新能源汽車制動能量回收技術(shù)研究

新能源汽車制動能量回收技術(shù)研究摘要隨著近些年傳統(tǒng)燃油汽車市場保有量不斷增加，加劇了石油等不可再生能源的大量消耗，并且燃油汽車在工作過程中所排放的尾氣，不但對人民的身心健康造成十分嚴(yán)重的損傷，另一方面還對環(huán)境造成了極大的破壞。因此，在如此惡劣的大環(huán)境下，各個國家都在積極尋求新的出路；以清潔能源作為燃料的新能源汽車逐漸被各個國家所重視，是未來汽車行業(yè)發(fā)展的重心。對于新能源汽車的發(fā)展，目前大多數(shù)國家都選擇了以電動新能源汽車，而據(jù)悉新能源燃料電池汽車面臨著充電時間長，續(xù)航公里數(shù)短，充電樁并不十分完善等等一系列問題，面對這一問題，制動能量回收技術(shù)可以有效解決以上大部分新能源燃料電池汽車目前所面臨的缺陷，對于增加汽車的行駛里程具有顯著的效果。首先是制動能量回收技術(shù)，因?yàn)槿妱悠嚨闹苿酉到y(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車的制動系統(tǒng)不同，它涉及一個電動馬達(dá)制動系統(tǒng)。電機(jī)制動系統(tǒng)在能量回收方面起著非常重要的作用。因此，本文的主要目的是闡明電機(jī)制動系統(tǒng)的制動力如何相對于機(jī)械制動系統(tǒng)的制動力進(jìn)行合理的分配，以及驅(qū)動電機(jī)如何影響制動能量回收系統(tǒng)。出于這個原因，本文重點(diǎn)討論了永磁同步電機(jī)，目前大多數(shù)主要制造商都在使用這種電機(jī)。關(guān)鍵詞：新能源汽車；制動能量回收；永磁同步電機(jī)ResearchonbrakingenergyrecoverytechnologyofnewenergyvehiclesAbstractWiththecontinuousincreaseofthemarketownershipoftraditionalfuelvehiclesinrecentyears,thelargeconsumptionofnon-renewableenergyhasbeenintensified,andtheexhaustemittedbyfuelvehiclesintheprocessofworkhasnotonlycausedseriousdamagetopeople'sphysicalandmentalhealth,ontheotherhand,butalsocausedgreatdamagetotheenvironment.Therefore,insuchaharshenvironment,allcountriesareactivelyseekingnewsolutions;newenergyvehicleswithcleanenergyasfuelaregraduallyvaluedbyallcountries,isthefocusofthefutureautomobileindustrydevelopment.Forthedevelopmentofnewenergyvehicles,mostcountrieschosetoelectricnewenergyvehicles,andthenewenergyfuelcellvehiclesfacingchargingtimelong,shortkilometers,chargingpileisnotveryperfectandsoonaseriesofproblems,inthefaceofthisproblem,brakingenergyrecoverytechnologycaneffectivelysolvemostofthenewenergyfuelcellvehiclesfacingdefects,toincreasethecarmileagehassignificanteffect.Thefirstisthebrakingenergyrecoverytechnology,becausethebrakingsystemofall-electricvehiclesisdifferentfromthatofconventionalfuel-poweredvehicles,anditinvolvesanelectricmotorbrakingsystem.Themotorbrakesystemplaysaveryimportantroleintheenergyrecovery.Therefore,themainpurposeofthispaperistoclarifyhowthebrakingforceofthemotorbrakesystemisreasonablydistributedrelativetothebrakingforceofthemechanicalbrakingsystem,andhowthedrivingmotoraffectsthebrakingenergyrecoverysystem.Forthisreason,thispaperfocusesonpermanentmagnetsynchronousmotors,whicharecurrentlyusedbymostmajormanufacturers.Keywords：Newenergyvehicle;brakingenergyrecovery;permanentmagnetsynchronousmotor第第頁緒論課題的背景及意義課題的背景汽車工業(yè)近百年的快速發(fā)展為人類帶來了很大的便利，駕車出行逐漸成為人們?nèi)粘３鲂械闹匾煌ǚ绞?