混合动力汽车实验部分

1、专专 业：动力机械及工程业：动力机械及工程研究方向：动力机械控制与测试技术研究方向：动力机械控制与测试技术导导 师：张洪田师：张洪田 教授教授学学 号：号：B609030009B609030009姓姓 名：孙远涛名：孙远涛 一、选题的目的、依据和国内外研究进展一、选题的目的、依据和国内外研究进展 二、论文研究方案二、论文研究方案 三、所需的科研条件三、所需的科研条件 四、工作量和论文工作计划以及经费估算四、工作量和论文工作计划以及经费估算 五、主要参考文献五、主要参考文献 六、预期成果、现有成果及下一步打算六、预期成果、现有成果及下一步打算 七、实验台介绍七、实验台介绍1.1.选题的目的选题的

2、目的 混合动力汽车作为目前最具可行性、可操作性的节能环保型汽车,已经成为汽车行业研究的热点之一。混合动力汽车与传统内燃机汽车相比，其节油的主要原因在于：（1）可使用小型的发动机，使发动机的工作点处于高效率的最优工作区域内；（2）在汽车停车等候或低速滑行等工况下关闭内燃机；（3）在汽车滑行或紧急制动时，利用发电机回收部分制动能量。 再生制动是一种使用在电动汽车上特有的制动技术，在减速制动时，将驱动电动机运行在发电状态，依靠车轮的反向拖动产生电能和车轮制动力矩，从而在减缓车速的同时将部分动能转化为电能回馈给蓄电池以对其充电，实现了能量的回馈。 再生制动系统的研究是混合动力电动汽车开发过程中的重要环

3、节之一，而其性能则主要依赖于该系统的控制策略。制动能量回收控制策略需根据车辆的动力学结构设计，设计的目标是在保证汽车制动时方向稳定性和满足驾驶员制动要求的基础上最大程度地回收车辆的制动能量。 再生制动既能参与车辆的制动又能实现制动时能量的回收，回收的能量留作车辆驱动行驶用。这样可以延长车辆的行驶里程，提高整车的燃油经济性，改善整车的使用率。因此，再生制动是混合动力电动汽车一个极其重要的研究方向。2.2.选题的依据选题的依据 （1）国家政策导向 2012年6月28日，国务院印发了节能与新能源汽车产业发展规划(20122020年)。该规划确定了我国汽车工业的中长期发展战略目标。发展节能与新能源汽车

4、是降低汽车燃料消耗量，缓解燃油供求矛盾，减少尾气排放，改善大气环境，促进汽车产业技术进步和优化升级的重要举措。规划中对新能源汽车和节能汽车的定义如下： 新能源汽车新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车，规划中所指新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。 节能汽车节能汽车是指以内燃机为主要动力系统，综合工况燃料消耗量优于下一阶段目标值的汽车。 规划中明确了技术路线：以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平。

5、国际方面，美国和日本现阶段还是以发展混合动力车为主要取向。政府只是在政策方面给予零排放汽车更多的补贴而已。在去年1-7月美国所售出的188257辆新能源车中，电动车（含插电式）只占到7.7%。日本在同期所销售的414746辆新能源车中，电动车也只占2.38%，其余都是混合动力车。在欧洲的不完全统计中，电动车（含插电式）也仅占18.2%，而且在明年还有包括奔驰、宝马、法拉利和保时捷等许多高端品牌在内的混合动力汽车上市。（2）行业研究热点 混合动力汽车由于其良好的经济性能和低排放性已被人们接受，再生制动功能作为其提高燃油经济性能的一个重要因素现已成为一个研究热点。目前各大车企、高校都纷纷加大了此方

6、面的研究。（3）结合实验室研究条件的实际 a.结合实验室前期研究 再生制动系统研究的关键问题：整车能量的回收率、制动方向稳定性和驾驶员的制动感觉。其中的制动方向稳定性方面与实验室前期的研究项目（基于GPS的汽车稳定性控制系统研究）具有很大的相关度。 b.结合实验室现有实验条件 实验室目前拥有CRUISE整车性能仿真软件、dSPACE实时仿真系统、NI Compact RIO实时数据采集系统、底盘测功机测试系统（AVL CD48）、油耗仪（AVL PLU-408）、汽车排放分析系统（AVL AMA i60）、丰田普锐斯（第二代）混合动力车、丰田普锐斯（第二代）混合动力总成试验台架等一批软件仿真及

7、硬件实验仪器设备。以上实验条件为再生制动控制系统研究的开展提供了软、硬件条件。3.3.国内外研究进展国内外研究进展 再生制动技术真正在混合动力汽车上得到应用始于上世纪60年代，一直以来，由于混合动力汽车的电池技术没有得到突破，关于再生制动的发展也非常缓慢。上世纪80年代，随着能源短缺的呼声越来越强烈，混合动力汽车理所当然成为节能汽车新生代的领军角色，而再生制动这项技术作为混合动力汽车的一项关键技术随着人们的呼声也越来越受重视。 在产品方面，日本丰田公司开发了混合动力汽车Prius，相对于原先的混合动力汽车而言，其特色之处在于再生制动系统搭载电子伺服装置。制动能量的分配动态变化，实时根据车辆具体

