汽車制動能量回收系統(tǒng)的研究開題報告

1、山 東 科 技 大 學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告題 目 汽車制動能量回收系統(tǒng)的研究學 院 名 稱 專業(yè)班級 學生姓名 學 號 指 導 教 師 填表時間： 年 月 日（注意：填表時間要與大綱要求相一致，填3月24日）填表說明1.開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。2.此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期完成，經(jīng)指導教師簽署意見、相關系主任審查后生效。3.學生應按照學校統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式，用A4紙打印。4.參考文獻不少于8篇，其中應有適當?shù)耐馕馁Y料（一般不少于2篇）。5.開題報告作為畢業(yè)設計（論文）資料，與畢業(yè)設計（論文）一同存檔

2、。設計（論文）題目汽車制動能量回收系統(tǒng)的研究設計（論文）類型（劃“”）工程設計應用研究開發(fā)研究基礎研究其它一、 本課題的研究目的和意義隨著汽車擁有量的日益增多，汽車的節(jié)能和環(huán)保問題已受到國內(nèi)外汽車工程界的極大重視。為了保護環(huán)境及合理地利用資源，就必需降低汽車的廢氣排放和汽車的燃料消耗。為此，將汽車制動時損失的能量進行回收，并在汽車加速或上坡時再利用，即可縮短加速時間，減少起動時的排污問題，提高汽車的燃油經(jīng)濟性。在國際上，自80 年代以來，日本已開始對汽車節(jié)能及能量回收驅(qū)動技術進行研究，目前日本和德國處于世界領先水平。隨著該項技術的日益完善，汽車節(jié)能及能量回收技術將會得到普遍應用特別是對于使用工

3、況為在周期性短時內(nèi)需不斷加速和制動的車輛以及上下坡頻繁路況的車輛，如主要在城市市內(nèi)行駛以及在我國西部地區(qū)行駛各類車輛，其節(jié)能效果更是十分的明顯。在傳統(tǒng)汽車的制動系統(tǒng)中，主要依靠摩擦副的摩擦力來實現(xiàn)減速運動，從能量轉化的角度來看，即由動能轉化為摩擦件（制動盤、制動鼓等）的熱量并散發(fā)至空氣中。根據(jù)統(tǒng)計，摩擦制動消耗了發(fā)動機產(chǎn)生能量的30%。從傳統(tǒng)電力機車制動系統(tǒng)演變而來的動能回收系統(tǒng)原理非常簡單，即通過電動機反轉變?yōu)榘l(fā)電機實現(xiàn)了制動并產(chǎn)生了電能，并將產(chǎn)生的能量儲存在電池或者電容中。在所有應用動能回收系統(tǒng)的車輛中，這套系統(tǒng)只能起到輔助制動功能，因為其不能夠提供足夠的制動力。 在動能回收系統(tǒng)中，其控制

4、策略對于整套系統(tǒng)的效率及用戶體驗至關重要。因此動能回收控制器是整套系統(tǒng)的核心所在。在豐田的混合動力汽車、電動車、大眾的藍驅(qū)技術車輛，以及電動車等等新能源車輛中均裝備有動能回收系統(tǒng)。根據(jù)具體車輛性質(zhì)不同，動能回收系統(tǒng)的原理及效率也略有區(qū)別。為了不影響用戶使用體驗，豐田的混合動力汽車和電動車的動能回收系統(tǒng)設有不同的擋位，在低擋位時，這套系統(tǒng)僅在駕駛員踩下剎車時啟動；而在高檔位時，只要松開油門踏板，系統(tǒng)即發(fā)揮功能，并且提供了相當顯著的制動效果。 動能回收系統(tǒng)的控制器同ABS控制器類似，都是通過監(jiān)控輪間轉速差來進行工作，不同的是動能回收系統(tǒng)的控制器同時還要計算制動扭矩以及產(chǎn)生相應的電流，以確保產(chǎn)生的電

