混合動力汽車實驗部分

1、專專 業(yè)：動力機械及工程業(yè)：動力機械及工程研究方向：動力機械控制與測試技術(shù)研究方向：動力機械控制與測試技術(shù)導(dǎo)導(dǎo) 師：張洪田師：張洪田 教授教授學(xué)學(xué) 號：號：B609030009B609030009姓姓 名：孫遠濤名：孫遠濤 一、選題的目的、依據(jù)和國內(nèi)外研究進展一、選題的目的、依據(jù)和國內(nèi)外研究進展 二、論文研究方案二、論文研究方案 三、所需的科研條件三、所需的科研條件 四、工作量和論文工作計劃以及經(jīng)費估算四、工作量和論文工作計劃以及經(jīng)費估算 五、主要參考文獻五、主要參考文獻 六、預(yù)期成果、現(xiàn)有成果及下一步打算六、預(yù)期成果、現(xiàn)有成果及下一步打算 七、實驗臺介紹七、實驗臺介紹1.1.選題的目的選題的

2、目的 混合動力汽車作為目前最具可行性、可操作性的節(jié)能環(huán)保型汽車,已經(jīng)成為汽車行業(yè)研究的熱點之一?；旌蟿恿ζ嚺c傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，其節(jié)油的主要原因在于：（1）可使用小型的發(fā)動機，使發(fā)動機的工作點處于高效率的最優(yōu)工作區(qū)域內(nèi)；（2）在汽車停車等候或低速滑行等工況下關(guān)閉內(nèi)燃機；（3）在汽車滑行或緊急制動時，利用發(fā)電機回收部分制動能量。 再生制動是一種使用在電動汽車上特有的制動技術(shù)，在減速制動時，將驅(qū)動電動機運行在發(fā)電狀態(tài)，依靠車輪的反向拖動產(chǎn)生電能和車輪制動力矩，從而在減緩車速的同時將部分動能轉(zhuǎn)化為電能回饋給蓄電池以對其充電，實現(xiàn)了能量的回饋。 再生制動系統(tǒng)的研究是混合動力電動汽車開發(fā)過程中的重要環(huán)

3、節(jié)之一，而其性能則主要依賴于該系統(tǒng)的控制策略。制動能量回收控制策略需根據(jù)車輛的動力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計的目標(biāo)是在保證汽車制動時方向穩(wěn)定性和滿足駕駛員制動要求的基礎(chǔ)上最大程度地回收車輛的制動能量。 再生制動既能參與車輛的制動又能實現(xiàn)制動時能量的回收，回收的能量留作車輛驅(qū)動行駛用。這樣可以延長車輛的行駛里程，提高整車的燃油經(jīng)濟性，改善整車的使用率。因此，再生制動是混合動力電動汽車一個極其重要的研究方向。2.2.選題的依據(jù)選題的依據(jù) （1）國家政策導(dǎo)向 2012年6月28日，國務(wù)院印發(fā)了節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(20122020年)。該規(guī)劃確定了我國汽車工業(yè)的中長期發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。發(fā)展節(jié)能與新能源汽車

4、是降低汽車燃料消耗量，緩解燃油供求矛盾，減少尾氣排放，改善大氣環(huán)境，促進汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步和優(yōu)化升級的重要舉措。規(guī)劃中對新能源汽車和節(jié)能汽車的定義如下： 新能源汽車新能源汽車是指采用新型動力系統(tǒng)，完全或主要依靠新型能源驅(qū)動的汽車，規(guī)劃中所指新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。 節(jié)能汽車節(jié)能汽車是指以內(nèi)燃機為主要動力系統(tǒng)，綜合工況燃料消耗量優(yōu)于下一階段目標(biāo)值的汽車。 規(guī)劃中明確了技術(shù)路線：以純電驅(qū)動為新能源汽車發(fā)展和汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向，當(dāng)前重點推進純電動汽車和插電式混合動力汽車產(chǎn)業(yè)化，推廣普及非插電式混合動力汽車、節(jié)能內(nèi)燃機汽車，提升我國汽車產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平。

5、國際方面，美國和日本現(xiàn)階段還是以發(fā)展混合動力車為主要取向。政府只是在政策方面給予零排放汽車更多的補貼而已。在去年1-7月美國所售出的188257輛新能源車中，電動車（含插電式）只占到7.7%。日本在同期所銷售的414746輛新能源車中，電動車也只占2.38%，其余都是混合動力車。在歐洲的不完全統(tǒng)計中，電動車（含插電式）也僅占18.2%，而且在明年還有包括奔馳、寶馬、法拉利和保時捷等許多高端品牌在內(nèi)的混合動力汽車上市。（2）行業(yè)研究熱點 混合動力汽車由于其良好的經(jīng)濟性能和低排放性已被人們接受，再生制動功能作為其提高燃油經(jīng)濟性能的一個重要因素現(xiàn)已成為一個研究熱點。目前各大車企、高校都紛紛加大了此方

