純電動(dòng)汽車制動(dòng)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）

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

純電動(dòng)汽車；能量回收效率；數(shù)學(xué)模型；試驗(yàn)方法

純電動(dòng)汽車在正常運(yùn)行中，制動(dòng)能量回收是其有別于傳統(tǒng)汽車的最大優(yōu)點(diǎn)。在制動(dòng)能量回收的過(guò)程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，電能儲(chǔ)存于儲(chǔ)能裝置中，此部分能量可以再次用于驅(qū)動(dòng)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(wú)法回收。制動(dòng)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(dòng)過(guò)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(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)研究推動(dòng)能量回收策略的完善是制動(dòng)能量回收研究中的一個(gè)重要方法。

1 能量回收評(píng)價(jià)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(dòng)行駛過(guò)程中，能量變化情況[2-3]如下：

其中：總驅(qū)動(dòng)能量為Et，Et克服滾動(dòng)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(dòng)能Ek。

制動(dòng)時(shí)，行駛阻力與制動(dòng)系統(tǒng)施加的制動(dòng)力共同使車輛減速，動(dòng)能除了克服行駛阻力消耗一部分能量外[4]，對(duì)于沒(méi)有配備制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的車輛來(lái)說(shuō)，剩余動(dòng)能會(huì)由摩擦制動(dòng)系統(tǒng)消耗，轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)到環(huán)境中。而純電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)則可通過(guò)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)將消耗的能量加以回收，即通過(guò)電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存起來(lái)進(jìn)行再利用?；厥盏碾娔芸梢栽谝欢ǔ潭壬辖档蛙囕v對(duì)儲(chǔ)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(dòng)汽車在制動(dòng)過(guò)程[5]中，開(kāi)啟制動(dòng)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(shí)，該過(guò)程中產(chǎn)生的反向電流可為儲(chǔ)能裝置充電從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能。目前，電動(dòng)汽車上使用的能量回收系統(tǒng)多為再生氣壓混合制動(dòng)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(píng)價(jià)模型

能量回收效率η為車輛減速行駛、制動(dòng)過(guò)程中回收的理論制動(dòng)能量Ebr占最大理論制動(dòng)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(shí)也考察了電動(dòng)汽車在制動(dòng)過(guò)程中通過(guò)電機(jī)發(fā)電可轉(zhuǎn)化多少電能：

其中：車輛制動(dòng)過(guò)程中儲(chǔ)能裝置的理論充電能量、Ebr=∫I×Udt/1 000。

式中：I為車輛制動(dòng)過(guò)程中儲(chǔ)能裝置的瞬時(shí)充電電流，A；U為車輛制動(dòng)過(guò)程中儲(chǔ)能裝置的瞬時(shí)充電電壓，V。

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

式中：v為車輛制動(dòng)過(guò)程中的瞬時(shí)車速，km/h；F為車輛制動(dòng)過(guò)程中的瞬時(shí)行駛阻力，N；Ekr為車輛制動(dòng)過(guò)程中動(dòng)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(dòng)過(guò)程中的始末車速，km/h；Ek1、Ek2為制動(dòng)過(guò)程中的始末動(dòng)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(tái)架試驗(yàn)。由于轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架試驗(yàn)具有道路試驗(yàn)無(wú)法復(fù)現(xiàn)的模擬路況及計(jì)算機(jī)仿真無(wú)法提供的實(shí)車環(huán)境，因此，本文采用轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架試驗(yàn)作為制動(dòng)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(guò)程中可能遇到的路況、制動(dòng)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(dòng)控制策略試驗(yàn)和急減速工況試驗(yàn)。通過(guò)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(duì)象為某款12 m純電動(dòng)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(tái)架上運(yùn)行C-WTVC[8]工況循環(huán)，功率計(jì)接在儲(chǔ)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(gè)循環(huán)里有不同的制動(dòng)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(guò)程分區(qū)進(jìn)行制動(dòng)能量回收研究。試驗(yàn)中采集運(yùn)行過(guò)程中的車速、里程、電壓、電流、儲(chǔ)能端的電能量變化量，計(jì)算車輛制動(dòng)過(guò)程中所有減速階段的實(shí)際總動(dòng)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(dòng)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(jiàn)表1，試驗(yàn)結(jié)果顯示，該純電動(dòng)客車的制動(dòng)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(tái)架上運(yùn)行時(shí)，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(dòng)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(shí)，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(dòng)策略，降低人為操縱車輛的影響，使車輛在制動(dòng)時(shí)根據(jù)需要快速調(diào)整制動(dòng)力和電機(jī)的發(fā)電效率，增強(qiáng)車輛的制動(dòng)能量回收效果。

