純電動轎車制動能量回收試驗研究

趙國宇，張軼，郭斌，楊興旺

（1.吉林省實驗中學(xué)，吉林 長春 130022；2. 一汽技術(shù)中心，吉林 長春 130011）

純電動轎車制動能量回收試驗研究

趙國宇，張軼，郭斌，楊興旺

（1.吉林省實驗中學(xué)，吉林 長春 130022；2. 一汽技術(shù)中心，吉林 長春 130011）

制動能量回收是純電動汽車的一項重要節(jié)能措施，以此延長了車輛的純電動續(xù)駛里程。文章首先分析了制動能量回收的原理，提出了制動能量回收率評價指標，并以某車型純電動汽車為研究對象，進行了制動能量回收試驗研究，并驗證了制動能量回收效果。為后續(xù)分析主要部件效率提供了參考。

純電動汽車；制動能量回收；試驗研究

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

電動車因其節(jié)能、環(huán)保、簡潔、實用而深受人們的喜愛，所以在我國普及非常迅速。據(jù)統(tǒng)計，2016年我國新能源車產(chǎn)量為51.7萬輛，銷售50.7萬輛，比上年同期分別增長51.7%和53%。其中，純電動乘用車產(chǎn)銷分別完成26.3萬輛和25.7萬輛，比上年同期分別增長73.1%和75.1%[1]。

在電動車中涉及到電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等許多方面的物理知識，尤其是電動車裝配的驅(qū)動電機具有驅(qū)動和發(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)的機械制動能量通過驅(qū)動電機發(fā)電向動力電池饋電，實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)化成電能，并將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲在動力電池里，供車輛驅(qū)動或加速時使用。因此，制動能量回收電能是電動車節(jié)能最有效的途徑之一。

本文以某車型純電動汽車為例，分析純電動車制動能量回收原理，提出制動能量回收率評價指標，開展了制動能量回收實驗研究，并驗證了制動能量回收效果。為后續(xù)分析部件效率以及各因素對電耗的影響提供了參考。對于提高系統(tǒng)效率，實現(xiàn)更環(huán)保、更節(jié)能、更高效具有十分重要的意義。

2 制動能量回收原理

2.1 純電動汽車構(gòu)成

圖1 純電動汽車[2]

純電動汽車是由動力蓄電池（二次電池，常用高能量密度的鋰離子電池）、驅(qū)動電機、電機控制器以及能量管理系統(tǒng)等組成，如圖1所示。能量的補充方式為充電，可在充電站或停車場進行，具有快充和慢充兩種方式。由于驅(qū)動電機被拖動時，可以發(fā)電，因此純電動汽車一般都帶有可回收減速和下坡時制動能量回收（再生）系統(tǒng)。

純電動汽車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機的電路；第二部分為主電源—＞DC/DC轉(zhuǎn)換器—＞汽車電器設(shè)備用電源—＞電器設(shè)備（如前后燈、雨刮等）；第三部分為制動能量回收發(fā)電機到主電源部分的電路。

圖2 純電動汽車電路示意圖[2]

2.2 制動能量回收原理

車輛運行時對動力系統(tǒng)要求輸出的總驅(qū)動能量為 Ed_t，Ed_t因克服滾動阻力、空氣阻力消耗一部分后，剩余的能量轉(zhuǎn)換為整車的動能，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)動能

Ed_f為滾動阻力消耗能量

Ed_w為空氣阻力消耗能量

Ek為整車動能

當(dāng)車輛制動時，整車所具有的動能Ek，一部分克服輪胎的滾動阻力和空氣阻力，另一部分則由制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，其能量流為：

式中：Eb_f為制動狀態(tài)下克服滾動阻力所消耗的能量

Eb_w為制動狀態(tài)下克服空氣阻力所消耗的能量

Eb為制動系統(tǒng)消耗能量

由式（2.1）、式（2.2）可以得到：

式中：Ef為滾動阻力消耗能量

Ew為空氣阻力消耗能量

對于沒有制動能量回收功能的傳統(tǒng)車輛來說，Eb完全由機械制動系統(tǒng)所消耗，但是對于純電動汽車，可以通過制動能量回收將Eb中的一部分能量加以回收利用。制動時將電機回收的能量通過儲能裝置存儲起來，待下一時刻需要驅(qū)動能量時再加以利用。因此Eb的能量流關(guān)系為：

