基于Advisor純電動汽車制動能量回收評價研究

陳波，董文彬

（1.國家汽車質量監(jiān)督檢驗中心［襄陽］，襄陽 441004；2.武漢理工大學汽車工程學院，武漢430070）

基于Advisor純電動汽車制動能量回收評價研究

陳波1，董文彬2

（1.國家汽車質量監(jiān)督檢驗中心［襄陽］，襄陽 441004；2.武漢理工大學汽車工程學院，武漢430070）

制動能量回收是體現(xiàn)電動汽車優(yōu)勢和特點的重要技術，是決定多種形式電動汽車能耗經濟性、整車安全性的共性關鍵技術。本文針對裝有制動能量回收系統(tǒng)的某東風牌純電動客車，在分析能量流的基礎上，提出了以回收的制動能量和最大理論制動能量的比值作為制動能量回收系統(tǒng)的評價指標，并利用仿真軟件advisor，模擬計算了這款車在NEDC循環(huán)工況下的制動能量回收效率，并結合參數(shù)進行分析。

制動能量回收；純電動汽車；NEDC

純電動汽車作為一種新型能源汽車，憑借其零排放零污染、能源利用率高等逐漸成為了現(xiàn)代汽車的發(fā)展方向。純電動汽車采用大容量和高能量的蓄電池來提高續(xù)駛里程，但這一點同樣制約了純電動汽車的發(fā)展。從現(xiàn)階段國內外電動汽車的發(fā)展來看，如何提高車載能源容量和使用壽命，提升續(xù)駛里程等關鍵核心技術難以突破［1］。汽車在減速、制動過程中會消耗大量能量。在中國城市、歐洲ECE工況、日本J1015、美國UDDS等工況下，車輛因制動消耗的能力占總驅動能量的43.5%［2］。如今，這種被消耗的制動能量已經可以通過技術回收成為新的電能存儲到蓄電池當中，進一步轉化為驅動能量，從而大幅度提高電動汽車整車經濟性和續(xù)駛里程。清華大學進行的實車轉鼓試驗結果表明，采用制動能量回收裝置的純電動汽車可改善約24%-26%的能耗經濟性。

目前，雖然純電動汽車上大多都配備了制動能量回收系統(tǒng)，但是針對該系統(tǒng)的評價指標和試驗方法尚無統(tǒng)一標準。有研究提出以電機回收的能量與電機總制動能量作為“轉化率”評價指標，但文中沒有指出明確的測量方法［3］；也有提出以“制動能量回收貢獻率”作為評價指標，即總制動能量中被回收到儲能部件中，又被動力系統(tǒng)重新利用且傳遞到驅動輪的那一部分能力與總制動能量的比值，但這一評價反映了整車經濟性能卻沒有對制動能量回收系統(tǒng)做出評價［4］。因此，本文對純電動汽車NEDC工況下各個減速過程的能量回收效率及能量狀態(tài)進行對比分析，提出一組較為合理的制動能量回收效果評價指標。

1　制動能量回收效率指標的建立

1.1車輛能量流分析

汽車在正常行駛運動過程中，總驅動力需要滾動阻力Ff、空氣阻力Fw和加速阻力Fj（此處忽略坡度阻力Fi）?？傭寗恿獫M足：

其中：Ft為汽車總驅動力；G為汽車重力；f 為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積；ua為 汽車行駛速度； δ為汽車旋轉質量換算系數(shù)［5］。

驅動時，汽車總驅動力為正，總驅動能量為Et，Et克服滾動阻力、空氣阻力和加速阻力后，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汽車減速。動能Ek除了克服行駛阻力消耗一部分，對于沒有配備制動能量回收系統(tǒng)的車輛來說，剩余動能Eb會由摩擦制動系統(tǒng)消耗，轉化為其他形式的能量；但純電動汽車則可通過制動能量回收系統(tǒng)將消耗的能量加以回收，通過電機轉換成電能儲存起來進行再利用。回收的電能可以一定程度上降低車輛對動力蓄電池的需求，從而降低整車能耗。

