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機(jī)械與動力工程學(xué)院
設(shè)計（ ）中期檢查通知
機(jī)械與動力工程學(xué)院2017屆本科畢業(yè)生提交的歸檔材料要求，現(xiàn)要求各專業(yè)由負(fù)責(zé)該專業(yè)的學(xué)科管理部副主任和專業(yè)帶頭人為主要成員成立檢查小組，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計中期檢查或者抽查（注意抽查比例不要太低），各專業(yè)中期檢查時間節(jié)點在2017年5月12日前完成，5月15日開始學(xué)院檢查，督導(dǎo)小組在各專業(yè)檢查和抽查的基礎(chǔ)上進(jìn)行抽檢監(jiān)督，確保畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查的質(zhì)量和監(jiān)督作用。
機(jī)械與動力工程學(xué)院
2017年5月5日
附件：
機(jī) 械 與 動 力 工 程 學(xué) 院
設(shè)計中期報告
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號：
學(xué) 院：
機(jī)械與動力工程學(xué)院
專 業(yè)：
車輛工程
設(shè)計題目：
電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案
設(shè)計與控制研究
指 導(dǎo) 教 師:
20 年 月 日
設(shè)計（ ）中期報告填寫要求
1．中期報告作為畢業(yè)設(shè)計答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計工作中期完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見后生效；
2．中期報告內(nèi)容必須按照教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號（如 1301014101），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；
4. 有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2016年12月1日”或“2016-12-01”；
5. 指導(dǎo)教師意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。
設(shè) 計（ ）中 期 報 告
姓名
班級
學(xué)號
設(shè)計（論文）題目：
電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案設(shè)計與控制研究
本人在該設(shè)計中具體
應(yīng)完成的工作：
（1）解相關(guān)混合動力系統(tǒng)的工作原理；（2）傳動系統(tǒng)中主要部件的選型、設(shè)計或者控制系統(tǒng)的設(shè)計；（3）完成不少于5000漢字的外文文獻(xiàn)翻譯；（4）對本設(shè)計內(nèi)容需要繪制2張以上工作圖，撰寫2萬字以上設(shè)計說明書。
簡述畢業(yè)設(shè)計（論文）開始以來所做的具體工作和取得的進(jìn)展（要詳細(xì)內(nèi)容）
1、 通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，首先系統(tǒng)的了解了電動汽車的驅(qū)動，制動原理。然后對國內(nèi)外制動能量回收進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在控制策略方面，目前主流的控制方案分兩大類：一個是并聯(lián)式控制，其特點是對前后輪摩擦制動力不加調(diào)節(jié)，制動電機(jī)在不超過驅(qū)動輪最大制動力的前提下輸出回饋制動力，其大小與目標(biāo)制動力成一定比例；一個是串聯(lián)式控制，其特點是對前后輪摩擦制動力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使摩擦制動力和電機(jī)回饋制動力之和滿足目標(biāo)制動力需求。
2、 通過畢業(yè)設(shè)計選題所提供的參考車輛參數(shù)，確定所涉及電動車的具體參數(shù)信息。包括驅(qū)動電機(jī)的功率、驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動電機(jī)的電壓、蓄電池的類型、蓄電池的數(shù)量、傳動系統(tǒng)傳動比、傳動系統(tǒng)檔位數(shù)、傳動系統(tǒng)傳動比等。這些參數(shù)的作用是為之后的制動策略的制定提供穩(wěn)定的汽車平臺，也方便后期仿真策略的可行性。
