電動汽車制動能量回收措施定制化設(shè)計*

龔春忠 李鵬 單承標(biāo) 張李俠

（1.合眾新能源汽車有限公司；2.浙江大學(xué)工程師學(xué)院；3.吉林大學(xué)青島汽車研究院）

隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，國家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會于2019 年10 月發(fā)布GB／T 38146.1—2019 《中國汽車行駛工況第1 部分：輕型汽車》，于2020 年5 月1 日起實施[1]。該標(biāo)準(zhǔn)所制定的中國輕型車測試循環(huán)工況將替代現(xiàn)行新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)工況。制動能量回收強度[2，6]從3.15 kW·h/100 km·t-1提高到4.70 kW·h/100 km·t-1。因此，提高車輛制動能量回收率的措施將會越來越重要。從1995 年至2015 年，中國在汽車制動能量回收方面的專利有10 024 件，其中發(fā)明專利1 180 件[3]。奇瑞汽車股份有限公司、清華大學(xué)、江蘇大學(xué)等8 家單位進(jìn)入了制動能量回收相關(guān)專利申請量排行榜前20 名[4]。制動能量回收相關(guān)技術(shù)多種多樣，但并不是對于所有用戶都適宜配置上高端復(fù)雜的制動能量回收措施。應(yīng)當(dāng)對不同用戶所在地區(qū)、駕駛習(xí)慣、平均載荷狀態(tài)等進(jìn)行甄別，從而選擇性價比更合理的配置。文章基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計技術(shù)，獲得特定用戶的行駛工況，并提出針對性地改善該用戶的制動能量回收措施，為汽車行駛經(jīng)濟性與定制化設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。

1 制動能量回收技術(shù)評價模型

基于純電動汽車經(jīng)濟性模型整車能流的分析，文獻(xiàn)[5]提出了評價制動能量回收效果的3 項評價指標(biāo)，分別為制動能量回收率、節(jié)能貢獻(xiàn)度和續(xù)駛里程貢獻(xiàn)度。對于特定工況而言，制動能量回收強度[6]可定義為車輛每行駛100 km 可回收的動能，如式（1）所示。

式中：m——車輛總質(zhì)量，kg；

v——工況車速，m/s；

t——時間，s；

Ereg——輪邊制動能量回收強度，J/m；可乘以系數(shù)1/36 換算成kW·h/100 km；當(dāng)m=1 000 kg 時，換算成kW·h/100 km·t-1；

為了針對特定用戶實施不同制動能量回收技術(shù)，需要收集更具代表性的數(shù)據(jù)指標(biāo)。若某一用戶經(jīng)常載客較多，例如在上海市共享汽車出行鼓勵拼車的情況下，其百公里可回收的能量增加。當(dāng)使用相同的工況曲線時，其制動能量回收強度較大，適合選用較優(yōu)的制動能量回收技術(shù)。同理，當(dāng)某一用戶經(jīng)常在坡道較多的地區(qū)行駛，例如在重慶市坡道較多的情況，其制動能量回收強度也較大，不適用于式（1）評價其制動能量回收強度。但是，以目前的技術(shù)，統(tǒng)計車輛的載荷狀態(tài)、駕駛出行的坡道工況均有較大難度。統(tǒng)計電池輸出端的能流相對簡單可行。當(dāng)某一款車，不同用戶已經(jīng)選擇相同的協(xié)調(diào)式制動能量回收技術(shù)，則可通過電池端百公里回收電能評價該用戶的制動能量強度，如式（2）所示。

式中：U——電池主回路電壓，V；

I——電池主回路電流，A。正表示回收，負(fù)表示放電；

Ereg_bat——電池端制動能量回收強度，J/m；可乘以系數(shù)1/36 換算成kW·h/100 km。

常用的技術(shù)參數(shù)還有電池回收能量除以電池驅(qū)動能量，即回收能量比例，如式（3）所示。

式中：λbat——電池端回收能量比例，%。

基于相同的百公里能量消耗量水平，可推導(dǎo)回收能量比例與文獻(xiàn)[5]中的續(xù)駛里程貢獻(xiàn)度的關(guān)系，如式（4）所示。

式中：δS——制動能量回收里程貢獻(xiàn)度，%。

2 基于大數(shù)據(jù)平臺對典型用戶進(jìn)行分析

通過大數(shù)據(jù)平臺獲取用戶在2019 年1 月1 日至2019 年12 月31 日的車速、電壓與電流數(shù)據(jù)，依據(jù)式（1）～式（4），計算各用戶的制動能量回收強度數(shù)據(jù)，隨機選擇總里程較長的4 位用戶樣本進(jìn)行制動能量強度統(tǒng)計，如表1 所示。

表1 4 位用戶樣本制動能量強度統(tǒng)計表

由表1 可知，制動能量回收強度用戶4 最強，用戶2 最弱。電池端制動能量回收強度與輪邊制動能量回收強度正相關(guān)，但非線性關(guān)系，如圖1 所示。說明受載荷、坡道等路況有一定的影響。在評價車輛制動能量回收強度應(yīng)用于制動能量回收措施優(yōu)化成本收益分析時，應(yīng)優(yōu)選電池端制動能量回收強度，其次是輪邊制動能量回收強度。

