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1、前 言 在世界能源问题和环境保护问题日益受到关注的背景下，电动汽车成为研究热点。在电动汽车技术的研究和发展中，如何提高电动汽车的续航里程、如何提高能量的储备与利用率是迫切需要解决的问题。电动汽车在减速过程中，大量动能转化为热能耗散掉，若将这些能量回收利用，必然将提高电动汽车的能量利用率，延长其续驶里程。有关研究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下，有效地回收制动能量，可使电动汽车行驶距离延长10%一30%。目前，随着电动汽车逐渐进人市场，如何高效率地回收和利用再生能量成为电动汽车技术研究的主要问题，本文以某电动汽车为研究对象，对其再生制动能量回收及其控制策略进行探讨和研究。所谓制
2、动能量回收是指汽车减速或制动时 ,将其中一部分机械能 (动能) 转化为其他形式的能量 ,并加以再利用的技术。根据不同的储能方式,制动能量回收主要有液压储能式、飞轮储能式和电储能式等3种类型 ，本设计的电动汽车制动能量回收采用液压储能式。其基本原理是:通过具有可逆作用的液压泵/液压马达来实现液压能和汽车动能的转化。在汽车制动或减速时,液压泵/液压马达以液压泵的形式工作 ,汽车行驶的动能带动液压泵将汽车动能转化为液压能并储存在储能器 中；在汽车起动或加速时 ,液压泵/液压马达以液压马达的形式工作 ,将储存在储能器中的液压能转化为机械能给汽车。汽车能量回收系统的主要目的，就是使汽车行驶时的节能效果最
3、佳，即尽可能多地回收汽车制动前的能量 (动能或势能 )，在汽车起步或加速时，尽可能多地将系统储存的能量释放出来，使发动机的燃料消耗最小。从而改善汽车的能量利用效率, 提高汽车续驶里程。由于时间、水平有限，再遇上有的东西经验不足，难免有不少出错的地方，恳请指导老师指正。本毕业设计说明书承吕云嵩教授审阅和指导，提出了很多宝贵的意见和建议，编著谨此表示衷心的感谢。第一章 绪论1.1 研究背景我国大城市的污染已经不能忽视，燃油汽车排放是主要的污染源之一，我国已有 16 个城市被列入全球大气污染最严重的20 个城市之中，我国的汽车拥有量是每 1000 人平均 10 辆汽车，但石油资源不足，每年已经进口几
4、万吨的石油，随着经济的发展。假如中国汽车持有量达到现在全球水平每 1000 人有110 辆汽车，我国汽车持有量成10 倍地增加，石油进口就成为大问题，因此我过研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。电动汽车本身不排放污染大气的有害气体，废弃排放出比燃油汽车减少92% 98%。即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫酸和微颗粒，其外的污染物也显著减少。由于电厂大多建在远离人口密集的城市，对人类伤害比较少，而且电厂是固定不动的，集中排放，清楚各种有害物比较容易。也已经有了相关的处理技术。电力可以从多一次能源获得，如煤炭、核能、水力等，可以缓解人类对石油资源的依赖以及对
5、其日益枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力发电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有研究表明，同样的原油经过粗炼，运至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用率比经过精炼变成汽油，再经汽油驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。正是这个优点，使电动汽车的研究和应用成为现代汽车工业的一个 “热点” 。比亚迪、丰田、奇瑞、等汽车公司都推出各自的纯电动汽车，电动汽车将会慢慢成为汽车发展的一种趋势和必然。而电池寿命是制约电动汽车产业化的关键因素。所以解决电池的寿命问题是解决汽车工业化生产的难题1.2 电动汽车的发展趋势1 1. .2 2. .1
