为什么电动车再生制动时大部分能量都消耗了，仅仅回收了一小部分能量？

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为什么电动车再生制动时大部分能量都消耗了，仅仅回收了一小部分能量？

作者 / 张抗抗

假设汽车动能为 100%，再生制动回收的能量仅为 10%-30%，确实仅回收了一小部分。这是因为有层层漏斗，筛掉了大部分能量。

第 1 层漏斗：风阻与摩阻转化成热能

一辆汽车在路上跑，描述纵向运动的动力学方程为：

翻译成人话就是这样的：

这 4 项可分为两类：

• 可回收的机械能 ：动能（车子由快变慢） + 重力势能（车子由高到低）
• 不可回收的热能： 车轮滚动摩擦生热 + 风阻生热

努努力，我们是不是也可以回收热能呢？ 不能，那就违背了热力学第二定律了。第二类永动机，是比较有水平的民间科学家最喜欢研究的东西。

那么，可回收的机械能占比多少呢？ 这与车开得激烈程度有关系，我们一般用驾驶循环来研究：下表中的“制动能量 / 驱动能量”^[1]，就代表了可回收机械能所占的比例。

较为温和的 ECE-15 循环占比约 27.5%，而非常激烈的纽约市场循环占比约为 86% —— 这就代表了制动能量回收的上限。后来新出的 WLTC 循环与 CLTC 循环，数据应该在 50%左右，有机会算一下。

需要指出的是，所有的驾驶循环考虑的都是平地的情况，而实际行驶则有不同程度的上下坡。因此，驾驶循环计算出的制动能量上限是被低估了的。

第 2 层漏斗：再生制动策略

理想的再生制动策略很简单： 先尽可能地使用再生制动，不足的部分再由机械制动提供。

实际情况没那么理想，它有很多约束条件。

约束条件 1：前后制动力分配

车有前驱后驱之分，但全部都是「四轮制动」。原因是：制动力较大，仅由前轮或后轮提供抓地力的话容易打滑。哪个轮子的制动力先超过抓地力，哪个轮就先打滑。前轮打滑失去转向能力，但并未失控；后轮打滑车子失控，有转向能力也没用了；总之都是很危险的。

从安全角度考虑，我们的前后制动力分配策略的基本原则是：

• 尽可能地前后轮都不打滑。
• 如果非要有一个轮要打滑的话，我们希望是前轮。毕竟，前轮是人性，后轮是兽性 —— 失去人性，失去很多；失去兽性，失去一切。

由于制动时的减速度，前轴对地面的垂向力会增加，所以理想制动力分配的 I 曲线是向下弯曲的。我们在设计前后制动力分配要满足（前 3 条为欧洲 ECE 强制法规）：

1. 前后制动力分配曲线β线，尽可能贴近 I 曲线，以使得特定附着系数的路面上达到更大的制动强度。
2. 前后制动力分配曲线β线，必须在 I 曲线之下，以使得后轮不会先于前轮抱死。
3. 前后制动力分配曲线β线，必须在βm 线之上，以避免在湿滑路面上过早地达到附着极限。
4. 考虑到地面附着系数φ很少低于 0.2，所以允许后驱电动车β线在 z<0.2 的范围内越过 I 曲线，以使得后驱电动车提升制动回馈效率（下图的红线）。

可以看出，在大部分的制动情况下，前轮与后轮都要有制动力。所以，非四轮驱动的电动汽车很难回收所有能量的。

以上结论都是基于 RBS（Regenerative Brake System）得出的，特点是再生制动与机械制动没有协调控制。

2013 年 Bosch 推出了 ibooster 系统，使得车企可以很容易实现 CRBS(Co-operative Regenerative Braking System)，从而大大提高了可回收的能量比例。

理论上来说，有 CRBS 的四驱车基本上可以实现理想情况：先尽可能地使用再生制动，不足的部分再由机械制动提供。

与四驱车型相比，有 CRBS 的两驱车就需要或多或少打个折，前驱车打折少一些，后驱车打折多一点。

但是，就为了多回收一点能量，电动车你买前驱车心不痛吗？

但实际上，还要考虑很多其它的工程边界条件，还是要做出一定妥协的。就比如说最大充电功率条件： 电机的发电功率上限、电池 SOC 限制、电池温度限制等等。这些限制，存在于混动车中，或纯电车较高 SOC 状态下。

这或多或少还是要打个折。

第 3 层漏斗：能量转换路径

回收能量再次转换为驱动能量，需要经历以下过程：

回收能量→ 传动系统效率 → 电机发电效率 → 电池充电效率 → 存储在电池中的化学能 → 电池放电效率 → 电机驱动效率 → 传动系统效率 → 驱动能量。

举个例子，如果汽车动能为 100%，那实际需要消耗 110%的电池能量；假设能回收的机械能占 50%，受工程条件约束实际回收了 30%，回到电池里就是 27%。

27%不是最终数字，还需要再算两步：

• 最终回收效率： 27%/110% = 24.5%
• 续航里程增加： 1/(1-24.5%) = 33% （等比数列求和问题）

亲历的工程项目

为啥我对上面这些这么熟呢，因为我亲身干过 —— 和 2 位电气 / 线束工程师一起，把近十辆五菱神车改为了纯电动，并通过了 2 万公里的耐久性试验。

2012 年，一段难忘的经历

那是 2012 年，肯定没有博世的 ibooster，所以属于效率较低的 RBS 制动策略。再加上使用的是较温和的 NEDC 循环测试的，所以理论上可以增加 30%续航，实际增加了 8.9%。

现在大部分电动车都有 ibooster 可采用 CRBS 制动策略，测试循环也改为了较为激烈的 CLTC，实际应该可以增加 20%以上的续航。真实的驾驶情况更为激烈，且有上下坡，所以达到 34%也是有可能的^[2]。

小结

再生制动仅回收一部分，主要是由以下三个漏斗导致的：

• 热力学第二定律（100%→50%）： 风阻、摩阻变成了热量，不可回收。越温和的驾驶，回收潜力越少。
• 前后制动力分配及其它工程约束（50%→30%）： CRBS>BRS；四驱>前驱>后驱，但电动车更适合后驱或四驱。
• 能量转换路径的损失(30%→24%)： 优化电机逆变器效率、优化电池充放电效率、优化机械传动效率，可提升。

由此可见，再生制动效率就像内燃机的热效率，虽然绝对数值不高，但提升的空间不大了。