电动汽车道路行驶制动能量回收特性研究＊

张树培 黄璇 张玮

（江苏大学）

电动汽车道路行驶制动能量回收特性研究＊

张树培 黄璇 张玮

（江苏大学）

通过分析再生制动系统制动时的能量流关系，参考已有的评价方法，提出了一套能够有针对性地反映再生制动系统回收特性的评价指标。以两款纯电动汽车为例，搭建再生制动试验平台并进行了道路试验，分析了其制动能量回收特性与城市道路行驶特征的关系，结果表明，不同车型在道路试验中的再生效果随制动工况的变化趋势基本一致，但在制动初速度与制动强度的分布区域有明显差异；在进行电动汽车制动能量回收系统的开发与设计时应考虑道路行驶特征，以有效提高制动能量回收效率。

1 前言

再生制动是指装有再生制动系统的电动汽车制动时，电动机或发电机工作在发电模式，将车辆的部分动能转化为电能并储存在能量存储装置中，实现能量的再生利用[1]。在制动频繁的城市工况下，制动过程消耗的能量占整车牵引过程中产生的有效能量的30%～60%[2]。与传统汽车相比，配备再生制动系统的电动汽车能够有效回收被摩擦消耗的能量，可降低油耗并改善车辆的燃油经济性[3]。目前，已定型的电动汽车均搭载了再生制动系统，但针对再生制动系统的评价方法多处于仿真阶段，且针对性不强，因此有必要对再生制动系统进行深入分析与研究。

本文通过分析再生制动系统制动时的能量流关系，在参考已有的评价方法基础上，提出了一套能够有针对性且全面地反映再生制动系统回收特性的评价指标，并搭建了再生制动试验平台。同时以某款电动汽车为例，分析了其再生制动系统的能量流关系与回收特性。

2 再生制动评价方法研究

2.1 再生制动能量流分析

当装有再生制动系统装置的车辆在平直道路上制动时，整车动能的消耗主要有空气阻力所产生的能耗、滚动阻力所产生的能耗和制动系统能耗等几部分。由制动系统所消耗的能量即理论上可以回收的制动能量。再生制动时的能量平衡方程为:

即

式中，Ez为整车动能变化量；Ef为制动过程中克服滚动阻力所消耗的能量；Ew为制动过程中克服空气阻力所消耗的能量；Eb为制动系统所消耗的能量，即制动能量；v为车速；v0为制动初速度；v1为制动末速度；m为整车质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；ρ为空气密度。

再生制动的原理是将制动能量Eb经由传动系统和电动发电机转换为电能，并存储在储能装置中。虽然再生制动系统结构型式多样，但其原理都是将车辆制动时的动能转化为电能并给蓄电池充电[4]。通过对再生制动系统结构型式的分析，可确定任何结构型式的再生制动系统均通过如图1所示的路径进行能量传递。

再生制动系统制动过程中的制动能量传递路径分为以下3部分。

a.整车动能—制动能量—驱动半轴传递路径。能量流关系为:再生制动时，通过制动力分配控制策略后，制动能量的一部分能量由制动器制动力消耗，以热能的形式散失，其余的能量由驱动车轮传递到半轴，以机械能的形式存在，这部分能量可以被再生利用。将传递至半轴的能量用Et表示，则有:

式中，λ为制动力分配因子。

b.驱动半轴—机械传动系统—发电系统传递路径。能量流关系为:将半轴上的机械能通过传动系统及发电系统转化为电能给予驱动电池充电，在传递的过程中，能量损失包括机械传递损失和发电损失。此路径是能量的转化过程，对于特定的再生制动系统，该转化效率应是恒定的。将电池充电能量用Er表示，则有:

式中，η1为机械传递效率；η2为发电效率。

c.发电系统—驱动电池传递路径。能量流关系为:将发出的电能给予驱动电池充电，最终以化学能的形式储存到电池中，与再生制动系统关联不大。将电池回收能量用E 表示，则有:

