純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收試驗(yàn)方法研究*

許楨賢，鄭望曉，譚淳洲，羅玲

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純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收試驗(yàn)方法研究*

許楨賢，鄭望曉，譚淳洲，羅玲

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

回收制動(dòng)能量是提高純電動(dòng)汽車整車能量利用效率的有效方法。文章首先介紹了純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量的分配原理及評(píng)價(jià)方法，并提出了采用定減速度試驗(yàn)方法對(duì)綜合試驗(yàn)方法進(jìn)行補(bǔ)充。在此基礎(chǔ)上，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)平臺(tái)和車輛的參數(shù)、要求以及測(cè)試方法的重復(fù)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，最后通過(guò)某EV車型進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：定減速度方法可以得到更為準(zhǔn)確的制動(dòng)能量回收量，對(duì)純電動(dòng)汽車制定運(yùn)行控制策略以提高整車能量利用率具有更好的指導(dǎo)作用。

純電動(dòng)汽車；制動(dòng)能量回收；試驗(yàn)方法

前言

與傳統(tǒng)燃料汽車通過(guò)摩擦將車輛機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能、從而減低車速的方法相比，純電動(dòng)汽車由于采用電機(jī)反轉(zhuǎn)的再生制動(dòng)方式，車輛制動(dòng)過(guò)程可回饋電能并存儲(chǔ)到動(dòng)力電池中，從而提高整車的能量利用率[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在城市行駛工況下，純電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量超過(guò)驅(qū)動(dòng)能量的50%，部分大城市甚至高達(dá)70%；而在郊區(qū)工況下，制動(dòng)能量的占比也達(dá)到20%以上[2]。因此，有效回收制動(dòng)能量，是提高純電動(dòng)汽車能量利用率的有效手段。

然而，目前純電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量并沒(méi)有得到有效的回收利用，大部分的再生電能在制動(dòng)過(guò)程中損耗，能量利用率不高。因此，研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)針對(duì)電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收技術(shù)及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]基于不同能量間的傳遞關(guān)系以及制動(dòng)初速度和減速度的影響，提出通過(guò)分解NEDC工況片段進(jìn)行分析比較的方法；文獻(xiàn)[4-5]提出綜合了制動(dòng)能量回收率、節(jié)能貢獻(xiàn)度、續(xù)航里程貢獻(xiàn)度等指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，并分析了相關(guān)因素的影響作用；文獻(xiàn)[6]針對(duì)制動(dòng)能量回收效率設(shè)計(jì)了3種試驗(yàn)方法，并對(duì)比了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

但是，現(xiàn)有研究均基于NEDC工況進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，考慮到NEDC工況的車速誤差范圍較大，對(duì)能量回收結(jié)果分析的準(zhǔn)確性存在較大的誤差影響。因此，本文從制動(dòng)能量回收原理出發(fā)，提出一種電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收試驗(yàn)方法，并針對(duì)某款純電動(dòng)汽車的能量回收規(guī)律進(jìn)行研究，從而為評(píng)價(jià)制動(dòng)能量回收對(duì)改善電動(dòng)汽車整體能效的作用提供一種有效的方法。

1 制動(dòng)能量回收測(cè)試平臺(tái)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1.1 能量分配原理

電動(dòng)汽車制動(dòng)或者慣性滑行中釋放出的多余能量，可以通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電能并存儲(chǔ)值動(dòng)力電池中，繼而為車輛的行駛和車載電器提供再生電力，從而實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量的再利用。

在平直道路上行駛時(shí)，一般認(rèn)為電動(dòng)汽車的勢(shì)能保持不變，而動(dòng)能將隨著車速相應(yīng)變化，因此，純電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)整車能量如圖1所示。在車輛驅(qū)動(dòng)工況下，動(dòng)力電池組所提供的電能，除了一部分用于克服行駛阻力以及車載設(shè)備的用電，其余部分將提供車輛行駛所需的動(dòng)力；在車輛制動(dòng)工況下，車輛動(dòng)能一部分用于抵消摩擦力所帶來(lái)的消耗，其余部分則通過(guò)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能，在滿足車載設(shè)備用電的情況下，剩余部分將存儲(chǔ)至動(dòng)力電池組中，該過(guò)程實(shí)際上相當(dāng)于對(duì)電池進(jìn)行充電。

