張樹培 黃璇 張瑋

（江蘇大學(xué)）

電動汽車道路行駛制動能量回收特性研究＊

張樹培 黃璇 張瑋

（江蘇大學(xué)）

通過分析再生制動系統(tǒng)制動時的能量流關(guān)系，參考已有的評價方法，提出了一套能夠有針對性地反映再生制動系統(tǒng)回收特性的評價指標(biāo)。以兩款純電動汽車為例，搭建再生制動試驗平臺并進(jìn)行了道路試驗，分析了其制動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中的再生效果隨制動工況的變化趨勢基本一致，但在制動初速度與制動強度的分布區(qū)域有明顯差異；在進(jìn)行電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計時應(yīng)考慮道路行駛特征，以有效提高制動能量回收效率。

1 前言

再生制動是指裝有再生制動系統(tǒng)的電動汽車制動時，電動機或發(fā)電機工作在發(fā)電模式，將車輛的部分動能轉(zhuǎn)化為電能并儲存在能量存儲裝置中，實現(xiàn)能量的再生利用[1]。在制動頻繁的城市工況下，制動過程消耗的能量占整車牽引過程中產(chǎn)生的有效能量的30%～60%[2]。與傳統(tǒng)汽車相比，配備再生制動系統(tǒng)的電動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)濟性[3]。目前，已定型的電動汽車均搭載了再生制動系統(tǒng)，但針對再生制動系統(tǒng)的評價方法多處于仿真階段，且針對性不強，因此有必要對再生制動系統(tǒng)進(jìn)行深入分析與研究。

本文通過分析再生制動系統(tǒng)制動時的能量流關(guān)系，在參考已有的評價方法基礎(chǔ)上，提出了一套能夠有針對性且全面地反映再生制動系統(tǒng)回收特性的評價指標(biāo)，并搭建了再生制動試驗平臺。同時以某款電動汽車為例，分析了其再生制動系統(tǒng)的能量流關(guān)系與回收特性。

2 再生制動評價方法研究

2.1 再生制動能量流分析

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

即

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

再生制動的原理是將制動能量Eb經(jīng)由傳動系統(tǒng)和電動發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能，并存儲在儲能裝置中。雖然再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式多樣，但其原理都是將車輛制動時的動能轉(zhuǎn)化為電能并給蓄電池充電[4]。通過對再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的分析，可確定任何結(jié)構(gòu)型式的再生制動系統(tǒng)均通過如圖1所示的路徑進(jìn)行能量傳遞。

再生制動系統(tǒng)制動過程中的制動能量傳遞路徑分為以下3部分。

a.整車動能—制動能量—驅(qū)動半軸傳遞路徑。能量流關(guān)系為:再生制動時，通過制動力分配控制策略后，制動能量的一部分能量由制動器制動力消耗，以熱能的形式散失，其余的能量由驅(qū)動車輪傳遞到半軸，以機械能的形式存在，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為制動力分配因子。

b.驅(qū)動半軸—機械傳動系統(tǒng)—發(fā)電系統(tǒng)傳遞路徑。能量流關(guān)系為:將半軸上的機械能通過傳動系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能給予驅(qū)動電池充電，在傳遞的過程中，能量損失包括機械傳遞損失和發(fā)電損失。此路徑是能量的轉(zhuǎn)化過程，對于特定的再生制動系統(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為機械傳遞效率；η2為發(fā)電效率。

c.發(fā)電系統(tǒng)—驅(qū)動電池傳遞路徑。能量流關(guān)系為:將發(fā)出的電能給予驅(qū)動電池充電，最終以化學(xué)能的形式儲存到電池中，與再生制動系統(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 再生制動評價方法

目前，再生制動系統(tǒng)常用的的評價指標(biāo)包括制動能量回饋率、能量回收率、回收率、制動能量回收貢獻(xiàn)率[5]等幾種。再生制動是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，且在此過程中制動能量需要經(jīng)過多個系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后才能被回收儲存。影響制動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)來評價制動能量回收效率并不能全面且有針對性地對再生制動系統(tǒng)進(jìn)行評價。如制動能量回饋率、能量回收率、回收率都只是片面地考慮了電動機發(fā)出的電能占總制動能量或消耗能量的比例，沒有涉及再生制動系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，且缺乏對再生制動過程中能量流的描述；制動能量回收貢獻(xiàn)率包含了制動過程與驅(qū)動過程，適宜對電動汽車整車經(jīng)濟性的評價，不是針對再生制動系統(tǒng)的評價。

