混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)對能耗影響的試驗(yàn)研究

唐國強(qiáng)+徐磊+周舟+王洪榮+張?jiān)?/p>

摘 要：基于某地面耦合型油電混合動(dòng)力汽車，研究再生制動(dòng)對整車能耗影響，為進(jìn)一步開發(fā)混合動(dòng)力汽車的制動(dòng)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(dòng)過程分析，研究發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂啤㈦姵睾呻姞顟B(tài)（State of Charge，SOC）對再生制動(dòng)回收能量的影響，采用單次NEDC循環(huán)工況再生制動(dòng)能量回收效率來評估再生制動(dòng)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(dòng)過程發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停控制主要受電池SOC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，再生制動(dòng)回收的能量越多，單次循環(huán)工況制動(dòng)能量回收率越高。

關(guān)鍵詞： 混合動(dòng)力；再生制動(dòng)；制動(dòng)能量回收率；控制策略

中圖分類號：U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(dòng)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(fèi)，同時(shí)也加速了汽車制動(dòng)系統(tǒng)的過早磨損[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)力汽車大都采用再生制動(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)控制策略對混合動(dòng)力汽車的性能有很大的影響[4-10]，制動(dòng)過程中液壓制動(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)汽車為研究對象，通過根據(jù)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)對發(fā)動(dòng)機(jī)啟停的影響，、SOC對再生制動(dòng)回收能量的影響以及再生制動(dòng)對能耗數(shù)據(jù)的影響。通過計(jì)算單次NEDC循環(huán)工況的能量回收率，對比有無再生制動(dòng)油耗數(shù)據(jù)，分析再生制動(dòng)對減少能量消耗的貢獻(xiàn)。本文為準(zhǔn)確計(jì)算再生制動(dòng)過程混合動(dòng)力汽車能耗提供參考，為后續(xù)開發(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。

通過對前、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，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)，無再生制動(dòng)是指在N擋滑行或制動(dòng)。

1.2 測試方法

試驗(yàn)樣車的測試分為兩個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、和四驅(qū)底盤測功機(jī)測試階段兩個(gè)階段。準(zhǔn)備階段包括傳感器的安裝標(biāo)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(jī)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(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。

測試過程對電功率流信號（電流、電壓及功率等）、機(jī)械功率流信號（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（踏板開度和駕駛模式等）、底盤測功機(jī)、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(jìn)行同步高頻采集。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過多評價(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為是制動(dòng)起始汽車動(dòng)能變化量，kWh；α為單位換算系數(shù)1/3600，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為是回饋工作電機(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)信號檢測開始時(shí)間；t2是回饋工作電機(jī)信號檢測結(jié)束時(shí)間；Mtest為汽車試驗(yàn)質(zhì)量，kg單位；V1為制動(dòng)初始時(shí)車速，m/s；；V2為是制動(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)過程分析

本文通過NEDC循環(huán)試驗(yàn)，分析再生制動(dòng)過程對發(fā)動(dòng)機(jī)啟停的影響、電池SOC對再生制動(dòng)回收能量的影響和再生再生制動(dòng)對能耗的影響。

2.1 再生制動(dòng)對發(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)過程中電池能夠釋放制動(dòng)過程吸收的能量，電池SOC更高，AUTO模式整車運(yùn)行的在純電幾率越大，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3（a）為90%SOC AUTO模式NEDC循環(huán)工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)試驗(yàn)。車輛運(yùn)行在市區(qū)循環(huán)工況處于滑行或制動(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3（b）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、無再生制動(dòng)在市區(qū)循環(huán)工況發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停時(shí)刻基本相同。市郊循環(huán)制動(dòng)過程與90%SOC試驗(yàn)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(yàn)，由于電池SOC較低，所以在整個(gè)市區(qū)循環(huán)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停不受有無再生制動(dòng)的影響，啟停時(shí)刻基本相同。市郊循環(huán)工況，D擋制動(dòng)，有再生制動(dòng)時(shí)制動(dòng)過程變速器有逐級減擋的過程，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)。無再生制動(dòng)試驗(yàn)，開始制動(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對再生制動(dòng)回收能量的影響

再生制動(dòng)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(dòng)回饋能量，進(jìn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見如表1所示。

90%SOC AUTO模式循環(huán)工況試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)過程中更多的使用電池中儲(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)車輪驅(qū)動(dòng)車輛以及一部分功率供給發(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)對能耗的影響

為了研究再生制動(dòng)對能耗的影響，分析相同條件下的D擋、N擋制動(dòng)的NEDC循環(huán)工況的試驗(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)果見如表2所示。