，近些年，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平逐漸提高，每家擁有一輛汽車成為了很容易的事情，這就使得我過汽車保有量快速上漲，到2020年底，中國的私家車數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了驚人的2.81億輛，導(dǎo)致了石油燃料等不可再生資源的大量消耗，由于中國不是石油大國，只能通過進(jìn)口來滿足對石油能源日益增長的需求，因此我國對于龐大的石油資源需求必須依靠對外貿(mào)的依賴；除此之外，傳統(tǒng)燃油汽車排放的尾氣包括了大量的固體懸浮顆粒，氮氧化合物等80多種有害物質(zhì)，嚴(yán)重危害了人類的身心健康，引起環(huán)境惡劣污染。因此作為主體的傳統(tǒng)燃油車迎來了行業(yè)的變革。圖1.1汽車尾氣的污染課題的研究意義面對汽車保有量的逐步增加，能源的持續(xù)消耗與環(huán)境的惡劣污染這一系列難題，發(fā)展新能源汽車勢在必行，可再生能源汽車，顧名思義，是以新的清潔或可持續(xù)的可再生能源為動力，及采用新技術(shù)和設(shè)計的汽車。發(fā)展新能源汽車是目前中國節(jié)能減排的最有效途徑，也是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新要求。新能源汽車的發(fā)展將有助于改善中國的能源結(jié)構(gòu)提高中國在高科技領(lǐng)域的競爭力。因此，新能源汽車的發(fā)展任重道遠(yuǎn)。關(guān)于新能源汽車的分類，大致可以分為以下幾類：圖1.2新能源汽車的分類國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析國外研究現(xiàn)狀在能源緊缺，環(huán)境壓力越來越大的現(xiàn)在，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為了時代背景。美國特斯拉公司的新能源汽車的發(fā)展走在最前列，同時也代表了新能源汽車發(fā)展的最高水平與最高技術(shù)，在最新改款的ModelS車型方面，純電續(xù)航里程達(dá)到了637公里，百公里加速僅需2.1S，峰值功率達(dá)到了1020馬力，它強(qiáng)大的續(xù)航里程與純電動汽車本身具有的舒適穩(wěn)定性甚至已經(jīng)超過了許多燃油車型；日本是制造大國，在汽車工業(yè)方面一直處于世界領(lǐng)先的位置，在新能源汽車技術(shù)的研發(fā)上面相對也比較成熟，在2012年，豐田推出了收款新能源汽車，并且在2015年提出，“豐田環(huán)境挑戰(zhàn)2050發(fā)展戰(zhàn)略”目的就是為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；與其他地區(qū)的國家相比較而言，歐洲則更加重視純電動汽車的發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)，新能源汽車在歐洲也是迅速發(fā)展壯大起來，尤其是德國早在2009年就宣布免費(fèi)提供土地建立充電樁，為了推廣和發(fā)展新能源汽車，法國政府宣布了截止2040年要在他本國內(nèi)禁止銷售汽油車和燃油車。歐洲的車企也在他們傳統(tǒng)燃油車的基礎(chǔ)上建立自己品牌的新能源汽車，如沃爾沃C40、寶馬i系列，雷諾梅甘娜E-TECH電動車等等國內(nèi)研究現(xiàn)狀在傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)展領(lǐng)域，我國起步要比其他發(fā)達(dá)國家晚了三十多年，在基礎(chǔ)技術(shù)上已經(jīng)有很大的差距，但在新能源汽車領(lǐng)域，盡管中國起步較晚，但與發(fā)達(dá)國家相比，技術(shù)水平差距并不大。目前我國許多傳統(tǒng)老牌車企，具有車輛工程專業(yè)的重點(diǎn)院校與一些科研機(jī)構(gòu)，均投入了大量的人力以及物力加大了對新能源汽車的研究，不僅如此，在新能源汽車收到了黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人的大力支持下，在多方因素的作用下，我國新能源汽車呈現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的趨勢，直至2017年，我國新能源汽車銷量達(dá)到了77.7萬輛，同比增長超過了54%，超過了汽車總體銷量的20%。在2018年，我國又出臺了有關(guān)配套新能源汽車相應(yīng)的充電樁政策，至此，新能源電動汽車的配套設(shè)施逐步完善，進(jìn)一步加大了我國對于新能源汽車的研究速度。與此同時，我國的汽車制造商也正在進(jìn)一步的加大力度研究出更高性能的新能源汽車，例如北汽EV，比亞迪--秦，奇瑞EV等等，伴隨著比亞迪--漢系列的新能源汽車的推出，它高效的電機(jī)性能以及駕駛性能不僅好評如潮更被廣大網(wǎng)友們評測為“國貨之光”。總的來說，中國對新能源汽車的研究正在與國際接軌，并進(jìn)一步縮小與發(fā)達(dá)國家的差距。廣州汽車最近推出的AionS是我國第一輛使用深度集成的三合一高性能電力推進(jìn)系統(tǒng)和最新一代全地形鋰電池的純電動汽車。從目前的發(fā)展來看，中國的新能源汽車是一個朝陽產(chǎn)業(yè)，并且會進(jìn)一步推動我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。