電動汽車制動能量回收系統方案設計與控制研究含開題、CATIA三維及3張CAD圖
電動汽車制動能量回收系統方案設計與控制研究含開題、CATIA三維及3張CAD圖,電動汽車,制動,能量,回收,系統,方案設計,控制,研究,開題,CATIA,三維,CAD
XXXXX
XXXX
XX設計中期報告
學 生 姓 名：
學 號：
學 院：
專 業：
設計題目：
電動汽車制動能量回收系統方案
設計與控制研究
指 導 教 師:
20XX年 05 月 10 日
設 計（XX）中 期 報 告
姓名
班級
學號
設計（論文）題目：
電動汽車制動能量回收系統方案設計與控制研究
本人在該設計中具體
應完成的工作：
（1）解相關混合動力系統的工作原理；（2）傳動系統中主要部件的選型、設計或者控制系統的設計；（3）完成不少于5000漢字的外文文獻翻譯；（4）對本設計內容需要繪制2張以上工作圖，撰寫2萬字以上設計說明書。
簡述畢業設計（論文）開始以來所做的具體工作和取得的進展（要詳細內容）
1、 通過查閱相關文獻，首先系統的了解了電動汽車的驅動，制動原理。然后對國內外制動能量回收進行了系統的研究。在控制策略方面，目前主流的控制方案分兩大類：一個是并聯式控制，其特點是對前后輪摩擦制動力不加調節，制動電機在不超過驅動輪最大制動力的前提下輸出回饋制動力，其大小與目標制動力成一定比例；一個是串聯式控制，其特點是對前后輪摩擦制動力進行調節，使摩擦制動力和電機回饋制動力之和滿足目標制動力需求。
2、 通過畢業設計選題所提供的參考車輛參數，確定所涉及電動車的具體參數信息。包括驅動電機的功率、驅動電機的轉速、驅動電機的轉矩、驅動電機的電壓、蓄電池的類型、蓄電池的數量、傳動系統傳動比、傳動系統檔位數、傳動系統傳動比等。這些參數的作用是為之后的制動策略的制定提供穩定的汽車平臺，也方便后期仿真策略的可行性。
3、 制動過程的動力學分析階段。在制動策略提出之前，需要詳細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。分析的結當驅動電機單獨制動時，回收的能量與起止車速有關，當起止車速確定時，回收的能量與制動距離有關；當驅動制動與機械制動聯合制動時，驅動電機的制動力矩發揮到最大，此時能量回收與制動時間有關。
設 計（XX）中 期 報 告
2.目前存在的問題，下一步的主要研究任務，具體設想與安排（要詳細內容）
1、 在畢業設計，要開始制定詳細的制動策略，包括驅動電機制動力和摩擦制動力的分配，希望可以調試出最佳的分配系數，以達到最優的能量回收效果。
2、 在仿真階段，我希望能夠參照國內的路況來進行仿真測試。之后我會嘗試對ADVISOR中路況這方面的內容進行研究學習，盡最大努力使用我國自己的路況。
3、 為了提高驅動電機的工作效率與系統的傳動效率，需要設計簡易的變速箱。我在之前所確定是二擋變速箱。變速箱中的齒輪，軸等參數目前還沒進行計算校核。下來的時間會完成這部分內容，以便之后畫圖使用。
XX設 計（XX）中 期 報 告
3.指導教師對該學生前期研究工作的評價（是否同意繼續研究工作）
該學生選題目前的進度符合開題報告中的時間安排，切合專業方向與現實，與大學所學內容結合緊密。且該生相比較于前一段時間，對課題進行了較為詳盡的調研和更有深度的研究，參考了許多文獻和書籍，也時常與我進行討論交流。我認為以目前該同學的研究方法和研究進度，他能夠在預定時間內完成該課題的設計。
同意該同學繼續研究工作。
指導教師簽字：
年 月 日
備注：1、本表由學生填寫，指導教師親筆簽署意見。
2、以上各項句間距可以根據實際內容需要調整。
- 4 -
XX設計說明書
電動汽車制動能量回收系統方案
設計與控制研究
XX
XX
XX
學生姓名： 學號：
XX
學 院：
XX
專 業：
指導教師：
20XX年6月
設計說明書
電動汽車制動能量回收系統方案設計與控制研究
摘要
進入二十一世紀，隨著人們對環境、能源問題的關注，電動汽車開始迎來蓬勃發展的春天。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燃油汽車，仍有一些明顯短板：續駛里程短、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，節約能源，增加汽車續航。
本文主要研究電動汽車制動能量回收系統方案以及控制策略。具體工作包括以下幾個方面：第一，根據整車參數匹配動力系統，其中包括電機、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分析，選擇汽車最佳制動力分配參數；第三、對現有的制動控制策略進行分析比較，提出了串聯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，對該車進行了建模并在符合我國純電動汽車行駛工況的ECE循環工況下進行了仿真研究。
最后仿真結果顯示：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%，證明本設計具有可行性，可以有效地提高純電動汽車的續駛里程。
