汽车制动能量回收系统开题报告.docx

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汽车制动能量回收系统开题报告

山东科技大学

本科毕业设计（论文）开题报告

题目

学

院

名

称

专

业

班

级

学

生

姓

名

学

号

指

导

教

师

填表时间:

填表说明

1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。

3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用A4纸打印。

4.参考文献不少于8篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。

5.开题报告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。

设计（论文）题目

汽车制动能量回收系统的研究

设计（论文）类型（划“/）

工程设计

应用研究

开发研究

基础研究

其它

一、本课题的研究目的和意义

随着汽车拥有量的日益增多，汽车的节能和环保问题已受到国内外汽车工程界的极大重视。

为了保护环境及合理地利用资源，就必需降低汽车的废气排放和汽车的燃料消耗。

为此，将汽车制动时损失的能量进行回收，并在汽车加速或上坡时再利用，即可缩短加速时间，减少起动时的排污问题，提高汽车的燃油经济性。

在国际上，自80年代以来，日本已开始对汽车节能及能量回收驱动技术进行研究，目前日本和德国处于世界领先水平。

随着该项技术的日益完善，汽车节能及能量回收技术将会得到普遍应用特别是对于使用工况为在周期性短时内需不断加速和制动的车辆以及上下坡频繁路况的车辆，如主要在城市市内行驶以及在我国西部地区行驶各类车辆，其节能效果更是十分的明显。

在传统汽车的制动系统中，主要依靠摩擦副的摩擦力来实现减速运动，从能量转化的角度来看，即由动能转化为摩擦件（制动盘、制动鼓等）的热量并散发至空气中。

根据统计，摩擦制动消耗了发动机产生能量的30%

从传统电力机车制动系统演变而来的动能回收系统原理非常简单，即通过电动机反转变为发电机实现了制动并产生了电能，并将产生的能量储存在电池或者电容中。

在所有应用动能回收系统的车辆中，这套系统只能起到辅助制动功能，因为其不能够提供足够的制动力。

在动能回收系统中，其控制策略对于整套系统的效率及用户体验至关重要。

因此动能回收控制器是整套系统的核心所在。

在丰田的混合动力汽车、电动车、大众的蓝驱技术车辆，以及电动车等等新能源车辆中均装备有动能回收系统。

根据具体车辆性质不同，动能回收系统的原理及效率也略有区别。

为了不影响用户使用体验，丰田的混合动力汽车和电动车的动能回收系统设有不同的挡位，在低挡位时，这套系统仅在驾驶员踩下刹车时启动；而在高档位时，只要松开油门踏板，系统即发挥功能，并且提供了相当显著的制动效果。

动能回收系统的控制器同ABS空制器类似，都是通过监控轮间转速差来进行工作,

不同的是动能回收系统的控制器同时还要计算制动扭矩以及产生相应的电流，以确保产生的电流不会超过电池（或者电容）的承受能力。

与此同时，控制器最重要的是控制回收系统和传统摩擦制动器之间的制动力分配，以避免发生事故。

对于电动或者混合动力车辆来讲，这套系统体积虽小，但是意义重大，它在一定程度上扩大了电池的容积，从而实现了更远的续航里程以及更高的使用效率国外对制动能量回收技术已经进行了研究，根据目前现有的技术，制动系统主要有并联式和串联式两种制动结构；机电制动分配方式主要有固定比例式，最优能量回馈控制方式和制动效率优化控制策略。

串联式制动系统回收的制动能量效率要高于并联式制动系统，固比例式是根据当前的车速和驾驶员意图按照一定分配比例来控制制动力大小，但这种分配方式忽略了工况及路面状况的变化，制动效率优化控制主要是从制动过程中优化发电效率角度来对制动力进行分配，但较少考虑制动稳定性及安全性；最优回馈的能量控制方式与制动效率优化，控制方式不同，是优先考虑制动要求人制动安全，再按照事先制动能量回收最大化原则来分配机电制动力，但这种分配方式也存在缺陷，没有综合考虑车辆的制动效能，从而影响制动感觉及制动效果。

二、本课题的主要研究内容（提纲）

考虑到制动能量回收对车辆的节能减排，续驶里程的重要性，针对目前电动汽车制动能量回收效率偏低的状况，在阅读了大量国内外文献资料的基础上，以混合动力汽车为样车，做了如下的分析与研究。

（1）混合动力汽车制动能量回收系统设计方案。

归纳出电动汽车的几种典型制动模式及影响因素；提出了制动能量回收系统的设计方案；总结出制动能量回收系统设计的约束条件；分析出导致纯电动汽车的制动能量回收系统效率偏低的原因；以

混合动力汽车作为实验的样车，对其制动能量回收系统进行一定的改进，并对其中的主要结构和性能参数进行了设置；阐述改进后的制动能量回收系统的工作原理。

该系统采用超级电容和蓄电池组成的复合电源模式，充分利用车辆已装配的设备，尽量降低了开发成本。

在确保纯电动汽车制动稳定性的前提下，尽量最多地回收和利用制动能量。

（2）关于超级电容存储制动能量若干问题研究。

为了使超级电容最大化回收

系统的制动能量，研究了在电动汽车制动能量回馈下超级电容器的储能特性，提出了一种模拟制动能量回收的实验方法。

通过该实验方法测量了不同的超级电容初始电压下其回收的制动能量，获得了超级电容初、末电压之间的关系，进而得到超级电容初始电压与其制动能量回收效率之间关系的模型，通过该理论模型获得了系统达到最大效率点时所对应的初始电压。

并用MATLAB/Simulink验证了该

实验方法的有效性，为超级电容最大化回收制动能量提供了参考依据。

（3）混合动力汽车制动能量回收系统仿真与建模。

首先对纯电动汽车进行动力学分析；明确了电动汽车制动能量回收与利用效率的计算方法；建立了整车再生制动模型、永磁同步电机模型，控制策略模型、功率变换器模型以及超级电容模

型;运用Matlab/Simulink仿真软件对系统进行仿真分析，以验证模型的正确性，改进设计方案的可行性。

（4）混合动力汽车制动能量回收系统实验验证。

为进一步验证改进后的制动能量回收系统有效性，得到其制动能量回收利用效率，搭建简易的制动能量回收实验台，该实验台包含发电机及其驱动装置、功率变换器、控制策略及其控制器、能量存储装置（车载埋电池及超级电容）。

针对超级电容、埋电池及电动车进行一系列的模拟实验；利用EXCELS件对实验结果进行了分析计算，并与仿真结果进行分析和比较。

三、文献综述（国内外研究情况及其发展）

一、再生制动的研究现状

1.能量转换装置

在电储能再生制动中，能量转换装置的作用是进行制动和驱动转矩的变换，把汽车惯性动能转换成为电能，是一个发电过程。

为了实现制动能量的回收和释放，都还需要有合适的传动装置，目前普遍采用集成电机形式，用一个电机和一个行星齿轮机构组合，电机既担当发电机（再生制动电机）又担当电动机（驱动电机），并与两个离合器联用来满足功能要求。

用作汽车再生制动集成电机主要有直流电机、交流异步电机、无刷永磁电机和开关磁阻电机系统。

直流电机在单极性斩波器的调速系统中，在斩波调压时能量不能回馈，制动时能量回收效率低。

双极性斩波器能够保持电流有一定的连续性，可以使电机在四象限中运行，在斩波调压时能量能够回收，回收效率较高，调速范围也更大一些，最高转速可达4000—6000r/min，低速平稳性好。

