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原文传递机电式飞轮混动系统集成设计与能量管理策略研究

论文题名：	机电式飞轮混动系统集成设计与能量管理策略研究
关键词：	新能源汽车;机电式飞轮混动系统;能量管理;模糊控制
摘要：	为了应对我国面临的能源安全和产业升级问题，发展新能源汽车已经成为了必然的趋势。但是续航里程的不足和高昂的电池成本一直是新能源汽车发展的阻碍，而增加辅助储能系统对车辆需求的功率进行“削峰补谷”，从而提升汽车的续航里程，降低电池容量需求，减少新能源汽车成本。本文研究了一种大功率密度的飞轮辅助储能系统，飞轮辅助储能系统对动力电池的负载进行滤波，既可提高制动能量回收的效率，又可以保持动力电池输出功率的稳定，降低车辆的能耗。　　（1）分析机电式飞轮系统的工作原理，确定其结构形式，通过SolidWorks软件建立三维模型，并根据其原理确定了机电式飞轮系统车辆的动力布置形式。根据汽车的结构参数和性能要求，以及飞轮系统的储能需求，匹配行星齿轮机构、减速齿轮机构、控制电机、驱动电机、电池等零部件的参数，最终通过CRUISE软件建立了机电式飞轮系统汽车的整车模型。　　（2）针对飞轮转速快的特点，设计一种碳纤维复合材料的飞轮，并且通过ANSYSWorkbench软件对其进行有限元分析和优化设计。首先对飞轮的结构应力分析，选择应力集中最小的盘式轮毂结构，并且确保各项异性的碳纤维材料在其许用应力最低的径向方向的安全性。然后对飞轮进行模态分析，获得其共振频率。最后，采用多目标优化的方法，通过轮毂的厚度、飞轮的高度等参数，降低飞轮的质量，使其共振转速远离常用工作转速区间。　　（3）针对机电式飞轮系统车辆的转矩分配问题，设计采用飞轮SOE等参数作为影响因素的前后轴转矩和再生制动转矩的分配方法。首先，汽车驱动时，机电式飞轮系统采用优先释放能量的控制策略。然后，汽车制动时，通过模糊控制的方法，根据飞轮的SOE和制动强度分配前后轴的制动转矩。其次，以飞轮SOE、动力电池SOC等参数作为再生制动转矩模糊控制策略的核心参数，使飞轮保持在合理的转速区间，动力电池充放电功率更加平稳，从而达到整车制动能量回收高效、延长动力电池使用寿命的目标。最后，在驱动电机方面，选择最优制动能量回收的控制策略，尽可能提升汽车的经济性和续航里程。　　（4）为了验证机电式飞轮系统是否按照前文分析的原理正常工作，及飞轮反向转动的锁止、回收制动能量以及转矩耦合等功能，对机电式飞轮系统在多种工况下的工作情况进行仿真分析。搭载了该系统的新能源车辆可以准确的实现稳态工况和瞬态工况车速跟随。对采用了模糊控制的机电式飞轮系统的车辆和仅加装了机电式飞轮系统的车辆以及普通分布式四驱新能源车辆进行多工况的仿真分析，对控制电机的效率及电池SOC的消耗情况进行对比分析。结果显示，采用了模糊控制策略的机电式飞轮车辆可以将控制电机的效率更多的集中在高效率区间，其经济性也是最优，在JapanURBAN、NEDC和HWFET循环工况下，相较于普通分布式四驱车辆的电能消耗量分别降低6.61%、2.47%和1.62%。
作者：	张锡
专业：	车辆工程
导师：	张铁柱;孙宾宾
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东理工大学
学位年度：	2022