張樹培，黃 璇，荊哲鋮

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)回收特性與能量流分析

張樹培，黃 璇，荊哲鋮

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車可以回收利用原本被制動(dòng)系統(tǒng)消耗的能量，從而降低能耗且提高整車的經(jīng)濟(jì)性。通過分析再生制動(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)性的全面的反應(yīng)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)，以某電動(dòng)汽車為例，通過試驗(yàn)明確了其再生制動(dòng)系統(tǒng)的能量流與回收特性的關(guān)系，對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供參考依據(jù)。

車輛工程；再生制動(dòng)系統(tǒng)；能量流；評(píng)價(jià)

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(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車能夠有效地回收原本被摩擦消耗的能量，可以降低油耗，且改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性[3]。再生制動(dòng)作為一個(gè)對(duì)電動(dòng)汽車節(jié)能減排不可缺少的環(huán)節(jié)，極具有重要性，目前已定型的電動(dòng)汽車均搭載了再生制動(dòng)系統(tǒng)。目前針對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的研究多處于仿真階段，且針對(duì)性不強(qiáng)，針對(duì)再生制動(dòng)的評(píng)價(jià)方法均存在不足之處，因此有必要對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析與研究。

通過分析再生制動(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)性的全面的反映再生制動(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)，以某電動(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。

1 再生制動(dòng)理論分析

1.1 制動(dòng)能量傳遞路徑

當(dāng)裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)裝置的車輛制動(dòng)時(shí)，整車的動(dòng)能除了一部分在制動(dòng)過程中克服輪胎滾動(dòng)阻力和空氣阻力消耗外，其余的能量由制動(dòng)系統(tǒng)消耗轉(zhuǎn)化為其它形式的能量。再生制動(dòng)時(shí)的能量平衡方程：

Ez=Ef+Ew+Eb

(1)

即:

(2)

式中：Ez為整車動(dòng)能；Ef為制動(dòng)過程中克服滾動(dòng)阻力消耗的能量；Ew為制動(dòng)過程中克服空氣阻力消耗的能量；Eb為制動(dòng)系統(tǒng)消耗的能量，即制動(dòng)能量；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；G為整車總重量；i為車道坡度；v為車速，m/s。

理論上制動(dòng)能量經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳遞和轉(zhuǎn)換后變成電能儲(chǔ)存到儲(chǔ)能裝置中被回收利用。

再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，且具體的結(jié)構(gòu)有所不同，但是各種再生制動(dòng)系統(tǒng)的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]。通過對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的分析與研究，可以確定能量的傳遞路徑：無論對(duì)于何種能量傳遞路徑的再生制動(dòng)系統(tǒng)，均通過如圖1路徑進(jìn)行能量傳遞。

圖1 制動(dòng)能量傳遞路徑

1.2 再生制動(dòng)能量流關(guān)系

為了全面且深入的了解再生制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，在論述的過程中，將制動(dòng)能量傳遞路徑有針對(duì)性的分解成三部分，逐一對(duì)其進(jìn)行分析：

1.2.1 整車動(dòng)能-制動(dòng)能量-驅(qū)動(dòng)車輪-半軸

能量流關(guān)系。再生制動(dòng)時(shí)，通過制動(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，這部分能量可以回生成電能進(jìn)而回收利用，定義半軸回生能量Et對(duì)其進(jìn)行描述，即：

Et=λ(Ez-Ef-Ew)

(3)

式中：λ為制動(dòng)力分配因子。

1.2.2 半軸-機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)-發(fā)電系統(tǒng)

能量流關(guān)系。該部分是將半軸上的機(jī)械能通過傳動(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，定義電池充電能量Er對(duì)其進(jìn)行描述，即：

Er=η1η2Et=η1η2λ(Ez-Ef-Ew)

(4)

式中：η1為機(jī)械傳遞效率；η2為發(fā)電效率。

1.2.3 發(fā)電系統(tǒng)-驅(qū)動(dòng)電池

能量流關(guān)系。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，即電池的充電效率，與再生制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)不大。定義電池回收能量Ec對(duì)其進(jìn)行描述，即：

