純電動汽車再生制動系統能耗特性

盤朝奉，張秀麗，陳 燎，陳 龍

(江蘇大學 a.汽車與交通工程學院;b.汽車工程研究院，江蘇 鎮江 212013)

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純電動汽車再生制動系統能耗特性

盤朝奉a,b，張秀麗a，陳 燎a，陳 龍a,b

(江蘇大學 a.汽車與交通工程學院;b.汽車工程研究院，江蘇 鎮江 212013)

制動能量回收和再利用是提高電動車輛續駛里程的有效措施，為了進一步提高制動能量回收效果，研究了再生制動的能耗特性。通過數學建模仿真，分析了能量傳遞路徑的能耗對回收效率的影響，得到了制動控制系統、傳動系統、能量回收系統等能量消耗率與回收率之間的函數關系。研究結果表明：降低系統能量消耗率可以有效提高能量回收效果，為整車及制動能量回收系統參數匹配提供了理論依據。

電動汽車；制動能量回收；回收率；能量消耗率

0 引言

純電動汽車依靠大功率電機提供動力，具有清潔無污染、能量轉換效率高、結構簡單等優點[1]，因而受到了廣泛的關注和重視。純電動汽車要求最大限度提高續駛里程和能耗經濟性，制動能量回收是提高電動汽車能量利用效率的有效手段之一。能量回收是一個復雜的過程，涉及的因素和環節較多。目前，有的文獻從不同的循環工況和整車參數等方面分析制動能量回收的效果，有的文獻從再生制動控制策略方面入手，研究再生制動能量回收率[2-6]。本文從制動過程中能量的傳遞路徑入手，分析了傳動裝置、電機、整流器、直流斬波器(direct current-direct current,DC-DC)、蓄能裝置等在能量回收過程中的能耗特性，還分析了整車參數、能量回收系統、循環工況等對能量回收率的影響。

1 制動過程能耗分析

1.1 制動過程中能量傳遞路徑分析

假設電動汽車在水平路面直線行駛，不受坡道阻力影響，電源輸出的能量經電動機、傳動系統后，克服滾動阻力和空氣阻力消耗一部分的能量，其余的能量轉變為車輛的動能。

圖1 制動時能量傳遞路徑

當車輛減速制動時，已經轉變為車輛動能的這部分能量有一部分要被滾動阻力和空氣阻力消耗，剩余部分才被制動系統消耗。對于沒有能量再生制動系統的車輛，制動時能量只能被機械制動消耗，轉變為熱能耗散掉，沒有得到有效利用。裝有再生制動系統后，再生制動與機械制動配合工作，再生制動系統吸收的一部分能量可以轉換為電能，儲存到儲能裝置中。用于制動能量回收的儲能裝置有動力電池、超級電容、飛輪儲能裝置等。超級電容由于具有轉換效率高、循環壽命長等優點，將其作為儲能裝置在電動汽車上使用已成為國內外學者的研究熱點。本文中的儲能系統選用超級電容。再生制動系統吸收的能量還要經過傳動裝置、電機、整流器、DC-DC、蓄能裝置等環節，每個環節不可避免地存在一定的能量損失，所以存儲到超級電容中的能量只能是再生制動系統吸收的能量的一部分。制動時能量傳遞路徑見圖1。

存儲到超級電容中的能量在適當的時候可以再利用，代替部分驅動能量，以提高能耗經濟性，延長行駛里程。同時，超級電容還可以避免蓄電池的頻繁充放電和大電流對蓄電池的沖擊，具有一次儲能多、比功率高、比能量大等優點，在起步、加速、爬坡時可以有效改善運動特性[7]。

1.2 受力分析

由于假設電動車輛在水平路面直線行駛，不受坡道阻力影響，所以在行駛過程中車輛受到滾動阻力、空氣阻力和加速阻力影響。行駛方程為[8]：

車輛在制動時，受到滾動阻力、空氣阻力和制動器制動力作用，動能有一部分被制動器吸收。制動器吸收的能量中，只有電機制動消耗的能量才能回收再利用。電機當前最大發電功率為：

