混合動力汽車再生制動對能耗影響的試驗研究

唐國強+徐磊+周舟+王洪榮+張元建

摘 要：基于某地面耦合型油電混合動力汽車，研究再生制動對整車能耗影響，為進一步開發(fā)混合動力汽車的制動能量管理策略奠定基礎(chǔ)。通過新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle ，NEDC）循環(huán)工況再生制動過程分析，研究發(fā)動機啟停控制、電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）對再生制動回收能量的影響，采用單次NEDC循環(huán)工況再生制動能量回收效率來評估再生制動控制策略對整車能量消耗的影響。測試結(jié)果表明，再生制動過程發(fā)動機的啟?？刂浦饕茈姵豐OC的影響，電池SOC越低，發(fā)動機啟動時刻越提前，停機時刻越延遲，再生制動回收的能量越多，單次循環(huán)工況制動能量回收率越高。

關(guān)鍵詞： 混合動力；再生制動；制動能量回收率；控制策略

中圖分類號：U467.1 文獻標識碼：A

Testing Research on the Effect of Regenerative Braking on Energy Consumption of Hybrid Electric Vehicle

The Effect of Regenerative Braking on Energy Consumption of Hybrid Electric Vehicles Research

TANG Guoqiang1， XU Lei1， ZHOU Zhou1， WANG Hongrong1， ZHANG Yuanjian2

TANG Guoqiang1， XU Lei1， ZHOU Zhou1， WANG Hongrong1， OU YangZHANG Yuanjian2

（Vehicle Powertrain Technology R&D Center， China Automotive Engineering Research Institute， Chongqing 401122， China；

2. Jilin University， Changchun City，Jilin Province 130012， China）

Abstract： Based on a certain through the road hybrid vehicle， this paper states some research result about the influence on the energy consumption by braking recycled energy，laying the foundation for the further development of the braking energy management strategy for hybrid electric vehicles. Through the study on the NEDC driving cycle test data， we analyze the effect on the regenerative braking control strategy by engine on/off and battery SOC. This paper also evaluated the effect on the total energy consumption by recycle braking control strategy according to the NEDC data. Study shows that the engine start/stop is influenced by the battery SOC largely， lower SOC value leads to the earlier engine start and larger recycled braking energy. Recycled braking energy can increase energy using efficiency， making contribution to saving energy.Based on a certain through the road hybrid vehicle， this paper states some research result about the influence on the energy consumption by braking recycled energy，In order to lay the foundation for the further development of the braking energy management strategy for hybrid electric vehicles. Through the study on the NEDC driving cycle test data， we analyze the effect on the regenerative braking control strategy by engine on/off and battery SOC. This paper also evaluated the effect on the total energy consumption by recycle braking control strategy according to the NEDC data. Study shows that the engine start/stop is influenced by the battery SOC largely， lower SOC value leads to the earlier engine start and larger recycled braking energy. Recycled braking energy can increase energy using efficiency， making contribution to saving energy.

Key words： hybrid；regenerative braking；braking energy recovery rate；control strategy

通常，汽車制動能量通過摩擦的方式轉(zhuǎn)化為熱能消耗在環(huán)境中，這不僅造成了資源的浪費，同時也加速了汽車制動系統(tǒng)的過早磨損[1]。汽車再生制動是指汽車在滑行或制動時，將制動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能的形式存儲到電池中，同時對驅(qū)動輪產(chǎn)生制動力[2]。汽車再生制動技術(shù)能有效回收制動能量，減小能量損失?？紤]到電機的制動能量回收率和制動穩(wěn)定性兩方面因素，當前的混合動力汽車大都采用再生制動與液壓制動相結(jié)合的再生制動方案，即在原有液壓制動的基礎(chǔ)上將電機引入制動系統(tǒng)，使再生制動和液壓制動系統(tǒng)協(xié)同工作[3]。再生制動控制策略對混合動力汽車的性能有很大的影響[4-10]，制動過程中液壓制動力與再生制動力的分配策略及再生制動系統(tǒng)能量回收率的最大化成為電動汽車研究的熱點。目前再生制動系統(tǒng)的研究大多基于仿真分析，缺乏試驗數(shù)據(jù)支撐，仿真結(jié)果的有效性和可靠性難以保證。