式中，η3为电池充电效率。

2.2 再生制动评价方法

目前，再生制动系统常用的的评价指标包括制动能量回馈率、能量回收率、回收率、制动能量回收贡献率[5]等几种。再生制动是一个复杂的动态过程，且在此过程中制动能量需要经过多个系统转换后才能被回收储存。影响制动能量回收效率的因素和环节较多，因而采用上述指标来评价制动能量回收效率并不能全面且有针对性地对再生制动系统进行评价。如制动能量回馈率、能量回收率、回收率都只是片面地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，没有涉及再生制动系统具体结构，且缺乏对再生制动过程中能量流的描述；制动能量回收贡献率包含了制动过程与驱动过程，适宜对电动汽车整车经济性的评价，不是针对再生制动系统的评价。

为此，根据制动能量传递路径及能量流关系，采用可再生率、转化率和再生率作为再生制动系统能量回收效果的评价指标。

a.可再生率是指制动过程中半轴再生能量占整车动能变化量的百分比，用其对制动能量传递路径a进行评价，即

式中，T为半轴扭矩；n为半轴转速。

b.转化率是指制动过程中驱动电池充电能量占半轴再生能量的百分比，用其对制动能量传递路径b进行评价，即

式中，Er为驱动电池充电能量；U为驱动电池充电电压；I为驱动电池充电电流。

c.再生率是指制动过程中驱动电池充电能量占整车动能变化量的百分比，用其对再生制动系统进行总体评价，即

3 电动汽车道路试验

3.1 道路试验方法

道路试验的方法主要有平均车流统计法（又称代表工况法）、车辆追踪法和自主行驶法。鉴于试验的实际情况，本研究采用平均车流统计法来进行电动汽车道路工况数据采集试验。

3.2 试验路线设计

道路试验在天津市进行，试验路线覆盖天津市不同的道路类型和交通流，包括外环线、中环线、内环线不同路段及部分郊区路段等具有代表性的试验路线。

3.3 试验车辆与驾驶员

本次试验采用2种装有再生制动系统的电动汽车为试验样车（车型1和车型2），驾驶员为中国汽车技术研究中心的专业驾驶员。

3.4 试验平台的搭建

3.4.1 检测参数

根据式（6）～式（8）可知，试验中需要获取车速、制动半轴扭矩、两侧驱动轮转速、制动踏板信号、整车加速度、动力电池电压和电流等参数。

3.4.2 试验设备

根据确定的检测参数，选取表1所列仪器进行检测。

表1 检测仪器

采用的数据采集设备是包括一块内置数据采集卡、应变仪及装有16个数据传输通道接口的固定式数据采集箱（图2）。其中应变仪为两通道，用于完成对半轴扭矩信号的后期处理任务；数据采集卡包括16路模拟输入通道、8路DI、8路DO、2路AO和一路32位计数器，分辨率为12位，采样频率为150 kS/s，满足采集速度的要求。

4 电动汽车制动能量回收特性分析

4.1 道路工况特征分析

为分析天津市道路工况特性，对天津市道路工况的特征参数进行了统计，如表2所列。

表2 天津市道路工况特征参数统计结果

图3为统计的天津市道路工况中制动初速度—制动减速度联合概率分布图。

从图3可看出，天津市道路工况中制动初速度主要分布于10～80 km/h内，所占比例为90.7%；制动减速度主要分布于0.2～1.0 m/s2内，所占比例为90%。

4.2 电动汽车制动能量回收特性分析

4.2.1 车型1制动能量回收特性

车型1在不同制动初速度和制动减速度下的可再生率变化趋势如图4所示。

从图4可看出，车型1在车速低于15 km/h条件下不进行制动能量回收；在制动初速度为15～60 km/h时可再生率逐渐增加，在制动初速度为60～80 km/h时达到最高，在制动初速度大于80 km/h时反而减小；在制动减速度为0.2～0.8 m/s2时可再生率逐渐增加；在制动减速度为0.8～1.2 m/s2时达到最高，制动减速度大于1.2 m/s2时反而减小。由此可得出，在制动初速度为60～80 km/h、制动减速度为0.8～1.2 m/s2时具有更好的能量回收效果。