為此，根據(jù)制動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系統(tǒng)能量回收效果的評價指標(biāo)。

a.可再生率是指制動過程中半軸再生能量占整車動能變化量的百分比，用其對制動能量傳遞路徑a進(jìn)行評價，即

式中，T為半軸扭矩；n為半軸轉(zhuǎn)速。

b.轉(zhuǎn)化率是指制動過程中驅(qū)動電池充電能量占半軸再生能量的百分比，用其對制動能量傳遞路徑b進(jìn)行評價，即

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

c.再生率是指制動過程中驅(qū)動電池充電能量占整車動能變化量的百分比，用其對再生制動系統(tǒng)進(jìn)行總體評價，即

3 電動汽車道路試驗

3.1 道路試驗方法

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

3.2 試驗路線設(shè)計

道路試驗在天津市進(jìn)行，試驗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路線。

3.3 試驗車輛與駕駛員

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

3.4 試驗平臺的搭建

3.4.1 檢測參數(shù)

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

3.4.2 試驗設(shè)備

根據(jù)確定的檢測參數(shù)，選取表1所列儀器進(jìn)行檢測。

表1 檢測儀器

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，用于完成對半軸扭矩信號的后期處理任務(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 電動汽車制動能量回收特性分析

4.1 道路工況特征分析

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

表2 天津市道路工況特征參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

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

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

4.2 電動汽車制動能量回收特性分析

4.2.1 車型1制動能量回收特性

車型1在不同制動初速度和制動減速度下的可再生率變化趨勢如圖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)行制動能量回收；在制動初速度為15～60 km/h時可再生率逐漸增加，在制動初速度為60～80 km/h時達(dá)到最高，在制動初速度大于80 km/h時反而減小；在制動減速度為0.2～0.8 m/s2時可再生率逐漸增加；在制動減速度為0.8～1.2 m/s2時達(dá)到最高，制動減速度大于1.2 m/s2時反而減小。由此可得出，在制動初速度為60～80 km/h、制動減速度為0.8～1.2 m/s2時具有更好的能量回收效果。

車型1在不同制動初速度和制動減速度下的再生率變化趨勢如圖5所示。從圖5可看出，不同制動初速度和制動減速度下的再生率變化趨勢與可再生率變化趨勢相同。

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

4.2.2 車型2制動能量回收特性

車型2在不同制動初速度和制動減速度下的可再生率變化趨勢如圖7所示。

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

車型2在不同制動初速度和制動減速度下的再生率變化趨勢如圖8所示。從圖8可看出，在不同制動初速度和制動減速度下的再生率變化趨勢與可再生率變化趨勢相同。

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

4.3 電動汽車制動能量回收潛力分析

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

5 結(jié)束語

在實際道路行駛中，制動工況的分布具有較為明顯的規(guī)律，使得再生制動的再生效果產(chǎn)生相應(yīng)的規(guī)律性變化。通過對制動過程中制動能量流的分析，提出了針對再生效果的評價方法和評價指標(biāo)。對2款裝有再生制動系統(tǒng)的電動汽車進(jìn)行了道路試驗，結(jié)果表明，不同車型的再生效果隨制動工況的變化趨勢基本一致，但在制動初速度與制動強度的分布區(qū)域有較明顯的差異。因此，在進(jìn)行電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計時應(yīng)考充分利用道路制動特性，以提高制動能量回收效率。

1王鵬宇.混合動力轎車再生制動系統(tǒng)研究:[學(xué)位論文].長春: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.輕度混合動力汽車再生制動系統(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.電動汽車制動能量回收與利用.客車技術(shù)與研究，2006，（3）:28～29.

5仇斌，陳全世.電動城市公交車制動能量回收評價方法.機械工程學(xué)報，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

電動汽車再生制動系統(tǒng)道路行駛制動能量回收

A

1000-3703（2014）12-0049-05

國家“863”項目:電動汽車測試評價技術(shù)研究（二）（2011AA11A286）；江蘇大學(xué)高級專業(yè)人才科研啟動基金項目（13JDG035）；江蘇大學(xué)高級專業(yè)人才科研啟動基金項目（13JDG036）。