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毕业设计（论文）设计（论文）题目:无人驾驶电动汽车再生制动系统的设计学生姓名二级学院提交日期摘要IIIAbstractIV1绪论1Ll课题研究背景及意义1L2无人驾驶电动汽车的概述1L3课题国内外研究现状2L4本文的研究意义及主要研究内容32.再生制动系统的基本原理42. 1汽车制动系统的结构组成43. 2再生制动系统的工作原理44. 3再生制动系统的设计要求55. 4常见的再生制动方式66. 5本章小结63再生制动力的计算与修正83.1再生制动力的限制因素分析87. 2电动汽车的技术参数93.3制动力分配系数计算103.4电机峰值转矩限制计算133. 5本章小结144制动能量的回收163.1 储能器件的选择164. 2超级电容的基本原理165. 3超级电容的特性176. 4本章小结175再生制动系统的建模与仿真187. 1制动系统的建模185.2 制动零部件主要系统的仿真分析215.3 主动轮和从动轮的仿真分析245.4本章小结266结论与展望27参考文献28致谢29无人驾驶电动汽车再生制动系统的设计摘要汽车经过一百多年的发展历程，现在已经融入到人们生活的方方面面。它扩大了人们的出行范围，提高了人们的生活质量，极大地促进了社会的进步。伴随着汽车的增多，它的弊端也随之出现，例如：交通拥堵、环境污染等。在全世界范围内，已经出现了好几次重大的污染事件，汽车排放也是罪魁祸首之一。由于电动汽车具有零排放、低污染等优点，已受到人们的重视。本文主要的研究目地，是根据已有理论知识，设计出一套再生制动系统，通过在前轴上添加一齿轮，并将该齿轮与电机上的齿轮啮合，通过制动时汽车的惯性带动电机产生电能回收能量。整个再生制动系统的设计包含机械与电路两部分，本文侧重于机械部分重要零部件的分析及计算。通过对现有的电动汽车相关参数进行分析，计算出制动力分配系数、电机转矩等重要数据，并根据这些数据进行仿真分析，分析仿真结果，验证设计的可行性，并对其中出现的的问题加以分析解决。关键词：电动汽车；再生制动：能量回收AbStraCtThedesignoftheunmannedelectricvehicleregenerativebrakingsystemAbstractAfteronehundredyearsofdevelopment,carhasnowbeenintegratedintoallaspectsofpeople'slife.Itenlargedthescopeofpeople'stravel,improvepeople'squalityoflifeandgreatlypromotedtheprogressofthesociety.Withtheincreasingofthecar,itsdisadvantagesarealsoemerged,trafficcongestion,environmentalpollution,etc.therehavebeenseveralmajorpollutionincidentalltheworld,emissionsfromcarsisalsooneoftheculprit.Duetoithastheadvantagesofzeroemissions,lowpollution,theelectriccarhasreceivedpeople'sattention.Thepurposeofthispaperisbasedonexistingtheoryknowledge,designasetofregenerativebrakingsystem,Byaddingtheoneonthefrontaxlegearandthegearonthemotorgearmesh,byinertiadrivenmotortogenerateelectricitywhenbrakingenergyrecycling.Thewholedesignofregenerativebrakingsystemincludesmechanicalandcircuittwoparts,thispaperfocusesontheimportantpartsofmechanicalpartofanalysisandcalculation.Throughtheanalysisoftheexistingelectricvehiclerelatedparameterscalculation,calculatethebrakingforcedistributioncoefficient,motortorqueandotherdata,andcarriesonthesimulationanalysisbasedonthesedata,theanalysisofsimulationresults,thefeasibilityofthedesignareverified,andtheanalysisoftheproblemsofsolution.Keywords:electricvehicle；regenerativebraking；energyrecovery1 .绪论Ll课题研究背景及意义从1886年本茨发明了第一辆三轮汽车，到如今已有130年的历史，在这过程中汽车产业有了长足的发展，从最初的三轮简陋的汽车，到如今功能齐全速度飞快地四轮汽车，汽车这一对促进社会进步起到非常重要作用的工具也在人们的不断努力下得以完善。如今汽车已经与人类的生活密不可分。它极大地扩展了人们的出行范围，为货物的运输提供了极大的便利。虽然汽车对人类的进步作用巨大，但我们并不能只看到它的好处而无视它带来的危害。最近十几年，伴随着世界汽车保有量的增加，作为汽车能源的石油等资源不可避免的被大量消耗，据预测，世界各地的石油等资源只够再挖掘50多年。有数据显示，现今全世界每天石油的消耗量大约在4000万桶左右，其中大约30%50%是被用来进行货物的流通，而作为主要交通工具的汽车消耗的石油大约占交通运输消耗总量的70%80%o汽车不仅仅是消耗大量石油资源，还会产生大量的有害物质，影响人类的健康以及动植物的生长。目前，绝大多数的汽车都是靠燃烧汽油或者柴油来工作的,在理想情况下，汽车发动机能够充分利用汽油的话，就只有二氧化碳和水会被排放到大气中去，这些二氧化碳会被自然界中的植物吸收。但是随着交通运输量的增加，汽车的使用量急剧上升，汽车排放的二氧化碳量已经超过的环境能净化的上限，大量的二氧化碳累积起来，就会产生温室效应。而实际并不如想象的那么美好，汽油在内燃机内燃烧不充分，就会有大量的没有完全燃烧的碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物等物质产生，这些气体成分对人体是有害的。我国作为发展中国家，片面的追求经济发展而容易忽视对环境进行保护，所以我国的环境污染问题相当严重。人们逐渐重视汽车所造成的负面影响，世界各国都在制定有关的法律法规。当下，为寻求更好的发展，促进汽车的节能、环保和安全等性能已经成为焦点。在汽车行业，促进节能、环保主要有两大途径:一是降低油耗并且限制有害物的排放;另一方法是开发使用新能源汽车如：燃料电池电动汽车、纯电动汽车等。目前,经过多年的发展内燃机技术己经走到顶点，想要再做重大突破已然不现实,所以各国汽车行业将新能源汽车的研发作为主要的研究方向。相较于传统燃油汽车，新能源汽车在尾气的排放、能量的来源、总能量利用率、高功率运行工况以及未来的应用前景等方面都有优势。1.2无人驾驶电动汽车的概述电动汽车属于电动车辆，是指那些靠汽车所携带的储能器件上储存的能量来驱动的一类汽车。电动汽车在性能上基本与内燃机保持一致，只是驱动方式和动力线路与内燃机不同，且具有电动车辆的基本特征。电动汽车通常分为三类：纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。研发电动汽车的目的只是改善日益严峻的能源压力以及环境污染，所以电动汽车与内燃机相比，只有有关动力系统方面的进排气系统、燃料供给系统、传动系统、启动系统和冷却系统有所不同，其它的汽车中的系统包括造型、车身、底盘等都与内燃机大同小异。目前由于电动汽车处于研发、示范阶段，个人想法不同，设计的结构形式也就五花八门，但总体来说，电动汽车一般包括电源供给系统、驱动系统、管理系统等系统。