基于AdVisor纯电动汽车制动能量回收评价研究

基于AdVisor纯电动汽车制动能量回收评价研究摘要：制动能量回收是体现电动汽车优势和特点的重要技术，是决定多种形式电动汽车能耗经济性、整车安全性的共性关键技术。本文针对装有制动能量回收系统的某东风牌纯电动客车，在分析能量流的基础上，提出了以回收的制动能量和最大理论制动能量的比值作为制动能量回收系统的评价指标，并利用仿真软件advisor，模拟计算了这款车在NEDC循环工况下的制动能量回收效率，并结合参数进行分析。关键词：制动能量回收；纯电动汽车；NEDC中图分类号：U467.1+3文献标识码：A文章编号：1005-2550（2016）03-0069-04陈波工程师，现任国家汽车质量监督检验中心（襄阳）工程师，主要研究方向：汽车标准法规与整车制动系统研究。纯电动汽车作为一种新型能源汽车，凭借其零排放零污染、能源利用率高等逐渐成为了现代汽车的发展方向。纯电动汽车采用大容量和高能量的蓄电池来提高续驶里程，但这一点同样制约了纯电动汽车的发展。从现阶段国内外电动汽车的发展来看，如何提高车载能源容量和使用寿命，提升续驶里程等关键核心技术难以突破。汽车在减速、制动过程中会消耗大量能量。在中国城市、欧洲ECE工况、日本J1015、美国UDDS等工况下，车辆因制动消耗的能力占总驱动能量的43.5%。如今，这种被消耗的制动能量已经可以通过技术回收成为新的电能存储到蓄电池当中，进一步转化为驱动能量，从而大幅度提高电动汽车整车经济性和续驶里程。清华大学进行的实车转鼓试验结果表明，采用制动能量回收装置的纯电动汽车可改善约24%-26%的能耗经济性。目前，虽然纯电动汽车上大多都配备了制动能量回收系统，但是针对该系统的评价指标和试验方法尚无统一标准。有研究提出以电机回收的能量与电机总制动能量作为“转化率”评价指标，但文中没有指出明确的测量方法；也有提出以“制动能量回收贡献率”作为评价指标，即总制动能量中被回收到储能部件中，又被动力系统重新利用且传递到驱动轮的那一部分能力与总制动能量的比值，但这一评价反映了整车经济性能却没有对制动能量回收系统做出评价。因此，本文对纯电动汽车NEDC工况下各个减速过程的能量回收效率及能量状态进行对比分析，提出一组较为合理的制动能量回收效果评价指标。1.制动能量回收效率指标的建立1.1车辆能量流分析其中：Ft为汽车总驱动力；G为汽车重力；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；UA为汽车行驶速度；δ为汽车旋转质量换算系数。驱动时，汽车总驱动力为正，总驱动能量为Et，Et克服滚动阻力、空气阻力和加速阻力后，剩余的能量为整车动能Ek。制动时，行驶阻力与制动系统施加的制动力共同使汽车减速。动能Ek除了克服行驶阻力消耗一部分，对于没有配备制动能量回收系统的车辆来说，剩余动能Eb会由摩擦制动系统消耗，转化为其他形式的能量；但纯电动汽车则可通过制动能量回收系统将消耗的能量加以回收，通过电机转换成电能储存起来进行再利用。回收的电能可以一定程度上降低车辆对动力蓄电池的需求，从而降低整车能耗。1.2制动能量回收系统的结构和原理配备制动能量回收系统的纯电动汽车在制动过程中，开启制动能量回收功能后，驱动电机被控制电路作为发电机运行，利用发电机产生的反向力矩可使车辆减速或者停车；同时，该过程中产生的反向电流可为动力蓄电池充电从而实现将制动动能转换为电能。纯电动汽车上使用的多为再生液压混合制动系统，结构如图1所示：1.3制动能量回收评价指标定义“制动能量回收效率”为在车辆减速行驶、制动停车过程中，回收的制动能量E_br占最大理论制动能量E_tb的比值，其分子为系统回收转化了多少电能，分母为车辆有多少制动能量可供回收，该指标反映了制动能量回收系统的传递效率，同时也考察了电动汽车在制动过程中通过电机可转化多少电能：其中：E_tb为汽车制动过程中最大理论制动量，单位kJ；E_kr为汽车制动过程中动能减少量，单位kJ；v为汽车制动过程中的车速，单位km/h；F为汽车制动过程中的行驶阻力，单位N。