纯电动轿车制动能量回收试验研究

赵国宇，张轶，郭斌，杨兴旺

（1.吉林省实验中学，吉林 长春 130022；2. 一汽技术中心，吉林 长春 130011）

纯电动轿车制动能量回收试验研究

赵国宇，张轶，郭斌，杨兴旺

（1.吉林省实验中学，吉林 长春 130022；2. 一汽技术中心，吉林 长春 130011）

制动能量回收是纯电动汽车的一项重要节能措施，以此延长了车辆的纯电动续驶里程。文章首先分析了制动能量回收的原理，提出了制动能量回收率评价指标，并以某车型纯电动汽车为研究对象，进行了制动能量回收试验研究，并验证了制动能量回收效果。为后续分析主要部件效率提供了参考。

纯电动汽车；制动能量回收；试验研究

Abstract:Regenerative braking is an important energy-saving measure for battery electric vehicle, which extends the pure electric driving range. The regenerative braking principle was firstly analyzed in this paper, the evaluation index of regenerative braking recovery was proposed also. The testing study on regenerative braking was done based on specified sedan battery electric vehicle, the results of regenerative braking were validated and as reference for efficiency of main components in next step.

Keywords: Battery Electric Vehicle; Regenerative Braking; Testing Study

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-117-03

1 概述

电动车因其节能、环保、简洁、实用而深受人们的喜爱，所以在我国普及非常迅速。据统计，2016年我国新能源车产量为51.7万辆，销售50.7万辆，比上年同期分别增长51.7%和53%。其中，纯电动乘用车产销分别完成26.3万辆和25.7万辆，比上年同期分别增长73.1%和75.1%[1]。

在电动车中涉及到电学、力学、光学、热学等许多方面的物理知识，尤其是电动车装配的驱动电机具有驱动和发电功能，再配上高能量密度的锂离子电池，能够实现传统的机械制动能量通过驱动电机发电向动力电池馈电，实现机械能转化成电能，并将电能转化成化学能存储在动力电池里，供车辆驱动或加速时使用。因此，制动能量回收电能是电动车节能最有效的途径之一。

本文以某车型纯电动汽车为例，分析纯电动车制动能量回收原理，提出制动能量回收率评价指标，开展了制动能量回收实验研究，并验证了制动能量回收效果。为后续分析部件效率以及各因素对电耗的影响提供了参考。对于提高系统效率，实现更环保、更节能、更高效具有十分重要的意义。

2 制动能量回收原理

2.1 纯电动汽车构成

图1 纯电动汽车[2]

纯电动汽车是由动力蓄电池（二次电池，常用高能量密度的锂离子电池）、驱动电机、电机控制器以及能量管理系统等组成，如图1所示。能量的补充方式为充电，可在充电站或停车场进行，具有快充和慢充两种方式。由于驱动电机被拖动时，可以发电，因此纯电动汽车一般都带有可回收减速和下坡时制动能量回收（再生）系统。

纯电动汽车的电路可以分为如图2所示的三部分。第一部分为由主电源到电动机的电路；第二部分为主电源—＞DC/DC转换器—＞汽车电器设备用电源—＞电器设备（如前后灯、雨刮等）；第三部分为制动能量回收发电机到主电源部分的电路。

图2 纯电动汽车电路示意图[2]

2.2 制动能量回收原理

车辆运行时对动力系统要求输出的总驱动能量为 Ed_t，Ed_t因克服滚动阻力、空气阻力消耗一部分后，剩余的能量转换为整车的动能，其能量流示意图如图3所示，其关系式为：

式中：Ed_t为总驱动能

Ed_f为滚动阻力消耗能量

Ed_w为空气阻力消耗能量

Ek为整车动能

当车辆制动时，整车所具有的动能Ek，一部分克服轮胎的滚动阻力和空气阻力，另一部分则由制动系统转化为其他形式的能量，其能量流为：

式中：Eb_f为制动状态下克服滚动阻力所消耗的能量

Eb_w为制动状态下克服空气阻力所消耗的能量

Eb为制动系统消耗能量

由式（2.1）、式（2.2）可以得到：

式中：Ef为滚动阻力消耗能量

Ew为空气阻力消耗能量

对于没有制动能量回收功能的传统车辆来说，Eb完全由机械制动系统所消耗，但是对于纯电动汽车，可以通过制动能量回收将Eb中的一部分能量加以回收利用。制动时将电机回收的能量通过储能装置存储起来，待下一时刻需要驱动能量时再加以利用。因此Eb的能量流关系为：

式中：Ebf_H为前轴液压制动力消耗的能量

Ebr_H为后轴液压制动力消耗的能量

Eb_T为驱动轮处回收的能量

Eb_T这部分能量还要依次经过传动系统和电动机驱动系统(含电动机及控制器)的传递和转换后才能变成电能储存到储能装置中。所以_bTE实际上可看成是制动能量回收系统的净输入，由于传动系统工作时不可避免地存在能量损失，而电动机驱动系统在发电过程中也存在能量损失，因此最终充入储能装置中的那部分电能只是Eb_T中的一部分。而充入储能装置的这部分电能在重新被动力系统利用时还存在储能装置的放电能量损失、电动机驱动系统的能量损失和传动系统的能量损失等因素，这些因素在分析制动能量回收效率时都需要加以考虑。由于回收并储存在储能装置中的这部分能量可以替代部分驱动能量，纯电动车辆的动力系统所需要直接提供的能量就少于总驱动能量Eb_T。