电动汽车的显著优点如下：1、污染少；2、可使用多种能源；3、效率高；4、噪声低；5、更利于智能化。现在，发展电动汽车已成为减轻环境污染的行之有效的途径之一，同时，随着社会的进步，各种高新技术蓬勃发展，为电动汽车的研发及完善提供了有利条件。L3课题国内外研究现状1.3.1 国外再生制动技术研究现状从二十多年前，国外就已经关注并研究再生制动系统的有关技术，经过长时间研究，在这块全新的领域已经获得了成功，他们的有关技术已经相当成熟，并且部分已经运用于实车之上。在1997年，日本丰田汽车公司研发出一款名为PriUS的混合动力轿车，该车在当时就已经配备了再生制动系统，这是再生制动系统在实车上的首次运用。该系统包含两种制动方式，即再生制动与传统摩擦制动。它通过调节再生、摩擦制动的比例，来控制再生制动力与摩擦制动力的大小。本田汽车紧跟着丰田的脚步，在1999年研发出自己的混合动力汽车Insighto在这款车上双制动力分配系数更加的合理，这就使得再生制动的控制向精确化与速度化发展，不仅使汽车的制动过程更加安全舒适，同时它还增加了制动能量的回收效率。国外的各个汽车企业研发机构都在研究再生制动系统这一技术，同时，受到他们的影响，国外的大学也将这一课题作为热门课题加以研究。由于国外较早的就开始对再生制动系统进行研究，所以目前在再生制动这个领域里己取得了较多成果，并且已经能够将再生制动系统运用于特定的量产车型之上。1.3.2 国内再生制动系统研究现状我国受到经济发展与技术水平的限制，所以对于再生制动这个领域的研究起步比较晚，目前国内对于再生制动这方面的研究仍处于起步阶段，虽然在理论研究等方面已经有所突破，但距离实用仍需要很长时间。重庆大学的谭强俊搭建了再生制动系统硬件环仿真试验平台，并对制动系统进行控制参数的在线整定与性能实验，为混合动力轿车再生制动系统的完善和优化提供研究基础。江苏大学的陈庆樟、何仁、商高高等通过模块化、分层控制等方法设计出一套环仿真试验台，该试验台在研究制动稳定性、能量回收率、制动踏板稳定性、等方面具有显著的效果，同时他们将各个部分通过CAN总线进行连接，使试验台具有较好的可控性与线控制动试验系统扩展性。江苏大学的隋妮、王广萍等以电动汽车上的轮毂电机为研究对象，通过对于轮毂电机的研究，设计出了直流无刷电机再生制动试验台，并将在该试验台上采集的数据与仿真结果进行对比分析，验证了再生制动试验台的可行性和控制策略的合理性。从以上例子能看出，再生制动系统技术在我国仍属于新技术，我们对它的研究较少，大多都是仿真分析等理论性的研究，应用于实车上技术的较少，还需要继续深入研究。1.4本文的研究意义及主要研究内容由于目前还没有发明出小体积大能量且价格便宜的储能器件，电动汽车的动力来源问题没办法从根本上解决，所以现在电动汽车不能像传统内燃机一样长时间长距离的使用是限制电动汽车发展的最大难题。既然开源我们没办法解决，那就从节流入手，而采用再生制动系统，能够回收部分本应被浪费的制动能量，虽然没办法增加储能系统的能量上限，但会使电动汽车使用的总能量增加，这就能够在一定程度上增加它的的续驶里程，所以研究再生制动系统对于电动汽车的发展具有重大意义。本课题的主要研究内容为：1 .分析可能会对再生制动系统造成影响的地方，并根据电机分析计算再生制动力矩，保证电机的转矩等符合强度要求，从而使整个系统能够顺利工作。2 .对再生制动系统进行建模，对系统的重要零件进行强度校核及受力分析，对整个系统进行仿真分析，分析仿真结果，为以后的改进创新奠定基础。2.再生制动系统的基本原理2.1 汽车制动系统的结构组成汽车的制动系统的组成见图2-1,操纵机构接收控制员的制动信号，并将它发送到下一机构，同时它也得判断在电机制动失效的情况下，将所有的制动压力传送给摩擦制动系统而切断电机制动。负责接收操纵机构命令的是控制器，它的主要作用是根据控制算法来分配摩擦制动和电机制动各自所占的比例O摩擦制动系统即是传统的机械制动，把动能转化为热能然后通过散热消耗掉，以此来进行汽车的制动过程。而电机制动系统和能量存储系统共同组成了能量回收系统，在保证制动安全性的前提下回收部分制动能量。