纯电动汽车制动能量回收评价与试验方法研究

１．２ 能 量 流 分 析
纯电动汽车采用电机作为单一的驱动装置，
与 混 合 动 力 汽 车 相 比 ，其 电 机 功 率 较 大 ，从 而 提 高
了 电 机 制 动 能 量 回 收 的 能 力［６－７］．纯 电 动 汽 车 进
行能量回收时，将 整 车 动 能 通 过 电 机 转 换 成 电 能
储 存 在 储 能 装 置 中 ［８］，试 验 车 采 用 动 力 电 池 ．
助项目 （２０１１００６１１３０００３）．
第１期
初 亮 ，等 ：纯 电 动 汽 车 制 动 能 量 回 收 评 价 与 试 验 方 法 研 究
· １９ ·
动能量回收率作 为 评 价 指 标，评 价 制 动 能 量 回 收 系统的能量回收 效 果．整 车 能 量 流 与 纯 电 动 汽 车 电 力 系 统 的 布 置 形 式 相 关 ，在 能 量 流 的 基 础 上 ，分 析 现 有 试 验 方 法 ，给 出 了 合 理 的 测 量 计 算 方 法 ．
壳 体 内 ．为 测 量 电 机 回 收 的 能 量 ，直 接 将 测 量 电 流
装置安装在电机控制器输出端．
因此，测量电 池 电 流 时 要 根 据 不 同 车 辆 结 构
形 式 ，选 用 不 同 的 测 量 点 ．纯 电 动 汽 车 总 的 能 量 流
如图２所示，其中：ＥＣ 为电网充电 电 能；Ｅｄ－Ｂ为 驱 动过程电池消 耗 电 能；Ｅｂ－Ｂ为 制 动 过 程 中 回 收 电 池端的电能；ＥＤＣ－Ｂ为 由 电 池 输 出 到 ＤＣ／ＤＣ 的 能 量；Ｅｄ－Ｃ驱动时 电 机 控 制 器 输 入 端 能 量 ；ＥＡＣ－Ｂ 电 池输入给 Ａ／Ｃ 转 换 器 能 量；Ｅｂ－ＤＣ 为 制 动 时 输 入 给 ＤＣ／ＤＣ 的能 量；Ｅｂ－Ｃ 为 制 动 时 电 机 控 制 器 输 出的能量；Ｅｂ－ ＡＣ 为 制 动 时 输 入 给 Ａ／Ｃ 转 换 器 的 能量；ＥＤＣ－ａｃ为 ＤＣ／ＤＣ 输 入 给 附 件 的 能 量；Ｅｄ－Ｄ 为驱动时输入给 电 机 的 能 量；Ｅｂ－Ｄ 为 制 动 时 电 机 输入给电 机 控 制 器 的 能 量；ＥＡＣ 为 输 入 给 空 调 的
纯电动汽车制动能量回收评价与试验方法研究
初 亮 蔡健伟 富子丞 王彦波
（吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 １３００２２）
摘要 为评价纯电动轿车制动能量回收效果，在分析纯电 动 汽 车 能 量 流 的 基 础 上 ，提 出 采 用 电 机 回 收 的 能 量 与制动过程中的总能量的比值，即制动能量回收率作为纯 电 动 汽 车 制 动 能 量 回 收 评 价 指 标 ．分 析 已 有 试 验 方 法，选取在转鼓试验台上进行 ＮＥＤＣ（Ｎｅｗ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ）循环工况法为纯电动汽车制动能量回收试 验 方 法 ．选 择 三 款 纯 电 动 汽 车 ，根 据 所 述 试 验 方 法 进 行 试 验 ，得 到 了 三 种 车 型 的 制 动 能 量 回 收 率 ．试 验 表 明 ：所 提 出 的 试 验 方 法 简 单 ，评 价 指 标 合 理 ，有 利 于 纯 电 动 汽 车 的 制 动 能 量 回 收 的 评 价 ． 关 键 词 纯 电 动 汽 车 ；能 量 流 ；制 动 能 量 回 收 ；评 价 ；试 验 方 法 中 图 分 类 号 Ｕ４６２．３ 文 献 标 志 码 Ａ 文 章 编 号 １６７１－４５１２（２０１４）０１－００１８－０５
第４２卷 第１期 ２０１４年 １月
华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版） Ｊ．Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．＆ Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
ＤＯＩ：１０．１３２４５／ｊ．ｈｕｓｔ．１４０１０５
Ｖｏｌ．４２ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１４
