張樹培，黃 璇，荊哲鋮，張 瑋

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

?

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(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

通過城市道路和NEDC測試工況下再生制動檢測試驗(yàn)，對兩者的再生制動差異性進(jìn)行了對比分析。研究結(jié)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(shí)車道路工況制動強(qiáng)度分布更廣，須構(gòu)建適合的針對再生制動的模態(tài)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(tǒng)的電動汽車制動時，電動機(jī)或發(fā)電機(jī)在發(fā)電模式下工作，將車輛的部分動能轉(zhuǎn)化為電能并儲存在能量存儲裝置中，以實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生有效能量的30%～60%[2]。與傳統(tǒng)汽車相比，配備再生制動系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)性[3]，增加電動汽車的續(xù)航里程。

再生制動作為一個對電動汽車節(jié)能減排不可缺少的環(huán)節(jié)，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(tǒng)。且再生制動系統(tǒng)對汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)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(rèn)的測試工況，對于這方面的研究主要是采用歐洲NEDC循環(huán)工況來代替，而NEDC循環(huán)工況是用于傳統(tǒng)車型排放與能耗的測試，其能否反映再生制動有待于進(jìn)一步研究。

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

1 檢測平臺的搭建

1.1 評價指標(biāo)的確定

再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，且具體的結(jié)構(gòu)有所不同，但是各種再生制動系統(tǒng)的原理都是將車輛制動時的動能轉(zhuǎn)化為電能，并給蓄電池充電[4]。通過對再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(qū)動車輪-半軸-機(jī)械傳動裝置；電機(jī)/發(fā)電機(jī)-電機(jī)/發(fā)電機(jī)控制器-逆變器；驅(qū)動電池。無論對于何種能量傳遞路徑的再生制動系統(tǒng)，均通過上述三部分進(jìn)行能量傳遞。

目前對于再生制動的評價指標(biāo)，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(xiàn)率[5]。再生制動是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，且在此過程中制動能量需要經(jīng)多個系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后才能被回收儲存，影響制動能量回收效率的因素和環(huán)節(jié)較多，因此采用上述指標(biāo)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(tǒng)進(jìn)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(jī)發(fā)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(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，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(xiàn)率考慮了再生制動與驅(qū)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(jīng)濟(jì)性的評價，不是針對再生制動系統(tǒng)的評價。

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

1.1.1 驅(qū)動車輪-半軸

能量流關(guān)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(qū)動車輪傳遞到半軸，以機(jī)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(jìn)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(zhuǎn)速，r/min；m為整車質(zhì)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(jī)械傳動裝置-電機(jī)/發(fā)電機(jī)-電機(jī)/發(fā)電機(jī)控制器-逆變器

能量流關(guān)系：是將半軸上的機(jī)械能通過傳動系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能，取決于再生系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。定義轉(zhuǎn)化率(制動過程中驅(qū)動電池充電能量占半軸回生能量的百分比)進(jìn)行評價。即：

(2)

式中：Er為驅(qū)動電池充電能量，J；U為驅(qū)動電池充電電壓，V；I為驅(qū)動電池充電電流，A。

1.1.3 逆變器-驅(qū)動電池

能量流關(guān)系：將發(fā)出的電能給予驅(qū)動電池充電，最終以化學(xué)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(tǒng)關(guān)聯(lián)不大。而且由于電動汽車或混合動力汽車行駛時驅(qū)動電池的SOC(電池電量)是一個動態(tài)的變化過程，在客觀上對于這部分能量很難準(zhǔn)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(nèi)大多數(shù)鋰離子動力電池而言，在常用的SOC值范圍(0.2～0.8)內(nèi)平均能量效率85%～94%，因此沒有必要對電池的充電效率進(jìn)行額外的評價。