Pmax=min(Pamax,Pn,Pcmax)，

式中:Pmax為電機當前最大發電功率，W；Pamax為電機允許最大發電功率,W；Pn為當前轉速下允許的發電功率，W；Pcmax為電路允許的最大發電功率，W。

2 能量傳遞路徑的能耗對回收效率的影響

2.1 能量回收效率

再生制動涉及到控制系統效率、傳動系統效率、電機效率等[9]，再生制動系統包括電機、整流器、DC-DC、超級電容等多個環節，為了全面評價再生制動的回收效果，再生制動的能量回收效率定義為回收到超級電容中的能量Ec與動能變化量△W之比，則回收效率ξ為：

式中:ηfw為滾動阻力和風阻的能量消耗率；ηx為機械制動的能量消耗率；ηr為傳動系統的能量消耗率；ηs為再生制動回收系統的能量消耗率。

2.2 再生制動控制系統對回收效率的影響

圖2 升壓再生制動電路結構簡圖

為了使系統結構簡單，再生制動系統采用升壓再生制動，如圖2所示。圖2中，Q1、Q2、Q3為晶閘管，D1為二極管，q1為開關管，SC為電源。再生制動系統包括直流無刷電機、整流器、DC-DC、超級電容。當車輛處于制動狀態時，電機處于發電模式，能量由機械能轉變為電能，并經過整流器整流。開關管q1受脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)信號調制，當PWM信號為高電平時，電流上升，能量存儲到DC-DC內的蓄能電感中；當PWM信號為低電平時，蓄能電感在感應電動勢和電機電壓的共同作用下向超級電容供電。

為了使電動汽車具有良好的動力性，用于電動汽車的電機需要具有較好的性能、制動力強并且能夠回饋能量。永磁無刷直流電機有方波驅動和正弦波驅動兩種，具有功率密度高、質量輕、效率高、動態性較好等優點[10]，可以有效提高整車的能耗經濟性、降低能量消耗率，很適合應用于電動汽車。電機在發電狀態下，電機的三相兩兩導通形成回路。對于直流無刷電機的電樞繞組和線路結構，感應電動勢與電機轉速成正比，電機感應電動勢ek可簡化表示為：

式中：P為電機轉子極對數；N為每相總導體數；Φm為每極氣隙磁通，Wb;n0為電機轉速，r/min;Kc為電機反電動勢系數，V/(r/min)。

電機發電功率可表示為:

Pi=ekI=Ken0I=KmIω，

式中:Pi為電機發電功率，W;ω為電機角速度，rad/s；I為電機電樞電流，A;Km為轉矩系數，N·m/A。

忽略黏滯摩擦阻力的影響，制動能量回收過程中電機損耗的能量主要表現為電機內阻消耗，

Pe=2I2R0，

式中：Pe為電機損耗功率，W;R0為電機相電阻，Ω。

再生制動系統消耗的能量包括直流無刷電機、整流器、DC-DC、超級電容等對能量的消耗，其消耗率可由下式表示：

式中:Pzl為整流器損耗功率，W；Pdc為DC-DC損耗功率，W；Pc為超級電容充電損耗功率，W。

為了獲得制動系統各部分能量消耗情況，通過Matlab仿真模型得到車輛不同制動初速度、制動電流下，電機單獨提供制動力時制動能量回收系統對能量回收率的影響規律，并搭建了電動車再生制動慣性試驗臺進行再生制動試驗。假設車輛在平坦路面直線行駛，忽略風阻。試驗臺參數如表1所示，結構如圖3所示。

