電動汽車再生制動系統回收特性與能量流分析

張樹培，黃 璇，荊哲鋮

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

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電動汽車再生制動系統回收特性與能量流分析

張樹培，黃 璇，荊哲鋮

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

裝有再生制動系統的電動汽車可以回收利用原本被制動系統消耗的能量，從而降低能耗且提高整車的經濟性。通過分析再生制動系統制動時的能量流關系，參考已有的評價方法，提出了一套能夠有針對性的全面的反應再生制動系統回收特性的評價指標，并搭建了再生制動試驗平臺，以某電動汽車為例，通過試驗明確了其再生制動系統的能量流與回收特性的關系，對再生制動系統的研究與開發提供參考依據。

車輛工程；再生制動系統；能量流；評價

再生制動是指裝有再生制動系統的電動汽車制動時，電動機或發電機工作在發電模式，將車輛的部分動能轉化為電能并儲存在能量存儲裝置中，實現能量的再生利用[1]。在制動頻繁的城市工況下，制動過程消耗的能量占整車牽引過程中產生的有效能量的30%～60%[2]。與傳統汽車相比，配備再生制動系統的電動汽車能夠有效地回收原本被摩擦消耗的能量，可以降低油耗，且改善車輛的燃油經濟性[3]。再生制動作為一個對電動汽車節能減排不可缺少的環節，極具有重要性，目前已定型的電動汽車均搭載了再生制動系統。目前針對再生制動系統的研究多處于仿真階段，且針對性不強，針對再生制動的評價方法均存在不足之處，因此有必要對再生制動系統進行深入的分析與研究。

通過分析再生制動系統制動時的能量流關系，參考已有的評價方法，提出了一套能夠有針對性的全面的反映再生制動系統回收特性的評價指標，并搭建了再生制動試驗平臺，以某電動汽車為例，分析了其再生制動系統的能量流關系與回收特性。

1 再生制動理論分析

1.1 制動能量傳遞路徑

當裝有再生制動系統裝置的車輛制動時，整車的動能除了一部分在制動過程中克服輪胎滾動阻力和空氣阻力消耗外，其余的能量由制動系統消耗轉化為其它形式的能量。再生制動時的能量平衡方程：

Ez=Ef+Ew+Eb

(1)

即:

(2)

式中：Ez為整車動能；Ef為制動過程中克服滾動阻力消耗的能量；Ew為制動過程中克服空氣阻力消耗的能量；Eb為制動系統消耗的能量，即制動能量；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積；G為整車總重量；i為車道坡度；v為車速，m/s。

理論上制動能量經過傳動系統和電機驅動系統的傳遞和轉換后變成電能儲存到儲能裝置中被回收利用。

再生制動系統結構形式多樣，且具體的結構有所不同，但是各種再生制動系統的原理都是將車輛制動時的動能轉化為電能，并給蓄電池充電[4]。通過對再生制動系統結構形式的分析與研究，可以確定能量的傳遞路徑：無論對于何種能量傳遞路徑的再生制動系統，均通過如圖1路徑進行能量傳遞。

圖1 制動能量傳遞路徑

1.2 再生制動能量流關系

為了全面且深入的了解再生制動系統制動過程中的能量轉換關系，在論述的過程中，將制動能量傳遞路徑有針對性的分解成三部分，逐一對其進行分析：

1.2.1 整車動能-制動能量-驅動車輪-半軸

能量流關系。再生制動時，通過制動力分配控制策略后，制動能量的一部分能量由制動器制動力消耗，以熱能的形式散失，其余的能量由驅動車輪傳遞到半軸，以機械能的形式存在，這部分能量可以回生成電能進而回收利用，定義半軸回生能量Et對其進行描述，即：

Et=λ(Ez-Ef-Ew)

(3)

式中：λ為制動力分配因子。

1.2.2 半軸-機械傳動系統-發電系統

能量流關系。該部分是將半軸上的機械能通過傳動系統及發電系統轉化為電能給予驅動電池充電，在傳遞的過程中，能量損失包括機械傳遞損失和發電損失。此路徑是能量的轉化過程，對于特定的再生制動系統，該轉化效率應是恒定的，定義電池充電能量Er對其進行描述，即：

Er=η1η2Et=η1η2λ(Ez-Ef-Ew)

(4)

式中：η1為機械傳遞效率；η2為發電效率。

1.2.3 發電系統-驅動電池

能量流關系。將發出的電能給予驅動電池充電，最終以化學能的形式儲存到電池中，即電池的充電效率，與再生制動系統關聯不大。定義電池回收能量Ec對其進行描述，即：

Ec=η3Er=η1η2η3λ(Ez-Ef-Ew)

