電動(dòng)汽車車輪能量反饋回收檢測(cè)與控制

1、 電動(dòng)汽車車輪能量反饋回收摘要 傳統(tǒng)汽車工業(yè)的發(fā)展給人類生活帶來(lái)了方便和快捷的同時(shí)，也使環(huán)境和能源日趨緊電動(dòng)汽車由于其零排放、不依賴石油的特點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外汽車研發(fā)的關(guān)注點(diǎn)。整車驅(qū)動(dòng)優(yōu)化控制、能源優(yōu)化配置以及結(jié)構(gòu)輕量化是目前電動(dòng)汽車主要的研發(fā)方向。與傳統(tǒng)汽車不同，電動(dòng)汽車具有能量回收的特點(diǎn)可以進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。因此對(duì)電動(dòng)汽車能量回收控制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為目前電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)之一。 本文以研究電動(dòng)汽車行駛能量反饋和回饋電流測(cè)試為目的，在汽車實(shí)驗(yàn)室搭建電動(dòng)三輪車，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的能量回饋技術(shù)進(jìn)行了研究。首先分析了電動(dòng)汽車及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，對(duì)直流電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了分析，詳細(xì)分析了

2、無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行原理，闡述了無(wú)刷直流電機(jī)的控制方法；其次對(duì)電動(dòng)車用人力驅(qū)動(dòng)模擬下坡進(jìn)行能量回饋研究，分析了直流電機(jī)能量回饋的基本原理。通過分析電動(dòng)車電機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)的能量回饋過程，介紹能量回饋的工作原理；通過采集不同速度下，電機(jī)回饋電流數(shù)據(jù)，分析電動(dòng)車速度與能量回饋電流之間的關(guān)系，從而提出一套關(guān)于能量回饋的控制策略，指出不通車速下能量回饋電流與速度之間的優(yōu)化匹配關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，在模擬下坡的情況下所進(jìn)行的電流采集數(shù)據(jù)，可以明顯直觀的顯示能量回饋的過程；本文所采用的回饋控制策略對(duì)能量回饋過程進(jìn)行有效控制。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)電動(dòng)三輪車進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到能量回收的測(cè)試效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所構(gòu)建的直

3、流電機(jī)控制系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；無(wú)刷直流電機(jī)；能量反饋；電流檢測(cè)；控制策略Detection and Control for The Electric Vehicle Energy FeedbackABSTRACT Environment and energy crisis makes the development of electric vehicles is more and more attention. energy feedback with motor of electric vehicle technology can be part of t

4、he kinetic energy into electrical energy feedback when the car brake to the battery, thus improve the trip range of electric cars. This paper is to study the electric car driving performance and line continuation mileage for the purpose, in the automotive laboratory building electric tricycle, elect

5、ric tricycle driven by dc motor of electric energy feedback technology is studied.Electric vehicle and its drive system is firstly analyzed the development of history and the actual state,expounds the control method of dc motor.Second no power in the electric energy under dynamic state feedback was

6、studied, analysis the basic principles of dc motor and energy feedback. On the analysis of the electric car has no power under the dynamic state of energy feedback process, the process is driven by human, thus for energy recovery, under different speed, the corresponding current data, analysis of th

7、e data to build a relationship between vehicle speed and current, so as to build a set of control system, the control system adopts the process way to express how much in speed,current control in how much less than a reasonable and reliable.Finally, the experimental system is designed for electric t

8、ricycle,achieve energy recovery test result. The experimental results show that the constructed dc motor control system shows good dynamic performance and stability. Key words: The electric car; The motor; Energy feedback; Current detection; The control strategy 30目錄1 緒論11.1 課題的目的和意義11.2 電動(dòng)汽車能量反饋回收技

9、術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀21.2.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀41.3 課題研究的主要內(nèi)容62 電動(dòng)汽車基本平臺(tái)搭建及原理研究82.1 電動(dòng)汽車供電以及運(yùn)行流程82.2 能量回饋的結(jié)構(gòu)92.3 永磁無(wú)刷直流電機(jī)相關(guān)性能及其能量回饋制動(dòng)原理102.3.1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其基本工作原理102.3.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式112.3.3 永磁無(wú)刷直流電機(jī)能量回饋制動(dòng)原理122.4 能量回饋的影響因素142.5 制動(dòng)模式與能量的分析152.5.1 制動(dòng)模式152.5.2 能量反饋回收的約束條件162.5.3 能量反饋回收控制算法172.6 本章小結(jié)193 能量反饋控制策略研究183.1 能量

10、反饋策略203.1.1 前、后軸制動(dòng)力理想分配控制策略213.1.2 前、后軸制動(dòng)力比例分配控制策略213.1.3 最大能量回收控制策略223.2 最優(yōu)控制策略的再生制動(dòng)研究223.2.1 最優(yōu)控制策略的理論研究223.2.2 最佳制動(dòng)力分配控制策略223.3 本章小結(jié)234 系統(tǒng)搭建244.1 小車的搭建244.2能量回饋電流的測(cè)試及控制策略的提出274.3本文創(chuàng)新點(diǎn)304.4本章小結(jié)315 論文工作總結(jié)與展望325.1 論文工作總結(jié)325.2 展望32參考文獻(xiàn)33致謝35電動(dòng)汽車車輪能量反饋回收檢測(cè)與控制11 緒論1.1 課題的目的和意義 課題目的： 本設(shè)計(jì)擬針對(duì)電動(dòng)汽車采用的無(wú)刷直流電機(jī)

11、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過了解和分析國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)能量反饋回收技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一套電動(dòng)汽車電機(jī)能量回收驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且對(duì)能量回收效果進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。 課題意義： 能源短缺及環(huán)境污染的加劇，電動(dòng)汽車的研發(fā)成為目前國(guó)內(nèi)外汽車研發(fā)的熱點(diǎn)。經(jīng)研究分析，制動(dòng)能量回收技術(shù)是能夠在當(dāng)前技術(shù)條件下顯著提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的關(guān)鍵技術(shù)。電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量反饋回收，是指相對(duì)于一般的汽車制動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)存在汽車上的動(dòng)能或者是（下坡時(shí)）勢(shì)能只能通過摩擦制動(dòng)器從而轉(zhuǎn)化為熱量散掉；而當(dāng)有制動(dòng)能量回收系統(tǒng)時(shí)，在電動(dòng)汽車處于制動(dòng)狀態(tài)下，我們通過讓電機(jī)工作在發(fā)電模式為制動(dòng)提供一定的力矩，同時(shí)達(dá)到將其一部分動(dòng)