因此，本文以某油電混合動力電動汽車為研究對象，通過根據(jù)轉(zhuǎn)鼓試驗探究混合動力電動汽車再生制動系統(tǒng)對能耗的影響。結(jié)合NEDC循環(huán)工況試驗數(shù)據(jù)，分析再生制動對發(fā)動機啟停的影響，、SOC對再生制動回收能量的影響以及再生制動對能耗數(shù)據(jù)的影響。通過計算單次NEDC循環(huán)工況的能量回收率，對比有無再生制動油耗數(shù)據(jù)，分析再生制動對減少能量消耗的貢獻。本文為準確計算再生制動過程混合動力汽車能耗提供參考，為后續(xù)開發(fā)地面耦合型混合動力汽車的制動能量管理策略以及相關(guān)標定奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試驗樣車

試驗樣車為油電混合動力汽車并擁有四驅(qū)系統(tǒng)，試驗樣車結(jié)構(gòu)布置及其主要參數(shù)如圖1圖1所示。其中，發(fā)動機為2.0 L渦輪增壓柴油發(fā)動機，最大功率為120 kW，，最大轉(zhuǎn)矩為300 N·m；發(fā)電機最大功率為8.5 kW；配備6擋手自一體變速器。發(fā)動機、發(fā)電機、變速器布置在前橋，發(fā)動機可以單獨驅(qū)動車輛。電機為永磁同步電機，最大功率為27 kW，最大轉(zhuǎn)矩為200 N·m。

通過對前、后橋離合器的控制，實現(xiàn)純電模式、發(fā)動機直驅(qū)模式以及四輪驅(qū)動模式。前橋和后橋沒有傳統(tǒng)傳動裝置連接，發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩通過地面進行耦合，實現(xiàn)四輪驅(qū)動。發(fā)電機和發(fā)動機輸出固定連接，發(fā)電機在驅(qū)動或制動過程中均可回饋發(fā)電，離合器是否結(jié)合不會影響發(fā)電機發(fā)電功能。N擋滑行或制動，前、后橋離合器均斷開，電機不進行制動能量回收；由于發(fā)電機的功率較小，所以發(fā)電機回收的能量較少，再生制動回收能量主要來源于電機。本文描述的有再生制動是指在D擋進行滑行或制動，無再生制動是指在N擋滑行或制動。

1.2 測試方法

試驗樣車的測試分為兩個階段：準備階段、和四驅(qū)底盤測功機測試階段兩個階段。準備階段包括傳感器的安裝標定、測試信號解析、設(shè)備調(diào)試、滑行阻力測試等。四驅(qū)底盤測功機測試階段包括滑行阻力設(shè)置和、循環(huán)工況測試，該階段主要研究整車的性能、動力部件工作特性和控制策略等。同時進行非標準工況的補充試驗，進一步驗證整車控制策略。

測試過程對電功率流信號（電流、電壓及功率等）、機械功率流信號（機械傳動部件轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率等）、駕駛員操作信號（踏板開度和駕駛模式等）、底盤測功機、功率分析儀、排放分析儀、CAN總線信號、溫度信號（環(huán)境溫度、部件溫度）、工作模式等多種信號進行同步高頻采集。采用正交試驗設(shè)計，通過多評價指標、多次試驗、多維試驗矩陣，在有限的試驗次數(shù)下，找到最佳試驗方案，保證測試數(shù)據(jù)的有效性和一致性。

