完整版汽车制动能量回收系统开题报告.docx
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完整版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
题目汽车制动能量回收系统的研究
学院名称
专业班级
学生姓名
学号
指导教师
填表时间:
年月日
(注意:
填表时间要与大纲领求相一致,填3月24日)
填表说明
1.开题报告作为毕业设计(论文)争辩委员会对学生争辩资格审查的依照资料之一。
2.此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作先期完成,经指导教师签署建议、相关系主任审查后见效。
3.学生应依照学校一致设计的电子文档标准格式,用A4纸打印。
4.参照文件很多于8篇,其中应有合适的外文资料(一般很多于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)
工程设计
应用研究
开发研究
基础研究
其他
种类(划“√”)
√
一、本课题的研究目的和意义
随着汽车拥有量的日益增加,汽车的节能和环保问题已碰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,就必要降低汽车的废气排放和汽车的燃料耗资。
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,当前日本和德国处于世界当先水平。
随着该项技术的日益完满,汽车节能及能量回收技术将会获取宽泛应用特别是关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频路况的车辆,如主要在城市市专家驶以及在我国西部地区行驶各种车辆,其节能收效更是十分的明显。
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,从能量转变的角度来看,即由动能转变为摩擦件(制动盘、制动鼓等)的热量并发散
至空气中。
依照统计,摩擦制动耗资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特别简单,即经过电动机反转变为发电机实现了制动并产生了电能,并将产生的能量储蓄在电池也许电容中。
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,由于其不能够够供应足够的制动力。
在动能回收系统中,其控制策略关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。
在丰田的混杂动力汽车、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。
依照详尽车辆性质不相同,动能回收系统的原理及效率也略有差异。
为了不影响用户使用体验,丰田的混杂动力汽车和电动车的动能回收系统设有不相同的挡位,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,而且供应了相当明显的制动收效。
动能回收系统的控制器同ABS控制器近似,都是经过监控轮间转速差来进行工作,
不相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,以保证产生的电流不会高出电池(也许电容)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,以防备发惹祸
故。
关于电动也许混杂动力车辆来讲,这套系统体积虽小,但是意义重要,它在
必然程度上扩大了电池的容积,进而实现了更远的续航里程以及更高的使用效率。
外国对制动能量回收技术已经进行了研究,依照当前现有的技术,制动系统主要
有并联式和串通式两种制动结构;机电制动分配方式主要有固定比率式,最优能
量回馈控制方式和制动效率优化控制策略。
串通式制动系统回收的制动能量效率
要高于并联式制动系统,固比率式是依照当前的车速和驾驶员妄图依照必然分配
比率来控制制动力大小,但这种分配方式忽略了工况及路面情况的变化,制动效
率优化控制主若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
考虑制动牢固性及安全性;最优回馈的能量控制方式与制动效率优化,控制方式
不相同,是优先考虑制动要求人制动安全,再依照早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弊端,没有综合考虑车辆的制动效能,
进而影响制动感觉及制动收效。
二、本课题的主要研究内容(纲领)
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,针对当前电动
汽车制动能量回见效率偏低的情况,在阅读了大量国内外文件资料的基础上,以
混杂动力汽车为样车,做了以下的解析与研究。
(1)混杂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
设计的拘束条件;解析出以致纯电动汽车的制动能量回收系统效率偏低的原因;以混杂动力汽车作为实验的样车,对其制动能量回收系统进行必然的改进,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,充分利用车辆已装置的设备,尽量降低了开发成本。
在保证纯电动汽车制动牢固性的前提下,尽量最多地回收和利用制动能量。
(2)关于超级电容储藏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点,提
出了一种模拟制动能量回收的实验方法。
经过该实验方法测量了不相同的超级电容
初始电压下其回收的制动能量,获取了超级电容初、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见效率之间关系的模型,经过该理论模型获
得了系统达到最大效率点时所对应的初始电压。
并用MATLAB/Simulink考据了该
实验方法的有效性,为超级电容最大化回收制动能量供应了参照依照。
(3)混杂动力汽车制动能量回收系统仿真与建模。
第一对纯电动汽车进行动力学解析;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解析,以考据模型的正确性,改进设计方案的可行性。
(4)混杂动力汽车制动能量回收系统实验考据。
为进一步考据改进后的制动能量回收系统有效性,获取其制动能量回收利用效率,搭建简单的制动能量回收
实验台,该实验台包括发电机及其驱动装置、功率变换器、控制策略及其控制器、能量储藏装置(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EXCEL软件对实验结果进行了解析计算,并与仿真结果进行解析和比较。
三、文件综述(国内外研究情况及其发展)
一、再生制动的研究现状
