1、分类号：U4610710B23008媛步犬海博士学位论文纯电动汽车驱动与制动能量回收控制策略研究导师姓名职称申请学位级别论文提交日期学位授予单位汪贵平马建教授答辩委员会主席学位论文评阅人余 强曹秉刚史忠科赵祥模高利许洪国t气通j；，j埘j，、f，口Z：_气11硝o蔷：J喁l童叠J童冀：参廿，窘磊弼。氛dqr、蔓二i薯鬈o碡；壹键Ij4叠j麓，冀盛孕摹甏羲社i。，、10_lo_一一一o_。_0每冀董霄，IStudy on Control Strategy of Electric Driving andRegenerative Braking for Pure Electric VehicleA
2、Dissertation Submitted in Partial Satisfactionof the Requirements for the Degree ofDoctor of EngineeringCandidate：Wang GuipingSupervisor：ProfMa JianChangan University,Xian，China论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的
3、成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：弘龟千 钞。年r二月力占日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。(保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：多王彘军导师签名：马建少。尸年厂上月衫日二。呷年f z月2多日摘 要纯电动汽车具有高效、低噪声、零排放等显著优点，在环保和节能方面具有不可比拟的优势，其应用和普及已成为汽车工业可持续发展的必然趋势。迄今为止，续驶里程不足仍然是制约纯电动汽车
4、商业化的瓶颈。为实现有限能量源的充分利用，提高驱动系统效率及再生制动能量回收是目前亟待解决的问题。在此背景下，本文以陕西省重点科技攻关计划项目为依托，在高效电驱动系统、再生制动能量回收、双能量源存储系统和优化控制策略等方面，通过理论推导、仿真与实验获得纯电动汽车的研制依据和实验数据，为高性能纯电动汽车的研究与开发提供理论基础和工程经验。论文的研究工作及主要创新点包括：1在分析电动汽车动力学和电机模型的基础上，建立了永磁直流电机拖动汽车的动力学数学模型，该模型更好地反映了电动汽车运动受风阻影响这一特殊性。考虑到电机通用数学模型的普适性，决定采用其主要参数和环节，并辅之相应的非线性环节构建电机拖动
5、汽车的动态结构图。同时，推导出转动惯量和机电时间常数的计算公式，使各参数的物理意义更加明确，实现了机(汽车)电(电机)系统的有机结合。2系统分析了纯电动汽车驱动与再生制动能量回收的控制策略，针对蓄电池单能量源纯电动汽车，以车速为控制目标，研究了电动运行状态的各种控制方案，详细分析了系统的构成、稳态结构和动态响应，比较了各自的优缺点和适用范围。为了充分利用再生制动的功能，分析了纯电动汽车再生制动的工作原理，研究了能量回收的控制策略，利用Matlab仿真验证了理论研究的J下确性。3以城市公交中巴客车作为纯电动汽车的改装对象，简要介绍了纯电动试验样车的基本结构、完成了控制系统配套所需电气控制线路的设
6、计。在此基础上，提出了控制器系统的总体设计方案，完成了器件选型、硬件电路设计、软件程序设计等工作，同时制作了控制器电路板、触发保护线路和二象限PWM功率变换装置。为了便于调试和重要参数显示，完成了智能仪表盘的软硬件设计。在实验室完成了系统功能测试。4根据超级电容加双向DCDC变换器与蓄电池并联的结构，设计了双能量源系统的主回路电路结构，并对其工作状态进行了详细分析，以满足纯电动汽车对比能量和比功率的双重要求。在此基础上，根据整车的性能要求和配置情况，分别从能量和功率角度对双能量源系统的蓄电池、超级电容单体串联数目及各节容量进行了理论计算和匹配设计。利用扩展的ADVISOR仿真软件对双能量源的匹
7、配参数进行了仿真优化及结果校验，可以满足纯电动汽车对双能量源系统的要求。5根据纯电动汽车的不同工作状态，设计了双向DCDC变换器的模糊自调整控制策略。在电动运行状态下以“稳压”为目标，实现超级电容和蓄电池的输出电压相匹配；在制动运行状态下以“稳流”为目标，实现对超级电容和蓄电池的恒流充电。建立了电动状态电压控制和制动状态电流控制的Matlab仿真模型，验证了模糊自调整控制策略的正确性和有效性。6针对双能量源纯电动汽车的制动力分配和能量管理控制问题，提出了双能量源制动力分配和能量管理的模糊控制策略，并从整车经济性、动力性、能量源效率和制动能量回收四个角度对所制定的双能量源模糊控制效果进行了仿真验
