摘 要

据有关研究数据表明，在几种常见的城市循环工况中，大量的驱动能量被转化为制动能量而消耗掉，制动消耗的能量占整车有效驱动能量的。理论上看，电机发出的大部分能量都可以进行再回收利用。如果能够充分利用这部分能量，其对纯电动汽车经济性提升必然是有很大帮助的。通过再生制动利用发电机发电产生的制动能量，不仅可以提高能量利用效率，还可以分担一部分机械制动力，减少刹车片的磨损。可见，无论是从经济性还是安全性来看，对再生制动的研究都是十分有必要的。

本文分析了再生制动原理和汽车制动时的受力状况，介绍了三种比较典型的再生控制策略。根据这三种控制策略的优缺点及实施可行性进行分析，提出了改进后的再生制动控制策略。通过MATLAB/Simulink软件搭建了基于改进后的控制策略的整车及控制器仿真模型。运用该仿真模型，在NEDC和UDDS两种工况下分析、研究了该控制策略的有效性。

仿真结果表明：本文以汽车制动踏板开度、电池荷电状态以及电机发电能力的变化为参考变量设计的再生制动控制策略，能有效回收汽车制动过程中的部分能量，减少了整车耗电量，从而验证了该制动能量回收系统的有效性。

本文的特色在于：通过MATLAB/Simulink软件对纯电动汽车整车和再生制动控制策略进行建模，并在定量分析的基础之上，验证了该控制策略的有效性。

关键词：纯电动汽车；再生制动；控制策略

Abstract

According to relevant research data, in several common urban cycle conditions, a large amount of driving energy is converted into braking energy and consumed, and the energy consumed by braking accounts for 30% to 60% of the effective driving energy of the whole vehicle. In theory, most of the energy emitted by the motor can be recycled. If you can make full use of this part of the energy, it will be of great help to the economic improvement of pure electric vehicles. By using the braking energy generated by the generator by regenerative braking, not only the energy utilization efficiency can be improved, but also a part of the mechanical braking force can be shared, and the wear of the brake pad can be reduced. It can be seen that research on regenerative braking is very necessary in terms of economy and safety.

This paper analyzes the principle of regenerative braking and the stress state of the car during braking, and introduces three typical regeneration control strategies. According to the advantages and disadvantages of these three control strategies and the feasibility of implementation, an improved regenerative braking control strategy is proposed. The vehicle and controller simulation model based on the improved control strategy was built by MATLAB/Simulink software. Using the simulation model, the effectiveness of the control strategy is analyzed and studied under the conditions of NEDC and UDDS.

The simulation results show that the regenerative braking control strategy based on the change of vehicle brake pedal opening, battery state of charge and motor power generation capacity can effectively recover part of the energy in the vehicle braking process and reduce the vehicle. The power consumption is used to verify the effectiveness of the brake energy recovery system.

The characteristics of this paper are: MATLAB/Simulink software is used to model the pure electric vehicle vehicle and regenerative braking control strategy. Based on the quantitative analysis, the effectiveness of the control strategy is verified.