6、面的研究。（3）結(jié)合實驗室研究條件的實際 a.結(jié)合實驗室前期研究 再生制動系統(tǒng)研究的關(guān)鍵問題：整車能量的回收率、制動方向穩(wěn)定性和駕駛員的制動感覺。其中的制動方向穩(wěn)定性方面與實驗室前期的研究項目（基于GPS的汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)研究）具有很大的相關(guān)度。 b.結(jié)合實驗室現(xiàn)有實驗條件 實驗室目前擁有CRUISE整車性能仿真軟件、dSPACE實時仿真系統(tǒng)、NI Compact RIO實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、底盤測功機測試系統(tǒng)（AVL CD48）、油耗儀（AVL PLU-408）、汽車排放分析系統(tǒng)（AVL AMA i60）、豐田普銳斯（第二代）混合動力車、豐田普銳斯（第二代）混合動力總成試驗臺架等一批軟件仿真及

7、硬件實驗儀器設(shè)備。以上實驗條件為再生制動控制系統(tǒng)研究的開展提供了軟、硬件條件。3.3.國內(nèi)外研究進展國內(nèi)外研究進展 再生制動技術(shù)真正在混合動力汽車上得到應(yīng)用始于上世紀(jì)60年代，一直以來，由于混合動力汽車的電池技術(shù)沒有得到突破，關(guān)于再生制動的發(fā)展也非常緩慢。上世紀(jì)80年代，隨著能源短缺的呼聲越來越強烈，混合動力汽車?yán)硭?dāng)然成為節(jié)能汽車新生代的領(lǐng)軍角色，而再生制動這項技術(shù)作為混合動力汽車的一項關(guān)鍵技術(shù)隨著人們的呼聲也越來越受重視。 在產(chǎn)品方面，日本豐田公司開發(fā)了混合動力汽車Prius，相對于原先的混合動力汽車而言，其特色之處在于再生制動系統(tǒng)搭載電子伺服裝置。制動能量的分配動態(tài)變化，實時根據(jù)車輛具體

8、情況控制，即通過電液比例控制調(diào)節(jié)液壓制動力。這樣，在保證制動安全穩(wěn)定性的前提下，更能夠有效實現(xiàn)再生制動與摩擦制動的綜合控制。有數(shù)據(jù)顯示，該款混合動力汽車在搭載豐田HTS-混合系統(tǒng)，引入新的再生制動系統(tǒng)及其控制策略之后，整車能量利用率提高達20%以上。本田汽車公司開發(fā)的INSIGHT混合動力汽車，其特色在于開發(fā)的一種雙制動力分配系數(shù)控制再生制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)在綜合控制ISG電機、液壓系統(tǒng)的同時結(jié)合發(fā)動機節(jié)氣門開度控制，實現(xiàn)了混合動力汽車制動能量的高效回收。在INSIGHT混合動力汽車推出之后，本田公司于 1997年推出了電動車EV PLUS，因為引入能量回饋制動系統(tǒng)，UDDS工況下實驗數(shù)據(jù)顯示，能

9、量消耗降低26%左右。本田公司和福特公司推出的混合動力款的Escape應(yīng)用了線傳電液系列再生制動系統(tǒng)，極大地提高了制動能量回收效率。實驗數(shù)據(jù)表明，這款福特Escase混合動力車與傳統(tǒng)型福特Escape相比，城際公路綜合燃料經(jīng)濟性提高約50%。 在研究方面，美國Texas A&M大學(xué)的Yimin Gao等提出了三種分配控制策略，針對每種制動力分配策略，在典型城市行駛循環(huán)工況下對中度混合動力汽車進行了仿真分析。此后，結(jié)合ABS系統(tǒng)又進一步提出了一種不同制動強度下的再生制動控制策略。該控制策略依賴電子制動系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在不同制動強度下的制動能量的最大化回收。S.R. Cikanek和K.E.