但由于直流电机的换向器需保养，又不适合高速运转，除小型车外，目前一般己不采用。

交流异步电机驱动时要采用宽调制型逆变器来构成变压变频（VVVF）的调速控

制系统。

这种调速系统最高转速可以达到15000r/min,电机能够实现四象限运行，制动时能量能够回收，大大地扩大了交流电机的使用范围但矢量控制的调速系统控制技术难度较大，控制元件较多，控制线路复杂，控制器的外形尺寸也较大。

永磁无刷电机也是采用逆变器来控制调速，同时还要用转子位置检测器进行极性检测，以及用电子开关换向，如果采用双向导通开关进行换向，可以提高永磁无刷电机的转矩特性，还可以控制永磁无刷电机实现四象限运行。

永磁无刷电机最高转速可达到10000r/min,并且体积小、质量轻、控制性能很好。

但是。

永磁电机如果在大的过载电流下，可能导致永磁材料的导磁性能下降，严重时会产生退磁而使电机损坏，所以，必须严格控制过载电流。

永磁无刷电机的控制元件较多，控制回路复杂。

开关磁阻电机是一种新型电机。

它的控制系统是由控制器、功率转换器、位

置检测器和电流检测器等部分电子元件组成。

开关磁阻电机系统结构紧凑、牢同,

适合于高速运行，并且驱动电路简单、成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制，是汽车驱动及再生制动能量回

收与利用集成电机的发展趋势。

2.能量存储装置

电化学电池：

电化学电池是汽车储能的传统选择，主要包括铅酸电池（Lead

—acid）、镍金属电池（Cd—Ni和MH—Ni）、锂电池（Li—ion和Li—polymer）等。

铅酸电池可靠性高、原料易得、成本低、适用温度和电流范围大，一直在汽车储能中使用最广泛但铅酸电池作为制动能量储能系统，而存在的缺点主要是充电速度慢、循环使用寿命过低等。

镍金属电池有Cc—Ni和MH—Ni电池，但由于镉对环境有污染，很多国家限制发展和使用Cc—Ni电池。

MH—Ni电池是一种绿色镍金属电池,具有很高的能量存储能力；但它的单元电池额定电压较低，仅为1.2V左右（铅酸电池2V），这就导致构成相同额定电压的镍金属电池单元数目比铅酸电池要多2/3，增加了电池系统的复杂性，另外，镍金属电池还存在记忆效应和充电发热等方面的问题。

锂电池是上世纪末发展起来的高容量可充电电池，能够比MH—Ni电池存储更多的能量：

比能量大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和无环境污染，是当今各国能量存储技术研究的热点。

超级电容：

也称双层电容器，是最近几年随着新电极材料的出现而提出的能满足汽车能量和功率实时变化要求的一种能量存储装置。

超级电容容量是同等体积下的普通电容器容量的2000—6000咅，放电电流可达几千安培，能量密度高于传统电容器近百倍，瞬时放电功率比蓄电池高10倍以上，充放电效率高，不需要维护和保养，寿命长达10年以上，并且可以保护蓄电池，极有发展前途。

飞轮电池：

为一种以动能方式存储能量的机械电池。

近年来由于高强度碳素纤维和玻璃纤维出现以及电磁悬浮、超导磁悬浮技术、真空技术的发展，使飞轮允许线速度可达500〜1000m/S，单位质量的动能储量大大增加，机械摩擦与风力损耗又极大地降低，从而飞轮储能技术已成为汽车储能的研究热点之一。

复合储能系统：

由于单纯一种储能电池往往很难适应汽车储能的要求，特别是对具有再生制动的汽车能量的充分回收与利用，要考虑到储能系统的比能量、比功率、使用寿命、充电效率、成本等各方面的因素，这时可以采用复合储能的方式，扬长补短，实现能量回收最大化，能量利用的最优化。

目前的复合储能系统大多是采用超级电容与其他动力电池组合应用，国内外许多研究机构都在对超级电容与其他电源共同工作进行研究。

3.国外再生制动控制策略的研究现状

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（IntegratedStarterGenerator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EVPLUS屯电动汽