电机制动失效,完全摩擦制动L摩擦制动系统再生制蹒纵机构控制器电机制动系统=>能量储存系统图2-1再生制动系统基本构成2.2 再生制动系统的工作原理再生制动系统基本原理如图2-2所示，电机的作用就是在汽车制动减速时回收制动能量并将回收的能量在加速时回馈给汽车，当电机M在汽车加速状态下工作时，蓄电池给电机供电，促进汽车的启动行驶；当电机M在汽车制动减速状态下工作时，电机工作方式有两种情况：一种是开关K闭合时，电动机工作增加反向力来帮助汽车减速;一种是开关K断开时，电机发电并将能量储存在蓄电池当中。Ra电枢电阻；Rb制动限流电阻；RC电流回馈电路的等效电阻；制动电流；E感应电势；L电机电枢的电感。当电机制动时，一般情况下都会断开开关,来回收部分能量，这时由于切割磁感应线，感应电动势会迅速上升，通过带动电机旋转发电实现制动能量的回收以及再利用。2.3 再生制动系统的设计要求2.3.1制动稳定性制动系统是保证汽车行驶安全最重要的系统，保证制动系统的稳定性是制动系统设计的首要考虑因素。与单纯的摩擦制动系统相比，再生制动系统是摩擦制动与电机制动两部分联合工作，由于电机制动力受外界的影响较大，所以总的制动力的大小总是上下浮动的。在前驱电动汽车上，电机的制动力矩一般都是作用在前轮上的，如果电动机的制动力矩以及传统液压制动力矩两者之和超过所需要的制动力矩的话，那么前轮就会抱死，则车辆无法控制方向，容易发生汽车失控的情况;如果电动机的制动力矩以及传统液压制动力矩两者之和小于所需要的制动力矩，那么汽车对地面的附着力不够，汽车从制动到完全停止的距离就会拉长，这在某些时候就会对驾驶员及乘员的安全造成威胁，。所以，再生制动系统设计过程中最重要的是保证再生制动系统的制动稳定性，避免发生车轮抱死或者制动力不够的情况。2.3.2制动平顺性再生制动系统中的电机制动部分受外界影响较大，特别是当车速变化时，制动力矩的大小也会随之变化。当电机制动力矩减小时，为了保证制动效果，摩擦制动力矩的大小就得随之增加，从而保证两者之和在允许范围内，避免制动力不足而引起的制动距离增加的情况；当电机制动力矩增加时，摩擦制动力矩就得随之减小，否则的话，两者之和总的制动力超出了汽车制动所需制动力，就会产生车轮抱死的情况。以上都只能在理论满足的条件，因为液压制动过程总是需要一定的时间，这就使得制动力矩的变化有滞后性，这种滞后性最显著的反馈就是制动踏板的抖动，这就会影响驾驶员的操作。2. 3.3制动能量回收率再生制动系统最初被设计出来的目的就是能够回收制动能量，所以能量的回收率不可避免的成为衡量制动系统好坏的一个标准。然而，汽车的制动过程并不仅仅只有再生制动系统参与，还有液压制动，即传统的摩擦制动，其消耗的制动能则是无法回收的；滚动阻力、空气阻力等也会消耗部分能量，这部分的能量也是不可回收的，能够加以回收得能量只有电机参与的再生制动过程中消耗的部分能量。2.4常见的再生制动方式2.4.1飞轮再生制动系统飞轮再生制动系统，就是在汽车制动时，将飞轮系统接入制动系统，通过车轮带动飞轮，将本来应该被转化成热量消耗掉的部分制动能量转化为飞轮的动能，其实质就是能量的转移。在20世纪80年代，这种技术就已被人们研究，但受限于当时的技术，并没有取得成果。随着科学技术的不断进步，利用飞轮来储存能量这一技术又再次回到了人们研究范围。而其缺点也是较为明显的，机械机构较为复杂，能量释放难以控制以及噪声大等。2.4.2液压再生制动系统液压制动系统实质与飞轮再生制动相似，它的工作方式是通过控制液压泵/马达中液压油的流向来产生制动效果的。在汽车需要制动停车或减速时，惯性能量驱动液压泵/马达工作，使得液压油从低压蓄能器内流向高压蓄能器，然后制动能量就会被保存在高压蓄能器中；在汽车处于启动或加速状态下时，高压蓄能器中的液压油释放能量并流入低压蓄能器，当液压油流经液压泵/马达时，储存在液压油中的能量转化为动能，帮助汽车启动或者加速。液压再生制动系统的优点是比功率高，回收或者释放能量的速度快，但其局限性在于存储的能量有限，而且要求较高的油路密封性，如果发生泄露，不仅会污染环境，还会引起汽车动力性能方面的安全隐患。2. 4.3电化学再生制动系统电化学再生制动系统是通过发电机将汽车的制动能量转化为电能存储在储能设备中，存储在储能设备中的能量则通过电动机在需要时向外输出机械能。