圖1 純電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)整車能量流動(dòng)圖

1.1.2 評(píng)價(jià)方法

目前，電動(dòng)汽車能量消耗量的評(píng)價(jià)大部分采用綜合工況試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量能量消耗量及續(xù)駛里程，以制動(dòng)能量回饋率、能量回收率、回收貢獻(xiàn)率等進(jìn)行衡量。但是，綜合工況試驗(yàn)無(wú)法反映特定車速及減速度下的能量回收特征；同時(shí)，該試驗(yàn)方法僅測(cè)試純電動(dòng)汽車在NEDC工況的再生電能回收情況及其安全性能，未覆蓋不同駕駛模式、不同能量回收等級(jí)、以及混動(dòng)車型的純電運(yùn)行狀態(tài)等方面的測(cè)試，缺乏統(tǒng)一性和有效性。因此，本文提出以定減速度方法對(duì)綜合工況試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，從而可以有效分析綜合工況結(jié)果的差異性，并對(duì)不同控制策略的優(yōu)劣性進(jìn)行對(duì)比。

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 試驗(yàn)平臺(tái)及方法

試驗(yàn)平臺(tái)主要包含功率分析儀、底盤測(cè)功機(jī)、電流傳感器、CANlogger等試驗(yàn)儀器及設(shè)備，相關(guān)參數(shù)必須滿足量程和精度的要求以保證試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)真實(shí)有效。根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)道路阻力曲線的規(guī)定，可采用理論計(jì)算法獲取行駛阻力?？紤]到試驗(yàn)過(guò)程坡度阻力和加速阻力的影響較小，可以認(rèn)為車輛行駛阻力主要來(lái)自于滾動(dòng)阻力和空氣阻力，且數(shù)值為兩者的總和。其中，滾動(dòng)阻力為車重與滾動(dòng)阻力系數(shù)的乘積，空氣阻力則與車速的平方成正比，其系數(shù)可由迎風(fēng)面積和空氣阻力常數(shù)的比值得到。同時(shí)，采用該平臺(tái)進(jìn)行綜合工況試驗(yàn)及恒減速度工況試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度均設(shè)置在25℃±2℃范圍內(nèi)。

1.2.2 車輛要求

所提出的定減速度方法規(guī)定車輛達(dá)到最高車速vmax后，以特定的減速度a減速直至車輛停止，由于其工況誤差帶比NEDC工況窄，試驗(yàn)誤差可以得到有效降低。定減速度工況試驗(yàn)中，車輛狀態(tài)還需滿足以下要求：

1）禁止車輛動(dòng)力電池進(jìn)入快冷狀態(tài)，以減少對(duì)回收能量的干擾；

2）試驗(yàn)前7天內(nèi)車輛至少應(yīng)行駛300km，且試驗(yàn)開(kāi)始前動(dòng)力電池SOC 保持在一定范圍以減少對(duì)電池充放電能力的影響。一般混動(dòng)車型可以設(shè)置在SOC 80%以下的純電區(qū)間內(nèi)，純電動(dòng)車型可以設(shè)置在20%-80%的SOC區(qū)間內(nèi)；

1.2.3 重復(fù)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，每個(gè)定減速度工況需進(jìn)行3次試驗(yàn)，并采用Grubbs檢驗(yàn)法進(jìn)行重復(fù)性評(píng)價(jià)以判斷是否存在異常值。當(dāng)測(cè)量值滿足1＜2＜3時(shí)，針對(duì)上側(cè)情形的檢驗(yàn)可由式（1）計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量；若取檢出水平=5%，可以得到0.95(3)=1.153。因此，當(dāng)3＞0.95(3)=1.153時(shí)，則最大值x3為異常值；反之則判定為無(wú)異常值。

針對(duì)下側(cè)情形的檢驗(yàn)可由式（2）計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量；同樣取檢出水平=5%，可知當(dāng)3＞0.95(3)=1.153時(shí)，則最小值x1為異常值；反之則判定為無(wú)異常值。

2 實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)

