再生制動技術(shù)[J ].汽車科技，2007，（5）：7-17
致謝
致謝
首先要感謝我的指導老師李志臣老師，在我完成本論文的的過程中，給予了我很多的幫助，在他的耐心指導與無私幫助下，我發(fā)現(xiàn)了很多存在于論文之中的錯誤并將它們一一改正過來，并且在這過程中我學到了很多以前沒接觸過的知識，在這里，我向李老師表示誠摯的感謝。
其次，為了很好的完成本次畢業(yè)設計，我去學校圖書館查閱了很多的相關(guān)資料，感謝學校能夠給我這么好的一個平臺，讓我能很方便的就借閱到相關(guān)資料，省去了大量的用于路途奔波的時間以及金錢。
感謝我的舍友及同學，在大學四年中，在學業(yè)上對我的幫助及生活上的陪伴；感謝我的大學輔導老師，在我遇到困難的時候，及時伸出援助之手，幫助我擺脫困境。
最后，在本次畢業(yè)設計即將結(jié)束的時候，再次感謝四年以來所有幫助過我的人，謝謝你們的關(guān)心與幫助。