新能源汽車能量回收效率影響因素分析

摘 要：新能源汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展尤為迅速，各國針對新能源汽車推出了一系列福利性政策以刺激該領域的銷售市場，通過技術性政策引導汽車企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。社會各界對新能源汽車的關注度大部分集中在續(xù)航問題上，能量回收系統(tǒng)作為續(xù)航增益的重要技術手段，亦是促進新能源汽車發(fā)展的關鍵。本文對新能源汽車能量回收系統(tǒng)基本發(fā)展進行闡述，并對該系統(tǒng)的技術現(xiàn)狀加以試驗分析，以總結(jié)能量回收系統(tǒng)回收效率的影響因素，旨在為新能源汽車發(fā)展提供一定參考價值。

關鍵詞：新能源 能量回收 回收效率 影響分析

1 緒論

新能源汽車市場在各項技術政策、消費促進策略的帶動下，其銷量和保有量都在穩(wěn)步攀升：2023年我國新能源汽車銷量超900萬輛，同比增長超36％；2024年6月底，?全國新能源汽車保有量達到2472萬輛。上述數(shù)據(jù)表明新能源汽車在逐步被市場認可，社會各界對綠色出行、高效節(jié)能的新能源汽車的喜愛程度得到了提升，同時?也反映了新能源汽車發(fā)展各項政策扶持的有效性。但從宏觀角度看待新能源汽車市場，仍有很大的發(fā)展空間：在上述保有量的前提下，新能源汽車的市場占比僅為6％左右，市場占比明顯處于低位。

通過對500名未購車且為潛在的新能源汽車意向消費者進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：1.約56％的消費者仍持有觀望態(tài)度，其原因大多為在實際行駛過程中，新能源汽車的標定續(xù)航出現(xiàn)“打折”嚴重的現(xiàn)象，消費者對其續(xù)航技術、電池使用壽命等表示擔憂；2.約38％的潛在消費者不了解新能源汽車的技術現(xiàn)狀，擔心技術更迭過快且技術效果仍不理想等。綜合而言，新能源汽車市場仍有巨大的挖掘潛力，續(xù)航提升、技術升級是其發(fā)展重要的路徑。

不論是純電動汽車還是混動汽車，能量回收系統(tǒng)是提升續(xù)航的關鍵技術之一，對汽車行駛過程中可汲取能量的角度進行優(yōu)化是解決續(xù)航焦慮的有效手段之一。目前，最常見的能量回收系統(tǒng)技術為制動力回收和慣性力回收。在實際行車過程中，車輛的行駛狀態(tài)會頻繁出現(xiàn)制動或降速，基于新能源汽車中配備的驅(qū)動電機、電池、電控的三電結(jié)合，利用其路徑的可逆性進行工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，即：驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電，節(jié)省發(fā)電過程中轉(zhuǎn)速驅(qū)動的同時，還能合理的為整車電器設備或電池等提供能量，以完成能量回收路徑，實現(xiàn)節(jié)約能量以達成增加續(xù)航的效果。目前，各大車企都在加大投資力度對該項技術的深化研究，本文以推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)升級為出發(fā)點，對汽車行駛過程中充能、補能的角度進行研究，分析其能量回收的影響因素，為深度優(yōu)化能量回收系統(tǒng)方案奠定一定基礎，為社會了解新能源電池續(xù)航技術、強化新能源汽車市場提供新的突破口，以提升社會對新能源汽車發(fā)展的信心。

2 能量回收技術發(fā)展

2.1 國外能量回收技術的發(fā)展

國外汽車企業(yè)在能量回收技術方面的研究時間相對較早，且技術培育初期的理論多為：從傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)發(fā)動機和發(fā)電機聯(lián)動的角度進行充能辦法研究，例如1997年豐田研發(fā)的混合動力汽車則使得各大研究者開始關注到該系統(tǒng)的研發(fā)，此階段的研究主要以理論性成果為主，技術性成果存在一定協(xié)調(diào)控制問題，仍有較大改進和研究的空間；而后各國車企、研究中心開始基于能量回收理論基礎，建立純電動汽車和混動汽車的能量回收控制策略，搭建了純電動汽車的制動能量仿真實驗模型，通過施加不同強度的制動力進行仿真分析以優(yōu)化節(jié)能效果等。國外的能量回收系統(tǒng)理論較為豐富，且在混合動力汽車上的技術相對成熟，在交通領域普及度、穩(wěn)定性較高。但由于各國的產(chǎn)業(yè)政策扶持力度、發(fā)展方向及目標導向不同，導致該項技術應用于純電動汽車方向顯得相對薄弱。