關鍵詞：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 國內外關于制動能量回收系統研究概況 2
1.2.1 國內研究現狀 2
1.2.2 國外研究現狀 2
1.3 本論文研究的主要內容 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 制動能量回收技術的基本原理 4
2.2 制動能量回收控制策略 4
2.1.1 并聯式控制策略 5
2.1.2 串聯式控制策略 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 8
3 電動汽車動力系統方案設計及參數設計 9
3.1 動力系統方案設計 9
3.2 整車參數及動力參數 9
3.3 驅動電機相關參數確定 10
3.3.1 驅動電機功率確定 10
3.3.2 驅動電機轉速確定 12
3.3.3 驅動電機轉矩確定 12
3.4 蓄電池相關參數確定 13
3.4.1 蓄電池類型的選擇 13
3.4.2 蓄電池數量計算 13
3.5 傳動系統相關參數確定 14
3.5.1 傳動系統傳動比范圍確定 14
3.5.2 傳動系統檔位數確定 15
3.5.3 傳動系統傳動比的確定 15
3.6 本章小結 16
4 電動汽車制動能量回收系統方案設計 17
4.1 制動能量回收過程中的動力學分析 17
4.1.1 電機制動與機械制動的關系 17
4.1.2 驅動電機單獨制動 18
4.1.3 電機制動與機械制動混合制動 20
4.2 最佳制動力分配控制策略 21
4.3 本章小結 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 仿真參數與環境 27
5.3.1 仿真參數 27
5.3.2 仿真路工況選擇 29
5.4 仿真結果與分析 30
5.4.1 動力性與續航能力 30
5.4.2 制動能量回收效率 31
5.5 本章小結 32
6 總結與展望 33
附 錄 34
1 變速器的設計與使用 34
1.1 中心距的選擇 34
1.2 變速箱的外形尺寸 34
1.3 齒輪參數的選擇 34
1.4 各檔齒輪齒數的分配及傳動比的計算 35
2 齒輪強度的校核 36
2.1 齒輪彎曲強度的校核 36
2.2 齒輪接觸應力校核 37
3 軸的設計計算和校核 38
3.1 初選軸的直徑 38
3.2 軸的剛度計算 38
3.3 軸的強度計算 39
參 考 文 獻 41
致 謝 43
III
1 緒論
1.1 研究的背景與意義
汽車誕生至今已經遍及人類社會的各個角落并成為我們重要的交通工具。全球汽車工業迅猛的發展不僅給人類社會帶來便利，同時也消耗了大量的能源，產生的污染物很大程度上影響了我們的生存環境。根據有關調查顯示，2010年全球汽車數量達到了為8.5億輛，消耗了當年全球石油產量的55％[1]，而且截止到2014年初，全球汽車數量已達到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普遍意識到節能減排是未來汽車技術發展的主要方向，新能源汽車由此應運而生，其中，純電動汽車這種零污染交通工具首當其沖成為發展重點。
純電動汽車可以說是一種全新的電氣設備，是汽車、電子、化學、新能源、新型材料等工程技術中最新成果的集成產物。另一方面，電動汽車又涉及車輛、控制理論、電力電子等眾多學科領域，它對能量源、能源管理、電機等行業，既是發展應用新技術的挑戰，也是合成新興支柱產業的重大機遇。因此，電動汽車的研究與開發具有巨大的現實意義[3]。
但是，目前限制純電動車輛發展的最大因素就是電池技術。電池的容量直接關系到純電動汽車的續航里程，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至今，相關電池技術已經有了不小的進展，但是電動汽車一次充滿電的續駛里程仍小于傳統的燃油汽車[4]。在此基礎上，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航能力。例如傳統的燃油汽車制動時，將汽車的動能通過摩擦制動裝置轉化為熱能，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，由于驅動電機的可逆性，即電動機可在特定條件下工作在發電運行狀態，因此可以把汽車制動時的部分制動能量轉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，增加續駛里程[5]。
第 3 頁 共 48 頁
設計說明書
1.2 國內外關于制動能量回收系統研究概況
1.2.1 國內研究現狀
