混合动力汽车再生制动对能耗的影响

唐国强+徐磊+周舟+王洪荣+张元建

通常，汽车制动能量通过摩擦的方式转化为热能消耗在环境中，这不仅造成了资源的浪费，同时也加速了汽车制动系统的过早磨损[1]。汽车再生制动是指汽车在滑行或制动时，将制动产生的机械能转化为电能的形式存储到电池中，同时对驱动轮产生制动力[2]。汽车再生制动技术能有效回收制动能量，减小能量损失。考虑到电机的制动能量回收率和制动稳定性两方面因素，当前的混合动力汽车大多采用再生制动与液压制动相结合的再生制动方案，即在原有液压制动的基础上将电机引入制动系统，使再生制动和液压制动系统协同工作[3]。再生制动控制策略对混合动力汽车的性能有很大的影响[4-10]，制动过程中液压制动力与再生制动力的分配策略及再生制动系统能量回收率的最大化成为电动汽车研究的热点。目前再生制动系统的研究大多基于仿真分析，缺乏试验数据支撑，仿真结果的有效性和可靠性难以保证。

因此，本文以某油电混合动力电动汽车为研究对象，通过转鼓试验探究混合动力电动汽车再生制动系统对能耗的影响。结合NEDC循环工况试验数据，分析再生制动对发动机启停的影响，SOC对再生制动回收能量的影响以及再生制动对能耗数据的影响。通过计算单次NEDC循环工况的能量回收率，对比有无再生制动油耗数据，分析再生制动对减少能量消耗的贡献。本文为准确计算再生制动过程混合动力汽车能耗提供参考，为后续开发地面耦合型混合动力汽车的制动能量管理策略以及相关标定奠定了基础。

1 试验方案设计

1.1 试验样车

试验样车为油电混合动力汽车并拥有四驱系统，试验样车结构布置及其主要参数如图1所示。其中，发动机为2.0 L涡轮增压柴油发动机，最大功率为120 kW，最大转矩为300 N·m；发电机最大功率为8.5 kW；配备6挡手自一体变速器。发动机、发电机、变速器布置在前桥，发动机可以单独驱动车辆。电机为永磁同步电机，最大功率为27 kW，最大转矩为200 N·m。

通过对前、后桥离合器的控制，实现纯电模式、发动机直驱模式以及四轮驱动模式。前桥和后桥没有传统传动装置连接，发动机和电机转矩通过地面进行耦合，实现四轮驱动。发电机和发动机输出固定连接，发电机在驱动或制动过程中均可回馈发电，离合器是否结合不会影响发电机发电功能。N挡滑行或制动，前、后桥离合器均断开，电机不进行制动能量回收；由于发电机的功率较小，所以发电机回收的能量较少，再生制动回收能量主要来源于电机。本文描述的有再生制动是指在D挡进行滑行或制动，无再生制动是指在N挡滑行或制动。

1.2 测试方法

试验样车的测试分为两个阶段：准备阶段和四驱底盘测功机测试阶段。准备阶段包括传感器的安装标定、测试信号解析、设备调试、滑行阻力测试等。四驱底盘测功机测试阶段包括滑行阻力设置和循环工况测试，该阶段主要研究整车的性能、动力部件工作特性和控制策略等。同时进行非标准工况的补充试验，进一步验证整车控制策略。

测试过程对电功率流信号（电流、电压及功率等）、机械功率流信号（机械传动部件转速、转矩及功率等）、驾驶员操作信号（踏板开度和驾驶模式等）、底盘测功机、功率分析仪、排放分析仪、CAN总线信号、温度信号（环境温度、部件温度）、工作模式等多种信号进行同步高频采集。采用正交试验设计，通过多评价指标、多次试验、多维试验矩阵，在有限的试验次数下，找到最佳试验方案，保证测试数据的有效性和一致性。

1.3 单次循环工况再生制动回收率计算方法

再生制动系统评价的重要指标为再生制动回收率（Creg），其定义为再生制动回收的能量与汽车再生制动过程中汽车动能变化量的比值。即：

式中：Echg为再生制动系统回收的能量，kWh；Ek为制动起始汽车动能变化量，kWh；α为单位换算系数1/3 600，h/s；ηchg为动力电池的充电效率，本文选取100%；Uchg为回馈工作电机逆变器直流输出端电压瞬时值，V；Ichg为回馈工作电机逆变器直流输出端电流瞬时值，A；t1为回馈工作电机信号检测开始时间；t2是回馈工作电机信号检测结束时间；Mtest为汽车试验质量，kg；V1为制动初始时车速，m/s；V2为制动结束时车速，m/s；k为单位换算系数1/3.6×106。

2 NEDC循环再生制动过程分析

本文通过NEDC循环试验，分析再生制动过程对发动机启停的影响，电池SOC对再生制动回收能量的影响和再生制动对能耗的影响。

2.1 再生制动对发动机启停的影响

发动机的启停与电池SOC有关，有再生制动时，在驱动过程中电池能够释放制动过程吸收的能量，电池SOC更高，AUTO模式整车运行的纯电几率越大，发动机启动时刻推迟。在滑行或制动工况下，发动机更早停机，运行的时间更短，燃油经济性更高。