Ec=η3Er=η1η2η3λ(Ez-Ef-Ew)

(5)

式中：η3為電池充電效率。

1.3 再生制動(dòng)回收特性評(píng)價(jià)方法

目前對(duì)于再生制動(dòng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，常用的有以下幾種：制動(dòng)能量回饋率[5]、能量回收利用率、回收率、制動(dòng)能量回收貢獻(xiàn)率[6]。再生制動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，且在此過程中制動(dòng)能量需要經(jīng)過多個(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[7]。而采用上述指標(biāo)來評(píng)價(jià)制動(dòng)能量回收效率并不能全面且有針對(duì)性的對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。例如：制動(dòng)能量回饋率、能量回收率利用率、回收率都只是片面的考慮了電動(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)過程中能量流的描述。制動(dòng)能量回收貢獻(xiàn)率考慮了再生制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)過程的各方面效率，但只是對(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)。

所以需要建立一套能夠有針對(duì)性的全面的反應(yīng)再生制動(dòng)系統(tǒng)回收特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，考慮到電動(dòng)汽車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電池的SOC(電池荷電量)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，在客觀上對(duì)于這部分能量很難準(zhǔn)確的檢測(cè)。電池的充電效率通常取某類儲(chǔ)能裝置在一定SOC值和溫度下的充放電平均能量效率，對(duì)于國內(nèi)大多數(shù)鋰離子動(dòng)力電池而言，在常用的SOC值范圍(0.2～0.8)內(nèi)平均能量效率85%～94%。因此按照制動(dòng)能量傳遞路徑及能量流關(guān)系將建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)分為3部分：

定義可回生率(制動(dòng)過程中半軸回生能量占整車動(dòng)能變化量的百分比)來對(duì)制動(dòng)能量傳遞路徑(1)進(jìn)行評(píng)價(jià)。即：

(6)

式中：Et為半軸回生能量，J；Ez為整車動(dòng)能變化量，J；T為半軸扭矩，N·m；n為半軸轉(zhuǎn)速，r/min；m為整車質(zhì)量，kg；v0為制動(dòng)初速度，m/s；v1為制動(dòng)末速度，m/s。

定義轉(zhuǎn)化率(制動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)電池充電能量占半軸回生能量的百分比)來對(duì)制動(dòng)能量傳遞路徑(2)進(jìn)行評(píng)價(jià)。即：

(7)

式中：Er為驅(qū)動(dòng)電池充電能量，J；U為驅(qū)動(dòng)電池充電電壓，V；I為驅(qū)動(dòng)電池充電電流，A；其他符號(hào)同前。

定義回生率(制動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)電池充電能量占整車動(dòng)能變化量的百分比)來對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。即：

(8)

2 再生制動(dòng)回生特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

2.1.1 參數(shù)的確定

根據(jù)式(6)～式(8)，需要分別檢測(cè)車速、制動(dòng)半軸扭矩及車輪轉(zhuǎn)速(驅(qū)動(dòng)車輪左右兩側(cè))與驅(qū)動(dòng)電池的充電電流及電壓，即可得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)為了獲取不同工況下的再生制動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，還需要檢測(cè)制動(dòng)踏板力與整車加速度。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備的選取

根據(jù)確定的檢測(cè)參數(shù)，需選取相應(yīng)的傳感器。為此，對(duì)現(xiàn)有的新能源汽車的主要參數(shù)進(jìn)行了廣泛地調(diào)研，根據(jù)所測(cè)參數(shù)的形式及測(cè)量范圍，選取的傳感器如表1。

表1 選取的傳感器

選取的檢測(cè)設(shè)備如圖2。

圖2 選取的傳感器

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。其中應(yīng)變儀為兩通道，是為了完成對(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1路32位計(jì)數(shù)器，分辨率為12位，采樣頻率可達(dá)150 kHz，其性能可完全滿足要求。。

2.2 試驗(yàn)方法的確定

試驗(yàn)條件按GB/T 12534有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，在不同初速度下進(jìn)行不同制動(dòng)強(qiáng)度的測(cè)試，統(tǒng)計(jì)與分析被測(cè)車輛再生制動(dòng)系統(tǒng)的能量流關(guān)系與回收特性。

