再生制动中牵引_制动能量与燃油消耗的研究_项党

再生制动中牵引/制动能量与燃油消耗的研究

项

党

（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804）

【摘要】研究混合动力汽车的再生制动系统的节能原理，给出牵引能量和制动能量的方程式，通过对上

海驾驶规程的仿真，得出牵引/制动能量与车辆质量的关系；着重研究再生制动系统中的燃油消耗，给出再生制动的燃油消耗方程，针对4种典型驾驶规程，量化再生制动效率对燃油消耗的影响。

【Abstract】Energysavingtheoryofhybridregenerativebrakingsystemisfocused，tractive/bra-kingenergyformulaisgiven，andtherelationshipbetweenenergyandvehiclemassisconcludedbysimulationofShanghaidrivingrules．Fuelconsumptionistheresearchkeypoint．Theregenerativebra-kingfuelconsumptionformulaissetup，andtheimpactofregenerativebrakingefficiencyonfuelcon-sumptionisquantifiedbasedonfourtypicaldrivingrules．

【关键词】再生制动

牵引/制动能量

燃油消耗

汽车

doi：10.3969/j.issn．1007-4554．2012．08．05

各种燃油节省措施成为可能，例如，在制动和怠速

0引言

中切断发动机燃油。该存储设备为再生制动的基础。

制动即为在减速时抵消车辆的一部分动能。传统制动力是自然摩擦力，动能被白白浪费；而再生制动，用于制动的阻力来自于驱动能量转换器。因此，一部分制动能量被转化储存，为后续所利用。在传统动力总成系统中，所有的能量均来自于发动机，而在具有再生制动能力的动力系统中，一部分能量可来自于能量存储设备的可循环功能，因此，直接且必须由动力机构提供的牵引力减少了。再生制动系统的目的是恢复和再循环尽可能多的制动能量用于提供有效的车辆行驶动力。

典型的驾驶规程可以分解为3种典型模式：动力行驶、制动和怠速状态。不考虑再生制动因素，驾驶的牵引燃油消耗由一个驾驶规程下驱动汽车所需要的牵引能量以及动力总成系统的传动效率所决定。

再生制动，是指车辆减速或制动时，将其一部

分动能转化为其他形式的能量储存起来，以备驱动时使用的过程。再生制动对混合动力汽车的燃油经济性、排放性和行驶安全性都有直接影响，可有效地降低整车的燃油消耗和污染物的排放。

本文选取典型的美国、欧洲、日本、中国上海驾驶规程用于研究。每个区域的驾驶规程各异，代表当地驾驶特点和交通状况。对再生制动的研轮胎滚动阻力究依赖于这些规程以及车辆重量、

和空气阻力等参数。

1车辆驾驶状态的分析

混合动力汽车的动力总成系统包含一个能量存储设备，可瞬时分离车辆动力推进机构，这使得

收稿日期：2012－06－30

·18·

上海汽车2012.08

车辆行驶中依靠瞬间的推动力驱动使得车辆拥有速度和加速度，同时必须克服轮胎滚动阻力和车身的空气阻力。动力总成系统为车辆提供前

车辆行驶中的瞬时水平牵引力如图1进的动力，

所示。驾驶在平直的道路上不考虑环境风力影

响，所需的瞬时牵引力为FTR，用下式表示：

FTR=R+D+M+4

依据车辆特性而定。一性，

将驾驶规程分解为3种状态有利于更加深入细致地分析燃油消耗的情况。

2牵引和制动的能量分析

[

v

()](ddt)Iwr2w

其中：γ0为滚动阻力系数；CD为空气拖动系数；A

为车辆前部面积；M为车重；ρ为环境空气的密度；

2

重力加速度g=9．8m/s。在车辆行驶中，γ0和

{

{

V2

=γ0Mg+CDAρ+Medv

2dt

牵引功率的表达式为瞬时车辆牵引力和速率

的乘积：

（1）

PTR=FTRv

（2）

典型的车辆牵引功率的相关轨迹如图2所示，包括正值和负值，正值部分对应FTR＞0，负值部分对应FTR＜0。正值部分所包围面积即为牵引能量，所有正区域面积的总和为车辆所需的牵引能量：

