电动汽车制动能量回收系统评价方法研究＊

王计广 李孟良 徐月云 方茂东

（中国汽车技术研究中心）

电动汽车制动能量回收系统评价方法研究＊

王计广 李孟良 徐月云 方茂东

（中国汽车技术研究中心）

以电动汽车制动能量回收过程中不同能量间的传递关系为研究对象，提出了评价制动能量回收系统的测试方法和评价指标，搭建了电动汽车制动能量回收系统测试平台，并利用该平台对某电动汽车在NEDC工况下的制动能量回收效率进行了研究。试验结果表明，制动回收能量和回收率主要受制动能量回收控制策略、制动初速度和减速度的影响，当制动初速度低于控制策略中设定车速时系统将不进行能量回收；鉴于NEOC工况中制动初速度和减速度比较单一的情况，建议开发一种适用于电动汽车制动能量回收系统评价的工况。

1 前言

与传统汽车相比，配备制动能量回收系统的电动汽车在制动过程中可将部分制动能量转化为机械能和电能，最终以化学能的形式储存到驱动电池中，从而提高电动汽车的能量利用率和续航里程等[1]。目前，国内外均对电动汽车制动能量回收系统进行了大量的研究，如国内仇斌[2]等提出了以电动城市公交车制动回收过程中各子系统间的转化效率作为评价指标，李国斐[3]等提出以基于Advisor仿真的能量回收率作为评价指标，但这些研究尚未形成统一的电动汽车制动能量回收效率评价方法和评价标准。本文通过对现有的制动能量回收系统测试方法和评价指标的分析，提出基于电动汽车制动能量回收过程中能量传递关系的评价方法和评价指标，搭建了电动汽车制动能量回收系统的测试评价平台，并利用该平台对某电动汽车在NEDC工况下的制动能量回收效率进行研究。

2 制动能量回收系统评价方法与指标

2.1 制动能量回收评价方法

国内外制动能量回收系统的测试方法主要包括软件仿真、台架试验和整车测试等3种。软件仿真需要对车辆制动能量回收过程中各子系统进行单独建模，同时对建模的精确度要求较高，且难以真实全面地模拟在实际车辆行驶过程中影响能量回收的因素，数据的有效性和准确性较差。台架试验仅对单独的制动能量回收系统进行测试，而忽略了汽车实际道路行驶中风阻、路阻及其它附件能量消耗等对能量回收率的影响。整车测试是对整车在实际运行过程中的制动能量进行测试，能够充分反映制动能量回收系统本身以及外界环境中的各种影响因素，能够弥补台架试验和软件仿真的不足，提高了试验的精确度和数据的准确性。因此，对电动汽车制动能量系统的测试评价应采用基于整车测试的方法。

2.2 制动能量回收评价指标

对于制动能量回收的评价指标，国内外已提出了制动能量回馈率[4]（制动能量回馈过程中电动机发出的电能在总制动能量中的占比）、能量回收率[3]（在某循环工况下电动机回馈发出的电能占电动机总消耗能量的百分比）、回收率[5]（电动机回馈发出的电能占整车总动能或动力电池总储电量的百分比）及制动能量回收贡献率[2]（制动能量中被回收又重新被动力系统利用且传递到驱动轮的那一部分能量在总驱动能量中所占的比例）等评价指标。电动汽车制动能量回收过程是一个复杂的动态过程，涉及的子系统较多，但上述前3种评价指标仅考虑了电动机发出的电能占总制动能量或消耗能量的比例，没有考虑制动能量回收各子系统动态变化对制动回收能量的影响，缺乏对制动过程中能量流传递的研究，因此不能全面且有针对性地对制动能量回收系统进行评价[4]；制动能量回收贡献率主要考虑了制动能量回收过程中特定结构间的转化效率，但对其它不同的制动能量回收结构而言缺乏一定的适用性。

为此，针对几款电动汽车制动能量回收系统的能量流传递路线进行了研究，发现制动能量回收中的部分子系统结构可能不相同，但在制动过程中，部分制动能量均通过制动能量回收各子系统依次转化为机械能和电能，最终以化学能存储在驱动电池中，如图1所示。电动汽车制动力分配控制策略中通常设定制动能量回收的最低车速限值，即制动车速低于控制策略中设定车速时不进行能量回收，其主要原因是在制动车速过低时发电电压过低，无法对驱动电池进行充电。

本文以制动能量回收系统中不同能量间的转化关系作为研究对象，提出如下3种评价制动能量回收效率的指标。

2.2.1 制动可回收率

制动过程中，通过制动力分配控制策略后，制动能量除在制动过程中克服轮胎滚动摩擦阻力和空气阻力外，其余的制动能量由驱动车轮传递到半轴，以机械能的形式存在，而这部分能量可以被回收再利用，因此车辆制动力控制策略对制动能量回收起着关键性作用。制动可回收率ηk定义为在制动过程中半轴回收能量Et占整车动能变化量Ez的百分比:

式中，T为半轴扭矩；n为半轴转速；m为整车质量；

v0为制动初速度；v1为制动末速度。

2.2.2 制动转化率

半轴上的机械能通过传动系统及发电系统转化为电能，主要评价制动能量回收各子系统间能量的转化效率。制动转化率ηt定义为制动过程中驱动电池充电能量Er占半轴回收能量Et的百分比。

式中，U为驱动电池充电电压；I为驱动电池充电电流。

2.2.3 制动回收率

制动回收能量最终以存储在驱动电池的回收电量来体现。制动回收率ηv定义为制动过程中驱动电池充电能量Er占整车动能变化量Ez的百分比，其考虑到了制动能量由车轮传递至驱动电池过程中所有的影响因素，反映电动汽车实际的制动能量回收效率。

3 整车制动能量回收系统测试平台

3.1 制动能量回收系统测试平台搭建

依据提出的制动能量回收评价指标，需要对电动汽车的车速、驱动电池的电流和电压、左右制动半轴扭矩及转速等参数进行测试，同时为评价不同制动力时的制动能量回收效率，需要测试制动踏板力。根据测试参数的精度选择相对应的传感器（均设为同一采样频率），并布置在整车相应的位置上，搭建的整车制动能量回收系统测试平台见图2。整车制动能量回收系统特性的测试可在实际道路或整车底盘测功机上完成。

驱动电池的电压和电流分别由电压传感器和电流传感器测试，当电流为正值时表明汽车在加速或匀速行驶，驱动电池处于放电状态，当电流为负值时表明汽车在制动状态，驱动电池处于制动能量回收状态。制动半轴的扭矩主要是通过粘贴在半轴表面上的电阻应变片来测试半轴扭应变的应力和应变，再利用应变仪将电阻应变片信号放大后转化为电压信号输出得到的。在试验前需对制动半轴的扭矩进行标定，标定方法是将制动半轴差速器端固定，对半轴的车轮端加载不同的扭矩，通过扭矩传感器采集相应的半轴应变量，半轴的标定系数即为扭矩与应变量的平均比值。制动半轴标定系统见图3。

3.2 制动能量回收数据处理方法

由于汽车在实际行驶过程中的跳动会造成试验数据存在突变点和毛刺，因此需要进行相应的滤波处理。从整个测试的工况数据中筛选出所有制动工况下的各参数数据，假定整个测试工况中进行了N次制动工况，每次制动工况进行n次采样，则记录第λ（≤N）次制动工况中第i（≤n）次采样的参数数值，表1为制动能量回收系统需要采集的参数。

表1 计算制动能量回收系统能量与效率所需参数

依据上述采样参数数值可计算得到第λ（≤N）次制动工况的驱动电池充电能量、半轴制动回收能量和整车动能变化量，如式（4）～式（6）。

驱动电池充电能量:

半轴制动回收能量:

整个制动工况下的3种评价指标的数据处理方法如下。

制动可回收率:

整车动能变化量:

制动转化率:

制动回收率:

4 电动汽车整车制动能量回收测试

4.1 试验车辆选定

利用搭建的制动能量回收系统测试平台和数据处理方法，对某电动汽车的制动能量回收进行研究分析，试验车辆参数见表2。

表2 试验车辆参数

4.2 试验方案

试验车辆在底盘测功机上运行NEDC工况，各传感器的布置情况见图2，设定各传感器的采样频率为1 Hz。NEDC中制动工况是分别由7种不同的恒定减速度构成的，且部分制动过程由多个不同减速度的连续制动工况组成[6]，因此将1个或多个连续的制动工况看作一个制动片段进行研究，如表3和图4所示。

表3 NEDC制动工况片段参数

4.3 试验结果分析

试验后对NEDC制动工况中7个制动片段的电池充电能量、半轴回收能量及整车动能进行统计处理，结果见图5。

由图5可看出，制动片段A的半轴回收能量和电池充电能量均为0.3 kJ左右，主要原因是片段A的制动初速度为15 km/h，整车动能的变化较小，由地面摩擦和风阻等因素造成的动能变化与车辆本身的动能变化相当，电制动系统几乎不参与制动过程，因此造成半轴回收能量和电池充电能量均非常低。

在市区循环中，制动片段B～片段D的制动初速度和减速度比较接近，因此电池充电能量、半轴回收能量和整车动能基本保持平稳。随着制动初速度的增加，市郊循环中制动片段E～片段F的电池充电能量、半轴回收能量和整车动能均有大幅度增加，特别是在制动片段F（制动初速度为120 km/h）时各能量均达到最大值。整体来看，3种能量的变化趋势基本一致，即当动能变化量较大时，半轴回收能量和电池充电能量也会随之增加。在制动初速度由70 km/h提高到120 km/h时，车辆的动能变化量最大，约提高了5倍，而半轴上回收的能量和电池充电能量提高了10倍以上。