Key words: Electric vehicles; regenerative braking; control strategy

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2再生制动研究现状 2

1.2.1国外再生制动研究现状 2

1.2.2国内再生制动研究现状 2

1.3 本文研究的主要内容 3

第2章 纯电动汽车再生制动分析 4

2.1纯电动汽车再生制动原理 4

2.2再生制动方式 4

2.2.1并联混合制动系统 4

2.2.2串联混合制动系统 6

2.3再生制动的影响因素及部分参数选取 7

2.3.1储能装置对再生制动的影响 7

2.3.2电机参数对再生制动的影响 7

2.3.3车辆结构参数对再生制动的影响 8

2.3.4控制策略对再生制动的影响 8

2.4本章小结 8

第3章 再生制动控制策略研究 9

3.1汽车制动受到的行驶阻力 9

3.2前后轮制动力分配 10

3.3典型的再生制动分配策略 11

3.3.1理想制动力分配控制策略 11

3.3.2最佳制动能量回收控制策略 12

3.3.3并联再生制动控制策略 13

3.4优化后的再生制动控制策略 14

3.5本章小结 16

第4章 纯电动汽车再生制动系统的建模与仿真 17

4.1驾驶员模型 17

4.2控制器模型 18

4.3车辆动力学模型 19

4.3电机模型 20

4.4电池模型 20

4.5典型工况仿真及结果分析 21

4.5.1 NEDC工况下仿真结果分析 22

4.5.2 UDDS工况下仿真结果分析 23

4.6本章小结 24

第5章 总结 25

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

近些年，我国汽车市场发展迅速。据国家统计局统计，2018年全国拥有的民用车辆数量为23122万辆，比去年增长了^[1]。然而，在汽车快速发展的同时，其对自然环境，社会环境和人民健康也产生了很多不利的影响。由于在国内汽车市场上还是传统内燃机汽车占据绝大部分份额。内燃机的动力来源是通过燃烧燃料。虽然从总量来看我国能源资源很丰富，但是由于人口基数大，人均资源仍然是十分的稀缺。目前我国的石油供应在很大程度上还是依赖向别的国家进口。因此，国际油价的变化将会直接影响我国的能源安全。而且内燃机燃烧燃料的同时也会排出尾气。由此而带来的环境问题也日益凸显，雾霾、温室效应、光化学烟雾等恶劣环境问题也已经严重影响到人们的日常生活。可见无论是经济方面还是环境方面，对传统汽车进行改进都是十分必要的。

纯电动汽车使用电机驱动，在行驶的过程中就没有尾气排放。而且电机利用二次电力能源进行驱动，只要有了电能的供给，就有了动力源泉。电能的获取形式相对来说就很多样，例如核能发电、水力发电、风力发电和太阳能发电等。并不受天然石油资源的限制。同时，考虑到现在大多数车辆的运行工况都是在城市工况，城市工况中需要汽车不停的经历启动停车、低速行驶和等待等多种行驶工况。对于内燃机汽车要考虑发动机的正常运转温度、尾气排放以及发动机的空转损失等。相应的控制以及传动系统的设计也比较复杂，而且往往效率不高。而对于纯电动汽车，不需要复杂的传动机构，传动过程损失的能量少了，整体的效率就提高了。即使采用原油作为发电材料，算上实际发电能量转换效率、线路输送效率、电池充电及放电效率等。其最终能量转化效率仍然可以达到，高于内燃机汽车的^[2]。

虽然纯电动汽车的优点很明显，政府还出台了一系列的政策去鼓励大家购买纯电动汽车。但是大多数消费者在购车时还是比较喜欢内燃机汽车。这其中有一个很重要的原因就是纯电动汽车有一个很大的缺点，那就是当下电池储能技术的发展水平不高，直接导致的问题就是整车的续航里程不高。这让纯电动汽车陷入了一个很尴尬的境地，搭载较高技术水平的电池会导致纯电动汽车的成本提高，引起整车价格升高，很难与传统内燃机汽车竞争市场；但是电池技术水平不高，会影响整车的性能，很明显的一点就是续航里程，这一点降低了很多消费者对纯电动汽车的购买欲望。可是，如果我们换个角度思考：提高电池能量的利用效率，就可以在不改变电池容量的情况下，在一定程度上缓解这个尴尬的局面。据有关研究数据表明，在几种常见的城市循环工况中，的驱动能量被转化为制动能量而消耗掉。理论上看，电动机发出的能量大部分都可以进行再回收利用^[3]。因此，研发先进的纯电动汽车再生制动技术，尽可能多的把制动能量进行再回收利用，能够提高电池的能量利用效率，进而提高纯电动汽车的续航里程，从而间接促进纯电动汽车的发展。

