基于电机/电池高效工作的HEV再生制动系统仿真研究

摘要

再生制动(能量回馈制动)对混合动力汽车的燃油经济性、排放性和行驶安全性都有直接影响，是混合动力汽车的重要工作模式，它能在车辆减速或制动过程中，在保证车辆制动性能的条件下，将车辆动能或位能转化为电能储存在电池中，实现能量回收，同时产生车辆所需全部或部分制动力。既实现了车辆的减速和制动，又有效地降低了整车的燃油消耗和污染物排放。 对于混合动力汽车的镍氢电池来讲，常规的电池充电方法并不适应再生制动的特点。车辆的制动时间一般很短，在这段时间内如果采用常规充电方法充电，系统回收的能量十分有限，没有发挥镍氢电池快速充电的潜力。为进一步提高再生制动过程中能量回收率，有必要对镍氢电池充电过程可接受能力进行研究。 再生制动过程中制动能量回收率与电机和电池共同工作状态密切相关，确定再生制动控制策略时应保证电机和电池共同工作的效率为最高。因此研究再生制动过程中两者的联合工作效率特性，并实现两者高效控制，是提高制动能量回收率的重要方法。 本文以ISG型CVT混合动力长安羚羊轿车为研究对象，对混合动力汽车再生制动系统进行了理论分析与试验研究，取得了如下成果： 1．在对镍氢电池充电特性、快速充电方法和再生制动工作特点分析基础上，提出一种电池优化充电方法。利用该方法可获取制动(充电)时间内保证电池温升不超过规定值的最大充电电流并确定镍氢电池的可接收充电能力。基于该充电方法建立了电池充电控制策略，进行了电池快速充电的建模与仿真分析，仿真结果表明，采用该充电控制策略，能保证实现最大程度的制动能量回收和电池快速安全充电。 2．分析了无刷直流电机运行特性，根据混合动力汽车ISG永磁无刷电机性能试验数据，结合无刷直流电机工作原理，建立了无刷直流电机数学模型，进行了在输入特定目标转矩下电机实际转速转矩动态响应的仿真分析，仿真结果验证了电机数学模型的正确性。 3．根据镍氢电池快速充电特性和ISG电机高效发电特性，分析了电机发电效率与电池充电效率之间的变化规律，建立了电机/电池联合效率模型，并得到了在不同输入条件下电机/电池综合效率曲线图，最终确定了电机/电池联合高效工作优化工作线，为再生制动控制策略和系统性能优化奠定了基础。 4．在Matlab/Simulink环境下建立了再生制动系统各部件的仿真模型，在典型制动工况和城市驱动循环下，对电机/电池联合高效工作与电机单独高效工作两种情况进行再生制动仿真分析。结果表明，应用本文提出的充电策略和电机控制策略，制动距离和制动时间满足制动安全性的要求，与单独考虑电机高效发电相比，考虑电机/电池的综合效率优化能更进一步提高再生制动能量回收率。 5．根据ISG型CVT混合动力轿车的系统配置和参数，搭建了再生制动系统硬件在环仿真的软硬件试验平台，并对制动系统进行了控制参数的在线整定，进行了再生制动系统的制动性能实验，试验结果为混合动力再生制动系统的性能优化提供了依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1再生制动研究的背景和意义

1.1.1混合动力汽车再生制动研究现状

1.1.2混合动力汽车再生制动系统组成

1.2混合动力汽车再生制动系统电机/电池的研究现状

1.2.1镍氢电池快速充电的研究现状

1.2.2永磁无刷电机回馈制动的研究现状

1.3本课题的研究意义和主要内容

1.3.1本课题的来源和研究意义

1.3.2本课题研究的主要内容

2混合动力汽车镍氢电池充电特性和快速充电研究

2.1镍氢电池的充电特性

2.1.1充放电过程的化学反应

2.1.2镍氢电池的工作特性

2.1.3镍氢电池的充电特性

2.2蓄电池快速充电方法研究

2.2.1蓄电池充电方法

2.2.2蓄电池快速充电原理

2.2.3再生制动电池快速充电方法及策略

2.3镍氢电池快速充电模型的建立

2.3.1镍氢电池模块的建立

2.3.2快速充电方法结果对比

2.4本章小结

3无刷直流电机工作原理和电机/电池综合效率分析

3.1永磁无刷直流电机

3.1.1永磁无刷直流电机运行特性

3.1.2无刷直流电机运行换相逻辑

3.1.3电机PWM调制控制原理

3.1.4电机本体模型

3.2混合动力汽车再生制动过程中效率优化控制策略

3.2.1电机/电池联合工作效率的获取

3.2.3再生制动过程中综合发电效率优化工作线的确定

3.2.3再生制动过程电机/电池效率优化控制策略

3.3本章小结

4基于电机/电池高效发电的再生制动系统仿真与分析

4.1再生制动系统仿真模块的建立

4.1.1再生制动充电策略的实现

4.1.2电机/电池联合优化工作曲线的实现

4.1.3仿真参数设定

4.2再生制动系统典型制动工况仿真分析

4.2.1 60km/h初始制动车速下制动强度为0.1的仿真和分析

4.2.2 60km/h初始制动车速下制动强度为0.3的仿真和分析

4.2.3 60km/h初始制动车速下两种制动强度仿真结果对比分析

4.3再生制动系统城市循环工况仿真分析

4.4本章小结

5基于dSPACE的混合动力再生制动系统硬件在环仿真

5.1基于dSPACE的硬件在环仿真(HILS)

5.1.1 dSPACE概述

5.1.2 dSPACE系统的软硬件平台

5.2混合动力再生制动系统硬件在环仿真平台搭建

5.2.1混合动力实验台架搭建

5.2.2ISG电机控制模块的建立

5.2.3混合动力实验台架监控调试系统的搭建

5.3 CVT混合动力再生制动硬件系统在环仿真试验和分析

5.4再生制动系统硬件在环仿真结果评价

5.5本章小结

6结论

致 谢

参考文献

附录