研究制動能量回收系統(tǒng)的意義在傳統(tǒng)的汽油動力汽車中，主要的制動方式是靠剎車片和剎車盤之間的摩擦，在制動過程中會消耗大量的動能，并且需要散熱，造成大量的能量損失。而對于新能源汽車來說，目前主要存在的問題就是行駛里程較短，充電較慢等一些問題，其中最顯著的問題就是行駛里程的問題，關(guān)于這個問題，制動能量回收是解決這些問題的一個主要途徑，關(guān)于制動能量回收，就是當(dāng)新能源汽車在進(jìn)行制動時，驅(qū)動電機(jī)由工作狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，及時的給驅(qū)動電池進(jìn)行充電，在制動時對能量的損失降到最少，更大限度的增加汽車的行駛里程。加大對制動能量回收技術(shù)的研究，不僅可以更進(jìn)一步保障司機(jī)的駕駛安全，并且在保證制動效果的同時，還能夠有效的增加新能源汽車行駛公里數(shù)。其他國家很早就對制動能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并形成了一套研究體系。除了對制動能量回收的理論進(jìn)行深入廣泛的研究外，還從實(shí)踐中取得了許多成果。1999年，美國研究人員GaoYiming和MehrdadEhsani提出了新能源汽車制動能量回收系統(tǒng)的三種經(jīng)典控制策略他們提出了以下三種經(jīng)典控制策略，對不同的制動工況提出了根據(jù)強(qiáng)度進(jìn)行制動能量回收的理論，這次理論的提出，不僅豐富完善了初步理論的缺陷，并且保證了在制動時安全、穩(wěn)定的情況下更大限度的進(jìn)行了能量回收，并且在之后的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中取得了顯著的成果。國外在實(shí)車應(yīng)用方面，制動能量回收技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，日本豐田汽車集團(tuán)推出的豐田Prius，是一款油電混合動力汽車，他所采用了利用液壓制動比例調(diào)節(jié)制動力，在保證制動安全穩(wěn)定的同時也取得了制動能量回收的一個效果。日本本田公司研究的混動車型Insight所搭載的制動能量回收是通過根據(jù)制動踏板的位移量，合理的計算分配給電機(jī)制動力與機(jī)械制動力，從而更加精確的達(dá)到了一個制動能量回收的效果。德國博世（BOSCH）公司針對油電混合汽車推出了ESPhev再生制動系統(tǒng)，這項(xiàng)技術(shù)不僅可以協(xié)調(diào)電機(jī)制動器與液壓制動器的分配比例，并且還能在制動的同時更好的控制真空助力器，在液壓制動器制動力分配不足時可以通過液壓調(diào)制泵控制額外分配給液壓制動器制動力，此項(xiàng)技術(shù)于2013年收款搭載到了Mercedes-BenzS400HYBIRD車型?？偠灾?，對于制動能量回收系統(tǒng)的研究，各國均做出了相應(yīng)的貢獻(xiàn)，美國在理論方面的研究較為先進(jìn)，而德國、日本等汽車制造大國則在實(shí)車運(yùn)用上比較先進(jìn)。國內(nèi)對于制動能量回收系統(tǒng)研究開始的較晚，但隨著新能源汽車的崛起，我國諸多學(xué)者與車企、研究所等機(jī)構(gòu)逐步投入到了制動能量回收系統(tǒng)的研究當(dāng)中。吉林大學(xué)郭亞軍教授通過將制動能量回收裝置系統(tǒng)與防抱死（ABS）系統(tǒng)通過集成化技術(shù)聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了在制動過程中能量回收的同時有一個良好的制動穩(wěn)定性。電子科技大學(xué)的王大松教授針對現(xiàn)有的制動能量回收裝置的電子電路進(jìn)行了改善，在汽車行駛在下坡路段以及減速制動的工況下使得能量回收取得了較好的成果。丁健等人將研究中心放在了制動能量回收時的經(jīng)濟(jì)性與駕駛舒適性，提出了將能量回收裝置并連起來，保證了汽車在駕駛舒適性與使用經(jīng)濟(jì)型的前提下有效延長了汽車行駛續(xù)航里程。武漢理工大學(xué)劉志強(qiáng)等人通過研究純電動汽車在制動工況下安全性與能量回收裝置的關(guān)系中，為了將制動能量回收效果達(dá)到最大化，運(yùn)用CATIA軟件進(jìn)行建模仿真，結(jié)果表明得到的制動回收率提高了4.52%。我國的理論研究正在逐步與國際理論研究不斷地縮小差距；在實(shí)車應(yīng)用方面，由于近幾年國家政策的改進(jìn)，將新能源汽車發(fā)展擺在了重要位置上，另一方面，加上理論研究指導(dǎo)實(shí)踐操作，我國部分車企在制動能量回收技術(shù)領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，國內(nèi)如北汽新能源汽車推出的北汽EV，比亞迪推出的漢系列、唐DM，奇瑞EV等等，都推出了具有制動能量回收裝置的新能源汽車，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中取得了不錯的成果，均可增加10％--15％的行駛里程。