能源和环保问题促使新能源汽车研究深入而 广 泛 开 展．电 动 汽 车 作 为 一 种 新 型 的 交 通 工 具， 以 其 清 洁 无 污 染 、驱 动 能 量 源 多 样 化 、能 量 效 率 高 等优点成为现代汽车的发展趋势［１］．目前，对 于 纯 电动汽车制动能量回收评价和试验方法尚无统一 标 准 ．在 纯 电 动 汽 车 产 业 化 和 商 业 化 的 进 程 中 ，亟 须确立纯电动汽车制动能量回收评价指标和试验 方法．
图 １ 集成式电机控制器示意图
与电机控制器装 在 一 个 壳 体 内．测 量 电 流 的 装 置 安装在电池与虚线所示的壳体之间时测量的为部 分回收的能量，有 部 分 能 量 会 直 接 由 电 机 控 制 器 输入给 ＤＣ／ＤＣ 和空 调 Ａ／Ｃ 转 换 器．因 此 为 了 更 加全面的测量电 机 回 收 的 能 量，要 测 量 虚 线 框 表 示的壳体内电机控制端的电压和电流．
集成式是指 ＤＣ／ＤＣ 与电机控制器ＩＧＢＴ（ｉｎ－
ｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）集 成 在 一 起 与 动
力电池相连，如 图 １ 所 示，虚 线 框 内 表 示 ＤＣ／ＤＣ
１．２．２ 独 立 式 独立式 是 指 ＤＣ／ＤＣ 与 电 机 控 制 器ＩＧＢＴ 分
别与动力电池相连，ＤＣ／ＤＣ 与电机控制器在两个
能 量；Ｅｄ－ Ｍ 为 驱 动 时 输 入 给 传 动 装 置 的 能 量； Ｅｂ－ Ｍ 为制动时输入给电 机 的 能 量；Ｅｄ－Ｔ 为 忽 略 坡 道阻力消耗的总驱 动 能 量；Ｅｂ－Ｔ 为 制 动 时 输 入 给 传动系的能量；Ｅｄ－ｆ为滚动阻力消 耗 能 量；Ｅｄ－ ｗ 为 空气阻力消耗的能量；Ｅｄ－ｋ为整 车 车 速 为ｖ１ 时 所 具有的动能；Ｅｂ－ｆ为 制 动 状 态 下 克 服 滚 动 阻 力 消 耗的能量；Ｅｂ－ｗ为制 动 状 态 下 克 服 空 气 阻 力 消 耗 的能量；Ｅｂ 为制动 系 统 消 耗 能 量；Ｅｂｆ－ Ｈ 为 前 轴 液 压制动力消耗的能量；Ｅｂｒ－ Ｈ 为 后 轴 液 压 制 动 力 消 耗 的 能 量 ；Ｅｂ－ Ｒ 为 驱 动 轮 处 回 收 的 能 量 ．
图 ２ 整车能量流分析
驱动过程中，
Ｅｄ－Ｔ ＝ Ｅｄ－ｆ ＋Ｅｄ－ｗ ＋Ｅｄ－ｋ ＝ Ｅｄ－ＣηＭ－ｃｏｎηｍｏｔηｔ，
式中ηＭ－ｃｏｎ，ηｍｏｔ和ηｔ 分 别 为 电 机 控 制 器 效 率 、电 机效率和传动系统效率．
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华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
第 ４２ 卷
制动过程中，
Ｅｂ－ｋ ＝ Ｅｂ－ｆ ＋Ｅｂ－ｗ ＋Ｅｂ；
Ｅｂ ＝ Ｅｂｆ－Ｈ ＋Ｅｂｒ－Ｈ ＋Ｅｂ－Ｒ；
（（ ） （ ）） Ｅｂ－ｋ ＝ １２ｍ
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ｖ１ ３．６
２
－
ｖ０ ２ ３ ．６
＝ Ｅｄ－ｋ，（１）
式中 Ｅｂ－ｋ为 车 辆 由ｖ１ 制 动 至ｖ０ 时 消 耗 能 量．电 机控制器端回收的制动能量为
Ｅｂ－Ｃ ＝ ＥｂηｃｏｎηｔηｍｏｔηＭ－ｃｏｎ， 式中：ηｃｏｎ为控制系统效率 ；Ｅｂ－Ｒ＝ηｃｏｎＥｂ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｂｒａｋｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ，ｂｒａｋｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅ ｂｒａｋｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｒａｔｅ ｔｈａｔ ｗａｓ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｄｉｖｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｄｕｒｉｎｇ ｂｒａｋｉｎｇ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ａｓ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｂｒａｋｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ ＮＥＤＣ（Ｎｅｗ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ）ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｙｃｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｒｕｍ ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｔｅｓｔ ｃａｒｓ，ａｎｄ ｉｔｓ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ， ｗｉｔｈ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｂｒａｋｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ；ｂｒａｋｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ
收 稿 日 期 ２０１３－０４－１５． 作 者 简 介 初 亮 （１９６７－），男 ，教 授 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｕｌｉａｎｇ１２６＠１２６．ｃｏｍ． 基金项目 国家高技术研究发展计划重大专项资 助 项 目 （２０１２ＡＡ１１０９０３）；高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 资
文献［２］提出 以 电 机 回 收 的 能 量 与 总 制 动 能 量的比值作为评 价 指 标，但 是 没 有 指 出 明 确 的 测 量 方 法 ；文 献 ［３］提 出 以 制 动 回 收 能 量 等 效 耗 电 量 与 无 制 动 能 量 回 收 时 耗 电 量 之 比 （整 车 节 能 度 ）作 为 评 价 指 标 ；文 献 ［４］提 出 以 制 动 能 量 回 收 贡 献 率 作 为 评 价 指 标 ，反 映 了 整 车 经 济 性 能 ，但 没 有 对 制 动能量回收系统 进 行 评 价．本 研 究 首 先 对 车 辆 受 力 进 行 分 析 ，然 后 推 导 出 整 车 能 量 流 模 型 ，采 用 制
１ 车辆能量分析
１．１ 受 力 分 析
车辆在运动过 程 中 须 要 克 服 滚 动 阻 力、空 气
阻力、坡 度 阻 力 和 加 速 阻 力，在 此 忽 略 坡 度 阻 力，
受 力 分 析 见 文 献 ［３］，驱 动 力 满 足 下 式 ［５］
ＦＴ
＝ Ｇｆ ＋２Ｃ１Ｄ．１Ａ５ｖ２
＋δｍ
ｄｖ， ｄｔ
式中：ＦＴ 为总驱动 力，驱 动 时 ＦＴ 为 正 值，制 动 时 ＦＴ 为负值；Ｇ＝ｍｇ，ｍ 为车辆 质 量；ｆ 为 滚 动 阻 力 系数；ＣＤ 为空气阻力 系 数；Ａ 为 迎 风 面 积；δ 为 汽 车旋转质量换算系数；ｖ 为车速．
目前，纯电动 汽 车 因 取 消 了 发 动 机 而 具 有 电
动空调，同时具有 ＤＣ／ＤＣ 转换装置，能够将 高 压
电转换为低压电供给车用附件以及对低压蓄电池
充电；因 此，根 据 现 有 的 整 车 电 力 系 统 布 置 形 式，
电机回收的能量经过电机控制器时有集成式和独
立式两种情况．
１．２．１ 集 成 式
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｂｒａｋｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ
Ｃｈｕ Ｌｉａｎｇ，Ｃａｉ Ｊｉａｎｗｅｉ，Ｆｕ Ｚｉｃｈｅｎｇ，Ｗａｎｇ Ｙａｎｂｏ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ）