趙國(guó)宇，張軼，郭斌，楊興旺

（1.吉林省實(shí)驗(yàn)中學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022；2. 一汽技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011）

純電動(dòng)轎車(chē)制動(dòng)能量回收試驗(yàn)研究

趙國(guó)宇，張軼，郭斌，楊興旺

（1.吉林省實(shí)驗(yàn)中學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022；2. 一汽技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011）

制動(dòng)能量回收是純電動(dòng)汽車(chē)的一項(xiàng)重要節(jié)能措施，以此延長(zhǎng)了車(chē)輛的純電動(dòng)續(xù)駛里程。文章首先分析了制動(dòng)能量回收的原理，提出了制動(dòng)能量回收率評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以某車(chē)型純電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象，進(jìn)行了制動(dòng)能量回收試驗(yàn)研究，并驗(yàn)證了制動(dòng)能量回收效果。為后續(xù)分析主要部件效率提供了參考。

純電動(dòng)汽車(chē)；制動(dòng)能量回收；試驗(yàn)研究

Abstract:Regenerative braking is an important energy-saving measure for battery electric vehicle, which extends the pure electric driving range. The regenerative braking principle was firstly analyzed in this paper, the evaluation index of regenerative braking recovery was proposed also. The testing study on regenerative braking was done based on specified sedan battery electric vehicle, the results of regenerative braking were validated and as reference for efficiency of main components in next step.

Keywords: Battery Electric Vehicle; Regenerative Braking; Testing Study

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-117-03

1 概述

電動(dòng)車(chē)因其節(jié)能、環(huán)保、簡(jiǎn)潔、實(shí)用而深受人們的喜愛(ài)，所以在我國(guó)普及非常迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)新能源車(chē)產(chǎn)量為51.7萬(wàn)輛，銷(xiāo)售50.7萬(wàn)輛，比上年同期分別增長(zhǎng)51.7%和53%。其中，純電動(dòng)乘用車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成26.3萬(wàn)輛和25.7萬(wàn)輛，比上年同期分別增長(zhǎng)73.1%和75.1%[1]。

在電動(dòng)車(chē)中涉及到電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等許多方面的物理知識(shí)，尤其是電動(dòng)車(chē)裝配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有驅(qū)動(dòng)和發(fā)電功能，再配上高能量密度的鋰離子電池，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)能量通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電向動(dòng)力電池饋電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，并將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲(chǔ)在動(dòng)力電池里，供車(chē)輛驅(qū)動(dòng)或加速時(shí)使用。因此，制動(dòng)能量回收電能是電動(dòng)車(chē)節(jié)能最有效的途徑之一。

本文以某車(chē)型純電動(dòng)汽車(chē)為例，分析純電動(dòng)車(chē)制動(dòng)能量回收原理，提出制動(dòng)能量回收率評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展了制動(dòng)能量回收實(shí)驗(yàn)研究，并驗(yàn)證了制動(dòng)能量回收效果。為后續(xù)分析部件效率以及各因素對(duì)電耗的影響提供了參考。對(duì)于提高系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)更環(huán)保、更節(jié)能、更高效具有十分重要的意義。

2 制動(dòng)能量回收原理

2.1 純電動(dòng)汽車(chē)構(gòu)成

圖1 純電動(dòng)汽車(chē)[2]

純電動(dòng)汽車(chē)是由動(dòng)力蓄電池（二次電池，常用高能量密度的鋰離子電池）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器以及能量管理系統(tǒng)等組成，如圖1所示。能量的補(bǔ)充方式為充電，可在充電站或停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行，具有快充和慢充兩種方式。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)被拖動(dòng)時(shí)，可以發(fā)電，因此純電動(dòng)汽車(chē)一般都帶有可回收減速和下坡時(shí)制動(dòng)能量回收（再生）系統(tǒng)。

純電動(dòng)汽車(chē)的電路可以分為如圖2所示的三部分。第一部分為由主電源到電動(dòng)機(jī)的電路；第二部分為主電源—＞DC/DC轉(zhuǎn)換器—＞汽車(chē)電器設(shè)備用電源—＞電器設(shè)備（如前后燈、雨刮等）；第三部分為制動(dòng)能量回收發(fā)電機(jī)到主電源部分的電路。

圖2 純電動(dòng)汽車(chē)電路示意圖[2]

2.2 制動(dòng)能量回收原理

車(chē)輛運(yùn)行時(shí)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)要求輸出的總驅(qū)動(dòng)能量為 Ed_t，Ed_t因克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力消耗一部分后，剩余的能量轉(zhuǎn)換為整車(chē)的動(dòng)能，其能量流示意圖如圖3所示，其關(guān)系式為：

