純電動汽車自適應(yīng)能量回收技術(shù)的優(yōu)化及試驗研究

中圖分類號：U467 收稿日期：2025-04-16 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.002

Optimization and Experimental Study of Adaptive Energy Recovery Technology for Pure Electric Vehicles

Cui JunjielXiao Yang2 Wang Haifeng1 1.Wuhan Daan Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430051，China 2.China Automotive Technology and Research Center（Wuhan）Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China

Abstract：Withthecontinuousadvancementofautonomous driving technologyandtheincreasingpopularityofelectricvehicles， energymanagementinautonomousvehicleshasbecomeakeyresearchfocus.Adaptiveenergyrecoverytechnologycanautomatialy adjustnergyrecoverystrategiesbasedonfactorssuchasvehicledrivingconditions，roadcondions，anddrivingscenaros，thereby improvingenergyrecoveryeficiencyandextending thevehicle'sdrivingrange.Tisstudyprovidesanin-depthanalysisofadaptiveenergyecoverychologyfoutoomousicssusigitsprinciples，eytecologiesndifluecingfactorsieailo examinesurrnttchnicalchallengesandproposesmethodsforimplementingadaptiverecoverycontroltechologyinvehicles.Results fromrealworldroadtestsshowthat，underurbandrivingconditions，theoptimizedadaptiverecoverystrategyimproves energyrecovery efficiency by 10.2% and reduces energy consumption per 100km by approximately 6.2% .In downhill scenarios，the battery pack's recovered energy increases by 9.3% ，while ride comfort（measured by jerk value） improves by 12.5% .Finally，future development directions are outlined.

Keywords：Batery electric vehicles;Energy consumption;Adaptiveenergyrecovery;Experimental optimization

1前言

自動駕駛汽車代表了交通領(lǐng)域的革命性發(fā)展方向，其核心優(yōu)勢體現(xiàn)在交通安全性能提升、交通流效率優(yōu)化及環(huán)境友好性三個方面。作為自動駕駛技術(shù)的主要搭載平臺，電動汽車的發(fā)展長期受限于動力電池的能量密度制約。在此背景下，再生能量回收技術(shù)通過機電能量轉(zhuǎn)換機制，將車輛減速工況下的動能轉(zhuǎn)化為可存儲電能，實現(xiàn)了高達 15%～30% 的續(xù)航里程提升，這一技術(shù)路徑顯著改善了電動汽車的能源利用效率。

傳統(tǒng)的能量回收技術(shù)通常采用固定的回收策略，難以充分適應(yīng)復(fù)雜多變的行駛工況和多樣化的駕駛需求。相比之下，自適應(yīng)能量回收技術(shù)能夠根據(jù)車輛的實時狀態(tài)和周圍環(huán)境信息，動態(tài)調(diào)整能量回收的強度和方式，從而實現(xiàn)更為高效的能量回收。

2自適應(yīng)能量回收技術(shù)研究

2.1能量回收基本原理

在電動汽車的運行過程中，能量回收主要依靠電機的發(fā)電功能來實現(xiàn)。當(dāng)車輛需要制動或減速時，電機切換至發(fā)電狀態(tài)，將車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電能。這部分電能通過逆變器，由交流電轉(zhuǎn)換為直流電后，存儲到車輛的動力電池之中。在能量回收過程中，電機產(chǎn)生的制動力矩會作用于車輪，使車輛減速，同時完成能量的回收工作[1]。

2.2自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理

2.2.1傳統(tǒng)能量回收技術(shù)的原理及問題

傳統(tǒng)能量回收技術(shù)通過電機反轉(zhuǎn)實現(xiàn)制動能量的回收，其核心原理為：

能量轉(zhuǎn)換機制：車輛減速時，驅(qū)動電機切換為發(fā)電機模式，將動能轉(zhuǎn)化為電能并存儲至動力電池，采用固定閾值策略（如減速度 gt;0.1g 時觸發(fā)回收）2]，無法適應(yīng)多工況，導(dǎo)致長下坡等場景能量浪費。另外，模式切換（如電制動 $$ 液壓制動）時易引發(fā)jerk突變，導(dǎo)致駕乘感受下降。

