蘇航

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

純電動汽車制動能量回收效率試驗(yàn)方法研究

蘇航

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

建立純電動汽車制動能量回收效率的數(shù)學(xué)模型，通過3種試驗(yàn)方法對能量回收效率進(jìn)行分析，最后得出提高車輛制動能量回收效率的有效方法。

純電動汽車；能量回收效率；數(shù)學(xué)模型；試驗(yàn)方法

純電動汽車在正常運(yùn)行中，制動能量回收是其有別于傳統(tǒng)汽車的最大優(yōu)點(diǎn)。在制動能量回收的過程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，電能儲存于儲能裝置中，此部分能量可以再次用于驅(qū)動車輛運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用；而熱能則直接散發(fā)到環(huán)境中無法回收。制動能量回收可以增加車輛的續(xù)駛里程，提高能源的利用率[1]。如何將制動過程中的機(jī)械能盡可能轉(zhuǎn)換成電能是新能源汽車發(fā)展過程中重點(diǎn)關(guān)注的問題。通過試驗(yàn)研究推動能量回收策略的完善是制動能量回收研究中的一個重要方法。

1 能量回收評價模型的建立

1.1 能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

車輛在驅(qū)動行駛過程中，能量變化情況[2-3]如下：

其中：總驅(qū)動能量為Et，Et克服滾動阻力能量Ef、空氣阻力能量ED和加速阻力能量Ema后，剩余的能量為整車動能Ek。

制動時，行駛阻力與制動系統(tǒng)施加的制動力共同使車輛減速，動能除了克服行駛阻力消耗一部分能量外[4]，對于沒有配備制動能量回收系統(tǒng)的車輛來說，剩余動能會由摩擦制動系統(tǒng)消耗，轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)到環(huán)境中。而純電動汽車制動時則可通過制動能量回收系統(tǒng)將消耗的能量加以回收，即通過電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)換成電能儲存起來進(jìn)行再利用?；厥盏碾娔芸梢栽谝欢ǔ潭壬辖档蛙囕v對儲能量的需求，從而降低整車能耗。

配備能量回收系統(tǒng)的電動汽車在制動過程[5]中，開啟制動能量回收功能后，電機(jī)由控制策略轉(zhuǎn)換工作模式作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，利用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩可使車輛減速或者停車；同時，該過程中產(chǎn)生的反向電流可為儲能裝置充電從而實(shí)現(xiàn)制動能量轉(zhuǎn)換為電能。目前，電動汽車上使用的能量回收系統(tǒng)多為再生氣壓混合制動系統(tǒng)[6]，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 能量回收能量流示意圖

1.2 能量回收評價模型

能量回收效率η為車輛減速行駛、制動過程中回收的理論制動能量Ebr占最大理論制動能量Etb的比值。該模型反映了能量回收系統(tǒng)的傳遞效率，同時也考察了電動汽車在制動過程中通過電機(jī)發(fā)電可轉(zhuǎn)化多少電能：

