城市道路與NEDC工況的制動能量回生率差異分析

張樹培，黃 璇，荊哲鋮，張 瑋

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

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城市道路與NEDC工況的制動能量回生率差異分析

張樹培，黃 璇，荊哲鋮，張 瑋

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

通過城市道路和NEDC測試工況下再生制動檢測試驗，對兩者的再生制動差異性進行了對比分析。研究結果表明：NEDC測試工況與城市道路工況的再生制動差異性較大，實車道路工況制動強度分布更廣，須構建適合的針對再生制動的模態工況。

車輛工程；NEDC；再生制動；測試工況

再生制動是指裝有再生制動系統的電動汽車制動時，電動機或發電機在發電模式下工作，將車輛的部分動能轉化為電能并儲存在能量存儲裝置中，以實現能量的再生利用的過程[1]。在制動頻繁的城市工況下，制動過程消耗能量占整車牽引過程中產生有效能量的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，可降低能耗，且改善車輛的經濟性[3]，增加電動汽車的續航里程。

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。且再生制動系統對汽車的安全性、經濟性和舒適性有重要的影響。再生制動的研究和檢測國際上還沒有一套公認的測試工況，對于這方面的研究主要是采用歐洲NEDC循環工況來代替，而NEDC循環工況是用于傳統車型排放與能耗的測試，其能否反映再生制動有待于進一步研究。

筆者通過裝有再生制動系統的電動汽車進行了城市道路和NEDC測試工況下再生制動檢測兩類試驗。對比了再生制動的差異性，分析了差異產生的原因，并對再生制動在試車道路中的制動強度分布做了相應的分析。

1 檢測平臺的搭建

1.1 評價指標的確定

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，可將其制動能量傳遞路線分成三部分，即：驅動車輪-半軸-機械傳動裝置；電機/發電機-電機/發電機控制器-逆變器；驅動電池。無論對于何種能量傳遞路徑的再生制動系統，均通過上述三部分進行能量傳遞。

目前對于再生制動的評價指標，常用的有以下幾種：制動能量回饋率、能量回收率、回收率、制動能量回收貢獻率[5]。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，因此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、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，但只是對電動汽車或混合動力汽車經濟性的評價，不是針對再生制動系統的評價。

因此，為全面且有針對性的評價再生制動系統，按照統一的再生制動路線及能量流關系將建立的評價指標分為以下三部分。

1.1.1 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，制動能量的部分能量由驅動車輪傳遞到半軸，以機械能的形式存在，這部分能量可以被回生利用，且能夠反映再生制動控制策略的性能。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)進行評價。即：

(1)

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。

1.1.2 半軸-機械傳動裝置-電機/發電機-電機/發電機控制器-逆變器

能量流關系：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，取決于再生系統的轉換效率。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)進行評價。即：

(2)

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。

1.1.3 逆變器-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。而且由于電動汽車或混合動力汽車行駛時驅動電池的SOC(電池電量)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%，因此沒有必要對電池的充電效率進行額外的評價。

1.1.4 驅動車輪-逆變器

能量流關系：再生制動時，通過制動力分配控制策略，制動能量由驅動車輪傳遞到半軸，經過傳動系統及發電系統轉化為電能。此路線基本關聯了再生制動系統所有子系統，反映再生制動系統整體的制動能量回收效率。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)進行評價。即：

(3)

1.2 檢測參數的確定

根據式(1)～式(3)，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。

1.3 試驗方法

再生制動檢測試驗主要經過如下5個步驟：試驗方法的確定、道路試驗路線的設計、試驗車輛的確定、試驗設備的安裝、試驗數據采集。

1.3.1 道路試驗方法的確定

鑒于試驗的實際情況，采用了平均車流統計法進行道路試驗，即選擇駕駛員駕駛試驗用車，在選定的時間段以及按照制定的試驗路線隨平均車流行駛。該方法操作方便，具備一定的主動性，但需要規劃試驗路線。

1.3.2 NEDC循環工況試驗形式

使用試驗臺檢測制動能量回收效果具有安全、便捷、成本低等特點，而且不受自然條件的影響且試驗的重復性好，是未來汽車檢測的一個發展方向，本次NEDC循環工況試驗選在單軸慣性式底盤測功機進行。

1.3.3 道路試驗路線的設計

采用平均車流統計法數據獲取方式，那么試驗路線的確定將至關重要，需要對道路進行調研。調研的目的是從許多條道路中篩選出代表性的試驗路線，這種路線反映了車輛在道路上的空間和時間規律，其結果能夠以少量試驗獲得能夠代表全局特征的統計結果。本次試驗在天津進行，試驗前對天津城市各個道路進行全面的調研，并設計具有普遍性與代表性的試驗路線。