8、证。仿真结果表明，模糊控制策略可以合理分配蓄电池和超级电容的输出功率，综合发挥双能量源特长，提高整车的动力性和经济性。7对ADVISOR2002仿真软件进行了二次开发，获得了界面友好且适合双能量源纯电动汽车仿真的专用平台，克服了用ADVISOR软件不能对双能量源纯电动汽车进行性能仿真的缺点。结合典型循环工况，对双能量源纯电动汽车及其控制策略进行了性能仿真，仿真结果表明双能量源纯电动的经济性和动力性都得到了提高。关键词：纯电动汽车，电驱动系统，超级电容，双能量源系统，模糊控制，能量管理系统，再生制动HAbstractWith the advantages of high efficiency,l
9、ow noise and little pollution emission，pure electric vehicles(PEV)are leading a revolution in automobile industry underthepressure of the natural environment protection and the growing oil shortage nowadaysSo far,inadequate driving range is still the maj or fencing to hinder the development ofPEV,ne
10、w efforts are necessary to improve the usage efficiency and regenerativebraking recycling for limited energy availableSupported by a provincial scientificproject，this dissertation mainly focuses on the PEV issues like electric drive system，regenerative braking，dual-energy storage system(DESS)，and op
11、timization&controlstrategies of PEVSpecifically,the main work and contributions of the dissertation aresurnmarized as follows：1On the basis of analyzing the dynamic model of PEV and DC motor，thedynamicSsimulating model for vehicles driven by permanent DC motor is established，wtlich c锄better reflect
12、the influence of wind resistanceBecause of the universalityand applicability of general DC motor model，a new dynamic graph tbrmotor-dragging vehicles is constructed mainly by the parameters&links in thegeneral DC motor,assisted by some nonlinear linksMeanwhile，the formula forinertia and time constan
13、t is summed up，in which the physical meaning of parametersiS clearer,and the combination of vehicle and motor iS more reasonable t，2The control strategy for driving and regenerative braking is investigatedsvstematicallyFor PEV with soleenergy storage system，the vehicle speed is taken asthe control o
14、bjectives，and various control schemes are studied in the driving state，including the system constitution，steady structure and dynamic response,as well asme features and application scopeMoreover,in order to make the regenerativebraking more effective，the principle of regenerative braking for PEV is
15、analyzed，thecontrol strategy for energy recycling is studied and simulated in Matlab3Based on the design scheme to reassemble a city transit bus to a test PEvt11estructure of PEV is briefly introduced，and the electric circuit of control system isimplementedThe overall design scheme for the control s
