电动汽车再生制动系统回收特性与能量流分析

张树培，黄 璇，荆哲铖

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)



电动汽车再生制动系统回收特性与能量流分析

张树培，黄 璇，荆哲铖

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

装有再生制动系统的电动汽车可以回收利用原本被制动系统消耗的能量，从而降低能耗且提高整车的经济性。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的全面的反应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，以某电动汽车为例，通过试验明确了其再生制动系统的能量流与回收特性的关系，对再生制动系统的研究与开发提供参考依据。

车辆工程；再生制动系统；能量流；评价

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地回收原本被摩擦消耗的能量，可以降低油耗，且改善车辆的燃油经济性[3]。再生制动作为一个对电动汽车节能减排不可缺少的环节，极具有重要性，目前已定型的电动汽车均搭载了再生制动系统。目前针对再生制动系统的研究多处于仿真阶段，且针对性不强，针对再生制动的评价方法均存在不足之处，因此有必要对再生制动系统进行深入的分析与研究。

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的全面的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，以某电动汽车为例，分析了其再生制动系统的能量流关系与回收特性。

1 再生制动理论分析

1.1 制动能量传递路径

当装有再生制动系统装置的车辆制动时，整车的动能除了一部分在制动过程中克服轮胎滚动阻力和空气阻力消耗外，其余的能量由制动系统消耗转化为其它形式的能量。再生制动时的能量平衡方程：

Ez=Ef+Ew+Eb

(1)

即:

(2)

式中：Ez为整车动能；Ef为制动过程中克服滚动阻力消耗的能量；Ew为制动过程中克服空气阻力消耗的能量；Eb为制动系统消耗的能量，即制动能量；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；G为整车总重量；i为车道坡度；v为车速，m/s。

理论上制动能量经过传动系统和电机驱动系统的传递和转换后变成电能储存到储能装置中被回收利用。

再生制动系统结构形式多样，且具体的结构有所不同，但是各种再生制动系统的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形式的分析与研究，可以确定能量的传递路径：无论对于何种能量传递路径的再生制动系统，均通过如图1路径进行能量传递。

图1 制动能量传递路径

1.2 再生制动能量流关系

为了全面且深入的了解再生制动系统制动过程中的能量转换关系，在论述的过程中，将制动能量传递路径有针对性的分解成三部分，逐一对其进行分析：

1.2.1 整车动能-制动能量-驱动车轮-半轴

能量流关系。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，这部分能量可以回生成电能进而回收利用，定义半轴回生能量Et对其进行描述，即：

Et=λ(Ez-Ef-Ew)

(3)

式中：λ为制动力分配因子。

1.2.2 半轴-机械传动系统-发电系统

能量流关系。该部分是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，定义电池充电能量Er对其进行描述，即：

Er=η1η2Et=η1η2λ(Ez-Ef-Ew)

(4)

式中：η1为机械传递效率；η2为发电效率。

1.2.3 发电系统-驱动电池

能量流关系。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，即电池的充电效率，与再生制动系统关联不大。定义电池回收能量Ec对其进行描述，即：

Ec=η3Er=η1η2η3λ(Ez-Ef-Ew)

(5)

式中：η3为电池充电效率。

1.3 再生制动回收特性评价方法

目前对于再生制动系统的评价指标，常用的有以下几种：制动能量回馈率[5]、能量回收利用率、回收率、制动能量回收贡献率[6]。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[7]。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的对再生制动系统进行评价。例如：制动能量回馈率、能量回收率利用率、回收率都只是片面的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考虑了再生制动与驱动过程的各方面效率，但只是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。

所以需要建立一套能够有针对性的全面的反应再生制动系统回收特性的评价指标，考虑到电动汽车行驶时驱动电池的SOC(电池荷电量)是一个动态的变化过程，在客观上对于这部分能量很难准确的检测。电池的充电效率通常取某类储能装置在一定SOC值和温度下的充放电平均能量效率，对于国内大多数锂离子动力电池而言，在常用的SOC值范围(0.2～0.8)内平均能量效率85%～94%。因此按照制动能量传递路径及能量流关系将建立的评价指标分为3部分：