10、 Bailey認為，電機制動力所占比例越大，越有利于提高整車的能量回收率。Yimin Gao, A. Saka和 Hoon Yeo分別發(fā)表了各自設(shè)計的制動能量回收系統(tǒng)以及相應(yīng)的前后輪制動力分配模型。日本交通研究所的Ha-yashida等選取混合動力客車進行仿真分析和臺架試驗研究，這些混合動力客車的儲能系統(tǒng)由蓄電池和超級電容組合而成。韓國Sungkyun Lkwan University的 Konghyeon Kim突破了轎車再生制動的研究，主要針對四輪驅(qū)動混合動力汽車進行仿真分析，制定了更適合越野車型即四輪驅(qū)動混合動力汽車的再生制動系統(tǒng)制動力分配控制策略，并在再生制動系統(tǒng)、四輪液壓系統(tǒng)以及AB

11、S控制系統(tǒng)中引入模糊控制理論，最終實現(xiàn)了四輪驅(qū)動混合動力汽車再生制動的綜合控制。 綜上所述，國外各大汽車公司如通用、福特、豐田、本田等在混合動力汽車再生制動系統(tǒng)的研究上己經(jīng)取得了很大的進展和突破。在目前量產(chǎn)的混合動力汽車上普遍搭載有再生制動系統(tǒng)，因此在一定程度上降低了整車燃油消耗、提高整車的能量利用效率、延長了續(xù)駛里程。 在我國，現(xiàn)階段對混合動力再生制動的研究成果主要集中在再生制動能量管理和控制策略方面，提出了幾種比較成熟的制動力分配策略，其中比較典型的有并行制動力分配控制策略、理想制動力分配控制策略和最大能量回收制動力控制策略等。目前，一汽集團，東風(fēng)汽車集團，長安汽車集團等車企都相繼推出了自

12、己的混合動力車型，對再生制動的研究也己經(jīng)開展了10年多的時間，但其技術(shù)水平基本上還處于初級階段，主要問題仍然集中在再生制動過程中能量回收率較低和制動性能較差等問題上。目前國內(nèi)對混合動力汽車再生制動的研究狀況和國外相比，在以下幾方面仍然有待進一步深入： （1）再生制動能量管理和控制策略； （2）再生制動系統(tǒng)建模和車輛制動動力學(xué)建模； （3）基于整車綜合制動動力學(xué)仿真的綜合優(yōu)化； （4）再生制動系統(tǒng)的實驗?zāi)M、匹配控制和綜合評價。 因此，混合動力汽車再生制動的理論和實際應(yīng)用研究還需要進一步深入，作為混合動力汽車的一項關(guān)鍵技術(shù)，再生制動技術(shù)的完善不但有著重要的理論意義，而且還具有較高的實用價值。 1

13、）再生制動能量回收最大化的問題； 2）再生制動與穩(wěn)定性的兼容問題。 本項目選擇豐田Prius作為混合動力汽車的參照結(jié)構(gòu)型式，對再生制動限制因素，前、后輪制動力分配對制動穩(wěn)定性的影響以及制動系統(tǒng)回收能量多少的影響因素進行理論分析的基礎(chǔ)上，采用全局優(yōu)化控制策略，利用模糊算法進行全局最優(yōu)控制。 研究內(nèi)容主要包括：制動力分配策略和制動能量回收策略設(shè)計及控制參數(shù)優(yōu)化；利用豐田普銳斯（第二代）混合動力總成試驗臺架和NI Compact RIO實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或dSPACE搭建制動能量再生系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺，進行硬件在環(huán)實時試驗；進行實車試驗。 a. 再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1 所示。它主要由驅(qū)動輪

14、、主減速器、變速器、電機、AC/DC 轉(zhuǎn)換器、控制器及能量管理系統(tǒng)組成。圖 1 再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 b. 再生制動控制策略 混合動力乘用車的制動控制策略是在保證制動安全性前提下解決制動力的分配問題，其控制策略直接影響整車能量的回收率、制動方向穩(wěn)定性和駕駛員的制動感覺。 1）選擇一種適合混合動力汽車再生制動的控制策略，在保證汽車安全性的前提下，實現(xiàn)制動力合理分配和制動能量回收最大化。 2）再生制動與汽車制動穩(wěn)定性的兼容問題。 采用軟件仿真及硬件在環(huán)仿真方法，對制動能量再生控制策略進行實時仿真。并采用實車驗證的方法進行控制策略的驗證。 首先建立制動器動態(tài)模型、電動機動態(tài)模型、車輛動力學(xué)模型及再

15、生制動系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真模型。采用全局優(yōu)化控制策略，利用模糊算法進行全局最優(yōu)控制。然后依托豐田普銳斯混合動力汽車的再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)平臺，進行硬件在環(huán)仿真。這為控制策略研究和控制器的開發(fā)提供了先進的技術(shù)手段和良好平臺，最后進行實車測試。具體研究路線見圖2。圖圖 2 研研究究技技術(shù)術(shù)路路線線圖圖 1）搭建電機能量回收試驗臺，研究電機的發(fā)電特性； 2）搭建混合動力汽車再生制動系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真平臺，研究制動能量回收控制系統(tǒng)的控制策略特性； 3）實車測試，驗證設(shè)計的制動能量回收控制策略。研究的重點：研究的重點：a. 制動能量再生控制策略； b. 再生制動與穩(wěn)定性的兼容問題。研究的難