2.2 國內(nèi)能量回收技術的發(fā)展

我國對能量回收技術各項研究成果多數(shù)起始于2000年，許多學者在理論領域針對制動能量回收都提出了許多重要的理論，且研究方向更為多元化，包含混動汽車、機械手臂等等。例如：重慶大學的陳陽提供了混合動力系統(tǒng)三種再生制動模式的試驗基礎，為研究能量回收技術拓展了理論、建模、仿真等路徑；秦嘉浩等人發(fā)表拖拉機姿控飛輪防側(cè)翻系統(tǒng)卸載能量回收試驗研究，從多元化角度研究該項技術，為能量回收系統(tǒng)提供新路徑新辦法；清華大學羅禹貢、李蓬等人使用最優(yōu)控制理論建立了制動力分配模型，顯著提高了制動反應速度和能量回收率等。

綜合國內(nèi)外的研究成果并對調(diào)查結(jié)果進行分析：超過半數(shù)的新能源車主認為能量回收系統(tǒng)在實際行車過程中對續(xù)航的提升并不明顯，20％的車主認為能量回收系統(tǒng)根本沒有真正實現(xiàn)補能，僅有8％的車主認為該項技術補能效果較好。大多數(shù)現(xiàn)有的能量回收系統(tǒng)其電能回收效率對續(xù)航里程的提升不明顯，因此仍然需要對影響其回收效率的關鍵因素進行分析、改進。

3 影響能量回收系統(tǒng)回收效率的因素

能量回收系統(tǒng)的組成包括電動機、轉(zhuǎn)換單元、儲能單元等，無論是飛輪制動回收、還是液壓回收等其他回收方式，其能量回收技術的基礎原理大多為：將其過程動能轉(zhuǎn)化為電能進行使用或儲存。本文僅針對純電動汽車的能量回收系統(tǒng)進行分析其影響因素。

3.1 外部影響

3.1.1 車輛行使道路條件影響

本次試驗使用車輛為某款純電動汽車，其電機最大功率約為110kW，風阻系數(shù)約為0.29Cd等。試驗道路條件為：坡度3°、坡度6°，時速60km/h，坡道長度800米。試驗裝置以60km/h過起點，通過測距儀記錄相應行駛里程的能量回收電流情況。道路額外影響因素：本次試驗僅針對已有條件進行檢測能量回收系統(tǒng)回收效率，其下坡或上坡路段會存在一定的傾斜度等外部條件，可能導致對能量回收電流有小部分影響存在。

試驗在起始端采用松開電門踏板，使得試驗裝置按照車輛行駛慣性力繼續(xù)行駛而獲取的能量回收圖。由圖1可以看出，當松開電門踏板時，能量回收系統(tǒng)系統(tǒng)能夠立即響應電能回收，表明能量回收系統(tǒng)技術在響應速率方面較為成熟。值得注意的是：純電動汽車能量回收在一定下坡路段內(nèi)行駛能穩(wěn)定處于回收均值，但由于系統(tǒng)實現(xiàn)于慣性力，所以即使是處于下坡路段其車輛行駛速度也在逐漸降低。當車速下降后，回收的電能也會相應的較少，因此能量回收系統(tǒng)開始工作時，其當下車速對系統(tǒng)回收的能量呈現(xiàn)一定比例關系。

對比圖1和圖2可明顯得出：爬坡路段的最大回收電流相差較大，且在爬坡過程中由于爬坡阻力等影響，其回收峰值的穩(wěn)態(tài)時間較短，而后回收電流呈現(xiàn)較為快速的下降，使得總的回收電能低于下坡路段回收的總能量。同時由于車輛在爬坡過程中需要對抗爬坡阻力，因此在行駛到一定路程時會轉(zhuǎn)而使用電池組的能量繼續(xù)低速行使，即能量回收系統(tǒng)會停止。

綜合而言，在爬坡過程中收集到的電能相對較少，且回收系統(tǒng)關閉較早。而下坡路段會較長時間的保持電能收集，電能回收總量更高，且下坡路段低速保持的電耗相對更低。較多純電動汽車車主表明標定行駛里程較難達成，大多數(shù)為五折至九折。而一部分純電動汽車行駛案例表明：下坡，或是從海拔較高的地區(qū)向下行駛，由于能量回收系統(tǒng)的介入提高了綜合行駛里程，實現(xiàn)實際行駛和標定續(xù)航接近或是突破1∶1。