我國是一個能源消耗大國，隨著汽車數量的增加，能源和環境污染問題也日益嚴重。所以開發純電動汽車對我國環境和能源現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計劃，重點開展關鍵技術方面的研究；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方面，重慶大學，西安交通大學，清華大學和北京理工大學等院校都有自己的研究成果，研究方向有變速器--電機再生控制策略、控制電池組充放電流和制動力分配比策略等[7]。實際應用方面，我國將會跳過傳統能源汽車ABS\EBD\ASR\ESP時代，直接研發ABS\EBD\ASR\ESP單元與制動能量回收單元、驅動單元一體化的新型制動系統[8]。
1.2.2 國外研究現狀
二十世紀七十年代的石油危機使大部分工業發達國家認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技術的研究上發力并取得了豐碩的成果。
其中日本一直走在電動汽車產業發展的前端，本田曾推出的一臺以鋰離子電池為能源的電動機，它可以使得“飛度”汽車續航里程7公里。 同時該車還配置了先進的CVT無級變速器制動使用能量回收系統，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九十年代研發電動汽車以來，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，以及合理分配機械制動和電機制動的比例關系，提高能量回收效率[9][10]。
美國純電動汽車的研究開發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與“線控技術”結合起來的汽車他起名為“自主魔力”，該車實現了制動能量的回收。A.M Walker和F.AWczalk研究了制動能量回收系統與ABS系統的兼容工作的思路，同時通過調節電機制動轉矩和制動器轉矩實現對制動能量回收和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電動汽車，他們將再生制動系統與汽車的ABS系統結合起來，通過驅動電機和制動器的協調作用，在確保ABS系統穩定工作的前提下，有效的回收制動能量。
瑞典沃爾沃公司于上世紀80年代首次進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量為300kg、平均轉速為1000r/min，可以無級變速的飛輪作為儲能裝置，當引擎功率為105kw時，其儲能高達230kwh，可以節約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，經過一段時間的統計，結果表明，這種公交車可以節省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容
本設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動電機的可逆性將動能轉化為電能，同時由電機提供制動力矩幫助汽車實現制動停車。擁有制動能量回收系統的電動汽車在制動過程中，動能的一部分經過傳動系統流向驅動電機，此時電機開始發電，將制動能量轉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駛里程[12]。本設計參考的主要車型為前驅型電動汽車，所以在前后輪制動力分配上，本設計還將根據所提出的的制動方案和驅動機、傳動系等的參數進行優化。同時，對于驅動電機再生制動和傳統的機械制動的比例分配，調用時機上，也需要利用Matlab軟件進行計算，選出最優解。
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，做為驅動裝置的驅動電機同時也具有發電功能。電動汽車在制動過程中，汽車的一部分動能通過車輪，傳動軸等傳向驅動電機，此時，驅動電機轉變為發電機，向蓄電池充電。同時，電機發電時產生的阻力作用于車輪，從而達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的發電能力而設計的再生制動系統。而電動機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中機械制動與電機制動應該同時存在。
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。第一是如何在電機制動和機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，從而以達到穩定可靠的制動效果。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）并聯式控制策略；2）串聯式控制策略。其中在串聯式控制策略下，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 并聯式控制策略