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。

制动力分配是再生制动控制策略研究中的关键问题，其设计目标是提高能量回收

率和优化驾驶员感觉。

美国TexasA&M大学YiminGao等提出了评价再生制动能量回收效率的三种制动力分配控制策略。

HoonYeo采用I曲线作为前、后轮制动

力分配策略。

YiminGao和MehrdadEhsani提出一种基于再生制动系统的纯电动汽车和混合动力汽车ABS系统的控制策略，通过精确设计电机制动力门限值，制动能量回收系统与ABS系统可兼容工作。

表1就是这几种制动力分配控制策略的性能比较。

国外的研究所等机构也做了大量研究。

美国Michahian大学的

Panagiotidis等建立了并联式混合动力汽车的再生制动模型，对再生制动的效果进行仿真计算和影响因素的分析比较旧J。

美国Union学院的Wicks等建立了城

市客车在市区行驶循环工况下的数学模型，研究再生制动系统的节能效果。

美国

TexasA&M大学的HongweiGao等提出了混合动力汽车基于开关磁阻电机再生制动的神经网络控制系统，并在行驶循环工况下进行了能量回收效率的分析。

美国福特研究所，日本交通研究所以及荷兰大学等研究机构都进行了这方面的大量研究。

4.国内研究现状

国内再生制动技术研究目前处于起步阶段。

各高校、汽车厂商、科研院所都在这一领域进行研究并取得了初步的结果，但是大部分研究都停留在理论分析和建模仿真阶段，实车应用不多，表2是对国内再生制动控制策略研究现状的总结总之,控制策略通常有：

