电动汽车制动能量回收措施定制化设计*

龚春忠 李鹏 单承标 张李侠

（1.合众新能源汽车有限公司；2.浙江大学工程师学院；3.吉林大学青岛汽车研究院）

随着中国汽车工业的发展，国家标准管理委员会于2019 年10 月发布GB／T 38146.1—2019 《中国汽车行驶工况第1 部分：轻型汽车》，于2020 年5 月1 日起实施[1]。该标准所制定的中国轻型车测试循环工况将替代现行新欧洲标准行驶循环工况。制动能量回收强度[2，6]从3.15 kW·h/100 km·t-1提高到4.70 kW·h/100 km·t-1。因此，提高车辆制动能量回收率的措施将会越来越重要。从1995 年至2015 年，中国在汽车制动能量回收方面的专利有10 024 件，其中发明专利1 180 件[3]。奇瑞汽车股份有限公司、清华大学、江苏大学等8 家单位进入了制动能量回收相关专利申请量排行榜前20 名[4]。制动能量回收相关技术多种多样，但并不是对于所有用户都适宜配置上高端复杂的制动能量回收措施。应当对不同用户所在地区、驾驶习惯、平均载荷状态等进行甄别，从而选择性价比更合理的配置。文章基于大数据统计技术，获得特定用户的行驶工况，并提出针对性地改善该用户的制动能量回收措施，为汽车行驶经济性与定制化设计提供设计依据。

1 制动能量回收技术评价模型

基于纯电动汽车经济性模型整车能流的分析，文献[5]提出了评价制动能量回收效果的3 项评价指标，分别为制动能量回收率、节能贡献度和续驶里程贡献度。对于特定工况而言，制动能量回收强度[6]可定义为车辆每行驶100 km 可回收的动能，如式（1）所示。

式中：m——车辆总质量，kg；

v——工况车速，m/s；

t——时间，s；

Ereg——轮边制动能量回收强度，J/m；可乘以系数1/36 换算成kW·h/100 km；当m=1 000 kg 时，换算成kW·h/100 km·t-1；

为了针对特定用户实施不同制动能量回收技术，需要收集更具代表性的数据指标。若某一用户经常载客较多，例如在上海市共享汽车出行鼓励拼车的情况下，其百公里可回收的能量增加。当使用相同的工况曲线时，其制动能量回收强度较大，适合选用较优的制动能量回收技术。同理，当某一用户经常在坡道较多的地区行驶，例如在重庆市坡道较多的情况，其制动能量回收强度也较大，不适用于式（1）评价其制动能量回收强度。但是，以目前的技术，统计车辆的载荷状态、驾驶出行的坡道工况均有较大难度。统计电池输出端的能流相对简单可行。当某一款车，不同用户已经选择相同的协调式制动能量回收技术，则可通过电池端百公里回收电能评价该用户的制动能量强度，如式（2）所示。

式中：U——电池主回路电压，V；

I——电池主回路电流，A。正表示回收，负表示放电；

Ereg_bat——电池端制动能量回收强度，J/m；可乘以系数1/36 换算成kW·h/100 km。

常用的技术参数还有电池回收能量除以电池驱动能量，即回收能量比例，如式（3）所示。

式中：λbat——电池端回收能量比例，%。

基于相同的百公里能量消耗量水平，可推导回收能量比例与文献[5]中的续驶里程贡献度的关系，如式（4）所示。

式中：δS——制动能量回收里程贡献度，%。

2 基于大数据平台对典型用户进行分析

通过大数据平台获取用户在2019 年1 月1 日至2019 年12 月31 日的车速、电压与电流数据，依据式（1）～式（4），计算各用户的制动能量回收强度数据，随机选择总里程较长的4 位用户样本进行制动能量强度统计，如表1 所示。

表1 4 位用户样本制动能量强度统计表

由表1 可知，制动能量回收强度用户4 最强，用户2 最弱。电池端制动能量回收强度与轮边制动能量回收强度正相关，但非线性关系，如图1 所示。说明受载荷、坡道等路况有一定的影响。在评价车辆制动能量回收强度应用于制动能量回收措施优化成本收益分析时，应优选电池端制动能量回收强度，其次是轮边制动能量回收强度。

