電動(dòng)汽車道路行駛制動(dòng)能量回收特性研究＊

張樹(shù)培 黃璇 張瑋

（江蘇大學(xué)）

電動(dòng)汽車道路行駛制動(dòng)能量回收特性研究＊

張樹(shù)培 黃璇 張瑋

（江蘇大學(xué)）

通過(guò)分析再生制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)的能量流關(guān)系，參考已有的評(píng)價(jià)方法，提出了一套能夠有針對(duì)性地反映再生制動(dòng)系統(tǒng)回收特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。以兩款純電動(dòng)汽車為例，搭建再生制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行了道路試驗(yàn)，分析了其制動(dòng)能量回收特性與城市道路行駛特征的關(guān)系，結(jié)果表明，不同車型在道路試驗(yàn)中的再生效果隨制動(dòng)工況的變化趨勢(shì)基本一致，但在制動(dòng)初速度與制動(dòng)強(qiáng)度的分布區(qū)域有明顯差異；在進(jìn)行電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮道路行駛特征，以有效提高制動(dòng)能量回收效率。

1 前言

再生制動(dòng)是指裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)工作在發(fā)電模式，將車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在能量存儲(chǔ)裝置中，實(shí)現(xiàn)能量的再生利用[1]。在制動(dòng)頻繁的城市工況下，制動(dòng)過(guò)程消耗的能量占整車牽引過(guò)程中產(chǎn)生的有效能量的30%～60%[2]。與傳統(tǒng)汽車相比，配備再生制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車能夠有效回收被摩擦消耗的能量，可降低油耗并改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性[3]。目前，已定型的電動(dòng)汽車均搭載了再生制動(dòng)系統(tǒng)，但針對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法多處于仿真階段，且針對(duì)性不強(qiáng)，因此有必要對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析與研究。

本文通過(guò)分析再生制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)的能量流關(guān)系，在參考已有的評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)上，提出了一套能夠有針對(duì)性且全面地反映再生制動(dòng)系統(tǒng)回收特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并搭建了再生制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)以某款電動(dòng)汽車為例，分析了其再生制動(dòng)系統(tǒng)的能量流關(guān)系與回收特性。

2 再生制動(dòng)評(píng)價(jià)方法研究

2.1 再生制動(dòng)能量流分析

當(dāng)裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)裝置的車輛在平直道路上制動(dòng)時(shí)，整車動(dòng)能的消耗主要有空氣阻力所產(chǎn)生的能耗、滾動(dòng)阻力所產(chǎn)生的能耗和制動(dòng)系統(tǒng)能耗等幾部分。由制動(dòng)系統(tǒng)所消耗的能量即理論上可以回收的制動(dòng)能量。再生制動(dòng)時(shí)的能量平衡方程為:

即

式中，Ez為整車動(dòng)能變化量；Ef為制動(dòng)過(guò)程中克服滾動(dòng)阻力所消耗的能量；Ew為制動(dòng)過(guò)程中克服空氣阻力所消耗的能量；Eb為制動(dòng)系統(tǒng)所消耗的能量，即制動(dòng)能量；v為車速；v0為制動(dòng)初速度；v1為制動(dòng)末速度；m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度。

再生制動(dòng)的原理是將制動(dòng)能量Eb經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，并存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中。雖然再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式多樣，但其原理都是將車輛制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并給蓄電池充電[4]。通過(guò)對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的分析，可確定任何結(jié)構(gòu)型式的再生制動(dòng)系統(tǒng)均通過(guò)如圖1所示的路徑進(jìn)行能量傳遞。

再生制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)能量傳遞路徑分為以下3部分。

a.整車動(dòng)能—制動(dòng)能量—驅(qū)動(dòng)半軸傳遞路徑。能量流關(guān)系為:再生制動(dòng)時(shí)，通過(guò)制動(dòng)力分配控制策略后，制動(dòng)能量的一部分能量由制動(dòng)器制動(dòng)力消耗，以熱能的形式散失，其余的能量由驅(qū)動(dòng)車輪傳遞到半軸，以機(jī)械能的形式存在，這部分能量可以被再生利用。將傳遞至半軸的能量用Et表示，則有:

式中，λ為制動(dòng)力分配因子。

b.驅(qū)動(dòng)半軸—機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)—發(fā)電系統(tǒng)傳遞路徑。能量流關(guān)系為:將半軸上的機(jī)械能通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能給予驅(qū)動(dòng)電池充電，在傳遞的過(guò)程中，能量損失包括機(jī)械傳遞損失和發(fā)電損失。此路徑是能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程，對(duì)于特定的再生制動(dòng)系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)化效率應(yīng)是恒定的。將電池充電能量用Er表示，則有:

式中，η1為機(jī)械傳遞效率；η2為發(fā)電效率。

c.發(fā)電系統(tǒng)—驅(qū)動(dòng)電池傳遞路徑。能量流關(guān)系為:將發(fā)出的電能給予驅(qū)動(dòng)電池充電，最終以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存到電池中，與再生制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)不大。將電池回收能量用E 表示，則有:

式中，η3為電池充電效率。

2.2 再生制動(dòng)評(píng)價(jià)方法

目前，再生制動(dòng)系統(tǒng)常用的的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括制動(dòng)能量回饋率、能量回收率、回收率、制動(dòng)能量回收貢獻(xiàn)率[5]等幾種。再生制動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，且在此過(guò)程中制動(dòng)能量需要經(jīng)過(guò)多個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后才能被回收儲(chǔ)存。影響制動(dòng)能量回收效率的因素和環(huán)節(jié)較多，因而采用上述指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)制動(dòng)能量回收效率并不能全面且有針對(duì)性地對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。如制動(dòng)能量回饋率、能量回收率、回收率都只是片面地考慮了電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能占總制動(dòng)能量或消耗能量的比例，沒(méi)有涉及再生制動(dòng)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，且缺乏對(duì)再生制動(dòng)過(guò)程中能量流的描述；制動(dòng)能量回收貢獻(xiàn)率包含了制動(dòng)過(guò)程與驅(qū)動(dòng)過(guò)程，適宜對(duì)電動(dòng)汽車整車經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)，不是針對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。

為此，根據(jù)制動(dòng)能量傳遞路徑及能量流關(guān)系，采用可再生率、轉(zhuǎn)化率和再生率作為再生制動(dòng)系統(tǒng)能量回收效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

a.可再生率是指制動(dòng)過(guò)程中半軸再生能量占整車動(dòng)能變化量的百分比，用其對(duì)制動(dòng)能量傳遞路徑a進(jìn)行評(píng)價(jià)，即

式中，T為半軸扭矩；n為半軸轉(zhuǎn)速。

b.轉(zhuǎn)化率是指制動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電池充電能量占半軸再生能量的百分比，用其對(duì)制動(dòng)能量傳遞路徑b進(jìn)行評(píng)價(jià)，即

式中，Er為驅(qū)動(dòng)電池充電能量；U為驅(qū)動(dòng)電池充電電壓；I為驅(qū)動(dòng)電池充電電流。

c.再生率是指制動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電池充電能量占整車動(dòng)能變化量的百分比，用其對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，即

3 電動(dòng)汽車道路試驗(yàn)

3.1 道路試驗(yàn)方法

道路試驗(yàn)的方法主要有平均車流統(tǒng)計(jì)法（又稱代表工況法）、車輛追蹤法和自主行駛法。鑒于試驗(yàn)的實(shí)際情況，本研究采用平均車流統(tǒng)計(jì)法來(lái)進(jìn)行電動(dòng)汽車道路工況數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)路線設(shè)計(jì)