定減速度工況試驗(yàn)的條件及參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)過(guò)程可采用D檔滑行，即以D檔從最高速度vmax開(kāi)始滑行至最低穩(wěn)定車速；其中，試驗(yàn)過(guò)程vmax一般取高于我國(guó)高速公路的最高限速120km/h，本試驗(yàn)設(shè)置為150km/h，同時(shí)考慮到試驗(yàn)操作的可行性，曲線誤差取±0.5km/h。根據(jù)上述設(shè)置參數(shù)，可知當(dāng)減速度a=0.8/s2時(shí)的工況曲線如圖2所示。

圖2 ai≥0.8m/s2的工況曲線

表1 vmax及ai設(shè)置條件

2.2 某EV車型恒減速度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方法及設(shè)置參數(shù)，對(duì)某EV車型進(jìn)行定減速度試驗(yàn)，其結(jié)果如圖3、4所示。圖3為ABS控制策略下的工況試驗(yàn)結(jié)果，由圖3可以看出，減速度a=1.3/s2工況的制動(dòng)能量回收量最大，且a＞1.3/s2區(qū)間內(nèi)，能量回收量隨著減速度增大而降低，制動(dòng)能量與減速度基本呈下拋物線的關(guān)系。圖4為ESP控制策略下的工況試驗(yàn)結(jié)果，由圖4可以看出，在減速度a≥1/s2的區(qū)間內(nèi)，隨著減速度增大，制動(dòng)能量回收量逐漸降低，制動(dòng)能量與減速度基本呈線性下降的關(guān)系。由試驗(yàn)結(jié)果可知，不同控制策略下，減速度對(duì)制動(dòng)能量回收量的影響存在差異，因此定減速度試驗(yàn)可有效提高制動(dòng)能量回收量的計(jì)算精度。

進(jìn)一步地，通過(guò)對(duì)比圖3、4，可知定減速度工況試驗(yàn)中，在統(tǒng)計(jì)速度區(qū)間為145km/h-5km/h的條件下，ABS控制策略每個(gè)減速度工況的能量回收量均高于ESP控制策略的。因此，實(shí)際試驗(yàn)分析中，制動(dòng)能量回收量還應(yīng)考慮不同控制策略的影響關(guān)系，以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖3 ABS控制策略下的試驗(yàn)工況結(jié)果

圖4 ESP控制策略下的試驗(yàn)工況結(jié)果

3 結(jié)論

回收利用制動(dòng)能量是提高純電動(dòng)汽車整車能量利用效率的有效方法。本文提出了基于定減速度的純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收試驗(yàn)方法，通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，研究不同定減速度、不同控制策略對(duì)制動(dòng)能量回收量的影響，得到較為精確的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)提高純電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行中制動(dòng)能量回收率具有較好的參考意義。

[1] 章艷,鄧亞?wèn)|,李孟良等.純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)測(cè)評(píng)方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）, 2015, 48(5): 707-711.

[2] 王猛,孫澤昌,卓桂榮等.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012, 43(2): 6-10.

[3] 王計(jì)廣,李孟良,徐月云等.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法研究[J].試驗(yàn)測(cè)試, 2014, 12: 35-39.

[4] 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): 80-85.

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Research on the test method of braking energy recovery forelectric vehicle

Xu Zhenxian, Zheng Wangxiao, Tan Chunzhou, Luo Ling

（GAC Automotive Research & Development Center, Guangdong Guangzhou 511434）

The recovery of braking energy is an effective way to improve the energy efficiency of the electric vehicle. In this paper, the principle and evaluation method of the braking energy distribution of electric vehicle is introduced first, and the method of speed reduction test is put forward to supplement the comprehensive test method. And then the test platform was built, with the parameters, requirements and the repeatability evaluation criteria designed simultaneously. Finally, the speed reduction test was carried out through one EV car. The results show that a more accurate braking energy recovery could be obtained by the speed reduction method, and it has a better guiding role in making the control strategy of the electric vehicle in order to improve the energy utilization rate.

Electric vehicle; Braking energy recovery; Test method

A

1671-7988(2018)18-06-03

U469.7

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1671-7988(2018)18-06-03

CLC NO.: U469.7

許楨賢，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院。研究方向：整車電子試驗(yàn)領(lǐng)域。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.003