1.2制動能量回收系統(tǒng)的結構和原理

配備制動能量回收系統(tǒng)的純電動汽車在制動過程中，開啟制動能量回收功能后，驅動電機被控制電路作為發(fā)電機運行，利用發(fā)電機產生的反向力矩可使車輛減速或者停車；同時，該過程中產生的反向電流可為動力蓄電池充電從而實現(xiàn)將制動動能轉換為電能。純電動汽車上使用的多為再生液壓混合制動系統(tǒng)，結構如圖1所示：

1.3制動能量回收評價指標

定義“制動能量回收效率”為在車輛減速行駛、制動停車過程中，回收的制動能量E_br占最大理論制動能量E_tb的比值，其分子為系統(tǒng)回收轉化了多少電能，分母為車輛有多少制動能量可供回收，該指標反映了制動能量回收系統(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可轉化多少電能：

E_br可通過對動力蓄電池的瞬時充電功率在制動時間上求積分獲取，如公式（3）所示：

其中：E_br為汽車制動過程中動力蓄電池的充電能量，單位kJ；I為汽車制動過程中蓄電池的充電電流，單位A；U為汽車制動過程中蓄電池的充電電壓，單位V。

E_tb可通過汽車在制動過程中動能減去該過程中形式阻力消耗的能量獲取，如公式（4）所示：

其中：E_tb為汽車制動過程中最大理論制動量，單位kJ；E_kr為汽車制動過程中動能減少量，單位kJ；v為汽車制動過程中的車速，單位km/h；F為汽車制動過程中的行駛阻力，單位N。

E_kr可通過公式（5）計算，

其中：m為汽車基準質量，單位kg；v1、v2為汽車制動過程中的始末車速，單位km/h。

2　仿真分析

2.1試驗方法和工況的確定

目前，國內外主要的測試方法分為整車道路試驗、室內臺架試驗和計算機建模仿真三種。計算機模擬仿真具有節(jié)約大量時間，可排除外界干擾因素，重復性高等優(yōu)點。因此本文采用計算機模擬仿真的試驗方法，針對東風某款純電動汽車制動能量回收系統(tǒng)進行研究。

常見的工況有歐洲NEDC工況、美國FTP75工況、日本J1015工況。其對比分析如表1所示：

表1　各循環(huán)工況特征值

從表中可知，NEDC工況最高車速最高，循環(huán)時間較長；制動過程最多，最大減速度達到1.39 m/s2，制動強度適中，滿足車輛行駛過程中的大部分制動工況，能夠較真實的反應車輛運行情況，相比較而言，更適合作為制動能量回收試驗的循環(huán)工況。因此，綜合上述比較，選用NEDC工況作為制動能量回收的測試工況較為合理，工況曲線如圖2所示：

2.2仿真車輛的參數(shù)

選取東風牌EQ6640LBEV純電動客車作為模擬仿真的研究對象，電機類型為永磁電機，電池類型為鋰電池，其主要參數(shù)為：

表2　EQ6640LBEV車型主要參數(shù)

2.3仿真結果

本文基于Matlab/Simulink軟件建立了EV純電動客車回收制動能量及整車耗能的計算模型，并基于Advisor軟件選擇了NEDC工況進行了仿真分析。仿真對于純電動車回收的制動能量、最大理論制動能量、整車能耗、電池輸入功率隨時間的變化曲線進行了統(tǒng)計處理，結果如圖3-圖6所示：

根據(jù)制動起止車速與平均制動減速度的聯(lián)合分布，從NEDC循環(huán)工況中抽取6個不同的減速過程（由4個市區(qū)運轉循環(huán)和2個市郊運轉循環(huán)的減速過程組成），對每個過程進行單獨研究，每個減速過程的特征值如表3所示。

