制動(dòng)能量回收效率的影響因素分析

王穎，雷林

制動(dòng)能量回收效率的影響因素分析

王穎，雷林

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

制動(dòng)能量回收技術(shù)能有效提升電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。如何更好的設(shè)計(jì)和利用制動(dòng)能量回收技術(shù)，文章結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了使用環(huán)境、駕駛員操作和車輛本身等幾個(gè)因素對(duì)能量回收效率的影響。適合的環(huán)境溫度和駕駛工況，良好的駕駛習(xí)慣，合理的設(shè)計(jì)匹配等有利于提升制動(dòng)能量回收效率。

電動(dòng)汽車；能量回收；影響因素；效率

前言

近幾年，由于國(guó)家相關(guān)鼓勵(lì)政策的強(qiáng)力推動(dòng)，中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，據(jù)汽車協(xié)會(huì)的調(diào)查數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)2012年的電動(dòng)汽車年銷量為1.1萬輛，至2018年年銷量增長(zhǎng)為98.4萬輛。電動(dòng)汽車快速發(fā)展的同時(shí)，也遇到了一些問題。根據(jù)中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司2018年做的電動(dòng)汽車消費(fèi)者滿意度調(diào)查[1]，中國(guó)消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)車最不滿意的是續(xù)駛里程。研究表明，在擁堵的城市工況，采用制動(dòng)能量回收，可使電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程提升10%～30%，且花費(fèi)的成本較小。目前在售的電動(dòng)汽車都配備了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。能量回收系統(tǒng)的效率決定了系統(tǒng)對(duì)續(xù)駛里程提升的貢獻(xiàn)大小。影響制動(dòng)能量回收效率的因素較多，使用環(huán)境，駕駛員操作和車輛本身等都會(huì)對(duì)制動(dòng)能量回收有影響。

1 使用環(huán)境的影響

1.1 環(huán)境溫度的影響

純電動(dòng)汽車目前基本使用的都是鋰電池，鋰電池的適宜工作溫度與人的體感接近，40℃以上會(huì)“感覺熱”，0℃以下會(huì)“怕冷”，因此現(xiàn)在的純電動(dòng)汽車大部分都配有熱管理系統(tǒng)，電池溫度低時(shí)給電池加熱，溫度高時(shí)給電池冷卻。動(dòng)力電池在高溫或低溫時(shí)，可充放電功率會(huì)明顯下降，尤其是充電能力，一輛電動(dòng)汽車可以在低溫下行駛，但不一定能充電。純電動(dòng)汽車在冬季續(xù)駛里程下降明顯，除了因?yàn)槟芎淖兏摺㈦姵胤烹娏繙p少外，能量回收效率變低也是一個(gè)重要原因。因此，電動(dòng)汽車更適合在南方使用。

圖1是某鋰電池包分別在25℃、10℃和0℃時(shí)60%～95%電量的10s可充電功率，該功率只考慮充電時(shí)的電壓不過壓。若考慮充電安全和壽命等因素，可充電功率還會(huì)大大降低，尤其是0℃時(shí)的充電功率。

圖1 某鋰電池包不同溫度和電量下充電功率

1.2 行駛路況的影響

制動(dòng)能量回收是利用車輛減速時(shí)的動(dòng)能回收能量，因此只有減速工況比較多時(shí)回收的能量才多。上坡時(shí)，車輛坡道阻力大，可回收的能量少，反之，下坡可以回收大量能量。在高速公路上，駕駛員的腳很少離開加速踏板，因此回收的能量也很少，有沒有能量回收對(duì)車輛的經(jīng)濟(jì)性影響不大。在市區(qū)行駛，需要頻繁的減速，可以回收大量的能量，能量回收對(duì)經(jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)很大。對(duì)比電動(dòng)汽車和燃油車的能耗可以發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車NEDC工況下的能耗低，勻速高速行駛的能耗很高，燃油車則相反，NEDC工況油耗高，高速油耗反而低。因此，電動(dòng)汽車更適合市區(qū)使用。

表1是某同平臺(tái)燃油車與電動(dòng)車能耗對(duì)比，由于能量回收的作用，電動(dòng)汽車NEDC工況的能耗明顯低于高速工況。

表1 燃油車與電動(dòng)車能耗對(duì)比

2 駕駛員操作的影響

同一款車，不同的人駕駛，能耗差別可能很大。同樣，駕駛員的操作也會(huì)影響制動(dòng)能量回收。對(duì)于并聯(lián)式能量回收系統(tǒng)電動(dòng)車，制動(dòng)踏板踩得越深，摩擦制動(dòng)消耗的能量越多，可回收的能量占比就越小。因此對(duì)于并聯(lián)式能量回收電動(dòng)車，滑行減速或輕踩剎車才能回收更多的能量。對(duì)于串聯(lián)式能量回收系統(tǒng)電動(dòng)車，因?yàn)樵偕苿?dòng)力和摩擦制動(dòng)力分配是可調(diào)的，駕駛員的操作對(duì)能量回收的影響相對(duì)較小，更重要的是控制策略決定。因此，對(duì)于并聯(lián)式能量回收的電動(dòng)車，更需要引導(dǎo)用戶養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣。