2.2.2自適應(yīng)能量回收技術(shù)的原理及優(yōu)勢

自適應(yīng)能量回收技術(shù)借助傳感器獲取車輛的狀態(tài)信息，如車速、加速度、制動踏板行程，以及環(huán)境信息（如路況、坡度、前方障礙物情況等）。然后通過基于模型預(yù)測控制（MPC）的優(yōu)化算法對這些信息進行實時分析和計算，從而得出最優(yōu)的能量回收策略[3]。舉例來說，在平坦的下坡道路上行駛時，可以適當(dāng)提高能量回收強度，以此提升回收效率；而在爬坡或者需要緊急制動的情況下，則應(yīng)降低能量回收強度，以保障車輛的動力性能和制動安全性。圖1給出了自動駕駛狀態(tài)下的自適應(yīng)能量回收原理圖。

圖1自動駕駛狀態(tài)下自適應(yīng)能量回收原理

不過在實際駕駛場景中，當(dāng)回收扭矩設(shè)定值超過車輛滑行動力學(xué)需求時，將導(dǎo)致車輛在抵達目標(biāo)位置前提前停駐，此時駕駛員必須介人施加驅(qū)動扭矩以完成剩余位移，此過程會造成額外的能量轉(zhuǎn)換損耗；反之，若回收扭矩不足以耗散車輛動能，車輛到達目標(biāo)位置時將保留殘余速度，迫使駕駛員觸發(fā)摩擦制動系統(tǒng)，該操作不僅浪費可回收能量，還會引起制動片磨損。這兩種情況都會導(dǎo)致額外的能量損耗。

2.3合適減速度選取及計算

自適應(yīng)能量回收策略的調(diào)參優(yōu)化要以系統(tǒng)機理研究為前提。針對實際駕駛環(huán)境中存在的多維度不確定性，本研究提出分級控制方案，針對下列三類差異化工況實施最優(yōu)能量回收管理。

a.車輛到目標(biāo)處停駐，模擬前方堵車、遇紅綠燈等情況。此時理想減速度按照下式進行計算：

b.車輛到目標(biāo)處后開始維持某一車速，模擬減速后跟車等情況。此時理想減速度按照下式進行計算：

c.當(dāng)有道路坡度時，車輛到目標(biāo)處后開始維持某一車速，此時理想減速度按照下式進行計算：

式中， v₀ 為目前車速； v₁ 為目標(biāo)車速； s 為到達目標(biāo)處的距離； g 為重力加速度； i 為坡度。

其余實際駕駛場景均可由上述三種場景衍變計算。另外，也會存在另外兩種情況，需要結(jié)合實際場景進行控制：目標(biāo)距離過遠(yuǎn)，初速度較低，此時需控制電機輸出扭矩，但必須保證電機效率保持在高效區(qū)間（ 85% 以上）;或目標(biāo)距離過近，初速度較高，此時需使用車載制動器輔助制動。

2.4合適電機扭矩的選取

在實際的車輛傳動系統(tǒng)中，存在一定的能量損失，能量回收扭矩 T 與車輛質(zhì)量 M 減速度 α_a 以及車輪半徑R_wheel 成正比。當(dāng)車輛質(zhì)量和車輪半徑固定時，能量回收扭矩越大，車輛產(chǎn)生的減速度就越大。此時：

ηT_motor=M_vehaR_wheel

式中， η 為電機效率。

由以上公式可以看出，理想狀態(tài)下，電機扭矩（即能量回饋扭矩） T 與減速度 α_a 之間基本呈正比關(guān)系，線性度僅受電機效率和綜合阻力的影響，在電機高效區(qū)間內(nèi)，可以認(rèn)為兩者近似為線性正比關(guān)系。即針對目標(biāo)減速度，可以通過選取合適的電機回饋扭矩來控制車輛滑行狀態(tài)，最終達到最優(yōu)的節(jié)能效果。圖2給出了回饋扭矩-車速曲線（滑行能量回收）[4]。

