唐國強(qiáng)+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(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(jī)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(jī)的制動能量回收率和制動穩(wěn)定性兩方面因素，當(dāng)前的混合動力汽車大多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(jī)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(jī)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(xiàn)。本文為準(zhǔn)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(biāo)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所示。其中，發(fā)動機(jī)為2.0 L渦輪增壓柴油發(fā)動機(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)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、變速器布置在前橋，發(fā)動機(jī)可以單獨驅(qū)動車輛。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，實現(xiàn)純電模式、發(fā)動機(jī)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(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩通過地面進(jìn)行耦合，實現(xiàn)四輪驅(qū)動。發(fā)電機(jī)和發(fā)動機(jī)輸出固定連接，發(fā)電機(jī)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(jī)發(fā)電功能。N擋滑行或制動，前、后橋離合器均斷開，電機(jī)不進(jìn)行制動能量回收；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，再生制動回收能量主要來源于電機(jī)。本文描述的有再生制動是指在D擋進(jìn)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(zhǔn)備階段和四驅(qū)底盤測功機(jī)測試階段。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、動力部件工作特性和控制策略等。同時進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)工況的補(bǔ)充試驗，進(jìn)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(jī)械功率流信號（機(jī)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(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。采用正交試驗設(shè)計，通過多評價指標(biāo)、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(biāo)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為制動起始汽車動能變化量，kWh；α為單位換算系數(shù)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(jī)逆變器直流輸出端電壓瞬時值，V；Ichg為回饋工作電機(jī)逆變器直流輸出端電流瞬時值，A；t1為回饋工作電機(jī)信號檢測開始時間；t2是回饋工作電機(jī)信號檢測結(jié)束時間；Mtest為汽車試驗質(zhì)量，kg；V1為制動初始時車速，m/s；V2為制動結(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(jī)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(fā)動機(jī)啟停的影響

發(fā)動機(jī)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模式整車運行的純電幾率越大，發(fā)動機(jī)啟動時刻推遲。在滑行或制動工況下，發(fā)動機(jī)更早停機(jī)，運行的時間更短，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)動機(jī)工作點。車輛運行在市區(qū)循環(huán)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(jī)功率滿足整車驅(qū)動需求，發(fā)動機(jī)基本均已停機(jī)。無再生制動時發(fā)動機(jī)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(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(jī)有快速啟動后停機(jī)的過程。有再生制動在市郊循環(huán)制動階段發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨車速的降低而降低，當(dāng)車速下降至72 km/h時，發(fā)動機(jī)停機(jī)。無再生制動時，發(fā)動機(jī)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(jī)停機(jī)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)工況下發(fā)動機(jī)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。

35%SOC AUTO模式NEDC循環(huán)工況試驗，由于電池SOC較低，所以在整個市區(qū)循環(huán)工況下，發(fā)動機(jī)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(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(dāng)車速下降至17 km/h左右時，發(fā)動機(jī)怠速，當(dāng)車速下降為0時，發(fā)動機(jī)停機(jī)。無再生制動試驗，開始制動時發(fā)動機(jī)迅速下降至怠速點穩(wěn)定運行，當(dāng)車速下降至90 km/h時發(fā)動機(jī)停機(jī)，停機(jī)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(jìn)而影響整車的能耗。

本文對不同電池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，結(jié)果見表1。

90%SOC AUTO模式循環(huán)工況試驗，驅(qū)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(fā)動機(jī)功率分配給驅(qū)動輪驅(qū)動車輛，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(huán)工況試驗，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(biāo)，結(jié)果見表2。

選取試驗車輛電池能夠達(dá)到最高的90%SOC、停車充電最高的73%SOC以及能夠純電運行最低的35%SOC進(jìn)行NEDC循環(huán)對比試驗。D擋、N擋制動發(fā)電機(jī)均能吸收發(fā)動機(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(jī)不進(jìn)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(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(jī)驅(qū)動，電機(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)行充電。N擋制動試驗，發(fā)動機(jī)不需要提供制動轉(zhuǎn)矩，只需分配功率給發(fā)電機(jī)充電。此外，發(fā)動機(jī)在NEDC市區(qū)循環(huán)工況下的啟停時機(jī)基本相同，在市郊循環(huán)工況下的N擋制動發(fā)動機(jī)停機(jī)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(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，再生過程汽車動能變化的總和與標(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，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(jī)進(jìn)行反拖制動，整車制動轉(zhuǎn)矩來源于發(fā)動機(jī)、電機(jī)、機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩。再生制動過程發(fā)動機(jī)啟?？刂浦饕茈姵豐OC的影響，電池SOC越低，發(fā)動機(jī)啟動時刻越提前，停機(jī)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。在初始電池SOC低的有再生制動工況下，發(fā)動機(jī)停機(jī)少，運行時間長，節(jié)油效果并不明顯。