16、ystem is proposed，thedevice selection,circuit design and software development are accomplished，a circuitboard，a triggering protection circuit and two quadrant PWM power converter aremanufacturedFurthermore，for the convenience of debugging and parameterslIIillustration，the intelligent meter panel is
17、designed and tested in laboratory4Regarding to the dual-requirements for high-energy density and hi曲一powerdensity,the DES S is designed to be a composition of battery and ultra-capacitor plusbi-direction DCDC converter in parallelnle mainloop circuit of DESS isconstructed,and the working states are
18、analyzedAfter analyzing the power andenergy requirements，the structure and parameters of DESS are presented in term ofmathematical computationFinally,aforementioned results are verified by extendingADVISOR simulator、析也dualenergy storage autosizing5According to the different rtmning states of PEV,the
19、 fuzzy self-tuning controlstrategy for bidirectional DCDC convener is designedIn forward running state，theconverter iemployed to achieve voltage stability for balancing the voltage outputbetween the battery and ultra-capacitorIn regenerative braking state，the converter isused to provide constant cha
20、rging current for the battery and ultra-capacitornesimulation model of DCDC converter iS estalished in MATLAB，and the simulationresults prove that the controlling method is correct and effective6In order to improve the performance of braking force distribution and energymanagement,two fuzzy optimal
21、control strategies are proposed for PEV with DESSA simulation Wrteconomical efficiency,power parameter,power efficiency andbraking energy recycling is performedThe results show that the proposed fuzzystrategies call more effectively distribute the output power of DESS，improve theproperty in DESS，and
22、 attain a better acceleration and economic performance7A software platform、析tll friendly interface specialized for the simulation ofthe pure electric vehicle(PEV)谢m DESS is established by the redevelopment ofADVISOR刀le new platform overcomes the shortcoming西af ADVISOR call notsimulate DESSS performa
