陳波，董文彬

（1.國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心［襄陽］，襄陽 441004；2.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢430070）

基于Advisor純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收評(píng)價(jià)研究

陳波1，董文彬2

（1.國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心［襄陽］，襄陽 441004；2.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢430070）

制動(dòng)能量回收是體現(xiàn)電動(dòng)汽車優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)的重要技術(shù)，是決定多種形式電動(dòng)汽車能耗經(jīng)濟(jì)性、整車安全性的共性關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)裝有制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的某東風(fēng)牌純電動(dòng)客車，在分析能量流的基礎(chǔ)上，提出了以回收的制動(dòng)能量和最大理論制動(dòng)能量的比值作為制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并利用仿真軟件advisor，模擬計(jì)算了這款車在NEDC循環(huán)工況下的制動(dòng)能量回收效率，并結(jié)合參數(shù)進(jìn)行分析。

制動(dòng)能量回收；純電動(dòng)汽車；NEDC

純電動(dòng)汽車作為一種新型能源汽車，憑借其零排放零污染、能源利用率高等逐漸成為了現(xiàn)代汽車的發(fā)展方向。純電動(dòng)汽車采用大容量和高能量的蓄電池來提高續(xù)駛里程，但這一點(diǎn)同樣制約了純電動(dòng)汽車的發(fā)展。從現(xiàn)階段國內(nèi)外電動(dòng)汽車的發(fā)展來看，如何提高車載能源容量和使用壽命，提升續(xù)駛里程等關(guān)鍵核心技術(shù)難以突破［1］。汽車在減速、制動(dòng)過程中會(huì)消耗大量能量。在中國城市、歐洲ECE工況、日本J1015、美國UDDS等工況下，車輛因制動(dòng)消耗的能力占總驅(qū)動(dòng)能量的43.5%［2］。如今，這種被消耗的制動(dòng)能量已經(jīng)可以通過技術(shù)回收成為新的電能存儲(chǔ)到蓄電池當(dāng)中，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)能量，從而大幅度提高電動(dòng)汽車整車經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程。清華大學(xué)進(jìn)行的實(shí)車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)結(jié)果表明，采用制動(dòng)能量回收裝置的純電動(dòng)汽車可改善約24%-26%的能耗經(jīng)濟(jì)性。

目前，雖然純電動(dòng)汽車上大多都配備了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，但是針對(duì)該系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和試驗(yàn)方法尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。有研究提出以電機(jī)回收的能量與電機(jī)總制動(dòng)能量作為“轉(zhuǎn)化率”評(píng)價(jià)指標(biāo)，但文中沒有指出明確的測(cè)量方法［3］；也有提出以“制動(dòng)能量回收貢獻(xiàn)率”作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即總制動(dòng)能量中被回收到儲(chǔ)能部件中，又被動(dòng)力系統(tǒng)重新利用且傳遞到驅(qū)動(dòng)輪的那一部分能力與總制動(dòng)能量的比值，但這一評(píng)價(jià)反映了整車經(jīng)濟(jì)性能卻沒有對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)做出評(píng)價(jià)［4］。因此，本文對(duì)純電動(dòng)汽車NEDC工況下各個(gè)減速過程的能量回收效率及能量狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，提出一組較為合理的制動(dòng)能量回收效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1　制動(dòng)能量回收效率指標(biāo)的建立

1.1車輛能量流分析

汽車在正常行駛運(yùn)動(dòng)過程中，總驅(qū)動(dòng)力需要滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw和加速阻力Fj（此處忽略坡度阻力Fi）?？傭?qū)動(dòng)力應(yīng)滿足：

其中：Ft為汽車總驅(qū)動(dòng)力；G為汽車重力；f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua為 汽車行駛速度； δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)［5］。

驅(qū)動(dòng)時(shí)，汽車總驅(qū)動(dòng)力為正，總驅(qū)動(dòng)能量為Et，Et克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力和加速阻力后，剩余的能量為整車動(dòng)能Ek。制動(dòng)時(shí)，行駛阻力與制動(dòng)系統(tǒng)施加的制動(dòng)力共同使汽車減速。動(dòng)能Ek除了克服行駛阻力消耗一部分，對(duì)于沒有配備制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的車輛來說，剩余動(dòng)能Eb會(huì)由摩擦制動(dòng)系統(tǒng)消耗，轉(zhuǎn)化為其他形式的能量；但純電動(dòng)汽車則可通過制動(dòng)能量回收系統(tǒng)將消耗的能量加以回收，通過電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存起來進(jìn)行再利用?；厥盏碾娔芸梢砸欢ǔ潭壬辖档蛙囕v對(duì)動(dòng)力蓄電池的需求，從而降低整車能耗。