式中：Ed_t為總驅(qū)動(dòng)能

Ed_f為滾動(dòng)阻力消耗能量

Ed_w為空氣阻力消耗能量

Ek為整車(chē)動(dòng)能

當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，整車(chē)所具有的動(dòng)能Ek，一部分克服輪胎的滾動(dòng)阻力和空氣阻力，另一部分則由制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，其能量流為：

式中：Eb_f為制動(dòng)狀態(tài)下克服滾動(dòng)阻力所消耗的能量

Eb_w為制動(dòng)狀態(tài)下克服空氣阻力所消耗的能量

Eb為制動(dòng)系統(tǒng)消耗能量

由式（2.1）、式（2.2）可以得到：

式中：Ef為滾動(dòng)阻力消耗能量

Ew為空氣阻力消耗能量

對(duì)于沒(méi)有制動(dòng)能量回收功能的傳統(tǒng)車(chē)輛來(lái)說(shuō)，Eb完全由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)所消耗，但是對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，可以通過(guò)制動(dòng)能量回收將Eb中的一部分能量加以回收利用。制動(dòng)時(shí)將電機(jī)回收的能量通過(guò)儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)起來(lái)，待下一時(shí)刻需要驅(qū)動(dòng)能量時(shí)再加以利用。因此Eb的能量流關(guān)系為：

式中：Ebf_H為前軸液壓制動(dòng)力消耗的能量

Ebr_H為后軸液壓制動(dòng)力消耗的能量

Eb_T為驅(qū)動(dòng)輪處回收的能量

Eb_T這部分能量還要依次經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(含電動(dòng)機(jī)及控制器)的傳遞和轉(zhuǎn)換后才能變成電能儲(chǔ)存到儲(chǔ)能裝置中。所以_bTE實(shí)際上可看成是制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的凈輸入，由于傳動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)不可避免地存在能量損失，而電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在發(fā)電過(guò)程中也存在能量損失，因此最終充入儲(chǔ)能裝置中的那部分電能只是Eb_T中的一部分。而充入儲(chǔ)能裝置的這部分電能在重新被動(dòng)力系統(tǒng)利用時(shí)還存在儲(chǔ)能裝置的放電能量損失、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量損失和傳動(dòng)系統(tǒng)的能量損失等因素，這些因素在分析制動(dòng)能量回收效率時(shí)都需要加以考慮。由于回收并儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中的這部分能量可以替代部分驅(qū)動(dòng)能量，純電動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力系統(tǒng)所需要直接提供的能量就少于總驅(qū)動(dòng)能量Eb_T。

因此，需要設(shè)計(jì)一套制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從駕駛員制動(dòng)需求，即所需的制動(dòng)力中計(jì)算出，通過(guò)車(chē)輪和動(dòng)力傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電后，由逆變器輸出到電池中的能量，即圖3中的綠線部分。

圖3 純電動(dòng)汽車(chē)能量流示意圖

純電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的組成原理框圖如圖4示?？蓪⑵?chē)剎車(chē)制動(dòng)、下坡滑行、高速運(yùn)行及減速運(yùn)行等狀態(tài)下的部分能量轉(zhuǎn)化為電能反充給動(dòng)力電池，可有效利用能源，提高純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。

圖4 電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)原理圖[2]

3 制動(dòng)能量回收試驗(yàn)研究

3.1 制動(dòng)能量回收率定義

在圖3中，可以看出能量流有消耗流和回收流，為了全面評(píng)價(jià)制動(dòng)能量回收效率，引入制動(dòng)能量回收率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用來(lái)評(píng)價(jià)回收的能量占制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)系統(tǒng)消耗的能量的比值。其定義如下：在整個(gè)循環(huán)工況下的總制動(dòng)能量Eb中被電機(jī)回收的能量Eb_B在Ek中所占的比例。即，制動(dòng)能量回收率為：

式中：ζ為制動(dòng)能量回收率；

Eb_B制動(dòng)能量中電機(jī)回收能量：是指逆變器與直流母線連接端的能量；由電池能量可知，。

Ek制動(dòng)消耗能量：是指制動(dòng)過(guò)程中整車(chē)動(dòng)能以標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況中的速度計(jì)算；

M車(chē)輛質(zhì)量；

U電池電壓

I制動(dòng)過(guò)程中回收能量時(shí)電池電流；

vt制動(dòng)過(guò)程中的末速度；

v0制動(dòng)過(guò)程中的初速度。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

3.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

表1 某純電動(dòng)整車(chē)與總成主要參數(shù)