16、點：研究的難點：a. 再生制動系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真的實現(xiàn)； b. 再生制動與穩(wěn)定性的兼容； c. 再生制動控制系統(tǒng)在整車上的實現(xiàn)。 1）提出一種全新的再生制動控制策略，在保證安全性的前提下，最大回收制動能量并與汽車穩(wěn)定性很好的兼容； 2）開發(fā)一種基于底盤測功機的混合動力汽車再生制動試驗臺，便于構(gòu)建混合動力再生制動系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗平臺，加快控制策略開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。所需科研條件如下：所需科研條件如下：1.軟件條件（1）CRUISE整車性能仿真軟件；（2）NI LabVIEW軟件。2.硬件條件（1）dSPACE實時仿真系統(tǒng)；（2）豐田普銳斯（第二代）混合動力總成試驗臺架；（3）NI Comp

17、act RIO實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；（4）底盤測功機測試系統(tǒng)（AVL CD48）；（5）豐田普銳斯（第二代）混合動力汽車；（6）油耗儀（AVL PLU-408）；（7）排放分析系統(tǒng)（AVL AMA i60）。1.1.工作量工作量（1）再生制動系統(tǒng)相關(guān)模型的建立及仿真；（2）制動能量再生系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗臺的搭建；（3）整車試驗。2.2.論文工作計劃論文工作計劃（1）2009.9-2010.12 閱讀相關(guān)文獻，撰寫文獻綜述（2）2011.1-2012.8 再生制動系統(tǒng)相關(guān)模型的建立及仿真（3）2012.9-2013.8 制動能量再生系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗臺的搭建（4）2013.9-2013.12 結(jié)

18、合開發(fā)的再生制動試驗臺撰寫發(fā)明專利（5）2014.1-2014.5 結(jié)合硬件在環(huán)仿真試驗臺進行制動能量回收的測試 （6）2014.6-2014.9 整車試驗（7）2014.10-2014.12 撰寫論文3.3.經(jīng)費估算經(jīng)費估算（1）搭建制動能量再生系統(tǒng)試驗臺：20萬；（2）NI Compact RIO實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：11萬；（3）購買實驗設(shè)備附件及耗材：4萬。1 楊亞娟,趙 韓，朱茂飛.電動汽車最大能量回收再生制動控制策略的研究J.汽車工程，2013，35（2）.2 劉紅亮，董學(xué)平，張炳力.電動汽車再生制動控制策略的研究J.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，35（11）.3 盧東斌，

19、歐陽明高，谷靖，李建秋.電動汽車永磁同步電機最優(yōu)制動能量回饋控制J.中國電機工程學(xué)報，2013，33（3）.4 趙國柱.電動汽車再生制動若干關(guān)鍵問題研究D.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.3.5 周加洋.混合動力電動汽車再生制動能量回收的研究D.武漢理工大學(xué)，2011.5.6 吳正乾.混合動力電動汽車再生制動系統(tǒng)仿真與只能控制策略研究D.湖南大學(xué)，2010.10.7 張昌利，張亞軍，閆茂德，汪貴平.雙能量源純電動汽車再生制動模糊控制與仿真J.系統(tǒng)仿真學(xué)報.2011，23（2）.8 李玉芳，王龍.電動汽車坡道單軸制動穩(wěn)定性與再生制動極限控制研究J.機械科學(xué)與技術(shù)，2013，32（2）.9 宋廣

20、發(fā).電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)制動能量回收策略研究D.長安大學(xué)，2012.6.10 過學(xué)迅,張靖.混合動力電動汽車再生制動系統(tǒng)的建模與仿真J.武漢理工大學(xué)學(xué)報信息與管理工程版，2005，27（1）.1.1.預(yù)期成果預(yù)期成果（1）發(fā)表3篇以上學(xué)術(shù)論文，其中SCI檢索1篇、EI檢索1篇以上、CSCD源期刊1篇以上；（2）申請3項發(fā)明專利；（3）搭建制動能量再生系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗臺。2.2.現(xiàn)有成果現(xiàn)有成果a.a.論文論文（1）Toyota Prius Control Strategy Experiment Analysis. 2012 International Conference on Manufacturing Engineering and Automation(ICMEA2012). (EI:20125115820105)（2）Test and Analysis of Toyota Prius Operation Mode. 2012 The 3rd International Conference On Mechanic Autom