新能源汽車能量回收效率影響因素分析

摘 要：新能源汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展尤為迅速，各國(guó)針對(duì)新能源汽車推出了一系列福利性政策以刺激該領(lǐng)域的銷售市場(chǎng)，通過(guò)技術(shù)性政策引導(dǎo)汽車企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。社會(huì)各界對(duì)新能源汽車的關(guān)注度大部分集中在續(xù)航問(wèn)題上，能量回收系統(tǒng)作為續(xù)航增益的重要技術(shù)手段，亦是促進(jìn)新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵。本文對(duì)新能源汽車能量回收系統(tǒng)基本發(fā)展進(jìn)行闡述，并對(duì)該系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀加以試驗(yàn)分析，以總結(jié)能量回收系統(tǒng)回收效率的影響因素，旨在為新能源汽車發(fā)展提供一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：新能源 能量回收 回收效率 影響分析

1 緒論

新能源汽車市場(chǎng)在各項(xiàng)技術(shù)政策、消費(fèi)促進(jìn)策略的帶動(dòng)下，其銷量和保有量都在穩(wěn)步攀升：2023年我國(guó)新能源汽車銷量超900萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)超36％；2024年6月底，?全國(guó)新能源汽車保有量達(dá)到2472萬(wàn)輛。上述數(shù)據(jù)表明新能源汽車在逐步被市場(chǎng)認(rèn)可，社會(huì)各界對(duì)綠色出行、高效節(jié)能的新能源汽車的喜愛(ài)程度得到了提升，同時(shí)?也反映了新能源汽車發(fā)展各項(xiàng)政策扶持的有效性。但從宏觀角度看待新能源汽車市場(chǎng)，仍有很大的發(fā)展空間：在上述保有量的前提下，新能源汽車的市場(chǎng)占比僅為6％左右，市場(chǎng)占比明顯處于低位。

通過(guò)對(duì)500名未購(gòu)車且為潛在的新能源汽車意向消費(fèi)者進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：1.約56％的消費(fèi)者仍持有觀望態(tài)度，其原因大多為在實(shí)際行駛過(guò)程中，新能源汽車的標(biāo)定續(xù)航出現(xiàn)“打折”嚴(yán)重的現(xiàn)象，消費(fèi)者對(duì)其續(xù)航技術(shù)、電池使用壽命等表示擔(dān)憂；2.約38％的潛在消費(fèi)者不了解新能源汽車的技術(shù)現(xiàn)狀，擔(dān)心技術(shù)更迭過(guò)快且技術(shù)效果仍不理想等。綜合而言，新能源汽車市場(chǎng)仍有巨大的挖掘潛力，續(xù)航提升、技術(shù)升級(jí)是其發(fā)展重要的路徑。

不論是純電動(dòng)汽車還是混動(dòng)汽車，能量回收系統(tǒng)是提升續(xù)航的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)汽車行駛過(guò)程中可汲取能量的角度進(jìn)行優(yōu)化是解決續(xù)航焦慮的有效手段之一。目前，最常見(jiàn)的能量回收系統(tǒng)技術(shù)為制動(dòng)力回收和慣性力回收。在實(shí)際行車過(guò)程中，車輛的行駛狀態(tài)會(huì)頻繁出現(xiàn)制動(dòng)或降速，基于新能源汽車中配備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池、電控的三電結(jié)合，利用其路徑的可逆性進(jìn)行工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，即：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電，節(jié)省發(fā)電過(guò)程中轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，還能合理的為整車電器設(shè)備或電池等提供能量，以完成能量回收路徑，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能量以達(dá)成增加續(xù)航的效果。目前，各大車企都在加大投資力度對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的深化研究，本文以推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)汽車行駛過(guò)程中充能、補(bǔ)能的角度進(jìn)行研究，分析其能量回收的影響因素，為深度優(yōu)化能量回收系統(tǒng)方案奠定一定基礎(chǔ)，為社會(huì)了解新能源電池續(xù)航技術(shù)、強(qiáng)化新能源汽車市場(chǎng)提供新的突破口，以提升社會(huì)對(duì)新能源汽車發(fā)展的信心。