1.能量变换装置
在电储能再生制动中,能量变换装置的作用是进行制动和驱动转矩的变换,
把汽车惯性动能变换成为电能,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,当前宽泛采用集成电机形式,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够回馈,制动时能量回见效率低。
双极性斩波器能够保持电流有必然的连续性,能够使电机在四象限中运转,在斩波调压时能量能够回收,回见效率较高,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,又不合适高速运转,除小型车外,当前一般己不采用。
交流异步电机驱动时要采用宽调制型逆变器来组成变压变频(VVVF)的调速控制系统。
这种调速系统最高转速能够达到15000r/min,电机能够实现四象限运转,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,控制元件很多,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,同时还要用转子地址检测器进行极性检测,以及用电子开关换向,若是采用双导游通开关进行换向,能够提高永磁无刷电机的转矩特点,还可以够控制永磁无刷电机实现四象限运转。
永磁无刷电机最高转速可达到10000r/min,而且体积小、质量轻、控制性能很好。
但是。
永磁电机若是在大的过载电流下,可能以致永磁资料的导磁性能下降,严重时会产生退磁而使电机损坏,因此,必定严格控制过载电流。
永磁无刷电机的控制元件很多,控制回路复杂。
开关磁阻电机是一种新式电机。
它的控制系统是由控制器、功率变换器、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,合适于高速运转,而且驱动电路简单、成本低、性能可靠,在宽广的转速范围内效率都比较高,而且能够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.能量储藏装置
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,素来在汽车储能
中使用最宽泛但铅酸电池作为制动能量储能系统,而存在的弊端主若是充电速度
慢、循环使用寿命过低等。
镍金属电池有Cd—Ni和MH—Ni电池,但由于镉对环境有污染,好多国家限制发展和使用Cd—Ni电池。
MH—Ni电池是一种绿色镍金属电池,拥有很高的能量储藏能力;但它的单元电池额定电压较低,仅为1.2V左右(铅酸电池2V),这就以致组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,别的,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电池储藏更多的能量:
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,是此刻各国能量储藏技术研究的热点。
超级电容:
也称双层电容器,是近来几年随着新电极资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储藏装置。
超级电容容量是相同体
积下的一般电容器容量的2000—6000倍,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lO倍以上,充放电效率高,不需要保护和保养,寿命长达lO年以上,而且能够保护蓄电池,极有发展前途。
飞轮电池:
为一种以动能方式储藏能量的机械电池。
近来几年出处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,使飞轮赞成
线速度可达500~1000m/s,单位质量的动能储量大大增加,机械摩擦与风力耗费又极大地降低,进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经常很难适应汽车储能的要求,特别是对拥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,这时能够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。
当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,国内外好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.外国再生制动控制策略的研究现状
外国再生制动技术的研究比较深入。
除了大量的理论研究成就,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的再生制动系统经过电液比率控制单元调治液压制动力,实现
再生制动与摩擦制动的综合控制,在丰田HTS—II混杂系统下,能提高整车能量利
用率达20%以上,同时保证制动安全。
丰田公司在混杂动力汽车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,经过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车上实现了混杂动力汽车制动能量的高效回收。
在其EVPLUS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(线传控制技术、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,明显提高了制动能量回见效率、汽车制动方向牢固性和汽车酣畅性。
制动力分配是再生制动控制策略研究中的要点问题,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等提出了议论再生制动能量回见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杂动力汽车ABS系统的控制策略,经过精确设计电体系动力门限值,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。
外国的研究所等机构也做了大量研究。
美国Michahian大学的Panagiotidis等建立了并联式混杂动力汽车的再生制动模型,对再生制动的收效进行仿真计算和影响因素的解析比较旧J。
美国Union学院的Wicks等建立了城市客车在市里行驶循环工况下的数学模型,研究再生制动系统的节能收效。
美国
TexasA&M大学的HongweiGao等提出了混杂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,并专家驶循环工况下进行了能量回见效率的解析。
美国福
