56 今日制造与升级
Technology 技术
车辆在行驶过程中存在大量的制动工况，对于传统燃油车来说，制动过程中的动能转化成制动盘、轮胎等的热能，耗散在空气中。而纯电动汽车一个重要能力就是能够回收制动能量，通过电机发电，将车辆动能转换为电能，并存储在电池中，再次进行利用。 根据制动系统的结构和控制策略的不同，可以将制动能量回收分为串联制动、并联制动、混合制动[1]。因此本文针对前轮驱动的纯电动汽车，提出三种不同的制动能量回收策略，并利用Amesim 仿真平台分析不同回收策略在不同驾驶循环下对能耗及能量回收率的影响。1 纯电动汽车动力系统构型 纯电动汽车动力传动系统构型如图1所示，纯电动汽车的行驶系统由三个主要的子系统组成：电动机驱动系统、能源系统、附件系统。电驱动系统由整车控制器、逆变器、电机、机械传动系统、驱动轮组成。能源系统包括能量源、能量管理单元、充电系统。附件系统主要由附件控制单元、空调系统、热管理系统、辅助电源等组成[2]
。
车轮
车轮
发动机/发电机车轮
车轮传动装置
动力电池
机械连接
电气连接
逆变器
图1 纯电动汽车动力传动系统构型
2 制动能量回收策略
在制定制动力分配策略前，首先要计算前、后轮需求制动力矩，以确保需求制动力在驱动电机与机械制动系统之间的合理分配[3]。根据制动器参数可以计算出前后轮的需求制动力矩。
2.1 串联制动能量回收系统制动力分配策略
虽然串联式制动能量回收系统需要对传统机械制动系统进行改造，但为了改善整车经济性，越来越多的纯电动车型采用
了串联制动能量回收系统。串联式与并联式相比，机械制动与电制动完全解耦，在制动过程中制动力分配策略如图2所示，优先使用电制动力，能量回收率较高。
驾驶员需求扭矩
最大回馈
制动力矩
提供扭矩
驱动轴提供电制动
非驱动轴机械制动
驱
动
轴
机
械
制
动
图2 串联式制动力矩分配策略
2.2 并联制动能量回收系统制动力分配策略
对于并联式制动能量回收系统，电制动力直接叠加到机械摩擦制动上，对传统制动系统改动比较小，但制动能量回收率较小（图3）。
在没有超出制动能量回收系统电制动能力前，电制动力矩与总制动力矩为固定比值，当超出电制动能力后，超出的部分全部由机械制动补充。
驾驶员需求扭矩
最大回馈制动力矩
提供制动扭矩
驱动轴提供电制动
驱动轴机械制动非
驱
动
轴
机
械
制
动
图3 并联式制动力矩分配策略
2.3 混联式制动能量回收系统制动力分配策略
混联式制动能量回收系统的能量回收率介于串联式与并联式之间。制动力分配与并联式类似，与其不同的是，当驱动轴能够提供足够电制动力时，则由该轴全部由电机提供（图4）。
［摘 要］纯电动汽车制动能量回收存在多种结构和控制策略，以电池的SOC 、车速、制动减速度、电机发电扭矩等作为约束条件，基于Amesim 仿真平台，对三种不同能量回收策略进行仿真计算，分析不同回收策略在不同驾驶工况下对能耗及能量回收率的影响。［关键词］纯电动汽车；
制动能量回收；控制策略；Amesim ［中图分类号］U27 ［文献标志码］A
基于Amesim的纯电动汽车制动
能量回收策略研究
周 苏，许长立
（同济大学 汽车学院，上海 150040）
今日制造与升级 57
自动化技术与应用
提供制动扭矩
非
驱
动
轴
机
械
制
动
驾驶员需求扭矩
最大回馈制动力矩
驱动轴提供电制动
驱动轴机械制动图4 混联式制动力矩分配策略
3 整车性能仿真分析
3.1 整车Amesim仿真模型搭建
基于Amesim 搭建的整车仿真模型如图5所示
。
图5 整车仿真模型
3.2 仿真参数
以一款纯电动汽车作为基础车型，其参数如表1所列。
表1 Amesim仿真参数
指标
输入参数
整车
整备质量（kg ）1650满载质量（kg ）
2050主减速比9.3轮胎滚动半径（mm ）320风阻系数（-）0.30迎风面积（m 2
） 2.5动力电机
峰值功率（kW ）
120峰值扭矩（Nm ）200最高转速（r/min ）
11000动力电池
额定电压（V ）400额定容量（Ah ）
110
3.3 行驶工况介绍
世界上很多国家都提出了针对能量消耗测试的标准行驶工况，从中选取中国的CLTC 工况、美国EPA 法规的UDDS 工况、日本JC08工况、欧洲WLTC 工况来进行分析
[4-6]
。CLTC 工况包括低速、中速、高速3个速度区间，共计
1800s ；UDDS 工况由冷态过渡工况和稳态工况构成，共计1370s ；JC08工况模拟了城市中拥堵的交通状况，包括了城区、中心城区、高速道路工况；WLTC 工况包括低速、中速、高速、超高速4个速度
区间，共计1800s 。各工况下的车速曲线如图6所示。
140120
100速度（k m /h ）80604020200400600800100012001400时间（s）
16001800
00
CLTC
（a）CLTC工况下速度曲线
时间（s）
200