并聯式制動能量回收控制策略包括電機制動系統控制和機械摩擦制動系統控制。在制動力分配方面：并聯式的機械制動力和傳統汽車的機械制動力相同，是按照一定比例分配的。同時驅動輪上也有電機制動力存在，當制動踏板行程小于某一個設定值時，汽車的制動力全部都由電機制動提供，隨著踏板行程的增大，電機制動強度也逐步加大，當制動踏板行程大于到某個程度時，這時屬于緊急制動，電機制動逐漸減小為零，此時前后輪制動力分配按傳統I曲線線分配，以縮短制動距離，提高制動安全性。圖2.2為在并聯式控制下的電機制動力的變化，圖2.3為汽車制動系統總體制動力分配圖（以踏板行程為參考）
圖2.2并聯制動能量回收控制策略
圖2.3并聯式
2.1.2 串聯式控制策略
串聯式制動能量回收控制策略同樣也主要有兩個方面：電機制動與機械制動力的分配和前后輪制動的分配。在制動先后順序上，串聯式會優先使用電機制動， 而不是機械制動，這樣可以更加充分的利用電機制動，從而回收更多的能量。同時為了提高制動能量的回收率，可以盡量增大電機制動力占總制動力的比例，但對于前輪驅動的汽車來說，電機制動只在前輪上起作用，因此電機制動與摩擦制動之間的分配比例關系受前后輪制動力分配的限制。圖2.4為在串聯式控制策略下汽車制動系統總體制動力分配圖（以踏板行程為參考）
圖2.4串聯式
下面介紹一下串聯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制動踏板位置傳感器的數據，可以分析計算出汽車制動減速度，當制動減速度小于某一具體數值時，汽車所需制動力全部由電機提供，后輪無制動力。當制動減速度大于某一具體數值時，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) 當汽車的制動強度小于路面附著系數時，前后輪制動力可以在一定范圍變化。在這種情況下，應盡可能多的利用前輪制動力。
2）如果制動強度遠遠小于路面附著系數，整車制動僅由電機制動力提供。
3）當車輛制動強度大于某一數值時，前后輪制動力分配點落在I曲線上，當地面附著系數很大時，電機制動力無法滿足制動要求，剩余部分機械制動系統提供。當地面附著系數夠較小時，只用電機制動力制動。
2.1.3 幾種控制策略的對比與分析
并聯式控制策略優勢有：1、不需要控制機械制動力的大小，僅需要控制電機制動力大??；2、結構簡單可靠，制造成本低；3當電機制動失效時，機械制動仍可發揮作用，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。當電機回饋制動力變化時總制動力也發生變化，制動感覺不好。
串聯式控制策略優點有：1、制動能量回收效率高；2、制動感覺比較好，駕駛員有與傳統汽車相同的制動感覺；3、制動力分配精準，車輛制動穩定性更好。缺點：需要對原有制動系統改造，控制系統比較復雜，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院研發的小型混合動力電動汽車的制動能量回收性能，通過對數據的對比分析，他們發現并聯式的控制策略只能回收及其微小的一部分能量，對整車的續駛里程幾乎沒有什么實質性的提高。但是若想提高能量回收效率，則會犧牲駕駛舒適性。Michael Panagiote團隊的仿真研究發現，在不降低駕駛員行駛舒適性的前提下，串聯式控制策略的能量回收效率可以達到10%左右，遠遠的超過了并聯式的控制策略。因此，串聯式控制策略逐漸成為主流，國內外各大汽車公司在設計混合動力汽車的能量回收方案時，開始逐步向串聯式過渡。所以本文選擇串聯式控制策略進行研究[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，還要受到驅動電機的制動力。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制動力的比例分配有很大關系，而它們的比例分配關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）驅動電機。驅動電機的制動能力越強，電機制動比例相應越高，從而制動回收的能量越多。其次就是電機的發電能力直接影響制動能量回收的多少。因此，驅動電機的類型、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。蓄電池的工作狀態主要體現在SOC和最大充電功率兩個方面。 當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使用次數等都會對純電動汽車的使用性能產生影響，進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撌娇刂坪痛撌娇刂苾纱箢?。如何合理地分配電機制動力和機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。汽車的結構參數、驅動形式等都會對能量回收產生影響。
2.4 本章小結