1.3 單次循環(huán)工況再生制動回收率計算方法

再生制動系統(tǒng)評價的重要指標為再生制動回收率（Creg），其定義為再生制動回收的能量與汽車再生制動過程中汽車動能變化量的比值。即：

式中：，Echg為再生制動系統(tǒng)回收的能量，kWh；Ek為是制動起始汽車動能變化量，kWh；α為單位換算系數(shù)1/3600，h/s；ηchg為動力電池的充電效率，，本文選取100%；Uchg為回饋工作電機逆變器直流輸出端電壓瞬時值，V；Ichg為是回饋工作電機逆變器直流輸出端電流瞬時值，A；t1為回饋工作電機信號檢測開始時間；t2是回饋工作電機信號檢測結(jié)束時間；Mtest為汽車試驗質(zhì)量，kg單位；V1為制動初始時車速，m/s；；V2為是制動結(jié)束時車速，m/s；k為單位換算系數(shù)1/3.6×106。

2 NEDC循環(huán)再生制動過程分析

本文通過NEDC循環(huán)試驗，分析再生制動過程對發(fā)動機啟停的影響、電池SOC對再生制動回收能量的影響和再生再生制動對能耗的影響。

2.1 再生制動對發(fā)動機啟停的影響

發(fā)動機的啟停與電池SOC有關(guān)，有再生制動時，在驅(qū)動過程中電池能夠釋放制動過程吸收的能量，電池SOC更高，AUTO模式整車運行的在純電幾率越大，發(fā)動機啟動時刻推遲。在滑行或制動工況下，發(fā)動機更早停機，運行的時間更短，燃油經(jīng)濟性更高。

圖3（a）為90%SOC AUTO模式NEDC循環(huán)工況發(fā)動機工作點試驗。車輛運行在市區(qū)循環(huán)工況處于滑行或制動前的等速工況時，整車需求功率較小，電機功率滿足整車驅(qū)動需求，發(fā)動機基本均已停機。無再生制動時發(fā)動機的啟動時刻和停車時刻均提前，如圖3（b）所示。車輛運行在市郊循環(huán)工況時，N擋滑行、制動過程中，由于制動驅(qū)動模式切換，駕駛員將擋位掛入D擋，發(fā)動機有快速啟動后停機的過程。有再生制動在市郊循環(huán)制動階段發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨車速的降低而降低，當車速下降至72 km/h時，發(fā)動機停機。無再生制動時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速快速下降至760 r/min，在怠速點轉(zhuǎn)速左右穩(wěn)定運行一段時間，發(fā)動機停機時刻與有再生制動基本相同。

73%SOC AUTO模式NEDC工況試驗，有、無再生制動在市區(qū)循環(huán)工況發(fā)動機的啟停時刻基本相同。市郊循環(huán)制動過程與90%SOC試驗結(jié)果一致，如圖4所示。

圖5為35%SOC AUTO模式NEDC循環(huán)工況的試驗，由于電池SOC較低，所以在整個市區(qū)循環(huán)工況，發(fā)動機的啟停不受有無再生制動的影響，啟停時刻基本相同。市郊循環(huán)工況，D擋制動，有再生制動時制動過程變速器有逐級減擋的過程，當車速下降至17 km/h左右時，發(fā)動機怠速，當車速下降為0時，發(fā)動機停機。無再生制動試驗，開始制動時發(fā)動機迅速下降至怠速點穩(wěn)定運行，當車速下降至90 km/h時發(fā)動機停機，停機時刻明顯比有再生制動時提前。

2.2 電池SOC對再生制動回收能量的影響

再生制動過程電池SOC的影響主要由電池充放電控制策略和及電池SOC平衡控制策略引起。電池SOC通過影響電池充電功率從而影響再生制動回饋能量，進而影響整車的能耗。

本文對不同電池SOC 在的NEDC循環(huán)工況下的SOC變化量、油耗、總回收能量進行統(tǒng)計，結(jié)果見如表1所示。

90%SOC AUTO模式循環(huán)工況試驗，驅(qū)動過程中更多的使用電池中儲存的能量，低速工況下基本以純電模式運行，所以耗油量只有468.3 ml，油耗最小。在低電池SOC工況下，由于動力電池中電量不足，發(fā)動機功率分配給驅(qū)動車輪驅(qū)動車輛以及一部分功率供給發(fā)電機給電池充電，最終達到電池SOC平衡，所以該工況油耗819.9 ml最高，電池SOC變化范圍最大。