2 能量回收技術(shù)發(fā)展

2.1 國(guó)外能量回收技術(shù)的發(fā)展

國(guó)外汽車企業(yè)在能量回收技術(shù)方面的研究時(shí)間相對(duì)較早，且技術(shù)培育初期的理論多為：從傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)聯(lián)動(dòng)的角度進(jìn)行充能辦法研究，例如1997年豐田研發(fā)的混合動(dòng)力汽車則使得各大研究者開(kāi)始關(guān)注到該系統(tǒng)的研發(fā)，此階段的研究主要以理論性成果為主，技術(shù)性成果存在一定協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，仍有較大改進(jìn)和研究的空間；而后各國(guó)車企、研究中心開(kāi)始基于能量回收理論基礎(chǔ)，建立純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車的能量回收控制策略，搭建了純電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)施加不同強(qiáng)度的制動(dòng)力進(jìn)行仿真分析以優(yōu)化節(jié)能效果等。國(guó)外的能量回收系統(tǒng)理論較為豐富，且在混合動(dòng)力汽車上的技術(shù)相對(duì)成熟，在交通領(lǐng)域普及度、穩(wěn)定性較高。但由于各國(guó)的產(chǎn)業(yè)政策扶持力度、發(fā)展方向及目標(biāo)導(dǎo)向不同，導(dǎo)致該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于純電動(dòng)汽車方向顯得相對(duì)薄弱。

2.2 國(guó)內(nèi)能量回收技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)對(duì)能量回收技術(shù)各項(xiàng)研究成果多數(shù)起始于2000年，許多學(xué)者在理論領(lǐng)域針對(duì)制動(dòng)能量回收都提出了許多重要的理論，且研究方向更為多元化，包含混動(dòng)汽車、機(jī)械手臂等等。例如：重慶大學(xué)的陳陽(yáng)提供了混合動(dòng)力系統(tǒng)三種再生制動(dòng)模式的試驗(yàn)基礎(chǔ)，為研究能量回收技術(shù)拓展了理論、建模、仿真等路徑；秦嘉浩等人發(fā)表拖拉機(jī)姿控飛輪防側(cè)翻系統(tǒng)卸載能量回收試驗(yàn)研究，從多元化角度研究該項(xiàng)技術(shù)，為能量回收系統(tǒng)提供新路徑新辦法；清華大學(xué)羅禹貢、李蓬等人使用最優(yōu)控制理論建立了制動(dòng)力分配模型，顯著提高了制動(dòng)反應(yīng)速度和能量回收率等。

綜合國(guó)內(nèi)外的研究成果并對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析：超過(guò)半數(shù)的新能源車主認(rèn)為能量回收系統(tǒng)在實(shí)際行車過(guò)程中對(duì)續(xù)航的提升并不明顯，20％的車主認(rèn)為能量回收系統(tǒng)根本沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)補(bǔ)能，僅有8％的車主認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)補(bǔ)能效果較好。大多數(shù)現(xiàn)有的能量回收系統(tǒng)其電能回收效率對(duì)續(xù)航里程的提升不明顯，因此仍然需要對(duì)影響其回收效率的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析、改進(jìn)。

3 影響能量回收系統(tǒng)回收效率的因素

能量回收系統(tǒng)的組成包括電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)換單元、儲(chǔ)能單元等，無(wú)論是飛輪制動(dòng)回收、還是液壓回收等其他回收方式，其能量回收技術(shù)的基礎(chǔ)原理大多為：將其過(guò)程動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行使用或儲(chǔ)存。本文僅針對(duì)純電動(dòng)汽車的能量回收系統(tǒng)進(jìn)行分析其影響因素。

3.1 外部影響

3.1.1 車輛行使道路條件影響

本次試驗(yàn)使用車輛為某款純電動(dòng)汽車，其電機(jī)最大功率約為110kW，風(fēng)阻系數(shù)約為0.29Cd等。試驗(yàn)道路條件為：坡度3°、坡度6°，時(shí)速60km/h，坡道長(zhǎng)度800米。試驗(yàn)裝置以60km/h過(guò)起點(diǎn)，通過(guò)測(cè)距儀記錄相應(yīng)行駛里程的能量回收電流情況。道路額外影響因素：本次試驗(yàn)僅針對(duì)已有條件進(jìn)行檢測(cè)能量回收系統(tǒng)回收效率，其下坡或上坡路段會(huì)存在一定的傾斜度等外部條件，可能導(dǎo)致對(duì)能量回收電流有小部分影響存在。