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，同時從驅動電機、能量儲存裝置、控制策略、環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 電動汽車動力系統方案設計及參數設計
3.1 動力系統方案設計
電動汽車驅動系統包括機械傳動系統和電氣系統兩個部分。其中，機械傳動部分由電動汽車驅動系統布置的方式而決定。本文選用典型的純電動汽車動力系統。如圖3.1所示，機械傳動系統由驅動車輪、差速器、減速器、簡易變速器組成；電氣系統由驅動電機、電機控制器、蓄電池組成。電動汽車的其他系統基本與內燃機汽車形同。
圖3.1前輪驅動的電動汽車動力系統
3.2 整車參數及動力參數
某款純電動汽車的整車參數由表3.1所示
表格 3.1純電動汽車整車性能參數
參數
符號
數值
整車整備質量（kg）
—
1350
滿載質量（kg）
m
1650
空氣阻力系數
CD
0.3
迎風面積（m2）
A
1.9
滾動阻力系數
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由表3.2所示
表格 3.2純電動汽車動力性能參數
動力性能參數
符號
數值
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
汽車續駛里程（km）
S
≥200
3.3 驅動電機相關參數確定
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鍵過程。所以，純電動汽車對驅動電機的要求比較高。具體要求如下[17] ：
1、在低速或爬坡時，電機可以提供較高的的轉矩；
2、調速范圍盡量大，同時在整個調速范圍內要保持較高的運行效率；
3、電機應該重量輕，體積??；
4、電動機應該能夠在汽車減速時使用電機制動，將能量回收并儲存至蓄電池，；
5、成本不能過高，電機可靠性和環境適應性要優秀。
通過綜合考慮，考慮選用永磁同步電機為純電動汽車動力系統的驅動組件，永磁同步電機較強的轉矩負載承受能力，較寬的調速范圍，重量輕，體積小，結構簡單，運行可靠等特點對整車正常平穩地運行有重要的作用。
3.3.1 驅動電機功率確定
電動機的功率要依次滿足（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。下面根據表格3.1和3.2中數據依次進行計算，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中數據可得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中數據可得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。選擇大功率電機能夠提高電動汽車的加速性能。電動機的功率過小則會對電動汽車的加速、爬坡等性能造成影響。但是電機的功率過大會帶來能耗過大的問題，電動機的效率降低，甚至導致續駛里程的減少[18]。
根據經驗，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；
——旋轉質量換算系數，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
汽車驅動電機的峰值功率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，選用驅動電機的峰值功率為Pmax=82kw
驅動電機的額定功率可由下式計算得出：
P額=Pmaxλ （3.6）
式中，--電機過載系數（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 驅動電機轉速確定
電動機的轉速高低對電動機的整體有著很大的影響。當電動機功率相同時，轉速高的電動機尺寸、質量和成本相對較小，因此選擇高轉速電動機有優勢，然而由于生產制造等方面的原因，轉速高的電動機成本高，因此電機轉速的選擇也要綜合多方面因素[19]。電動機以 6000r/min 的轉速為界限劃分高低速電機，客車上通常使用的是低速電機而轎車上通常使用的是高速電機。本文選用的驅動電機的最高轉速為9000r/min，經過核算，電機的最高轉速可以滿足車輛動力性要求。
驅動電機最高轉速同額定轉速存在一個比值β ，電機轉矩與β呈正比關系[20]，β 取值一般在 2～4，本文取值 2。故電機的額定轉速范圍為4000r/min～4500r/min。
3.3.3 驅動電機轉矩確定
電機轉矩與功率存在關系，功率決定電機的轉矩，得出公式：
T額=9550P額n額 （3.7）
代入數據可以得到T額=88N?M。同時由經驗公式可以計算得到 T峰=190N?M
表3.3驅動電機的參數
參數
符號
數值
額定功率P額
kw
41
最大功率P峰
kw
82
最高轉速n峰
r/min
9000
額定轉速n額
r/min
4000~4500