其中：車輛制動過程中儲能裝置的理論充電能量、Ebr=∫I×Udt/1 000。

式中：I為車輛制動過程中儲能裝置的瞬時充電電流，A；U為車輛制動過程中儲能裝置的瞬時充電電壓，V。

Etb為車輛制動過程中的最大理論制動能量，可通過車輛在制動過程中的動能變化量Ekr扣除該過程中行駛阻力所消耗的能量獲得，即：

式中：v為車輛制動過程中的瞬時車速，km/h；F為車輛制動過程中的瞬時行駛阻力，N；Ekr為車輛制動過程中動能變化量，Ekr的計(jì)算如下所示；

式中：m為車輛基準(zhǔn)質(zhì)量，kg；v1、v2為制動過程中的始末車速，km/h；Ek1、Ek2為制動過程中的始末動能。

2 試驗(yàn)分析

目前，整車性能研究手段主要分為3種[7]：道路試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真和轉(zhuǎn)鼓臺架試驗(yàn)。由于轉(zhuǎn)鼓臺架試驗(yàn)具有道路試驗(yàn)無法復(fù)現(xiàn)的模擬路況及計(jì)算機(jī)仿真無法提供的實(shí)車環(huán)境，因此，本文采用轉(zhuǎn)鼓臺架試驗(yàn)作為制動能量回收效率的研究手段。另外，考慮到車輛在實(shí)際使用過程中可能遇到的路況、制動檔位策略和急減速工況的情況，本文提出了3種研究車輛能量回收效率的試驗(yàn)方法，即標(biāo)準(zhǔn)工況試驗(yàn)、制動控制策略試驗(yàn)和急減速工況試驗(yàn)。通過不同的試驗(yàn)方法得到提高車輛能量回收效率的有效途徑。研究對象為某款12 m純電動客車，該車型參數(shù)為：滿載18 000 kg，等速續(xù)駛里程200 km，百公里電耗50 kW·h，電機(jī)的額定功率為180 kW/1 500 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1 500 N·m/1 000 r/min。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)工況試驗(yàn)

試驗(yàn)車輛在轉(zhuǎn)鼓臺架上運(yùn)行C-WTVC[8]工況循環(huán)，功率計(jì)接在儲能裝置端，設(shè)定記錄頻率為10 Hz。CWTVC工況由市區(qū)循環(huán)，公路循環(huán)和高速循環(huán)三部分構(gòu)成，每個循環(huán)里有不同的制動減速度，循環(huán)工況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征如圖2所示，將減速過程分區(qū)進(jìn)行制動能量回收研究。試驗(yàn)中采集運(yùn)行過程中的車速、里程、電壓、電流、儲能端的電能量變化量，計(jì)算車輛制動過程中所有減速階段的實(shí)際總動能變化量Ekr和實(shí)際總充電電能量Ebr，進(jìn)而計(jì)算整車的制動能量回收效率η。

圖2C-WTVC循環(huán)曲線

表1 工況循環(huán)能量回收效率試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共進(jìn)行3次，數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1，試驗(yàn)結(jié)果顯示，該純電動客車的制動能量回收效率可以達(dá)到平均50%左右，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性很好。

當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)鼓臺架上運(yùn)行時，能量回收效率處于較高水平，但駕駛員根據(jù)工況曲線進(jìn)行頻繁的加減速操作，車輛的平順性并不好，減少了舒適性，卻增加了制動能量回收功能的工作次數(shù)和回收的能量。在兼顧車輛的平順性和舒適性的同時，又為了使車輛具有較高的能量回收效率，便需要調(diào)整制動策略，降低人為操縱車輛的影響，使車輛在制動時根據(jù)需要快速調(diào)整制動力和電機(jī)的發(fā)電效率，增強(qiáng)車輛的制動能量回收效果。

下面，在對車輛的能量回收效率策略的調(diào)整中，將通過試驗(yàn)分別對制動力檔位和急減速工況在制動能量回收的效率方面進(jìn)行研究。

2.2 不同制動力檔位下的制動控制策略試驗(yàn)

電機(jī)再生制動能力的大小受車速、電機(jī)的發(fā)電轉(zhuǎn)矩、儲能裝置SOC[9]及充電倍率限制的影響。在策略中設(shè)定，當(dāng)車速較低時，電機(jī)工作效率較低，此時不進(jìn)行能量回收；當(dāng)車速大于5 km/h時，才進(jìn)行能量回收，且制動的最大轉(zhuǎn)矩不超過電機(jī)的最大發(fā)電轉(zhuǎn)矩Tm；當(dāng)儲能裝置SOC達(dá)到95%時，因儲能裝置電量充足，策略判斷不再進(jìn)行制動能量回收；無論何種情況，制動能量回收時電池的充電電流均不能超過廠家規(guī)定的最大充電倍率。

車輛的制動轉(zhuǎn)矩大小應(yīng)由以下模型進(jìn)行判斷：在整車策略中，車輛根據(jù)駕駛員所踩剎車踏板的開度[10]、油門踏板的開度（用于滑行時制動能量回收的判斷）及當(dāng)前車速進(jìn)行查表計(jì)算制動轉(zhuǎn)矩，且電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩的上限值Tmax需符合以下公式的判定：

Tmax=min（TECE，Tm，Tbat）

式中：TECE為制動法規(guī)允許的最大制動轉(zhuǎn)矩；Tm為電機(jī)允許的最大制動轉(zhuǎn)矩；Tbat為儲能裝置允許的充電倍率所對應(yīng)的電機(jī)最大制動轉(zhuǎn)矩。本文中TECE為600 N·m，Tm為電機(jī)的外特性，Tbat是根據(jù)動力電池管理系統(tǒng)BMS實(shí)時發(fā)出的充電功率對應(yīng)的最大制動扭矩，是一個隨電池運(yùn)行環(huán)境變化的函數(shù)。

