混合動力汽車再生制動對能耗的影響

唐國強+徐磊+周舟+王洪榮+張元建

通常，汽車制動能量通過摩擦的方式轉化為熱能消耗在環境中，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，將制動產生的機械能轉化為電能的形式存儲到電池中，同時對驅動輪產生制動力[2]。汽車再生制動技術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定性兩方面因素，當前的混合動力汽車大多采用再生制動與液壓制動相結合的再生制動方案，即在原有液壓制動的基礎上將電機引入制動系統，使再生制動和液壓制動系統協同工作[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。目前再生制動系統的研究大多基于仿真分析，缺乏試驗數據支撐，仿真結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，通過轉鼓試驗探究混合動力電動汽車再生制動系統對能耗的影響。結合NEDC循環工況試驗數據，分析再生制動對發動機啟停的影響，SOC對再生制動回收能量的影響以及再生制動對能耗數據的影響。通過計算單次NEDC循環工況的能量回收率，對比有無再生制動油耗數據，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，為后續開發地面耦合型混合動力汽車的制動能量管理策略以及相關標定奠定了基礎。

1 試驗方案設計

1.1 試驗樣車

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

通過對前、后橋離合器的控制，實現純電模式、發動機直驅模式以及四輪驅動模式。前橋和后橋沒有傳統傳動裝置連接，發動機和電機轉矩通過地面進行耦合，實現四輪驅動。發電機和發動機輸出固定連接，發電機在驅動或制動過程中均可回饋發電，離合器是否結合不會影響發電機發電功能。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；由于發電機的功率較小，所以發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：準備階段和四驅底盤測功機測試階段。準備階段包括傳感器的安裝標定、測試信號解析、設備調試、滑行阻力測試等。四驅底盤測功機測試階段包括滑行阻力設置和循環工況測試，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（機械傳動部件轉速、轉矩及功率等）、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，在有限的試驗次數下，找到最佳試驗方案，保證測試數據的有效性和一致性。

1.3 單次循環工況再生制動回收率計算方法

再生制動系統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為再生制動系統回收的能量，kWh；Ek為制動起始汽車動能變化量，kWh；α為單位換算系數1/3 600，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束時間；Mtest為汽車試驗質量，kg；V1為制動初始時車速，m/s；V2為制動結束時車速，m/s；k為單位換算系數1/3.6×106。

2 NEDC循環再生制動過程分析

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

2.1 再生制動對發動機啟停的影響

發動機的啟停與電池SOC有關，有再生制動時，在驅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模式整車運行的純電幾率越大，發動機啟動時刻推遲。在滑行或制動工況下，發動機更早停機，運行的時間更短，燃油經濟性更高。

圖3a為90%SOC AUTO模式NEDC循環工況發動機工作點。車輛運行在市區循環工況下，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動需求，發動機基本均已停機。無再生制動時發動機的啟動時刻和停車時刻均提前，如圖3b所示。車輛運行在市郊循環工況時，N擋滑行、制動過程中，由于制動驅動模式切換，駕駛員將擋位掛入D擋，發動機有快速啟動后停機的過程。有再生制動在市郊循環制動階段發動機轉速隨車速的降低而降低，當車速下降至72 km/h時，發動機停機。無再生制動時，發動機轉速快速下降至760 r/min，在怠速點轉速左右穩定運行一段時間，發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、無再生制動在市區循環工況下發動機的啟停時刻基本相同。市郊循環制動過程與90%SOC試驗結果一致，如圖4所示。

35%SOC AUTO模式NEDC循環工況試驗，由于電池SOC較低，所以在整個市區循環工況下，發動機的啟停不受有無再生制動的影響，啟停時刻基本相同，如圖5所示。市郊循環工況，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，發動機怠速，當車速下降為0時，發動機停機。無再生制動試驗，開始制動時發動機迅速下降至怠速點穩定運行，當車速下降至90 km/h時發動機停機，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NEDC循環工況下的SOC變化量、油耗、總回收能量進行統計，結果見表1。

90%SOC AUTO模式循環工況試驗，驅動過程中更多地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，發動機功率分配給驅動輪驅動車輛，還有一部分功率供給發電機給電池充電，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D擋、N擋制動的NEDC循環工況試驗，統計并計算與能耗相關的油耗、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，結果見表2。

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循環對比試驗。D擋、N擋制動發電機均能吸收發動機功率進行能量回收，電池SOC越低發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0.24～0.36 L/100 km。

在35%SOC AUTO模式的NEDC循環工況試驗中，由于電池SOC較低，汽車在驅動階段更傾向于只用發動機驅動，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，發動機功率分配給驅動車輪用于制動，另外一部分分配給發電機進行充電。N擋制動試驗，發動機不需要提供制動轉矩，只需分配功率給發電機充電。此外，發動機在NEDC市區循環工況下的啟停時機基本相同，在市郊循環工況下的N擋制動發動機停機時間多于D擋制動，所以D擋制動比N擋制動油耗高

0.52 L/100 km。

對比D、N擋試驗數據，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，再生過程汽車動能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，循環工況再生制動回收率最高。

3 結論

（1）作為一款典型的擁有四輪驅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，發動機進行反拖制動，整車制動轉矩來源于發動機、電機、機械制動轉矩。再生制動過程發動機啟?？刂浦饕茈姵豐OC的影響，電池SOC越低，發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。在初始電池SOC低的有再生制動工況下，發動機停機少，運行時間長，節油效果并不明顯。