23、nceCombined with typical cycle conditions，theperformance simulation is performed for PEV诵tll DESS and control strategies111esimulation resets show that both the dynamic property and the economical efficiencyofthe PEV wim DESS are improvedKeywords：Pure Electric Vehicle(PEV)，Electric Driving System,Ul
24、tra-capacitor,Dual-Energy Storage System(DESS)，Fuzzy Control，EnergyManagement System，Regenerative BrakingIV目 录第1章绪论111选题背景112研究的目的及意义113国内外电动汽车发展概述2131电动汽车的分类与特性分析2132国外纯电动汽车发展概述3133国内纯电动汽车发展概述514纯电动汽车电驱动与制动能量回收控制技术的研究现状715本文的研究内容及章节安排1016本章小结ll第2章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究1221电动汽车动力学建模l 222电动汽车驱动电机数学模型1
25、 3221永磁直流电机模型1 3222永磁直流电机驱动电动汽车的数学模型1423二象限DCDC变换器数学模型17231二象限DCDC变换器工作原理分析17232二象限DCI)C变换器的数学模型2l24脉宽调速系统的开环车速特性2125电动汽车驱动系统要求及相关参数23251电动汽车对驱动系统的要求：；23252主要部件的参数2326电动汽车驱动控制系统研究2526】车速开环控制系统25262电流单闭环车速控制系统26263车速电流双闭环控制系统2827电动汽车再生制动控制策略及仿真研究35271电动汽车再生制动的数学模型35272电动汽车再生制动控制策略研究36273电动汽车再生制动仿真及分析
26、。3928本章小结43第3章单能量源纯电动试验车控制系统的设计“31纯电动试验车系统的基本结构4432电气控制线路设计4433控制器系统设计45331控制器总体方案设计45332硬件电路设计。47333软件设计5534智能仪表盘设计64341硬件设计64342软件设计6835系统测试与实验7436本章小结77第4章蓄电池超级电容双能量源系统设计与参数匹配7841电动汽车双能量源系统的研究现状7842电动汽车双能量源匹配结构的分析与选择80421双能量源并联匹配结构的分析81422双能量源匹配结构的选择。8 l43电动汽车双能量源存储系统的主回路设计83431双能量源系统主回路设计83432双能
27、量源系统的主回路工作原理分析。8444双能量源系统的参数匹配87441双能量源系统的理论计算。87442基于理论计算的双能量源参数匹配。9145基于ADVISOR的双能量源系统的匹配优化与校验92451 ADVISOR纯电动车单能量源参数匹配算法简述93452针对双能量源的ADVISOR仿真匹配算法93453匹配优化结果及分析9546本章小结一95第5章纯电动汽车双能量源系统的控制策略9651模糊控制的理论基础。9652双向DCDC变换器的模糊自调整控制98521双向DCDC变换器数学模型98522双向DCDC变换器控制策略分析。1 01523双向DCDC变换器的模糊自调整控制器设计10352
28、4仿真结果及分析10553双能量源电动汽车制动力分配的模糊控制106531电动汽车制动力分配的模糊控制器设计106532仿真结果及分析l 1l54双能量源电动汽车能量管理的模糊控制策略。113541双能量源电动汽车能量管理建模l 13542双能量源电动汽车能量管理的模糊控制分析113543双能量源电动汽车能量管理的模糊优化控制器设计115544仿真结果分析11 6545模糊控制策略的改进11 855本章小结119第6章基于ADVISOR二次开发的双能量源纯电动汽车仿真。12161国外汽车仿真软件概述。12162汽车仿真软件ADVISOR122621 ADVISOR混合仿真方法j122622 A
29、DVISOR的组成与运行过程12463面向双能量源纯电动汽车的ADVISOR二次开发12564双能量源纯电动汽车仿真结果及分析134641蓄电池单能量源与双能量源纯电动汽车的仿真结果及分析134642双能量源逻辑门限与模糊控制策略的仿真结果及分析13865本章小结。139第7章总结与展望14171全文总结14172研究展望142参考文献143攻读博士学位期间完成的主要论文及著作151攻读博士学位期间主持和参加的科研项目152致谢153II!长安大学博士学位论文第l章绪 论11选题背景。汽车业是世界经济发展的支柱性产业，现代汽车己经成为人类生活的重要交通工具。经过100多年的发展，传统内燃机汽车
