具備能量回收功能的電動汽車續駛里程研究

陳　燎，程云峰，盤朝奉

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江　212000)

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具備能量回收功能的電動汽車續駛里程研究

陳燎，程云峰，盤朝奉

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212000)

推導出純電動汽車的能量消耗、制動能量回收以及行駛里程等參數的理論計算公式，提出以一個行駛循環中動力電池的輸出和充入電能量為輸入，采用動力系統能耗降低率快速估計再生制動系統可產生的續駛里程貢獻率。通過試驗驗證了該方法的合理性和有效性。

電動汽車；制動能量回收；能量降低率；續駛駛里程

近年來，純電動汽車以其噪聲低、零污染、技術簡單成熟等優點成為汽車行業未來發展的關注點[1-4]。然而純電動車續駛里程短這一缺陷始終沒有得到很好的解決，成為制約電動車市場化的一大制約因素。有關文獻表明，在城市工況下，制動能量占總驅動能量的50%。如果將這一部分能量加以回收利用，電動汽車續駛里程可以增加10%～30%。因此，制動能量回收系統成為延長純電動車續駛里程的重要手段。國外對電動車制動能量回收技術的研究比較深入，取得了重大成果[5-8]，例如豐田Prius的能量回收效率為20%左右。國內近年來在制動能回收技術研究上也取得顯著成就，如比亞迪e6、秦等車型都已配備制動能量回收系統。

本文以某款純電動汽車為基礎，采用串聯式再生制動進行續駛里程和再生制動行駛循環臺架試驗，通過對試驗數據的處理分析研究了制動能量回收系統的制動效能。

1　純電動車行駛能耗的計算

在水平道路上行駛的車輛，從動力系統運動角度看分為加速、勻速、減速和停止狀態。從動力系統能量傳遞方向的關系上看，一般加速和勻速運動時對外做功，稱為驅動狀態。減速運動包括制動和滑行2個狀態。滑行時減少的動能剛好用于克服滾動阻力、傳遞能量平衡，只有減速度比較大的制動狀態才可能將外部對車輪做功傳遞進來。而純電動汽車停車時動力系統幾乎不消耗能量。因此，先分別計算驅動狀態行駛階段的動力電池輸出能量eo和制動狀態行駛階段的動力電池輸入能量ei，再計算行駛過程的動力電池能量消耗EB。

1.1動力電池輸出能量

因為在續駛里程評價時車輛一般在水平道路上行駛，此外行駛速度不會太高或高速時間很短，不考慮坡道和風阻影響，車輛驅動力-行駛阻力平衡方程可簡化為式(1)。

(1)

式中Tm為驅動電機轉矩；io為減速器傳動比；ηo為傳動系效率；r為車輪半徑；M為車輛質量；g為重力加速度； f為滾阻系數；v為車速；δ為車輛旋轉質量換算系數。

設車輛行駛速度為v時，相應電機轉速為n(r/min)，電機電動狀態和電機驅動器整體效率為ηm，則電池輸出能量eo表示為

(2)

設某段的起始和結束電機轉速分別為n0和n1，所用時間為T，由式(2)得

(3)

式(3)反映了電機輸出能量用于克服地面滾動阻力做功和增加車輛動能。

1.2動力電池可能輸入再生制動能量

設電機發電狀態和整流器的整體效率為ηq，則用正數表示的電池輸入能量ei為

(4)

對起始、結束電機轉速分別為n0和n1的勻減速制動段，所用時間為T，該段中可能輸入電池的能量由式(5)計算。

(5)

2　純電動車行駛里程的計算

假設每個試驗循環驅動狀態數量為x，制動狀態數量為y，則每個循環動力電池的輸出能量Eo為

(6)

輸入能量Ei為

(7)

設動力電池容量為C，每循環行駛里程為d，則再生制動功能時純電動汽車續駛里程S為

(8)

使用再生制動功能時純電動汽車續駛里程S0為

(9)

3　純電動車續駛里程和再生制動試驗計算

3.1續駛里程試驗

應用動力系統臺架試驗來研究被試的微型純電動汽車續駛里程和再生制動系統效能[9]。被試的對象車是國內某電動車公司生產的微型四輪兩座純電動汽車。整車主要技術參數見表1。電機額定功率為10 kW,最高轉速為6 000 r/min。整車質量為800 kg，續駛里程為120 km，最高車速為80 km/h。蓄電池額定容量為160 A·h。減速器傳動比為6.515。

