混合動力車制動工況分析與儲能裝置參數匹配

王偉達，王言子，項昌樂，劉 輝

（北京理工大學車輛傳動國家重點實驗室，100081北京）

混合動力車制動工況分析與儲能裝置參數匹配

王偉達，王言子，項昌樂，劉 輝

（北京理工大學車輛傳動國家重點實驗室，100081北京）

為提高混合動力系統整體性能，實現高效能量回收，分析某重型越野車輛駕駛循環工況中制動過程的功率與能量分布，從制動能量回收率與電機參數出發討論對儲能裝置的性能要求.提出電池組-超級電容復合儲能裝置的參數匹配方法，針對21 t級試驗樣車混合動力系統進行實例計算，論證鋰離子電池組與超級電容組成的復合儲能裝置的性能.實例計算與道路試驗結果表明：匹配的復合儲能裝置符合車輛整體性能與制動能量回收的要求，體積、重量滿足總體設計約束；匹配超級電容后，儲能裝置的瞬時功率能力大幅提升，可顯著提高車輛的制動能力和制動能量回收率.

機電聯合制動；制動工況分析；復合儲能裝置；參數匹配；超級電容

混合動力車輛中的機電聯合制動功能可提高制動能力與響應速度，而且制動電機發電與儲能裝置配合可進行制動能量回收，這對于提高混合動力系統的燃油經濟性具有重要意義.混聯式混合動力系統可綜合串聯式與并聯式的優點，但結構與控制復雜，功率分配策略需要儲能裝置的密切配合，并且進行“削峰填谷”才能實現最優的控制性能，所以從功率、能量與體積、重量的角度出發對儲能裝置合理設計與匹配尤為重要.由于目前普遍使用的鋰離子電池組功率密度相對較低，所以電池組配合其它儲能設備如超級電容、超高速飛輪等組成復合儲能裝置得到了廣泛的研究，尤其是電池組和超級電容在能量密度和功率密度方面具有互補性，是一種比較理想的組合［1-5］.吉林大學、上海交通大學、清華大學等都對此進行了研究論證［6-9］.由于車輛質量大，制動要求高，重型混合動力車輛的制動功率非常大，匹配重型混合動力車輛的機電聯合制動系統及儲能裝置時，不可能按照最大的制動功率與能量進行相關的參數匹配.為滿足車輛的動力與制動需求及總體設計約束，必須依據一定的車輛駕駛循環工況才能達到合理匹配系統參數，發揮系統最優性能的目的.目前，國際上有UDDS和NEDC等駕駛循環，國內針對北京、上海、武漢、長春等城市路況也總結出了城市駕駛循環工況［10］.重型越野車輛相對來講比較特殊，多在市郊公路甚至非道路路面行駛，與城市路況有顯著的不同，應用于此類車輛的混合動力系統與儲能裝置匹配應與其行駛工況相適應.

本文依據某重型越野車輛的道路試驗數據，利用相關性統計分析方法提取重型越野車輛的駕駛循環工況.根據駕駛循環工況分析其中的制動過程的功率與能量分布，針對機電聯合制動與制動能量回收進行儲能裝置的參數匹配與實例計算，通過實車道路試驗對復合儲能裝置進行試驗驗證.試驗結果為準，通過數據相關性處理，合成了重型越野車輛駕駛循環工況，如圖1所示.

圖1 某重型越野車輛駕駛循環工況

1 制動工況分析

由于車輛的行駛工況復雜多變，所以研究制動工況的能量分布規律需要依據具有統計特征的綜合駕駛循環工況.制定某種車輛駕駛循環工況的一般做法為:首先，利用各種測試系統針對不同車輛進行道路試驗，采集能夠反映車輛行駛特征的參數，如車速，發動機轉速等；然后，依據道路擁擠程度或流量大小，分類定義不同道路區域如市區、郊區和高速公路，同時定義用于描述車輛運行狀況的特征參數，如平均速度，加速度等；最后，利用各種統計理論（或商用軟件），從試驗數據中提取一定長度的樣本數據（測試行駛距離）作為車輛行駛工況.

以21 t的某重型越野車輛試驗路面行駛里程

由圖1可知，由于是重型越野車輛，且多在市郊公路或土路等路面上行駛，與城市車輛的行駛工況特點有較大區別，所以本文針對此循環工況進行制動工況分析與儲能裝置參數匹配.

混合動力系統中連接在齒圈上的電動機可被控制作為發電機運行，從而將車輛的動能或位能變換為電能，并存儲在電能存儲裝置中，得以再次利用.通常，車輛制動需求的制動轉矩比電動機所能產生的轉矩大得多，所以在混合驅動車輛中，機械摩擦制動系統與電機再生制動系統同時存在.

分析制動工況中的能量損耗、起始車速、制動功率、制動減速度等是匹配電機和電池組參數，進行機電聯合制動力控制的主要依據.