1.1.4 驅(qū)動車輪-逆變器

能量流關(guān)系：再生制動時，通過制動力分配控制策略，制動能量由驅(qū)動車輪傳遞到半軸，經(jīng)過傳動系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能。此路線基本關(guān)聯(lián)了再生制動系統(tǒng)所有子系統(tǒng)，反映再生制動系統(tǒng)整體的制動能量回收效率。定義回生率(制動過程中驅(qū)動電池充電能量占整車動能變化量的百分比)進(jìn)行評價。即：

(3)

1.2 檢測參數(shù)的確定

根據(jù)式(1)～式(3)，需要分別檢測車速、制動半軸扭矩及車輪轉(zhuǎn)速(驅(qū)動車輪左右兩側(cè))與驅(qū)動電池的充電電流及電壓，即可得到各個評價指標(biāo)，同時為了獲取不同工況下的再生制動評價指標(biāo)，還需要檢測制動踏板力與整車加速度。

1.3 試驗(yàn)方法

再生制動檢測試驗(yàn)主要經(jīng)過如下5個步驟：試驗(yàn)方法的確定、道路試驗(yàn)路線的設(shè)計、試驗(yàn)車輛的確定、試驗(yàn)設(shè)備的安裝、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

1.3.1 道路試驗(yàn)方法的確定

鑒于試驗(yàn)的實(shí)際情況，采用了平均車流統(tǒng)計法進(jìn)行道路試驗(yàn)，即選擇駕駛員駕駛試驗(yàn)用車，在選定的時間段以及按照制定的試驗(yàn)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(guī)劃試驗(yàn)路線。

1.3.2 NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)形式

使用試驗(yàn)臺檢測制動能量回收效果具有安全、便捷、成本低等特點(diǎn)，而且不受自然條件的影響且試驗(yàn)的重復(fù)性好，是未來汽車檢測的一個發(fā)展方向，本次NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)選在單軸慣性式底盤測功機(jī)進(jìn)行。

1.3.3 道路試驗(yàn)路線的設(shè)計

采用平均車流統(tǒng)計法數(shù)據(jù)獲取方式，那么試驗(yàn)路線的確定將至關(guān)重要，需要對道路進(jìn)行調(diào)研。調(diào)研的目的是從許多條道路中篩選出代表性的試驗(yàn)路線，這種路線反映了車輛在道路上的空間和時間規(guī)律，其結(jié)果能夠以少量試驗(yàn)獲得能夠代表全局特征的統(tǒng)計結(jié)果。本次試驗(yàn)在天津進(jìn)行，試驗(yàn)前對天津城市各個道路進(jìn)行全面的調(diào)研，并設(shè)計具有普遍性與代表性的試驗(yàn)路線。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量必須能夠反映所測參數(shù)的需求，確定采集系統(tǒng)的采樣頻率為10 Hz。

1.4.2 道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)量的確定

從理論上來講，采集的數(shù)據(jù)越多，結(jié)果越準(zhǔn)確。但是當(dāng)采集的數(shù)據(jù)量達(dá)到一定值后，即使增加數(shù)據(jù)量，準(zhǔn)確性也不會獲得很大提高，國外類似試驗(yàn)數(shù)據(jù)量參閱文獻(xiàn)[6-7]。同時由于客觀條件的限制，采集的數(shù)據(jù)量也是有限的。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量多采集數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Data processing

2 城市道路試驗(yàn)的再生制動檢測結(jié)果

依照規(guī)劃路徑，使用本項(xiàng)目組開發(fā)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(yàn)制動工況的所需指標(biāo)進(jìn)行檢測，并處理相應(yīng)結(jié)果。

獲取再生制動相應(yīng)指標(biāo)與制動工況之間的關(guān)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(qū)按照指定的路線進(jìn)行的道路試驗(yàn)中，計算出道路試驗(yàn)的再生制動評價指標(biāo)的結(jié)果：可回生率為35.12%，回生率為26.29%，轉(zhuǎn)化率為78.58%。