在电动汽车中，作为核心的能量转换元件驱动电机它本身就是汽车的一部分，这就能避免像飞轮储能、液压储能等方式一样加装额外零部件或者改变机械结构，因此电化学再生制动技术在新能源汽车领域上的应用的比较广泛。2.5本章小结本章首先介绍了再生制动系统的结构组成工作原理和它是如何工作的，提出了制动稳定性、制动平顺性和能量回收率这几个需要重点考虑方面的要求。并且根据储能器的不同，将常见的再生制动方式进行分类并根据其工作环境和优缺点简单介绍了一下。本章主要是是为下一章制动力的计算与校核做准备工作的。3再生制动力的计算与修正3.1再生制动力的限制因素分析再生制动系统包含是机械制动和再生制动，当系统起作用时，机械与再生制动两部分相辅相成。机械制动部分主要是靠制动钳受到液压油给他的压力，两侧间隙变小，表面与制动盘接触产生摩擦力，帮助汽车制动。再生制动力来自电机转矩，靠电机产生反向的力矩使汽车制动减速或停止。由于力的作用是相互的，电机制动对车轮的反向力越大，那么相应的，通过电机进入储能机构的能量的量就越大，那么能不能将汽车所需要的力矩全部用电机来提供呢?用电机来帮助汽车制动这是一整个系统，与之相关的一系列零件，工况等都会影响它的工作，即使我们想要将电机制动的利益最大化，也不能为了片面追求能量的回收再利用率而危害整车的制动安全与稳定。限制电机再生制动力的几点主要因素如下：（1）制动时的安全稳定性。汽车作为人们出行与运输的工具，制动系统的最重要的，是在需要时，能按照驾驶员的操控降速或者停车，规避危险。如果为了尽可能多的回收能量，完全依靠电机制动的话，在某些紧急情况下，车辆需要在很短的时间范围内减速或者停车，如此高强度的制动力是电机根本无法输出的。（2）电机实时转矩。电机的最大制动力取决于它的实时转矩和最大转矩。由于电机能提供的制动力较小，所以只有在小强度制动的情况下才能单独使用电机制动，当汽车需要很高的制动强度时，电机所能产生的制动力不够大，这样的话，摩擦制动就需要参与到制动过程中去，在紧急制动下，电机产生的制动力对于整个制动力来说只能占很少的部分，而且这时主要考虑的，应该是乘员与车辆的安全，所以电机制动能够完全不参与到整车的制动。（3）电池组功率限制。电池的SOC决定了电池是否实行充电。SOC表示的是电池现有电量与所能储存的最大值的比值，它表示了电池的能量储存的情况，最少为0,最大为1。SOC为0时，电池里完全空的，一点能量没有；SoC为1时，能量已经储存满。电池作为能量回收装置的一部分，它的SoC数值，会直接影响整个系统的工作。一般情况下，电池中已储存的能量越少，它能继续储存的量就会随之增大，再生制动就要最大化的参与汽车的制动；蓄电池剩余电量较多时，要减少能量的回收，以免回收的电量过大而造成电池过载，再生制动应尽量少的参与制动。（4）行驶工况。在城市工况，由于路上车辆行人较多，汽车需要频繁制动，且强度较小，适合用电机再生制动;而在高速公路上，需要制动的情况较少，而且在高速上行驶时速度快，如果仍使用再生制动的话，在遇到突发情况时，制动系统将不能在很短的时间范围内降速，这就容易引发事故，威肋人员安全，所以这种情况下主要的制动力要由机械制动提供。(5)驾驶人员制动舒适感。在驾驶员操控制动减速时，要是因为再生制动力矩而引起驾驶人员无法掌控制动力的大小，对汽车的制动也会产生影响。3.2电动汽车的技术参数本文研究的电动汽车是学校周边运行的电动公交客车，其技术参数如下表3. 1表3.1汽车相关参数外形尺寸（长宽高）6990*2025*2740空车质量4400kg满载质量6350kg轴距3935电动机种类永磁同步电机额定电压336V最大输出90KW最大扭矩238N*I电池种类锂电池组额定电压348额定容量300总质量783变速器种类两档行星齿轮式变速器低速挡速比6高速挡速比1.4本车的驱动方式为后轴驱动，前轮的制动方式为传统摩擦制动。本文的设计思路是这样的：在前轴的某一位置添加一主动齿轮，在主动齿轮的边上并列一个小的从动齿轮，从动齿轮连接电机。当汽车正常行驶时，大齿轮空转，不影响整车的行驶；当汽车制动时，两个齿轮啮合，用制动能量带动电机发电，并将转化出的电能储存在储能机构中。