1.4 試驗數據采集

1.4.1 采樣頻率的確定

考慮到各傳感器頻率及所采集的數據量必須能夠反映所測參數的需求，確定采集系統的采樣頻率為10 Hz。

1.4.2 道路試驗數據量的確定

從理論上來講，采集的數據越多，結果越準確。但是當采集的數據量達到一定值后，即使增加數據量，準確性也不會獲得很大提高，國外類似試驗數據量參閱文獻[6-7]。同時由于客觀條件的限制，采集的數據量也是有限的。在條件允許的情況下，應盡量多采集數據，其數據處理流程見圖1。

圖1 數據處理流程Fig.1 Data processing

2 城市道路試驗的再生制動檢測結果

依照規劃路徑，使用本項目組開發的“車載式電動汽車及混合動力汽車再生制動檢測儀”，對道路試驗制動工況的所需指標進行檢測，并處理相應結果。

獲取再生制動相應指標與制動工況之間的關系曲面，見圖2、圖3。

圖2 可回生率Fig.2 Probable regenerative rate

圖3 回生率Fig.3 Regenerative rate

由某電動汽車在天津市區按照指定的路線進行的道路試驗中，計算出道路試驗的再生制動評價指標的結果：可回生率為35.12%，回生率為26.29%，轉化率為78.58%。

3 基于NEDC的再生制動檢測結果

底盤測功機NEDC測試循環車速變化曲線如圖4。

圖4 NEDC循環車速變化曲線Fig.4 NEDC cycles speed change curve

底盤測功機NEDC測試循環再生制動試驗結果統計如表1。

表1 NEDC測試循環再生制動試驗結果

(續表1)

序號時間間隔/s起—止車速/(km·h-1)電池充電能量/kJ半軸回生能量/kJ整車動能變化量/kJ17971.72—53.7472.2888.72137.441841120.33—0372.07434.321019.85

NEDC測試循環各評價指標計算結果如表2。

表2 NEDC測試循環各評價指標結果

4 城市道路與NEDC測試工況下再生制動差異性分析

4.1 結果分析

天津城市道路與NEDC測試工況下各評價指標誤差如表3。

表3 評價指標誤差分析

由表3誤差分析結果可看出：天津城市道路與NEDC循環工況平均可回生率、回生率的差異較大；而兩者的轉化率的誤差為5.46%，這是由于再生制動系統的轉化率只取決于傳動系統傳遞效率及發電系統的效率，這部分效率應為恒定值，因此某電動汽車的轉化率應為80%左右。

4.2 原因分析

在道路試驗中制動工況較為復雜(圖5)，制動強度分布較廣。傳統車在制動過程中并不影響經濟性，因此在針對傳統車的NEDC循環中，制動強度較為單一，覆蓋面較小。因此道路試驗與NEDC循環試驗，在制動能量回收的關鍵參數上有較大的差異。此外，區域道路的交通狀況和駕駛者的操作偏差也會對檢測結果造成一定的影響。因此天津城市道路與NEDC測試工況下再生制動具有較大的差異。

圖5 制動減速度概率分布

裝有再生制動系統的電動汽車和混合動力汽車在制動中能量的回收直接影響其經濟性。所以NEDC循環工況不能準確反映城市道路的再生制動效果，從而不適合用于再生制動研究與檢測的測試工況。

5 結 語

筆者通過大量實車道路試驗與NEDC循環工況實驗，對針對再生制動回生效果的評價指標做了相應的對比，并進行了偏差分析。分析了產生較大偏差的原因。并提出NEDC不適用于裝有再生制動的電動汽車和混合動力汽車再生制動的檢測與評價，需要針對再生制動構建適合的模態工況。并獲取了實車道路試驗中制動強度的概率分布。對修正NEDC下的再生制動檢測結果和構建針對再生制動的模態循環工況提供了參考依據。

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Difference Analysis of Brake Energy Regeneration Rate between Urban Road Conditions and NEDC

Zhang Shupei, Huang Xuan, Jing Zhecheng,Zhang Wei

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

Through regenerative braking tests of urban roads and NEDC test cycles, the two differences of regenerative braking were compared and analyzed. The results show that, the difference of regenerative braking between NEDC test cycle and urban road conditions is large. The real vehicle braking intensity distribution is of a broader condition. A suitable modality for regenerative braking conditions shall be built.

vehicle engineering; NEDC; regenerative braking; test conditions

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.28

2013-03-26；

2013-04-26

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

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

U467.1+1

A

1674-0696(2015)02-133-04