逻辑门限值控制、动态自适应控制、逻辑模糊控制和神经网络控制四种形式。

再生制动控制策略研究的目标是最大限度的提高能量回收率，一个有效的途径即是合理的分配制动力。

制动力分配主要方式有并行制动能量回收、理想制动力分配、最大制动能量回收三种。

表2国内再生制动控制策略研究成果表

研究

单位

研究者

控制策略

所得结果

清华

大学

罗禹贡

李蓬等

研究对象混合动力

汽车

显著提高汽车制动响应速度提高

制动能量回收

率10%

设计目标驾驶员制

动意图&能量回收率

思想基于最优控制

理论设计了制动力分

配模型

北京

理工

李玉芳

林逸等

分析对象独立式制

动控制系统的制动力

得到再生制动力和液压制动力的分配与控制规律

前提满足车辆制动

性能保证车辆制动稳

定性

设计目标最大限度

地回收再生制动能量

华南

理工

罗玉涛

吴浩硅

等

研究对象给定的PWM

调压调速系统的制动

状态

1

安装在EV60E实验，可达10嗨亡量

回收

思想在能量回馈原理基础上，设计混合励磁无刷电动

机在车辆制动时的能

量反馈系统

武汉

理工

过学讯

张靖等

针对HEVt实现再生制动的必要性和可行性

建立HEV720的系统仿真模型得

到一定的能量回收率

思想应用线控再生制

动策略

具体工作并联式制动

能量回收的仿真研究

重庆

大学

詹讯秦

大同等

针对轻度heVe典型

城市驱动循环工况下

工作特点

能满足整车制动力分配的要求能

量回收率达到12.5%

设计目标制动安全

性&高效制动能量回

收

思想基于传统汽车制动理论提出有效的分配策略

北京

交大

张欣耿

聪等

依据城市公交车车速变化大制动强度

针对EQ611HE仿真节能效果良

好,可降低能耗10%~20%

低频繁

思想低制动强度时再生制动高强度复合制动

目标保证了低强度时制动能量再生&制动效能安全

上海

交大

王保华

张建武

等

建立并联式混合动力汽车动力学模型仿真对纯电动制动模式和机电模式卜动力汽车能量进行再生制动仿真分析

纯电机制动效能高能量回收率

29%机电混合仅2%

清华

大学

仇斌陈

全世等

针对影响汽车制动能量回收潜力的各种因素

分析在不同车速下最大制动功率的分布特征

工作研究不同车速下最大制动功率的分布特征

在长安街上,米用制动能量回收

可增加续驶里程24.4%

二、再生制动的关键技术难题以及研究展望

综上所述，根据再生制动技术的现状及其存在的问题，针对道路车辆提出以下两点展望：

（1）从生产和装配的角度出发，要尽量使再生制动系统对车辆整个传动系统影响最小，以达到安装更方便、通用性更强、适用范围更广的目的。

（2）从制动新技术的角度出发，考虑用电磁场原理革新再生制动技术。

从能量转换角度出发。

可以考虑将这部分制动动能转化为易于再生的电磁能。

从电机制

动方式得到启示，电磁场原理可应用于汽车制动，即：

在制动过程中车轮作为电动机给电机反相电压，使车轮产生一个与转动方向相反的电磁力矩，从而达到减速停车的目的。

这符合能量守恒原理，理论上是可行的。

它不再借助摩擦制动，不需要摩擦制动器，却能有效回收利用制动能量，是再生制动研究和探索的新方向。

三、拟解决的关键问题

分析了再生制动的能量转换装置、储能装置和控制策略，得出了再生制动系统要克服的三个关键问题：

制动力难于准确控制、制动稳定性差，能量回收有限

（1）如何精确控制问题

制动过程本身就是一个短暂的过程，因此对它的控制显得非常困难，特别是如何准确的、快速的控制以及控制的稳定性，这都是急需解决的技术难题。

（2）与汽车其他系统匹配协调的问题

目前的汽车的电控单元越来越多，加入再生制动电控单元后，如何与其它单元更和谐的工作，特别是与AB孫统、传统制动系统、汽车减振系统以及电机控制系统的匹配问题。

（3）能量回收效率问题

考虑采用何种能量转换装置能更高效的回收制动能量是最引人关注的问题。

还要兼顾能量存储装置，解决好高制动能量回收率下能量最优储存的问题。

这两者不能单独解决，需要统筹兼顾。

（4）再生制动力和液压制动力的分配和控制规律

四、研究思路和方法

（1）总结出制动能量回收系统设计的约束条件，分析出导致混合动力汽车的制动能量回收系统效率偏低的原因，并对混合动力汽车主要结构和参数进行设置。

（2）通过该实验方法测量了不同的超级电容初始电压下其回收的制动能量，获得了超级电容初、末电压之间的关系，进而得到超级电容初始电压与其制动能量回收效率之间关系的模型，通过该理论模型获得了系统达到最大效率点时所对应的

初始电压。

并用MATLAB/Simulink验证了该实验方法的有效性，为超级电容最大化回收制动能量提供了参考依据。

（3）建立了整车再生制动模型、永磁同步电机模型，控制策略模型、功率变换器

模型以及超级电容模型；运用Matlab/Simulink仿真软件对系统进行仿真分析，以验证模型的正确性，改进设计方案的可行性。

（4）针对超级电容、埋电池及电动车进行一系列的模拟实验；利用EXCEI软件对实验结果进行了分析计算，并与仿真结果进行分析和比较。

五、本课题的进度安排

3-5周查找文献资料

6-7周完成开题报告和外文翻译

8-13周完成毕业设计

14-15周毕业答辩

六、参考文献

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Loupis;;Emmanuel

.NickPapanikolaou;;JohnKaratzaferis;;Michael

TatakisEnergyandPowerEngineering2013-07美国科研出版社期刊

指导教师意见

（注意：

指导教师必须对学生的工作态度、查阅文献的情况、研究思路及方法、基础知识掌握及知识面情况、文字表达等方面给予客观评价，并表明是否同意开题。

要求：

必须手写；字数不少于50字）

指导教师（签名）：

年月日

所在系（所）意见

负责人（签章）：

年月日