详见图3.2.图3. 2再生制动设计图3.3制动力分配系数计算ECE法规全称为联合国欧洲经济委员会汽车法规，该法规针对不同车型，对其制动分配有不同的规定。本文研究的对象按分类属于M3型客车，按照ECE法规对于这类汽车的要求，本文的改进基础车型的制动力分配曲线图，如图3.3所示：0. 100. 15 0.20.30.40.50.60.70.8制动强度图3. 3 ECE法规对M3车型的规定由图可知：（1）当制动强度0.15z<0.3时，前、后轴利用附着系数曲线，应处于e=z+0.08之下，在e=z-0.08之上，并且，前轴利用附着系数曲线即夕=z+0.08应位于后轴利用附着系数曲线夕=z-0.08之上，以防止后车轮先抱死而前轮尚未抱死情况的出现。(2)当制动强度z0.3时，后轴的利用附着系数满足不等式z0.3÷0.74(-0.38)o根据图3-3,可进一步计算出前;后轴制动力分配系数的范围。计算过程如下：当z=0.15-0.3时，按照规定，前轴利用附着系数应大于后轴利用随着系数,即外2%根据前文中提及得利用附着系数公式，可得到公式：根据制动力分配系数的定义以及前轴地面法向反作用力的计算公式：FiFU_G(b+zh)3-2矿"L,在考虑前后车轮总制动力均为超过要求，汽车整个制动系统能提供的制动力为:由式3-l,3-2,3-3得:一(A+ z?)L-(a-zh)z-0.08zz+0.08在这种情况下，这里得最小值表示曲线0z-O.O8并不是后轴利用附着系数得最小值。当z=0.30.61时，计算方式同样：式3-6中1代表前轮上制动力与整车上所有制动力的总和的比值。结合以上能得到夕和制动强度的关系： (z-0.08)( + zz)(0.15z0.3)zL-(z + 0.08)( + zh)0.15z0.3(z + 0.08)( - z)3-7-zL(z-0.02)(-z)0.15z0.30.74ZL0.3z0.61将汽车在空载和满载时相应状态下所测量的数据通过公式3-7,计算出取值的范围，所得计算结果如图3.4和3.5所示。o.«0. 64.2O o. 10. 30.60. 8制动强度图3. 4空载时制动力分配系数曲线的砥；lo÷eo0.80.70.60.50.40.30.21O0.10.30.60.8制动强度图3.5满载时制动力分配系数曲线根据上图分析，为使再生制动的制动力分配系数符合相关法律法规的要求,以及防止后轮先抱死后汽车无法控制方向发生意外，所以仅值应该位于曲线e(E)之上，曲线a（八）之下。以下为为了对原来的制动系统进行改造而重新计算汽车的制动力分配系数,分配系数上限曲线a取最小值的条件为电=Odz即：0.08b V h 3-90108+008+=VhL曾夕值的最小值在曲线e(E)取得，e(E)曲线在z=0.3时位置最高，即：3-10+0.3L分别将空载和满载时的参数代入式中，计算得到：空载时，再生制动不参与汽车的制动过程，所以在此无需计算，制动力分配系数取值范围为:0.433力0.687;满载时，制动力分配系数的合理取值范围为:0.3320.5320空载与满载两种情况下制动分配系数有所不同，考虑到这两种情况，我们选取空载的下限以及满载的上限，即0.433W4W0.532,在这范围内的任一数值都是符合要求的。所以，选取0.5这一数值既符合相关法律法规的要求，又能满足车辆的制动要求。如果汽车是前轴驱动的话，制动力分配系数夕值就会比较大，所以上段所取得的数值尸=0.5只能作为最低值，再考虑到电机再生制动力会参与制动，所以分配系数的取值为().5夕().532;如果汽车是后轴驱动的话，只有后轴产生电机再生制动力，这时制动力分配系数尸值将会变小，所以上段所取得的数值=0.5能作为最大值，再考虑到电机再生制动力会参与制动，分配系数只能在()433().5这一范围内取得。因为本文研究的车辆是靠后轴驱动的，所以制动力分配系数的取值范围为0.43370.5,>3.4电机峰值转矩限制计算电机再生制动力的计算公式为：Fre=Toig%r3-11式中，7；为电机制动转矩，4为主减速器，g为变速器速比，厂为车轮半径,为机械传动效率。