12、能轉(zhuǎn)化電能存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)電動(dòng)汽車加速及正常行駛時(shí)為電機(jī)輸出提供能量，達(dá)到能量回收再利用的目的。制動(dòng)能量回收策略是指電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中，讓電機(jī)上產(chǎn)生的制動(dòng)力矩與摩擦制動(dòng)器的制動(dòng)力矩共同作用的控制方法，在保證制動(dòng)安全性的同時(shí)，通過優(yōu)化控制策略提高制動(dòng)能量回收效率。有數(shù)據(jù)表明，在城市循環(huán)工況下，汽車制動(dòng)消耗的能量占到了整車驅(qū)動(dòng)能量的31%67%。如果通過制動(dòng)能量回收系統(tǒng)把汽車制動(dòng)過程中的能量回收，在汽車的下次啟動(dòng)和行駛中利用，可以顯著提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。一般有制動(dòng)能量回收功能的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程增加15%20%；研究制動(dòng)能量回收技術(shù)對(duì)提高電動(dòng)汽車有著實(shí)用性，能促進(jìn)電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化有十分重要

13、的作用。 本課題的項(xiàng)目是“電動(dòng)汽車能量反饋回收檢測(cè)與控制”，是以純電動(dòng)三輪車作為研究對(duì)象，主要研究電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的控制策略。通過本設(shè)計(jì)，擬為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)能量策略提供一套可行的方案，同時(shí)提高能量回收及再利用的效率，以達(dá)到綠色節(jié)能的要求。1.2 電動(dòng)汽車能量反饋回收技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 在電動(dòng)汽車中,由于電機(jī)能在發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行,因此當(dāng)汽車在剎車或者減速的時(shí)候都能利用能量轉(zhuǎn)換裝置將能量轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲(chǔ)存。隨著電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,電池技術(shù)的發(fā)展,都為電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)奠定了良好的基礎(chǔ)。據(jù)最新的數(shù)據(jù)顯示,使用了再生制動(dòng)技術(shù)的電動(dòng)車,能把整個(gè)汽車在剎車和減速的時(shí)候消耗能量的15%一18%都回

14、收到電池組中。目前最新的電動(dòng)汽車行駛記錄是德國(guó)奔馳公司創(chuàng)造的,一次性行駛了600多公里,主要應(yīng)用的技術(shù)就是再生制動(dòng)系統(tǒng),這為電動(dòng)汽車的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。1.2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)，我們很多的企業(yè)、高等院校以及科研機(jī)構(gòu)對(duì)電動(dòng)汽車能量反饋回收都會(huì)有自己的研究1-4，而且很多已經(jīng)有所發(fā)展和取得了較大的成就。現(xiàn)在，國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車有扶持政策，這更使國(guó)內(nèi)各大汽車公司增加了企業(yè)內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)和資金的投入，而且都各自推出了企業(yè)品牌的混合電動(dòng)汽車5、6和純電動(dòng)汽車。在電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展同時(shí)，國(guó)內(nèi)各大高校與各大汽車巨頭也加緊對(duì)制動(dòng)能量反饋回收進(jìn)行研究7-9。但相比國(guó)外能量回收技術(shù)10-13，我國(guó)仍處

15、于起步階段。 根據(jù)當(dāng)前的電動(dòng)汽車的發(fā)展形勢(shì)，同濟(jì)大學(xué)余卓平、張?jiān)诺妊芯?4的是基于有效識(shí)別駕駛員的想法與意圖，在駕駛員有不同意圖的制動(dòng)狀態(tài)，汽車能進(jìn)行不同的復(fù)合制動(dòng)力分配以及控制。在駕駛員的不同制動(dòng)意圖下用cpu識(shí)別算法與制動(dòng)力分配策略的不同，進(jìn)行可行性和有效性的試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了其復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用與基礎(chǔ)。 而同濟(jì)大學(xué)的寧國(guó)寶、王陽(yáng)等15則提出了以雙輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式，進(jìn)行電動(dòng)汽車的制動(dòng)總體設(shè)計(jì)，根據(jù)不同需求，提出了電動(dòng)汽車在復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)下，對(duì)前軸和后軸制動(dòng)力進(jìn)行分配控制策略，并且分析測(cè)試了輪轂電機(jī)的特性與其對(duì)電動(dòng)汽車的復(fù)合制動(dòng)性能的的影響，最后的目的是使其前軸、后軸的制動(dòng)力符合制動(dòng)力分配

16、策略，再使用非線性優(yōu)化策略優(yōu)化復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的前軸和后軸的制動(dòng)力分配情況，再對(duì)整車及電機(jī)外特性情況根據(jù)不一樣的循環(huán)工況進(jìn)行仿真和優(yōu)化并進(jìn)行結(jié)果的評(píng)估。 江蘇大學(xué)陳慶樟16-18使用電機(jī)再生制動(dòng)防抱死控制策略的系統(tǒng)模型和液壓防抱死制動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略,實(shí)現(xiàn)符合原始純液壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)踏板的穩(wěn)定特征,對(duì)其進(jìn)行硬件測(cè)試。仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果表明,該模擬電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的控制策略能有效地提高汽車的電池壽命,分析了再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。 山東大學(xué)的徐海東9以電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車為分析目標(biāo)，提出了基于模糊控制策略的電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)車輛的再生制動(dòng)力的分配方案，即保證電

17、動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)車輛的車輪不抱死的穩(wěn)定制動(dòng)情況下，將制動(dòng)力最大化的分配到驅(qū)動(dòng)輪;并且在保證電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)車輛的制動(dòng)強(qiáng)度及其安全性能的前提下，使電機(jī)的再生制動(dòng)力最大化。仿真研究結(jié)果表明，制動(dòng)力采用模糊分配策略的電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)車輛，其制動(dòng)能量回收率、整車能量利用效率都有較顯著的提高。 清華大學(xué)羅禹貢19與李蓬等運(yùn)用最優(yōu)控制理論針對(duì)混合動(dòng)力車進(jìn)行分析，并以駕駛員的制動(dòng)意圖和電動(dòng)車輛的制動(dòng)能量的回收效率作為設(shè)計(jì)的指標(biāo)，建立了制動(dòng)力分配控制策略的模型，該模型能在0.5秒內(nèi)辨識(shí)駕駛員的制動(dòng)意圖，制動(dòng)能量回收的能力具有較大的提高。北京理工大學(xué)林逸與李玉芳等以“在滿足駕駛員的制動(dòng)性能要求和保證車輛制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下,最大化的

18、對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收”為原則,對(duì)電動(dòng)車輛的再生制動(dòng)力與制動(dòng)器制動(dòng)力的分配控制策略進(jìn)行研究,得到電動(dòng)車輛制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力分配的控制算法,最后針對(duì)某電動(dòng)車輛進(jìn)行仿真分析。該制動(dòng)力分配算法對(duì)車輛再生制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力的分配規(guī)律的制定具有較好的參考。吉林大學(xué)王鵬宇20以解放牌的混合動(dòng)力城市客車為原型，設(shè)計(jì)了一套先進(jìn)復(fù)式制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值化控制的液壓再生復(fù)式制動(dòng)，并在復(fù)式制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，按照在保證電動(dòng)車輛的制動(dòng)方向穩(wěn)定性的前提下能盡量的回收制動(dòng)能量的原則下制定了一套制動(dòng)力分配策略，并運(yùn)用仿真平臺(tái)進(jìn)行城市循環(huán)仿真，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的復(fù)式制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配的控制策略具有有效提高制動(dòng)能量回收，