以用戶2 與用戶4 數(shù)據(jù)為例，在2019 年度總共行駛里程分別為61 956 km 與67 955 km，因制動能量回收技術(shù)在車上的應(yīng)用，1 年內(nèi)用戶2 節(jié)能1 210 kW·h，用戶4 節(jié)能2 028 kW·h。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)獲取該用戶1 年內(nèi)每天的行駛里程、輪邊能量回收強度、電池輸出端能量回收強度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比，如圖2 所示。

圖1 不同用戶輪邊與電池端制動能量回收關(guān)系對比

圖2 大數(shù)據(jù)技術(shù)挖掘用戶制動能量回收技術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)

由圖2 可得出，制動能量回收強度與行駛里程無關(guān)，僅與行駛的工況、車輛狀態(tài)相關(guān)。用戶4 更適合在制動能量回收技術(shù)上選擇更多的措施，例如協(xié)調(diào)式制動能量硬件、增加超級電容復(fù)合電源等。

3 制動能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及展望

世界各大汽車廠商及零部件企業(yè)紛紛針對不同電驅(qū)動車輛開發(fā)出了各種類型的制動能量回收系統(tǒng)。依據(jù)不同的方法與標(biāo)準(zhǔn)，可對制動能量回收系統(tǒng)進(jìn)行如下分類[7]。按回饋制動與摩擦制動耦合關(guān)系劃分，可分為疊加式（或并聯(lián)式）與協(xié)調(diào)式（或串聯(lián)式）制動能量回收系統(tǒng)；按液壓調(diào)節(jié)機構(gòu)所依托的技術(shù)平臺劃分，可分為基于EHB 技術(shù)的制動能量回收系統(tǒng)、基于ESP/ESC技術(shù)的制動能量回收系統(tǒng)、基于新型主缸/助力技術(shù)的制動能量回收系統(tǒng)；按液壓調(diào)節(jié)機構(gòu)的布置方式劃分，可分為與主缸集成的方案、與液壓單元集成的方案、分散式布置的方案；按制動踏板與制動力機械耦合關(guān)系劃分，可分為踏板非解耦方案、踏板準(zhǔn)解耦方案、踏板解耦方案。此外，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的制動能量回收策略優(yōu)化也已經(jīng)出現(xiàn)[8]。

基于經(jīng)濟性、舒適性、安全性和可靠性的技術(shù)要求，制動能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在零部件、系統(tǒng)控制和評價方法等方面。文章所述分析，是基于大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的經(jīng)濟性評價方法研究。在屏蔽舒適性、安全性和可靠性參數(shù)的對比時，可用于單變量的成本與收益分析。其他模塊再通過效益折算，獲得更合理的配置方案。

4 經(jīng)濟性成本與收益核算算法

設(shè)某1 項制動能量回收技術(shù)的軟件與硬件組合為1 個可選方案，用A 表示。方案A 實施的成本用f(A)表示，該方案對應(yīng)的汽車電池端制動能量回收比例按式（3）計算得λbat，其對應(yīng)的里程貢獻(xiàn)率按式（4）計算為δs，經(jīng)濟性收益主要有2 個方面。一方面是節(jié)能方案可令車輛百公里能量消耗量減少，從而減少使用過程中的充電電量，例如用戶4 與用戶2 是同一款車不同制動能量回收技術(shù)方案的表現(xiàn)，用戶4 比用戶2 每年節(jié)約818 kW·h，按照車輛壽命為10 年計算，則全生命周期內(nèi)成本節(jié)約8 180 kW·h，按照每千瓦時0.5 元折算，則相對收益高4 090 元。制動能量回收比例與收益的關(guān)系可描述為式（5）。

式中：Pλ——全壽命節(jié)省電費收益，元；

S——年均行駛里程，km；

EC——電池端百公里能量消耗量，kW·h/100 km。

另一方面是節(jié)能方案可令車輛的續(xù)駛里程增加，例如用戶4 比用戶2 里程貢獻(xiàn)率高6.4%，則設(shè)計相同的續(xù)駛里程時，用戶4 比用戶2 相當(dāng)于多裝6.4%的動力電池。該款車型所配置的電池包標(biāo)稱電量為36 kW·h，則可認(rèn)為用戶4 比用戶2 多裝2.304 kW·h，假設(shè)該車的動力電池的價格為每千瓦時1 500 元，則相當(dāng)于收益為3 456 元，如式（6）所示。

式中:Pδ——相同續(xù)航下電池配電量節(jié)省費用，元；

s——標(biāo)稱續(xù)駛里程，km。

綜合兩方面收益及方案成本，可算出綜合收益，如式（7）所示。

同理，有方案B、C，…，N 的備選方案，計算得各方案的收益PA,PB，…，PN，只從經(jīng)濟性角度優(yōu)選最優(yōu)方案X，即PX=min{PA,PB，…，PN}。當(dāng)有舒適性、可靠性、安全性指標(biāo)列入同時對比時，也可以統(tǒng)一折算成收益模型。

5 結(jié)論

制動能量回收技術(shù)對純電動汽車的經(jīng)濟性成本貢獻(xiàn)顯著，且呈現(xiàn)多種技術(shù)特點。隨著中國工況的推廣與大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)將成為各主機廠競相角逐的主要技術(shù)領(lǐng)域之一。各制動能量回收技術(shù)方案的成本隨著不同時期技術(shù)發(fā)展而變化，各方案匹配到不同的用戶其收益也會有差異。文章提出的基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的電池端制動能量回收強度，對用戶用車習(xí)慣與各項可行措施的篩選匹配，有重要參考價值。下一步將研究更為具體的制動能量回收方案及其經(jīng)濟性效果。