2.3 試驗(yàn)車輛的確定

本次試驗(yàn)中采用裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)的某電動(dòng)汽車，整車質(zhì)量為1 400 kg，車身長度3.998 m，車身高度1.503 m，軸距2.5 m等，駕駛員選用中國汽車技術(shù)研究中心的專業(yè)駕駛員。

2.4 試驗(yàn)設(shè)備的安裝

確定好試驗(yàn)線路和試驗(yàn)車輛后，即進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備的安裝。檢測(cè)設(shè)備的安裝原理如下：

1) 確定車速傳感器的正向，通過傳感器上端的吸盤將其吸附在車輛的側(cè)面即可；

2) 通過踏板力傳感器兩側(cè)的尼龍粘帶將其固定于制動(dòng)踏板上，這種固定方式操作簡單，且牢靠；

3) 為了確保測(cè)試的準(zhǔn)確性，將陀螺儀布置于車輛質(zhì)心附近；

4) 由于電壓傳感器的型式為接觸式，需要與車輛線路直接接觸，同時(shí)為了防止出現(xiàn)故障，安裝時(shí)必須對(duì)被測(cè)車輛電路進(jìn)行分析，從而選定合適的接入點(diǎn)；

5) 由于電流傳感器的型式為非接觸式，因此只需確定驅(qū)動(dòng)電池的輸入端電纜，將電流傳感器裝夾于電纜上即可；

6) 由于MSC滑環(huán)集成了扭矩測(cè)量和轉(zhuǎn)速傳感器的功能，給安裝帶來了方便，將MSC滑環(huán)通過附帶的可調(diào)固定盤安裝在車輪外側(cè)；

7) 將固定式數(shù)據(jù)采集箱放置在后排座椅上，將各傳感器連接到數(shù)據(jù)采集箱的接口上，并用蓄電池對(duì)其進(jìn)行供電，用以采集與儲(chǔ)存測(cè)量數(shù)據(jù)。

3 再生制動(dòng)回收特性與能量流分析

3.1 再生制動(dòng)能量流分析

該試驗(yàn)電動(dòng)汽車不同制動(dòng)初速度下的再生制動(dòng)能量流變化關(guān)系如圖3。

圖3 電動(dòng)汽車不同制動(dòng)初速度下的再生制動(dòng)能量流關(guān)系

從圖3中可看出，隨著制動(dòng)初速度的提高，整車動(dòng)能變化量不斷增加，雖然風(fēng)阻滾阻及制動(dòng)器消耗能量逐漸增大，但半軸回生能量持續(xù)上升；機(jī)械傳動(dòng)與發(fā)電損失能量也逐漸增大，而電池充電能量依然持續(xù)上升。

該試驗(yàn)電動(dòng)汽車不同制動(dòng)減速度下的再生制動(dòng)能量流變化關(guān)系如圖4。

圖4 電動(dòng)汽車不同制動(dòng)減速度下的再生制動(dòng)能量流關(guān)系

從圖4中可看出，制動(dòng)減速度在0.2～1.4 m/s2時(shí)，隨著制動(dòng)減速度的提高，整車動(dòng)能變化量不斷增加，雖然風(fēng)阻滾阻及制動(dòng)器消耗能量逐漸增大，而半軸回生能量持續(xù)上升；機(jī)械傳動(dòng)與發(fā)電損失能量也逐漸增大，而電池充電能量依然持續(xù)上升。制動(dòng)減速度大于1.4 m/s2時(shí)，隨著制動(dòng)減速度的提高，整車動(dòng)能變化量開始下降，風(fēng)阻滾阻及制動(dòng)器消耗能量逐漸減小，而半軸回生能量持續(xù)變小；機(jī)械傳動(dòng)與發(fā)電損失能量也逐漸減小，電池充電能量持續(xù)變小。