定义可回生率(制动过程中半轴回生能量占整车动能变化量的百分比)来对制动能量传递路径(1)进行评价。即：

(6)

式中：Et为半轴回生能量，J；Ez为整车动能变化量，J；T为半轴扭矩，N·m；n为半轴转速，r/min；m为整车质量，kg；v0为制动初速度，m/s；v1为制动末速度，m/s。

定义转化率(制动过程中驱动电池充电能量占半轴回生能量的百分比)来对制动能量传递路径(2)进行评价。即：

(7)

式中：Er为驱动电池充电能量，J；U为驱动电池充电电压，V；I为驱动电池充电电流，A；其他符号同前。

定义回生率(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)来对再生制动系统进行总体评价。即：

(8)

2 再生制动回生特性试验

2.1 试验平台的搭建

2.1.1 参数的确定

根据式(6)～式(8)，需要分别检测车速、制动半轴扭矩及车轮转速(驱动车轮左右两侧)与驱动电池的充电电流及电压，即可得到各个评价指标，同时为了获取不同工况下的再生制动评价指标，还需要检测制动踏板力与整车加速度。

2.1.2 试验设备的选取

根据确定的检测参数，需选取相应的传感器。为此，对现有的新能源汽车的主要参数进行了广泛地调研，根据所测参数的形式及测量范围，选取的传感器如表1。

表1 选取的传感器

选取的检测设备如图2。

图2 选取的传感器

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。其中应变仪为两通道，是为了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1路32位计数器，分辨率为12位，采样频率可达150 kHz，其性能可完全满足要求。。

2.2 试验方法的确定

试验条件按GB/T 12534有关规定执行，在不同初速度下进行不同制动强度的测试，统计与分析被测车辆再生制动系统的能量流关系与回收特性。

2.3 试验车辆的确定

本次试验中采用装有再生制动系统的某电动汽车，整车质量为1 400 kg，车身长度3.998 m，车身高度1.503 m，轴距2.5 m等，驾驶员选用中国汽车技术研究中心的专业驾驶员。

2.4 试验设备的安装

确定好试验线路和试验车辆后，即进行试验设备的安装。检测设备的安装原理如下：

1) 确定车速传感器的正向，通过传感器上端的吸盘将其吸附在车辆的侧面即可；

2) 通过踏板力传感器两侧的尼龙粘带将其固定于制动踏板上，这种固定方式操作简单，且牢靠；

3) 为了确保测试的准确性，将陀螺仪布置于车辆质心附近；

4) 由于电压传感器的型式为接触式，需要与车辆线路直接接触，同时为了防止出现故障，安装时必须对被测车辆电路进行分析，从而选定合适的接入点；

5) 由于电流传感器的型式为非接触式，因此只需确定驱动电池的输入端电缆，将电流传感器装夹于电缆上即可；

6) 由于MSC滑环集成了扭矩测量和转速传感器的功能，给安装带来了方便，将MSC滑环通过附带的可调固定盘安装在车轮外侧；

7) 将固定式数据采集箱放置在后排座椅上，将各传感器连接到数据采集箱的接口上，并用蓄电池对其进行供电，用以采集与储存测量数据。

3 再生制动回收特性与能量流分析

3.1 再生制动能量流分析

该试验电动汽车不同制动初速度下的再生制动能量流变化关系如图3。

图3 电动汽车不同制动初速度下的再生制动能量流关系

从图3中可看出，随着制动初速度的提高，整车动能变化量不断增加，虽然风阻滚阻及制动器消耗能量逐渐增大，但半轴回生能量持续上升；机械传动与发电损失能量也逐渐增大，而电池充电能量依然持续上升。