5、流不會超過電池（或者電容）的承受能力。與此同時，控制器最重要的是控制回收系統(tǒng)和傳統(tǒng)摩擦制動器之間的制動力分配，以避免發(fā)生事故。對于電動或者混合動力車輛來講，這套系統(tǒng)體積雖小，但是意義重大，它在一定程度上擴大了電池的容積，從而實現(xiàn)了更遠的續(xù)航里程以及更高的使用效率。國外對制動能量回收技術已經(jīng)進行了研究，根據(jù)目前現(xiàn)有的技術，制動系統(tǒng)主要有并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種制動結構；機電制動分配方式主要有固定比例式，最優(yōu)能量回饋控制方式和制動效率優(yōu)化控制策略。串聯(lián)式制動系統(tǒng)回收的制動能量效率要高于并聯(lián)式制動系統(tǒng)，固比例式是根據(jù)當前的車速和駕駛員意圖按照一定分配比例來控制制動力大小，但這種分配方式忽略了工況及路面狀況

6、的變化，制動效率優(yōu)化控制主要是從制動過程中優(yōu)化發(fā)電效率角度來對制動力進行分配，但較少考慮制動穩(wěn)定性及安全性；最優(yōu)回饋的能量控制方式與制動效率優(yōu)化，控制方式不同，是優(yōu)先考慮制動要求人制動安全，再按照事先制動能量回收最大化原則來分配機電制動力，但這種分配方式也存在缺陷，沒有綜合考慮車輛的制動效能，從而影響制動感覺及制動效果。二、本課題的主要研究內(nèi)容（提綱）考慮到制動能量回收對車輛的節(jié)能減排，續(xù)駛里程的重要性，針對目前電動汽車制動能量回收效率偏低的狀況，在閱讀了大量國內(nèi)外文獻資料的基礎上，以混合動力汽車為樣車，做了如下的分析與研究。 (1)混合動力汽車制動能量回收系統(tǒng)設計方案。歸納出電動汽車的幾種典

7、型制動模式及影響因素;提出了制動能量回收系統(tǒng)的設計方案;總結出制動能量回收系統(tǒng)設計的約束條件;分析出導致純電動汽車的制動能量回收系統(tǒng)效率偏低的原因;以混合動力汽車作為實驗的樣車，對其制動能量回收系統(tǒng)進行一定的改進，并對其中的主要結構和性能參數(shù)進行了設置;闡述改進后的制動能量回收系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)采用超級電容和蓄電池組成的復合電源模式，充分利用車輛已裝配的設備，盡量降低了開發(fā)成本。在確保純電動汽車制動穩(wěn)定性的前提下，盡量最多地回收和利用制動能量。 （2）關于超級電容存儲制動能量若干問題研究。為了使超級電容最大化回收系統(tǒng)的制動能量，研究了在電動汽車制動能量回饋下超級電容器的儲能特性，提出了一種

8、模擬制動能量回收的實驗方法。通過該實驗方法測量了不同的超級電容初始電壓下其回收的制動能量，獲得了超級電容初、末電壓之間的關系，進而得到超級電容初始電壓與其制動能量回收效率之間關系的模型，通過該理論模型獲得了系統(tǒng)達到最大效率點時所對應的初始電壓。并用MATLAB/Simulink驗證了該實驗方法的有效性，為超級電容最大化回收制動能量提供了參考依據(jù)。 (3)混合動力汽車制動能量回收系統(tǒng)仿真與建模。首先對純電動汽車進行動力學分析;明確了電動汽車制動能量回收與利用效率的計算方法;建立了整車再生制動模型、永磁同步電機模型，控制策略模型、功率變換器模型以及超級電容模型;運用Matlab/Simulink仿

9、真軟件對系統(tǒng)進行仿真分析，以驗證模型的正確性，改進設計方案的可行性。 (4)混合動力汽車制動能量回收系統(tǒng)實驗驗證。為進一步驗證改進后的制動能量回收系統(tǒng)有效性，得到其制動能量回收利用效率，搭建簡易的制動能量回收實驗臺，該實驗臺包含發(fā)電機及其驅(qū)動裝置、功率變換器、控制策略及其控制器、能量存儲裝置(車載埋電池及超級電容)。針對超級電容、埋電池及電動車進行一系列的模擬實驗;利用EXCEL軟件對實驗結果進行了分析計算，并與仿真結果進行分析和比較。三、文獻綜述（國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展）一、再生制動的研究現(xiàn)狀1.能量轉換裝置在電儲能再生制動中，能量轉換裝置的作用是進行制動和驅(qū)動轉矩的變換，把汽車慣性動能轉換

