張樹培，黃 璇，荊哲鋮，張 瑋

(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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城市道路與NEDC工況的制動(dòng)能量回生率差異分析

張樹培，黃 璇，荊哲鋮，張 瑋

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

通過(guò)城市道路和NEDC測(cè)試工況下再生制動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)兩者的再生制動(dòng)差異性進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：NEDC測(cè)試工況與城市道路工況的再生制動(dòng)差異性較大，實(shí)車道路工況制動(dòng)強(qiáng)度分布更廣，須構(gòu)建適合的針對(duì)再生制動(dòng)的模態(tài)工況。

車輛工程；NEDC；再生制動(dòng)；測(cè)試工況

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)在發(fā)電模式下工作，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，以實(shí)現(xiàn)能量的再生利用的過(guò)程[1]。在制動(dòng)頻繁的城市工況下，制動(dòng)過(guò)程消耗能量占整車牽引過(guò)程中產(chǎn)生有效能量的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，可降低能耗，且改善車輛的經(jīng)濟(jì)性[3]，增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

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)。且再生制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性有重要的影響。再生制動(dòng)的研究和檢測(cè)國(guó)際上還沒(méi)有一套公認(rèn)的測(cè)試工況，對(duì)于這方面的研究主要是采用歐洲NEDC循環(huán)工況來(lái)代替，而NEDC循環(huán)工況是用于傳統(tǒng)車型排放與能耗的測(cè)試，其能否反映再生制動(dòng)有待于進(jìn)一步研究。

筆者通過(guò)裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車進(jìn)行了城市道路和NEDC測(cè)試工況下再生制動(dòng)檢測(cè)兩類試驗(yàn)。對(duì)比了再生制動(dòng)的差異性，分析了差異產(chǎn)生的原因，并對(duì)再生制動(dòng)在試車道路中的制動(dòng)強(qiáng)度分布做了相應(yīng)的分析。

1 檢測(cè)平臺(tái)的搭建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

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(guò)對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的分析與研究，可將其制動(dòng)能量傳遞路線分成三部分，即：驅(qū)動(dòng)車輪-半軸-機(jī)械傳動(dòng)裝置；電機(jī)/發(fā)電機(jī)-電機(jī)/發(fā)電機(jī)控制器-逆變器；驅(qū)動(dòng)電池。無(wú)論對(duì)于何種能量傳遞路徑的再生制動(dòng)系統(tǒng)，均通過(guò)上述三部分進(jìn)行能量傳遞。

目前對(duì)于再生制動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，常用的有以下幾種：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]。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)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，因此采用上述指標(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、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(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)率考慮了再生制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)過(guò)程的各方面效率，但只是對(duì)電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車經(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)。

因此，為全面且有針對(duì)性的評(píng)價(jià)再生制動(dòng)系統(tǒng)，按照統(tǒng)一的再生制動(dòng)路線及能量流關(guān)系將建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)分為以下三部分。

1.1.1 驅(qū)動(dòng)車輪-半軸

能量流關(guān)系：再生制動(dòng)時(shí)，通過(guò)制動(dòng)力分配控制策略后，制動(dòng)能量的部分能量由驅(qū)動(dòng)車輪傳遞到半軸，以機(jī)械能的形式存在，這部分能量可以被回生利用，且能夠反映再生制動(dòng)控制策略的性能。定義可回生率(制動(dòng)過(guò)程中半軸回生能量占整車動(dòng)能變化量的百分比)進(jìn)行評(píng)價(jià)。即：

(1)

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。

1.1.2 半軸-機(jī)械傳動(dòng)裝置-電機(jī)/發(fā)電機(jī)-電機(jī)/發(fā)電機(jī)控制器-逆變器

能量流關(guān)系：是將半軸上的機(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，取決于再生系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。定義轉(zhuǎn)化率(制動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電池充電能量占半軸回生能量的百分比)進(jìn)行評(píng)價(jià)。即：

(2)

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。

1.1.3 逆變器-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。而且由于電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電池的SOC(電池電量)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)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(guó)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%，因此沒(méi)有必要對(duì)電池的充電效率進(jìn)行額外的評(píng)價(jià)。

1.1.4 驅(qū)動(dòng)車輪-逆變器

能量流關(guān)系：再生制動(dòng)時(shí)，通過(guò)制動(dòng)力分配控制策略，制動(dòng)能量由驅(qū)動(dòng)車輪傳遞到半軸，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能。此路線基本關(guān)聯(lián)了再生制動(dòng)系統(tǒng)所有子系統(tǒng)，反映再生制動(dòng)系統(tǒng)整體的制動(dòng)能量回收效率。定義回生率(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)進(jìn)行評(píng)價(jià)。即：