道路試驗(yàn)在天津市進(jìn)行，試驗(yàn)路線覆蓋天津市不同的道路類型和交通流，包括外環(huán)線、中環(huán)線、內(nèi)環(huán)線不同路段及部分郊區(qū)路段等具有代表性的試驗(yàn)路線。

3.3 試驗(yàn)車輛與駕駛員

本次試驗(yàn)采用2種裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車為試驗(yàn)樣車（車型1和車型2），駕駛員為中國(guó)汽車技術(shù)研究中心的專業(yè)駕駛員。

3.4 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

3.4.1 檢測(cè)參數(shù)

根據(jù)式（6）～式（8）可知，試驗(yàn)中需要獲取車速、制動(dòng)半軸扭矩、兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、制動(dòng)踏板信號(hào)、整車加速度、動(dòng)力電池電壓和電流等參數(shù)。

3.4.2 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)確定的檢測(cè)參數(shù)，選取表1所列儀器進(jìn)行檢測(cè)。

表1 檢測(cè)儀器

采用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備是包括一塊內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡、應(yīng)變儀及裝有16個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道接口的固定式數(shù)據(jù)采集箱（圖2）。其中應(yīng)變儀為兩通道，用于完成對(duì)半軸扭矩信號(hào)的后期處理任務(wù)；數(shù)據(jù)采集卡包括16路模擬輸入通道、8路DI、8路DO、2路AO和一路32位計(jì)數(shù)器，分辨率為12位，采樣頻率為150 kS/s，滿足采集速度的要求。

4 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收特性分析

4.1 道路工況特征分析

為分析天津市道路工況特性，對(duì)天津市道路工況的特征參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表2所列。

表2 天津市道路工況特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3為統(tǒng)計(jì)的天津市道路工況中制動(dòng)初速度—制動(dòng)減速度聯(lián)合概率分布圖。

從圖3可看出，天津市道路工況中制動(dòng)初速度主要分布于10～80 km/h內(nèi)，所占比例為90.7%；制動(dòng)減速度主要分布于0.2～1.0 m/s2內(nèi)，所占比例為90%。

4.2 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收特性分析

4.2.1 車型1制動(dòng)能量回收特性

車型1在不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)減速度下的可再生率變化趨勢(shì)如圖4所示。

從圖4可看出，車型1在車速低于15 km/h條件下不進(jìn)行制動(dòng)能量回收；在制動(dòng)初速度為15～60 km/h時(shí)可再生率逐漸增加，在制動(dòng)初速度為60～80 km/h時(shí)達(dá)到最高，在制動(dòng)初速度大于80 km/h時(shí)反而減小；在制動(dòng)減速度為0.2～0.8 m/s2時(shí)可再生率逐漸增加；在制動(dòng)減速度為0.8～1.2 m/s2時(shí)達(dá)到最高，制動(dòng)減速度大于1.2 m/s2時(shí)反而減小。由此可得出，在制動(dòng)初速度為60～80 km/h、制動(dòng)減速度為0.8～1.2 m/s2時(shí)具有更好的能量回收效果。

車型1在不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)減速度下的再生率變化趨勢(shì)如圖5所示。從圖5可看出，不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)減速度下的再生率變化趨勢(shì)與可再生率變化趨勢(shì)相同。

車型1在不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)減速度下的轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)如圖6所示。從圖6可看出，在不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)減速度下的轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)近似為一平面，即轉(zhuǎn)化率在恒定范圍內(nèi)。

4.2.2 車型2制動(dòng)能量回收特性

車型2在不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)減速度下的可再生率變化趨勢(shì)如圖7所示。

從圖7可看出，車型2在車速低于15 km/h時(shí)同樣不進(jìn)行制動(dòng)能量回收，可再生率隨制動(dòng)初速度的變化幅度較小。在制動(dòng)減速度為0.2～0.3 m/s2時(shí)可再生率逐漸增加，在制動(dòng)減速度為0.3 m/s2時(shí)達(dá)到最大，制動(dòng)減速度大于0.3 m/s2時(shí)反而減小。