試驗(yàn)在起始端采用松開(kāi)電門踏板，使得試驗(yàn)裝置按照車輛行駛慣性力繼續(xù)行駛而獲取的能量回收?qǐng)D。由圖1可以看出，當(dāng)松開(kāi)電門踏板時(shí)，能量回收系統(tǒng)系統(tǒng)能夠立即響應(yīng)電能回收，表明能量回收系統(tǒng)技術(shù)在響應(yīng)速率方面較為成熟。值得注意的是：純電動(dòng)汽車能量回收在一定下坡路段內(nèi)行駛能穩(wěn)定處于回收均值，但由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)于慣性力，所以即使是處于下坡路段其車輛行駛速度也在逐漸降低。當(dāng)車速下降后，回收的電能也會(huì)相應(yīng)的較少，因此能量回收系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，其當(dāng)下車速對(duì)系統(tǒng)回收的能量呈現(xiàn)一定比例關(guān)系。

對(duì)比圖1和圖2可明顯得出：爬坡路段的最大回收電流相差較大，且在爬坡過(guò)程中由于爬坡阻力等影響，其回收峰值的穩(wěn)態(tài)時(shí)間較短，而后回收電流呈現(xiàn)較為快速的下降，使得總的回收電能低于下坡路段回收的總能量。同時(shí)由于車輛在爬坡過(guò)程中需要對(duì)抗爬坡阻力，因此在行駛到一定路程時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)而使用電池組的能量繼續(xù)低速行使，即能量回收系統(tǒng)會(huì)停止。

綜合而言，在爬坡過(guò)程中收集到的電能相對(duì)較少，且回收系統(tǒng)關(guān)閉較早。而下坡路段會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間的保持電能收集，電能回收總量更高，且下坡路段低速保持的電耗相對(duì)更低。較多純電動(dòng)汽車車主表明標(biāo)定行駛里程較難達(dá)成，大多數(shù)為五折至九折。而一部分純電動(dòng)汽車行駛案例表明：下坡，或是從海拔較高的地區(qū)向下行駛，由于能量回收系統(tǒng)的介入提高了綜合行駛里程，實(shí)現(xiàn)實(shí)際行駛和標(biāo)定續(xù)航接近或是突破1∶1。

3.1.2 天氣影響

在不同天氣的影響下，新能源汽車電耗量和傳統(tǒng)汽車油耗量變化大致相同，即逆向風(fēng)和風(fēng)速增大、下雨天等情況都會(huì)使得純電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)需消耗更多能量以保持車輛的行駛速度，同時(shí)松開(kāi)電門踏板后車速下降頻率更快，因此能量回收效率也更低。

3.2 內(nèi)部影響

3.2.1 電動(dòng)機(jī)特性影響

電動(dòng)機(jī)不僅作為汽車驅(qū)動(dòng)的主要工作部件，同時(shí)還能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，因此能量回收系統(tǒng)的回收效率和電動(dòng)機(jī)特性息息相關(guān)。首先，電機(jī)發(fā)電量和轉(zhuǎn)速存在一定正比關(guān)系，即轉(zhuǎn)速升高的同時(shí)發(fā)電量也相應(yīng)的增加，因此電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)大小能影響動(dòng)能回收的效率。目前國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車多數(shù)采用永磁同步電機(jī)，而少數(shù)性能純電動(dòng)汽車會(huì)使用交流異步電機(jī)，而后者的最大轉(zhuǎn)速一般大于前者，因而理論上在車況、路況條件允許下，轉(zhuǎn)速大的電動(dòng)機(jī)能量回收極限效率會(huì)更高；其次，能量回收系統(tǒng)基于制動(dòng)力進(jìn)行電能回收，因此電動(dòng)機(jī)制動(dòng)力大小也是回收效率的影響因素之一，早期研究理論已表明：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的外特性決定了電動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下可輸出的最大再生制動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)處于恒功率發(fā)電狀態(tài)；轉(zhuǎn)速較低時(shí)處于恒轉(zhuǎn)矩發(fā)電狀態(tài)[1]。