3 基于NEDC的再生制動檢測結(jié)果

底盤測功機(jī)NEDC測試循環(huán)車速變化曲線如圖4。

圖4 NEDC循環(huán)車速變化曲線Fig.4 NEDC cycles speed change curve

底盤測功機(jī)NEDC測試循環(huán)再生制動試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計如表1。

表1 NEDC測試循環(huán)再生制動試驗(yàn)結(jié)果

(續(xù)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(huán)各評價指標(biāo)計算結(jié)果如表2。

表2 NEDC測試循環(huán)各評價指標(biāo)結(jié)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(jié)果分析

天津城市道路與NEDC測試工況下各評價指標(biāo)誤差如表3。

表3 評價指標(biāo)誤差分析

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

4.2 原因分析

在道路試驗(yàn)中制動工況較為復(fù)雜(圖5)，制動強(qiáng)度分布較廣。傳統(tǒng)車在制動過程中并不影響經(jīng)濟(jì)性，因此在針對傳統(tǒng)車的NEDC循環(huán)中，制動強(qiáng)度較為單一，覆蓋面較小。因此道路試驗(yàn)與NEDC循環(huán)試驗(yàn)，在制動能量回收的關(guān)鍵參數(shù)上有較大的差異。此外，區(qū)域道路的交通狀況和駕駛者的操作偏差也會對檢測結(jié)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(tǒng)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(jīng)濟(jì)性。所以NEDC循環(huán)工況不能準(zhǔn)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(jié) 語

筆者通過大量實(shí)車道路試驗(yàn)與NEDC循環(huán)工況實(shí)驗(yàn)，對針對再生制動回生效果的評價指標(biāo)做了相應(yīng)的對比，并進(jìn)行了偏差分析。分析了產(chǎn)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(gòu)建適合的模態(tài)工況。并獲取了實(shí)車道路試驗(yàn)中制動強(qiáng)度的概率分布。對修正NEDC下的再生制動檢測結(jié)果和構(gòu)建針對再生制動的模態(tài)循環(huán)工況提供了參考依據(jù)。

[1] 王鵬宇.混合動力轎車再生制動系統(tǒng)研究[D].長春:吉林大學(xué),2008. Wang Pengyu.Research on Hybrid Regenerative Braking System[D].Changchun:Jilin University,2008.

[2] Gao Yinmin,Chen Liping,Ehsani M.Investigation of the effectiveness of regenerative braking for EV and HEV [J] .SAE Paper,1999(1):291-296.

[3] 詹迅.輕度混合動力汽車再生制動系統(tǒng)建模與仿真[D].重慶:重慶大學(xué),2005. Zhan Xun.Regenerative Braking System Modeling and Simulation of Mild Hybrid Electric Vehicle[D].Chongqing:Chongqing University,2005.

[4] 鞏養(yǎng)寧,楊海波,楊競.電動汽車制動能量回收與利用[J].客車技術(shù)與研究,2006(3):28-29. Gong Yangning,Yang Haibo,Yang Jing.Braking energy recovery and utilization of electric vehicle[J].Bus Technology and Research,2006(3):28-29.

[5] 仇斌,陳全世.電動城市公交車制動能量回收評價方法[J].機(jī)械工程學(xué)報,2012,48(16):81-84. Qiu Bin,Chen Quanshi.Evaluation method of electric city bus braking energy recovery[J].Journal of Mechanical Engineering,2012,48(16):81-84.

[6] Dre M.In actual use car testing:70000 kilometers and 10000 trips by 55 french cars under real conditions [J].SAE Technical Paper,1999(1):39-45.

[7] Swiss Agency for Environment,Forests and Landscape (SAEFL).Real World Dring Cycles for Emission Measurement(final report)[R].Swiss:Artemis and Swiss Cycles,2001.

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(shù)研究發(fā)展計劃項(xiàng)目(2011AA11A286)；江蘇大學(xué)高級專業(yè)人才科研啟動基金項(xiàng)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(shù)方面的研究。E-mail：zhangsp@ujs.edu.cn。

U467.1+1

A

1674-0696(2015)02-133-04