400
6008001000120014000
120100速度（k m /h ）
806040200UDDS
（b）UDDS工况下速度曲线
时间（s）
200
400
6008001000120014000
120100速度（k m /h ）
806040200JC08
（c）JC08工况下速度曲线
时间（s）
20040060080010001200140016001800
140120100速度（k m /h ）806040200WLTC
（d）WLTC工况下速度曲线图6 各工况下速度曲线
4 仿真结果分析
4.1 能量消耗率仿真
仿真结果如表2所示，正如前文所说一样，串联式制动能量回收策略有最好的能耗表现，混联式次之，并联式最差。另外也可以从结果中得出一些其他结论：行驶工况中，城市工况占比越多，制动工况占比越多，串联式策略优势就越大，像UDDS 和JC08这样的城市工况，串联式和并联式的能耗差异将近达到30%。
4.2 制动能量回收率仿真
制动能量回收率的定义如下：制动能量回收率=制动能量回收电量/整车消耗总电量。制动能量回收电量是指，在测试工况中车辆减速时，车辆的动能减去空气阻力、滚动阻力和车辆内部摩擦阻力消耗的能量后剩余的能量中，电机可回收的能量。仿真结果如表3所示，同样可以看出串联式能量回收策略
58 今日制造与升级
Technology 技术
下的电机系统提供了更大的电制动力矩。
4.3 电机工况点仿真
从图7的工况点分布图可以看出不同策略下的驱动工况点是完全相同的。发电工况点受不同回收策略的影响，串联式能回收的工况点最多，混联式次之，并联式最少。串联式制动能量回收系统的制动力分配策略能使电机更多参与到行驶过程中的制动工况中，从而降低能耗，提升整车的续航里程s1200
。
（a）CLTC工况下工况点分布图
（b）UDDS工况下工况点分布图
（c）JC08工况下工况点分布图
（d）WLTC工况下工况点分布图图7 各工况下工况点分布图
5 结束语
基于电制动分配不同，提出了3种不同的制动能量回收策略，并通过Amesim 仿真平台，对不同制动能量回收系统的制动力分配策略进行对比分析。结果表明与并联式及混联式制动能量回收系统相比，串联式制动能量回收系统在中国CLTC 工况、
表2 不同策略不同行驶工况下能量消耗率
行驶工况
能量消耗率（kWh/100km ）相对串联式能耗变化（%）
CLTC
串联式
11.65-并联式14.16+21.5混联式12.75+9.4UDDS
串联式
10.86-并联式13.93+28.3混联式12.31+13.4JC08
串联式
10.24-并联式13.51+31.9混联式11.84+15.6WLTC
串联式
16.82-并联式19.08+13.4混联式
17.87
+6.2
表3 不同策略不同行驶工况下制动能量回收率
行驶工况
制动能量回收率（%）
CLTC
串联式
24.7并联式8.6混联式17.6UDDS
串联式
30并联式10.2混联式20.6JC08
串联式
32.1并联式10.4混联式
21.4WLTC
串联式
16.8并联式 5.6混联式
11.6
美国UDDS工况、日本JC08工况、欧洲WLTC工况下，制动能量回收率最大增加了21.7%。参考文献
[1] B.J.Varocky，Benchmarking of Regenerative Braking for a Fully Electric Car，Internship Report TNO Automotive，2011.
[2] Mehrdad Ehsani，Yimin Gao，Ali Emadi ，著。倪光正，
倪培宏，熊素铭，译.现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车——基本原理、理论和设计[M]，机械工业出版社，2010.
[3] 周苏，杨国，任宏伟，等.基于Cruise 的燃料电池增程式电动汽车再生制动转矩分配策略研究[J]，汽车技术，2015（4）：46-51.
[4] 中国汽车行驶工况 第一部分：轻型汽车：GB/T 38146.1-2019[S].2019.
[5] EPA，Appendix I to CFR Part 86 Control of Emissions From New and In-use Highway Vehicles and Engines.
[6] VCA Offices，The Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure，2018.
作者简介
周苏（1961—），男，德国，博士，教授，主要研究方向为新型车辆动力系统（包括燃料电池系统、动力蓄电池和电动机）的建模、仿真和控制。
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