3、 制動過程的動力學(xué)分析階段。在制動策略提出之前，需要詳細(xì)地了解制動過程的能量損失情況以及制動力分配情況，以便在制動策略中提高能量回收效率和安全可靠性。分析的結(jié)當(dāng)驅(qū)動電機(jī)單獨制動時，回收的能量與起止車速有關(guān)，當(dāng)起止車速確定時，回收的能量與制動距離有關(guān)；當(dāng)驅(qū)動制動與機(jī)械制動聯(lián)合制動時，驅(qū)動電機(jī)的制動力矩發(fā)揮到最大，此時能量回收與制動時間有關(guān)。
設(shè) 計（ ）中 期 報 告
2.目前存在的問題，下一步的主要研究任務(wù)，具體設(shè)想與安排（要詳細(xì)內(nèi)容）
1、 在畢業(yè)設(shè)計，要開始制定詳細(xì)的制動策略，包括驅(qū)動電機(jī)制動力和摩擦制動力的分配，希望可以調(diào)試出最佳的分配系數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的能量回收效果。
2、 在仿真階段，我希望能夠參照國內(nèi)的路況來進(jìn)行仿真測試。之后我會嘗試對ADVISOR中路況這方面的內(nèi)容進(jìn)行研究學(xué)習(xí)，盡最大努力使用我國自己的路況。
3、 為了提高驅(qū)動電機(jī)的工作效率與系統(tǒng)的傳動效率，需要設(shè)計簡易的變速箱。我在之前所確定是二擋變速箱。變速箱中的齒輪，軸等參數(shù)目前還沒進(jìn)行計算校核。下來的時間會完成這部分內(nèi)容，以便之后畫圖使用。
設(shè) 計（ ）中 期 報 告
3.指導(dǎo)教師對該學(xué)生前期研究工作的評價（是否同意繼續(xù)研究工作）
該學(xué)生選題目前的進(jìn)度符合開題報告中的時間安排，切合專業(yè)方向與現(xiàn)實，與大學(xué)所學(xué)內(nèi)容結(jié)合緊密。且該生相比較于前一段時間，對課題進(jìn)行了較為詳盡的調(diào)研和更有深度的研究，參考了許多文獻(xiàn)和書籍，也時常與我進(jìn)行討論交流。我認(rèn)為以目前該同學(xué)的研究方法和研究進(jìn)度，他能夠在預(yù)定時間內(nèi)完成該課題的設(shè)計。
同意該同學(xué)繼續(xù)研究工作。
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
備注：1、本表由學(xué)生填寫，指導(dǎo)教師親筆簽署意見。
2、以上各項句間距可以根據(jù)實際內(nèi)容需要調(diào)整。
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外文翻譯
設(shè)計外文翻譯
基于能量管理的插電式混合動力電動汽車多目標(biāo)組件尺寸優(yōu)化
機(jī)械與動力工程學(xué)院
學(xué)生姓名： 學(xué)號：
車輛工程
學(xué) 院：
專 業(yè)：
指導(dǎo)教師：
20 年 月
基于能量管理的插電式混合動力電動汽車多目標(biāo)組件尺寸優(yōu)化
摘要：本文提出了一種并聯(lián)插電式混合動力汽車的零件尺寸優(yōu)化方法，這種方法將其視為多目標(biāo)優(yōu)化問題。 在這種方法中，定義了兩個目標(biāo)函數(shù)來同時最小化傳動系統(tǒng)損失、燃料消耗和廢氣排放。 并且驅(qū)動性能要求被看做是約束條件。 此外，本文還為PHEV開發(fā)了包含混合控制策略的模糊邏輯控制器。 最后，通過多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法，挑選TEH-CAR和UDDS共計32英里的行駛周期是組件的最佳選擇。 仿真結(jié)果證明了該方法的有效性和實用性，這種方法準(zhǔn)備了不同最佳組件尺寸組合下的各種傳動系損失，等效燃料消耗和廢氣排放。
關(guān)鍵詞：最優(yōu)零件尺寸、插電式混合動力汽車、模糊邏輯控制器、混合控制策略、多目標(biāo)粒子群優(yōu)化
介紹：全球變暖、燃料價格上漲和能源節(jié)約問題極大地促使政府去尋找節(jié)能減排的最有效的方法。最主要的化石燃料使用方式之一和空氣污染來源就是運輸行業(yè)，它占了全世界總能源消耗的幾乎27%，同時在2012年33.7%的溫室氣體排放也來自運輸行業(yè)。最近的研究闡明混合動力汽車可以明顯的減少燃料的消耗和廢氣排放。插電式混合動力汽車是混合動力汽車中的一種，它有更大的電池容量，不同的能源管理策略，并且可以和輸電網(wǎng)絡(luò)連接來為汽車充電。PHEV針對HEV，將其電池能量視為能源供應(yīng)，在駕駛期間或之后，發(fā)動機(jī)和化石燃料不需要完全充電，而PHEV則使用更便宜和更清潔的能量（電力）進(jìn)行推進(jìn)。混合動力汽車的電池剩余電量在汽車行駛開始和尾聲階段變化很小，這就表明了汽車非常依賴化石燃料，然而插電式混合動力汽車的電池剩余電量則有很大的變化幅度（這也取決于行駛里程），這就表明了電力是汽車的主要能量來源。擁有兩種動力能源來源并且電力占更高地位，讓插電式混合動力汽車有更好餓燃料經(jīng)濟(jì)性，并且通過使用輸電網(wǎng)絡(luò)也讓廢氣排放減少。
本文提出的分析，首先確定了來自消費者對插電式混合動力汽車成本效益的觀點，然后通過分析一個簡單假設(shè)的例子來評估插電式混合動力汽車對電力效用的潛在作用。