对纯电动汽车搭载高水平的再生制动技术，不仅可以提高整体的能量利用效率，还可以用电机再生制动来分担一部分机械制动力，从而减少长期机械制动造成的刹车片的磨损。这样可以从另一方面提高制动时的可靠性，车辆的安全性也会更好。

1.2再生制动研究现状

1.2.1国外再生制动研究现状

国外一些机构对再生制动的研究开始的比较早。1999年，美国德克萨斯Aamp;M大学的Yimin Gao提出了三种经典的再生制动控制策略，并在典型工况下对其进行研究^[4]。2000年，美国Michahian大学的Panagiotidis和Ddagrammatikas建立了并联混合动力汽车再生制动系统模型，并根据仿真结果分析了影响再生制动能量回收的因素^[5]。2006年，韩国Sungkyunkwan大学的Yeo等学者提出了基于模糊控制算法的四轮驱动混合动力汽车再生制动控制策略，并据此建立了相应的整车仿真模型，仿真结果验证了该控制策略能够实现再生制动和液压制动的协调控制^[6]。

国外一些纯电动汽车或混合动力汽车也搭载了再生制动技术，其中比较有代表性的有丰田汽车公司的Prius、福特汽车公司的Escape和本田汽车公司的EV Plus等车型。丰田汽车公司的Prius采用基于高端电子液压系统EHB的制动能量回收系统，该系统通过控制制动管路的油压来控制机械制动力的大小，能够缩短整车的制动距离，提高整车制动能量回收效率。福特的Escape采用的是线传电液再生制动控制系统，该控制系统能够实现通过再生制动系统控制来回收一部分制动能量。美国环保局对该车的燃油经济行进行了测试，测试结果显示，在市内循环工况中，具备该再生制动控制系统的Escape可以比传统的Escape提高约的燃油经济性。在本田的EV Plus制动系统中，为制动助力器提供动力的是真空泵。制动ECU用来计算制动时的再生制动力矩大小^[7]。

1.2.2国内再生制动研究现状

国内的研究机构在再生制动这一领域的研究开展较晚，技术成果也较少。主要是针对再生制动原理以及再生制动控制策略的优化研究。

2006年，清华大学的罗禹贡等人依据最优理论做出设计，针对混合动力汽车的制动力分配策略被提出，建立了在中、低制动强度下的仿真模型，且对其进行分析。最后的试验表明：该策略能提高混合动力汽车的制动响应速度，还提高制动时约的能量回收率^[8]。

2014年，重庆大学的卢道兰提出可实现再生制动和制动时能进行压力协调控制的再生制动控制系统。对几种典型制动工况进行仿真试验，即恒制动强度、变制动强度和综合制动这类工况，最后试验表明电机可将汽车制动时的一部分制动能量回收^[9]。

2015年，吉林大学的宋世欣、王庆年等人研究了四轮轮毂电机驱动中的电液复合制动系统，结合几种典型再生制动策略，提出一种再生制动系统控制策略，可用于电动轮车。此外运用AMESim软件建立仿真模型，令电动轮车和普通电动车在NEDC工况下仿真运行，分析结果表明：该策略与电动轮车适配，且电动轮车的制动能量回收率要比普通电动汽车高^[10]。

在产品方面，中国第一汽集团、东风汽车集团、比亚迪汽车和奇瑞汽车也已经对再生制动技术进行了十多年的研究。但是由于存在制动过程中能量回收比较低和制动效能差等方面的问题，总体的技术水平并不高。需要企业与院校之间多加合作，互通技术与资源。

1.3 本文研究的主要内容

本文设计了纯电动汽车再生制动控制策略，基于MATLAB/Simulink软件对整车模型及控制策略模型进行搭建。文章主要内容如下：

（1）详述了设计的研究背景和意义，介绍了国内外研究机构在再生制动领域的研究情况。对纯电动汽车再生制动的实现原理、以及再生制动效率影响因素进行了分析，并根据这些设计出目标车辆的参数。