电机的峰值转矩与功率、转速的关系式为：238(/13500rmin)Tm-m。尸,"©SO(n>3500rmin)3-1211式(3-10)中，匕为电机峰值功率(kW),n为电机转速(rmin),北为不同转速下电机的峰值转矩(N-m)。我们在上段中已经计算出制动力分配系数的大小是是满足要求的。由于两根驱动轴上所要承担的制动力占总制动力的大小是一定的，一旦后轴上有电机再生制动参与，就会破坏原有的平衡，假如不能很好的控制，那么实际的分配系数就很有可能会变化而超出规定。当后轴增加电机制动力后，如果前轴的机械制动不变的话，那么相应的分配系数Pev为：nFUjPev=-3-13Fu+Fre式中：心,为电机再生制动力；G为前制动器制动力；FU为总制动器制动力。综上，可得：8-%PEV一口-3-14Fu+Fre当/W=4=°433，驱动轴再生制动力达到最大：F=P-BLF315remaxuo-l综合考虑电机制动力以及力矩，电机最大制动转矩为：式中(LeCe为电机再生制动转矩的最大值;r为驱动轮半径；为主减速器速比；心为变速器速比；"粉为传动系效率。3.5本章小结本章分析了再生制动的限制条件。在原来汽车的一系列参数的基础上提出自己的再生制动系统设计方案。并分别计算出空载和满载时，汽车的制动力分配系数。考虑到原来车型的后轴驱动的特性，最后确定最终的制动力分配系数的取值。为后续的建模及仿真奠定基础。4制动能量的回收4.1 储能器件的选择在实际使用中，汽车总不能避免经常性的停车减速等情况，特别是在市区内行驶时，车载电源变动量在这时候就会很大。车载电源及相关的科技到目前为止,也只是在比能量、比功率及比功率和循环寿命这三个方面的限制下取最好的情况。综合考虑电动汽车续驶里程与瞬时最大功率的要求，设计出一套由两种能源系统组成的最优的能源系统，其中汽车正常行驶时，能量由一种能源系统提供，作为主要能源，而另一种辅助能源系统则提供瞬时的大功率。两种能源系统中的能量应该是能够相互转移的。表4.1是集中典型的储能器件的性能对比情况。通过比较，发现超级电容在循环寿命上具有优势且充放电时间也满足作为辅助能源的要求，因此，选用超级电容作为辅助能源。表4.1几种典型的储能器件性能对比特性蓄电池超级电容传统电容放电时间0.33hI-IOmin106103s充电时间l5hl10minIO6lO-3S功率密度/Wh*kg20200116<0.1能量密度w*kg50-IO3IO35XIO3IO5循环寿命/次200IO3>1O5>106效率/%7090>95QloO4.2 超级电容的基本原理超级电容储能主要采用双电层电容器技术。在稀硫酸中，用两根碳棒为其充电，充电电压由OV逐渐升至1.5V,在充电电压达到1.2V时，在两个电极附近有气泡的出现，这些气泡表明水己经电解。此时的电压称为电解电压，低于该电压时，虽然没有形成电流，却在电极与电解液之间形成了“双电层”o电子穿过这种“双电层”表明被充电，这种功能即为一个电容器。 图4.2双电层电容器的储能原理这种双电层电容器存储的能量表达式为(4.1)其中V为电容端电压，C为电容容值。4.3 超级电容的特性超级电容的显著特征是非常高的比功率，但与化学电池相比较，其比能量则低得多。它的比能量在每千克为几Wh的范围内，然而比功率能达到3KWKg,比任何蓄电池都要高得多，所以超级电容并不能够单独的用来驱动电动汽车以及混合动力电动汽车。尽管如此，如果采用超级电容作为辅助能量源的话，却会产生如下几点优势：1、比能量和比功率同时受限制的情况得到改善，突破比功率的限制而尽量改进提高电池的比能量并且延长它的使用寿命：2、由于超级电容的负载电平效应，蓄电池在汽车加速时的大电流放电过程以及借助于再生制动器在汽车紧急制动时向蓄电池大电流充电的过程能被尽量的优化，其结果是使蓄电池的有用能量和持续工作时间得到明显的增加。4.4 本章小结本章主要是介绍了制动能量回收之后的存储过程，并对存储器件中除常规蓄电池之外的超级电容进行详细的介绍，对其结构和原理进行了的介绍，并对其特性进行分析，已设计出一套完整的再生制动系统。从能量回收装置到能量的储存,为下一章再生制动的建模与仿真提供了理论基础。