最大轉矩Te
Nm
190
額定轉矩T額
Nm
88
3.4 蓄電池相關參數確定
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、技術參數等對純電動汽車的行駛性能、續駛里程有很大的影響。是純電動汽車最重要的一部分。當蓄電池的容量過小時，續駛里程短；當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，不僅要滿足續駛里程和動力性等要求，還要使其質量和體積達到最小。
當前，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、功率密度和循環壽命等電池性能都很不錯，可靠性也強，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 蓄電池數量計算
本文選擇的單個磷酸鐵鋰電池規格為3.2V/6Ah。根據設計要求，當純電動汽車以U1=40km/h的速度勻速行駛時，滿電的續駛里程不應少于200km。則單位時間所需要的功率為：
P1=U13600η1mgf+CDAU1221.15 （3.8）
代入表3.1中數據計算可得 P1=3.3kw
假設行駛過程中，汽車上其他用電設備全部用于工作狀態，則用電設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）
代入數據計算可得W=20kwh。
為了滿足能量的要求，需要多個電池串聯，即：
W=n×ηt×u×C/1000 （3.10）
式中，n——電池個數； 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；
經計算， n=115.74 取n=117個
故本設計的電池組為117只磷酸鐵鋰電池，單個規格為3.2V/14Ah。
本文采用的電池組合方式為三個一組并聯，之后39組串聯。
表3.4 蓄電池組參數
電池類型
磷酸鐵鋰電池
電池聯接形式
串聯
單組標稱電壓（V）
3.2
電池組數
39
單組標稱容量（Ah）
42
電池組總電壓（V）
372
3.5 傳動系統相關參數確定
目前，純電動汽車的主要駕駛路況在市區和城市近郊，最低穩定車速在3至6km/h，最高車速可達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雜，僅靠電動機的力矩變化是不可能滿足電動汽車行駛性能要求的。因此，在電動機和驅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常保持在高效率的工作范圍內，減輕電動機和蓄電池的負荷。
3.5.1 傳動系統傳動比范圍確定
純電動汽車傳動系統的傳動比設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為電機的最大轉速，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，Fumax為汽車行駛時最高車速的行駛阻力，Tumax為電動機最高轉速時的輸出扭矩，η1位為機械傳動效率。
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 傳動系統檔位數確定
純電動汽車行駛過程中，驅動電機的動力通過變速箱傳遞給驅動軸，由于驅動電機在轉速低的時候轉矩大、可以高效率工作的區域較寬等優點，有很好的驅動特性，因此，變速器的擋位不需要太多，暫時設定為兩個擋位。
3.5.3 傳動系統傳動比的確定
由于電動機的特性曲線要比發動機的特性曲線更加的理想，可以簡化傳動系統的結構，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，減輕電機負荷等，在對變速器的檔位進行選擇的時候，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到最高車速，當電動汽車以180km/h的最高車速行駛時，可以通過下式計算得到驅動電機的轉速為
n=Umaxigi00.377R （3.17）
代入數據計算的n=8709。此時電機的轉矩為：
T=Rη1igi0（mgf+CDAUmax221.15） （3.18）
代入相關數據可以得到T=65.9N?M。車輪上的驅動力為：
Ft=Tigi0η1R （3.19）
代入數據可以得到Ft=1106.03N。由水平方向上行駛的動力學方程可以得到：
∑F=Fi+Fw+Ff+Fj=mgf+CDAUmax221.15 （3.20）
代入數據可以得到∑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行爬坡，在爬坡的過程中電動汽車的后備功率達到最大，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的轉矩可以達到峰值轉矩[22]，由上面的計算得到電動機的峰值轉矩為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）