6、 1 目目前前限限制制电电动动汽汽车车发发展展的的因因素素一蓄电池的储能量 日前电动汽车蓄电池的 电容量有限，电动汽车，特别是纯电动车需要每天充电，而传统的汽车大致12 周加一次油 ;而目每次出行也有几百公里的 距离限制 .这会让使用者一时 难以适应 .二价格因素 日前由于电动汽车的各项技术 特别是蓄电池技术尚不成熟，且没有形成经济规模，故电动汽车购买价格较高.特别是混合动力电动汽 车，由于其配置两套动力系统，其购买价格一时难以被消费者接受.比亚迪 F3DM 有两套动力系统，其公 布的动力系统成本增加了 5 万元，每年要节省 8 千元的油费才能比传统汽油车经济 .混合动力车省油 有限，丰田Pr
7、ius 省油大致10%20%，奇瑞 A5-ISG 在北京奥运试运期间公布的省油参数为10%.假设家庭年行驶 2 万公单，汽油车白公单油耗7.5 升，年油费 9450 元，混合动力车省油 20%节省了 1890 元,无法抵消其车价成本的增加 .三公用配套基础设施 有专家认为，对于电动 车而言，日前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程.与混合动力相比，纯电动车 更需要基础设施的配套，而这不是一家企业能解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会.1 1. .2 2. .2 2 未未来来电电动动汽汽车车的的发发展展趋趋势势从技术发展成熟程度和中国国情来看，
8、纯电动汽车应是今后大力推广的发展方向，而混合动力只能作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡技术.2009 年中外车厂都先后推出了混和动力和纯电 动汽车.比亚迪先后展示了F6DM 和 F3DM 双模电动车和 F3e 纯电动车 .长安与加拿大绿色电池生产 商Electrovaya。合作，共同拓展加拿大新能源汽车市 场，首推奔奔纯电动版 .美国通用汽车公司推出了以 电动为主的 Chevy Volt 混合动力车， Mini Cooper 推出了其纯电动版 . 混合动力车动力系统复杂，成本昂贵 .其优势是 保留了传统汽油汽车的使用方式，根据汽油机和电动泪L 混合程度，充电次数和传统汽油汽车加油次数相当
9、，或者不用充电 .行驶距离也不受限制 .纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统, 相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统 , 电动机和控制器的成本更低 , 且纯电动车能量转换效率更高 . 因电动车的能量来源 ! ! ! 电, 来自大型发电机组 , 其效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的. 因此纯电动汽车使用成本在下降 .1.3 研究的内容及意义影响电动汽车产业化的技术瓶颈是动力电池。理想的电池应该有较大能量密度和功率密度，长的周期寿命和短的充电时间，低的制造及使用成本。目前状态，电池的使用寿命是制约电动汽车产业化的关键因素。汽车运行期间，动力变化幅度很大，加速或爬坡
10、时吸收能量，制动减速时则要释放能量。近年来，人们在制动能再生问题上也做了大量研究。最简单的方法是制动过程中，直接把电动机作为发电机给蓄电池充电，然而这样做会导致很大的瞬时充放电电流。这将缩短电池的使用寿命。另外，电池的功率密度比较小，瞬时吸收制动能的能力也十分有限，只有吸收大约25%的制动能。所以对电池的这一状态的优化设计，不但增长了电池的寿命而且大大提高了能量的最高利用率。液压助力驱动系统在停车或小功率工况下由电机带动液压泵向液压蓄能器充液，当车辆需要增加动力时，蓄能器放液，液压马达助力电机驱动车辆，避免电池大电流放电，从而延长电池使用寿命1.4 国内外发展现状世界各国尤其是发达国家都把电动
11、汽车的研究作为今后交通与能源发展战略的重点。自上世纪 90 年代以来，在各国政府的支持下，国外各知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车的研制和开发。法国、日本、美国、德国等国家都开发出具有商品化水平的电动汽车，如法国PSA 公司的标志 P106 和雪铁龙AX 电动轿车，日本丰田汽车公司的RAV-4EV 电动轿车，美国通用汽车公司的EV1 电动轿车等。 值得注意的是，金融危机爆发导致国际传统汽车产业衰退，而国际油价的不确定性、节能减排压力的增加以及动力电池技术的新进展，使部分国际主流汽车厂商开始积极参与纯电动汽车研发，如日产公司、宝马公司等，这可能引发纯电动汽车新的发展热潮1.5 能量回收与利用