通過優(yōu)化算法和仿真技術(shù)來優(yōu)化機(jī)械和電氣組件的尺寸在過去的各類研究中被學(xué)習(xí)。Redelbach等人在德國市場環(huán)境下提出了PHEV和EREV的最佳電池尺寸。他們的結(jié)果顯示電池大小會對總成本有顯著影響。他們展示了對于平均每年行駛15000公里的德國司機(jī)來說4kWh（PHEV）和6kWh（EVER）的電池容量將會是最佳成本選擇。Hu等人研究了精簡電池對在瑞典哥德堡運行的一系列插電式混合動力公交車的影響。他們使用了凸集模型并對動力系統(tǒng)進(jìn)行了分解優(yōu)化。為了混合動力車輛鋰電池的最優(yōu)設(shè)計，Xue等人提出了一種結(jié)合了多個獨立優(yōu)化器的混合算法優(yōu)化模型。無梯度優(yōu)化器與梯度優(yōu)化器相結(jié)合，解決了混合整數(shù)非線性電池組的設(shè)計問題。優(yōu)化框架被應(yīng)用于最小化質(zhì)量，體積和材料成本。Hung和Wu開發(fā)一種集成優(yōu)化方法，為了得出零件尺寸和混合動力系統(tǒng)控制策略的最佳解決方案。
為了同步優(yōu)化電池尺寸和公交車的PHEV動力系統(tǒng)的能量管理，Murgovski等人提出了一種凸集模型方法。結(jié)果表明，能量緩沖器的成本優(yōu)化，即：這些PHEV的額定功率和電池容量極大的取決于基礎(chǔ)充電設(shè)施，驅(qū)動方式和公交線路的地形。Malikopoulos調(diào)查了電動機(jī)/發(fā)電機(jī)電池尺寸對中型PHEV的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放量的影響。他們提出了一個并聯(lián)的動力總成配置，預(yù)傳動和后傳動，以獲得關(guān)于電機(jī)和電池大小的帕累托前沿。Lee等人通過使用在持續(xù)充電模式下維持電池SOC的方法來分析發(fā)電機(jī)組的額定輸出功率。他們還提出了一個最佳發(fā)電機(jī)組工作線的定義，以最大限度地降低設(shè)定電力輸出功率下的燃油消耗。
Ribau等人強(qiáng)調(diào)了駕駛條件的重要意義和對燃料電池汽車動力系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的投資成本，效率和壽命周期影響的優(yōu)化之間的沖突。將單目標(biāo)和多目標(biāo)遺傳算法與車輛模擬軟件ADVISOR相結(jié)合，以優(yōu)化動力傳動系統(tǒng)組件。另外，Ribau等人提出燃料電池車輛的部件由遺傳算法確定，其優(yōu)化了典型的城市出租車車隊使用的成本。遺傳算法旨在優(yōu)化設(shè)計車輛的成本，并使用ADVISOR評估性能。Kim等人證實，影響混合燃料電池車輛整體效率的最相關(guān)因素是燃料電池和電池的尺寸。他們使用模糊邏輯控制器來分配燃料電池/電池混合動力微型公交車的動力。此外，Khayyam和Bab-Hadiashar提出了基于ANFIS（模糊推理系統(tǒng)）和GA（遺傳算法）組合的PHEV自適應(yīng)能量管理優(yōu)化控制策略。
Montazeri-Ga和Poursamad引入了通過GA（遺傳算法）優(yōu)化并聯(lián)混合動力電動汽車部件尺寸的程序。他們使用GA（遺傳算法）來最小化由一些加權(quán)項組成的單個目標(biāo)函數(shù)。除此之外，他們已經(jīng)描述了使用并行混沌優(yōu)化算法優(yōu)化PHEV組件尺寸的方法。在他們的方法中，定義了目標(biāo)函數(shù)，以便最小化傳動系成本。使用車輛能量消耗的參數(shù)分析模型分析組件尺寸。Song和Al-Sayed開發(fā)了一個多目標(biāo)優(yōu)化程序，以優(yōu)化車輛縱向加速時間，穩(wěn)態(tài)燃油經(jīng)濟(jì)性，乘坐質(zhì)量和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。還有一些研究使用粒子群優(yōu)化（PSO）和多目標(biāo)優(yōu)化算法來優(yōu)化燃料電池組件，通過使用多目標(biāo)GA（遺傳算法）開發(fā)PHEV。通過PSO（粒子群優(yōu)化），在主動分配網(wǎng)絡(luò)中電動汽車的負(fù)擔(dān)被最小化。
在本文中，開發(fā)了一種基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化（MOPSO）的多目標(biāo)優(yōu)化程序，用于PHEV的分量優(yōu)化，以同時降低車輛傳動系統(tǒng)成本，等效燃料消耗和污染物排放。多目標(biāo)優(yōu)化的主要優(yōu)點是提出了一套解決方案，其目標(biāo)可以同時增強(qiáng)，或者至少可以增加一個目標(biāo)，而不犧牲其他目標(biāo)。為此，選擇燃料消耗和廢氣排放作為第一目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最小化。然后車輛縱向動力學(xué)和性能被認(rèn)為是約束函數(shù)。最后，通過考慮動力傳動系成本作為第二目標(biāo)函數(shù)，限制多目標(biāo)優(yōu)化得到了較為經(jīng)濟(jì)的組件，具有最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性和廢氣排放，而不犧牲車輛性能。此外，本文還為各種PHEV設(shè)計了基于混合模式的模糊邏輯控制器。基于FLC和組件尺寸化程序的提出的控制策略的原理圖如圖1所示。