以用户2 与用户4 数据为例，在2019 年度总共行驶里程分别为61 956 km 与67 955 km，因制动能量回收技术在车上的应用，1 年内用户2 节能1 210 kW·h，用户4 节能2 028 kW·h。通过大数据技术获取该用户1 年内每天的行驶里程、轮边能量回收强度、电池输出端能量回收强度数据，并进行对比，如图2 所示。

图1 不同用户轮边与电池端制动能量回收关系对比

图2 大数据技术挖掘用户制动能量回收技术相关数据

由图2 可得出，制动能量回收强度与行驶里程无关，仅与行驶的工况、车辆状态相关。用户4 更适合在制动能量回收技术上选择更多的措施，例如协调式制动能量硬件、增加超级电容复合电源等。

3 制动能量回收技术现状及展望

世界各大汽车厂商及零部件企业纷纷针对不同电驱动车辆开发出了各种类型的制动能量回收系统。依据不同的方法与标准，可对制动能量回收系统进行如下分类[7]。按回馈制动与摩擦制动耦合关系划分，可分为叠加式（或并联式）与协调式（或串联式）制动能量回收系统；按液压调节机构所依托的技术平台划分，可分为基于EHB 技术的制动能量回收系统、基于ESP/ESC技术的制动能量回收系统、基于新型主缸/助力技术的制动能量回收系统；按液压调节机构的布置方式划分，可分为与主缸集成的方案、与液压单元集成的方案、分散式布置的方案；按制动踏板与制动力机械耦合关系划分，可分为踏板非解耦方案、踏板准解耦方案、踏板解耦方案。此外，基于大数据技术的制动能量回收策略优化也已经出现[8]。

基于经济性、舒适性、安全性和可靠性的技术要求，制动能量回收系统的关键技术主要体现在零部件、系统控制和评价方法等方面。文章所述分析，是基于大数据基础的经济性评价方法研究。在屏蔽舒适性、安全性和可靠性参数的对比时，可用于单变量的成本与收益分析。其他模块再通过效益折算，获得更合理的配置方案。

4 经济性成本与收益核算算法

设某1 项制动能量回收技术的软件与硬件组合为1 个可选方案，用A 表示。方案A 实施的成本用f(A)表示，该方案对应的汽车电池端制动能量回收比例按式（3）计算得λbat，其对应的里程贡献率按式（4）计算为δs，经济性收益主要有2 个方面。一方面是节能方案可令车辆百公里能量消耗量减少，从而减少使用过程中的充电电量，例如用户4 与用户2 是同一款车不同制动能量回收技术方案的表现，用户4 比用户2 每年节约818 kW·h，按照车辆寿命为10 年计算，则全生命周期内成本节约8 180 kW·h，按照每千瓦时0.5 元折算，则相对收益高4 090 元。制动能量回收比例与收益的关系可描述为式（5）。

式中：Pλ——全寿命节省电费收益，元；

S——年均行驶里程，km；

EC——电池端百公里能量消耗量，kW·h/100 km。

另一方面是节能方案可令车辆的续驶里程增加，例如用户4 比用户2 里程贡献率高6.4%，则设计相同的续驶里程时，用户4 比用户2 相当于多装6.4%的动力电池。该款车型所配置的电池包标称电量为36 kW·h，则可认为用户4 比用户2 多装2.304 kW·h，假设该车的动力电池的价格为每千瓦时1 500 元，则相当于收益为3 456 元，如式（6）所示。

式中:Pδ——相同续航下电池配电量节省费用，元；

s——标称续驶里程，km。

综合两方面收益及方案成本，可算出综合收益，如式（7）所示。

同理，有方案B、C，…，N 的备选方案，计算得各方案的收益PA,PB，…，PN，只从经济性角度优选最优方案X，即PX=min{PA,PB，…，PN}。当有舒适性、可靠性、安全性指标列入同时对比时，也可以统一折算成收益模型。

5 结论

制动能量回收技术对纯电动汽车的经济性成本贡献显著，且呈现多种技术特点。随着中国工况的推广与大数据技术的应用，该技术将成为各主机厂竞相角逐的主要技术领域之一。各制动能量回收技术方案的成本随着不同时期技术发展而变化，各方案匹配到不同的用户其收益也会有差异。文章提出的基于大数据统计的电池端制动能量回收强度，对用户用车习惯与各项可行措施的筛选匹配，有重要参考价值。下一步将研究更为具体的制动能量回收方案及其经济性效果。