12、电动汽车的瓶颈在于电池的使用寿命，而对严重损害电池寿命的就是在电池大电流充放电的时候，如图 由图可以看出，过多的充放电对电池寿命的影响是巨大的动力电池的性能还远未达到理想状态。 理论和实践都已证明，在起步与制动时，过高的充放电电流会大大缩短蓄电池的循环使用寿命。比如在实图一电池特性验室小电流条件下，锂离子电池的循环使用寿命能达到2000 次左右，而装车后的使用寿命还不到实验室的1/3。因此，我们需要 辅助动力源法，其基本思想是，用一种功率密度较高的装置作为电池的辅助动力源，在车辆动力发生较大变化时吸纳或输出能量，然后再以较小的功率密度与电池进行能量交换。辅助动力源其实是在车辆与电池之间充当功率
13、缓冲器。但目前超级电容的技术还不成熟，体积庞大，成本几乎和整车的相当，没有商用价值。飞轮储能在技术上还有几个问题。一是储能时效问题，由于存在机械和空气摩擦阻力，因而会耗损飞轮的能量。特别是车辆长时间停车后再启动，飞轮无助于车辆加速。二是安全性问题，因为高速飞轮容易破碎，若增加防护装置，必然使机构变得复杂。三是高速飞轮要求动力稳定性，飞轮材质要均匀，支承刚度要求高。最后飞轮的陀螺效应也会给汽车行驶的稳定性带来负面影响。这种装置只适用于频繁起、停的大型车辆。液压储能技术十分成熟，它不仅功率密度大且便于安装布置，静止状态无能量损耗，液压蓄能器是由一个能够承受高压的罐体，内装一个橡胶气囊构成，结构十分
14、简单。气囊内充有一定压力的氮气。它的蓄能原理很简单，就象气体弹簧，低压液压油被液压泵（被发动机驱动或者被工程机械惯性驱动）加压进入蓄能器，压缩气体而做功，在释放时，气体膨胀将高压液压油挤出并推动液压马达旋转，推动工程机械前进。液压蓄能器具有极高的比功率，可以以每升几千瓦的功率存储和释放能量。且存 /放效率非常高，达到 97%以上，远高于电池或者超级电容。其比能量也能达到3.5wh/L，即 12.6kj/L，为了给读者一个简单的能量概念，一辆 10 吨的工程车在时速 18km/h 下所具有的动能是125kj，也就是用一个 10L 的液压蓄能器即可全部存储起来。而该蓄能器的重量，如果采用普通钢制蓄
15、能器，也就是30kg。液压蓄能器的循环寿命可达十几万次，一天平均高强度制动30 次，也可以使用十多年。蓄能器在工业上的应用已经有相当长的历史，是一种十分安全的蓄能机构。从蓄能器的结构可知，它的材料是合金钢和橡胶皮囊，成本是低廉的。其报废处理也不会对环境造成危害。因此能够适应各类大小型车辆。其关键技术是高比能专用蓄能器与复合可逆泵-马达组件。 因此，我们选择使用液压蓄能器和液压泵来作为研究方向第二章 轻型电动汽车的动力性汽车的动力性能就是汽车直线行驶在良好路面上所能达到的平均行驶速度。汽车运输效率的高低主要取决于汽车的动力性。动力性的能好，汽车就会具有较高的行驶速度，叫好的加速能力和上坡能力。提
16、高汽车平均行驶速度，就会提高汽车的运输效率。所以，动力性是汽车各种性能最基本、最重要的性能。2.1 汽车的动力性能指标为获得尽可能高的平均行驶速度，汽车动力性能主要应由汽车的最高车速、汽车的加速度时间和汽车的最大爬坡度这三个方面的指标来评定一车身重 3t,（起步）加速度 020km/h/s，最大爬坡 30/坡长 20m, 制动距离 50m/100km/h二电机的最大功率 50kw2.2 汽车的驱动力电动机输出的转矩经传动系栋驱动轮上，作用于驱动轮上的驱动轮上的扭矩，是车轮对路面产生一tT圆周力，路面对驱动 轮的反作用力，这是驱动汽0FtF车的外力（图 2-1） 。此外力称为汽车的驱动力， 单位为 N。驱动数值为式中驱动力（ N） ；tF作用于驱动轮上的转矩（ Nm） ；tTr车轮半径（ m） ；作用于驱动轮上的转矩是由电动机产生并经传动系传至驱动轮上的。则tT=tT0tq gTT i i式中 作用于驱动轮上的转矩（ Nm） ；tT 电机转矩转矩（ Nm） ；tqTt tTFr 变速器的传动比；gi 主减速器的传动比；0i 传