動力系統試驗臺架(結構見圖1)本質上是通過對滾模擬地面與被試車輛車輪相對運動關系的機械慣性裝置，其轉動慣量應調節到與被試車輛一樣。試驗臺架主要參數：滾輪直徑為0.68 m，飛輪轉動慣量為7.37 kg·m2，增速器傳動比為1/2.8。

1、7.制動器；2、9.軸承座；3.飛輪；4、8、10.擺臂；5.主動輪；6.從動輪；11、17.砝碼；12.增速器；13.軸；14、16.滾輪；15.機架。

圖1車輛動力系統試驗臺架結構

本動力臺架試驗采用NEDC城市循環行駛工況來考核純電動汽車的續駛里程和再生制動系統效能[10-11]，每個參數的采樣速率都為100次/s。試驗分為2種類型：① 不使用再生制動系統功能的循環行駛試驗；② 使用再生制動系統功能的循環行駛試驗。其中再生制動分不同強度進行試驗，力求更全面地考核車輛再生制動功能的效果。紀錄其中的幾個主要參數：車速、母線電流、電池端電壓。試驗曲線見圖2、3。對比兩圖可知:無制動能量回收時，電動汽車處于制動狀態時電流很小，接近0；有制動能量回收時，電動汽車處于制動狀態時，電流為負值，表明此時電池為充電狀態，電池電壓有輕微上升，回收的能量儲存在蓄電池中。

圖2　無制動能量回收功能試驗曲線

圖3　有制動能量回收功能試驗曲線

3.2實驗數據處理

對比表1和表2中數據，可以發現：

1) 在該工況下，再生制動系統所產生的續駛里程貢獻率可以到達20%以上。

2) 每循環電池輸出能量的理論計算值比測試值小不少，可能是實際動力系統效率不高，或計算參數與實際參數差別大造成的，例如阻力系數偏大。

3) 用一個行駛循環中電池的輸出和充電能量能計算行駛中的能量消耗下降率，該值與再生制動系統產生的續駛里程貢獻率有很大關系。

表1　試驗結果

表2　續駛里程理論計算結果

4　結論

1) 理論計算和臺架試驗結果都證明：在NEDC城市行駛工況下，純電動汽車再生制動系統可以顯著延長動力電池的續駛里程，提高能源利用效率，對節能減排具有非常積極的作用。

2) 在理想情況下，直接采用鋰離子電池儲存再生制動所回收能量的技術方案能延長純電動汽車續駛里程20%以上，續駛里程均大于100 km，滿足相關技術規定。

3) 測試一個行駛循環中電池的輸出和充電能量，就能比較快速、準確地估計出純電動車行駛里程和再生制動系統可產生的續駛里程貢獻率。

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[11]GB/T 18386—2005， 電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法[S].

(責任編輯劉舸)

Study on Driving Range of Electric Vehicle with Energy Recovery Function

CHEN Liao，CHENG Yun-feng，PAN Chao-feng

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

The theoretical calculation methods of pure electric vehicle energy consumption, braking energy recovery and travel distance parameters were deduced. A test of battery output and input power in a driving cycle, using power system energy consumption rate to quickly estimate travel distance contribution rate regenerated by braking system, was put forward. And the method is feasible and effective after testing.

pure electric vehicle; regenerative braking; energy consumption; driving range

2015-12-22

國家自然科學基金資助項目(51105178，51475213); 江蘇省“六大人才高峰”項目(2013-XNY-002); 山東省高等學校科技計劃項目(J13LN38); 江蘇省自然科學基金資助項目(BK2011489)

陳燎(1963—)， 男，副教授，主要從事汽車電子及智能交通研究；通訊作者 程云峰(1989—)，江蘇如皋 人，碩士，主要從事純電動汽車研究，E-mail:cyf906454@163.com。

format：CHEN Liao，CHENG Yun-feng，PAN Chao-feng.Study on Driving Range of Electric Vehicle with Energy Recovery Function[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):27-30.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.004

U469.72+2;TK01+9

A

1674-8425(2016)08-0027-04

引用格式：陳燎,程云峰，盤朝奉具備能量回收功能的電動汽車續駛里程研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(8):27-30.