ETR=

FTR＞0

{

轮胎阻力

()

空气阻力惯性阻力

CD与车速无关，4（Iw/r2w）表示4个轮子必须保持

同时转动，且线性加速也需保持一致性。Iw为车轮的惯性阻力极矩；rw为有效滚动半径。

∫

PTR（t）dt（3

）

图1车辆行驶中瞬时水平牵引力

轮胎阻力R和空气阻力D，其数值恒定为正，FTR可以为正值、但惯性阻力可以为负。因此，负值或为零。

（1）FTR＞0，为动力驱动状态。该状态出现在（dv/dt）＞0（车辆加速）或（dv/dt）=0（匀速行驶）；在（dv/dt）＜0时（减速行驶），亦可实现FTR

＞0，只要满足惯性阻力的绝对值不超过（R+D）的和。

（2）FTR＜0，为制动状态。该状态出现在惯性阻力的绝对值大于（R+D）情况下，车辆减速，车轮具有制动力。

（3）FTR=0，为怠速状态。该状态车辆无牵引力作用，但仍在行驶状态中。惯性阻力为负，且绝对值等于（R+D）的和，要维持这种状态，需要满但是能使某一辆车FTR=0的足特定的速度v（t），

v（t）并不能满足另外一辆车，故怠速状态具有唯

上海汽车2012.08

图2典型驾驶规程中速度与牵引功率关系

图2中轨迹所包围的负向面积为制动能量：EBR=－

FTR＜0

∫

PTR（t）dt（4）

由于该区域中PTR的值为负，故满足这部分能

量EBR的结果为正值。

包含能量功能的表达式可表示为：

v（t），CD，A，M，γ0，转动惯量

E=f驾驶规程相关

车辆相关参数

{}

（5）

{

该方程式包含通过v（t）定义的车辆驾驶规程以及车辆参数。本文将量化能量表达式用于不同驾驶规程下针对燃油经济性的研究。

C主要由表达式（5）中A主要由γ0M决定，

CDA决定。文献［1］［5］中的统计数据给出γ0与CDA/M的典型值范围：

·19·

0．006≤γ0≤0．012

0．0003≤CDA/M≤0．00065

MIN代表轮胎通常可以将车辆划分为3类，

MAX代表相关值最大的和空气阻力最小的车辆，

MID介于二者之间。Me/M=1．03基本适用车辆，

于所有车辆，具体参数见表1。

表1

分类MINMIDMAX

（6）

示在动力行驶中车辆动能增加的总和

。α'和β'的

数值含义与α和β的相同，采用驾驶规程中制动部分的参数计算得到。

图3分别为美国（城市与高速）、欧洲、日本和上海的典型驾程的速度与时间关系。

不同类型车辆部分参数参考值

γ00．0060．0090．012

CDA/M0．000300．000500．00065

Me/M1．031．031．03

牵引和制动能量可用下述方程式来表达，所用参数值取决于典型的驾驶规程：

ETR

=MS

αγ0

克服滚动阻力能量

+β

{

牵引能量

{

由于制动而减少的动能

{

EBRM

=γe

MSM

()

{

{{

克服空气阻力能量由滚动阻力消耗的动能

()

CDAM

+γ

()

MeM

（7）

{

克服车辆惯性能量

－α'γ0－β

()

CDAM

（8）

要求减少的车辆动能

{

由空气阻力消耗的动能

上述两个方程中，各有3个表达式，分别代表轮胎滚动阻力、空气阻力和车辆重量所影响的惯CDA/M和Me/M决定。性阻力。这两种能量由γ0、

在牵引能量方程式（7）中，γ（Me/M）代表在动力行驶过程中，克服车辆惯性所需的能量，也即车辆的行驶动能。由于驾驶规程的起点和终点的速率皆为零，故所有的能量都必须在制动过程中被抵消，该表达式也同样包含在制动能量方程式中。在方程式（8）中，一部分动能被滚动阻力和空气阻力消耗，剩下的部分被车轮的制动力抵消。每种驾驶规程中，α、β和γ在牵引能量方程中的数值因地域不同而异，代表一个特殊的驾驶规程v（t）的特性。制动能量的α'和β'的值不同于牵引能量的α和β。γ的数值在ETR和EBR中相同，为所需的动力行驶和制动中的车辆动能的总和。α

