混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)對(duì)能耗的影響

唐國(guó)強(qiáng)+徐磊+周舟+王洪榮+張?jiān)?/p>

通常，汽車制動(dòng)能量通過(guò)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(fèi)，同時(shí)也加速了汽車制動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)早磨損[1]。汽車再生制動(dòng)是指汽車在滑行或制動(dòng)時(shí)，將制動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的形式存儲(chǔ)到電池中，同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生制動(dòng)力[2]。汽車再生制動(dòng)技術(shù)能有效回收制動(dòng)能量，減小能量損失?？紤]到電機(jī)的制動(dòng)能量回收率和制動(dòng)穩(wěn)定性兩方面因素，當(dāng)前的混合動(dòng)力汽車大多采用再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)相結(jié)合的再生制動(dòng)方案，即在原有液壓制動(dòng)的基礎(chǔ)上將電機(jī)引入制動(dòng)系統(tǒng)，使再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同工作[3]。再生制動(dòng)控制策略對(duì)混合動(dòng)力汽車的性能有很大的影響[4-10]，制動(dòng)過(guò)程中液壓制動(dòng)力與再生制動(dòng)力的分配策略及再生制動(dòng)系統(tǒng)能量回收率的最大化成為電動(dòng)汽車研究的熱點(diǎn)。目前再生制動(dòng)系統(tǒng)的研究大多基于仿真分析，缺乏試驗(yàn)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(dòng)力電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，通過(guò)轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)探究混合動(dòng)力電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)能耗的影響。結(jié)合NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析再生制動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停的影響，SOC對(duì)再生制動(dòng)回收能量的影響以及再生制動(dòng)對(duì)能耗數(shù)據(jù)的影響。通過(guò)計(jì)算單次NEDC循環(huán)工況的能量回收率，對(duì)比有無(wú)再生制動(dòng)油耗數(shù)據(jù)，分析再生制動(dòng)對(duì)減少能量消耗的貢獻(xiàn)。本文為準(zhǔn)確計(jì)算再生制動(dòng)過(guò)程混合動(dòng)力汽車能耗提供參考，為后續(xù)開(kāi)發(fā)地面耦合型混合動(dòng)力汽車的制動(dòng)能量管理策略以及相關(guān)標(biāo)定奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)樣車

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

通過(guò)對(duì)前、后橋離合器的控制，實(shí)現(xiàn)純電模式、發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式以及四輪驅(qū)動(dòng)模式。前橋和后橋沒(méi)有傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置連接，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)地面進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)。發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出固定連接，發(fā)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中均可回饋發(fā)電，離合器是否結(jié)合不會(huì)影響發(fā)電機(jī)發(fā)電功能。N擋滑行或制動(dòng)，前、后橋離合器均斷開(kāi)，電機(jī)不進(jìn)行制動(dòng)能量回收；由于發(fā)電機(jī)的功率較小，所以發(fā)電機(jī)回收的能量較少，再生制動(dòng)回收能量主要來(lái)源于電機(jī)。本文描述的有再生制動(dòng)是指在D擋進(jìn)行滑行或制動(dòng)，無(wú)再生制動(dòng)是指在N擋滑行或制動(dòng)。

1.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)樣車的測(cè)試分為兩個(gè)階段：準(zhǔn)備階段和四驅(qū)底盤(pán)測(cè)功機(jī)測(cè)試階段。準(zhǔn)備階段包括傳感器的安裝標(biāo)定、測(cè)試信號(hào)解析、設(shè)備調(diào)試、滑行阻力測(cè)試等。四驅(qū)底盤(pán)測(cè)功機(jī)測(cè)試階段包括滑行阻力設(shè)置和循環(huán)工況測(cè)試，該階段主要研究整車的性能、動(dòng)力部件工作特性和控制策略等。同時(shí)進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)工況的補(bǔ)充試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證整車控制策略。