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

2.2 不同制動(dòng)力檔位下的制動(dòng)控制策略試驗(yàn)

電機(jī)再生制動(dòng)能力的大小受車速、電機(jī)的發(fā)電轉(zhuǎn)矩、儲(chǔ)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(shí)，電機(jī)工作效率較低，此時(shí)不進(jìn)行能量回收；當(dāng)車速大于5 km/h時(shí)，才進(jìn)行能量回收，且制動(dòng)的最大轉(zhuǎn)矩不超過(guò)電機(jī)的最大發(fā)電轉(zhuǎn)矩Tm；當(dāng)儲(chǔ)能裝置SOC達(dá)到95%時(shí)，因儲(chǔ)能裝置電量充足，策略判斷不再進(jìn)行制動(dòng)能量回收；無(wú)論何種情況，制動(dòng)能量回收時(shí)電池的充電電流均不能超過(guò)廠家規(guī)定的最大充電倍率。

車輛的制動(dòng)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(kāi)度[10]、油門踏板的開(kāi)度（用于滑行時(shí)制動(dòng)能量回收的判斷）及當(dāng)前車速進(jìn)行查表計(jì)算制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且電機(jī)制動(dòng)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(dòng)法規(guī)允許的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Tm為電機(jī)允許的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Tbat為儲(chǔ)能裝置允許的充電倍率所對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大制動(dòng)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(dòng)力電池管理系統(tǒng)BMS實(shí)時(shí)發(fā)出的充電功率對(duì)應(yīng)的最大制動(dòng)扭矩，是一個(gè)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(jiàn)圖3，根據(jù)制動(dòng)踏板位置和車速查表得出制動(dòng)力系數(shù)，以制動(dòng)力系數(shù)與剩余電量查表獲得的系數(shù)來(lái)確定制動(dòng)力矩系數(shù)，通過(guò)油門踏板的開(kāi)度和變化率以及車速確定滑行制動(dòng)的扭矩系數(shù)。制動(dòng)扭矩系數(shù)與固定制動(dòng)力矩的乘積即為電機(jī)實(shí)際需求的制動(dòng)扭矩。

圖3 制動(dòng)能量回收控制模塊

現(xiàn)研究制動(dòng)力大小對(duì)制動(dòng)能量回收效率的影響，在試驗(yàn)中對(duì)制動(dòng)踏板的響應(yīng)分別設(shè)定無(wú)制動(dòng)力（滑行）、制動(dòng)一檔和制動(dòng)二檔，不同檔位對(duì)應(yīng)不同的制動(dòng)力，并在策略中進(jìn)行設(shè)定。對(duì)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(dòng)能量過(guò)程中的實(shí)際總動(dòng)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(jiàn)表2。

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

表2 制動(dòng)控制策略試驗(yàn)

因此，在制動(dòng)策略制定的時(shí)候應(yīng)考慮在滿足制動(dòng)安全性的前提下，盡可能地采用電機(jī)制動(dòng)；高速情況下電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)加大，即制動(dòng)時(shí)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(dòng)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(cè)試制動(dòng)能量回收效率。

計(jì)算制動(dòng)能量過(guò)程中的實(shí)際總動(dòng)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(jiàn)表3。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，車輛在急減速過(guò)程中，減速度越大，制動(dòng)能量回收效率越小，在現(xiàn)有的策略中減速度越大，氣制動(dòng)占比較大，電機(jī)制動(dòng)占比較小。

表3 急減速工況試驗(yàn)

因此，在制動(dòng)策略制定的時(shí)候要考慮在滿足制動(dòng)安全性的同時(shí)，應(yīng)盡可能縮短電機(jī)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，加大電機(jī)制動(dòng)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(dòng)過(guò)程中的能量回收效率還有改善的空間，可以從以下3個(gè)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(dòng)，增加制動(dòng)過(guò)程中的電機(jī)制動(dòng)比例。

2）縮短電機(jī)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，加大電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即調(diào)整制動(dòng)力檔位并使制動(dòng)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(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)試驗(yàn)研究工作。