10、成為電能，是一個發(fā)電過程。為了實現(xiàn)制動能量的回收和釋放，都還需要有合適的傳動裝置，目前普遍采用集成電機形式，用一個電機和一個行星齒輪機構組合，電機既擔當發(fā)電機(再生制動電機)又擔當電動機(驅(qū)動電機)，并與兩個離合器聯(lián)用來滿足功能要求。用作汽車再生制動集成電機主要有直流電機、交流異步電機、無刷永磁電機和開關磁阻電機系統(tǒng)。直流電機在單極性斬波器的調(diào)速系統(tǒng)中，在斬波調(diào)壓時能量不能回饋，制動時能量回收效率低。雙極性斬波器能夠保持電流有一定的連續(xù)性，可以使電機在四象限中運行，在斬波調(diào)壓時能量能夠回收，回收效率較高，調(diào)速范圍也更大一些，最高轉速可達40006 000rmin，低速平穩(wěn)性好。但由于直流電機的

11、換向器需保養(yǎng)，又不適合高速運轉，除小型車外，目前一般己不采用。交流異步電機驅(qū)動時要采用寬調(diào)制型逆變器來構成變壓變頻(VVVF)的調(diào)速控制系統(tǒng)。這種調(diào)速系統(tǒng)最高轉速可以達到15000rmin，電機能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運行，制動時能量能夠回收，大大地擴大了交流電機的使用范圍但矢量控制的調(diào)速系統(tǒng)控制技術難度較大，控制元件較多，控制線路復雜，控制器的外形尺寸也較大。永磁無刷電機也是采用逆變器來控制調(diào)速，同時還要用轉子位置檢測器進行極性檢測，以及用電子開關換向，如果采用雙向?qū)ㄩ_關進行換向，可以提高永磁無刷電機的轉矩特性，還可以控制永磁無刷電機實現(xiàn)四象限運行。永磁無刷電機最高轉速可達到10000rmin，并且

12、體積小、質(zhì)量輕、控制性能很好。但是。永磁電機如果在大的過載電流下，可能導致永磁材料的導磁性能下降，嚴重時會產(chǎn)生退磁而使電機損壞，所以，必須嚴格控制過載電流。永磁無刷電機的控制元件較多，控制回路復雜。開關磁阻電機是一種新型電機。它的控制系統(tǒng)是由控制器、功率轉換器、位置檢測器和電流檢測器等部分電子元件組成。開關磁阻電機系統(tǒng)結構緊湊、牢同，適合于高速運行，并且驅(qū)動電路簡單、成本低、性能可靠，在寬廣的轉速范圍內(nèi)效率都比較高，而且可以方便地實現(xiàn)四象限控制，是汽車驅(qū)動及再生制動能量回收與利用集成電機的發(fā)展趨勢。2.能量存儲裝置電化學電池：電化學電池是汽車儲能的傳統(tǒng)選擇，主要包括鉛酸電池(Leadacid)

13、、鎳金屬電池(CdNi和MHNi)、鋰電池(Liion和Lipolymer)等。鉛酸電池可靠性高、原料易得、成本低、適用溫度和電流范圍大，一直在汽車儲能中使用最廣泛但鉛酸電池作為制動能量儲能系統(tǒng)，而存在的缺點主要是充電速度慢、循環(huán)使用壽命過低等。鎳金屬電池有CdNi和MHNi電池，但由于鎘對環(huán)境有污染，很多國家限制發(fā)展和使用CdNi電池。MHNi電池是一種綠色鎳金屬電池，具有很高的能量存儲能力；但它的單元電池額定電壓較低，僅為12 V左右(鉛酸電池2V)，這就導致構成相同額定電壓的鎳金屬電池單元數(shù)目比鉛酸電池要多23，增加了電池系統(tǒng)的復雜性，另外，鎳金屬電池還存在記憶效應和充電發(fā)熱等方面的問題

