具备能量回收功能的电动汽车续驶里程研究

陈　燎，程云峰，盘朝奉

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江　212000)



具备能量回收功能的电动汽车续驶里程研究

陈燎，程云峰，盘朝奉

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江212000)

推导出纯电动汽车的能量消耗、制动能量回收以及行驶里程等参数的理论计算公式，提出以一个行驶循环中动力电池的输出和充入电能量为输入，采用动力系统能耗降低率快速估计再生制动系统可产生的续驶里程贡献率。通过试验验证了该方法的合理性和有效性。

电动汽车；制动能量回收；能量降低率；续驶驶里程

近年来，纯电动汽车以其噪声低、零污染、技术简单成熟等优点成为汽车行业未来发展的关注点[1-4]。然而纯电动车续驶里程短这一缺陷始终没有得到很好的解决，成为制约电动车市场化的一大制约因素。有关文献表明，在城市工况下，制动能量占总驱动能量的50%。如果将这一部分能量加以回收利用，电动汽车续驶里程可以增加10%～30%。因此，制动能量回收系统成为延长纯电动车续驶里程的重要手段。国外对电动车制动能量回收技术的研究比较深入，取得了重大成果[5-8]，例如丰田Prius的能量回收效率为20%左右。国内近年来在制动能回收技术研究上也取得显著成就，如比亚迪e6、秦等车型都已配备制动能量回收系统。

本文以某款纯电动汽车为基础，采用串联式再生制动进行续驶里程和再生制动行驶循环台架试验，通过对试验数据的处理分析研究了制动能量回收系统的制动效能。

1　纯电动车行驶能耗的计算

在水平道路上行驶的车辆，从动力系统运动角度看分为加速、匀速、减速和停止状态。从动力系统能量传递方向的关系上看，一般加速和匀速运动时对外做功，称为驱动状态。减速运动包括制动和滑行2个状态。滑行时减少的动能刚好用于克服滚动阻力、传递能量平衡，只有减速度比较大的制动状态才可能将外部对车轮做功传递进来。而纯电动汽车停车时动力系统几乎不消耗能量。因此，先分别计算驱动状态行驶阶段的动力电池输出能量eo和制动状态行驶阶段的动力电池输入能量ei，再计算行驶过程的动力电池能量消耗EB。

1.1动力电池输出能量

因为在续驶里程评价时车辆一般在水平道路上行驶，此外行驶速度不会太高或高速时间很短，不考虑坡道和风阻影响，车辆驱动力-行驶阻力平衡方程可简化为式(1)。

(1)

式中Tm为驱动电机转矩；io为减速器传动比；ηo为传动系效率；r为车轮半径；M为车辆质量；g为重力加速度； f为滚阻系数；v为车速；δ为车辆旋转质量换算系数。

设车辆行驶速度为v时，相应电机转速为n(r/min)，电机电动状态和电机驱动器整体效率为ηm，则电池输出能量eo表示为

(2)

设某段的起始和结束电机转速分别为n0和n1，所用时间为T，由式(2)得

(3)

式(3)反映了电机输出能量用于克服地面滚动阻力做功和增加车辆动能。

1.2动力电池可能输入再生制动能量

设电机发电状态和整流器的整体效率为ηq，则用正数表示的电池输入能量ei为

(4)

对起始、结束电机转速分别为n0和n1的匀减速制动段，所用时间为T，该段中可能输入电池的能量由式(5)计算。

(5)

2　纯电动车行驶里程的计算

假设每个试验循环驱动状态数量为x，制动状态数量为y，则每个循环动力电池的输出能量Eo为

(6)

输入能量Ei为

(7)

设动力电池容量为C，每循环行驶里程为d，则再生制动功能时纯电动汽车续驶里程S为

(8)

使用再生制动功能时纯电动汽车续驶里程S0为

(9)

3　纯电动车续驶里程和再生制动试验计算

3.1续驶里程试验

应用动力系统台架试验来研究被试的微型纯电动汽车续驶里程和再生制动系统效能[9]。被试的对象车是国内某电动车公司生产的微型四轮两座纯电动汽车。整车主要技术参数见表1。电机额定功率为10 kW,最高转速为6 000 r/min。整车质量为800 kg，续驶里程为120 km，最高车速为80 km/h。蓄电池额定容量为160 A·h。减速器传动比为6.515。