(5)

式中：η3為電池充電效率。

1.3 再生制動回收特性評價方法

目前對于再生制動系統的評價指標，常用的有以下幾種：制動能量回饋率[5]、能量回收利用率、回收率、制動能量回收貢獻率[6]。再生制動是一個復雜的動態過程，且在此過程中制動能量需要經過多個系統轉換后才能被回收儲存，影響制動能量回收效率的因素和環節較多[7]。而采用上述指標來評價制動能量回收效率并不能全面且有針對性的對再生制動系統進行評價。例如：制動能量回饋率、能量回收率利用率、回收率都只是片面的考慮了電動機發出的電能占總制動能量或消耗能量的比例，沒有涉及再生制動系統具體結構，且缺乏對再生制動過程中能量流的描述。制動能量回收貢獻率考慮了再生制動與驅動過程的各方面效率，但只是對電動汽車整車經濟性的評價，不是針對再生制動系統的評價。

所以需要建立一套能夠有針對性的全面的反應再生制動系統回收特性的評價指標，考慮到電動汽車行駛時驅動電池的SOC(電池荷電量)是一個動態的變化過程，在客觀上對于這部分能量很難準確的檢測。電池的充電效率通常取某類儲能裝置在一定SOC值和溫度下的充放電平均能量效率，對于國內大多數鋰離子動力電池而言，在常用的SOC值范圍(0.2～0.8)內平均能量效率85%～94%。因此按照制動能量傳遞路徑及能量流關系將建立的評價指標分為3部分：

定義可回生率(制動過程中半軸回生能量占整車動能變化量的百分比)來對制動能量傳遞路徑(1)進行評價。即：

(6)

式中：Et為半軸回生能量，J；Ez為整車動能變化量，J；T為半軸扭矩，N·m；n為半軸轉速，r/min；m為整車質量，kg；v0為制動初速度，m/s；v1為制動末速度，m/s。

定義轉化率(制動過程中驅動電池充電能量占半軸回生能量的百分比)來對制動能量傳遞路徑(2)進行評價。即：

(7)

式中：Er為驅動電池充電能量，J；U為驅動電池充電電壓，V；I為驅動電池充電電流，A；其他符號同前。

定義回生率(制動過程中驅動電池充電能量占整車動能變化量的百分比)來對再生制動系統進行總體評價。即：

(8)

2 再生制動回生特性試驗

2.1 試驗平臺的搭建

2.1.1 參數的確定

根據式(6)～式(8)，需要分別檢測車速、制動半軸扭矩及車輪轉速(驅動車輪左右兩側)與驅動電池的充電電流及電壓，即可得到各個評價指標，同時為了獲取不同工況下的再生制動評價指標，還需要檢測制動踏板力與整車加速度。

2.1.2 試驗設備的選取

根據確定的檢測參數，需選取相應的傳感器。為此，對現有的新能源汽車的主要參數進行了廣泛地調研，根據所測參數的形式及測量范圍，選取的傳感器如表1。

表1 選取的傳感器

選取的檢測設備如圖2。

圖2 選取的傳感器

采用的數據采集設備是包括一塊內置數據采集卡、應變儀及裝有16個數據傳輸通道接口的固定式數據采集箱。其中應變儀為兩通道，是為了完成對半軸扭矩信號的后期處理任務；數據采集卡包括16路模擬輸入通道、8路DI、8路DO、2路AO和1路32位計數器，分辨率為12位，采樣頻率可達150 kHz，其性能可完全滿足要求。。

2.2 試驗方法的確定

試驗條件按GB/T 12534有關規定執行，在不同初速度下進行不同制動強度的測試，統計與分析被測車輛再生制動系統的能量流關系與回收特性。

2.3 試驗車輛的確定

本次試驗中采用裝有再生制動系統的某電動汽車，整車質量為1 400 kg，車身長度3.998 m，車身高度1.503 m，軸距2.5 m等，駕駛員選用中國汽車技術研究中心的專業駕駛員。