19、進(jìn)而進(jìn)一步提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性。華南理工大學(xué)電動(dòng)汽車重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的再生制動(dòng)控制系統(tǒng)在EV6600電動(dòng)汽車上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在50kmh的初始車速下，整車系統(tǒng)的能量回收效率達(dá)到了103。上海交通大學(xué)汽車電子研究所也對(duì)電動(dòng)汽車能量回饋的整車控制進(jìn)行了研究，并在曙光純電動(dòng)轎車上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，在車速高于10kmh時(shí)可以實(shí)現(xiàn)能量回饋。此外，東風(fēng)混合動(dòng)力轎車EQ7200HEV也采用了制動(dòng)能量回饋技術(shù)。 相對(duì)于高校的研究21-25，國(guó)內(nèi)的汽車企業(yè)也都致力于機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)以及電機(jī)再生制動(dòng)技術(shù)的研究。但是國(guó)內(nèi)的汽車企業(yè)對(duì)于該領(lǐng)域的研究還面臨著電機(jī)再生制動(dòng)力不便于精準(zhǔn)控制、液壓管路處于常開狀態(tài)、制動(dòng)能量回饋水平不

20、高而電動(dòng)車輛的機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)再生制動(dòng)技術(shù)的開發(fā)能力都是有待提高。綜上，我們可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)的各高校、主要的汽車廠商及其科研院所等針對(duì)電動(dòng)車輛的再生制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了一定的結(jié)果。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于再生制動(dòng)系統(tǒng)的研普遍存在著難以準(zhǔn)確控制其制動(dòng)力，較差的制動(dòng)穩(wěn)定性，較低的能量回收率等問題；而且大部分都停留在理論分析和建模仿真階段。1.2.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀在國(guó)外，電動(dòng)汽車熱潮的開始階段，他們便對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究和應(yīng)用十分重視。對(duì)制動(dòng)能量回收技術(shù)的研究已經(jīng)經(jīng)歷了理論研究、實(shí)驗(yàn)室仿真發(fā)展到在實(shí)際電動(dòng)汽車中推廣應(yīng)用的過程。在實(shí)車應(yīng)用方面，日本豐田公司在1997年推出了帶有制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的混

21、合動(dòng)力汽車Prius，該汽車搭載HTS-能量回收系統(tǒng)，汽車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了液壓制動(dòng)力跟隨再生制動(dòng)變化，合理分配了再生制動(dòng)與摩擦制動(dòng)在制動(dòng)狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩的提供比例，該車在保證制動(dòng)安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量回收比例達(dá)到20%的目標(biāo)。豐田公司在2001年推出了另一款混合動(dòng)力汽車Estima，它直接將制動(dòng)能量回收系統(tǒng)整合到了整車控制系統(tǒng)中。該汽車采用了柔性制動(dòng)系統(tǒng)，使再生制動(dòng)力矩與液壓制動(dòng)力的分配更加合理、高效，加上該汽車配備了CVT，使制動(dòng)力矩的調(diào)整更加方便可控，有效地提高了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的效率。豐田公司在2004年又推出了采用電子伺服控制技術(shù)的新款“Prius”混合動(dòng)力轎車，電子伺服的引入使整車控

22、制系統(tǒng)對(duì)摩擦制動(dòng)力和電機(jī)力分配的智能化控制成為了可能，智能化的控制策略有效提高了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的工作效率。日本本田公司在1999年也推出了使用ISG電機(jī)，搭載制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車Insight，該車在制動(dòng)控制方面除了將液壓制動(dòng)與電機(jī)再生制動(dòng)結(jié)合外，還同時(shí)控制了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門，在制動(dòng)力分配方面采用了雙制動(dòng)力分配系數(shù)控制策略，提高了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的回收效率。美國(guó)福特公司推出了采用線傳控制技術(shù)的“Escape”混合動(dòng)力汽車，在該車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中利用機(jī)械摩擦制動(dòng)器和再生制動(dòng)系統(tǒng)，線傳控制系統(tǒng)將駕駛員的操作信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)的控制信號(hào)，它屬于另一種電子伺服系統(tǒng)。線傳技術(shù)的引入也使制動(dòng)

23、能量回收系統(tǒng)效率得到了提高。福特汽車公司還研發(fā)了帶制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的燃料電池汽車FOCUS，該款車型能量源由蓄電池組和燃料電池組合而成，汽車的續(xù)駛里程達(dá)到160-200英里，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在提升該車?yán)m(xù)駛里程方面起到了至關(guān)重要的作用。日本日產(chǎn)汽車公司在2010年底推出了包含制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的純電動(dòng)汽車Leaf（聆風(fēng)），該車采用再生制動(dòng)和機(jī)械盤式制動(dòng)的復(fù)合制動(dòng)結(jié)構(gòu)，并計(jì)劃在全球范圍內(nèi)大規(guī)模地推廣銷售。在制動(dòng)能量回收平臺(tái)及試驗(yàn)研究方面，日本本田公司在EV PLUS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)條件下，提出了最佳制動(dòng)能量回收和制動(dòng)感覺兩個(gè)方面的再生制動(dòng)指標(biāo)化設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)兩個(gè)方面的側(cè)重不同，個(gè)性化的制動(dòng)能量回收控

24、制策略的制定方法得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，制定的多種汽車制動(dòng)能量回收策略達(dá)到了預(yù)定的個(gè)性化控制效果。日本交通研究所的Ha-yashida等對(duì)為混合動(dòng)力客車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)建立了仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該混合動(dòng)力汽車采用了復(fù)合電源，在仿真實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，為混合動(dòng)力再生制動(dòng)系統(tǒng)建立了實(shí)物試驗(yàn)臺(tái)，并為優(yōu)化制動(dòng)能量回收控制策略進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。韓國(guó)Sungkyunkwan大學(xué)研制了用于優(yōu)化混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)力與傳統(tǒng)制動(dòng)力分配策略的HILS系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過多個(gè)傳感器采集混合動(dòng)力汽車制動(dòng)狀態(tài)下的各信號(hào)量，為制動(dòng)力分配提供數(shù)據(jù)參考。同時(shí)設(shè)計(jì)了專用液壓裝置實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車前、后輪的制動(dòng)力分配并更好的與再生制動(dòng)系統(tǒng)配合，有效地提高