表1 慣性試驗臺參數

圖3 再生制動慣性試驗臺

2.2.1 不同車速下制動系統的能耗情況

圖4a是電機電樞電流為40 A時得到的制動初始時刻不同車速下的能量回收率，試驗和仿真結果較為吻合，表明仿真模型能很好地反映回收效果。從圖4a可看出：制動初速度越大能量回收率越高，這是因為車輛處于較大車速時，升壓回路占空比較小，向超級電容充電的時間比例相應較大，所以回收到超級電容中的能量較低速時多。圖4b為制動時各部件的能耗情況，隨著制動初速度的增加，整流器、電機和DC-DC的能量損耗率緩慢減小，超級電容的能量損耗率有微小的增加。在各部分損耗中，整流器和DC-DC損耗的能量最多，其次是電機損耗。由于超級電容內阻很小，并且只有DC-DC向超級電容充電時，超級電容才會有能量損耗，所以超級電容能量消耗率較低。

圖4 不同車速下的能量回收率和制動系統的能耗情況

圖5為不同車速下，DC-DC內部元件的能量損耗率，其中，IGBT(insulated gate bipolar transistor)為絕緣柵雙極型晶體管。從圖5可以看出：隨著車速的增大，DC-DC內部開關管q1和蓄能電感的能量消耗率都降低，起單向導電作用的二極管消耗的能量有微小的增加。這是因為:車速較大時，開關管導通時間較短，損耗的能量就相應較少；超級電容充電時間相應變長，二極管有電流經過的時間比例相應增加，二極管的能量消耗率就增大。雖然開關管和電感的能量消耗率隨著車速降低，但消耗的能量所占比例較二極管大，所以DC-DC能量消耗率總體呈減小的趨勢。

二是突出“支部”。主題黨日活動能否見成效，重點在黨支部，關鍵在支部書記。支部書記作為主題黨日活動的策劃者、組織者和執行者，其重視程度、能力水平、履職情況直接影響到活動的質量和成效，抓黨日活動就要抓好 “領頭雁”。支部書記要切實強化責任，自覺把落實黨日制度作為加強黨的基層組織建設的經常性基礎性工作，像抓中心工作一樣抓好黨日活動的策劃組織、檢查督促、考核推動。

圖5 不同車速下，DC-DC內部元件的能量損耗率

2.2.2 不同制動電流下系統的能耗情況

圖6a為制動初速度為30 km/h時得到的能量回收率。從圖6a可以看出：隨著制動電流的增大，能量回收率先增大后減小，某一值處能量回收率取得最大值。在制動電流較小時，滾動阻力消耗的能量占了較大比例，所以能量回收率較低。隨著制動電流的增大，電機制動力增大，車輛制動減速度增大，滾動阻力消耗的能量逐漸減少，能量回收率增加。但電機、整流器、DC-DC、超級電容消耗的能量也隨制動電流的增大不斷增加，如圖6b所示。所以，能量回收率在達到一個最大值后開始減小。DC-DC能量消耗率較大，主要包括IGBT開關管和蓄能電感內阻的損耗，為了減少能量損失，需要合理選擇IGBT、精心設計電路。

圖6 不同制動電流下的能量回收率和能量消耗情況

圖7為不同車速下取得的最大回收率及對應的制動電流。由圖7可看出：在車速為15～55 km/h，完全由電機提供制動力時，試驗取得最大回收率所對應的制動電流為18～73 A。由圖6a和圖7可知：隨著制動初速度增加，取得最大回收率的制動電流也不斷升高，即在制動初速度增加，受到的滾動阻力和風阻不變的情況下，相應增大電機制動力可以提高再生制動回收的效果，制動電流離最大回收率的制動電流點越遠，能量回收率就會越低。