制動期間消耗能量很大.將21 t的試驗樣車從90 km／h車速制動到零，在幾秒鐘內約消耗6.56 MJ的動能（0．5Mv2）．重型混合動力車輛匹配的電池組容量較大，達到100 A·h，額定母線電壓為550 V，相當于198 MJ的能量.試驗樣車一次最大制動能量占電池組最大存儲能量的3.3%，可見回收能量的空間和前景是非常可觀的.

重型越野車輛駕駛循環工況的加減速度、制動車速和制動功率等基本特征數據如表1所示.

該駕駛循環工況下的制動功率分布如表2所示.功率低于100 kW的減速認為是車輛滑行阻力導致的，不作為制動工況.

表1 輪式車輛駕駛循環工況基本特征參數

表2 制動功率分布比例統計

制動功率低于500 kW的制動次數占到總制動次數的59.5%，低于600 kW的制動次數占總制動次數的82.5%，低于700 kW的制動次數占總制動次數的93.5%，超過700 kW的制動次數占總制動次數的6.5%.混合動力系統匹配的電動機（可用作再生制動電機）的峰值功率為230 kW，這意味著在超過90%的情況下聯合制動系統具有回收制動能量接近30%的能力（電機發電與儲能裝置存儲效率假定為85%，能量回收率計算為230×0.85／700=28.1%）.

綜合分析制動功率和制動強度可知，在一般駕駛工況中，絕大多數制動屬于中低強度的制動，并且以偏低的制動強度居多.這為利用制動轉矩較小的電機進行再生制動提供了有利條件.

混合動力輛常用的制動強度和制動功率并不大.但受限于電機制動功率和電池組可充電功率，混聯式混合動力車輛制動能量回收率并不高.這是因為:一方面，混聯式混合動力系統一般包括兩個電機，匹配時單個電機功率需求降低，有利于降低電機體積重量和提高系統功率密度，但因為只有齒圈上的電動機可以用于制動，發電功率有限；另一方面，動力電池組安全充電電流小，在沒有快速充電裝置的情況下再生電流易引起母線電壓急劇升高，影響系統安全.從再生制動功率的角度出發，串聯式混合動力方案具有一定優勢.串聯方案中，只有電機進行驅動，電機額定功率較大，且雙側電機都能進行再生制動，所以再生制動功率很高.當然，在再生制動功率提高的情況下，必須有相應的快速充電裝置（如超級電容）才能較大幅度提高制動能量回收率.

2 復合儲能裝置參數匹配方法

在機械功率和電功率共同驅動的混聯式混合動力車輛中，其電儲能裝置主要對整車電功率起“削峰填谷”作用，因此在車輛由機械功率和電功率共同驅動的工況下，對電能和電功率的需求不大.車輛在靜音行駛（純電驅動）的工況中，能量全部來源于儲能裝置，因此需要對靜音行駛工況下的電功率和電能的需求進行計算.混合動力車輛另一重要的特點是，可以將車輛制動過程中的動能轉化為電能儲存起來，同時產生一定的負荷阻力使車輛減速制動；當車輛再次需要電能驅動時，復合儲能系統釋放電能驅動車輛，達到節能的目的.因此，車輛減速制動過程中回收的電能及其功率的大小也需要進行計算.

2.1 靜音行駛需要的電能和電功率計算方法

車輛靜音行駛的需求功率為

式中:Vs為靜音行駛要求速度，Paux為靜音行駛時輔助系統消耗功率，fr為滾動阻力系數，ρa為空氣密度，CD為風阻系數，Af為迎風面積，ηbatt為電池放電效率，ηbs為儲能裝置到地面的傳動效率．

車輛靜音行駛時消耗的能量為

式中:Ejy為需要的能量，Pjy為靜音行駛工況功率，S為靜音行駛歷程，Vs為靜音行駛要求速度．

根據再生制動電機功率，可計算得到最大制動回收能量.

與制動工況相比，加速工況對復合儲能裝置的功率及能量的要求較小，所以主要從制動工況出發匹配儲能裝置參數.

2.2 電池組參數匹配方法

由于鋰離子電池技術的限制，電池組所能提供的電功率的大小受到很大限制，電池組的功率很難滿足在短時間內全部回收制動能量的要求.在靜音行駛工況，整車的能量全部來自于電池組，因此電池組的功率下限是靜音行駛工況下車輛需求的功率，電池組的能量下限是靜音行駛工況下需求的電能.鋰離子電池組儲能方案參數匹配流程如圖2所示.

