純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收特性分析

姚 勇 孫 龍 陳 靜 鮑 波 耿培林 凌 健

（1-工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心 北京 100846 2-中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 3-中機(jī)科（北京）車輛檢測(cè)工程研究院有限公司 4-吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

引言

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的提出，純電動(dòng)汽車市場(chǎng)將進(jìn)一步擴(kuò)大，但純電動(dòng)汽車的平均能耗還較高，需要根據(jù)純電動(dòng)汽車特性研究開發(fā)可以利用的能量來進(jìn)一步降低整車能耗。制動(dòng)能量回收系統(tǒng)是降低純電動(dòng)汽車能耗水平、充分利用再生能量的主要措施之一。研究表明，在城市工況下，大約有1/3～1/2 的驅(qū)動(dòng)能量會(huì)白白消耗在制動(dòng)過程中。以日本1015 工況為例，汽車所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)能量的50%在制動(dòng)過程中以熱能形式消耗掉[1]。現(xiàn)階段，大部分汽車由車輪至蓄電池的制動(dòng)回收能量傳遞效率在60%以上（如果有強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式與弱制動(dòng)能量回收模式，這是強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下的結(jié)果），大大提高了整車的平均能量利用率。隨著我國對(duì)新能源汽車能耗的控制趨于嚴(yán)格以及行業(yè)的技術(shù)不斷升級(jí)，對(duì)純電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收效能提出了新的要求。

張樹培等[2]提出可再生率、轉(zhuǎn)換率以及再生率。在計(jì)算可再生率以及再生率時(shí)，只考慮了汽車制動(dòng)動(dòng)能的變化，并未考慮到汽車制動(dòng)過程中有一部分動(dòng)能是用于克服滾動(dòng)阻力以及空氣阻力而無法進(jìn)行回收的問題；張俊智等[3]提出以電機(jī)產(chǎn)生的電能與最大可回收制動(dòng)能量之比作為制動(dòng)能量評(píng)價(jià)指標(biāo)；姚亮等[4]提出以制動(dòng)回收能量等效耗電量與無制動(dòng)能量回收時(shí)耗電量之比作為制動(dòng)回收節(jié)能潛力的指標(biāo)。李國斐等[5]將某工況下的能量回收率（電機(jī)回饋發(fā)出的電能占電動(dòng)機(jī)總消耗能量的百分比）作為制動(dòng)能量回收效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文將REESS（車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)）實(shí)際回收電能與在制動(dòng)過程中車輛理論循環(huán)回收能量的比值作為制動(dòng)能量回收率。

本文按照GB/T 18386.1-2021《電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1 部分：輕型汽車》[6]，對(duì)1 輛典型純電動(dòng)汽車進(jìn)行2 種制動(dòng)能量回收模式下的續(xù)駛里程縮短法試驗(yàn)，采集汽車運(yùn)行過程中的瞬時(shí)放電數(shù)據(jù)，以制動(dòng)能量回收率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)制動(dòng)能量回收特性進(jìn)行分析和研究。

1 試驗(yàn)方案

按照GB/T 18386.1-2021《電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1 部分：輕型汽車》的縮短法進(jìn)行續(xù)駛里程測(cè)試。

1.1 試驗(yàn)工況

測(cè)試工況為基于CLTC-P 循環(huán)的組合工況，CLTC-P 循環(huán)由低速段、中速段和高速段組成，如圖1 所示。

圖1 CLTC-P 循環(huán)

縮短法測(cè)試工況由試驗(yàn)循環(huán)段和恒速段組成，如圖2 所示。

圖2 縮短法測(cè)試工況

圖2 中，DS1和DS2為試驗(yàn)循環(huán)段，分別由2 個(gè)獨(dú)立的CLTC-P 循環(huán)組成；CSSM和CSSE為恒速段，2段的車速均為100 km/h。

1.2 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)所用車輛的參數(shù)如表1 所示。該車配備了強(qiáng)、弱2 種制動(dòng)能量回收模式。

表1 車輛參數(shù)

1.3 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)主要由底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、環(huán)境艙系統(tǒng)和電參量測(cè)試系統(tǒng)組成。

司機(jī)駕駛車輛按照指定工況在底盤測(cè)功機(jī)上運(yùn)行，利用功率分析儀實(shí)時(shí)采集車輛所有REESS（車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)）的電壓U、電流I，利用底盤測(cè)功機(jī)數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄車輛實(shí)時(shí)車速v，測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖3 所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

1.4 測(cè)試流程

按照GB/T 18386.1-2021 標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試流程如圖4 所示。