圖7 不同車速下取得的最大回收率及對應的制動電流

3 再生制動效果分析

不同的車速在不同的制動電流下取得回收率不同，為了分析有駕駛要求時能量回收的效果，選取協調控制策略進行比較。

圖8 協調控制制動力分配策略圖

3.1 能量回收控制策略

3.2 制動強度范圍的確定

為了保證制動時汽車的方向穩定性和有足夠的制動效率，聯合國歐洲經濟委員會(economic commission for Europe,ECE)制定的ECE R13制動法規對雙軸汽車前、后輪制動器制動力提出了明確的要求。ECE R13法規對M1類(轎車)車輛規定[12]：輪胎與路面的理論附著系數為φ,當0.20<φ<0.80時，制動強度z≥0.1+0.7(φ-0.2);當制動強度z為0.15～0.80時，要求前軸利用附著系數φj應在后軸利用附著系數φr曲線之上，且再生制動車輛φr曲線須位于直線z=0.9φ之下。可得制動力分配系數β的范圍：

(1)

式中：a為前軸到質心的距離；b為后軸到質心的距離；L為汽車軸距；hg為汽車質心高度。制動強度較小時，法規對制動力分配系數沒有嚴格要求，可完全由前輪制動，即制動力分配系數為1。根據不等式(1)和β=1，可求得ECE R13法規允許的前軸制動強度門限值z。在實際制動過程中，還要考慮電機能夠提供的最大制動力矩，根據電機能夠提供的最大制動強度確定z0。本文是通過控制電機繞組電流間接控制電機產生的制動力矩，電機能夠提供的最大制動強度為：

式中：Zmmax為電機能夠提供的最大制動強度;Tmmax為電機能夠提供的最大制動力矩;i為車輛傳動比；Imax為制動電路允許電機電樞通過的最大電流；r為車輪半徑；m為車輛質量；g為重力加速度。

z0=min(z,zmmax)。

z0確定后，可根據制動力分配系數確定z1：

Fμ=Fμ1/β=mgz0/β；

z1=Fμ/mg=z0/β，

式中：Fμ為車輛總制動力；Fμ1為前輪制動力。

3.3 制動效果分析

GB/T 18386—2005《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》[13]中，規定的試驗循環由4個ECE工況和1個城郊駕駛循環(extra urban driving cycle,EUDC)工況組成。ECE工況代表基本市區運行工況，由4個市區運轉循環單元組成，最高車速為50 km/h,加速度范圍為-0.83～1.06 m/s2，平均車速為19 km/h,總計時間為780 s,行駛距離為4.052 km，如圖9a所示。圖9b為制動能量回收系統的回收率。

分析結果表明：在車速較低時制動，由于電機產生的反電動勢較低，所以電機能夠產生的制動電流就低。制動能量回收系統無法提供較大的制動電流，使得電制動力很小，需要機械制動配合才能滿足制動需求，因此低速制動時能量回收率低。能量回收率會隨著制動電流的增加先增大后減小。當車速增大后，電機能夠提供的制動力增加，能量回收率也隨之增加，在電機提供全部制動力時，回收率取得最大值。

圖9 ECE循環工況及制動能量回收效果

對比圖7和圖9可知：在實際行駛過程中，雖然制動初速度相同，但由于要滿足一定的制動需求，需要配合機械制動，回收率會比沒有制動強度限制的情形低。

4 結束語

通過分析制動能量回收過程中能量的流經路徑，建立各個環節的能量損耗和回收效率的函數關系。影響較大的有電機、整流器、DC-DC，能量損耗率隨制動電流的增大不斷增加，當制動電流為100 A時，可達49%。可見，優化制動能量回收系統各部件的設計、匹配和效率是提高電動汽車制動能量回收效率的一條重要技術途徑。能量研究結果可以為純電動汽車能耗經濟性的提高、制動能量回收系統的參數和控制策略的設計及優化提供科學的理論依據。

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國家“863”節能與新能源汽車重大基金項目(2012AA111401);國家自然科學基金項目(51105178);江蘇省自然科學基金項目(BK2011489);江蘇省“六大人才高峰”基金項目(2013-XNY-002);國家新能源汽車產業技術創新工程基金項目

盤朝奉(1979-),男,廣西田林人,副教授,博士，碩士生導師,主要從事電動汽車系統集成技術與應用方面的研究.

2014-09-08

1672-6871(2015)06-0020-06

U462.3

A