測(cè)試過(guò)程對(duì)電功率流信號(hào)（電流、電壓及功率等）、機(jī)械功率流信號(hào)（機(jī)械傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率等）、駕駛員操作信號(hào)（踏板開(kāi)度和駕駛模式等）、底盤(pán)測(cè)功機(jī)、功率分析儀、排放分析儀、CAN總線信號(hào)、溫度信號(hào)（環(huán)境溫度、部件溫度）、工作模式等多種信號(hào)進(jìn)行同步高頻采集。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)多評(píng)價(jià)指標(biāo)、多次試驗(yàn)、多維試驗(yàn)矩陣，在有限的試驗(yàn)次數(shù)下，找到最佳試驗(yàn)方案，保證測(cè)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(dòng)回收率計(jì)算方法

再生制動(dòng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)為再生制動(dòng)回收率（Creg），其定義為再生制動(dòng)回收的能量與汽車再生制動(dòng)過(guò)程中汽車動(dòng)能變化量的比值。即：

式中：Echg為再生制動(dòng)系統(tǒng)回收的能量，kWh；Ek為制動(dòng)起始汽車動(dòng)能變化量，kWh；α為單位換算系數(shù)1/3 600，h/s；ηchg為動(dòng)力電池的充電效率，本文選取100%；Uchg為回饋工作電機(jī)逆變器直流輸出端電壓瞬時(shí)值，V；Ichg為回饋工作電機(jī)逆變器直流輸出端電流瞬時(shí)值，A；t1為回饋工作電機(jī)信號(hào)檢測(cè)開(kāi)始時(shí)間；t2是回饋工作電機(jī)信號(hào)檢測(cè)結(jié)束時(shí)間；Mtest為汽車試驗(yàn)質(zhì)量，kg；V1為制動(dòng)初始時(shí)車速，m/s；V2為制動(dòng)結(jié)束時(shí)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(dòng)過(guò)程分析

本文通過(guò)NEDC循環(huán)試驗(yàn)，分析再生制動(dòng)過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停的影響，電池SOC對(duì)再生制動(dòng)回收能量的影響和再生制動(dòng)對(duì)能耗的影響。

2.1 再生制動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停與電池SOC有關(guān)，有再生制動(dòng)時(shí)，在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中電池能夠釋放制動(dòng)過(guò)程吸收的能量，電池SOC更高，AUTO模式整車運(yùn)行的純電幾率越大，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻推遲。在滑行或制動(dòng)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)更早停機(jī)，運(yùn)行的時(shí)間更短，燃油經(jīng)濟(jì)性更高。

圖3a為90%SOC AUTO模式NEDC循環(huán)工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)。車輛運(yùn)行在市區(qū)循環(huán)工況下，處于滑行或制動(dòng)前的等速工況時(shí)，整車需求功率較小，電機(jī)功率滿足整車驅(qū)動(dòng)需求，發(fā)動(dòng)機(jī)基本均已停機(jī)。無(wú)再生制動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)刻和停車時(shí)刻均提前，如圖3b所示。車輛運(yùn)行在市郊循環(huán)工況時(shí)，N擋滑行、制動(dòng)過(guò)程中，由于制動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換，駕駛員將擋位掛入D擋，發(fā)動(dòng)機(jī)有快速啟動(dòng)后停機(jī)的過(guò)程。有再生制動(dòng)在市郊循環(huán)制動(dòng)階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨車速的降低而降低，當(dāng)車速下降至72 km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。無(wú)再生制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降至760 r/min，在怠速點(diǎn)轉(zhuǎn)速左右穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)刻與有再生制動(dòng)基本相同。

73%SOC AUTO模式NEDC工況試驗(yàn)，有、無(wú)再生制動(dòng)在市區(qū)循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停時(shí)刻基本相同。市郊循環(huán)制動(dòng)過(guò)程與90%SOC試驗(yàn)結(jié)果一致，如圖4所示。