25、了制動(dòng)能量回收效率。通過以上信息可知，國(guó)外在電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車的制動(dòng)能量回收技術(shù)研究已經(jīng)取得一定的成績(jī)，許多制動(dòng)能量回收系統(tǒng)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，在量產(chǎn)的電動(dòng)、燃料電池和混合動(dòng)力汽車中得到了應(yīng)用，并取得了不錯(cuò)的效果。在制動(dòng)能量回收實(shí)車應(yīng)用方面，日本取得的成績(jī)最為顯著。在理論研究方面，再生制動(dòng)系統(tǒng)控制所研究的關(guān)鍵問題是如何合理的分配摩擦制動(dòng)力與再生制動(dòng)力，目標(biāo)是在保證制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下最大程度的回收制動(dòng)能量。美國(guó)Union學(xué)院的Wicks，建立了再生制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合城市客車在市區(qū)的工作特征，分析了客車在增加制動(dòng)能量回收模塊后再的節(jié)能效果。Michahian大學(xué)的Panagiotidis等在

26、建立了并聯(lián)混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行了討論，并進(jìn)行了仿真。韓國(guó)Sungkyunkwan大學(xué)的Konghyeon Kim等對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了針對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)力與傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)力的分配方法，并將模糊控制理論引入到四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車的控制中，實(shí)現(xiàn)了較高的制動(dòng)能量回收效率。美國(guó)Texas A&M大學(xué)的Yimin Gao、A.Sakai、Hoon Yeo、Mehrdad等人提出了多種前、后輪制動(dòng)力分配控制策略，建立了它們的分配模型，提出了一種與ABS系統(tǒng)相結(jié)合的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)將電子制動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)再生制

27、動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了各種條件下的制動(dòng)能量的最大化回收，并對(duì)相應(yīng)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。美國(guó)的福特研究所 Ci kanek等設(shè)計(jì)了可以較顯著提高其并聯(lián)的混合動(dòng)力車輛的制動(dòng)效率，并且實(shí)現(xiàn)了其成本最低的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。美國(guó)德州農(nóng)機(jī)大學(xué)的Ho ngweiG ao等以 HEV 作為研究對(duì)象，其再生制動(dòng)采用自行設(shè)計(jì)的開關(guān)磁阻的電機(jī)并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略控制能量回收系統(tǒng)，對(duì)混合動(dòng)力車輛的制動(dòng)能量回收的能力進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與研究。美國(guó)密歇根大學(xué) Pa nagiotidis等針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力車輛的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行研究，得到了不同的參數(shù)對(duì)并聯(lián)的混合動(dòng)力車輛的制動(dòng)性能的影響。韓國(guó)成均館大學(xué)的 Ko ngh

28、yeonK i m等針對(duì)混合動(dòng)力四驅(qū)車的復(fù)合制動(dòng)力的分配控制策略進(jìn)行深入的分析和研究，并對(duì)混合動(dòng)力四驅(qū)車的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的模糊控制方法及其防抱死控制進(jìn)行了臺(tái)架的在線仿真。 當(dāng)前對(duì)于制動(dòng)能量回收的理論研究處在蓬勃發(fā)展的階段，在國(guó)外，許多針對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制的新方法在不斷地被提出來(lái)。俄羅斯一直專注于電容車技術(shù)和電動(dòng)車能量回饋的研究，取得了顯著效果。德國(guó)曼商用車公司、福伊特驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司及西門子汽車科技公司聯(lián)合開發(fā)了使用EPCOS超級(jí)電容的柴一電混合動(dòng)力電動(dòng)客車，并于 1998年3月首次在德國(guó)紐倫堡投入試運(yùn)行。ISE公司的串聯(lián)性混合電力動(dòng)力系統(tǒng)，也采用了電池和超級(jí)電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)，在減速時(shí)實(shí)現(xiàn)能量

29、回饋。 在現(xiàn)如今的高效動(dòng)力概念下，新生產(chǎn)設(shè)計(jì)的電動(dòng)車輛（如2010年10月上市的奧迪 A3 、2011款寶馬3系、2011款Panamera、標(biāo)致308Hybrid4 等）均配備了再生制動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，提高了能量的利用率，從而使其提高了其燃油經(jīng)濟(jì)性。目前，全球的零部件廠商如博世、聯(lián)電等也投入巨資來(lái)研究油電的混合制動(dòng)系統(tǒng)，為電動(dòng)車輛匹配制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。福特設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力款 Escape 的采用了集 ABS 與再生制動(dòng)于一體的制動(dòng)系統(tǒng)，并且其排放的碳?xì)浠衔锖偷趸衔锉葒?guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)減少了 97% ，二氧化碳排放量也減少了50% 。在美國(guó)環(huán)保局的市內(nèi)行駛循環(huán)燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)評(píng)中其百公

30、里油耗僅為5.92-6.77升，與傳 統(tǒng)福 特 Escape 相比大約提高了 75%的燃油經(jīng)濟(jì)性。1.3 課題研究的主要內(nèi)容本文對(duì)電動(dòng)汽車用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及能量回饋控制技術(shù)展開研究，主要研究?jī)?nèi)容如下： 1）對(duì)直流電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了分析，根據(jù)電機(jī)基本原理及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)電機(jī)能量回饋電路以及繪制電路圖。 2）在實(shí)驗(yàn)室搭建電動(dòng)三輪車，對(duì)電動(dòng)三輪車采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的能量回饋進(jìn)行研究，使電機(jī)滿足電機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)能量回饋功能運(yùn)作，并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。 3）設(shè)計(jì)電流采集電路。 4）對(duì)電機(jī)能量回饋進(jìn)行信息采集，獲得電機(jī)在能量回饋過程電流變化特性；在不同的速度下，采集相應(yīng)的電流數(shù)據(jù)，分析該數(shù)據(jù)再構(gòu)建小車速度與電流的相關(guān)關(guān)

31、系，從而搭建出一套控制系統(tǒng)。 5）采用流程的方式的控制系統(tǒng)來(lái)表達(dá)在車速多少的時(shí)候，電流控制在多少以內(nèi)比較合理可靠；然后對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行收集分析。 2 電動(dòng)汽車基本平臺(tái)搭建及相關(guān)基本原理研究 2.1 電動(dòng)汽車供電以及運(yùn)行流程 該小車的供電由動(dòng)力電池組，正負(fù)極繼電器，控制器，電機(jī)組成，供電電路圖如下所示：圖2.1 電動(dòng)汽車電路圖 電動(dòng)汽車供電以及運(yùn)行流程如下： 1）電動(dòng)汽車鑰匙孔有兩檔，當(dāng)打開鑰匙孔一檔時(shí)，負(fù)極繼電器打開； 2）只有在打開一檔后，才可以打開二檔； 3）二檔打開2s后，正極繼電器打開，此時(shí)將動(dòng)力電池組的直流電輸入到升壓轉(zhuǎn)換器，電流經(jīng)升壓后輸入控制器，再輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。 4）電動(dòng)汽車在