式中：Ebf_H為前軸液壓制動力消耗的能量

Ebr_H為后軸液壓制動力消耗的能量

Eb_T為驅(qū)動輪處回收的能量

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

因此，需要設(shè)計一套制動能量回收系統(tǒng)，實現(xiàn)從駕駛員制動需求，即所需的制動力中計算出，通過車輪和動力傳動裝置驅(qū)動電機發(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 純電動汽車能量流示意圖

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

圖4 電動汽車制動能量回收系統(tǒng)原理圖[2]

3 制動能量回收試驗研究

3.1 制動能量回收率定義

在圖3中，可以看出能量流有消耗流和回收流，為了全面評價制動能量回收效率，引入制動能量回收率的評價指標，用來評價回收的能量占制動過程中制動系統(tǒng)消耗的能量的比值。其定義如下：在整個循環(huán)工況下的總制動能量Eb中被電機回收的能量Eb_B在Ek中所占的比例。即，制動能量回收率為：

式中：ζ為制動能量回收率；

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

Ek制動消耗能量：是指制動過程中整車動能以標準循環(huán)工況中的速度計算；

M車輛質(zhì)量；

U電池電壓

I制動過程中回收能量時電池電流；

vt制動過程中的末速度；

v0制動過程中的初速度。

3.2 試驗過程

3.2.1 試驗準備

表1 某純電動整車與總成主要參數(shù)

以某車型純電動汽車為實驗對象，基本參數(shù)表1所示。實驗條件，包括車輛狀態(tài)、環(huán)境要求、動力蓄電池的初次充電等參考標準[3]執(zhí)行。

3.2.2 電池充電

車輛指示充滿電狀態(tài)，記錄完成時刻，4h內(nèi)開始試驗。

3.2.3 設(shè)備連接、設(shè)置及變量測量

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

（2）動力電池電壓：測量點選擇在動力電池正負極端，精度0.1%；

（3）速度：采用城市綜合標準循環(huán)工況車速[3]；

（4）車輛質(zhì)量：參照GB／T 12674一90汽車質(zhì)量測定方法。

3.2.4 試驗循環(huán)

圖5 城市綜合標準循環(huán)工況圖

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

式中：ζ1、ζ2、ζ2—三次試驗的制動能量回收率

ζ—平均制動能量回收率

3.3 試驗結(jié)果與分析

對某純電動車按照上述實驗方法完成了試驗，并進行數(shù)據(jù)處理，分別得到制動能量中電機回收能量_bBE ，制動消耗能量kE，并由焦耳（J）換算成千瓦時（kWh），通過計算機編程得到制動能量回收率，試驗結(jié)果如表2所示。取三次試驗中某一次為例，電池電壓和電流曲線分別如圖6~圖7所示。

圖6 城市綜合標準工況下的電壓曲線

圖7 城市綜合標準工況下的電流曲線

由表2可以看出城市綜合標準工況下，制動能量回收率為 37.7%，制動能量回收效果顯著。下一步需深入分析影響制動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)制動安全前提下，設(shè)計盡可能實現(xiàn)最大制動能量回收的解耦系統(tǒng)等。

表2 制動能量回收率試驗結(jié)果

4 結(jié)論

隨著動力電池技術(shù)（能量密度和壽命的大幅提升）的進步，純電動汽車將迎來快速發(fā)展的機遇期，制動能量回收作為節(jié)能的有效途徑之一，將越來越來得到重視。本文通過分析制動能量回收原理，提出了制動能量回收率的評價指標，進行了制動能量回收試驗研究，并驗證了制動能量回收效果。但對于部件效率、能量管理策略對回收效果的影響尚需進一步分析和深入研究。

[1] 新華網(wǎng).中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)統(tǒng)計.2017.1.12.

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

[3] GB-T 18386-2005.電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法.中華人民共和國國家標準, 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 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-117-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.039

趙國宇，就職于吉林省實驗中學(xué)。