+

的数值与（1/s）ds=s/s成正比，即动力行驶的

∫

距离与驾驶规程全程距离的比值；β的数值与

2

（1/s）v2ds≡v2（s+/s）成正比，其中v

为驾驶规

2

表

程中速率的均方

；

γ

与

（

1

/s

）

d

（

v

/

2

）

成正比

，

∫

∫

图3美国（城市/高速）、欧洲、日本、中国上海驾程

上海汽车2012.08

·20·

牵引能量和制动能量方程式（7）和（8）系数是对再生制动在牵引力燃油消耗方面潜在影响的量化。表2为美国、欧洲、日本和中国上海驾驶规程总行驶距离和平均速率参数以及牵引能量和制动能量的方程系数。图4为上海驾驶规程下的牵引能量和制动能量对比关系。

表2

驾程SVαβγα'β'

3再生制动与燃油消耗的分析

传统的动力总成系统采用燃烧来产生机械功通过机械结构来驱动车轮，产生全部牵引能量率，

ETR，即驾驶规程中车辆所需的推进动力。同样，在行驶规程中也会出现车辆在未全部实现减速时需要实施制动，这时车辆惯量拖动发动机运转，又“引擎制动”，称但引擎制动仅可抵消掉一部分的EBR，其余的制动工作需要由车轮制动来完成，在传统的动力总成系统中是通过摩擦力消耗车辆前进的动能来实现制动的。

图5为再生制动过程的能量结构图，其中定义制动轮到驱动轮的有效参数为ξ。再生能量对牵引力的贡献可表示为ξ倍的EBR，因此，降低了所需的牵引力的比例。必须由动力总成系统直接提供的牵引力表示为EBR－ξEBR，本文的重点旨在量化ETR－ξEBR与燃油消耗的相互关系。

典型驾程参数及牵引/制动能量方程系数

美国城市11．9938．37．34108．00．1552．46623．65

美国高速16．5178．18．99291．00．0430．82419．43

欧洲NEDC10．9343．78．22189．10．1111．58729．49

日本10/15

6．3437．57．0390．170．1562．77928．23

上海SHDC8．5433．219．00119．310．1081．73423．75

图4上海驾程牵引能量与制动能量的对比曲线

图5

再生制动过程的能量结构图

图4中相关变量为ETR/MS和EBR/MS，独立变量为CDA/M，曲线中γ0为常数。能量的相互关系理论来源于整车重量，对牵引能量和制动能量关联变量起到决定作用。故，由图4实验结果可

ETR和EBR与M成线性关系。得出结论，

通过变量CDA/M考察CDA的影响，随着

CDA/M减小，车辆所需的ETR减少，这是由于空气若EBR增加，这是由于空阻力减少的原因。相反，气阻力对车速的影响减少，因此多出的这部分能量必须被车轮的制动抵消。随着轮胎系数减小，ETR减小，相应的EBR增加，原因是CDA减小。该结论普遍适用于所有研究的驾驶规程。

上海汽车2012.08

在驾驶规程中，车辆所消耗的燃油量可分解

为3个部分：

mf

=mf，TR+（mf，ACC）

动力行驶的燃油消耗

+

+（mf）brkg+（mf）idle

总的燃油消耗

{

分别为动力行驶、制动和怠速的燃油消耗部分。动力行驶部分自身可分解为两部分，驱动车辆所耗燃油占主要比例，车辆附件消耗燃油仅占一小部分。

动力总成系统燃油消耗比重的平均制动热能效率可表示为：

·21·

{{

制动燃油消耗

怠速燃油消耗

（9）

ηb≡

～

Eb，TRHfmf，TR

（10）

定的质量比，能量比取决于车辆的参数设置和所

选的驾驶规程，其值可通过牵引能量方程和驾驶3］文献［中给出了整合后的表规程系数计算得到，达式：

ETR

=1+a

（ETR）0

M[(M)－1]