32、正常行駛時(shí)，動(dòng)力電池組給電機(jī)控制器供電，電機(jī)控制器輸出UVW三相交流電供電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，整車VCU會(huì)根據(jù)駕駛員當(dāng)前踩踏加速器的程度確定給電機(jī)控制器發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩的大小。 5）二檔打開后，按下前進(jìn)檔位，向電機(jī)控制器發(fā)送正轉(zhuǎn)指令，同時(shí)根據(jù)駕駛員踩踏加速器的程度確定給電機(jī)控制器發(fā)送的正向轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩的大小，促使車輛前進(jìn)。 6）二檔打開后，按下倒檔檔位，向電機(jī)控制器發(fā)送反轉(zhuǎn)指令，同時(shí)根據(jù)駕駛員踩踏加速器的程度決定給電機(jī)控制器發(fā)送的反向轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩的大小，促使車輛后退。 7）當(dāng)電動(dòng)汽車在前進(jìn)時(shí)若檢測(cè)到剎車信號(hào)，向電機(jī)控制器發(fā)送零力矩，促使車輛停止加速。 通過再生制動(dòng)能量回收的方法，可以有效的提高電動(dòng)汽車能量利用率。制動(dòng)

33、能量回收系統(tǒng)能夠?qū)⑵囍苿?dòng)時(shí)的動(dòng)能通過傳動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)來(lái)轉(zhuǎn)化為蓄電池的電能存儲(chǔ)。 一般來(lái)說，電動(dòng)汽車的制動(dòng)模式可分為緊急制動(dòng)、正常制動(dòng)等2類。 1）緊急制動(dòng)。緊急制動(dòng)對(duì)應(yīng)于制動(dòng)加速度大于2m/s2的過程。從制動(dòng)時(shí)的安全性考慮，緊急制動(dòng)應(yīng)以機(jī)械摩擦制動(dòng)為主，電制動(dòng)同時(shí)發(fā)揮作用。但由于緊急制動(dòng)出現(xiàn)的頻率較低，且過程持續(xù)較短，能夠回收利用的能量較少。 2）正常制動(dòng)。正常制動(dòng)對(duì)應(yīng)于汽車的正常行駛工況，可分為減速過程與停止過程。電制動(dòng)負(fù)責(zé)減速過程，同時(shí)再生制動(dòng)能量；停止過程由機(jī)械摩擦制動(dòng)完成。兩種制動(dòng)的切換點(diǎn)由當(dāng)前車速確定，掌握好準(zhǔn)確的切換點(diǎn)，就能夠回收盡可能多的制動(dòng)能量。 由以上分析可知，若想盡可能提

34、高電動(dòng)汽車的能量利用率，需在制動(dòng)過程中盡可能的讓電機(jī)再生制動(dòng)力發(fā)揮作用，尤其是在正常制動(dòng)過程。2.2 能量回饋的結(jié)構(gòu) 能量回饋是電動(dòng)車輛在動(dòng)能減小時(shí)將動(dòng)能減小的部分轉(zhuǎn)化為電能在加以利用。能量回饋主要是在滑行行駛和制動(dòng)情況下，通過電機(jī)作發(fā)電機(jī)，將車輛部分多余的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，反向流入電池儲(chǔ)存加以利用。包含制動(dòng)器、電機(jī)、電池和控制系統(tǒng)。普通燃油車輛的制動(dòng)裝置包括制動(dòng)器和控制系統(tǒng)，在液壓制動(dòng)的作用下將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦能和熱能，達(dá)到降低車速的目的。而純電動(dòng)車制動(dòng)時(shí)通過機(jī)械摩擦制動(dòng)和電制動(dòng)共同作用，摩擦制動(dòng)依靠傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能消耗而產(chǎn)生制動(dòng)效果，而電機(jī)制動(dòng)只能回收驅(qū)動(dòng)輪上的動(dòng)能。如圖2.3所

35、示,當(dāng)車輛滑行或制動(dòng)時(shí)，進(jìn)入能量回饋程序，整車控制器根據(jù)車輛行駛狀況和駕駛要求協(xié)調(diào)分配摩擦制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)的比例，并對(duì)電機(jī)控制器發(fā)出能量回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩命令，電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為發(fā)電狀態(tài)，將驅(qū)動(dòng)輪上的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池中。當(dāng)在電機(jī)制動(dòng)失效時(shí)，只有摩擦制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)車輛制動(dòng)。摩擦制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)控制器能量回饋命令能量回饋轉(zhuǎn)化為電量?jī)?chǔ)存電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng) 圖2.2 能量回饋系統(tǒng)基本構(gòu)成圖2.3 永磁無(wú)刷直流電機(jī)相關(guān)性能及其能量回饋制動(dòng)原理2.3.1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其基本工作原理永磁無(wú)刷直流電機(jī)是近年來(lái)隨著電力電子器件及新型永磁材料而迅速發(fā)展成熟的一種新型電機(jī)。永磁無(wú)刷直流電機(jī)與永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，

36、定子結(jié)構(gòu)與普通的同步電機(jī)及異步電機(jī)相同，鐵心中嵌放對(duì)稱多相繞組，繞組可結(jié)成星形或三角形；轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)和永磁體的形狀不同，其氣隙磁場(chǎng)波形可以是方波、梯形波或者正弦波，電機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的反電勢(shì)波形也為方波、梯形波以及正弦波。通常，反電勢(shì)為正弦波的電機(jī)叫做永磁同步電機(jī)，反電勢(shì)為方波或梯形波的電機(jī)稱為永磁無(wú)刷直流電機(jī)。 如果把電機(jī)、逆變器以及轉(zhuǎn)子位置傳感器作為一個(gè)整體，則逆變器相當(dāng)于直流電機(jī)的換向器，轉(zhuǎn)子位置傳感器相當(dāng)于直流電機(jī)的電刷，永磁體代替了原來(lái)直流電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組以及鐵心，兩者的區(qū)別在于定轉(zhuǎn)子位置互換了。從逆變器直流側(cè)看，電流為直流，因此稱為無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直

37、流電機(jī)既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，又具備直流電機(jī)那樣良好的調(diào)速性能而沒有機(jī)械式換向的優(yōu)點(diǎn)。由于采用了永磁結(jié)構(gòu)，無(wú)刷直流電機(jī)沒有勵(lì)磁損耗，比傳統(tǒng)的交直流電機(jī)體積小、效率高。并且永磁無(wú)刷直流電機(jī)能夠很好地滿足電動(dòng)汽車頻繁地起動(dòng)、加速、制動(dòng)，故是理想的電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)之一。 圖2.3 永磁無(wú)刷電機(jī)圖永磁無(wú)刷直流電機(jī)如圖2.3所示，一般由電動(dòng)機(jī)本體(包括定子和轉(zhuǎn)子)、位置傳感器筍及電子換向線路三大部分組成。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理就是，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)控制電子換向線路去驅(qū)動(dòng)逆變器的功率開關(guān)器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