14、。鋰電池是上世紀末發(fā)展起來的高容量可充電電池，能夠比MHNi電池存儲更多的能量：比能量大，循環(huán)壽命長，自放電率小，無記憶效應和無環(huán)境污染，是當今各國能量存儲技術研究的熱點。超級電容：也稱雙層電容器，是最近幾年隨著新電極材料的出現(xiàn)而提出的能滿足汽車能量和功率實時變化要求的一種能量存儲裝置。超級電容容量是同等體積下的普通電容器容量的20006000倍，放電電流可達幾千安培，能量密度高于傳統(tǒng)電容器近百倍，瞬時放電功率比蓄電池高lO倍以上，充放電效率高，不需要維護和保養(yǎng)，壽命長達lO年以上，并且可以保護蓄電池，極有發(fā)展前途。飛輪電池：為一種以動能方式存儲能量的機械電池。近年來由于高強度碳素纖維和玻璃纖

15、維出現(xiàn)以及電磁懸浮、超導磁懸浮技術、真空技術的發(fā)展，使飛輪允許線速度可達5001000ms，單位質(zhì)量的動能儲量大大增加，機械摩擦與風力損耗又極大地降低，從而飛輪儲能技術已成為汽車儲能的研究熱點之一。復合儲能系統(tǒng)：由于單純一種儲能電池往往很難適應汽車儲能的要求，特別是對具有再生制動的汽車能量的充分回收與利用，要考慮到儲能系統(tǒng)的比能量、比功率、使用壽命、充電效率、成本等各方面的因素，這時可以采用復合儲能的方式，揚長補短，實現(xiàn)能量回收最大化，能量利用的最優(yōu)化。目前的復合儲能系統(tǒng)大多是采用超級電容與其他動力電池組合應用，國內(nèi)外許多研究機構都在對超級電容與其他電源共同工作進行研究。3.國外再生制動控制策

16、略的研究現(xiàn)狀國外再生制動技術的研究比較深入。除了大量的理論研究成果，實車應用也比較成熟，豐田公司的Prius、Estima和本田公司的Insight轎車就是成功應用再生制動技術的典范。豐田公司Prius的再生制動系統(tǒng)通過電液比例控制單元調(diào)節(jié)液壓制動力，實現(xiàn)再生制動與摩擦制動的綜合控制，在豐田HTSII混合系統(tǒng)下，能提高整車能量利用率達20以上，同時確保制動安全。豐田公司在混合動力汽車Estima中采用了電控柔性制動系統(tǒng)，并將再生制動納入整車動力控制系統(tǒng)進行集中控制，通過CVT控制，提高了制動能量回收率。基于ISG電機(Integrated Starter Generator集成啟動電機)、液壓

17、系統(tǒng)并結合發(fā)動機節(jié)氣門控制，本田公司提出了一種雙制動力分配系數(shù)控制再生制動系統(tǒng)，在Insight車上實現(xiàn)了混合動力汽車制動能量的高效回收。在其EV PLUS純電動汽車上，基于能量的最大化回收、駕駛員制動感覺以及能量的較大回收兼顧駕駛員制動感覺的三種再生制動目標，分別建立了再生制動系統(tǒng)制動力分配控制策略并進行了試驗。美國福特公司的Escape應用了線傳電液系列再生制動系統(tǒng)(線傳操控技術、電子系統(tǒng)和機械制動器)代替機械及液壓制動系統(tǒng)，把來自駕駛者的命令轉變?yōu)殡娦盘?，以?qū)動電機實現(xiàn)所需的操作，顯著提高了制動能量回收效率、汽車制動方向穩(wěn)定性和汽車舒適性。制動力分配是再生制動控制策略研究中的關鍵問題，其

