周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计
第1章 绪论
1.1再生制动系统研究背景
自1886年发明汽车以来,汽车成为人们日常生活中的代步和运输工具,可以说汽车大大的缩短了人们之间的距离,改变了人们的生活方式,提高了人们的生活质量。内燃机汽车经过 120 年的发展和壮大,逐步实现了机电一体化和全面应用现代高科技,其性能已达到很高的程度了,在安全、环保、节能和廉价等方面取得了重大的进展。但是内燃机汽车的发展也正在面临严峻的挑战。首先，由于燃油汽车要消耗大量的石油资源,排放大量的废气,制造噪音,汽车也给世界带来了无法回避的负面影响，机动车辆运行对环境的影响主要是大气污染和噪声污染。其次，20世纪90年代以来,由于石油等能源的日渐紧缺,节能成为汽车工业的一个重要发展方向。而电动汽车在环保和节能方面表现出明显的优势,日益受到汽车工业界重视。近年来,各大公司在政府的支持下,也制定了发展电动汽车的长远规划,调动了社会上各种力量参与电动汽车的研制。 1.2再生制动研究现状
国外再生制动技术的研究比较深入。除了大量的理论研究成果，实车应用也比较成熟，丰田公司的Prius、Estima和本田公司的Insight轿车就是成功应用再生制动技术的典范。
丰田公司Prius的再生制动系统通过电液比例控制单元调节液压制动力，实现再生制动与摩擦制动的综合控制，在丰田HTS—II混合系统下，能提高整车能量利用率达20％以上，同时确保制动安全。丰田公司在混合动力汽车Estima中采用了电控柔性制动系统，并将再生制动纳入整车动力控制系统进行集中控制，通过CVT控制，提高了制动能量回收率。
基于ISG电机(Integrated Starter Generator集成启动电机)、液压系统并结合发动机节气门控制，本田公司提出了一种双制动力分配系数控制再生制动系统，在Insight车上实现了混合动力汽车制动能量的高效回收。在其EV PLUS纯电动汽车上，基于能量的最大化回收、驾驶员制动感觉以及能量的较大回收兼顾驾驶员制动感觉的三种再生制动目标，分别建立了再生制动系统制动力分配控制策略并进行了试验。
美国福特公司的Escape应用了线传电液系列再生制动系统(线传操控技术、电子系统和机械制动器)代替机械及液压制动系统，把来自驾驶者的命令转变为电信号，以驱动电机实现所需的操作，显著提高了制动能量回收效率、汽车制动方向稳定性和汽车舒适性。
1.3再生制动系统研究意义
汽车制动能量是一种亟待开发的能量，通过制动能量的回收与利用可大大提高汽车能源综合利用率，同时可降低汽车废气排放。随着混合动力汽车和电动汽车的发展，再生制动系统己成为这类汽车的一种常规配置，在普通的内燃机车上使用再生制动也越来越多。但是，再生制动能量回收与利用理论还很不完善，特别是在国内还处于起步阶段 通过模拟试验台对汽车再生制动理论进行验证与改进，可缩短系统开发研究的时间，降低开发成本。本次毕业设计为研究再生制动回收能量最大化和能量利用最优相关理论而
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安徽工程大学机电学院毕业设计
设计的模拟试验台。
作为和纯电动汽车共通的混合动力方式的特点之一，制动能量是能够在一定程度上进行回收的。有资料表明，在日本、美国和欧洲的任何市区行驶工况下以Prius为例来看，制动能量回馈对燃油经济性提高的贡献超过了20％，可以说，和没有制动能量回收的其他驱动系统车辆相比其优势是异常明显的。因此，为了提高燃油经济性，混合动力的再生制动系统是必要的条件之一。
再生制动系统在保证车辆制动效能的条件下，先将车辆制动或减速时的一部分机械能(动能)转换(或转移)为其他形式的能量(如旋转动能、液压能、化学能等)，并储存于储能器中，同时产生一定的负荷阻力使车辆减速制动，当车辆再次启动或加速时，又将储存在储能器中的能量转换为车辆行驶所需的动能(驱动力)，这样，既实现了车辆所需的减速和制动，又能够将能量回收再利用，提高燃油经济性和减少污染物排放。对于本文所研究的混合动力汽车，能量的回馈和储存是通过发电机和动力电池组来实现的。
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第2章 再生制动系统原理及分类