對仿真中NEDC工況中的6個減速過程中回收的制動能量及最大理論制動能量進行數(shù)據(jù)處理，結果見圖5。由圖5中可以看出在過程1中，回收的制動能量僅有4.77kJ。主要原因是過程1的制動初始速度較小，整車動能變化較小，因為摩擦阻力和風阻等因素消耗的動能與汽車本身的動能變化量相當，造成制動系統(tǒng)回收的電能非常低。在市區(qū)循環(huán)工況中，減速過程2-4的制動初始速度和減速度都較為接近，因此回收的制動能量基本保持平穩(wěn)?；厥盏闹苿幽芰吭谶^程6中取得最大值861.76kJ，制動回收效率達到84.04%。車輛由120km/h減速至停車，整車動能減少量非常大，制動過程平穩(wěn)，電機回收轉化能力強，此時制動幾乎都為電機輔助制動，因此制動回收能力大幅度提高。

表3　NEDC工況下6個減速過程特征值

3　結束語

本文從計算機仿真模擬試驗的角度出發(fā)，提出了純電動客車制動能量回收效率指標，基于Metlab/Simulink建立了制動能量回收的計算模型，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得出了EQ6640LBEV車型在NEDC工況各個減速過程中的制動能量回收效率，并得出以下結論：（1）基于Advisor的模擬仿真實驗，節(jié)省了大量時間與成本，并排除了外界因素的干擾，計算出該車型在NEDC工況下回收制動能量1856kJ，最大理論制動能量2545kJ，整車能耗13850kJ，制動回收效率達72.93%。（2）并針對該款車型在NEDC工況下6個不同減速過程中的制動能量回收情況進行了研究，可知在其以過程5、6為代表的市郊由較高速平穩(wěn)減速至中低速的制動過程中取得較大的制動能量回收效率，此時制動能量回收技術的節(jié)能效果最為明顯，建議駕駛者在此類工況下多采用平穩(wěn)制動，避免不必要的緊急制動，有利于制動能量的回收。（3）在NEDC工況下回收功能將續(xù)駛里程提高13.4%，建議駕駛者根據(jù)適時的行駛工況采取制動方式，以此來有效延長整車續(xù)航里程。

［1］李秀芬,雷躍峰. 純電動汽車制動能量回收控制方法的研究［J］.湖南科技學院學報.2014.35.

［2］（美）Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi.現(xiàn)代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車：基本原理、理論和設計［M］.倪光正，倪培宏，熊素銘，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2010；284-286.

［3］張俊智，陸欣，張鵬君，等.混合動力城市客車制動能量回收系統(tǒng)道路試驗［J］.機械工程學報，2009,45（2）：25-30.

［4］仇斌，陳全世.電動城市公交車制動能量回收評價方法［J］.機械工程學報，2012,48（16）：80-85.

［5］余志生.汽車理論［M］. 北京：機械工業(yè)出版社. 2009.

專家推薦

楊曉松：

該論文通過實例分析，提出了純電動汽車制動能量回收率作為評價制動能量回收系統(tǒng)性能指標的一種。通過建立能量回收的計算模型，利用仿真軟件advisor模擬計算電動汽車在NEDC循環(huán)工況下的制動能量回收率。節(jié)省了大量時間和成本，并針對NEDC工況下的不同模式所得數(shù)據(jù)進行分析，提出正確的駕駛操作以延長整車的續(xù)航里程。論文有很好的推廣應用價值。

Evaluation Methods of Braking Energy Recovery based on Advisor

CHEN Bo1, DONG Wen-Bin2
（ 1.National Automobile Quality Supervision and Test Center（Xiangyang）, Xiangyang 441004；2. School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070 ）

Braking energy recovery is an important technology to embody the advantages and characteristics of electric vehicles, and it is the key technology to determine the energy consumption economy and the safety of variouskinds of vehicles. This paper aimed at a pure electric bus with a brake energy recovery systemof Dongfeng on the basis of analysing the energy flow proposing to the ratio of recovery of braking energy and the theoretical maximum braking energy as an index to evaluate the braking energy. By using simulation software Advisor, it calculated theefficiency ofbraking energy recovery of this bus which is in the NEDC cycle and combined with parameters analysis.

Braking energy recovery； Battery electric vehicle； NEDC

U467.1+3

A

1005-2550（2016）03-0069-04