车型1在不同制动初速度和制动减速度下的再生率变化趋势如图5所示。从图5可看出，不同制动初速度和制动减速度下的再生率变化趋势与可再生率变化趋势相同。

车型1在不同制动初速度和制动减速度下的转化率变化趋势如图6所示。从图6可看出，在不同制动初速度和制动减速度下的转化率变化趋势近似为一平面，即转化率在恒定范围内。

4.2.2 车型2制动能量回收特性

车型2在不同制动初速度和制动减速度下的可再生率变化趋势如图7所示。

从图7可看出，车型2在车速低于15 km/h时同样不进行制动能量回收，可再生率随制动初速度的变化幅度较小。在制动减速度为0.2～0.3 m/s2时可再生率逐渐增加，在制动减速度为0.3 m/s2时达到最大，制动减速度大于0.3 m/s2时反而减小。

车型2在不同制动初速度和制动减速度下的再生率变化趋势如图8所示。从图8可看出，在不同制动初速度和制动减速度下的再生率变化趋势与可再生率变化趋势相同。

车型2在不同制动初速度和制动减速度下的转化率变化趋势如图9所示。从图9可看出，在不同制动初速度和制动减速度下的转化率变化趋势近似为一平面，转化率在恒定范围内。

4.3 电动汽车制动能量回收潜力分析

经分析，车型1的再生率map图与道路工况制动初速度—制动减速度联合概率分布图变化趋势相似度较低，两者的相关性仅为11.2%，在道路制动高频区域内再生率较低，没有充分利用道路制动特性；车型2的再生率map图与道路工况制动初速度—制动减速度联合概率分布图变化趋势相似度相对较高，两者的相关性为49.9%，在道路制动高频区域内再生率较高，再生特性利用率相对较高。

5 结束语

在实际道路行驶中，制动工况的分布具有较为明显的规律，使得再生制动的再生效果产生相应的规律性变化。通过对制动过程中制动能量流的分析，提出了针对再生效果的评价方法和评价指标。对2款装有再生制动系统的电动汽车进行了道路试验，结果表明，不同车型的再生效果随制动工况的变化趋势基本一致，但在制动初速度与制动强度的分布区域有较明显的差异。因此，在进行电动汽车制动能量回收系统的开发与设计时应考充分利用道路制动特性，以提高制动能量回收效率。

1王鹏宇.混合动力轿车再生制动系统研究:[学位论文].长春:吉林大学，2008.

2GAO Yinmin，CHEN Liping，EHSANI M.Investigation of the effectiveness of regenerative braking for EV and HEV. SAE International SP-1466.1999-01-2910.

3詹迅.轻度混合动力汽车再生制动系统建模与仿真:[学位论文].重庆:重庆大学，2005.

4巩养宁，杨海波，杨竞.电动汽车制动能量回收与利用.客车技术与研究，2006，（3）:28～29.

5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（16）:81～84.

（责任编辑文楫）

Research on Braking Energy Recovery Characteristics of Electric Vehicle in Road Driving

Zhang Shupei，Huang Xuan，Zhang Wei
（Jiangsu University）

Through analysis of the energy flow relationship in braking of regenerative braking system and taking reference of the existing evaluation methods，this paper presents a set of evaluation index which specifically reflects recovery characteristics of the regenerative braking system.Taking two electric vehicles for example，the authors build a regenerative braking test platform and perform road test，then analyze the relationship between recovery characteristics of regenerative braking and urban road driving characteristics.The results of the analysis indicate that the variation trend of regenerative braking effect of different models in road test is basically consistent，whereas the initial braking speed differs greatly with braking intensity in the distribution areas.To effectively increase braking energy recovery efficiency，it is necessary to consider road driving characteristics when developing and designing the braking energy recovery system for EV.

Electric vehicle，Regenerative braking system，Road driving，Braking energy recovery

电动汽车再生制动系统道路行驶制动能量回收

A

1000-3703（2014）12-0049-05

国家“863”项目:电动汽车测试评价技术研究（二）（2011AA11A286）；江苏大学高级专业人才科研启动基金项目（13JDG035）；江苏大学高级专业人才科研启动基金项目（13JDG036）。