18、設計目標是提高能量回收率和優(yōu)化駕駛員感覺。美國Texas A&M大學Yimin Gao等提出了評價再生制動能量回收效率的三種制動力分配控制策略。Hoon Yeo采用I曲線作為前、后輪制動力分配策略。Yimin Gao和Mehrdad Ehsani提出一種基于再生制動系統(tǒng)的純電動汽車和混合動力汽車ABS系統(tǒng)的控制策略，通過精確設計電機制動力門限值，制動能量回收系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)可兼容工作。表1就是這幾種制動力分配控制策略的性能比較。國外的研究所等機構也做了大量研究。美國Michahian大學的Panagiotidis等建立了并聯(lián)式混合動力汽車的再生制動模型，對再生制動的效果進行仿真計算和影響因素的

19、分析比較舊J。美國Union學院的Wicks等建立了城市客車在市區(qū)行駛循環(huán)工況下的數(shù)學模型，研究再生制動系統(tǒng)的節(jié)能效果。美國TexasA&M大學的Hongwei Gao等提出了混合動力汽車基于開關磁阻電機再生制動的神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，并在行駛循環(huán)工況下進行了能量回收效率的分析。美國福特研究所，日本交通研究所以及荷蘭大學等研究機構都進行了這方面的大量研究。4. 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)再生制動技術研究目前處于起步階段。各高校、汽車廠商、科研院所都在這一領域進行研究并取得了初步的結果，但是大部分研究都停留在理論分析和建模仿真階段，實車應用不多，表2是對國內(nèi)再生制動控制策略研究現(xiàn)狀的總結總之，控制策略通常有：

20、邏輯門限值控制、動態(tài)自適應控制、邏輯模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制四種形式。再生制動控制策略研究的目標是最大限度的提高能量回收率，一個有效的途徑即是合理的分配制動力。制動力分配主要方式有并行制動能量回收、理想制動力分配、最大制動能量回收三種。表2 國內(nèi)再生制動控制策略研究成果表研究單位研究者控制策略所得結果清華大學羅禹貢 李蓬等研究對象 混合動力汽車顯著提高汽車制動響應速度提高制動能量回收率10設計目標 駕駛員制動意圖能量回收率思想 基于最優(yōu)控制理論設計了制動力分配模型北京理工李玉芳林逸等分析對象 獨立式制動控制系統(tǒng)的制動力得到再生制動力和液壓制動力的分配與控制規(guī)律前提 滿足車輛制動性能保證車輛制動穩(wěn)

21、定性設計目標 最大限度地回收再生制動能量華南理工羅玉濤 吳浩硅等研究對象 給定的PWM調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的制動狀態(tài)安裝在EV60上實驗，可達10%能量回收思想 在能量回饋原理基礎上，設計混合勵磁無刷電動機在車輛制動時的能量反饋系統(tǒng)武漢理工過學訊 張靖等針對HEV上實現(xiàn)再生制動的必要性和可行性建立HEV7200的系統(tǒng)仿真模型得到一定的能量回收率思想應用線控再生制動策略具體工作并聯(lián)式制動能量回收的仿真研究重慶大學詹訊 秦大同等針對 輕度HEV在典型城市驅(qū)動循環(huán)工況下工作特點能滿足整車制動力分配的要求能量回收率達到125設計目標 制動安全性&高效制動能量回收思想 基于傳統(tǒng)汽車制動理論提出有效的分配策略北京

22、交大張欣 耿聰?shù)纫罁?jù) 城市公交車車速變化大 制動強度低 頻繁針對EQ611HEV仿真節(jié)能效果良好,可降低能耗10%20%思想 低制動強度時再生制動 高強度復合制動目標 保證了低強度時制動能量再生&制動效能 安全上海交大王保華 張建武等建立 并聯(lián)式混合動力汽車動力學模型純電機 制動效能高能量回收率29% 機電混合僅2%仿真 對純電動制動模式和機電模式下動力汽車能量進行再生制動仿真分析清華大學仇斌 陳全世等針對 影響汽車制動能量回收潛力的各種因素在長安街上,采用制動能量回收可增加續(xù)駛里程24.4%分析 在不同車速下最大制動功率的分布特征工作研究不同車速下最大制動功率的分布特征二、再生制動的關鍵技術