(3) 人類對于日常一直看到的東西，有一種將其自然忽略與屏蔽的慣性，所以在突發事件發生時，燈光指示往往被忽略而達不到應有的指示作用。

圖2 鋰離子電池儲能裝置方案參數匹配流程

2.3 超級電容參數匹配方法

因為電池具有比能量高、比功率相對較低的特點，所以當車輛需要電能的功率較低能量較大時，應由電池組提供.超級電容具有很高的比功率，但其比能量很低，當車輛需要大功率充放電時，由超級電容提供.根據已計算的車輛不同工況的電功率和能量需求的特點，分別確定其在復合儲能裝置中的來源:

a）靜音行駛需很大的電能，功率相對較低，電池組可以滿足，因此靜音行駛工況下的電能應來自于電池組.匹配電池組參數時要滿足車輛靜音行駛的要求.

b）制動工況時，車輛需要大功率充電，充電時間短，電池組不能滿足其全部的功率要求，并且超級電容在大功率充放電時效率高，速度快，則制動能量回收時優先向超級電容充電，其余能量在不超過電池充電功率的情況下，向電池組充電.對超級電容進行參數匹配時，要滿足車輛制動工況的要求.

復合儲能裝置參數匹配需解決的問題是:分別從能量和功率的角度計算電池和超級電容的參數，同時考慮工程化約束和成本問題，來滿足復合儲能裝置的設計目標.復合電源的參數匹配主要包括對電池功率、容量、標稱電壓和串聯節數的計算，以及對電容單體容量和串聯節數的計算.復合儲能裝置參數匹配的主要步驟如圖3所示.

3 參數匹配計算與實例

3.1 電池組參數匹配計算

3.1.1 電池串聯節數計算

式中:Ubs為鋰離子電池單體額定電壓，根據選用的鋰離子電池參數，其額定電壓3.7 V，所以需149節電池單體串聯在一起.

3.1.2 電池功率計算

電池組的功率要滿足車輛靜音行駛全部的功率需求，假定靜音行駛的平均車速為30 km／h，則電池功率Pbatt≥70 kW.

3.1.3 電池容量及電池并聯數量的計算

電池容量主要由車輛靜音行駛的續駛里程確定:

式中:Cbatt為電池組容量；Um為電池組電壓；δSOC為電池組的有效荷電狀態，δSOC=0.8；計算得電池容量為1 472 kJ，即Cbatt≥139.2 Ah.

若選用的電池單體的額定容量為Cbatt，則電池并聯數量m為

根據單體電池數據信息，若選用單體額定容量35 A·h的功率能量型鋰離子動力電池，并考慮電池隨循環次數的增加其容量減小，選取m=4節電池單體并聯組成電池組，則電池組容量為35×4=140 A·h.選取140 A·h的電池，其1 C的額定放電功率為550 V×140 A=77 kW，滿足靜音行駛的額定功率需求.則整體電池組的單體數為N=m×n=4×149=596．

圖3 復合儲能裝置參數匹配步驟

3.1.4 電池質量和體積計算

由電池單體的規格參數，可計算由596節電池單體組成的電池組的質量為665.2 kg，體積為0.405 m3.由于電池組需要散熱等其他輔助系統，考慮輔助系統體積（初步估計占10%），則電池組總體積為0.45 m3.

3.2 超級電容參數匹配計算

3.2.1 串聯單體數量計算

超級電容通過DC／DC與母線連接，當DC／DC輸入輸出電壓越接近時其效率越高.因此為保證復合儲能裝置以較高的效率工作，選擇超級電容的電壓接近電池組最低工作電壓Un．選用的超級電容的標稱電壓為Ucs，則串聯的超級電容數量p為

電池組的最低工作電壓Un=nUbsn，其中Ubsn為電池單體的最低工作電壓．

本文選用的電池單體最低工作電壓為3.2 V，則Un=149×3.2=477 V.選用單體標稱電壓為2.7 V超級電容，需177節電容單體串聯在一起. 3.2.2 超級電容單體容量計算

超級電容的主要作用是對制動能量進行回收，則超級電容的最大存儲能量Ecap滿足下式:

式中:Eb為一次制動可回收的最大能量，Pbatt為電池1 C充電功率，tb為制動時間．

超級電容單體容量可由下式確定:

式中:p為超級電容數量，C為超級電容單體容量，Vmax為超級電容單體最大電壓，Vmin為超級電容單體最小電壓．

選取的超級電容標稱電壓為2.7 V，最小電壓為1.2 V.電池持續充電功率按照1 C充電計算為140×550／1 000=77 kW，計算得超級電容容量需要544 F，根據超級電容規格選取單體容量為600 F的超級電容.

3.2.3 超級電容功率的計算

超級電容的峰值功率為式中:Icap為超級電容的峰值電流，Ucap為超級電容總電壓．若計算的超級電容功率滿足其最大功率需求，則匹配的超級電容參數可行，否則需調整超級電容的參數.適當增加超級電容串聯的數量可使超級電容組合功率增大.