以某車(chē)型純電動(dòng)汽車(chē)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，基本參數(shù)表1所示。實(shí)驗(yàn)條件，包括車(chē)輛狀態(tài)、環(huán)境要求、動(dòng)力蓄電池的初次充電等參考標(biāo)準(zhǔn)[3]執(zhí)行。

3.2.2 電池充電

車(chē)輛指示充滿電狀態(tài)，記錄完成時(shí)刻，4h內(nèi)開(kāi)始試驗(yàn)。

3.2.3 設(shè)備連接、設(shè)置及變量測(cè)量

（1）動(dòng)力電池電流：電流鉗安裝在電池與電機(jī)控制器相連的母線正負(fù)極端，精度0.3%；

（2）動(dòng)力電池電壓：測(cè)量點(diǎn)選擇在動(dòng)力電池正負(fù)極端，精度0.1%；

（3）速度：采用城市綜合標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況車(chē)速[3]；

（4）車(chē)輛質(zhì)量：參照GB／T 12674一90汽車(chē)質(zhì)量測(cè)定方法。

3.2.4 試驗(yàn)循環(huán)

圖5 城市綜合標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況圖

試驗(yàn)循環(huán)采用城市綜合標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況，該工況是由4個(gè)市區(qū)循環(huán)和1個(gè)市郊循環(huán)程序組成，如圖5所示，理論試驗(yàn)距離為11km，時(shí)間為1200s，最高車(chē)速為120km/h，制動(dòng)減速度<0.14g。連續(xù)行駛?cè)齻€(gè)完整的工況，取三次的平均值，見(jiàn)公式（3.2）。若有任意值出現(xiàn)較大波動(dòng)，則需要再次充滿電之后，再進(jìn)行一次三個(gè)工況試驗(yàn)，以排除偶然性。

式中：ζ1、ζ2、ζ2—三次試驗(yàn)的制動(dòng)能量回收率

ζ—平均制動(dòng)能量回收率

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)某純電動(dòng)車(chē)按照上述實(shí)驗(yàn)方法完成了試驗(yàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別得到制動(dòng)能量中電機(jī)回收能量_bBE ，制動(dòng)消耗能量kE，并由焦耳（J）換算成千瓦時(shí)（kWh），通過(guò)計(jì)算機(jī)編程得到制動(dòng)能量回收率，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。取三次試驗(yàn)中某一次為例，電池電壓和電流曲線分別如圖6~圖7所示。

圖6 城市綜合標(biāo)準(zhǔn)工況下的電壓曲線

圖7 城市綜合標(biāo)準(zhǔn)工況下的電流曲線

由表2可以看出城市綜合標(biāo)準(zhǔn)工況下，制動(dòng)能量回收率為 37.7%，制動(dòng)能量回收效果顯著。下一步需深入分析影響制動(dòng)能量回收效果的因素，如部件效率、能量管理策略，以及在保證系統(tǒng)制動(dòng)安全前提下，設(shè)計(jì)盡可能實(shí)現(xiàn)最大制動(dòng)能量回收的解耦系統(tǒng)等。

表2 制動(dòng)能量回收率試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

隨著動(dòng)力電池技術(shù)（能量密度和壽命的大幅提升）的進(jìn)步，純電動(dòng)汽車(chē)將迎來(lái)快速發(fā)展的機(jī)遇期，制動(dòng)能量回收作為節(jié)能的有效途徑之一，將越來(lái)越來(lái)得到重視。本文通過(guò)分析制動(dòng)能量回收原理，提出了制動(dòng)能量回收率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了制動(dòng)能量回收試驗(yàn)研究，并驗(yàn)證了制動(dòng)能量回收效果。但對(duì)于部件效率、能量管理策略對(duì)回收效果的影響尚需進(jìn)一步分析和深入研究。

[1] 新華網(wǎng).中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì).2017.1.12.

[2] 李興虎編著.電動(dòng)汽車(chē)概論.[M]北京理工大學(xué)出版社,2005.

[3] GB-T 18386-2005.電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 2005.

Testing Study on Regenerative Braking for Battery Electric Vehicle

Zhao Guoyu, Zhang Yi, Guo Bin, Yang Xingwang
（1. Jilin Provincial Experimental School, Jilin Changchun 130022; 2.FAW R&D Center, Jilin Changchun 130011）

U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-117-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.039

趙國(guó)宇，就職于吉林省實(shí)驗(yàn)中學(xué)。