（2）分析了对制动时汽车的受力情况进行，并确定了制动力的分配原则，介绍了三种典型的再生制动控制策略。针对三种控制策略的适用条件以及实际操作的可行性，进行了优化并在此基础上提出了优化后的控制策略。

（3）利用MATLAB/Simulink软件对目标车辆进行整车建模，并建立控制策略模型，将工况数据导入模型，进行模拟仿真。最后根据仿真结果进行分析，验证该控制策略的有效性。

第2章 纯电动汽车再生制动分析

2.1纯电动汽车再生制动原理

再生制动是电动汽车特有的一个制动方式。其基本原理如图2.1所示，当汽车进行制动时，一部分机械能会经过再生制动能量转换系统转换为其他形式的能量，该部分能量会储存在储能器中。进行能量转化的同时会产生一定的阻力，利用产生的这部分阻力来分担部分机械制动力。当汽车需要驱动力时，这部分能量又能被重新的利用^[11]。

图2.1 能量再生系统原理简图

2.2再生制动方式

在实际操作中，只有驱动轴上的制动能量可以回收。而对于非驱动轴上的制动能量只能通过机械制动转化为热量浪费掉。进行制动能量回收时还要考虑很多因素的限制，就算是驱动轴上的制动能量有时也不能完全回收。所以再生制动力受到很多方面的限制，仅有再生制动力有时并不能达到车辆制动的稳定性要求。在再生制动的基础之上，还必须要辅以机械制动。两者组成混合制动系统，根据组合方式可以分为并联混合制动系统和串联混合制动系统两种。

2.2.1并联混合制动系统

对于并联式混合制动系统，施加的电机再生制动力与机械摩擦制动力的比值是固定的，并且同时参与制动工作^[12]。如图2.2所示。由于再生制动系统结构复杂，再生制动力矩的输出受多方面因素的限制，结果并不稳定。所以一般认为再生制动力的稳定性要低于机械制动力的稳定性。因此在车辆的制动强度相对较高时，为了使车辆保证制动时车辆的安全性，再生制动力的占比应该低一些。由于并联混合制动模式的再生制动力占比相对较高，因此采用该制动方式可以回收更多能量。但是又由于安全性的问题，为了保证车辆在制动时的稳定性，应在需要时适当减少再生制动系统的制动力，这种并联混合制动方式实际应用并不多。

图2.2 并联混合制动系统制动力分配图^[12]

并联混合制动系统的结构比较简单，如图2.3所示。就是在原始传统机械制动系统上进行一些微小变化，车辆动力系统将速度反馈给驾驶员。驾驶员根据当前车速和理想车速的差值进行判断。当驾驶员踩下加速踏板时，电动机控制器接受加速指令。电动机控制器输出力矩命令，然后电动机向车辆动力系统输出转矩以加速车辆。当驾驶员踩下制动踏板时，会有两部分制动命令发出作用。当其作用于车辆制动系统部件时，制动系统部件接受控制并输出机械制动力矩，机械制动力起作用使汽车减速。当其作用于电动机控制器部件时，制动命令被传递电动机，由电机输出再生制动力矩，将部分制动能量进行转化并存储在能量存储装置中。

图2.3 并联混合制动系统的结构

2.2.2串联混合制动系统

串联混合制动系统的工作模式随整车制动器制动力的大小变化而变化，始终坚持再生制动系统的优先级和最大参与原则。当制动力需求较小时，若只有再生制动力就可以满足整车需求的总制动，那便由电机再生制动力提供整车总制动力。当车辆对制动力的需求较大时，电机再生制动力仅提供固定的制动力，且不满足整个车辆的制动力的要求。必须通过机械制动系统进行干预，以提供足够的制动力^[13]。其制动力的分配关系如图2.4所示。

图2.4 串联混合制动系统制动力分配图^[13]

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