實際上，對于指定的某一款車型來說，在不同車速下，由于車輛綜合阻力的變化及控制邏輯的影響，電機的回饋扭矩并不相同。在進行能量回收標(biāo)定時，需要先根據(jù)整車性能仿真結(jié)果及風(fēng)格定義確認(rèn)基礎(chǔ)回饋扭矩map，當(dāng)環(huán)境因素發(fā)生變化時，根據(jù)不同整車質(zhì)量（對應(yīng)乘員數(shù)量、裝載貨物變化）、道路坡度、制動踏板開度等，標(biāo)定不同情況下的回饋扭矩系數(shù)，最終的目標(biāo)回饋扭矩為基礎(chǔ)回饋扭矩乘以回饋扭矩系數(shù)獲得[5]。表1給出了基礎(chǔ)回饋扭矩map。

表1基礎(chǔ)回饋扭矩 map

2.5回饋扭矩選取原則（邊界條件）及實現(xiàn)方法

電機回饋扭矩受多種因素影響，主要的因素為成員舒適度、電機回饋效率、電池包溫度、充電功率、SOC等。本文基于某款車型，對較重要的因素做了邊界條件設(shè)定[6]：

a.若 a?0.3g ，優(yōu)先使用電機制動（能量回收），若 agt; 0.3g ，混合液壓制動。b.限制減速度 a?0.5g ，避免乘客不適。c.動態(tài)調(diào)整，根據(jù)實時更新的 v₀?v₁ 和 s ，重新計算 α_a （如感知到前車距離變化）。d.電機處于高效區(qū)間（ 85% 以上）。e.電池溫度 gt;45% 或者 SOCgt;85% 時，限制減速度a?0.3g 。

2.6整車控制邏輯

2.6.1工況觸發(fā)條件

滑行能量回收的觸發(fā)需要滿足一系列條件，這些條件由車輛控制單元（VCU）進行判斷，具體包括油門踏板開度為 0% （即駕駛員未踩油門）、制動踏板未踩下（或者在輕踩制動踏板時優(yōu)先采用電機制動）、車速大于特定閾值（本研究設(shè)置為 10km/h ，這樣可以避免車輛在低速時產(chǎn)生頓挫感），以及電池具備接受回饋能量的條件（如SOC小于 90% 、溫度在 0～45^°C 之間等）[7]。

2.6.2扭矩控制邏輯實現(xiàn)

a.電機回饋扭矩計算：按2.4節(jié)的方法，基于車速、減速度需求、電池狀態(tài)等動態(tài)計算目標(biāo)回饋扭矩（查表或模型計算）。b.扭矩漸變控制：避免扭矩突變導(dǎo)致頓挫，采用斜坡濾波（本次試驗采用 40N?m/s 漸變速率）。

2.6.3與制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)

a.電機制動優(yōu)先：在車輛滑行或進行輕制動操作時，優(yōu)先使用電機回饋扭矩，以實現(xiàn)能量回收的最大化。b.液壓制動補償：當(dāng)電機回饋的扭矩不足以滿足制動需求時（比如在急減速的情況下），電子穩(wěn)定程序（ESP）會介人，補充液壓制動力。c.駕駛性標(biāo)定：通過精確標(biāo)定，確保電液制動切換過程平順，減速度曲線符合駕駛員的操作預(yù)期。

2.6.4電池功率限制管理

電池管理系統(tǒng)（BMS）會實時反饋電池能夠接受的最大回饋功率 （P_maxregen） 。 P_maxregen 的大小由電池電壓（ V_batt） ）、最大充電電流 （I_maxcharge） 以及電池溫度限值共同決定，取三者中的最小值，即：