本文研究內(nèi)容本文的研究對象主要針對以2021年“特斯拉剎車失靈事故”為例，對制動能量回收系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀做出分析，并給出優(yōu)化方案：王宇帆等人在2022年三月發(fā)表《特斯拉“剎車失靈”事件的車輛運(yùn)動模型與分析》，通過現(xiàn)代汽車的阿克曼原理與車輛運(yùn)動模型進(jìn)行了泊車驗(yàn)證與特斯拉行車軌跡模擬事故還原，進(jìn)行了三方面的分析，其中主要包括車速數(shù)據(jù)的真實(shí)性，結(jié)果顯示，事故發(fā)生前，涉案車輛沿道路右側(cè)正常行駛，司機(jī)在看到離事故地點(diǎn)不遠(yuǎn)處的紅綠燈時開始減速，但剎車不符合車主司機(jī)劉女士的預(yù)期，隨后為躲避前方的障礙物而撞向路邊的水泥護(hù)欄。模型研究得到的結(jié)果與車主對事故的描述基本一致，特斯拉方面提供的數(shù)據(jù)與車主對事故的定性分析不矛盾，特斯拉方面提供的速度數(shù)據(jù)基本可信，超速現(xiàn)象可能存在，車輛的制動系統(tǒng)工作狀態(tài)正常。如果特斯拉方面沒有篡改數(shù)據(jù)，事故的主要原因可能是車輛的速度問題。通過這個實(shí)例我們可以得到，目前對于制動能量回收技術(shù)的研究還是存在一定的不足，從而加大對制動能量回收技術(shù)的研究，不僅可以更進(jìn)一步保障司機(jī)的駕駛安全，并且在保證制動效果的同時，還能夠有效的增加新能源汽車的行駛里程。圖1.3事故現(xiàn)場還原圖圖1.4車輛的運(yùn)動方程模型圖1.5制動過程分階段圖第一章為緒論部分，主要介紹本課題的研究現(xiàn)狀與研究背景并引出實(shí)例來對接下來的分析進(jìn)行研究。第二章介紹制動能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理，對制動能量回收系統(tǒng)進(jìn)行一個系統(tǒng)的分析。第三章介紹關(guān)于驅(qū)動電機(jī)對制動能量回收系統(tǒng)的影響，以永磁同步電機(jī)為例，介紹永磁同步電機(jī)的制動能量回收第四章主要分析，在基于以上分析得出的結(jié)論條件下，分析對新能源汽車制動能量回收系統(tǒng)的影響因素。第五章在以上的研究基礎(chǔ)之上對本課題進(jìn)行總結(jié)與展望。制動能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理引言傳統(tǒng)燃油汽車所采用的制動方式多為純機(jī)械摩擦方式，通過制動鼓、制動蹄之間的機(jī)械原件進(jìn)行摩擦使車輛達(dá)到減速的效果，然而這種制動效果會導(dǎo)致汽車在制動過程中的能量以熱能的形式散失掉，導(dǎo)致了能量的損耗。新能源汽車的制動方式是通過整車控制器（VCU）將指令傳達(dá)到汽車的驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)將從驅(qū)動狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)達(dá)到給驅(qū)動電池充電的效果，新能源汽車搭配制動能量回收技術(shù)，可以將制動過程中部分能量二次利用，達(dá)到增加增加行駛里程的效果。新能源汽車剎車系統(tǒng)的能量利用率是影響其剎車性能的重要因素。為了車輛能夠平穩(wěn)的進(jìn)行制動，必須根據(jù)汽車的制動工況，對前后車輪的電子制動力進(jìn)行合理的分配，以保證制動力不超過電動機(jī)的制動力，從而實(shí)現(xiàn)制動力的最大化。以方便實(shí)現(xiàn)更大程度的能源利用。制動能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)常規(guī)燃料汽車制動力的基本原理是：當(dāng)車輛在運(yùn)行時，制動器控制系統(tǒng)工作不正常時，制動筒的內(nèi)圓度與制動蹄的外圓表面保持一定的間隔，從而使得車輪與制動鼓可以自由旋轉(zhuǎn)，當(dāng)需要制動時，駕駛員通過拉桿和活塞式主油缸拉動制動器踏板，使得制動器主油缸內(nèi)的液壓系統(tǒng)在合適的壓力下進(jìn)入輪缸，同時制動器蹄片繞著支承銷旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入雙活塞輪缸，并將其轉(zhuǎn)向二端，摩擦片的前端在制動器滾筒中下沉一周，使其在車輪行駛方向上受到壓迫，獲得摩擦力矩，從而達(dá)到車輪減速的效果。然而這種制動效果浪費(fèi)了大量的能量，使得能量在傳遞過程中損失很大，最終以熱能的形式散失。圖2.1傳統(tǒng)燃油車制動系制動原理圖新能源車輛剎車時，剎車所產(chǎn)生的電力會經(jīng)由驅(qū)動輪、剎車系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)供給驅(qū)動馬達(dá)，使驅(qū)動馬達(dá)從驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變成發(fā)電狀態(tài)，并由DC/DC變換器（類似于常規(guī)燃料汽車的發(fā)電機(jī)）對驅(qū)動電池進(jìn)行充電。與此同時，該驅(qū)動馬達(dá)會產(chǎn)生一股抗扭力，使車輛無法再前進(jìn)。這個扭矩由傳動系統(tǒng)分配到各個驅(qū)動輪，以實(shí)現(xiàn)對剎車的減慢。整車處理單元（VCU）對當(dāng)前的剎車條件進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行了計算，以使其能夠獲得最優(yōu)的制動力和制動力。