5再生制动系统的建模与仿真5.1 制动系统的建模Pro/E是现代三维造型软件的领头羊，是目前最先进、最广泛的三维设计软件，Pro/E已成为三维机械设计领域里最富有魅力的软件,在当今世界的各个领域已经得到了广泛的应用，尤其是汽车领域。现在的汽车行业已经完全离不开各种制图软件的使用，各种主流软件种类繁多，Pro/E就是一个典型的例子。Pro/E是把理想变成现实的杰出工具，现在汽车以及汽车零部件的设计已经越来越离不开它。同时，通过Pro/E设计的软件还可以进行运动仿真，这样就能够使设计师直观的感受设计零件的工作状态。通过Pro/E设计出来的参数化的图也能够非常方便的导入带其他的3D软件中，能够方便的进行如受力分析（导入到ANSYS中）等其他方面的研究，对现代设计研究工作起着越来越重要的作用。5.1.1 齿轮的的建模齿轮建模：设置齿轮相关参数一绘制齿轮基本圆曲线一创建齿轮相关关系式，确定齿轮尺寸f创建齿轮轮廓渐开线f创建齿轮螺旋曲线f创建齿顶圆实体特征一创建倒斜角特征一创建草绘曲线特征一创建另一端齿廓曲线创建扫描混合切剪特征一创建阵列特征一创建基准平面一隐藏基准特征并保存文件等，完成如图5.1所示电机在主动齿轮的pro/E模型和如图5.2所示从动齿轮的建模。由于是在制动的时候制动盘将通过齿轮传递给发电机，所以大齿轮为主动轮，小齿轮为从动轮。图5.2从动齿轮模型5.1.2 发电机的建模拉伸一草绘一创基面一拉伸，去除材料一倒圆角一染色等进行发电机的建模。如图5.3所示为已经建好的电机模型。图5.3电机模型5.1.3 制动回收系统的转配新建组件一插入齿条，默认缺省一插入零件，移动后对齐，齿条啮合完整，部分约束一插入球头销，中心线对齐，端面配对，部分约束一染色。同样的方法把各个零件插入，完成总转配图。将已经建好的零件图进行能量回收系统的装配，图如5.4位已经建好的制动能量回收装置。图5.4制动能量回收系统制动能量回收系统由发电机、主动齿轮和从动齿轮组成。5.1.4 制动系统的建模拉伸一草绘一创基面一拉伸，去除材料一倒圆角一装配等进行制动系统的建模。如图5.5为已经建好的制动系统。图5.5为制动系统5.2 制动零部件主要系统的仿真分析5.2.1制动钳CAE模型的仿真几何处理将所建的CATIA模型包括风道和风扇。将CATlA模型导入hypermesh进行几何处理。消除模型导入中的一些错误，去除细小对仿真结果可以忽略的特征。几何处理过的制动钳模型如图5.6所示：图5.6几何处理过的制动钳模型网格划分使用hypermesh里面的automesh进行网格划分。由于风道中气流复杂且流速变化大将应力集中地方进行网格加密。网格大小设置成5mm,检查网格质量，防止计算过程中网格质量问题报错，利用2D面板下qualityindex工具对不合格质量进行修改，保证QMl,修改后网格质量如图3所示。采用壳单元并赋予3mm厚度并将风扇赋予材料及属性。壳单元有限元模型如图5.7、5.8所示。图5.7修改前壳单元有限元模型图5.8修改后壳单元质量利用tetramesh进行三维网格质量的填充。如图5.9为填充过四面体网格.新建实体赋予材料和属性并更新comp,将材料和属性赋予实体单元。图5.9填充过四面体网格5.2.2制动钳的线性受力分析边界条件的设定在hypermesh的radioss模块下进行制制动钳的受力工况设定，如图5.10将螺栓连接用ConStranS按钮约束X、Y和Z方向上平动和转动的自由度，模拟螺栓约束。如图5.11通过load施加部分施加压力，方向选择normal®通过loadsteps进行工况设定，SPC选择所在设定的约束，1Oad选择施加载荷，新建工况后，提交radioss求解计算。图5.10模拟螺栓连接图5.11液压部分受力的模拟计算结果及其分析直接用hyperview打开h3d文件查看计算结果。选择resulttype选择displacement并选择所有组件，查看位移云图。位移云图如图5.12所示ContourPlotDispIacement(Mag)Analysissystem-5.343E-03三-4.749E-03将displacement切换成elementstress,选中所有单元，查看制动钳所受应力分布，应力云图如图5.13所示。ContourPlot