車型2在不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)減速度下的再生率變化趨勢(shì)如圖8所示。從圖8可看出，在不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)減速度下的再生率變化趨勢(shì)與可再生率變化趨勢(shì)相同。

車型2在不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)減速度下的轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)如圖9所示。從圖9可看出，在不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)減速度下的轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)近似為一平面，轉(zhuǎn)化率在恒定范圍內(nèi)。

4.3 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收潛力分析

經(jīng)分析，車型1的再生率map圖與道路工況制動(dòng)初速度—制動(dòng)減速度聯(lián)合概率分布圖變化趨勢(shì)相似度較低，兩者的相關(guān)性僅為11.2%，在道路制動(dòng)高頻區(qū)域內(nèi)再生率較低，沒(méi)有充分利用道路制動(dòng)特性；車型2的再生率map圖與道路工況制動(dòng)初速度—制動(dòng)減速度聯(lián)合概率分布圖變化趨勢(shì)相似度相對(duì)較高，兩者的相關(guān)性為49.9%，在道路制動(dòng)高頻區(qū)域內(nèi)再生率較高，再生特性利用率相對(duì)較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際道路行駛中，制動(dòng)工況的分布具有較為明顯的規(guī)律，使得再生制動(dòng)的再生效果產(chǎn)生相應(yīng)的規(guī)律性變化。通過(guò)對(duì)制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)能量流的分析，提出了針對(duì)再生效果的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)2款裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車進(jìn)行了道路試驗(yàn)，結(jié)果表明，不同車型的再生效果隨制動(dòng)工況的變化趨勢(shì)基本一致，但在制動(dòng)初速度與制動(dòng)強(qiáng)度的分布區(qū)域有較明顯的差異。因此，在進(jìn)行電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考充分利用道路制動(dòng)特性，以提高制動(dòng)能量回收效率。

1王鵬宇.混合動(dòng)力轎車再生制動(dòng)系統(tǒng)研究:[學(xué)位論文].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2008.

2GAO Yinmin，CHEN Liping，EHSANI M.Investigation of the effectiveness of regenerative braking for EV and HEV. SAE International SP-1466.1999-01-2910.

3詹迅.輕度混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真:[學(xué)位論文].重慶:重慶大學(xué)，2005.

4鞏養(yǎng)寧，楊海波，楊競(jìng).電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收與利用.客車技術(shù)與研究，2006，（3）:28～29.

5仇斌，陳全世.電動(dòng)城市公交車制動(dòng)能量回收評(píng)價(jià)方法.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（16）:81～84.

（責(zé)任編輯文楫）

Research on Braking Energy Recovery Characteristics of Electric Vehicle in Road Driving

Zhang Shupei，Huang Xuan，Zhang Wei
（Jiangsu University）

Through analysis of the energy flow relationship in braking of regenerative braking system and taking reference of the existing evaluation methods，this paper presents a set of evaluation index which specifically reflects recovery characteristics of the regenerative braking system.Taking two electric vehicles for example，the authors build a regenerative braking test platform and perform road test，then analyze the relationship between recovery characteristics of regenerative braking and urban road driving characteristics.The results of the analysis indicate that the variation trend of regenerative braking effect of different models in road test is basically consistent，whereas the initial braking speed differs greatly with braking intensity in the distribution areas.To effectively increase braking energy recovery efficiency，it is necessary to consider road driving characteristics when developing and designing the braking energy recovery system for EV.

Electric vehicle，Regenerative braking system，Road driving，Braking energy recovery

電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)道路行駛制動(dòng)能量回收

A

1000-3703（2014）12-0049-05

國(guó)家“863”項(xiàng)目:電動(dòng)汽車測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究（二）（2011AA11A286）；江蘇大學(xué)高級(jí)專業(yè)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（13JDG035）；江蘇大學(xué)高級(jí)專業(yè)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（13JDG036）。