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

動(dòng)能變化總和寫出量符號/kWh Creg 循環(huán)工況再生制動(dòng)

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)行回收能量，電池SOC越低發(fā)電機(jī)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(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 L ～-0.36 L/（100km）。

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。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在NEDC市區(qū)循環(huán)工況啟停時(shí)機(jī)基本相同，在市郊循環(huán)工況N擋制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)？間多于D擋制動(dòng)（請確認(rèn)），所以有D擋制動(dòng)比N擋制動(dòng)油耗高0.52 L/100 km。

對比D、N擋試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在相同擋位工況試驗(yàn)中，電池SOC與油耗變化趨勢相反，電池SOC越高，油耗越低。在滑行或制動(dòng)過程中，再生過程汽車變化的總和與標(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與油耗變化趨勢相反，電池SOC越高，油耗越低。初始電池SOC低的有再生制動(dòng)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)少，運(yùn)行時(shí)間長，節(jié)油效果并不明顯。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 黃璇，，張樹培，，王國林. 再生制動(dòng)系統(tǒng)道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2014（05）： 138-141.

HUANG Xuan， ZHANG Shupei， WANG Guolin. Analysis on Road Test Data of Regenerative Braking System Road Test Data Analysis [J]. Mechanical Design and Manufacturing， 2014 （05）： 138-141. （in Chinese）

[2] 王雪. 混合動(dòng)力再生制動(dòng)能量回收控制策略的研究 [D].吉林大學(xué)， 2014.

WANG Xue. Research of Hybrid Regenerative Braking Energy Recovery Control Strategy Research [D]. Jilin University， 2014. （in Chinese）

[3] 張智明. 四驅(qū)混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)性能研究 [D]. 華南理工大學(xué)， 2009.

ZHANG Zhiming. Research of Four-Wheel Drive Hybrid Vehicle Regenerative Braking Properties of [D]. South China University of Technology， 2009. （in Chinese）

[4] 盤朝奉， 張秀麗， 陳燎，，等. 純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)能耗特性 [J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（：自然科學(xué)版）， 2015（6）： 20-25.

PAN Chaofeng， ZHANG Xiuli， CHEN Liao， et al. Consumption Characteristics of a Pure Electric Vehicle Regenerative Braking System Energy Consumption Characteristics [J]. Henan Journal of University of Science and Technology ：（ Natural Science Edition）， ， to 2015 （6）： 20-25. （in Chinese）

[5] 常安. 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車再生制動(dòng)能量回收的仿真與分析[D]. 長安大學(xué)， 2014.

CHANG An. Simulation and Analysis of Regenerative Braking Energy Recovery of Hybrid Electric Vehicle [D]. Changan University， 2014.

[6] JEHLIK F， Rask E， MAGAND S， et al. Fuel Consumption Effects of a Diesel Hybrid Electric Vehicle Across a Range of Driving Styles and Ambient Conditions [C]// Transportation Electrification Conference and Explore. IEEE，. [U.S.]： [s.n.]， 2015.

[7] KIM N， DUOBA M， KIM N， et al. Validating Volt PHEV Model with Dynamometer Test Data Using Autonomie [J]. SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems， 2013， 6（2）： 985-992.

[8] WALSH P M， KING J， GANTT L R， et al. An Extended-Range Electric Vehicle Control Strategy for Reducing Petroleum Energy Use and Well-to-Wheel Greenhouse Gas Emissions [C]// SAE 2011 World Congress & Exhibition . [U.S.]： [s.n.]， 2011.

[9] BOYALI A， DEMIRCI M， ACARMAN T， et al. Modeling and Control of a Four Wheel Drive Parallel Hybrid Electric Vehicle[C]// Computer Aided Control System Design， 2006 IEEE International Conference on Control Applications， 2006 IEEE International Symposium on Intelligent Control. [U.S.]： [s.n.]， 2006：155 - 162.

[10] BOVEE K， HYDE A， MIDLAM -Mohler S， et al. Design of a Parallel-Series PHEV for the EcoCAR 2 Competition [J]. SAE International Journal of Fuels & Lubricants， 2012， 5（3）：1317-1344.

作者簡介：

責(zé)任作者：唐國強(qiáng)（1987-），， 男，， 重慶人。， 助理工程師，，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樾履茉雌嚋y試評價(jià)。

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?yàn)樾履茉雌嚋y試評價(jià)。

Tel：18623509871

E-mail：215383261@qq.com