圖1 PHEV優(yōu)化與控制策略程序示意圖
圖2并行結(jié)構(gòu)的PHEV
PHEV模型
如前所述，在優(yōu)化過程中，考慮了根據(jù)圖2的平行PHEV模型。該車輛在ADVISOR中進(jìn)行建模和仿真。作為默認(rèn)值，并聯(lián)的PHEV動力總成包括一臺82kw的發(fā)動機(jī)，由伊朗Khodro動力總成公司（IKCO）生產(chǎn)，西屋75kw（連續(xù)）AC感應(yīng)電動機(jī)/逆變器和12v 6Ah怠速動力鋰離子電池。表1列出了所選車輛的一些其他參數(shù)和組件規(guī)格。
表1 SAMAND插電式混合電參數(shù)及組件規(guī)格
行駛循環(huán)
關(guān)于能源安全和氣候變化問題，運輸部門被認(rèn)為是主要問題之一。它們在世界上消耗相當(dāng)大一部分石油，排放大量的溫室氣體。2011年伊朗主要污染源（約80％）和2012年巴西（高達(dá)48％）是汽車行業(yè)。為了克服這些問題，HEV可以被認(rèn)為是替代交通工具。相反，PHEV可以實現(xiàn)更好的平衡和更有吸引力，因為它們可以使用替代來源，而不是石油衍生的燃料。
在PHEV組件尺寸中，駕駛距離及其侵蝕強(qiáng)度是一些最重要的因素。據(jù)了解，在美國，城市車輛的平均每日駕駛總共只有36.5英里，而農(nóng)村汽車的平均駕駛時間為48.6英里。另外在伊朗，根據(jù)城市交通統(tǒng)計和數(shù)據(jù)的組織情況，平均每日距離據(jù)報道大約為30英里。因此，在德黑蘭最近開發(fā)的TEH-CAR城市駕駛循環(huán)和UDDC城市駕駛循環(huán)中，完成了模擬和優(yōu)化程序，以達(dá)到在兩個駕駛循環(huán)32英里（51.5公里）內(nèi)的最低目標(biāo)函數(shù)，這是在美國的混合控制策略中開發(fā)的。優(yōu)化算法在45次迭代中找到最佳解決方案。這些驅(qū)動周期如圖3所示，其特性列于表2。
表2 THE— CAR和UDDS驅(qū)動循環(huán)特性
能源管理策略
在這項工作中，如圖4所示，為具有并行配置的PHEV設(shè)計了一個模糊邏輯控制器。在模糊控制器中，利用驅(qū)動器命令，能量存儲器SOC和電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的速度，開發(fā)出一套規(guī)則，以有效地確定區(qū)分電動機(jī)與內(nèi)燃機(jī)。模糊邏輯控制器中有決策的作用，其可以管理能量供應(yīng)和組件以在不同的投入條件下推動車輛。PHEV有兩種可能的控制策略，包括全電氣范圍（AER）和混合控制策略。
在圖4中，Tct，Te和Tm分別指示牽引力，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩。 lTct是Tct的成員，lSOC是電池SOC的成員，lTe是Te的成員。
在AER控制策略中，駕駛開始時，當(dāng)電池SOC處于最高級別時，CD模式被激活。在這種模式下，電機(jī)不需要發(fā)動機(jī)的任何輔助來推動車輛。當(dāng)SOC達(dá)到最小限制（35％）時，可以啟動CS模式，然后引擎對電池充電，并協(xié)助電動機(jī)推動車輛。在混合控制策略中，除了電動機(jī)之外，還可以使用發(fā)動機(jī)以CD模式推進(jìn)車輛。當(dāng)電池SOC達(dá)到最小閾值電平時，CS模式將自動激活。在CS模式中，發(fā)動機(jī)比CD模式更主要地運行，以推動車輛并將電池充電到預(yù)定義的水平（取決于在CS模式下使用的控制策略）。
圖3驅(qū)動循環(huán)a TEH-CAR驅(qū)動循環(huán)b UDDS驅(qū)動循環(huán)
第 6 頁 共 7頁
大 學(xué)
設(shè)計開題報告
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號：
學(xué) 院：
機(jī)械與動力工程學(xué)院
專 業(yè)：
車輛工程
設(shè)計題目：
電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案設(shè)計
與控制研究
指導(dǎo)教師:
20 年 月 日
開題報告填寫要求
1．開題報告作為畢業(yè)論文答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)論文工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師審查后生效；