新能源汽車的制動能量回收模型如下圖所示，制動時首先驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)變它自身的工作狀態(tài)，經(jīng)過傳動系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換器，到達(dá)驅(qū)動電池給驅(qū)動電池進(jìn)行充電工作，轉(zhuǎn)變后的驅(qū)動電機(jī)又通過傳動系統(tǒng)將自身產(chǎn)生的阻力矩分配給各個車輪達(dá)到車輪的制動效果。圖2.2新能源汽車制動能量回收原理圖驅(qū)動電機(jī)控制技術(shù)在新能源汽車制動能量回收技術(shù)中，影響電驅(qū)動系統(tǒng)的因素有很多，主要包括：環(huán)境（通常指環(huán)境溫度，在過冷環(huán)境下會限制電流輸入目的是保護(hù)驅(qū)動電池）、電池性能（不同的驅(qū)動電池性能各不相同）、控制系統(tǒng)、電機(jī)性能等等；在諸多影響因素當(dāng)中，電機(jī)性能毫無疑問是最主要的影響因素，而在新能源汽車當(dāng)中，電機(jī)也有著十分重要的作用，是非常關(guān)鍵的工作部件，驅(qū)動電機(jī)就相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機(jī)，一般安裝在傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)的位置，但體積相對較小。選擇一款高性能的驅(qū)動電機(jī)會給性能源汽車的行駛性能帶來極大的改善。驅(qū)動電機(jī)可以分為兩種，一種是交流電動機(jī)，一種是直流電動機(jī)，一種是交流電動機(jī)，一種是直流電動機(jī)。目前大多數(shù)汽車制造商都在使用永磁同步電動機(jī)，特斯拉的早期產(chǎn)品就是異步電動機(jī)，再到后來的永磁同步電動機(jī)。表2.1中，通過對四種典型的清潔能源汽車的性能和應(yīng)用進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)它們的性能和使用性能都要優(yōu)于其他三種類型，而且在很多清潔能源汽車廠家中都采用了這種電機(jī)。表2.1幾種典型新能源汽車采用不同電機(jī)性能及應(yīng)用對比永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)介紹其中，定子為三相對稱繞組，通常使用Y型接法：圖2.3定子繞組Y型鏈接永磁同步電動機(jī)的特殊之處在于其轉(zhuǎn)子的構(gòu)造使其與其它電動機(jī)有很大的區(qū)別，因?yàn)槠渚哂懈咂焚|(zhì)的永磁體磁極，通過對其不同的安裝位置，可以將永磁同步電動機(jī)大致分為三種(1)凸裝式、(2)嵌入式和(3)內(nèi)埋式三種類型，如下圖所示：圖2.4永磁同步電機(jī)的三種類型在永磁同步電動機(jī)工作時，三相交流電流通過定子繞組，經(jīng)過恒定線圈，產(chǎn)生一定的空間磁場。該子在其作用下輸出電磁扭矩，當(dāng)其數(shù)值比摩擦-阻尼扭矩之和時，該轉(zhuǎn)子從立即開始轉(zhuǎn)動，在該力的作用下繼續(xù)加速，直到與轉(zhuǎn)動磁極的速度同步為止。車輛前后輪制動力分配首先，要確保車輛在剎車過程中的平穩(wěn)性和安全性，這就需要我們根據(jù)車輛的實(shí)際情況，正確地分配制動力和制動力，然后再根據(jù)新能源汽車的制動力來實(shí)現(xiàn)。但是，在需要提高制動力的前提下，從車輛的安全性和制動器的穩(wěn)定性兩方面來看，應(yīng)該選用電動機(jī)和機(jī)械式剎車；在制動力要求很高的情況下，也就是在緊急剎車的時候，應(yīng)該把所有的制動力都分配到機(jī)械式制動器上。新能源汽車在平整路面上剎車時的受力情況如下：圖2.5車輛制動時前后輪受力圖本章小結(jié)該部分首先闡述了汽車制動能量利用裝置的總體構(gòu)造和運(yùn)行原則，然后綜合考慮了永磁同步電機(jī)并研究了其總體構(gòu)造、工作狀態(tài)及其制動后的發(fā)電功能，而后又在先保證制動能量穩(wěn)定后再盡量提高電能利用的原則下，制定出了所遵循的汽車前后輪的能量分配原則，為后文汽車制動能量利用的控制策略提出了依據(jù)。基于永磁同步電機(jī)的制動能量回收引言新能源車輛在進(jìn)行制動后，所搭載的永磁同步電機(jī)被轉(zhuǎn)變成發(fā)電工作狀態(tài)，因此剎車電能利用管理系統(tǒng)就能夠?qū)l(fā)動機(jī)于這一階段所產(chǎn)生的動力收集到儲能設(shè)備中進(jìn)行能源利用，即在進(jìn)行動力利用的同時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子在電阻作用下逐漸減小速度，既產(chǎn)生了車輛所需要的制動力矩，也完成了剎車。因此剎車電能利用管理系統(tǒng)主要包括了以下二個方面作用，既有產(chǎn)生了車輛需要的制動能，同時還有將發(fā)動機(jī)在該階段中產(chǎn)生的動力傳送至汽車電池系統(tǒng)。這里，如果控制器中提供對應(yīng)數(shù)字電機(jī)制驅(qū)動的控制系統(tǒng)，就能通過與PMSM連通的逆變器來進(jìn)行，那么將永磁同步電機(jī)在剎車流程中所產(chǎn)生的電能返回到動力電池組中，就需要完善一套通過直接去聯(lián)系它們的能量回收控制系統(tǒng)。