35%SOC AUTO模式NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)，由于電池SOC較低，所以在整個(gè)市區(qū)循環(huán)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停不受有無(wú)再生制動(dòng)的影響，啟停時(shí)刻基本相同，如圖5所示。市郊循環(huán)工況，D擋制動(dòng)，有再生制動(dòng)時(shí)制動(dòng)過(guò)程變速器有逐級(jí)減擋的過(guò)程，當(dāng)車速下降至17 km/h左右時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，當(dāng)車速下降為0時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。無(wú)再生制動(dòng)試驗(yàn)，開(kāi)始制動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)迅速下降至怠速點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)車速下降至90 km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，停機(jī)時(shí)刻明顯比有再生制動(dòng)時(shí)提前。

2.2 電池SOC對(duì)再生制動(dòng)回收能量的影響

再生制動(dòng)過(guò)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(guò)影響電池充電功率從而影響再生制動(dòng)回饋能量，進(jìn)而影響整車的能耗。

本文對(duì)不同電池SOC 在NEDC循環(huán)工況下的SOC變化量、油耗、總回收能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

90%SOC AUTO模式循環(huán)工況試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)過(guò)程中更多地使用電池中儲(chǔ)存的能量，低速工況下基本以純電模式運(yùn)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(dòng)力電池中電量不足，發(fā)動(dòng)機(jī)功率分配給驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)車輛，還有一部分功率供給發(fā)電機(jī)給電池充電，最終達(dá)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(dòng)對(duì)能耗的影響

為了研究再生制動(dòng)對(duì)能耗的影響，分析相同條件下D擋、N擋制動(dòng)的NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算與能耗相關(guān)的油耗、總回收能量、制動(dòng)過(guò)程汽車動(dòng)能變化總和、制動(dòng)能量回收率等指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表2。

選取試驗(yàn)車輛電池能夠達(dá)到最高的90%SOC、停車充電最高的73%SOC以及能夠純電運(yùn)行最低的35%SOC進(jìn)行NEDC循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)。D擋、N擋制動(dòng)發(fā)電機(jī)均能吸收發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行能量回收，電池SOC越低發(fā)電機(jī)回收的能量越高。對(duì)比分析相同的電池SOC工況，90%SOC和73%SOC試驗(yàn)N擋制動(dòng)時(shí)，后橋電機(jī)不進(jìn)行制動(dòng)能量回收，N擋制動(dòng)比D擋制動(dòng)油耗高0.24～0.36 L/100 km。

在35%SOC AUTO模式的NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)中，由于電池SOC較低，汽車在驅(qū)動(dòng)階段更傾向于只用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)僅在變速器換擋，動(dòng)力中斷時(shí)工作。而在制動(dòng)和滑行階段，發(fā)動(dòng)機(jī)功率分配給驅(qū)動(dòng)車輪用于制動(dòng)，另外一部分分配給發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電。N擋制動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，只需分配功率給發(fā)電機(jī)充電。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)在NEDC市區(qū)循環(huán)工況下的啟停時(shí)機(jī)基本相同，在市郊循環(huán)工況下的N擋制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間多于D擋制動(dòng)，所以D擋制動(dòng)比N擋制動(dòng)油耗高

0.52 L/100 km。

對(duì)比D、N擋試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在相同擋位工況試驗(yàn)中，電池SOC與油耗變化趨勢(shì)相反，電池SOC越高，油耗越低。在滑行或制動(dòng)過(guò)程中，再生過(guò)程汽車動(dòng)能變化的總和與標(biāo)準(zhǔn)工況0.66 kWh偏差很小，排除駕駛員的影響，電池SOC最低時(shí)，循環(huán)工況再生制動(dòng)回收率最高。

3 結(jié)論

（1）作為一款典型的擁有四輪驅(qū)動(dòng)模式地面耦合型柴油油電混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，有再生制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行反拖制動(dòng)，整車制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。再生制動(dòng)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂浦饕茈姵豐OC的影響，電池SOC越低，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻越提前，停機(jī)時(shí)刻越延遲。

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

（3）再生制動(dòng)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(dòng)回收的能量越多，再生制動(dòng)回收率越高。

（4）相同擋位單次NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)，電池SOC與油耗變化趨勢(shì)相反，電池SOC越高，油耗越低。在初始電池SOC低的有再生制動(dòng)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)少，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，節(jié)油效果并不明顯。