因此，需要设计一套制动能量回收系统，实现从驾驶员制动需求，即所需的制动力中计算出，通过车轮和动力传动装置驱动电机发电后，由逆变器输出到电池中的能量，即图3中的绿线部分。

图3 纯电动汽车能量流示意图

纯电动汽车制动能量回收系统发电系统的组成原理框图如图4示。可将汽车刹车制动、下坡滑行、高速运行及减速运行等状态下的部分能量转化为电能反充给动力电池，可有效利用能源，提高纯电动汽车的续驶里程。

图4 电动汽车制动能量回收系统原理图[2]

3 制动能量回收试验研究

3.1 制动能量回收率定义

在图3中，可以看出能量流有消耗流和回收流，为了全面评价制动能量回收效率，引入制动能量回收率的评价指标，用来评价回收的能量占制动过程中制动系统消耗的能量的比值。其定义如下：在整个循环工况下的总制动能量Eb中被电机回收的能量Eb_B在Ek中所占的比例。即，制动能量回收率为：

式中：ζ为制动能量回收率；

Eb_B制动能量中电机回收能量：是指逆变器与直流母线连接端的能量；由电池能量可知，。

Ek制动消耗能量：是指制动过程中整车动能以标准循环工况中的速度计算；

M车辆质量；

U电池电压

I制动过程中回收能量时电池电流；

vt制动过程中的末速度；

v0制动过程中的初速度。

3.2 试验过程

3.2.1 试验准备

表1 某纯电动整车与总成主要参数

以某车型纯电动汽车为实验对象，基本参数表1所示。实验条件，包括车辆状态、环境要求、动力蓄电池的初次充电等参考标准[3]执行。

3.2.2 电池充电

车辆指示充满电状态，记录完成时刻，4h内开始试验。

3.2.3 设备连接、设置及变量测量

（1）动力电池电流：电流钳安装在电池与电机控制器相连的母线正负极端，精度0.3%；

（2）动力电池电压：测量点选择在动力电池正负极端，精度0.1%；

（3）速度：采用城市综合标准循环工况车速[3]；

（4）车辆质量：参照GB／T 12674一90汽车质量测定方法。

3.2.4 试验循环

图5 城市综合标准循环工况图

试验循环采用城市综合标准循环工况，该工况是由4个市区循环和1个市郊循环程序组成，如图5所示，理论试验距离为11km，时间为1200s，最高车速为120km/h，制动减速度<0.14g。连续行驶三个完整的工况，取三次的平均值，见公式（3.2）。若有任意值出现较大波动，则需要再次充满电之后，再进行一次三个工况试验，以排除偶然性。

式中：ζ1、ζ2、ζ2—三次试验的制动能量回收率

ζ—平均制动能量回收率

3.3 试验结果与分析

对某纯电动车按照上述实验方法完成了试验，并进行数据处理，分别得到制动能量中电机回收能量_bBE ，制动消耗能量kE，并由焦耳（J）换算成千瓦时（kWh），通过计算机编程得到制动能量回收率，试验结果如表2所示。取三次试验中某一次为例，电池电压和电流曲线分别如图6~图7所示。

图6 城市综合标准工况下的电压曲线

图7 城市综合标准工况下的电流曲线

由表2可以看出城市综合标准工况下，制动能量回收率为 37.7%，制动能量回收效果显著。下一步需深入分析影响制动能量回收效果的因素，如部件效率、能量管理策略，以及在保证系统制动安全前提下，设计尽可能实现最大制动能量回收的解耦系统等。

表2 制动能量回收率试验结果

4 结论

随着动力电池技术（能量密度和寿命的大幅提升）的进步，纯电动汽车将迎来快速发展的机遇期，制动能量回收作为节能的有效途径之一，将越来越来得到重视。本文通过分析制动能量回收原理，提出了制动能量回收率的评价指标，进行了制动能量回收试验研究，并验证了制动能量回收效果。但对于部件效率、能量管理策略对回收效果的影响尚需进一步分析和深入研究。

[1] 新华网.中国汽车工业协会数据统计.2017.1.12.

[2] 李兴虎编著.电动汽车概论.[M]北京理工大学出版社,2005.

[3] GB-T 18386-2005.电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法.中华人民共和国国家标准, 2005.

Testing Study on Regenerative Braking for Battery Electric Vehicle

Zhao Guoyu, Zhang Yi, Guo Bin, Yang Xingwang
（1. Jilin Provincial Experimental School, Jilin Changchun 130022; 2.FAW R&D Center, Jilin Changchun 130011）

U469.7 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-117-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.039

赵国宇，就职于吉林省实验中学。