1.2制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

配備制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的純電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中，開啟制動(dòng)能量回收功能后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)被控制電路作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，利用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的反向力矩可使車輛減速或者停車；同時(shí)，該過程中產(chǎn)生的反向電流可為動(dòng)力蓄電池充電從而實(shí)現(xiàn)將制動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。純電動(dòng)汽車上使用的多為再生液壓混合制動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.3制動(dòng)能量回收評(píng)價(jià)指標(biāo)

定義“制動(dòng)能量回收效率”為在車輛減速行駛、制動(dòng)停車過程中，回收的制動(dòng)能量E_br占最大理論制動(dòng)能量E_tb的比值，其分子為系統(tǒng)回收轉(zhuǎn)化了多少電能，分母為車輛有多少制動(dòng)能量可供回收，該指標(biāo)反映了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的傳遞效率，同時(shí)也考察了電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中通過電機(jī)可轉(zhuǎn)化多少電能：

E_br可通過對(duì)動(dòng)力蓄電池的瞬時(shí)充電功率在制動(dòng)時(shí)間上求積分獲取，如公式（3）所示：

其中：E_br為汽車制動(dòng)過程中動(dòng)力蓄電池的充電能量，單位kJ；I為汽車制動(dòng)過程中蓄電池的充電電流，單位A；U為汽車制動(dòng)過程中蓄電池的充電電壓，單位V。

E_tb可通過汽車在制動(dòng)過程中動(dòng)能減去該過程中形式阻力消耗的能量獲取，如公式（4）所示：

其中：E_tb為汽車制動(dòng)過程中最大理論制動(dòng)量，單位kJ；E_kr為汽車制動(dòng)過程中動(dòng)能減少量，單位kJ；v為汽車制動(dòng)過程中的車速，單位km/h；F為汽車制動(dòng)過程中的行駛阻力，單位N。

E_kr可通過公式（5）計(jì)算，

其中：m為汽車基準(zhǔn)質(zhì)量，單位kg；v1、v2為汽車制動(dòng)過程中的始末車速，單位km/h。

2　仿真分析

2.1試驗(yàn)方法和工況的確定

目前，國內(nèi)外主要的測(cè)試方法分為整車道路試驗(yàn)、室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)建模仿真三種。計(jì)算機(jī)模擬仿真具有節(jié)約大量時(shí)間，可排除外界干擾因素，重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。因此本文采用計(jì)算機(jī)模擬仿真的試驗(yàn)方法，針對(duì)東風(fēng)某款純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行研究。

常見的工況有歐洲NEDC工況、美國FTP75工況、日本J1015工況。其對(duì)比分析如表1所示：

表1　各循環(huán)工況特征值

從表中可知，NEDC工況最高車速最高，循環(huán)時(shí)間較長；制動(dòng)過程最多，最大減速度達(dá)到1.39 m/s2，制動(dòng)強(qiáng)度適中，滿足車輛行駛過程中的大部分制動(dòng)工況，能夠較真實(shí)的反應(yīng)車輛運(yùn)行情況，相比較而言，更適合作為制動(dòng)能量回收試驗(yàn)的循環(huán)工況。因此，綜合上述比較，選用NEDC工況作為制動(dòng)能量回收的測(cè)試工況較為合理，工況曲線如圖2所示：

2.2仿真車輛的參數(shù)

選取東風(fēng)牌EQ6640LBEV純電動(dòng)客車作為模擬仿真的研究對(duì)象，電機(jī)類型為永磁電機(jī)，電池類型為鋰電池，其主要參數(shù)為：

表2　EQ6640LBEV車型主要參數(shù)

2.3仿真結(jié)果

本文基于Matlab/Simulink軟件建立了EV純電動(dòng)客車回收制動(dòng)能量及整車耗能的計(jì)算模型，并基于Advisor軟件選擇了NEDC工況進(jìn)行了仿真分析。仿真對(duì)于純電動(dòng)車回收的制動(dòng)能量、最大理論制動(dòng)能量、整車能耗、電池輸入功率隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)處理，結(jié)果如圖3-圖6所示：

根據(jù)制動(dòng)起止車速與平均制動(dòng)減速度的聯(lián)合分布，從NEDC循環(huán)工況中抽取6個(gè)不同的減速過程（由4個(gè)市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和2個(gè)市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)的減速過程組成），對(duì)每個(gè)過程進(jìn)行單獨(dú)研究，每個(gè)減速過程的特征值如表3所示。