该试验电动汽车不同制动减速度下的再生制动能量流变化关系如图4。

图4 电动汽车不同制动减速度下的再生制动能量流关系

从图4中可看出，制动减速度在0.2～1.4 m/s2时，随着制动减速度的提高，整车动能变化量不断增加，虽然风阻滚阻及制动器消耗能量逐渐增大，而半轴回生能量持续上升；机械传动与发电损失能量也逐渐增大，而电池充电能量依然持续上升。制动减速度大于1.4 m/s2时，随着制动减速度的提高，整车动能变化量开始下降，风阻滚阻及制动器消耗能量逐渐减小，而半轴回生能量持续变小；机械传动与发电损失能量也逐渐减小，电池充电能量持续变小。

3.2 再生制动回收特性分析

该试验电动汽车不同制动初速度-制动减速度下的可回生率变化趋势如图5。

图5 电动汽车可回生率变化趋势

从图5中可看出，该试验电动汽车可回生率在制动初速度15～60 km/h时逐渐增加，制动初速度60～80 km/h时达到最大，制动初速度80 km/h以上时反而变小。可回生率在制动减速度 0.2～0.8 m /s2时逐渐增加，制动减速度0.8～1.2m /s2时达到最大，大于动减速度1.2 m/s2时反而变小。制动初速度60～80 km/h；制动减速度0.8～1.2 m/s2时具有最佳效果。

该试验电动汽车不同制动初速度-制动减速度下的回生率变化趋势如图6。

图6 电动汽车回生率

从图6中可看出，该试验电动汽车不同制动初速度-制动减速度下的回生率变化趋势与可回生率变化趋势相同。

该试验电动汽车不同制动初速度-制动减速度下的转化率变化趋势如图7。

图7 电动汽车转化率变化趋势

图8 转化率与制动初速度的关系

从图7与图8中可看出，该试验电动汽车不同制动初速度-制动减速度下的转化率变化趋势近似为一平面，转化率恒定，与理论分析相符。

3.3 制动力分配关系分析

该试验电动汽车再生制动力与总制动力分配比例如图9。

图9 电动汽车再生制动力与总制动力分配比例

从图6与图9中可看出，该试验电动汽车回生率变化趋势与再生制动力与总制动力分配比例变化趋势相似。

该试验电动汽车再生制动力与总制动力分配比例与可回生率变化趋势的相似度为0.960 5>0.95，具有较高的相关性。

4 结 语

从理论上分析了再生制动系统制动时的能量流关系，参考已有对再生制动的评价方法，指出了其不足之处，并提出了针对再生制动系统的评价指标。

搭建了再生制动回收特性试验平台，以某电动汽车为例，分析了该试验电动汽车再生制动能量流与制动初速度、制动减速度的关系、再生制动系统的回收特性以及再生制动力与总制动力的分配比例。以上分析与结论可以为再生制动系统的研究与开发提供参考价值。

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Recovery Characteristics and Energy Flow of Electric Vehicle Regenerative Braking System Analysis

Zhang Shupei, Huang Xuan, Jing Zhecheng

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

Electric vehicle and hybrid electric vehicle equipped with regenerative braking system can recycle the energy originally consumed by the braking system to reduce energy consumption and improve the vehicle’s economy. Through analyzing the energy flow relationship of regenerative braking system braking and referring to the existing evaluation methods, a set of evaluation index which can targetedly and comprehensively response regenerative braking system recovery characteristics was put forward. Taking a electric car for example, through experiments the relationship of recovery characteristics and the regenerative braking energy flow was made clear, and the reference for the research and development of the regenerative braking system was provided.

vehicle engineering; regenerative braking system; energy flow; evaluation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.34

2013-10-24；

2013-11-25

国家高技术研究发展计划“863”项目(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)

张树培(1979—)，男，江苏徐州人，讲师，博士，主要从事再生制动、传动技术方面的研究。E-mail：zhangsp@ujs.edu.cn。

U467.1+1

A

1674-0696(2015)01-157-05