P_max-regen=min（V_batt，I_max-charge 溫度限值）

3試驗驗證

為實現(xiàn)自適應(yīng)能量回收策略在實際道路駕駛場景中的工程應(yīng)用，需將動態(tài)優(yōu)化算法固化為車載可執(zhí)行控制模塊，并通過整車級驗證評估其綜合性能。

3.1控制邏輯刷寫

用 C++ 語言按模塊化編寫控制邏輯代碼，經(jīng)編譯、鏈接生成可執(zhí)行文件，借助對應(yīng)刷寫工具和通信接口將代碼刷入VCU。在軟件刷寫完成后，先對車輛進行功能測試，驗證控制邏輯是否能夠正常工作；再對車輛進行性能測試，評估控制邏輯對車輛能量回收效率、動力性能等方面的影響；最后進行安全測試，確?？刂七壿嬙诟鞣N異常情況下都能保證車輛的安全運行[8]。圖3給出了VCU控制邏輯。

3.2實際道路測試

刷寫數(shù)據(jù)后的車輛在智能網(wǎng)聯(lián)試驗場內(nèi)進行功能測試并對控制邏輯進行微調(diào)和優(yōu)化后，準(zhǔn)備進行實際道路測試。試驗樣車部分參數(shù)見表2。

為更加準(zhǔn)確地測試控制邏輯優(yōu)化前后能耗的差異，保證試驗一致性，本次測試選擇市區(qū)道路，在連續(xù)兩天清晨進行，測量設(shè)備、配重、駕駛員、車輛駕駛模式保持一致，關(guān)閉空調(diào)，全程開啟自動駕駛，并在試驗前一晚充滿電后進行浸車[9-10]。試驗過程中駕駛員盡量不接管車輛，僅在有安全隱患或者部分路口轉(zhuǎn)彎時對車輛進行短時間操作。表3是試驗過程環(huán)境。

表2試驗樣車基本參數(shù)

試驗結(jié)果如表4所示。

表4試驗結(jié)果

4結(jié)果分析

通過對搭載自適應(yīng)能量回收控制邏輯的實車進行城市道路場景測試，并與原車固定能量回收策略進行對比分析，得出以下結(jié)論：

a.能耗提升明顯：在城市道路工況下，優(yōu)化后的自適應(yīng)回收策略使能量回收率提升 10.2% ，百公里電耗降低約 6.2% （從 161W?h/100km 降至 151W?h/km 。

b.實際場景適應(yīng)性提升：在下坡路段（坡度 3% 左右），策略自動增強回收力度，同時盡量避免機械剎車，使電池包回收電量提升 9.3% 。全程基于前車距離與減速度預(yù)測回收力矩，平順性指標(biāo)（jerk值）優(yōu)化 12.5% 。

c.用戶感知改善：根據(jù)駕駛員感受，自適應(yīng)策略的減速突兀感減少，加速度更為線性。

因此，本控制邏輯通過動態(tài)優(yōu)化，在保證安全性與舒適性的前提下，顯著提升了能量利用率，為電動汽車?yán)m(xù)航提升提供了有效解決方案。展望未來，自適應(yīng)能量回收技術(shù)將朝著以下方向發(fā)展：

a.與車路協(xié)同（V2X）系統(tǒng)深度整合，實現(xiàn)基于云端交通信息的預(yù)測性能量管理。b.結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，建立駕駛員風(fēng)格與路況特征的自適應(yīng)模型。c.開發(fā)新型復(fù)合儲能系統(tǒng)（如超級電容-電池混合），突破現(xiàn)有電池回收功率限制。d.構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化測試評價體系，推動行業(yè)技術(shù)規(guī)范統(tǒng)一。這些突破將進一步釋放能量回收技術(shù)的潛力，助力實現(xiàn)碳中和交通愿景。

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作者簡介：崔俊杰，男，1982年生，工程師，研究方向為整車能量管理試驗。