而關(guān)于這個制動能量回收系統(tǒng)，將是本文的重點(diǎn)探討部分，其基本結(jié)構(gòu)組成將在下圖中顯示。圖3.1制動能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成制動能量回收系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)實(shí)現(xiàn)了前文的永磁同步電機(jī)控制整體模式之后，為了使其在新能源車制動這一流程中所產(chǎn)生的能量返回到車內(nèi)電池中，便需要實(shí)現(xiàn)一條可以用去連接它們的能量回收電路，至此便可以形成完善的汽車制動系統(tǒng)能量回收體系。能量回收系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)與原理目前的汽車制動能源利用控制系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)驅(qū)動電路通常與汽車儲能系統(tǒng)之間進(jìn)行了直接聯(lián)系，這有著顯而易見的弊端和安全隱患：因?yàn)橄到y(tǒng)無法精確調(diào)節(jié)儲能電池的充放電電流大小，因此極易出現(xiàn)儲能電池的充放電電流過大進(jìn)一步的可能會損害車用動力電池壽命的問題。所以，在設(shè)計制動能量回收系統(tǒng)時必須重視的是要做到發(fā)電機(jī)驅(qū)動電路部分和儲能系統(tǒng)部分電路之間的電氣分離，從而精確控制進(jìn)入或排出動力電池的充放電電流大小，有利于進(jìn)一步提高車用蓄電池可靠性。由此，我們所設(shè)想的動能回收系統(tǒng)電路構(gòu)造如圖所示。圖3.2制動能量回收系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)由圖中可知，制動電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由儲能系統(tǒng)、DAB變化器、超強(qiáng)容量和電機(jī)控制器等幾方面所組成。其中，電機(jī)控制器方面已于上文中展開了探討，其功能主要為通過調(diào)節(jié)永磁同步電機(jī)所形成目標(biāo)的阻力轉(zhuǎn)矩，以滿足新能源車輛制動。DAB轉(zhuǎn)換器則是將在超強(qiáng)容量內(nèi)所積攢的剎車流程中，永磁同步電機(jī)所形成的動力傳遞并保存到儲能系統(tǒng)當(dāng)中，而且DAB轉(zhuǎn)換器的雙向傳送特性也將有助于在驅(qū)動過程中將儲能系統(tǒng)中的動力直接傳遞到電機(jī)控制器中，對電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動。因?yàn)榍鍧嵞茉窜囕v在制動時回收過程中電動機(jī)輸出強(qiáng)度較大的沖擊電壓，而超級電容器則能夠有效地減輕大電流的壓力，從而防止了大電流直接進(jìn)入電池組中而形成對儲能電池的破壞，并且由于其吸收了峰值輸出電壓、允許對大電流充電的特點(diǎn)而有助于提高電能回收率;另外，當(dāng)清潔能源車輛啟動時，超級電容器也能夠提高永磁同步電機(jī)的瞬時功率，同時減少了高瞬時功率需求下對動力電池形成的破壞。所以綜上所述，在本章給出的制動電能回收系統(tǒng)電路架構(gòu)中所利用的DAB電路雙向傳輸特點(diǎn)，使之不但能夠運(yùn)用于清潔能源車輛的制動過程中進(jìn)行電能收集，也能夠運(yùn)用于清潔能源車輛驅(qū)動過程中進(jìn)行電力驅(qū)動。DAB電路工作機(jī)理解析DAB電路英文全名：DualActiveBridgecircuit，即雙向有源橋型集成電路，是多種雙向隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器中的一個，其最突出優(yōu)點(diǎn)是可支持電能雙向傳輸，該特性符合前本文中對的轉(zhuǎn)換電路要求，既支持在清潔能源汽車制動過程中的電能回收工作，又支持在清潔能源汽車驅(qū)動過程中對電源進(jìn)行驅(qū)動工作的需要，并且它是完全隔離式的，符合前文中提出的在發(fā)電機(jī)驅(qū)動電路部分和汽車儲能系統(tǒng)部分電路之間進(jìn)行電力隔離，以增強(qiáng)蓄電池穩(wěn)定性的要求。除此優(yōu)點(diǎn)以外，與其他許多雙向隔離型DC/直流轉(zhuǎn)換器有所不同的是，由于DAB變換器具備了多達(dá)八條開關(guān)管，使得它具有能量傳遞輸出功率較大的優(yōu)點(diǎn)，也符合了本文的要用于對新能源汽車進(jìn)行電能傳遞的大功率應(yīng)用背景，并且它還具備響應(yīng)快、能量傳遞效能較高等優(yōu)勢。綜上所述，DAB電路將成為最優(yōu)選被利用來作為本文中的能量回收電路，其電路構(gòu)造如圖所示[20]。圖3.3DAB電路結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)圖圖3.4DAB變換器等效電路圖圖3.5變換器小信號模型等效電路圖圖中所述的DAB系統(tǒng)一共八條開關(guān)電源管，在它們的二端形成了二個全橋，中間分別用電子傳感器和長周期電力變壓器完成了串聯(lián)，在針對此系統(tǒng)而選用了雙向隔離的DC/直流逆變器上使用了最普遍的移相控制方式完成了操作，在通過這種控制方式完成操作后，每群橋臂的上側(cè)和下側(cè)在開關(guān)電源管(如VT一與VT2，其他三組相同)間完成了交替導(dǎo)通，亦即若在開關(guān)電源時間為360°時VT一導(dǎo)通180°，而與VT二對應(yīng)地完成了互補(bǔ)時則關(guān)180°，相反亦然。