图3a为90%SOC AUTO模式NEDC循环工况发动机工作点。车辆运行在市区循环工况下，处于滑行或制动前的等速工况时，整车需求功率较小，电机功率满足整车驱动需求，发动机基本均已停机。无再生制动时发动机的启动时刻和停车时刻均提前，如图3b所示。车辆运行在市郊循环工况时，N挡滑行、制动过程中，由于制动驱动模式切换，驾驶员将挡位挂入D挡，发动机有快速启动后停机的过程。有再生制动在市郊循环制动阶段发动机转速随车速的降低而降低，当车速下降至72 km/h时，发动机停机。无再生制动时，发动机转速快速下降至760 r/min，在怠速点转速左右稳定运行一段时间，发动机停机时刻与有再生制动基本相同。

73%SOC AUTO模式NEDC工况试验，有、无再生制动在市区循环工况下发动机的启停时刻基本相同。市郊循环制动过程与90%SOC试验结果一致，如图4所示。

35%SOC AUTO模式NEDC循环工况试验，由于电池SOC较低，所以在整个市区循环工况下，发动机的启停不受有无再生制动的影响，启停时刻基本相同，如图5所示。市郊循环工况，D挡制动，有再生制动时制动过程变速器有逐级减挡的过程，当车速下降至17 km/h左右时，发动机怠速，当车速下降为0时，发动机停机。无再生制动试验，开始制动时发动机迅速下降至怠速点稳定运行，当车速下降至90 km/h时发动机停机，停机时刻明显比有再生制动时提前。

2.2 电池SOC对再生制动回收能量的影响

再生制动过程电池SOC的影响主要由电池充放电控制策略及电池SOC平衡控制策略引起。电池SOC通过影响电池充电功率从而影响再生制动回馈能量，进而影响整车的能耗。

本文对不同电池SOC 在NEDC循环工况下的SOC变化量、油耗、总回收能量进行统计，结果见表1。

90%SOC AUTO模式循环工况试验，驱动过程中更多地使用电池中储存的能量，低速工况下基本以纯电模式运行，所以耗油量只有468.3 ml，油耗最小。在低电池SOC工况下，由于动力电池中电量不足，发动机功率分配给驱动轮驱动车辆，还有一部分功率供给发电机给电池充电，最终达到电池SOC平衡，所以该工况油耗819.9 ml最高，电池SOC变化范围最大。

2.3 再生制动对能耗的影响

为了研究再生制动对能耗的影响，分析相同条件下D挡、N挡制动的NEDC循环工况试验，统计并计算与能耗相关的油耗、总回收能量、制动过程汽车动能变化总和、制动能量回收率等指标，结果见表2。

选取试验车辆电池能够达到最高的90%SOC、停车充电最高的73%SOC以及能够纯电运行最低的35%SOC进行NEDC循环对比试验。D挡、N挡制动发电机均能吸收发动机功率进行能量回收，电池SOC越低发电机回收的能量越高。对比分析相同的电池SOC工况，90%SOC和73%SOC试验N挡制动时，后桥电机不进行制动能量回收，N挡制动比D挡制动油耗高0.24～0.36 L/100 km。

在35%SOC AUTO模式的NEDC循环工况试验中，由于电池SOC较低，汽车在驱动阶段更倾向于只用发动机驱动，电机仅在变速器换挡，动力中断时工作。而在制动和滑行阶段，发动机功率分配给驱动车轮用于制动，另外一部分分配给发电机进行充电。N挡制动试验，发动机不需要提供制动转矩，只需分配功率给发电机充电。此外，发动机在NEDC市区循环工况下的启停时机基本相同，在市郊循环工况下的N挡制动发动机停机时间多于D挡制动，所以D挡制动比N挡制动油耗高

0.52 L/100 km。

对比D、N挡试验数据，在相同挡位工况试验中，电池SOC与油耗变化趋势相反，电池SOC越高，油耗越低。在滑行或制动过程中，再生过程汽车动能变化的总和与标准工况0.66 kWh偏差很小，排除驾驶员的影响，电池SOC最低时，循环工况再生制动回收率最高。

3 结论

（1）作为一款典型的拥有四轮驱动模式地面耦合型柴油油电混合动力电动汽车，有再生制动时，发动机进行反拖制动，整车制动转矩来源于发动机、电机、机械制动转矩。再生制动过程发动机启停控制主要受电池SOC的影响，电池SOC越低，发动机启动时刻越提前，停机时刻越延迟。

（2）整车控制策略更倾向于使用一种动力源，高电池SOC下多用电，低电池SOC下多用油。

（3）再生制动能量回收直接影响电池SOC，单次循环工况初始电池SOC越低，再生制动回收的能量越多，再生制动回收率越高。

（4）相同挡位单次NEDC循环工况试验，电池SOC与油耗变化趋势相反，电池SOC越高，油耗越低。在初始电池SOC低的有再生制动工况下，发动机停机少，运行时间长，节油效果并不明显。