圖4 測(cè)試流程圖

1.5 數(shù)據(jù)測(cè)量及處理

測(cè)試過程中，實(shí)時(shí)獲取車輛車速v、REESS 母線的瞬時(shí)電壓U 及瞬時(shí)電流I。利用功率分析儀測(cè)量電參量，同時(shí)計(jì)算出純電動(dòng)汽車在測(cè)試工況下的實(shí)時(shí)功率P、累計(jì)回收電能PWP、累計(jì)驅(qū)動(dòng)電能MWP 以及總變化電能WP。這里，電流存在正負(fù)值，正值代表制動(dòng)能量回收階段；負(fù)值代表驅(qū)動(dòng)階段，即動(dòng)力電池對(duì)外做功階段。

式中：P 為純電動(dòng)汽車在測(cè)試工況下的實(shí)時(shí)功率，W；U 為REESS 母線的瞬時(shí)電壓，V；I 為REESS 母線的瞬時(shí)電流，A；PWP 為累計(jì)回收電能，W·h；MWP 為累計(jì)驅(qū)動(dòng)電能，W·h；T 為總測(cè)試時(shí)間，s；t 為采樣時(shí)間，s；i 為數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。

1.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用制動(dòng)能量回收率對(duì)純電動(dòng)汽車制動(dòng)效能進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，定義制動(dòng)能量回收率為REESS實(shí)際回收電能與制動(dòng)過程中車輛理論循環(huán)回收能量的比值，即

式中：η 為制動(dòng)能量回收率，%；Ere為REESS 實(shí)際回收電能，W·h；Eideal為制動(dòng)過程中車輛理論循環(huán)回收能量，W·h。

REESS 實(shí)際回收電能Ere基于回收電流和相應(yīng)電壓積分計(jì)算得到的累計(jì)回收電能PWP。理論循環(huán)回收能量Eideal為具有制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的車輛在特定循環(huán)下的最高可回收能量，其計(jì)算公式[7]如下：

式中：m 為測(cè)試質(zhì)量，kg；vi為第i s 的車速，km/h；vi+1為第（i+1）s 的車速，km/h；Froadi為第i s 試驗(yàn)車輛受到的道路阻力，N；A、B、C 為車輛道路阻力系數(shù)，見表1。

2 結(jié)果及分析

2.1 2 種制動(dòng)能量回收模式下的測(cè)試結(jié)果

2種制動(dòng)能量回收模式下，續(xù)駛里程縮短法測(cè)試和能量消耗量計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

從表2 可以得出，強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下的續(xù)駛里程大大高于弱制動(dòng)能量回收模式，前者比后者高95 km，提高了21.64%，說明強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，車輛的續(xù)航能力提高明顯；相比于弱制動(dòng)能量回收模式，強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，直流能量消耗量降低了19.26%，降能耗效果明顯。

將組合工況中CLTC-P 循環(huán)的電能變化進(jìn)行計(jì)算，分析2 種制動(dòng)能量回收模式下的電能變化特征。計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

從表3 可以看出，在CLTC-P 循環(huán)，弱制動(dòng)能量回收模式下，車輛的制動(dòng)回收能量與驅(qū)動(dòng)能量之比為1 ∶7.73；強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，2 者之比為1 ∶3.66。弱制動(dòng)能量回收模式下，車輛的制動(dòng)能量回收率η 僅為31.5%；強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，車輛的制動(dòng)能量回收率η 達(dá)到65.4%。弱、強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，車輛理論循環(huán)回收能量占消耗電能（驅(qū)動(dòng)能量）的比例分別為41.03%、41.75%，若該部分能量未被回收利用，最終將以熱能等方式耗散掉，降低了整車的續(xù)駛里程。測(cè)試車輛通過制動(dòng)能量回收功能回收了部分能量，理論上仍有很大一部分制動(dòng)能量未被充分利用。企業(yè)可結(jié)合車輛舒適性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，為車輛優(yōu)化設(shè)計(jì)一套科學(xué)合理的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，提高制動(dòng)能量回收率。

表3 4 個(gè)CLTC-P 循環(huán)的電能計(jì)算結(jié)果

2.2 CLTC-P 循環(huán)2 種制動(dòng)能量回收模式下的瞬時(shí)功率分析

通過統(tǒng)計(jì)REESS 瞬時(shí)功率分布情況來分析車輛在2 種制動(dòng)能量回收模式下的能量回收變化特征，選取第1 個(gè)CLTC-P 循環(huán)，繪制該循環(huán)2 種制動(dòng)能量回收模式下的REESS 瞬時(shí)功率箱型圖如圖5所示。其中，“強(qiáng)”代表強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式，“弱”代表弱制動(dòng)能量回收模式，“驅(qū)動(dòng)”表示電池對(duì)外輸出能量，“制動(dòng)”表示制動(dòng)能量回收。