30、已逐步实现机、电、液和现代科技一体化的全面应用，在性能、安全、环保、节能和成本等方面取得了重大的进展【11。但是，随着汽车业的高速发展，全球汽车保有量急剧增加，内燃机汽车所引起的环境污染、能源短缺、资源枯竭等问题日益严重，汽车工业的可持续发展面临着环境污染与能源安全的双重压力。以我国为例，据有关报道目前汽车消耗的石油量占整个国内市场的40，未来5年还会上升到50；大城市80以上的一氧化碳、40以上的氮氧化物都来自汽车尾气排放。为了保护人类的居住环境和保障能源的可持续发展，各国政府不惜投入大量人力、物力、财力寻求解决能源和环境问题的最佳途径【2，31。电动汽车是指以车载电源为动力，利用电机驱动车
31、轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆41。与传统内燃机汽车相比，电动汽车具有高效、节能、低噪声等显著优点，在环境保护和节能方面具有不可比拟的优势，是解决能源危机和环境污染问题的最有效途径【5】o近年来，电动汽车的研发已经成为各国政府和世界各大著名汽车制造商的研究热点，并在世界各国呈现加速发展的趋势。研究热点主要包括高性能的能源存储系统开发、高效率的驱动系统研制、再生制动能量回收技术、整车材料的轻型化、整车优化和集成控制系统的开发等研究内容。比如，美国、日本、欧洲的一些发达工业国家和跨国公司均已投入巨资进行电动汽车的及其基础设施的研究和开发工作，甚至一些国家还从法律上逐步限制或禁止重要城
32、市燃油汽车的数量。尽管电动汽车的研究与发展在各国均有了很大的成绩，但其相关关键技术还有待于进一步研发。因此，本课题以纯电动汽车的工程项目“纯电动汽车试验车研究(批准号：2001K10G1)“为背景，立足于其动力系统性能的优化设计与控制，主要研究纯电动汽车的驱动控制策略、再生制动、纯电动试验车改装、双能量源参数匹配与优化、能量管理策略、系统仿真等内容。12研究的目的及意义能源是人类生存的基本要素，是经济发展的主要物质基础。自工业革命开始l第l章绪论以来，全球的能源消耗急速增长，引起了严峻的能源枯竭和环境污染问题，工业发展的典型产物球统内燃机汽车同样也不例外。因此，低噪声、零排放、能源综合利用等已
33、经成为汽车工业的未来发展方向。在我国，随着国民经济持续高速发展，轿车已成为居民消费的主要商品之一，汽车工业面临快速发展机遇的同时，其对石油资源需求的激增和对环境保护的负面影响也日益引起人们的关注。我国自1993年成为石油进口国后，2003年成为世界第二大石油消费国，2008年进口石油2亿吨，目前世界上空气污染最严重的10个城市中7个在中国。因此，节能、环保也是我国汽车工业可持续发展的重要途径，对于我国发展国民经济、构建和谐社会具有重要意义。电动汽车是一个跨学科、跨行业的系统工程，其构想与研制均早于内燃机汽车。一方面，电动汽车不仅是一种运输车辆，更是一种全新的电气设备，是汽车、电力电子、电力拖动
34、、化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新成果的集成产物，它所面临的主要问题是要将汽车、电气、电子以及化学工程领域中最新的技术成果结合到电动汽车的设计中来，探求适合于电动汽车的独特设计方法和制造技术，以实现电动汽车能量的最优化利用。另一方面，电动汽车又涉及车辆、控制理论、电力电子等众多学科领域，它对能量源(包括蓄电池、超级电容、高速飞轮和燃料电池等)、能源管理、电机等行业，既是发展应用新技术的挑战，也是合成新兴支柱产业的重大机遇。因此，电动汽车的研究与开发具有巨大的现实意义。总之，电动汽车作为一种无污染和多能量源的绿色交通工具，势必成为汽车工业的未来发展方向【61。本论文着眼于高性能纯
35、电动汽车的研发，以开发高性能、高效率、高指标的纯电动汽车驱动系统和设计相应优化控制策略为目的，主要研究纯电动汽车动力系统建模、电驱动系统设计、能源管理策略优化、系统建模仿真和整车集成控制技术等内容，通过分析比较和仿真实验验证，获得纯电动汽车研制的实际经验和理论数据，为高性能纯电动汽车的研发提供理论基础和工程经验。对于电动汽车高新技术的研究，本课题研究均具有重要的理论意义和实际应用价值。13国内外电动汽车发展概述131电动汽车的分类与特性分析电动汽车指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车【l】，包括以高2长安大学博士学位论文效能蓄电池为动力源的纯电动汽车、以燃油发动机与驱动电机混合驱动的