3.2 再生制動(dòng)回收特性分析

該試驗(yàn)電動(dòng)汽車不同制動(dòng)初速度-制動(dòng)減速度下的可回生率變化趨勢(shì)如圖5。

圖5 電動(dòng)汽車可回生率變化趨勢(shì)

從圖5中可看出，該試驗(yàn)電動(dòng)汽車可回生率在制動(dòng)初速度15～60 km/h時(shí)逐漸增加，制動(dòng)初速度60～80 km/h時(shí)達(dá)到最大，制動(dòng)初速度80 km/h以上時(shí)反而變小?？苫厣试谥苿?dòng)減速度 0.2～0.8 m /s2時(shí)逐漸增加，制動(dòng)減速度0.8～1.2m /s2時(shí)達(dá)到最大，大于動(dòng)減速度1.2 m/s2時(shí)反而變小。制動(dòng)初速度60～80 km/h；制動(dòng)減速度0.8～1.2 m/s2時(shí)具有最佳效果。

該試驗(yàn)電動(dòng)汽車不同制動(dòng)初速度-制動(dòng)減速度下的回生率變化趨勢(shì)如圖6。

圖6 電動(dòng)汽車回生率

從圖6中可看出，該試驗(yàn)電動(dòng)汽車不同制動(dòng)初速度-制動(dòng)減速度下的回生率變化趨勢(shì)與可回生率變化趨勢(shì)相同。

該試驗(yàn)電動(dòng)汽車不同制動(dòng)初速度-制動(dòng)減速度下的轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)如圖7。

圖7 電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)

圖8 轉(zhuǎn)化率與制動(dòng)初速度的關(guān)系

從圖7與圖8中可看出，該試驗(yàn)電動(dòng)汽車不同制動(dòng)初速度-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)化率恒定，與理論分析相符。

3.3 制動(dòng)力分配關(guān)系分析

該試驗(yàn)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)力與總制動(dòng)力分配比例如圖9。

圖9 電動(dòng)汽車再生制動(dòng)力與總制動(dòng)力分配比例

從圖6與圖9中可看出，該試驗(yàn)電動(dòng)汽車回生率變化趨勢(shì)與再生制動(dòng)力與總制動(dòng)力分配比例變化趨勢(shì)相似。

該試驗(yàn)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)力與總制動(dòng)力分配比例與可回生率變化趨勢(shì)的相似度為0.960 5>0.95，具有較高的相關(guān)性。

4 結(jié) 語

從理論上分析了再生制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)的能量流關(guān)系，參考已有對(duì)再生制動(dòng)的評(píng)價(jià)方法，指出了其不足之處，并提出了針對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

搭建了再生制動(dòng)回收特性試驗(yàn)平臺(tái)，以某電動(dòng)汽車為例，分析了該試驗(yàn)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)能量流與制動(dòng)初速度、制動(dòng)減速度的關(guān)系、再生制動(dòng)系統(tǒng)的回收特性以及再生制動(dòng)力與總制動(dòng)力的分配比例。以上分析與結(jié)論可以為再生制動(dòng)系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供參考價(jià)值。

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Recovery Characteristics and Energy Flow of Electric Vehicle Regenerative Braking System Analysis

Zhang Shupei, Huang Xuan, Jing Zhecheng

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

Electric vehicle and hybrid electric vehicle equipped with regenerative braking system can recycle the energy originally consumed by the braking system to reduce energy consumption and improve the vehicle’s economy. Through analyzing the energy flow relationship of regenerative braking system braking and referring to the existing evaluation methods, a set of evaluation index which can targetedly and comprehensively response regenerative braking system recovery characteristics was put forward. Taking a electric car for example, through experiments the relationship of recovery characteristics and the regenerative braking energy flow was made clear, and the reference for the research and development of the regenerative braking system was provided.

vehicle engineering; regenerative braking system; energy flow; evaluation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.34

2013-10-24；

2013-11-25

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”項(xiàng)目(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)

張樹培(1979—)，男，江蘇徐州人，講師，博士，主要從事再生制動(dòng)、傳動(dòng)技術(shù)方面的研究。E-mail：zhangsp@ujs.edu.cn。

U467.1+1

A

1674-0696(2015)01-157-05