對(duì)仿真中NEDC工況中的6個(gè)減速過程中回收的制動(dòng)能量及最大理論制動(dòng)能量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果見圖5。由圖5中可以看出在過程1中，回收的制動(dòng)能量?jī)H有4.77kJ。主要原因是過程1的制動(dòng)初始速度較小，整車動(dòng)能變化較小，因?yàn)槟Σ磷枇惋L(fēng)阻等因素消耗的動(dòng)能與汽車本身的動(dòng)能變化量相當(dāng)，造成制動(dòng)系統(tǒng)回收的電能非常低。在市區(qū)循環(huán)工況中，減速過程2-4的制動(dòng)初始速度和減速度都較為接近，因此回收的制動(dòng)能量基本保持平穩(wěn)?；厥盏闹苿?dòng)能量在過程6中取得最大值861.76kJ，制動(dòng)回收效率達(dá)到84.04%。車輛由120km/h減速至停車，整車動(dòng)能減少量非常大，制動(dòng)過程平穩(wěn)，電機(jī)回收轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)，此時(shí)制動(dòng)幾乎都為電機(jī)輔助制動(dòng)，因此制動(dòng)回收能力大幅度提高。

表3　NEDC工況下6個(gè)減速過程特征值

3　結(jié)束語

本文從計(jì)算機(jī)仿真模擬試驗(yàn)的角度出發(fā)，提出了純電動(dòng)客車制動(dòng)能量回收效率指標(biāo)，基于Metlab/Simulink建立了制動(dòng)能量回收的計(jì)算模型，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得出了EQ6640LBEV車型在NEDC工況各個(gè)減速過程中的制動(dòng)能量回收效率，并得出以下結(jié)論：（1）基于Advisor的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，節(jié)省了大量時(shí)間與成本，并排除了外界因素的干擾，計(jì)算出該車型在NEDC工況下回收制動(dòng)能量1856kJ，最大理論制動(dòng)能量2545kJ，整車能耗13850kJ，制動(dòng)回收效率達(dá)72.93%。（2）并針對(duì)該款車型在NEDC工況下6個(gè)不同減速過程中的制動(dòng)能量回收情況進(jìn)行了研究，可知在其以過程5、6為代表的市郊由較高速平穩(wěn)減速至中低速的制動(dòng)過程中取得較大的制動(dòng)能量回收效率，此時(shí)制動(dòng)能量回收技術(shù)的節(jié)能效果最為明顯，建議駕駛者在此類工況下多采用平穩(wěn)制動(dòng)，避免不必要的緊急制動(dòng)，有利于制動(dòng)能量的回收。（3）在NEDC工況下回收功能將續(xù)駛里程提高13.4%，建議駕駛者根據(jù)適時(shí)的行駛工況采取制動(dòng)方式，以此來有效延長整車?yán)m(xù)航里程。

［1］李秀芬,雷躍峰. 純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收控制方法的研究［J］.湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào).2014.35.

［2］（美）Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi.現(xiàn)代電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池車：基本原理、理論和設(shè)計(jì)［M］.倪光正，倪培宏，熊素銘，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010；284-286.

［3］張俊智，陸欣，張鵬君，等.混合動(dòng)力城市客車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)道路試驗(yàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009,45（2）：25-30.

［4］仇斌，陳全世.電動(dòng)城市公交車制動(dòng)能量回收評(píng)價(jià)方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012,48（16）：80-85.

［5］余志生.汽車?yán)碚摚跰］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2009.

專家推薦

楊曉松：

該論文通過實(shí)例分析，提出了純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收率作為評(píng)價(jià)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)性能指標(biāo)的一種。通過建立能量回收的計(jì)算模型，利用仿真軟件advisor模擬計(jì)算電動(dòng)汽車在NEDC循環(huán)工況下的制動(dòng)能量回收率。節(jié)省了大量時(shí)間和成本，并針對(duì)NEDC工況下的不同模式所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出正確的駕駛操作以延長整車的續(xù)航里程。論文有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

Evaluation Methods of Braking Energy Recovery based on Advisor

CHEN Bo1, DONG Wen-Bin2
（ 1.National Automobile Quality Supervision and Test Center（Xiangyang）, Xiangyang 441004；2. School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070 ）

Braking energy recovery is an important technology to embody the advantages and characteristics of electric vehicles, and it is the key technology to determine the energy consumption economy and the safety of variouskinds of vehicles. This paper aimed at a pure electric bus with a brake energy recovery systemof Dongfeng on the basis of analysing the energy flow proposing to the ratio of recovery of braking energy and the theoretical maximum braking energy as an index to evaluate the braking energy. By using simulation software Advisor, it calculated theefficiency ofbraking energy recovery of this bus which is in the NEDC cycle and combined with parameters analysis.

Braking energy recovery； Battery electric vehicle； NEDC

U467.1+3

A

1005-2550（2016）03-0069-04