3.1.2 天氣影響

在不同天氣的影響下，新能源汽車電耗量和傳統(tǒng)汽車油耗量變化大致相同，即逆向風和風速增大、下雨天等情況都會使得純電動汽車的電動機需消耗更多能量以保持車輛的行駛速度，同時松開電門踏板后車速下降頻率更快，因此能量回收效率也更低。

3.2 內(nèi)部影響

3.2.1 電動機特性影響

電動機不僅作為汽車驅(qū)動的主要工作部件，同時還能將機械能轉(zhuǎn)化為電能，因此能量回收系統(tǒng)的回收效率和電動機特性息息相關。首先，電機發(fā)電量和轉(zhuǎn)速存在一定正比關系，即轉(zhuǎn)速升高的同時發(fā)電量也相應的增加，因此電動機的性能參數(shù)大小能影響動能回收的效率。目前國內(nèi)純電動汽車多數(shù)采用永磁同步電機，而少數(shù)性能純電動汽車會使用交流異步電機，而后者的最大轉(zhuǎn)速一般大于前者，因而理論上在車況、路況條件允許下，轉(zhuǎn)速大的電動機能量回收極限效率會更高；其次，能量回收系統(tǒng)基于制動力進行電能回收，因此電動機制動力大小也是回收效率的影響因素之一，早期研究理論已表明：驅(qū)動電動機的外特性決定了電動機當前轉(zhuǎn)速下可輸出的最大再生制動力，電動機轉(zhuǎn)速較高時處于恒功率發(fā)電狀態(tài)；轉(zhuǎn)速較低時處于恒轉(zhuǎn)矩發(fā)電狀態(tài)[1]。

3.2.2 車輛控制策略

當電動機特性參數(shù)恒定的情況下，制動力合理分配是影響回收效率的重要因素。車輛控制策略主要體現(xiàn)在能量回收系統(tǒng)如何合理分配制動力，由于電池的最大充電功率、電能轉(zhuǎn)換單元的工作極限等原因，動能回收效率并不能完全達成100％，部分制動力會被空置，因此需要通過控制器進行決策。其控制策略要優(yōu)先保證汽車制動穩(wěn)定，而后對制動力回收比例、制動力回收后的分配等方面進行優(yōu)化，制動能量回收效率主要受制于控制策略和制動工況。目前各研究院、車企正在對能量回收策略進行大量研究，例如比亞迪授權的專利“車輛及其能量回收方法、裝置和存儲介質(zhì)”，該技術主要通過研究駕駛員駕車習慣而改變車輛控制策略以達成更高效的能量回收效率。

3.2.3 電池組特性

電池組是純電動汽車常用的儲能單元，能量回收系統(tǒng)回收效率與蓄電池組的材料特性、電池容量等有關。首先，在技術特性層面上，不同的電池材料會一定程度上限制充電和能量回收的功率：目前純電動汽車電池市場上，三元鋰和磷酸鐵鋰仍是制作電池組的主流材料。三元鋰相對磷酸鐵鋰而言具有更高的能量密度和更高充放電效率。因此在相同條件下，三元鋰的最大充放電功率對應能量回收效率理論值都會相應偏高。但市場上某品牌新能源汽車采用磷酸鐵鋰作為電池材料，通過優(yōu)化材料體系和充電結(jié)構等，使其充電倍率性能可達4C甚至5.5C，在同一理論層面上首次實現(xiàn)了磷酸鐵鋰在充電速率優(yōu)于三元鋰。在理論上，不同的充放電功率勢必對能量回收效率有相應的影響，因此不同特性的電池材料其能量回收系統(tǒng)效率亦有不同，但其影響維度目前仍未有特別明確的定論。

4 結(jié)論

目前新能源汽車在能量回收系統(tǒng)的研究上較為穩(wěn)定，但仍存在技術研究停滯、其展現(xiàn)的新技術仍停留在表面上、對實際行使效果提升不明顯等問題。而要提高該系統(tǒng)的回收效率需要對系統(tǒng)的整體結(jié)構、電池特性、電動機參數(shù)等方面進行綜合優(yōu)化?；陔姵胤€(wěn)定前提，提升電池的充電效率是提升總體續(xù)航的重要手段。同時在滿足制動效能的前提下，通過優(yōu)化系統(tǒng)以使?jié)撛谙M者更直觀的看到能量回收對續(xù)航的提升效果，從而提高市場對新能源汽車發(fā)展的信心。

基金項目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2024KY1068）。

參考文獻：

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[5]黃奇，呂猛，龔春忠，等.電動汽車能耗估算算法設計與應用研究[J].汽車科技，2024（12）：26-28.