圖2是某并聯(lián)式電動(dòng)車能量回收效率曲線，滑行工況時(shí)，能量回收效率可達(dá)50%以上，而重度剎車工況回收效率不足10%。

圖2 某并聯(lián)式電動(dòng)車能量回收效率曲線

3 車輛的影響

3.1 能量回收系統(tǒng)方案的影響

能量回收系統(tǒng)方案直接決定了車輛能量回收的性能，是最核心的影響因素。并聯(lián)式能量回收系統(tǒng)因?yàn)槌杀镜?，?guó)內(nèi)目前還有一定的市場(chǎng)，但其回收效率低，隨著技術(shù)的進(jìn)步將被逐步淘汰。串聯(lián)式能量回收系統(tǒng)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和控制策略的差異，能量回收性能也各不同。典型的有理想制動(dòng)力分配控制策略和最優(yōu)制動(dòng)能量回收控制策略。最優(yōu)制動(dòng)能量回收控制策略的核心思路就是再生制動(dòng)力滿足駕駛員制動(dòng)需求時(shí)，液壓制動(dòng)器不參與制動(dòng)，再生制動(dòng)力不滿足駕駛員制動(dòng)需求時(shí)，再生制動(dòng)力最大能力輸出，不足部分由摩擦制動(dòng)力補(bǔ)充。這就可以實(shí)現(xiàn)能量回收最大化，能量回收效率最高[2]。并聯(lián)式與串聯(lián)式能量回收系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2。

表2 并聯(lián)式與串聯(lián)式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3.2 儲(chǔ)能裝置的影響

圖3 動(dòng)力電池不同溫度充放電效率

儲(chǔ)能裝置的可充電功率決定了再生制動(dòng)的能力上限。目前電動(dòng)汽車最主流的儲(chǔ)能裝置采用的是鋰電池，電池的溫度過高或過低都會(huì)影響可充電功率，電池電量越高，可充電功率越小。當(dāng)前動(dòng)力電池技術(shù)可以滿足市區(qū)低速緊急制動(dòng)或高速行駛一般強(qiáng)度制動(dòng)的再生制動(dòng)功率。因此，目前采用最多就是電池單一儲(chǔ)能裝置。但對(duì)于一些電動(dòng)貨車和公交車，其再生制動(dòng)功率較大，超過了電池的可充電功率，因此也有采用電池和超級(jí)電容組合的儲(chǔ)能裝置，利用超級(jí)電容可充放電功率大的特點(diǎn)，可滿足大功率再生制動(dòng)需求。其次，再生制動(dòng)的電能經(jīng)過電池儲(chǔ)存后并不能百分之百的再輸出。再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能充入電池，轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存，需要時(shí)再轉(zhuǎn)化為電能輸出，電能到化學(xué)能再到電能的效率，目前的電池技術(shù)能力，在常溫下效率大概在90%～95%，如圖3所示。

3.3 其它因素影響

車輛在能量回收過程中，依靠電機(jī)把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，因此電機(jī)的峰值功率決定了再生制動(dòng)的功率上限，而電機(jī)的效率更是直接影響能量回收效率。因此車輛在進(jìn)行電機(jī)匹配時(shí)，不光要考慮動(dòng)力性需要，還要考慮與能量回收系統(tǒng)的匹配。

平路滑行工況，可回收能量為車輛動(dòng)能減去車輛自身阻力損耗的能量，因此減小車輛的滑行阻力和增大滑行時(shí)的發(fā)電扭矩都有利于提升能量回收效率。

4 結(jié)論

（1）適宜的環(huán)境溫度有利于制動(dòng)能量回收，電動(dòng)汽車更適合在南方地區(qū)使用；擁堵路況有利于制動(dòng)能量回收，相比燃油車，電動(dòng)汽車更適合在市區(qū)使用。

（2）良好的駕駛習(xí)慣不僅能降低能耗，而且能回收更多的能量。

（3）優(yōu)秀的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案，合理的電機(jī)及儲(chǔ)能裝置匹配等能提升制動(dòng)能量回收效率。

[1] 顧洪建,賀暢,魏冰.2018年中國(guó)新能源汽車消費(fèi)者滿意度研究分析[J].汽車工業(yè)研究,2019（1）:34-40.

[2] Nakamura E, Soga M, Sakai A, et al. Development of Electronically Controlled Brake System for Hybrid Vehicle[C]// SAE 2002 World Congress & Exhibition. 2002: 454-458.

Analysis of the influence factors of braking energy recovery efficiency

Wang Ying, Lei Lin

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Braking energy recovery technology can effectively improve the mileage of electric vehicles. How to better design and use braking energy recovery technology, this paper analyzes the effects of several factors, such as operating environment, driver operation and vehicle itself, on the efficiency of energy recovery based on the test data. Suitable ambient temperature and driving conditions, good driving habits, reasonable design matching and so on are conducive to improving braking energy recovery efficiency.

Electric vehicle;Energy recovery; Influencing factors:Efficiency

U461

A

1671-7988(2019)18-174-03

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王穎（1984-），試制試驗(yàn)主任工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，研究方向：整車試制試驗(yàn)。雷林（1981-），性能試驗(yàn)主任工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，研究方向：整車性能試驗(yàn)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.058