另外地，若左右二個橋臂的各四支開管的對角線開關(guān)電源管(如原邊的VT一與VT4，VT2與VT3，副邊原理一樣)間的驅(qū)動信號值相等，則若在互為對角線開關(guān)管的VT一中和VT四中的VT一同時進(jìn)行導(dǎo)通或則關(guān)時，VT4也完成了同樣的導(dǎo)通或則關(guān)，這就將導(dǎo)致在圖上橋臂中點(diǎn)的①間電流u②時刻和①間電流u②正負(fù)相等時，其占空比約為零點(diǎn)五。如果把交流變壓器的副邊電流u③等同到原邊的電流u④與′后，此時電路工作就被簡單化為把二個交換壓力u③與u④依次加到圖中的電感L左右，故可以根據(jù)原邊控制①間電流u②相應(yīng)于副邊′間電流u③之間的夾角④(φ又稱作移相角，而其與π相除所得也便是移相反D)去調(diào)節(jié)輸出功率值與方向，這也便是移相控制的基本工作機(jī)理。制動與電能利用子系統(tǒng)時域分析如圖顯示，但在說明了DAB轉(zhuǎn)換器的電路構(gòu)造原理和工作機(jī)理之后，就要根據(jù)需要對電動機(jī)系統(tǒng)加以分析。有別于前文中也已說明剖析的當(dāng)電機(jī)處在電動狀態(tài)時的三相逆變器推動永磁同步電機(jī)的整體系統(tǒng)構(gòu)成，在新能源車制動過程中進(jìn)行電力剎車時，發(fā)電機(jī)也將工作于發(fā)電狀態(tài)，而此時本文中所剖析的用來推動永磁同步電機(jī)的三相逆變器也將起到整流器的功能，從而可將它看作三相PWM整流器。那么運(yùn)用于制動時電能利用過程中的電源控制器也可看作是由一個通過三相電壓源和三相PWM整流器相連的整個控制系統(tǒng)，如圖顯示。圖3.6制動能量回收下的電機(jī)控制系統(tǒng)等效圖本章小結(jié)本章重點(diǎn)闡述了剎車能量回收控制系統(tǒng)的總體框架，并經(jīng)過了對框架內(nèi)容的細(xì)致介紹和分析，并將整體控制系統(tǒng)分為永磁同步電機(jī)控制器、DAB轉(zhuǎn)換集成電路、儲能裝置等三個方面加以研究闡述。首先首次構(gòu)建了基于SVPWM的PMSM矢量控制模型，并通過模擬研究驗(yàn)證了所構(gòu)建模型之正確性;然后闡述了本章系統(tǒng)設(shè)計的剎車能量回收電路拓?fù)淇蚣堋AB轉(zhuǎn)換集成電路的運(yùn)行機(jī)理研究和在剎車能量回收流程中的電機(jī)控制場域研究;最后通過推演了動力電池最大充電電流和SOC值之間的關(guān)系，以得到了SOC值超過零點(diǎn)九五是不能實(shí)現(xiàn)制動能量回收的結(jié)果，從而導(dǎo)出了基于本文制動能量回收技術(shù)的動力電池最大充電電流理論，為后面的制動能量回收技術(shù)整體模型設(shè)計工作和仿真研究工作做好了充分基礎(chǔ)。制動能量回收系統(tǒng)影響因素引言本一章將先按照上文中建立的制動能量回收電路框架以及相關(guān)功能，在Matlab/Simulink中對DAB變換器進(jìn)行了模擬，然后再針對DAB變換器能量雙向傳遞功能，分別開展了相關(guān)的綜合模擬實(shí)驗(yàn)以證明所建立模塊的正確性，然后再將已完成的DAB變換器模塊，和按照前文中三點(diǎn)二所建立好的電動系統(tǒng)模塊進(jìn)行結(jié)合模擬試驗(yàn)，形成了制動能量回收的整個系統(tǒng)模塊，本章還在驅(qū)動狀態(tài)和剎車能量回收的環(huán)境下開展了模擬試驗(yàn)，以證明所建立的剎車能量回收電路框架的有效性和適用性，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，最后，對影響制動能力回收過程的各種因素做出了總結(jié)。為下文控制策略的設(shè)計和實(shí)施做好了鋪墊。影響制動能量回收系統(tǒng)的因素結(jié)合本文的調(diào)研內(nèi)容和結(jié)論方法，我們進(jìn)一步歸納了在新能源車制動能力回收系統(tǒng)中作用重要的一些要素：動力電池SOC值：通過本文的調(diào)研結(jié)果和本章仿真結(jié)論可以知道，動力電池當(dāng)前的SOC值對制動能量回收有著很直觀的負(fù)面影響，因?yàn)榻厝徊煌腟OC數(shù)值所相對的最高可承受充滿流量也有所不同，當(dāng)SOC不足時其最高充滿流量也就相對很低，而一旦超過了動力電池當(dāng)前可以承受的最大輸出電量上限，就將會對動力電池形成能量損傷，從而危害整車安全。因此當(dāng)新能源車輛還在制動時，如果此時動力電池的SOC數(shù)值高于零點(diǎn)九五，則其可接受的最高充電電流就已經(jīng)相當(dāng)小，所以此時不能通過將制動力值分配給發(fā)電機(jī)制動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量回收或者對蓄電池充電，以免因充滿電流過大而造成動力電池?fù)p傷;而且當(dāng)動力電池SOC值過低時，通過剎車能量回收對蓄電池加以補(bǔ)充就會造成動力電池完全過熱，也就不能實(shí)現(xiàn)剎車能量回收。