2.3 再生制動對能耗的影響

為了研究再生制動對能耗的影響，分析相同條件下的D擋、N擋制動的NEDC循環(huán)工況的試驗，統(tǒng)計并計算與能耗相關(guān)的油耗、總回收能量、制動過程汽車動能變化總和、制動能量回收率等指標，結(jié)果見如表2所示。

初始SOC/% 制動擋位 油耗/ml Echg總回收能量寫出量符號/kWh Ek再生制動過程汽車

動能變化總和寫出量符號/kWh Creg 循環(huán)工況再生制動

選取試驗車輛電池能夠達到最高的90%SOC、停車充電最高的73%SOC以及能夠純電運行最低的35%SOC進行NEDC循環(huán)對比試驗。D擋、N擋制動發(fā)電機均能吸收發(fā)動機功率進行回收能量，電池SOC越低發(fā)電機回收的能量越高。對比分析相同的電池SOC工況，90%SOC和73%SOC試驗N擋制動時，后橋電機不進行制動能量回收，N擋制動比D擋制動油耗高0.24 L ～-0.36 L/（100km）。

在35%SOC AUTO模式的NEDC循環(huán)工況試驗中，由于電池SOC較低，汽車在驅(qū)動階段更傾向于只用發(fā)動機驅(qū)動，電機僅在變速器換擋，動力中斷時工作。而在制動和滑行階段，發(fā)動機功率分配給驅(qū)動車輪用于制動，另外一部分分配給發(fā)電機進行充電。N擋制動試驗，發(fā)動機不需要提供制動轉(zhuǎn)矩，只需分配功率給發(fā)電機充電。另外，發(fā)動機在NEDC市區(qū)循環(huán)工況啟停時機基本相同，在市郊循環(huán)工況N擋制動發(fā)動機停機時？間多于D擋制動（請確認），所以有D擋制動比N擋制動油耗高0.52 L/100 km。

對比D、N擋試驗數(shù)據(jù)，在相同擋位工況試驗中，電池SOC與油耗變化趨勢相反，電池SOC越高，油耗越低。在滑行或制動過程中，再生過程汽車變化的總和與標準工況0.66 kWh偏差很小，，排除駕駛員的影響，電池SOC最低時，循環(huán)工況再生制動回收率最高。

3 結(jié)論

（1）.作為一款典型的擁有四輪驅(qū)動模式地面耦合型柴油油電混合動力電動汽車，有再生制動時，發(fā)動機進行反拖制動，整車制動轉(zhuǎn)矩來源于發(fā)動機、電機、機械制動轉(zhuǎn)矩。再生制動過程發(fā)動機啟停控制主要受電池SOC的影響，電池SOC越低，發(fā)動機啟動時刻越提前，停機時刻越延遲。

（2）.整車控制策略更傾向于使用一種動力源，高電池SOC下多用電，低電池SOC下多用油。

（3）.再生制動能量回收直接影響電池SOC，單次循環(huán)工況初始電池SOC越低，再生制動回收的能量越多，再生制動回收率越高。

（4）.相同擋位單次NEDC循環(huán)工況試驗，電池SOC與油耗變化趨勢相反，電池SOC越高，油耗越低。初始電池SOC低的有再生制動工況，發(fā)動機停機少，運行時間長，節(jié)油效果并不明顯。

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作者簡介：

責任作者：唐國強（1987-），， 男，， 重慶人。， 助理工程師，，學(xué)士，主要研究方向為新能源汽車測試評價。

Tel：15178880323

E-mail：185405348@qq.com

通訊作者：徐磊（1986-），， 男，， 重慶人，。 工程師，學(xué)士，主要研究方向為新能源汽車測試評價。

Tel：18623509871

E-mail：215383261@qq.com