图6为不同制动片段下的效率变化。由图6可看出，在不同的制动片段下，车辆的制动转化率基本保持在80%左右，主要原因是车辆的制动转化率主要受车辆发电机和电池充电效率的影响，而车辆的行驶状态对其影响很小，因此在测试循环中制动转化率基本保持不变。制动片段A的制动可回收率为2.2%，制动回收率为1.8%，这主要是由于片段A的制动初速度较低，发电机在低转速时无法提供高的充电电压造成的，同时与车辆的制动控制策略相关。在制动片段B～片段E下，制动可回收率和制动回收率基本保持在18%～20%，而在制动片段F下制动可回收率和制动回收率分别达到36.4%和30.6%，其主要原因是制动初速度高达120 km/h，同时制动减速度也明显高于其它制动片段。

表4为整个NEDC工况下制动能量和转化率结果。

表4 NEDC工况的制动能量和转化率

由表4可知，在整个NEDC工况下车辆的制动回收率约为21.55%，市郊循环Part2的制动可回收率和制动回收率约是市区循环Part1的2倍，其主要原因是，Part1的制动初速度分布在15～50km/h，制动减速度为-0.52～-0.92m/s2，而Part2的制动初速度为70～120 km/h，制动减速度为-0.69～-1.34m/s2，相对Part1，Part2的制动初速度和减速度均有大幅增加，且制动工况的时间较长。从各制动片段和整个制动工况来看，制动初速度和减速度对制动可回收率和制动回收率有很大的影响，而对制动转化率影响较小。

此外，NEDC制动工况中制动初速度和减速度相对比较单一，难以反映车辆在各种制动初速度和减速度下制动能量和制动效率的分布特征，进而影响对电动汽车制动能量回收系统的评价，因此建议开发一套适用于评价电动汽车制动能量回收系统的测试工况。

5 结束语

电动汽车制动能量回收整车测试能够充分反映制动能量回收系统本身以及外界环境中的各种影响因素，弥补台架试验和软件仿真的不足，提高试验精确度和数据的准确性。本文搭建了电动汽车制动能量回收系统整车测试平台，提出了基于制动能量流传递关系的制动可回收率、制动转化率和制动回收率的评价指标，全面系统地评价了制动过程中的影响因素和不同能量间的转化效率。

NEDC制动工况中制动初速度和减速度相对比较单一，难以反映车辆在各种制动初速度和减速度下制动能量和制动效率的分布特征，进而影响对电动汽车制动能量回收系统的评价，因此建议开发一套适用于评价电动汽车制动能量回收效率的测试工况。

1邹广才，罗禹贡，边明远，等.并联式HEV制动能量回收控制策略的仿真研究.汽车技术，2005（7）:14～17.

2仇斌，陈全世.电动城市公交车制动能量回收评价方法.机械工程学报，2012，48（6）:80～85.

3李国斐，林逸，何洪文.电动汽车再生制动控制策略研究.北京理工大学学报，2009，29（6）:520～524.

4张俊智，陆欣，张鹏君.混合动力城市客车制动能量回收系统道路试验.机械工程学报，2009，45（2）:25～30.

5王保华，郁俊杰.混合动力客车制动能量回馈及控制仿真研究.湖北汽车工业学院学报，2008，22（4）:1～5.

5国家环境保护总局.GB18352.2-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）.北京:中国环境科学出版社，2005.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2014年9月2日。

The Study on Evaluation Method of Braking Energy Recovery System for Electric Vehicle

Wang Jiguang，Li Mengliang，Xu Yueyun，Fang Maodong
（China Automotive Technology&Research Center）

To study transfer relation of different energies during the process of braking energy recovery of electric vehicle，we propose a set of evaluation methods and indicators for EV braking energy recovery system，and set up an EV test platform for braking energy recovery system，which is used to study the recovery efficiency of braking energy for an EV in NEDC.Test results show that brake recovery energy and recovery efficiency are affected mainly by the control strategy of recovery system，initial braking speed and deceleration.The recovery system does not operate when the initial speed of braking falls below the speed set by the control strategy.However，since the initial speed of braking and deceleration in NEDC are simple，we propose to develop a new driving condition suitable for evaluating the braking energy recovery system of electric vehicles.

Electric vehicle，Braking energy recovery system，Evaluation indicator，Recovery efficiency

电动汽车制动能量回收系统评价指标回收效率

U469.72

A

1000-3703（2014）12-0035-05

国家高技术研究发展计划（863计划），编号2011AA11A286。