3.2.2 車輛控制策略

當(dāng)電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)恒定的情況下，制動(dòng)力合理分配是影響回收效率的重要因素。車輛控制策略主要體現(xiàn)在能量回收系統(tǒng)如何合理分配制動(dòng)力，由于電池的最大充電功率、電能轉(zhuǎn)換單元的工作極限等原因，動(dòng)能回收效率并不能完全達(dá)成100％，部分制動(dòng)力會(huì)被空置，因此需要通過(guò)控制器進(jìn)行決策。其控制策略要優(yōu)先保證汽車制動(dòng)穩(wěn)定，而后對(duì)制動(dòng)力回收比例、制動(dòng)力回收后的分配等方面進(jìn)行優(yōu)化，制動(dòng)能量回收效率主要受制于控制策略和制動(dòng)工況。目前各研究院、車企正在對(duì)能量回收策略進(jìn)行大量研究，例如比亞迪授權(quán)的專利“車輛及其能量回收方法、裝置和存儲(chǔ)介質(zhì)”，該技術(shù)主要通過(guò)研究駕駛員駕車習(xí)慣而改變車輛控制策略以達(dá)成更高效的能量回收效率。

3.2.3 電池組特性

電池組是純電動(dòng)汽車常用的儲(chǔ)能單元，能量回收系統(tǒng)回收效率與蓄電池組的材料特性、電池容量等有關(guān)。首先，在技術(shù)特性層面上，不同的電池材料會(huì)一定程度上限制充電和能量回收的功率：目前純電動(dòng)汽車電池市場(chǎng)上，三元鋰和磷酸鐵鋰仍是制作電池組的主流材料。三元鋰相對(duì)磷酸鐵鋰而言具有更高的能量密度和更高充放電效率。因此在相同條件下，三元鋰的最大充放電功率對(duì)應(yīng)能量回收效率理論值都會(huì)相應(yīng)偏高。但市場(chǎng)上某品牌新能源汽車采用磷酸鐵鋰作為電池材料，通過(guò)優(yōu)化材料體系和充電結(jié)構(gòu)等，使其充電倍率性能可達(dá)4C甚至5.5C，在同一理論層面上首次實(shí)現(xiàn)了磷酸鐵鋰在充電速率優(yōu)于三元鋰。在理論上，不同的充放電功率勢(shì)必對(duì)能量回收效率有相應(yīng)的影響，因此不同特性的電池材料其能量回收系統(tǒng)效率亦有不同，但其影響維度目前仍未有特別明確的定論。

4 結(jié)論

目前新能源汽車在能量回收系統(tǒng)的研究上較為穩(wěn)定，但仍存在技術(shù)研究停滯、其展現(xiàn)的新技術(shù)仍停留在表面上、對(duì)實(shí)際行使效果提升不明顯等問(wèn)題。而要提高該系統(tǒng)的回收效率需要對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、電池特性、電動(dòng)機(jī)參數(shù)等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化。基于電池穩(wěn)定前提，提升電池的充電效率是提升總體續(xù)航的重要手段。同時(shí)在滿足制動(dòng)效能的前提下，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)以使?jié)撛谙M(fèi)者更直觀的看到能量回收對(duì)續(xù)航的提升效果，從而提高市場(chǎng)對(duì)新能源汽車發(fā)展的信心。

基金項(xiàng)目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2024KY1068）。

參考文獻(xiàn)：

[1]王猛，孫澤昌，卓桂榮，等.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012（2）：19-21.

[2]邵鴻佳.新能源汽車制動(dòng)能量回收控制策略優(yōu)化分析[J].汽車與新動(dòng)力，2022（02）：58-59.

[3]張永新，某新能源汽車協(xié)調(diào)式能量回收標(biāo)定研究[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（10）：197-198.

[4]王猛，孫澤昌，卓桂榮，等.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收最大化影響因素分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（04）：23-25.

[5]黃奇，呂猛，龔春忠，等.電動(dòng)汽車能耗估算算法設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].汽車科技，2024（12）：26-28.