电动汽车制动过程制动能量回收策略研究.doc
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1、电动汽车制动过程制动能量回收策略研究摘 要摘 要电动汽车污染物排放少、噪音低、热效率高,且可改善能源结构,已经成为未来汽车发展的方向,并且日益受到重视。制动技术作为电动汽车的关键技术之一,已经成为研究的热点问题。电动汽车的制动系统包括机械制动和再生制动两部分,具有再生制动功能是电动汽车与传统内燃机汽车最大的区别之一。再生制动过程中,电动机工作在发电机模式下,将制动过程中车辆的部分机械能存储到储能装置中,从而提高了能量利用率。如何控制机械制动力矩及再生制动力矩,在保证制动安全的前提下,提高能量回收效率,是电动汽车制动技术研究的关键问题之一,具有重要意义及研究价值。本文以四轮驱动纯电动汽车为研究对
2、象,对制动能量再生系统进行研究。主要研究内容为:分析了纯电动汽车制动能量再生系统的结构和原理;电动汽车采用四轮轮毂电机驱动,四个驱动轮上的制动能量都可以进行有效的回收;电动汽车制动系统为电机制动系统和液压摩擦制动系统组成的复合制动系统;从行驶工况、蓄电池、电机、控制策略、以及驱动形式五个方面分析了影响制动能量再生的约束条件。对电动汽车的再生制动过程进行了分析,讨论了再生制动力和机械摩擦制动力的分配关系。对三种典型的制动能量再生控制策略进行了对比分析,并以对原车制动系统改动较小的并联再生制动控制策略为原型,以电机峰值转矩、锂离子电池充电特性、ECE 制动法规为限制条件对并联再生制动控制策略进行优
3、化,得出符合四轮轮毂电机驱动电动汽车的制动能量再生控制策略。关键词 电动汽车;制动能量回收;控制策略AbstractAbstractWith little pollution emission, low noise, high thermal efficiency, and important role in improving the energy structure, Electric Vehicle (EV) has become the development trend of vehicle, drawing more and more attention. As a key poi
4、nt of EV technology, braking technology has become the hot issue.Braking system of EV consists of mechanical braking and regenerative braking.EV has the function of regenerative braking, which is one of the most significant differences from conventional vehicle with Internal Combustion Engine(ICE).D
5、uring regenerative braking, the motor works as a generator,storing a portion of the Mechanical energy into energy storage devices, thereby the energy efficiency improved. The key issue of EV braking technology that how to control mechanical braking torque and regenerative braking torque to improve t
6、he energy efficiency on the premise of ensuring safety is of great significance and research value.In this article, we research the braking energy regeneration system for pure electric vehicles. The main contents are as follows:Analysis the structure and principles of a pure electric vehicle braking
7、 energy regeneration system; Electric vehicles with four wheel motor drive, the four drive wheels braking energy all can be effective recycling; The electric vehicles braking system is composite braking system consist of motor brake systems and hydraulic friction braking system; Analyzes the impact