再生制动又称再生回馈制动,混合动力汽车制动时, 通过与驱动轮(轴)相连的能量转换装置把制动能量在储存到电池中，把汽车的一部分动能转化为其他形式的能量储存起来，在减速或制动的同时达到回收制动能量的目的。在制动过程中,汽车行驶的惯性能量也经由车轮及传动系统传递给电机,此时电机充当发电机,以发电形式工作,为动力电池充电,实现制动能量的回收。而电机在发电过程中产生的电机制动力矩又可以对驱动轮施加制动,产生制动力；然后在汽车起步或加速时义释放储存的能量(如图1所示)，以增加驱动轮(轴)上的驱动力或增加混合动力汽车及电动汽车的续驶里程。
再 动能 驱动轮（轴）
能量转换 生能量储能装置 图2-1 再生制动系统原理示意图
2.1再生制动的分类
车辆制动能量再生方法根据不同的储能机理可分为：飞轮储能式、液压储能式和电化学储能式。
2.1.1飞轮储能式制动能量再生系统
飞轮储能是机械储能的一种形式，在车辆制动或减速过程中，飞轮储能系统拖动飞轮加速，将车身的惯性动能转化为飞轮高速旋转的动能；当车辆启动或加速时，飞轮减速，释放本身旋转动能给车身，以增加车辆的行驶动能。
图2-2 飞轮储能系统
飞轮储能系统需要解决的问题：
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(1)飞轮储能系统不能长时间的储能,只能是在汽车运行时靠飞轮的转动暂时储存能量,在汽车停止以后,飞轮停止转动后就必须释放能量。于是汽车上应该再装有与之相配套的蓄电池,可以在汽车熄火是储存飞轮上剩余的能量，在电动汽车上,这个能量又可以支持汽车的正常运行。
(2)安全问题\飞轮要储存能量就要高速旋转,一旦应力超过材料的极限应力,飞轮破裂,后果不堪设想\于是要求,首先飞轮的质量尽可能轻,储存能量尽可能多,可承受的应力尽可能的大\最关键的是外面的壳体能承受飞轮在最高速旋转时破裂所带来的冲击\汽车应该有应急系统,在飞轮出现故障后,能按普通模式正常运行。
(3)能量损耗,采用磁悬浮轴承而减少飞轮摩擦而损耗的能量,但飞轮本身的设计和制造的不平衡,同样会消耗能量,以及空气阻力的影响到底有多大。
(4)飞轮的高速旋转不可避免的会产生热量,完全消除热量是不可能的,于是这个热量怎么回收利用,才能使得整个回收系统回收到更多的能量。 2.1.2液压储能
汽车起动或加速的过程就是液压系统将储存的液压能转换成机械能并释放给汽车,以增加汽车动能的过程\系统主要由发动机、液压泵/马达、液压蓄能器、变速箱、驱动桥、离合器和液压控制系统组成起动。加速或爬坡时,液控离合器接合,液压蓄能器与连动变速箱连接,液压蓄能器中的液压势能通过泵/马达转化为车辆动能,用来辅助发动机满足驱动汽车所要求的峰值功率.减速时,电控元件发出信号,使系统处于蓄能状态,将动能转换为压力能储存在液压蓄能器内,这时车辆行驶阻力增大,车速降低直至停车\在紧急制动或初始车速较高时,再生制动系统不工作,不影响原车制动系统发挥效能。
图2-3 液压式储能系统
2.1.3电化学储能
储能器可采用蓄电池或超级电容器,由发电机/电动机执行机械能一电能之间的转化系统还包括一个电子控制单元(ECU),用来控制蓄电池或超级电容器的充放电状态，并且保证蓄电池的剩余电量在规定的范围内。电储能形式的再生制动系统使用的蓄电池作
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为蓄能器,相对其他储能方式而言,具有储能时间长,一次储能量大,储能稳定性好,维护次数少,使用方便等优点\理论上讲,电化学储能方式再生制动方法适用于各种车辆\近年来正在开发和研制的电动汽车上普遍考虑采用这种方法实现再生制动,以节约能源,增加汽车连续行驶能力\制约这一方法应用的技术瓶颈仍是缺乏高性能!低成本的电化学储能器\当前作为电化学储能器主要是各种可充电电池和超级电容;超级电容的低比功率特性使之不可能单独用作电动汽车的能量源,但用它作为辅助能量源则具有显著的优点一充放电率高,与蓄电池相比可迅速高效地吸收和释放制动回收的能量。
所以,本次毕业设计采用蓄电池加超级电容的电化学储能形式。
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