2．開題報告內(nèi)容必須用按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)一般應(yīng)不少于10篇（不包括辭典、手冊）。文中應(yīng)用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號，文后“參考文獻(xiàn)”的書寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 7714—87《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
4．學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號（如0201140102,為10位數(shù)），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；
5. 有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；
6. 指導(dǎo)教師意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。
畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
1．選題依據(jù)：
1.1、課題研究的意義及目的
從汽車誕生至今的一百多年里，汽車已經(jīng)遍及人類社會的各個角落并成為人們不可缺少的交通工具。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各類能源，產(chǎn)生了大量各類污染物，極大影響了我們賴以生存的地球環(huán)境。有調(diào)查顯示，2010年全球汽車保有量為8.5億輛，消耗了全球石油產(chǎn)量的55％[1]，而且截止到2014年初，全球的汽車保有量已達(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)展的主攻方向，新能源汽車應(yīng)運而生，其中，純電動汽車首當(dāng)其沖成為發(fā)展重點。
純電動汽車不僅是一種新能源車輛，更是一種全新的電氣設(shè)備，是汽車、電子、化學(xué)電源、計算機(jī)、新能源、新材料等工程技術(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]。
1.2、國外純電動汽車制動能量回收發(fā)展現(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。
其中日本一直走在發(fā)展的前端，本田曾推出的一臺以鋰電池為能源的電動機(jī)，它為FIT EV（飛度）提供的續(xù)航里程達(dá)76公里。而與之相匹配的是一臺先進(jìn)的CVT無級變速器制動使用能量回收系統(tǒng)，可以最大限度提升潛在能量回收率。豐田汽車公司自1992年開始研發(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，提高能量回收的利用率[6][7]。
德國、英國、法國、意大利等許多歐洲工業(yè)發(fā)達(dá)國家，也都在上個世紀(jì)九十年代落實電動汽車市場發(fā)展計劃。1990年成立的歐洲“城市電動車”協(xié)會，旨在幫助其成員國進(jìn)行電動汽車的可行性研究和安裝運行電動汽車的必要設(shè)備，并指導(dǎo)電動汽車的發(fā)展和運營，目前為止，已有60個歐洲城市加入這一協(xié)會。
美國純電動汽車的研發(fā)也得到政府的大力支持，通用汽車公司在電動汽車的開發(fā)和研制方面也一直不斷創(chuàng)造成果，先后推出了GM EVl純電動跑車和第一個可駕駛的燃料電池示范車“Electrovan”?！白灾髂ЯΑ笔堑谝豢顚⑷剂想姵丶夹g(shù)與“線控技術(shù)”結(jié)合起來，實現(xiàn)了制動能量的回收。美國Maxwell公司開發(fā)利用的超級電容器不僅使汽車制動時實現(xiàn)了能量回收利用，提高了系統(tǒng)效率，而且進(jìn)一步提高了汽車的啟動、加速性能。A.M Walker和F.AWczalk提出了制動能量回收系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)的兼容工作，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[8]。
1.3、國內(nèi)純電動汽車制動能量回收發(fā)展現(xiàn)狀
我國是一個能源短缺的國家，隨著汽車保有量的增加，能源問題和環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重。所以開發(fā)電動汽車對我國環(huán)境和汽車工業(yè)都有非常重要的意義?！鞍宋濉逼陂g，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；“九五”期間，電動汽車正式成為國家重大科研項目；“十五”期間，電動汽車成為國家863重點專項[9]。在再生制動技術(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[10].實際應(yīng)用方面，我國將會直接跨越傳統(tǒng)能源汽車ABS\EBD\ASR\ESP時代而直接研發(fā)將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)[11]。