36、混合动力电动汽车和以燃料电池为动力的燃料电池电动汽车三种类型。目前，纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车处于不同的发展阶段，其驱动方式、能量源系统、能源和基础设施、特点和主要问题如表11示11。从表11的对比可以看出，蓄电池电动汽车主要适用于短程、低速的城市公共交通：混合动力电动汽车可满足大多数使用者的要求，但其成本是主要问题；燃料电池电动汽车具有作为未来主流汽车的潜力，但其技术尚处于研发阶段，成本太高和氢氧燃料供应是其主要问题。表11蓄电池电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的特征电动汽车类型 纯电动汽车 混合动力电动汽车 燃料电池电动汽车驱动方式 电机驱动 内燃机、电机驱
37、动 电机驱动蓄电池、超级电容和内 燃料电池、蓄电池和能量源系统 蓄电池、超级电容燃机 超级电容能源和基础设施 电网充电设施 加油站、电网充电设施 氢气零排放、不依赖原油、 低排放、续驶里程长、 零排放或超低排放、主要特点 续驶里程短(100 依赖原油、结构复杂 能源效率高、续驶里200km)、初始成本高 程较长、成本高蓄电池和超级电容管理 多能源管理、优化控制、 燃料电池、燃料处理主要问题 复杂、依赖充电基础设 蓄电池评估与管理复杂 器和燃料系统复杂施132国外纯电动汽车发展概述纯电动汽车作为一种绿色交通工具，最早出现于1873年的欧洲，由于蓄电池、电机、驱动控制系统等技术的限制，其发展远远落
38、后于传统内燃机汽车。直到20世纪70年代，石油危机才使工业发达国家重新认识到发展电动汽车的重要性，开始了电动汽车的第二次研究与开发热潮，在许多基础技术的研究上取得了丰硕成果。近年来，出于环境保护和资源节约的双重考虑，又掀起了第三次电动汽车的研发热潮，美、日、欧许多家公司(包括美国通用、福特、克莱斯勒公司，日本的丰田、日产、本田公司，法国的雷诺、标致、雪铁龙公司，意大利的菲亚特公司以及瑞士的荷拉奇和埃苏拉公司等)均把电动汽车的研发看作解决环境和能源问题的一种有效手段，不惜投入巨额资金，竞相展开新一代电动汽车的研究与开发工作【12】。美国三大汽车公司通用、福特和克莱斯勒于1991年联合成立了美国先
39、进电3第l章绪论池联合体，投入了45亿美元(其中政府拨款225亿美元)，共同开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃料电池等各种高性能蓄电池。90年代初期，通用汽车公司投入10亿美元开发了EV-I纯电动轿车，并发展到第二代通用EV-II。该车采用高容量铅酸电池和镍氢电池，137马力、3相AC感应发动机驱动，最高时速可达80公里d,时，一次充电里程75130千米，完全充电时间556小时。1996年通用公司在底特律新建电动汽车生产线，日产量10辆，至1999年共生产了950辆纯电动汽车。福特公司2002年推出全新的TH!NK都市车，该车为前轮驱动，采用交流驱动系统和单速齿轮减速传动装置。1992年克莱斯勒公
40、司、美国电力研究院与南加州爱迪生公司共同开发50辆电动货车，1986年到1990年福特汽车和通用电气公司联合开发E跹I、EXEII电动汽车。通用汽车在2007上海国际汽车工业博览会推出新款雪佛兰Volt概念车，采用了最新研发的EFlex动力推进系统，在110伏电源上充电约六小时即可充满锂电池，使用220伏电源充电所需时间更短，使用纯电动模式可在城市道路上行驶约64千米；当内置电池组中的电能耗尽后，EFlex动力推进系统可以将汽油、乙醇、生物柴油、氢气等能源转化成电能，从而为车辆的行驶确保有足够的电力驱动能力。日本政府一直很重视电动汽车的发展，很早就制定了电动汽车发展计划，几乎所有的著名汽车生产
41、厂家(如丰田、尼桑、本田、马自达、铃木汽车公司等)都制定了自己的电动汽车研发和商业化发展计划。1991年通产省制定了第三届电动汽车普及计划，用于推动电动汽车的普及与应用。1997年后日本汽车制造商推出了装载镍氢、锂离子电池的第二代纯电动汽车。90年代末，丰田公司研制出RAV-4 EV型纯电动轿车，其动力装置是一台免维护50kW交流同步电动机，由288V镍氢电池提供电能，充电时间5-6小时，最高车速为125千米d,时，一次充电行驶距离215千米，零售价42万美元辆(同型的汽油车零售价为2万美刃辆)，其中电池成本占整车成本的40。日产公司研制成功了Lunnet EV五座纯电动轿车，该车采用锂离子电
42、池，最高车速120千米，J、时，一次充电行驶230千米。2005年日本三菱公司推出了属于世界首创的交流电动轮轿车_i蚕动型小马Colt牌5人座的低中级电动轮轿车，空车重量只有115吨，。装有两台最高转速为1500转分，功率为20千瓦，最大扭矩为60Nm的永磁式三相交流同步伺服电动机；电机电源选用锂离子蓄电池组，由22个锂离子蓄电池模块并联组成具有高能量密度、可急速充电的能量源，每次充电可行驶150千米，最高时速4长安大学博士学位论文150千米d,时。日本著名大学庆应义塾和一些民间企业共同研发的八轮电动轿车艾利卡(Eliica)，从静止状态加速到100千米小时仅需42秒，最高车速则可达370千米d,时，但其成本较高。欧洲的许多国家，尤其是法国、德国、意大利和英国都发起了进入电动汽车市场的电动汽车发展计划。法国的标致雪铁龙与雷诺两大汽车公司一直在积极研制电动汽车，1990年J5和C25电动货车投入生产，1995年建成世界上