23、難題以及研究展望綜上所述，根據(jù)再生制動技術的現(xiàn)狀及其存在的問題，針對道路車輛提出以下兩點展望：(1)從生產(chǎn)和裝配的角度出發(fā)，要盡量使再生制動系統(tǒng)對車輛整個傳動系統(tǒng)影響最小，以達到安裝更方便、通用性更強、適用范圍更廣的目的。(2)從制動新技術的角度出發(fā)，考慮用電磁場原理革新再生制動技術。從能量轉換角度出發(fā)?？梢钥紤]將這部分制動動能轉化為易于再生的電磁能。從電機制動方式得到啟示，電磁場原理可應用于汽車制動，即：在制動過程中車輪作為電動機給電機反相電壓，使車輪產(chǎn)生一個與轉動方向相反的電磁力矩，從而達到減速停車的目的。這符合能量守恒原理，理論上是可行的。它不再借助摩擦制動，不需要摩擦制動器，卻能有效回

24、收利用制動能量，是再生制動研究和探索的新方向。三、 擬解決的關鍵問題分析了再生制動的能量轉換裝置、儲能裝置和控制策略，得出了再生制動系統(tǒng)要克服的三個關鍵問題：制動力難于準確控制、制動穩(wěn)定性差，能量回收有限。(1)如何精確控制問題制動過程本身就是一個短暫的過程，因此對它的控制顯得非常困難，特別是如何準確的、快速的控制以及控制的穩(wěn)定性，這都是急需解決的技術難題。(2)與汽車其他系統(tǒng)匹配協(xié)調(diào)的問題目前的汽車的電控單元越來越多，加入再生制動電控單元后，如何與其它單元更和諧的工作，特別是與ABS系統(tǒng)、傳統(tǒng)制動系統(tǒng)、汽車減振系統(tǒng)以及電機控制系統(tǒng)的匹配問題。(3)能量回收效率問題考慮采用何種能量轉換裝置能更

25、高效的回收制動能量是最引人關注的問題。還要兼顧能量存儲裝置，解決好高制動能量回收率下能量最優(yōu)儲存的問題。這兩者不能單獨解決，需要統(tǒng)籌兼顧。 （4）再生制動力和液壓制動力的分配和控制規(guī)律四、 研究思路和方法（1）總結出制動能量回收系統(tǒng)設計的約束條件，分析出導致混合動力汽車的制動能量回收系統(tǒng)效率偏低的原因，并對混合動力汽車主要結構和參數(shù)進行設置。（2）通過該實驗方法測量了不同的超級電容初始電壓下其回收的制動能量，獲得了超級電容初、末電壓之間的關系，進而得到超級電容初始電壓與其制動能量回收效率之間關系的模型，通過該理論模型獲得了系統(tǒng)達到最大效率點時所對應的初始電壓。并用MATLAB/Simulink

26、驗證了該實驗方法的有效性，為超級電容最大化回收制動能量提供了參考依據(jù)。（3）建立了整車再生制動模型、永磁同步電機模型，控制策略模型、功率變換器模型以及超級電容模型;運用Matlab/Simulink仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真分析，以驗證模型的正確性，改進設計方案的可行性。（4）針對超級電容、埋電池及電動車進行一系列的模擬實驗;利用EXCEL軟件對實驗結果進行了分析計算，并與仿真結果進行分析和比較。五、 本課題的進度安排3-5周 查找文獻資料6-7周 完成開題報告和外文翻譯8-13周 完成畢業(yè)設計14-15周 畢業(yè)答辯六、 參考文獻1.張曉麗工程機械液壓節(jié)能技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢期刊論文-中華民居 2012(19)2.劉愛云.袁建暢自卸汽車車廂舉傾機構液壓系統(tǒng)故障分析與維修期刊論文-價值工程 2011(5)3.任國軍.祝鳳金液壓混合動力車輛中蓄能器的參數(shù)設計研究期刊論文-液壓與氣動 2010(8)4.劉愛云.袁建暢自卸汽車車廂舉傾機構液壓系統(tǒng)故障分析與維