1.4、課題研究的實用價值
對于純電動汽車來說，由于受限于電池技術(shù)的發(fā)展，所以每一點能量對其來說都很珍貴。提高電動汽車的能量利用率是增加其續(xù)航的重要手段，也完全符合目前節(jié)能減排的社會倡導(dǎo)。其中，制動能量回收技術(shù)就可以有效提高汽車電池能量利用率。有關(guān)研究表明，在存在較頻繁的制動與起動的城市工況運行條件下，有效的回收制動能量，可使電動汽車的行駛距離延長10%～30%[12]。本文以純電動汽車為研究對象，對其制動過程進(jìn)行受力分析并合理分配制動力，同時對如何進(jìn)行再生制動能量回收進(jìn)行探討和研究，并提出可行方案。
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畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
２．設(shè)計方案：
2.1、本設(shè)計的主要內(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)工作在發(fā)電狀態(tài)，將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[13]。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。
2.2、工作內(nèi)容：
一、純電動汽車基本結(jié)構(gòu)方案的初步確定
（1）簡要分析所提出的結(jié)構(gòu)方案
（2）對比選擇最優(yōu)方案
二、再生制動能量回收方案設(shè)計
三、電動汽車各項參數(shù)設(shè)計
（1）驅(qū)動電機(jī)的選型、傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算
（2）蓄電池的選型及參數(shù)計算
四、根據(jù)所選擇方案對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化
五、利用仿真軟件ADVISOR研究方案效果
2.3、進(jìn)度安排
2017年
2月13日～3月10日 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，完成開題報告
3月10日～4月10日 深入學(xué)習(xí)仿真軟件ADVISOR和 MATLAB
4月10日～5月10日 設(shè)計回收控制方案，仿真研究節(jié)能效果
5月10日～6月10日 撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備相關(guān)材料
畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
該學(xué)生的選題，切合專業(yè)方向與現(xiàn)實，與大學(xué)所學(xué)內(nèi)容結(jié)合緊密。且該生對所開課題進(jìn)行了較為詳盡的調(diào)研和一定程度的探索，參考了許多文獻(xiàn)，最后確定的課題具有一定的實用價值。本課題是學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識的延續(xù)，符合學(xué)生專業(yè)發(fā)展方向，對于提高學(xué)生的基本知識和技能，對于提高學(xué)生的研究能力有益。研究方法和研究計劃基本合理，難度合適，學(xué)生能夠在預(yù)定時間內(nèi)完成該課題的設(shè)計。
同意該課題開題。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
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
機(jī)械與動力工程學(xué)院
學(xué)生姓名： 學(xué)號：
車輛工程
學(xué) 院：
專 業(yè)：
指導(dǎo)教師：
20 年 月
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
IV
1 緒論
1.1 研究的背景與意義
汽車誕生至今已經(jīng)遍及人類社會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
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??；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)要保持較高的運行效率；
3、電機(jī)應(yīng)該重量輕，體積小；
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，運行可靠等特點對整車正常平穩(wěn)地運行有重要的作用。
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?。划?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，制動控制策略分