2.仿真分析2.1试验方法和工况的确定目前，国内外主要的测试方法分为整车道路试验、室内台架试验和计算机建模仿真三种。计算机模拟仿真具有节约大量时间，可排除外界干扰因素，重复性高等优点。因此本文采用计算机模拟仿真的试验方法，针对东风某款纯电动汽车制动能量回收系统进行研究。常见的工况有欧洲NEDC工况、美国FTP75工况、日本J1015工况。其对比分析如表1所示：从表中可知，NEDC工况最高车速最高，循环.时间较长；制动过程最多，最大减速度达到1.39m/s2，制动强度适中，满足车辆行驶过程中的大部分制动工况，能够较真实的反应车辆运行情况，相比较而言，更适合作为制动能量回收试验的循环工况。因此，综合上述比较，选用NEDC～况作为制动能量回收的测试工况较为合理，工况曲线如图2所示：2.2仿真车辆的参数选取东风牌EQ6640LBEV纯电动客车作为模拟仿真的研究对象，电机类型为永磁电机，电池类型为锂电池，其主要参数为：2.3仿真结果本文基JZMatlab/Simulink软件建立了EV纯电动客车回收制动能量及整车耗能的计算模型，并基于Advisor软件选择了NEDC工况进行了仿真分析。仿真对于纯电动车回收的制动能量、最大理论制动能量、整车能耗、电池输入功率随时间的变化曲线进行了统计处理，结果如图3一图6所示：根据制动起止车速与平均制动减速度的联合分布，从NEDC循环工况中抽取6个不同的减速过程（由4个市区运转循环和2个市郊运转循环的减速过程组成），对每个过程进行单独研究，每个减速过程的特征值如表3所示。对仿真中NEDC工况中的6个减速过程中回收的制动能量及最大理论制动能量进行数据处理，结果见图5。由图5中可以看出在过程1中，回收的制动能量仅有4.77kJ。主要原因是过程1的制动初始速度较小，整车动能变化较小，因为摩擦阻力和风阻等因素消耗的动能与汽车本身的动能变化量相当，造成制动系统回收的电能非常低。在市区循环工况中，减速过程2-4的制动初始速度和减速度都较为接近，因此回收的制动能量基本保持平稳。回收的制动能量在过程6中取得最大值861.76kJ，制动回收效率达到84.04%。车辆由120km/h减速至停车，整车动能减少量非常大，制动过程平稳，电机回收转化能力强，此时制动几乎都为电机辅助制动，因此制动回收能力大幅度提高。3.结束语本文从计算机仿真模拟试验的角度出发，提出了纯电动客车制动能量回收效率指标，基于Metlab/Simulink建立了制动能量回收的计算模型，根据仿真数据得出了EQ6640LBEV车型在NEDCSl2况各个减速过程中的制动能量回收效率，并得出以下结论：（1）基于Advisor的模拟仿真实验，节省了大量时间与成本，并排除了外界因素的干扰，计算出该车型在NEDCSl2况下回收制动能量1856kJ，最大理论制动能量2545kJ，整车能耗13850kJ，制动回收效率达72.93%。（2）并针对该款车型在NEDC工况下6个不同减速过程中的制动能量回收情况进行了研究，可知在其以过程5、6为代表的市郊由较高速平稳减速至中低速的制动过程中取得较大的制动能量回收效率，此时制动能量回收技术的节能效果最为明显，建议驾驶者在此类工况下多采用平稳制动，避免不必要的紧急制动，有利于制动能量的回收。（3）在NEDC工况下回收功能将续驶里程提高13.4%，建议驾驶者根据适时的行驶工况采取制动方式，以此来有效延长整车续航里程。专家推荐杨晓松：该论文通过实例分析，提出了纯电动汽车制动能量回收率作为评价制动能量回收系统性能指标的一种。通过建立能量回收的计算模型，利用仿真软件advisor模拟计算电动汽车在NEDc循环工况下的制动能量回收率。节省了大量时间和成本，并针对NEDC工况下的不同模式所得数据进行分析，提出正确的驾驶操作以延长整车的续航里程。论文有很好的推广应用价值。