38、。同時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置傳感器又不斷送出位置信號(hào)，以不斷的改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向保持不變，這樣電機(jī)就旋轉(zhuǎn)起來(lái)了。2.3.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁制動(dòng)方式與拖動(dòng)系統(tǒng)的電氣制動(dòng)方式一般有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。1）能耗制動(dòng)原理：制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)將電樞回路與外電源斷開，在電樞回路串聯(lián)一個(gè)制動(dòng)電阻R。使電樞回路經(jīng)電阻R閉合，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電樞電流改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)時(shí)相反，將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能消耗在電樞回路的電阻上。2）反接制動(dòng)有兩種不同的接線方式:(l)在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)將電樞電流經(jīng)反向開關(guān)反接,反接電源并串接一制動(dòng)電

39、阻。使電源電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)作用方向一致,電流方向與驅(qū)動(dòng)時(shí)相反，共同產(chǎn)生電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)時(shí)相反，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。(2)在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)將電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電源經(jīng)反向開關(guān)反接，勵(lì)磁電流反向，此時(shí)電樞電壓與感應(yīng)電勢(shì)方向相同。共同產(chǎn)生電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)狀態(tài)相反，變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩。 兩者由動(dòng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的電功率以及由電源輸入的電功率一起消耗在電樞回路不能反饋電能。但在機(jī)械特性上是相同的。3） 回饋制動(dòng):將電機(jī)電樞驅(qū)動(dòng)電流斷開，電樞兩端接入一個(gè)開關(guān)電路，并使其處于高頻通斷狀態(tài)。電機(jī)具有電感特性，感應(yīng)電勢(shì)與感生電流有如下關(guān)系: (2.1)式中：為電機(jī)電樞的電感量。開關(guān)閉合時(shí),由電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電勢(shì)引起的感

40、應(yīng)電流經(jīng)開關(guān)形成回路,感應(yīng)電流為制動(dòng)電流,即: (2.2)式中:為電樞電阻；為制動(dòng)限流電阻；為制動(dòng)電流；為電樞感應(yīng)電勢(shì)。開關(guān)斷開時(shí)感應(yīng)電勢(shì)迅速上升，直至感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于電源電動(dòng)勢(shì)時(shí)，形成反饋電流。實(shí)現(xiàn)能量回收，產(chǎn)生制動(dòng)電流：從而把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋到電池。反饋電流為： (2.3)式中：為電流回饋電路的等效電阻。 能量回饋時(shí)的機(jī)械特性方程: （2.4）式中，為等效制動(dòng)電阻，為電樞電阻，為能量回饋的電量，為磁通量。 就電動(dòng)汽車而言，能量回收時(shí)回饋制動(dòng)所需的三個(gè)條件是可以滿足的。電機(jī)在制動(dòng)前做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，磁場(chǎng)已經(jīng)建立。制動(dòng)開始的瞬間剩磁存在，定子兩端接在蓄電池兩端。對(duì)電池充電，即把輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為

41、電能。電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)定子端會(huì)建立起電壓。如果定子端接蓄電池，當(dāng)定子兩端電壓大于蓄電池電壓時(shí)，電池處于充電狀態(tài)。隨著制動(dòng)的進(jìn)行，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速減小，相應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組切割同步磁場(chǎng)的速度也減小，即轉(zhuǎn)差率的絕對(duì)值減小，轉(zhuǎn)差率在電機(jī)發(fā)電時(shí)為負(fù)；因此充電電流也減小。為了盡量回收制動(dòng)能量，當(dāng)然希望充電電流保持在較高的值；如果減小旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率,則同步磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速也會(huì)降低，則轉(zhuǎn)差率的下降速度不致很快，從而使充電電流的下降趨勢(shì)變緩。2.3.3 永磁無(wú)刷直流電機(jī)能量回饋制動(dòng)原理從制動(dòng)的角度來(lái)說，只要使電機(jī)的電樞電流反向就可以實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)電流反向最簡(jiǎn)單的方法是使電源極性反接，也就是在電機(jī)正轉(zhuǎn)過程中，

42、控制逆變器的開關(guān)管，通入和電勢(shì)反相的方波電流。雖然這種方式可以產(chǎn)生制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，但并不能將能量回饋到電源，如果控制不好，還可能使電機(jī)反轉(zhuǎn)（在低速時(shí)）。電動(dòng)汽車電氣制動(dòng)顯然不能這樣簡(jiǎn)單地采用電源極性反接的方式；電動(dòng)汽車電氣制動(dòng)具有特殊的要求:由于電池能量有限，因而要求將制動(dòng)的能量回饋到電池，且要求回饋的效率盡量高；能夠有效地控制充電電流的大小，以滿足電池特性的要求：能夠有效地控制制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，使電動(dòng)汽車能夠很好地控制制動(dòng)速度的快慢。這里采用了一種稱為低速能量回饋制動(dòng)的電氣制動(dòng)方式。低速能量回饋制動(dòng)在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)可實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)，同時(shí)向電源回饋能量，這種控制方式制動(dòng)效果較好，能量回

43、饋效率高，控制方便、安全,是一種良好的電氣制動(dòng)方式。電動(dòng)汽車在運(yùn)行中回饋有兩種方式。1）下坡時(shí)為防止速度過高的制動(dòng)控制方式。當(dāng)汽車下坡時(shí)帶動(dòng)電機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，電機(jī)三相線電壓經(jīng)各二極管整流后對(duì)電池充電，同時(shí)電機(jī)的力矩對(duì)汽車起制動(dòng)作用。設(shè)蓄電池空載端電壓為，電動(dòng)狀態(tài)下理想空載電機(jī)每相電勢(shì)為。具體分析:電動(dòng)汽車在平地或上坡時(shí)行駛，負(fù)載轉(zhuǎn)矩起阻礙作用:下坡時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩相反，變成幫助電動(dòng)車往下行駛。在制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的共同作用下，轉(zhuǎn)速加快。到達(dá)理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，但負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于零，即其與轉(zhuǎn)速方向相同，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下，電機(jī)繼續(xù)加速，越過理想空載轉(zhuǎn)速繼續(xù)加速。這時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩反向并逐漸增大，最終達(dá)到

44、等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，電動(dòng)車恒速下移。從轉(zhuǎn)數(shù)大于理想空載轉(zhuǎn)速后，電機(jī)過渡到發(fā)電狀態(tài)。近似地認(rèn)為相電壓為正弦波。經(jīng)過整流后電壓向電池充電須，再生制動(dòng)力矩的產(chǎn)生需要電機(jī)轉(zhuǎn)速高于理想空載轉(zhuǎn)速。故增加勵(lì)磁可控制制動(dòng)力矩，降低車速。2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)不超過最高轉(zhuǎn)速時(shí)的減速制動(dòng)控制方式。即低速回饋制動(dòng)，其目的在于:在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于空載轉(zhuǎn)速時(shí)，把汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)在電感中，再通過逆變器作用，汽車的動(dòng)能及前期存儲(chǔ)在電感中的磁能一起轉(zhuǎn)化為電能，通過電感升壓作用，向蓄電池回饋能量。同時(shí)由于電機(jī)電流方向在整個(gè)周期內(nèi)與電動(dòng)運(yùn)行時(shí)相反，故可得制動(dòng)性電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)汽車的電氣制動(dòng)。在反電勢(shì)一定的條件下，調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的占空比，

45、就可以控制充電電流的大小。從低速能量回饋制動(dòng)的原理可以看出，電機(jī)仍然工作在兩相導(dǎo)通狀態(tài)，只是電流方向和原來(lái)相反，因而工作在制動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，低速能量回饋還具有下列特點(diǎn)： （l）可以實(shí)現(xiàn)能量的回饋； （2）可以調(diào)節(jié)PWM占空比,可以控制充電電流以及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大?。?（3）制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和反電勢(shì)成比例,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí),制動(dòng)的作用將減弱； （4）采用這種控制方式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩只可能為制動(dòng)性質(zhì)，也就是說，反電勢(shì)的方向決定了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向，電機(jī)在這種情況下不可能反轉(zhuǎn)。因此，這種低速能量回饋制動(dòng)的方式適合于電動(dòng)汽車制動(dòng)。2.4 能量回饋的影響因素能量回饋的目的是為了回收多余的動(dòng)能延長(zhǎng)車輛的行駛里程，因此要盡可能的多

46、回收能量，但實(shí)際上不是所有的能量都是能回收的。在純電動(dòng)車，只有驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)能能沿著驅(qū)動(dòng)軸送至電機(jī)，電機(jī)將這部分能量轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到電池中，其余的能量則以熱量的形勢(shì)消耗。1）電機(jī)：電機(jī)作為再生制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是影響再生制動(dòng)效率的一個(gè)很重要的因素。電機(jī)的制動(dòng)能力越強(qiáng)，則能夠提供的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也就越大，那么在分配再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)之間的比例關(guān)系時(shí)，就可以使再生制動(dòng)在總制動(dòng)力中所占的比例盡可能的增大，從而回收更多的制動(dòng)能量。其次，電機(jī)再發(fā)電狀態(tài)下的功率越大，則可以提供給電池的充電功率也越大，回收的能量也就越多。 2）電池：電池的實(shí)時(shí)充電狀態(tài)也決定了能否對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行完全的回收。如果在制動(dòng)時(shí)刻電池已經(jīng)處于

47、一個(gè)滿狀態(tài)的情況下，則電池組的電壓較高，充電電流的充電效果就比較弱。同時(shí)，電池的能量趨于飽和，如果繼續(xù)進(jìn)行充電的話，會(huì)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生過沖現(xiàn)象。此時(shí)，為了保護(hù)蓄電池，防止過充，就不能再繼續(xù)進(jìn)行制動(dòng)能量的回收，否則會(huì)損害電池，甚至引發(fā)安全問題。另外，電池的可充電能力也決定了電機(jī)反饋回來(lái)的電能能否被完全吸收，電池的瞬時(shí)充電功率越大，則吸收電機(jī)發(fā)出電能的能力就越強(qiáng)，反之亦然。這就要求再生制動(dòng)系統(tǒng)要與電池管理系統(tǒng)緊密的結(jié)合在一起，并且對(duì)電池的要求也會(huì)越來(lái)越高，在以后的發(fā)展中這方面會(huì)是重中之重。這里可以考慮索尼公司的電池快充技術(shù)，如果整個(gè)電動(dòng)汽車的電池組都是由這種快充電池組成的，那么這種電池的充

48、電效率將會(huì)大大增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。所以，電機(jī)的發(fā)電功率不得大于電池運(yùn)行的充電效率和所有的線路的損耗之和，充電電流必須小于電池允許的最大充電電流。電池的荷電狀態(tài)和溫度都會(huì)影響能量的回收率。 3）控制策略：控制策略制定的電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩值及再生制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力的比例直接影響能量回收的多少4)驅(qū)動(dòng)形式：只有驅(qū)動(dòng)輪上制動(dòng)能量才能回收利用,被動(dòng)輪只能通過摩擦消耗動(dòng)能，無(wú)法回收。因此制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪與被動(dòng)輪上分配的制動(dòng)力會(huì)影響能量回饋。5）電磁干擾：純電動(dòng)車的可靠性與周圍的電磁場(chǎng)有密切聯(lián)系，與傳統(tǒng)燃油車相比，純電動(dòng)車?yán)镉泻芏嚯姎庠?，而且有高壓電池組，需荽加強(qiáng)車輛的抗電磁干擾能力。6）效率：從電機(jī)到電池，每

49、一個(gè)傳遞能量的部件都會(huì)損耗奔放能量，其中包括傳動(dòng)系機(jī)械效率、電機(jī)發(fā)電效率、逆變器效率、電池充電效率等。 7）行駛環(huán)境：汽車的行駛工況不同，制動(dòng)的次數(shù)，力度大小等等就都不一樣，這將對(duì)汽車的制動(dòng)能量產(chǎn)生很大的影響。例如，在城市中，汽車車流密度大、紅綠燈多，汽車需要的頻繁起步與減速停車，制動(dòng)頻繁，電動(dòng)汽車可以回收利用的能量就比較多。而在高速公路上，汽車長(zhǎng)時(shí)間以較高速度行駛，道路通暢，制動(dòng)頻率相對(duì)較低，可以回收的制動(dòng)能量就較少，這就是汽車的行駛工況因素。不同的路況下車輛制動(dòng)時(shí)回收的能量也不等。當(dāng)溫度適宜時(shí)，電池與電機(jī)的工作狀態(tài)最佳，能夠回收的能量更多。2.5 制動(dòng)模式與能量的分析制動(dòng)能量回收問題對(duì)于提

50、高EV的能量利用率具有重要意義。電動(dòng)汽車采用電制動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài),將汽車的部分動(dòng)能回饋給蓄電池以對(duì)其充電,對(duì)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛距離是至關(guān)重要的。國(guó)外有關(guān)研究表明,在存在較頻繁的制動(dòng)與起動(dòng)的城市工況運(yùn)行條件下,有效地回收制動(dòng)能量,可使電動(dòng)汽車的行駛距離延長(zhǎng)百分之十到百分之三十?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)關(guān)于制動(dòng)能量回收的研究還處在初級(jí)階段。制動(dòng)能量回收要綜合考慮汽車動(dòng)力學(xué)特性、電機(jī)發(fā)電特性、電池安全保證與充電特性等多方面的問題。研制一種既具有實(shí)際效用、又符合司機(jī)操作習(xí)慣的系統(tǒng)是有一定難度的。本文對(duì)上述問題作了一些積極的探索,并得出了一些有益的結(jié)論。2.5.1 制動(dòng)模式電動(dòng)汽車制動(dòng)可分為以下三種模式，對(duì)

51、不同情況應(yīng)采用不同的控制策略。 1）急剎車：急剎車對(duì)應(yīng)于制動(dòng)加速度大于2m/s2的過程。出于安全性方面的考慮,急剎車應(yīng)以機(jī)械為主,電剎車同時(shí)作用。在急剎車時(shí),可根據(jù)初始速度的不同,由車上ABS控制提供相應(yīng)的機(jī)械制動(dòng)力。 2）中輕度剎車：中輕度剎車對(duì)應(yīng)于汽車在正常工況下的制動(dòng)過程，可分為減速過程與停止過程。電剎車負(fù)責(zé)減速過程，停止過程由機(jī)械剎車完成。兩種剎車的切換點(diǎn)由電機(jī)發(fā)電特性確定。 3）汽車長(zhǎng)下坡時(shí)的剎車：汽車長(zhǎng)下坡一般發(fā)生在盤山公路下緩坡時(shí)。在制動(dòng)力要求不大時(shí),可完全由電剎車提供。其充電特點(diǎn)表現(xiàn)為回饋電流較小但充電時(shí)間較長(zhǎng)。限制因素主要為電池的最大可充電時(shí)間。 一般電動(dòng)汽車主要工作在城市工

52、況下，而我搭建的小車速度較慢，所以本文將研究重點(diǎn)放在汽車長(zhǎng)下坡時(shí)的剎車上。在下坡制動(dòng)時(shí)，可再生的能量與速度成正比。當(dāng)所需的制動(dòng)能量超出能量回收系統(tǒng)的范圍時(shí),電機(jī)可吸收的能量將保持不變。超出的這部分能量就被摩擦制動(dòng)系統(tǒng)吸收。故傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)也是必須的，只有將再生制動(dòng)與摩擦制動(dòng)有效結(jié)合，才有可能產(chǎn)生一個(gè)高效的制動(dòng)系統(tǒng)。在電動(dòng)汽車上,并非所有機(jī)械能或制動(dòng)能量都可再生，制動(dòng)力從地面與輪胎表面?zhèn)魉偷杰囕喤c半軸，然后由再生制動(dòng)控制進(jìn)行制動(dòng)力的分配，決定前后輪摩擦制動(dòng)和再生制動(dòng)的多少。驅(qū)動(dòng)輪上的制動(dòng)能量可沿著與之相連接的電機(jī)轉(zhuǎn)化為電量傳送到能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，另一部分的制動(dòng)能量將由車輪上的摩擦制動(dòng)而以熱的形式散失

53、與大氣中。同時(shí)，在制動(dòng)能量回收的過程中，能量傳送環(huán)節(jié)和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的各部件也會(huì)造成能量損失。2.5.2 能量反饋回收的約束條件 實(shí)用的能量回收系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求:1）滿足剎車的安全要求，符合駕駛員的剎車習(xí)慣。剎車過程中，對(duì)安全的要求是第一位的。需要找到電剎車和機(jī)械剎車的最佳覆蓋區(qū)間，在確保安全的前提下，盡可能多地回收能量。具有能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)汽車的剎車過程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車過程近似，這將保證在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)有吸引力，可以為大眾所接受。 2）考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電工作特性和輸出能力。電動(dòng)汽車中用的是永磁直流電機(jī)，針對(duì)電機(jī)的發(fā)電效率特性，采取相應(yīng)的控制手段。 3）確保電池組在充電過程中的安全，

54、防止過充。電動(dòng)汽車中常用的電池為鎳氫電池、鋰電池和鉛酸電池。充電時(shí)，避免因充電電流過大或充電時(shí)間過長(zhǎng)而損害電池。由以上分析可得能量回收的約束條件： 1）根據(jù)電池放電深度的不同，電池可接受的最大充電電流。 2）電池可接受的最大充電時(shí)間。 3）能量回收停止時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及與此相對(duì)應(yīng)的充電電流值。本項(xiàng)目車為實(shí)驗(yàn)室三輪純電動(dòng)車，驅(qū)動(dòng)采用直流電機(jī)，額定功率為250W，峰值功率為400W，額定轉(zhuǎn)矩為5Nm，峰值轉(zhuǎn)矩為10Nm。持續(xù)輸出三倍額定轉(zhuǎn)矩時(shí)間不小于30s，額定轉(zhuǎn)速為600r/min，最高轉(zhuǎn)速為900r/min。蓄電池采用12V鎳氫電池，其瞬時(shí)充電電流可達(dá)0.05C(C為電池放電倍率)，即5A。在充電

55、電流為0.01C時(shí)，可持續(xù)安全充電。實(shí)驗(yàn)表明，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)，充電電流小于1A?？稍O(shè)此點(diǎn)為電剎車與機(jī)械剎車的切換點(diǎn)。 2.5.3 能量反饋回收控制算法2.5.3.1 制動(dòng)過程分析經(jīng)參照其他碩士論文可知，小車一次剎車回收能量；特定剎車過程中,車體動(dòng)能衰減為定值。特定車型的機(jī)械傳動(dòng)效率和滾動(dòng)摩擦力基本上是固定的。對(duì)蓄電池來(lái)說，制動(dòng)能量回收對(duì)應(yīng)于短時(shí)間(不超過20s)、大電流(可達(dá)10A)充電，因此能量回收約束條件(2)可忽略，充電效率也可認(rèn)為恒定。對(duì)于電機(jī)來(lái)說,在制動(dòng)過程中,其發(fā)電效率隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化而變化。制動(dòng)距離S取決于制動(dòng)力的大小和制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短。由以上分析可知，如果電池狀

56、態(tài)(包括放電深度、初始充電電流強(qiáng)度)允許，回收能量只與發(fā)電機(jī)發(fā)電效率和剎車距離有關(guān)。在滿足制動(dòng)時(shí)間要求的前提下，通過調(diào)節(jié)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。2.5.3.2 控制算法控制策略可描述為：在滿足剎車要求的情況下(由中輕度剎車檔位決定)，根據(jù)能量回收約束條件(1)和(3)的不同值，確定最優(yōu)制動(dòng)力，使回收的能量達(dá)到最大，即電流對(duì)時(shí)間的積分達(dá)到最大。為了與平常的剎車習(xí)慣相符合，令制動(dòng)力隨剎車時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，即。問題轉(zhuǎn)換為尋找最優(yōu)的制動(dòng)力初值和制動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)。 實(shí)驗(yàn)室搭建的三輪電動(dòng)車最高速度不超過20km/h，加速度變化范圍為。為了體現(xiàn)搭建小車的制動(dòng)的可行性，同時(shí)保證安全性和平穩(wěn)性，考察如下制動(dòng)過程：電制動(dòng)初始速度為10km/h(對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min)，電制動(dòng)結(jié)束速度為2km/h(對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min)，要求加速度的絕對(duì)值小于，速度曲線盡量平滑。中度檔位剎車時(shí)規(guī)定制動(dòng)時(shí)間為8s12s，輕度檔位剎車時(shí)規(guī)定制動(dòng)時(shí)間為12s18s。下面只討論輕度檔位剎車情況。鎳氫電池在常溫以0.05C放電時(shí)，電池電壓變化范圍為1213V，電池主要工作于平臺(tái)段，即12.2