动力系统试验台架(结构见图1)本质上是通过对滚模拟地面与被试车辆车轮相对运动关系的机械惯性装置，其转动惯量应调节到与被试车辆一样。试验台架主要参数：滚轮直径为0.68 m，飞轮转动惯量为7.37 kg·m2，增速器传动比为1/2.8。

1、7.制动器；2、9.轴承座；3.飞轮；4、8、10.摆臂；5.主动轮；6.从动轮；11、17.砝码；12.增速器；13.轴；14、16.滚轮；15.机架。

图1车辆动力系统试验台架结构

本动力台架试验采用NEDC城市循环行驶工况来考核纯电动汽车的续驶里程和再生制动系统效能[10-11]，每个参数的采样速率都为100次/s。试验分为2种类型：① 不使用再生制动系统功能的循环行驶试验；② 使用再生制动系统功能的循环行驶试验。其中再生制动分不同强度进行试验，力求更全面地考核车辆再生制动功能的效果。纪录其中的几个主要参数：车速、母线电流、电池端电压。试验曲线见图2、3。对比两图可知:无制动能量回收时，电动汽车处于制动状态时电流很小，接近0；有制动能量回收时，电动汽车处于制动状态时，电流为负值，表明此时电池为充电状态，电池电压有轻微上升，回收的能量储存在蓄电池中。

图2　无制动能量回收功能试验曲线

图3　有制动能量回收功能试验曲线

3.2实验数据处理

对比表1和表2中数据，可以发现：

1) 在该工况下，再生制动系统所产生的续驶里程贡献率可以到达20%以上。

2) 每循环电池输出能量的理论计算值比测试值小不少，可能是实际动力系统效率不高，或计算参数与实际参数差别大造成的，例如阻力系数偏大。

3) 用一个行驶循环中电池的输出和充电能量能计算行驶中的能量消耗下降率，该值与再生制动系统产生的续驶里程贡献率有很大关系。

表1　试验结果

表2　续驶里程理论计算结果

4　结论

1) 理论计算和台架试验结果都证明：在NEDC城市行驶工况下，纯电动汽车再生制动系统可以显著延长动力电池的续驶里程，提高能源利用效率，对节能减排具有非常积极的作用。

2) 在理想情况下，直接采用锂离子电池储存再生制动所回收能量的技术方案能延长纯电动汽车续驶里程20%以上，续驶里程均大于100 km，满足相关技术规定。

3) 测试一个行驶循环中电池的输出和充电能量，就能比较快速、准确地估计出纯电动车行驶里程和再生制动系统可产生的续驶里程贡献率。

[1]陈庆樟,何仁,商高高.汽车能量再生制动技术研究现状及其关键技术[J].拖拉机与农用运输车,2008,35(6):9-11.

[2]赵国才，周莎． 重庆市电动汽车商业运行模式[J]． 重庆理工大学学报(自然科学)，2014(4):15-23．

[3]徐志汉，王泽平.纯电动城市客车车身有限元分析[J].客车技术与研究，2015(3)：11-13.

[4]王晖,陈燎,盘朝奉.纯电动汽车电液复合制动系统联合仿真[J].重庆理工大学学报(自然科学),2014(10):12-17．

[5]刘博.基于纯电动汽车的制动能量回收系统的研究与实现[D].北京：清华大学,2004.

[6]孟秋红,郭京波.再生制动技术在汽车中的应用[J].汽车工程师,2007(3):19-21.

[7]何仁.汽车制动能量再生方法的探讨[J].江苏大学学报(自然科学版),2003，24(6)：1-4.

[8]姜克英,刘春香.电动汽车行驶里程问题解决方法探讨[J].黑龙江科技信息,2009(17):27-27.

[9]隋妮,王广萍,李仲兴.直流无刷电机再生制动系统试验台的设计与验证[J].汽车技术,2011(1):49-53.

[10]初亮,蔡健伟,富子丞,等.纯电动汽车制动能量回收评价与试验方法研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2014(1):18-22.

[11]GB/T 18386—2005， 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法[S].

(责任编辑刘舸)

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

国家自然科学基金资助项目(51105178，51475213); 江苏省“六大人才高峰”项目(2013-XNY-002); 山东省高等学校科技计划项目(J13LN38); 江苏省自然科学基金资助项目(BK2011489)

陈燎(1963—)， 男，副教授，主要从事汽车电子及智能交通研究；通讯作者 程云峰(1989—)，江苏如皋 人，硕士，主要从事纯电动汽车研究，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：陈燎,程云峰，盘朝奉具备能量回收功能的电动汽车续驶里程研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(8):27-30.