8、of constraints brake energy recovery from five aspects of driving conditions,battery, motor, control strategies and drive form. Analysis of the braking energy during braking of the electric vehicle, discuss the distribution relationship between the regenerative braking force and mechanical friction
9、braking force. Have a comparative analysis of three typical braking energy regeneration control strategy, take the parallel regenerative braking control strategy for the prototype, with the Peak torque of the motor, battery charging characteristics, ECE braking regulations as the limiting conditions
10、, do an optimization for parallel regenerative braking control strategy, draw four wheel motor drive electric vehicles braking energy regeneration control strategy.Keywords Electric vehicle; Braking energy recovery; Control StrategyII目 录目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1电力系统中抗干扰研究的意义11.2国外电磁兼容方面的研究历史21.3国内
11、电磁兼容方面研究的历史2第2章 电力系统的主要干扰源以及传播途径42.1主要干扰源42.1.1 工频干扰42.1.2隔离刀闸操作52.1.3雷击82.2电磁干扰的传播途径10第3章 变电站电磁抗干扰与预防措施133.1变电站电磁干扰的控制133.1.1防雷电干扰133.1.2接地153.1.3屏蔽173.1.4滤波183.2变电站抗电磁干扰设计的基本步骤18第4章 雷电对420kV GIS二次系统干扰的仿真计算194.1变电站电气主接线及运行方式选择194.2 设备等效模型及参数214.3 电压互感器模型建立214.4 仿真及结果分析22第5章 总结25致 谢26参考文献27第1章 绪论第1章
12、 绪论1.1电动汽车的发展背景及意义从第一辆汽车诞生至今短短一百多年的时间里,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能源,产生了大量尾气,污染了我们赖以生存的环境。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%,全球大约 25%的温室气体来自汽车尾气。随着全球汽车保有量的不断提升,普通燃油汽车发展所带来的能源危机和大气污染日趋严重。各国政府和汽车企业普遍意识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向,电动汽车应运而生。目前,发达国家的电动汽车技术已相当成熟,并相继有多款电动
13、汽车车型问世。日本丰田公司生产的混合动力电动汽车 Prius 全球销售超过50万辆。日本本田公司生产的 Insight 混合动力电动汽车投放市场以后,供不应求。法国标致、雪铁龙汽车公司将 P106 和 SAXO 及其变型的改装成小型电动车。雷诺汽车公司也将 Clio 电动轿车投入商业化生产。美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司与美国能源部合作推出了三款混合动力概念车 GM Precept、Ford Prodigy 以及Dailmler Chysler Dodge ESX3。我国的电动汽车技术水平与产业化和国外相比差距相对较小,基本处于同一起跑线上。在“十五”期间,科技部拨款 8.8 亿元设立电
14、动汽车重大科技专项,发展电动汽车产业。东风电动汽车股份有限公司研发生产了神龙富康纯电动轿车、EQ7200 混合动力轿车和 EQ61100 混合动力公交车等车型。同济大学先后试制成燃料电池微型电动汽车“春晖一号”和“春晖二号”以及“超越”系列混合动力电动汽车。此外,福田迷笛、比亚迪 E6、江淮同悦、奇瑞 QQ 的车型均已实现量产。电动汽车与传统汽车先比有以下优点:零排放、结构简单、超低噪声、能量效率高、易实现无级变速、维护保养便捷、经济性较高、百公里消耗能源远低于传统汽车、夜间电池充电、错开用电高峰期、利于电网均衡负荷。在电动汽车研究中,如何研制高性能的储能设备、 以及如何提高能量的利用率,是所
15、有研究中比较重要的两个方面。尽管蓄电池技术发展迅速,但受经济性、安全性等因素制约、难以在短时间内实现重大突破。因此如何提高电动汽车的能量利用率是一个非常关键的问题。研究制动能量再生对提高电动汽车的能量利用率非常有意义。汽车在制动过程中,汽车的动能通过摩擦转化为热能耗散掉,大量的能量被浪费掉。据相关数据研究表明,在几种典型城市工况下,汽车制动时由摩擦制动耗散的能量占汽车总驱动能量的50%左右。1.2国内外制动能量再生领域研究状况由于回收电动汽车的制动能量不仅能提高电动汽车的能量利用率,增加续驶里程,还能保护制动器,提高整车的安全性。因此,国内外对其进行大量的研究。美国 Texas A&M 大学的
16、 Yimin Gao 等提出了评价制动能量回收效率的三种制动力分配控制策略,在此基础上建立了纯电动汽车的制动能量仿真实验模型,针对不同的制动强度进行了仿真实验。Yimin Gao 和 Mehrdad Ehsani 提出一种基于制动能量回收系统的纯电动汽车和混合动力汽车 ABS 系统的控制策略,通过精确设计电机制动力门限值,使得再生制动系统与 ABS 系统可兼容工作。Wicks 等建立了城市客车在市区行驶循环工况下的数学模型,研究再生制动系统的节能效果。美国 Texas A&M 大学的 Hongwei Gao 等提出了混合动力汽车基于开关磁阻电机再生制动的神经网络控制系统,并在行驶循环工况下进行
17、了能量回收效率的分析。Panagiotidis 等建立了并联式混合动力汽车的再生制动模型,对再生制动的效果进行仿真计算和影响因素的分析比较。Hoon Yeo 采用I曲线作为前、后制动力分配策略,但是该分配策略加大了后轮制动器制动力,减小了电机制动力,从而降低了能量回收率,增大了前轮或后轮抱死的可能性。近年来,世界各国汽车公司都推出了自己的能量回收系统,这些再生制动系统所采用的控制策略都比较先进。其中丰田 Prius 轿车的 ECB 制动系统能够实现四轮单独控制,车辆的常规制动、紧急制动、制动能量回收以及防加速打滑控制等技术只需一套制动系统就可能实现;本田 Insight 轿车的 ESP 系统同
18、时集成了多种控制技术,可实现制动能量回收,车轮防抱死和防加速打滑控制等功能;福特公司的 Prodigy,日产的 Tino 和通用的 Precept 轿车均为新研制出的混合动力电动汽车,它们的制动系统都具有制动能量回收功能。目前,国内制动能量回收技术处于刚刚起步阶段,大部分的研究都停留在理论计算和建模仿真阶段。表1-1为国内再生制动技术研究成果现状总结。表1-1 国内制动能量回收技术研究分析研究单位研究者研究方法研究结果清华大学罗禹贡李蓬等研究对象:混合动力汽车。设计目标:驾驶员制动意图&能量回收率。思想:基于最优控制理论设计了制动力分配模型。显著提高汽车制动响应速度提高制动能量回收率 10%北
19、京理工大学李玉芳林逸等分析对象:独立式制动控制系统的制动力前提:满足车辆制动性能保证车辆制动稳定性设计目标:最大限度地回收再生制动能量得到再生制动力和液压制动力的分配与控制规律吉林大学王鹏宇王庆年等针对:并行再生制动系统的缺陷提出策略:基于理想制动力分配的制动力分配系数计算法方法:通过 ABS 调节机械制动力调节制动力分配在AMEsim下仿真带ABS的气压制动模型,各方面都较优从国内外研究现状可看出,汽车制动能量回收系统研究主要集中在回收制动能量方法、回收制动能量的效率、驱动电机与功率转换器的控制技术、再生制动控制策略、机电复合制动的协调等方面。目前急需解决的制动能量回收系统关键技术问题主要有
20、 4 个方面:制动稳定性问题、制动能量回收的充分性问题、制动踏板平稳性问题、复合制动协调兼容问题。汽车电储能再生制动是提高汽车能量综合利用率,减少汽车废气排放,降低汽车使用成本的有效途径,尤其是配合纯电动汽车更有优势。要充分回收与利用制动能量,就要把制动能量回收与利用结合起来考虑。合理配置能量转换装置、能量储存技术和控制策略,在保证车辆安全性能的条件下达到再生制动功能与效率的优化。随着电机技术、能量储存技术及控制技术的发展,再生制动技术将成为现代汽车的一种常规配置。1.3本文主要内容本文针对电动汽车的制动能量再生系统进行理论分析,制定能量回收控制策略。具体的研究内容主要有以下几个方面:(1)介
21、绍了电动汽车制动能量回收系统的结构、原理以及约束条件。(2)对比分析三种典型再生制动控制策略,结合对再生制动力与机械摩擦制动力的分配关系、电机峰值转矩、锂离子电池充电特性、ECE 制动法规的分析,对并联再生制动控制策略进行优化,提出了符合本文研究电动汽车的再生制动控制策略。29第2章 电动汽车制动能量回收系统第2章 电动汽车制动能量回收系统2.1电动汽车制动能量回收系统的总体结构电动汽车制动能量再生系统的结构如图 2.1 所示。图 2.1 再生制动系统结构图电动汽车制动能量再生系统主要包括两部分:电机再生制动部分和传统液压摩擦制动部分。再生制动虽然可以回收制动能量并向车轮提供部分制动力,但是电
22、机再生制动效果受电机特性、电池、车速等诸多条件的限制,在紧急制动和高强度制动时不能独立完成制动要求,为了保证整车制动的安全性,在采用再生制动的同时,还要采用传统的液压摩擦制动作为辅助。2.2电动汽车制动能量回收系统的原理在纯电动汽车上,做为驱动装置的电动机同时具有发电功能,利用电机可逆这一特性,可以实现电动汽车的制动能量再生。电动汽车在制动过程中,整车的动能通过车轮传递到电机,从带动电机旋转,此时,电机工作在发电状态,向储能装置(蓄电池或超级电容)充电,将制动能量转化为电能储存在储能装置中,实现了能量的再生利用。同时,电机产生的阻力矩作用于车轮,产生制动力矩,从而起到减速制动的作用。2.3电动
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