將數據代入公式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
參數
變速器
主減速器
檔位數
一檔
二擋
主減速比
傳動比
1.58
1.1
3.8
3.6 本章小結
本章設計了一套完整的電動汽車動力系統，之后參考2017款大眾捷達的部分整車參數，分別計算確定了驅動電機、蓄電池、傳動系統的相關參數。其中，涉及到的傳動系統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方案設計
4.1 制動能量回收過程中的動力學分析
4.1.1 電機制動與機械制動的關系
目前純電動汽車制動系統基本上都是采用機械制動與電機制動相結合的方式。傳動機械制動技術成熟可靠，能提供的制動力矩較大，但是能量浪費是其最大問題；電機制動由于電機性能、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系為：（1）當電動汽車制動強度低時，主要采用電機制動以回收更多能量。（2）當電動汽車制動強度較高時，此時采用摩擦制動和電機制動相結合，同時加大電機制動所占比例。（3）當汽車緊急制動或電機制動失效等情況發生時，盡量使用機械制動。
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，協調電機制動力與機械制動力的分配關系，最大限度實現能量回收。
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傳遞到電機，電機發電將電能存儲到蓄電池中。根據汽車動力學可知汽車行駛方程：
Ft=Ff+Fw+Fi+Fj （4.1）
式中，Ft為車輪驅動力；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，加速阻力變為車輛行駛的制動力Fb，則汽車的行駛方程變為：
Ft=Ff+Fb （4.3）
在電動汽車中，機械制動與電機制動同時存在。汽車總的制動力由機械制動系統的摩擦制動力F摩和電機制動力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摩?max ——摩擦制動器提供的最大制動力；
F電?max ——電機所提供的最大制動力；
α——機械摩擦制動力的分配系數0≤α≤1；
β——電機制動力的分配系數0≤β≤1。
通過制動踏板位移傳感器信號，調節制動力分配系數α和β的值。當所需要的制動力小于電機所能提供的最大制動矩時， α為0，制動力全部由電機制動提供，制動踏板通過調節分配系數β的值調節電機制動的大??；當所需要的制動力大于電機所能提供的制動力矩時，電機提供最大制動力，此時β為1，制動踏板通過調節分配系數α的值調節機械制動的大小。
4.1.2 驅動電機單獨制動
當車輛制動時所需要的制動力小于電機制動所能提供的最大制動力時，所需的制動力全部由電機產生。
在此狀況下，制動方程的推導如下：
純電動汽車的總負載功率為：
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——整車滿載質量；u1——車輛在制動初時刻t1的瞬時速度。
制動結束時刻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）
根據能量守恒定律可得：
?E=Pt?dt=ΣF?u?dt=Ff+Ffua?dt （4.11）
設：
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，輸入驅動電機的瞬時功率P2為：P2=η1?P1=Mω
式中，η1——傳動系統的效率；
M——驅動電機轉矩；
ω——驅動電機角速度。
制動過程中，輸入驅動電機的瞬時功率P3為：P3=η2?P2=η1?η2?P1
式中，η2——驅動電機工作在發電狀態下的效率。
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，當車輛所需的總制動力小于驅動電機可以提供的最大制動力時，制動力可以完全由驅動電機提供。由式4.13可知，當始末車速確定時，可回收的制動能量與制動距離有關。
4.1.3 電機制動與機械制動混合制動
當車輛制動時所需的總制動力大于驅動電機可以提供的最大制動力時，總制動力由驅動電機最大的制動力和機械制動力共同提供。在此狀況下，相關制動方程的推導如下所示：
驅動電機的制動力矩為：T1=T1max=CTΦImax （4.14）
式中，CT——轉矩常數；
Φ——通過驅動電機的磁通量；
Imax——驅動電機在當前功率下的最大制動電流。
驅動電機作用在驅動輪上的制動力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。
機械制動系統作用在車輪上的制動力F2=βF2max （4.16）