根據(jù)以上分析，在Matlab/Simulink搭建車輛能量回收控制模塊，見圖3，根據(jù)制動踏板位置和車速查表得出制動力系數(shù)，以制動力系數(shù)與剩余電量查表獲得的系數(shù)來確定制動力矩系數(shù)，通過油門踏板的開度和變化率以及車速確定滑行制動的扭矩系數(shù)。制動扭矩系數(shù)與固定制動力矩的乘積即為電機(jī)實(shí)際需求的制動扭矩。

圖3 制動能量回收控制模塊

現(xiàn)研究制動力大小對制動能量回收效率的影響，在試驗(yàn)中對制動踏板的響應(yīng)分別設(shè)定無制動力（滑行）、制動一檔和制動二檔，不同檔位對應(yīng)不同的制動力，并在策略中進(jìn)行設(shè)定。對車輛分別進(jìn)行60～10 km/h、30～10 km/h、20～10 km/h區(qū)間段的能量回收試驗(yàn)，計(jì)算制動能量過程中的實(shí)際總動能變化量Ekr和實(shí)際總電能量Ebr，數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，隨著電機(jī)制動檔位的增加，制動能量回收率有增加的趨勢；當(dāng)設(shè)定相同制動檔位的制動力時，車輛在低速下的制動能量回收率相比高速下的制動略高，低速的回收率較大，因?yàn)楦咚傧萝囕v有更多的制動由氣制動完成而非電機(jī)制動，即能量回收。

表2 制動控制策略試驗(yàn)

因此，在制動策略制定的時候應(yīng)考慮在滿足制動安全性的前提下，盡可能地采用電機(jī)制動；高速情況下電機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩應(yīng)加大，即制動時電機(jī)盡量處于發(fā)電模式的高效工作區(qū)間。

2.3 急減速工況試驗(yàn)

考慮到車輛運(yùn)行中頻繁發(fā)生的急減速工況，試驗(yàn)研究在急減速中的車輛的制動能量回收情況。試驗(yàn)方法為將車輛加速到60 km/h后分別在不同的減速度工況下測試制動能量回收效率。

計(jì)算制動能量過程中的實(shí)際總動能變化量Ekr和實(shí)際總電能量Ebr，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，車輛在急減速過程中，減速度越大，制動能量回收效率越小，在現(xiàn)有的策略中減速度越大，氣制動占比較大，電機(jī)制動占比較小。

表3 急減速工況試驗(yàn)

因此，在制動策略制定的時候要考慮在滿足制動安全性的同時，應(yīng)盡可能縮短電機(jī)制動響應(yīng)時間，加大電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩，提高能源利用效率。

3 結(jié)論

綜上所述，試驗(yàn)研究中，試驗(yàn)車輛在制動過程中的能量回收效率還有改善的空間，可以從以下3個方面提高車輛的實(shí)際能量回收效率。

1）保證安全性的前提下，應(yīng)盡可能地采用電機(jī)再生制動，增加制動過程中的電機(jī)制動比例。

2）縮短電機(jī)制動響應(yīng)時間，加大電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩，即調(diào)整制動力檔位并使制動工作在電機(jī)發(fā)電的高效區(qū)。

3）駕駛中根據(jù)需要提前減速，盡量避免急減速可提高制動能量回收率。

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修改稿日期：2017-03-23

Research on Test Method of Braking Energy Recovery Efficiency for PureElectricVehicle

Su Hang
（Xiamen KingLongUnited Automotive IndustryCo.,Ltd,Xiamen 361023,China）

The authors establish the mathematical model of the pure electric vehicle braking energy recovery efficiency.Through the three test methods,they analyze the energy recovery efficiency and finally they get the effective method toimprove the efficiencyofthe vehicle brakingenergyrecovery.

pure electric vehicle;energyregeneration;mathematical model;test method

U469.72

A

1006-3331（2017）03-0050-03

蘇航（1988-），男；主要從事客車動力系統(tǒng)相關(guān)試驗(yàn)研究工作。