選用的超級電容的峰值電流為700 A，前文計算超級電容電壓為477 V，則其峰值功率為334 kW，滿足車輛制動時最大再生功率230 kW（電動機再生制動的峰值功率），所匹配的超級電容參數可行.

3.2.4 超級電容體積計算

超級電容單體體積約為0.074 L（φ26 mm× 140 mm），可計算由177節電容單體組成的超級電容的體積為0.013 m3.考慮安裝體積和單體間的間隙（初步估計占10%），則超級電容總體積為0.014 m3.

4 制動工況試驗驗證

將匹配的復合儲能系統應用于某型混合動力試驗樣車.試驗樣車與復合儲能裝置參數如表3所示.

表3 試驗樣車和復合儲能裝置參數

聯合制動采用優先進行電機制動的控制策略，在計算電機制動功時要考慮儲能裝置及電機本身的性能約束.儲能裝置的荷電狀態決定了其可吸收的最大電功率；電機功率受電機轉速影響最大，當電機轉速低于額定轉速時電機將不能達到額定功率，高于額定轉速時可以認為電機可恒功率工作.電機轉速取決于混合動力系統功率耦合機構及后部的自動變速器擋位.如表4中數據，第1次制動時，車速處于2擋換3擋的換擋車速之前的臨界點，電機轉速最高，制動功率最大.第6次和第13次制動也處于3擋的高轉速段，電機制動功率也較大.對于復合儲能裝置的控制，為簡化控制邏輯，采用直流母線系統優先從電池系統用電的控制策略，當電池功率不能滿足要求時，由超級電容進行補充.

對試驗樣車在某公路駕駛工況下進行了測試，提取了其中的制動過程數據.在駕駛循環工況下提取制動數據和前面的制動工況分析更具有對比意義.公路駕駛工況的測試結果如圖4所示.

表4 實車駕駛工況制動信息統計

圖4 試驗樣車某公路駕駛工況測試結果

對圖4所示的駕駛工況進行了統計分析，較為明顯的制動有14次，相關信息如表4所示.其中平均制動功率的計算方法為車輛的全部減速功率減去車輛滑行阻力產生的減速功率，考慮驅動系統機械損失和滾動阻力、風阻等，滑行阻力系數按照0.05計算.

在表4所示的實車駕駛工況制動信息中，車輛平均制動功率為152 kW，電機再生制動功率平均為56 kW，考慮儲能系統平均充電效率（90%）后，制動回收功率占總制動功率的能量回收率為56×0.90／152=33.2%.從整體駕駛工況來看，能量回收還是非常可觀的.

5 結 論

1）通過對某重型混合動力車輛駕駛循環工況的提取與分析，得到了機電聯合制動工況的制動功率、制動強度等及其分布的數據信息，為聯合制動系統控制策略及儲能裝置參數匹配提供依據.

2）提出了重型混合動力車輛的儲能裝置參數匹配方法，分別針對以鋰離子電池為主的單一介質儲能裝置及鋰離子電池和超級電容組合使用的復合儲能裝置進行參數匹配計算.

3）針對21 t的某重型混聯式混合動力樣車進行了儲能裝置參數匹配計算，匹配的電池組與超級電容參數符合車輛性能要求，體積重量滿足總體設計約束.通過匹配超級電容，儲能裝置的瞬時功率能力大幅提升，可顯著提高車輛的制動能力和制動能量回收率.通過駕駛工況的試驗結果統計分析，驗證了復合儲能裝置的制動能量回收效果.

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（編輯楊 波）

Analysis of brake condition and parameter matching of hybrid energy storage system for hybrid electric vehicles

WANGWeida，WANG Yanzi，XIANG Changle，LIU Hui

（National Key Laboratory of Vehicle Transmission，Beijing Institute of Technology，100081 Beijing，China）

According to the driving cycle of heavy off-road vehicles，the brake power and energy permutation is analyzed，and the performance requirement for the hybrid energy storage system（HESS）is achieved based on the brake energy recovery rate and motor parameters.The parameter matching method for the HESS is proposed and by which the instance calculation for the hybrid propulsion system of 21 tons class vehicles is carried out，and the performance of the HESS with Li-ion cells and ultra capacitors is discussed too.The instance calculation and the test results indicate that the designed HESS canmeet the requirement of the total performance of the HEV and the brake energy recovery，the volume and weightanswer for the restriction of the top design of the HEV.The designed HESS with ultra capacitors can increase the transient power volume greatly and the brake performance and the brake energy recovery rate are enhanced remarkably.

electro-mechanical brake；analysis of brake condition；hybrid energy storage system；parameter matching；ultra capacitors

U469.72

A

0367-6234（2014）09-0074-06

2013-09-12.

國家自然科學基金資助項目（51005017）；新世紀優秀人才支持計劃資助項目（NCET-12-0043）.

王偉達（1980—），男，博士，副教授.

王偉達，wangwd0430＠163.com.