(3)

1.2 檢測(cè)參數(shù)的確定

根據(jù)式(1)～式(3)，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。

1.3 試驗(yàn)方法

再生制動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)主要經(jīng)過(guò)如下5個(gè)步驟：試驗(yàn)方法的確定、道路試驗(yàn)路線的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)車輛的確定、試驗(yàn)設(shè)備的安裝、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

1.3.1 道路試驗(yàn)方法的確定

鑒于試驗(yàn)的實(shí)際情況，采用了平均車流統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行道路試驗(yàn)，即選擇駕駛員駕駛試驗(yàn)用車，在選定的時(shí)間段以及按照制定的試驗(yàn)路線隨平均車流行駛。該方法操作方便，具備一定的主動(dòng)性，但需要規(guī)劃試驗(yàn)路線。

1.3.2 NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)形式

使用試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)制動(dòng)能量回收效果具有安全、便捷、成本低等特點(diǎn)，而且不受自然條件的影響且試驗(yàn)的重復(fù)性好，是未來(lái)汽車檢測(cè)的一個(gè)發(fā)展方向，本次NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)選在單軸慣性式底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行。

1.3.3 道路試驗(yàn)路線的設(shè)計(jì)

采用平均車流統(tǒng)計(jì)法數(shù)據(jù)獲取方式，那么試驗(yàn)路線的確定將至關(guān)重要，需要對(duì)道路進(jìn)行調(diào)研。調(diào)研的目的是從許多條道路中篩選出代表性的試驗(yàn)路線，這種路線反映了車輛在道路上的空間和時(shí)間規(guī)律，其結(jié)果能夠以少量試驗(yàn)獲得能夠代表全局特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。本次試驗(yàn)在天津進(jìn)行，試驗(yàn)前對(duì)天津城市各個(gè)道路進(jìn)行全面的調(diào)研，并設(shè)計(jì)具有普遍性與代表性的試驗(yàn)路線。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

1.4.1 采樣頻率的確定

考慮到各傳感器頻率及所采集的數(shù)據(jù)量必須能夠反映所測(cè)參數(shù)的需求，確定采集系統(tǒng)的采樣頻率為10 Hz。

1.4.2 道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)量的確定

從理論上來(lái)講，采集的數(shù)據(jù)越多，結(jié)果越準(zhǔn)確。但是當(dāng)采集的數(shù)據(jù)量達(dá)到一定值后，即使增加數(shù)據(jù)量，準(zhǔn)確性也不會(huì)獲得很大提高，國(guó)外類似試驗(yàn)數(shù)據(jù)量參閱文獻(xiàn)[6-7]。同時(shí)由于客觀條件的限制，采集的數(shù)據(jù)量也是有限的。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量多采集數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Data processing

2 城市道路試驗(yàn)的再生制動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

依照規(guī)劃路徑，使用本項(xiàng)目組開發(fā)的“車載式電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)檢測(cè)儀”，對(duì)道路試驗(yàn)制動(dòng)工況的所需指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并處理相應(yīng)結(jié)果。

獲取再生制動(dòng)相應(yīng)指標(biāo)與制動(dòng)工況之間的關(guān)系曲面，見圖2、圖3。

圖2 可回生率Fig.2 Probable regenerative rate

圖3 回生率Fig.3 Regenerative rate

由某電動(dòng)汽車在天津市區(qū)按照指定的路線進(jìn)行的道路試驗(yàn)中，計(jì)算出道路試驗(yàn)的再生制動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的結(jié)果：可回生率為35.12%，回生率為26.29%，轉(zhuǎn)化率為78.58%。

3 基于NEDC的再生制動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

底盤測(cè)功機(jī)NEDC測(cè)試循環(huán)車速變化曲線如圖4。

圖4 NEDC循環(huán)車速變化曲線Fig.4 NEDC cycles speed change curve

底盤測(cè)功機(jī)NEDC測(cè)試循環(huán)再生制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 NEDC測(cè)試循環(huán)再生制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

(續(xù)表1)

序號(hào)時(shí)間間隔/s起—止車速/(km·h-1)電池充電能量/kJ半軸回生能量/kJ整車動(dòng)能變化量/kJ17971.72—53.7472.2888.72137.441841120.33—0372.07434.321019.85

NEDC測(cè)試循環(huán)各評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 NEDC測(cè)試循環(huán)各評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果

4 城市道路與NEDC測(cè)試工況下再生制動(dòng)差異性分析

4.1 結(jié)果分析

天津城市道路與NEDC測(cè)試工況下各評(píng)價(jià)指標(biāo)誤差如表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)誤差分析