剎車力度：按照左右輪的制動力分配曲線，在中國新能源車制動力力量利用理論及控制策略研究中的分布策略設(shè)計可以發(fā)現(xiàn)，在三個不同的剎車力度區(qū)域里，車左右的制動力分配會不同，從而直接影響著剎車力量利用中的電子機(jī)構(gòu)功率在車前輪上的分配，所以不同的剎車力度直接影響著剎車時的電能利用率，如果剎車力度小于零點(diǎn)二一，則應(yīng)盡可能地增加功率的分配，但當(dāng)制動速度超過零點(diǎn)七節(jié)時，要減少發(fā)電機(jī)制動力的占比。電動機(jī)速度：根據(jù)本章的模擬數(shù)據(jù)即可知道，由于制動能量收回時永磁同步電機(jī)所發(fā)出的感應(yīng)電動勢幅值與電動機(jī)速度密切有關(guān)并呈正比關(guān)聯(lián)，故一方面制動能量收回時電動機(jī)速度的高低密切決定著收回的電能的多寡，而另一方面由于電動機(jī)速度是與新能源車輛速度成固定正比的，因此針對行駛中的新車輛在進(jìn)行制動時這一實(shí)際應(yīng)用情況加以了分析，在行駛車速較低情況下制動，收回的電能就會非常低，在相反情況下在行駛車速數(shù)值太大時就會剎車，因此為了制動平穩(wěn)性和整車安全的前提，必須把總制動能全部分?jǐn)偨o制動效果好、安全性較強(qiáng)的機(jī)械制動。本章小結(jié)初步總結(jié)了對制動能量回收過程的主要影響因素，如電池SOC、剎車強(qiáng)度和電動機(jī)速度等，為以后的進(jìn)一步研究制動能量回收控制策略、對控制策略的設(shè)計和實(shí)施等提供了鋪墊?？偨Y(jié)與展望總結(jié)新能源車有助于緩解燃料短缺、減少污染，越來越為全世界所關(guān)注，也是未來車輛領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。但目前，新能源汽車?yán)m(xù)航里程數(shù)過短的現(xiàn)實(shí)社會問題仍嚴(yán)格約束著其蓬勃發(fā)展，而剎車能量回收視為緩解該現(xiàn)實(shí)社會問題的主要技術(shù)一方面，將更加有效提高新能源汽車對電能的利用，也因此得以更進(jìn)一步地有效提高續(xù)航里程數(shù)。因此我們將對新能源汽車制動能量回收工藝技術(shù)的管理戰(zhàn)略開展研究和模擬試驗(yàn)，具體工作內(nèi)容主要包括：闡述了永磁同步電機(jī)的工作機(jī)理和特性以及對于新能源汽車制動能量回收系統(tǒng)電源要求的相適應(yīng)，經(jīng)過對ECE法規(guī)曲線和最理想的汽車前后輪制動力分配曲線研究，并根據(jù)在保證車輛制動穩(wěn)定性下實(shí)現(xiàn)最高程度能源利用的原則，設(shè)計了本文的汽車前后輪制動力分配策略。選擇了具有雙向傳輸特點(diǎn)的DAB回路為本文能量回收線路，并利用建立蓄動力電池的雙RC等效電路模型，推出了本文制動能量回收管理系統(tǒng)的電池最高充滿流量數(shù)學(xué)方程。在Simulink環(huán)境下，進(jìn)行了基于SVPWM的PMSM控制建模、將DAB變換器系統(tǒng)模塊構(gòu)建，并且單獨(dú)完成模擬實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)建模的正確性。進(jìn)而，將DAB變換器管理系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)管理系統(tǒng)在激勵狀態(tài)下和動能收集狀態(tài)下完成了整個管理系統(tǒng)的整體，聯(lián)動模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了本文制動能收集的集成電路結(jié)構(gòu)有效性和可行性?；谝陨系难芯拷Y(jié)論，對制動能量回收系統(tǒng)的控制因子進(jìn)行了研究總結(jié)，并采取模糊控制方式，確定了制動能量回收系統(tǒng)的主要控制因子[20]。即基于動力電池SOC設(shè)計、設(shè)置的一個模糊傳感器，以動力電池SOC位置、速度、剎車間隙和剎車高度為輸入變量，以制動力分配關(guān)系為輸出變量，同時進(jìn)行調(diào)節(jié)電子和機(jī)械的制動力。提高能源利用效果。利用Carsim開發(fā)的精準(zhǔn)汽車動態(tài)模擬器，利用本文Matlab/Simulink所開發(fā)的制動能量回收控制器在滿足當(dāng)前實(shí)際路面狀態(tài)的WLTC、CLTC-P狀態(tài)下完成了模擬試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示，本文中使用的模糊控制器都具備了良好的電能收集作用，而加入制動時間間隔輸入控制功能的原四輸入模糊控制器，在電能收集作用上和原三輸入模糊控制器一樣優(yōu)秀的技術(shù)水平基礎(chǔ)上，它所要求的充電時間也更短、對電瓶產(chǎn)生了更良好的保護(hù)作用。展望本文中對新能源車輛制動能力回收技術(shù)與控制策略的研究雖獲得了初步結(jié)果，但作者鑒于本人能力及時間限制，對本課題研究仍有許多欠缺或仍須改進(jìn)之處，作者因此作出了以下幾點(diǎn)展望：因?yàn)闀r間和條件限制，本文對新能源汽車制動能源利用關(guān)鍵技術(shù)的研究僅處在模擬試驗(yàn)階段，而不能在現(xiàn)實(shí)汽車上展開深入研究，因而距離現(xiàn)實(shí)汽車的使用尚有一定工作量要進(jìn)行。為了簡化建模復(fù)雜度