圖5 2 種制動(dòng)能量回收模式下瞬時(shí)功率統(tǒng)計(jì)分布

從圖5 可以看出：在制動(dòng)能量回收階段，強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下的制動(dòng)能量回收功率無論是1/4 分位數(shù)、中位數(shù)，還是3/4 分位數(shù)數(shù)值都比弱制動(dòng)能量回收模式大。而在驅(qū)動(dòng)階段，2 種制動(dòng)能量回收模式下的驅(qū)動(dòng)功率并無明顯差異。

2.3 不同車速段下2 種制動(dòng)能量回收分析

2種制動(dòng)能量回收模式下，不同車速以及加速度下的瞬時(shí)功率變化如圖6 以及圖7 所示。其中，由于某些車速和加速度下的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少（小于5 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)），故進(jìn)行剔除，以減少不合理數(shù)據(jù)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖6 弱制動(dòng)能量回收模式下，不同車速和減速度下平均制動(dòng)能量回收功率比較

圖7 強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，不同車速和減速度下平均制動(dòng)能量回收功率比較

從圖6 和圖7 可以看出，當(dāng)平均車速為5 km/h時(shí)，無論何種制動(dòng)能量回收模式，在不同加速度下，都處于電池對(duì)外做功。這與電機(jī)特性有關(guān)，當(dāng)制動(dòng)過程中車速較低時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較低，無法給電池充電，因此在某一車速下，無法進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

從圖6 可以看出，當(dāng)平均車速為20～60 km/h時(shí)，隨著平均車速的變化，制動(dòng)能量回收功率變化差異不大。說明在車速為20～60 km/h 時(shí)大幅減速，會(huì)降低純電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收率。因?yàn)?，不同車速和減速度下，平均制動(dòng)能量回收功率恒定的情況下，減速度越大，對(duì)應(yīng)的減速時(shí)間越短，制動(dòng)能量回收相應(yīng)越少。另外，駕駛員的駕駛行為也影響制動(dòng)能量回收率。

從圖7 可以看出，與弱制動(dòng)能量回收模式不同，強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，同一平均車速下，制動(dòng)能量回收功率受減速度影響明顯。

2.4 2 種制動(dòng)能量回收模式下各速度段的制動(dòng)能量回收特征

按照CLTC-P 循環(huán)的低速段、中速段以及高速段3 個(gè)片段來分析不同速度段車輛的制動(dòng)能量回收情況，2 種制動(dòng)能量回收模式下，不同速度段的制動(dòng)能量回收率對(duì)比如圖8 所示。

圖8 2 種制動(dòng)能量回收模式下不同車速段的制動(dòng)能量回收率對(duì)比

從圖8 可以看出，2 種制動(dòng)能量回收模式下，低速段的制動(dòng)能量回收率最低。強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，隨著車速升高，制動(dòng)能量回收率提高；而弱制動(dòng)能量回收模式下，中速段與高速段的制動(dòng)能量回收率相差不大。

3 結(jié)論

本文對(duì)一輛典型純電動(dòng)汽車基于車輛能耗測(cè)試下的制動(dòng)能量回收特性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1）在CLTC-P 循環(huán)，弱、強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，純電動(dòng)汽車制動(dòng)可回收能量可分別達(dá)到整體消耗電能（驅(qū)動(dòng)能量）的41.03%、41.75%，這部分能量通過制動(dòng)能量回收裝置進(jìn)行部分回收，使得純電動(dòng)汽車在有限的電池容量下，仍能有足夠的續(xù)駛里程。

2）相比于弱制動(dòng)能量回收模式下31.5%的制動(dòng)能量回收率，強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，制動(dòng)能量回收率為65.4%，這使得制動(dòng)能量回收成為純電動(dòng)汽車減小能耗、提高續(xù)駛里程的一大措施。

3）由于蓄電池以及電機(jī)特性的影響，不同速度段，制動(dòng)能量回收率存在差異。弱制動(dòng)能量回收模式下，低速段的制動(dòng)能量回收率最低，高速段和中速段差異不明顯；強(qiáng)制動(dòng)能量回收模式下，低速段的制動(dòng)能量回收率最低，中速段次之，高速段最高。