由表3誤差分析結(jié)果可看出：天津城市道路與NEDC循環(huán)工況平均可回生率、回生率的差異較大；而兩者的轉(zhuǎn)化率的誤差為5.46%，這是由于再生制動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率只取決于傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞效率及發(fā)電系統(tǒng)的效率，這部分效率應(yīng)為恒定值，因此某電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)化率應(yīng)為80%左右。

4.2 原因分析

在道路試驗(yàn)中制動(dòng)工況較為復(fù)雜(圖5)，制動(dòng)強(qiáng)度分布較廣。傳統(tǒng)車在制動(dòng)過(guò)程中并不影響經(jīng)濟(jì)性，因此在針對(duì)傳統(tǒng)車的NEDC循環(huán)中，制動(dòng)強(qiáng)度較為單一，覆蓋面較小。因此道路試驗(yàn)與NEDC循環(huán)試驗(yàn)，在制動(dòng)能量回收的關(guān)鍵參數(shù)上有較大的差異。此外，區(qū)域道路的交通狀況和駕駛者的操作偏差也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成一定的影響。因此天津城市道路與NEDC測(cè)試工況下再生制動(dòng)具有較大的差異。

圖5 制動(dòng)減速度概率分布

裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車在制動(dòng)中能量的回收直接影響其經(jīng)濟(jì)性。所以NEDC循環(huán)工況不能準(zhǔn)確反映城市道路的再生制動(dòng)效果，從而不適合用于再生制動(dòng)研究與檢測(cè)的測(cè)試工況。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者通過(guò)大量實(shí)車道路試驗(yàn)與NEDC循環(huán)工況實(shí)驗(yàn)，對(duì)針對(duì)再生制動(dòng)回生效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)做了相應(yīng)的對(duì)比，并進(jìn)行了偏差分析。分析了產(chǎn)生較大偏差的原因。并提出NEDC不適用于裝有再生制動(dòng)的電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)的檢測(cè)與評(píng)價(jià)，需要針對(duì)再生制動(dòng)構(gòu)建適合的模態(tài)工況。并獲取了實(shí)車道路試驗(yàn)中制動(dòng)強(qiáng)度的概率分布。對(duì)修正NEDC下的再生制動(dòng)檢測(cè)結(jié)果和構(gòu)建針對(duì)再生制動(dòng)的模態(tài)循環(huán)工況提供了參考依據(jù)。

[1] 王鵬宇.混合動(dòng)力轎車再生制動(dòng)系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2008. Wang Pengyu.Research on Hybrid Regenerative Braking System[D].Changchun:Jilin University,2008.

[2] Gao Yinmin,Chen Liping,Ehsani M.Investigation of the effectiveness of regenerative braking for EV and HEV [J] .SAE Paper,1999(1):291-296.

[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[D].重慶:重慶大學(xué),2005. Zhan Xun.Regenerative Braking System Modeling and Simulation of Mild Hybrid Electric Vehicle[D].Chongqing:Chongqing University,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[J].客車技術(shù)與研究,2006(3):28-29. Gong Yangning,Yang Haibo,Yang Jing.Braking energy recovery and utilization of electric vehicle[J].Bus Technology and Research,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[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(16):81-84. Qiu Bin,Chen Quanshi.Evaluation method of electric city bus braking energy recovery[J].Journal of Mechanical Engineering,2012,48(16):81-84.

[6] Dre M.In actual use car testing:70000 kilometers and 10000 trips by 55 french cars under real conditions [J].SAE Technical Paper,1999(1):39-45.

[7] Swiss Agency for Environment,Forests and Landscape (SAEFL).Real World Dring Cycles for Emission Measurement(final report)[R].Swiss:Artemis and Swiss Cycles,2001.

Difference Analysis of Brake Energy Regeneration Rate between Urban Road Conditions and NEDC

Zhang Shupei, Huang Xuan, Jing Zhecheng,Zhang Wei

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

Through regenerative braking tests of urban roads and NEDC test cycles, the two differences of regenerative braking were compared and analyzed. The results show that, the difference of regenerative braking between NEDC test cycle and urban road conditions is large. The real vehicle braking intensity distribution is of a broader condition. A suitable modality for regenerative braking conditions shall be built.

vehicle engineering; NEDC; regenerative braking; test conditions

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.28

2013-03-26；

2013-04-26

收稿日期：“863”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(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(13JDG035，13JDG036)

張樹培(1979—)，男，江蘇徐州人，講師，博士，主要從事車輛再生制動(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)02-133-04