因此，系統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，當車輛在制動時所需的總制動力大于驅動電機能夠提供的最大制動力時，所產生的制動力由驅動電機的最大制動力和機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。
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，在滿足安全性和制動需求的前提下，電機提供的制動力理論上是越大越好。但是電機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法律法規的要求。
如圖4.2所示，本文設計了一種制動力分配策略，按照國家標準 《機動車運行安全技術條件》（GB7258-2012）要求，行車制動系統的踏板的自由行程應符合該車型的技術條件。本文設計的控制策略不會改變原制動系統的自由行程，能夠滿足法規的要求。
在該制動策略中，制動踏板開度越大，相應制動減速度越大，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，前輪僅施加電機制動力，前后輪無制動力；
（3） BC段，電機制動力達到最大值，前輪機械制動力逐漸增大，后輪正常施加機械制動力；
（4） CD段，車輛緊急制動情況下，機械制動完全代替常規制動。
圖4.2制動力分配示意圖
在此，當制動減速度小于0.2g時，制動力可以完全由電機制動提供，也就是圖中的B點處。當制動減速度大于0.2g而小于0.7g時，施加在前后輪的制動力依據制動力分配曲線進行分配，但此時前軸的總制動力是由電機制動和機械制動共同組成的。當制動減速度大于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械制動提供。
4.3 本章小結
本章對制動能量回收過程進行動力學分析，得出了在不同制動模式下，機械摩擦制動和再生制動的比例分配關系；最后確定了系統的控制策略。
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軟件環境下開發的高級車輛仿真軟件。該仿真軟件用基本物理學和標準的汽車部件為車輛建模，從而得到車輛的燃油經濟性、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果是經驗性的，與實際試驗結果會有出入，同時它也極大依賴于動力傳動組件的實驗測試數據[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，這樣極大方便了軟件的二次開發，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行分析和預測。
圖5.3 ADVISOR仿真流程圖
該軟件的仿真過程有兩步：
1）用標準的或者二次開發的部件以及車輛數據定義車輛。
2）規定車輛工作的路況，行駛坡度等條件。
然后讓車輛滿足道路循環以及動力性要求，并測出從一個部件到另一部件的轉矩、轉速、電壓和功率等參數。ADVISOR可得到：
1．估算汽車的燃油經濟性
2．分析混合動力汽車或電動汽車如何通過動力傳動系統利用或損耗能量
3．比較各種循環工況的排放情況
4．評估混合動力汽車的控制邏輯
5．優化傳動系統的傳動比使燃油消耗或電池電量消耗達到最小或性能最優
6．能量在傳統汽車、電動汽車、混合電動汽車中動力和傳動系統中的傳遞[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行仿真。整車以及各個部件的模型參數需要通過整車參數及技術要求確定，然后加入我的控制策略完成車輛模型參數的設計。整車模型結構示意圖如圖5.4所示。
圖5.4整車模型結構示意圖
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工況 、主減速器 、變速箱 、電機控制器 和能量存儲裝置等組成[25]。
此模型先進行后向仿真，信息依次向后一級傳遞，得到電機功率；然后進行前向仿真，根據相關汽車參數得到實際的車速。在給定的工況下，該模型會根據控制策略的不同，調整各部件的響應時間或狀態，從而最后得到該模型的油耗、電池使用狀態等信息。
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，本設計所提出的的制動策略規定，在制動減速度小于0.2g時，制動力全部電機產生；當制動減速度大于0.2g而小于0.7g時，施加在前后輪的制動力依據制動力分配曲線進行分配，但此時前軸的總制動力是由電機制動和機械制動共同組成的；當制動減速度大于0.7g時，此時制動力全部由機械制動提供。
圖5.6制動能量控制策略流程圖
在ADVISOR中，制動控制策
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