特研究所,日本交通研究因此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当前处于起步阶段。
各高校、汽车厂商、科研院所都在这一领域进行研究并获取了初步的结果,但是大部分研究都停留在理论解析和建模拟真阶段,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,控制策略平时有:
逻辑门限值控制、动向自适应控制、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,一个有效的路子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就表
研究
研究者
控制策略
所得结果
单位
研究对象
混杂动力
汽车
清华
罗禹贡
设计目标
驾驶员制
明显提高汽车制动响应速度提高
动妄图&能量回收率
制动能量回收
大学
李蓬等
思想基于最优控制
率10%
理论设计了制动力分
配模型
解析对象
独立式制
北京
李玉芳
动控制系统的制动力
获取再生制动力和液压制动力的
理工
林逸等
前提满足车辆制动
分配与控制规律
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
研究对象给定的PWM
调压调速系统的制动
罗玉涛
状态
华南
思想在能量回馈原
安装在EV60上实验,可达10%能量
吴浩硅
理工
理基础上,设计混杂
回收
等
励磁无刷电动
机在车辆制动时的能
量反响系统
针对HEV上实现再生
制动的必要性和可行
武汉
过学讯
性
建立HEV7200的系统仿真模型得
思想应用线控再生制
理工
张靖等
到必然的能量回收率
动策略
详尽工作并联式制动
能量回收的仿真研究
针对轻度HEV在典型
城市驱动循环工况下
工作特点
重庆
詹讯秦
设计目标制动安全
能满足整车制动力分配的要求能
性&高效制动能量回
大学
大相同
量回收率达到12.5%
收
思想基于传统汽车
制动理论提出有效的
分配策略
北京
张欣耿
依照城市公交车车
针对EQ611HEV仿真节能收效良
交大
聪等
速变化大制动强度
好,可降低能耗10%~20%
清华仇斌陈大学全世等
低频频
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
建立并联式混杂动
力汽车动力学模型
王保华
上海仿真对纯电动制动
张建武
交大模式和机电模式下动
等
力汽车能量进行再生
制动仿真解析
针对影响汽车制动
能量回收潜力的各种
因素
解析在不相同车速下最大制动功率的分布特点
工作研究不相同车速下
最大制动功率的分布
特点
纯电机制动效能高能量回收率
29%机电混杂仅2%
在长安街上,采用制动能量回收
可增加续驶里程24.4%
二、再生制动的要点技术难题以及研究展望
综上所述,依照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)从生产和装置的角度出发,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,考虑用电磁场原理改革再生制动技术。
从能量变换角度出发。
能够考虑将这部分制动动能转变为易于再生的电磁能。
从电体系
动方式获取启示,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,进而达到减速停车的目的。
这吻合能量守恒原理,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,是再生制动研究和研究的新方向。
三、拟解决的要点问题
解析了再生制动的能量变换装置、储能装置和控制策略,得出了再生制动系
统要战胜的三个要点问题:
制动力难于正确控制、制动牢固性差,能量回收有限。
(1)如何精确控制问题
制动过程自己就是一个短暂的过程,因此对它的控制显得特别困难,特别是
如何正确的、快速的控制以及控制的牢固性,这都是急需解决的技术难题。
(2)与汽车其他系统般配协调的问题
当前的汽车的电控单元越来越多,加入再生制动电控单元后,如何与其他单
元更友善的工作,特别是与ABS系统、传统制动系统、汽车减振系统以及电机控制
系统的般配问题。
(3)能量回见效率问题
考虑采用何种能量变换装置能更高效的回收制动能量是最引人关注的问题。
还要兼顾能量储藏装置,解决好高制动能量回收率下能量最优储蓄的问题。
这两者不能够单独解决,需要兼顾兼顾。
(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拘束条件,解析出以致混杂动力汽车的制动能量回收系统效率偏低的原因,并对混杂动力汽车主要结构和参数进行设置。
(2)经过该实验方法测量了不相同的超级电容初始电压下其回收的制动能量,获取了超级电容初、末电压之间的关系,进而获取超级电容初始电压与其制动能量回
见效率之间关系的模型,经过该理论模型获取了系统达到最大效率点时所对应的初始电压。
并用MATLAB/Simulink考据了该实验方法的有效性,为超级电容最大化回收制动能量供应了参照依照。
(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解析,以考据模型的正确性,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EXCEL软件对实验结果进行了解析计算,并与仿真结果进行解析和比较。
五、本课题的进度安排
3-5周查找文件资料
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周毕业争辩
六、参照文件
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价值工程2011(5)
[3].任国军.祝凤金液压混杂动力车辆中蓄能器的参数设计研究[期刊论文]-液压
与气动2010(8)
[4].刘爱云.袁建畅自卸汽车车厢举倾机构液压系统故障解析与维修[期刊论文]-
价值工程2011(5)
[5].刘东红汽车制动能量再生系统中的液压蓄能解析与计算[期刊论文]-汽车零
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[6].胡晓明.陈明华.范钦满液压式制动能量再生系统参数计算与仿真研究[期刊论文]-机械设计与制造2011(9)
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仿真[期刊论文]-系统仿真学报2008(13)
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Computing2014-3springer期刊
[14].KayPaulsen;;FrankHensel
[15].NickPapanikolaou;;John
Desalination200
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