8、情况控制，即通过电液比例控制调节液压制动力。这样，在保证制动安全稳定性的前提下，更能够有效实现再生制动与摩擦制动的综合控制。有数据显示，该款混合动力汽车在搭载丰田HTS-混合系统，引入新的再生制动系统及其控制策略之后，整车能量利用率提高达20%以上。本田汽车公司开发的INSIGHT混合动力汽车，其特色在于开发的一种双制动力分配系数控制再生制动系统。该系统在综合控制ISG电机、液压系统的同时结合发动机节气门开度控制，实现了混合动力汽车制动能量的高效回收。在INSIGHT混合动力汽车推出之后，本田公司于 1997年推出了电动车EV PLUS，因为引入能量回馈制动系统，UDDS工况下实验数据显示，能

9、量消耗降低26%左右。本田公司和福特公司推出的混合动力款的Escape应用了线传电液系列再生制动系统，极大地提高了制动能量回收效率。实验数据表明，这款福特Escase混合动力车与传统型福特Escape相比，城际公路综合燃料经济性提高约50%。 在研究方面，美国Texas A&M大学的Yimin Gao等提出了三种分配控制策略，针对每种制动力分配策略，在典型城市行驶循环工况下对中度混合动力汽车进行了仿真分析。此后，结合ABS系统又进一步提出了一种不同制动强度下的再生制动控制策略。该控制策略依赖电子制动系统，可以实现在不同制动强度下的制动能量的最大化回收。S.R. Cikanek和K.E.

10、 Bailey认为，电机制动力所占比例越大，越有利于提高整车的能量回收率。Yimin Gao, A. Saka和 Hoon Yeo分别发表了各自设计的制动能量回收系统以及相应的前后轮制动力分配模型。日本交通研究所的Ha-yashida等选取混合动力客车进行仿真分析和台架试验研究，这些混合动力客车的储能系统由蓄电池和超级电容组合而成。韩国Sungkyun Lkwan University的 Konghyeon Kim突破了轿车再生制动的研究，主要针对四轮驱动混合动力汽车进行仿真分析，制定了更适合越野车型即四轮驱动混合动力汽车的再生制动系统制动力分配控制策略，并在再生制动系统、四轮液压系统以及AB

11、S控制系统中引入模糊控制理论，最终实现了四轮驱动混合动力汽车再生制动的综合控制。 综上所述，国外各大汽车公司如通用、福特、丰田、本田等在混合动力汽车再生制动系统的研究上己经取得了很大的进展和突破。在目前量产的混合动力汽车上普遍搭载有再生制动系统，因此在一定程度上降低了整车燃油消耗、提高整车的能量利用效率、延长了续驶里程。 在我国，现阶段对混合动力再生制动的研究成果主要集中在再生制动能量管理和控制策略方面，提出了几种比较成熟的制动力分配策略，其中比较典型的有并行制动力分配控制策略、理想制动力分配控制策略和最大能量回收制动力控制策略等。目前，一汽集团，东风汽车集团，长安汽车集团等车企都相继推出了自

12、己的混合动力车型，对再生制动的研究也己经开展了10年多的时间，但其技术水平基本上还处于初级阶段，主要问题仍然集中在再生制动过程中能量回收率较低和制动性能较差等问题上。目前国内对混合动力汽车再生制动的研究状况和国外相比，在以下几方面仍然有待进一步深入： （1）再生制动能量管理和控制策略； （2）再生制动系统建模和车辆制动动力学建模； （3）基于整车综合制动动力学仿真的综合优化； （4）再生制动系统的实验模拟、匹配控制和综合评价。 因此，混合动力汽车再生制动的理论和实际应用研究还需要进一步深入，作为混合动力汽车的一项关键技术，再生制动技术的完善不但有着重要的理论意义，而且还具有较高的实用价值。 1

13、）再生制动能量回收最大化的问题； 2）再生制动与稳定性的兼容问题。 本项目选择丰田Prius作为混合动力汽车的参照结构型式，对再生制动限制因素，前、后轮制动力分配对制动稳定性的影响以及制动系统回收能量多少的影响因素进行理论分析的基础上，采用全局优化控制策略，利用模糊算法进行全局最优控制。 研究内容主要包括：制动力分配策略和制动能量回收策略设计及控制参数优化；利用丰田普锐斯（第二代）混合动力总成试验台架和NI Compact RIO实时数据采集系统或dSPACE搭建制动能量再生系统硬件在环仿真平台，进行硬件在环实时试验；进行实车试验。 a. 再生制动系统的结构原理图如图 1 所示。它主要由驱动轮

14、、主减速器、变速器、电机、AC/DC 转换器、控制器及能量管理系统组成。图 1 再生制动系统结构原理图 b. 再生制动控制策略 混合动力乘用车的制动控制策略是在保证制动安全性前提下解决制动力的分配问题，其控制策略直接影响整车能量的回收率、制动方向稳定性和驾驶员的制动感觉。 1）选择一种适合混合动力汽车再生制动的控制策略，在保证汽车安全性的前提下，实现制动力合理分配和制动能量回收最大化。 2）再生制动与汽车制动稳定性的兼容问题。 采用软件仿真及硬件在环仿真方法，对制动能量再生控制策略进行实时仿真。并采用实车验证的方法进行控制策略的验证。 首先建立制动器动态模型、电动机动态模型、车辆动力学模型及再

15、生制动系统的硬件在环仿真模型。采用全局优化控制策略，利用模糊算法进行全局最优控制。然后依托丰田普锐斯混合动力汽车的再生制动系统结构构建硬件在环仿真系统平台，进行硬件在环仿真。这为控制策略研究和控制器的开发提供了先进的技术手段和良好平台，最后进行实车测试。具体研究路线见图2。图图 2 研研究究技技术术路路线线图图 1）搭建电机能量回收试验台，研究电机的发电特性； 2）搭建混合动力汽车再生制动系统的硬件在环仿真平台，研究制动能量回收控制系统的控制策略特性； 3）实车测试，验证设计的制动能量回收控制策略。研究的重点：研究的重点：a. 制动能量再生控制策略； b. 再生制动与稳定性的兼容问题。研究的难

16、点：研究的难点：a. 再生制动系统硬件在环仿真的实现； b. 再生制动与稳定性的兼容； c. 再生制动控制系统在整车上的实现。 1）提出一种全新的再生制动控制策略，在保证安全性的前提下，最大回收制动能量并与汽车稳定性很好的兼容； 2）开发一种基于底盘测功机的混合动力汽车再生制动试验台，便于构建混合动力再生制动系统硬件在环仿真试验平台，加快控制策略开发效率，降低开发成本。所需科研条件如下：所需科研条件如下：1.软件条件（1）CRUISE整车性能仿真软件；（2）NI LabVIEW软件。2.硬件条件（1）dSPACE实时仿真系统；（2）丰田普锐斯（第二代）混合动力总成试验台架；（3）NI Comp

17、act RIO实时数据采集系统；（4）底盘测功机测试系统（AVL CD48）；（5）丰田普锐斯（第二代）混合动力汽车；（6）油耗仪（AVL PLU-408）；（7）排放分析系统（AVL AMA i60）。1.1.工作量工作量（1）再生制动系统相关模型的建立及仿真；（2）制动能量再生系统硬件在环仿真试验台的搭建；（3）整车试验。2.2.论文工作计划论文工作计划（1）2009.9-2010.12 阅读相关文献，撰写文献综述（2）2011.1-2012.8 再生制动系统相关模型的建立及仿真（3）2012.9-2013.8 制动能量再生系统硬件在环仿真试验台的搭建（4）2013.9-2013.12 结

18、合开发的再生制动试验台撰写发明专利（5）2014.1-2014.5 结合硬件在环仿真试验台进行制动能量回收的测试 （6）2014.6-2014.9 整车试验（7）2014.10-2014.12 撰写论文3.3.经费估算经费估算（1）搭建制动能量再生系统试验台：20万；（2）NI Compact RIO实时数据采集系统：11万；（3）购买实验设备附件及耗材：4万。1 杨亚娟,赵 韩，朱茂飞.电动汽车最大能量回收再生制动控制策略的研究J.汽车工程，2013，35（2）.2 刘红亮，董学平，张炳力.电动汽车再生制动控制策略的研究J.合肥工业大学学报（自然科学版），2012，35（11）.3 卢东斌，

19、欧阳明高，谷靖，李建秋.电动汽车永磁同步电机最优制动能量回馈控制J.中国电机工程学报，2013，33（3）.4 赵国柱.电动汽车再生制动若干关键问题研究D.南京：南京航空航天大学，2012.3.5 周加洋.混合动力电动汽车再生制动能量回收的研究D.武汉理工大学，2011.5.6 吴正乾.混合动力电动汽车再生制动系统仿真与只能控制策略研究D.湖南大学，2010.10.7 张昌利，张亚军，闫茂德，汪贵平.双能量源纯电动汽车再生制动模糊控制与仿真J.系统仿真学报.2011，23（2）.8 李玉芳，王龙.电动汽车坡道单轴制动稳定性与再生制动极限控制研究J.机械科学与技术，2013，32（2）.9 宋广

20、发.电动汽车电机驱动系统制动能量回收策略研究D.长安大学，2012.6.10 过学迅,张靖.混合动力电动汽车再生制动系统的建模与仿真J.武汉理工大学学报信息与管理工程版，2005，27（1）.1.1.预期成果预期成果（1）发表3篇以上学术论文，其中SCI检索1篇、EI检索1篇以上、CSCD源期刊1篇以上；（2）申请3项发明专利；（3）搭建制动能量再生系统硬件在环仿真试验台。2.2.现有成果现有成果a.a.论文论文（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