2.4 試驗設備的安裝

確定好試驗線路和試驗車輛后，即進行試驗設備的安裝。檢測設備的安裝原理如下：

1) 確定車速傳感器的正向，通過傳感器上端的吸盤將其吸附在車輛的側面即可；

2) 通過踏板力傳感器兩側的尼龍粘帶將其固定于制動踏板上，這種固定方式操作簡單，且牢靠；

3) 為了確保測試的準確性，將陀螺儀布置于車輛質心附近；

4) 由于電壓傳感器的型式為接觸式，需要與車輛線路直接接觸，同時為了防止出現故障，安裝時必須對被測車輛電路進行分析，從而選定合適的接入點；

5) 由于電流傳感器的型式為非接觸式，因此只需確定驅動電池的輸入端電纜，將電流傳感器裝夾于電纜上即可；

6) 由于MSC滑環集成了扭矩測量和轉速傳感器的功能，給安裝帶來了方便，將MSC滑環通過附帶的可調固定盤安裝在車輪外側；

7) 將固定式數據采集箱放置在后排座椅上，將各傳感器連接到數據采集箱的接口上，并用蓄電池對其進行供電，用以采集與儲存測量數據。

3 再生制動回收特性與能量流分析

3.1 再生制動能量流分析

該試驗電動汽車不同制動初速度下的再生制動能量流變化關系如圖3。

圖3 電動汽車不同制動初速度下的再生制動能量流關系

從圖3中可看出，隨著制動初速度的提高，整車動能變化量不斷增加，雖然風阻滾阻及制動器消耗能量逐漸增大，但半軸回生能量持續上升；機械傳動與發電損失能量也逐漸增大，而電池充電能量依然持續上升。

該試驗電動汽車不同制動減速度下的再生制動能量流變化關系如圖4。

圖4 電動汽車不同制動減速度下的再生制動能量流關系

從圖4中可看出，制動減速度在0.2～1.4 m/s2時，隨著制動減速度的提高，整車動能變化量不斷增加，雖然風阻滾阻及制動器消耗能量逐漸增大，而半軸回生能量持續上升；機械傳動與發電損失能量也逐漸增大，而電池充電能量依然持續上升。制動減速度大于1.4 m/s2時，隨著制動減速度的提高，整車動能變化量開始下降，風阻滾阻及制動器消耗能量逐漸減小，而半軸回生能量持續變小；機械傳動與發電損失能量也逐漸減小，電池充電能量持續變小。

3.2 再生制動回收特性分析

該試驗電動汽車不同制動初速度-制動減速度下的可回生率變化趨勢如圖5。

圖5 電動汽車可回生率變化趨勢

從圖5中可看出，該試驗電動汽車可回生率在制動初速度15～60 km/h時逐漸增加，制動初速度60～80 km/h時達到最大，制動初速度80 km/h以上時反而變小。可回生率在制動減速度 0.2～0.8 m /s2時逐漸增加，制動減速度0.8～1.2m /s2時達到最大，大于動減速度1.2 m/s2時反而變小。制動初速度60～80 km/h；制動減速度0.8～1.2 m/s2時具有最佳效果。

該試驗電動汽車不同制動初速度-制動減速度下的回生率變化趨勢如圖6。

圖6 電動汽車回生率

從圖6中可看出，該試驗電動汽車不同制動初速度-制動減速度下的回生率變化趨勢與可回生率變化趨勢相同。

該試驗電動汽車不同制動初速度-制動減速度下的轉化率變化趨勢如圖7。

圖7 電動汽車轉化率變化趨勢

圖8 轉化率與制動初速度的關系

從圖7與圖8中可看出，該試驗電動汽車不同制動初速度-制動減速度下的轉化率變化趨勢近似為一平面，轉化率恒定，與理論分析相符。

3.3 制動力分配關系分析

該試驗電動汽車再生制動力與總制動力分配比例如圖9。

圖9 電動汽車再生制動力與總制動力分配比例

從圖6與圖9中可看出，該試驗電動汽車回生率變化趨勢與再生制動力與總制動力分配比例變化趨勢相似。

該試驗電動汽車再生制動力與總制動力分配比例與可回生率變化趨勢的相似度為0.960 5>0.95，具有較高的相關性。

4 結 語

從理論上分析了再生制動系統制動時的能量流關系，參考已有對再生制動的評價方法，指出了其不足之處，并提出了針對再生制動系統的評價指標。

搭建了再生制動回收特性試驗平臺，以某電動汽車為例，分析了該試驗電動汽車再生制動能量流與制動初速度、制動減速度的關系、再生制動系統的回收特性以及再生制動力與總制動力的分配比例。以上分析與結論可以為再生制動系統的研究與開發提供參考價值。

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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

國家高技術研究發展計劃“863”項目(2011AA11A286)；江蘇大學高級專業人才科研啟動基金項目(13JDG035)；江蘇大學高級專業人才科研啟動基金項目(13JDG036)

張樹培(1979—)，男，江蘇徐州人，講師，博士，主要從事再生制動、傳動技術方面的研究。E-mail：zhangsp@ujs.edu.cn。

U467.1+1

A

1674-0696(2015)01-157-05