驱动系统能量转化比重的平均效率为：

（ETR－ξEBR）～

（11）ηdr≡

Eb，TR

Eb，其中，TR是由动力系统释放的用于推动车辆前

进的全部制动能量；Hf为单位重量的燃油的热量值，混合动力车的驱动系统将动力系统的能量传递至驱动轮。

整合方程式（10）和（11），可得：

（ETR－ξEBR）

mf，（12）TR≡mξ≡～～

Hfηbηdr

由上式（12）可知，随着制动轮到驱动轮的再牵引燃油消耗减少。生效率ξ增加，

将混合动力车的燃油消耗与普通车对比，除了普通车动力总成系统为传统类型外，其他方面两车相同。由于混合动力车配有独特的能量存储设备，传统车重量M0要比混合动力车的重量M轻。传统车型的牵引燃油消耗为：

（mf，TR）0≡m0≡

（ETR）

～

（15）

上式适用于所有规程。美国、欧洲和中国上

海驾驶规程a=0．65，日本规程α=0．82。M/M0的值取决于车辆的设计，对于目前的混合动力车，其值范围为1．03～1．07，推荐值为1．05，也即混合动力车相比传统车有5%的重量增加。该值越大，则需要调整更多的再生系统效率来抵消由于重量增加而增加的燃油消耗。

方程式（14）中最后一个表达式代表再生制动的直接影响，当ξ＞0，该式小于1。随着ξ的增加，该值线性减小，斜率为（ETR/EBR），牵引和制动能量的关系，由方程式（7）和（8）可整合为：

CAMe

－α'γ0－β'DγEBRMM

=（16）ETRMeCDA

+αγ0－βγMM

Hf（ηb）0（ηdr）

～

（13）

可以用两者的比值来考量混合动力的燃油消耗增益，利用方程式（12）和（13）可得：

（ηb）mξ

=～m0ηb

分子中轮胎和空气阻力的减少和分母的增加

使得（ETR/EBR）＜1。根据方程式（16）对几种典型驾驶规程进行对比，如图6所示

。

[

～

][

（ηdr）ηdr

～

～

][

ETR

（ETR0

][

1－ξ

()]

EBRETR0

（14）

方程（14）中，再生制动的影响是最后一个表达式，也是研究的关键点。动力总成系统有两个间接影响，其中之一来自于车辆本身，任何小于1的表达式对燃油消耗均有贡献。

第一个表达式为动力系统运转效率。可以合理假定，混合动力的效率大于传统车，其具体值由动力总成系统的设计策略决定，因此方程（14）中这部分因素小于1。第二个表达式代表驱动操控效率，混合动力车拥有机械和电子驱动系统，总的效率取决于独立系统的效率和每种系统传递动能的一部分，总的效率或大于或小于传统的驱动系统效率。

由于混合动力车的总质量大于传统车，牵引能量的比例，即第三个表达式大于1。对于任意给·22·

图6

几种典型驾程的制动能量与牵引能量比

在CDA/M范围下，考察γ0=0．006最小值、γ0

=0．009中间值和γ0=0．012最大值。针对每种驾驶规程和3个γ0的值，随着CDA/M的减少，制动/牵引能量比增加。若CDA/M保持常量，γ0减

上海汽车2012.08

少，能量比增加。

通过图6的仿真结果可以分析得到，日本规美国及上海的明显大，欧洲程的能量比相对欧洲、

这是因为日本规程中牵引能量较和上海的相近，小，车速较低。

中级车在各种驾驶规程中的燃油消耗的量化

结果，参见图7

。

引/制动能量与燃油消耗。在国内首次针对上海

驾驶规程，研究牵引/制动能量与车辆质量的线性给出相关方程式及参数，并分析了若干参数关系，

首次基于的相互关系。针对再生制动燃油消耗，国际国内典型驾驶规程量化再生制动效率对燃油

消耗的影响。通过计算机仿真，量化验证了再生制动系统对燃油消耗的显著节省，对今后混合动力再生系统的深入研究具有一定的借鉴意义。

参考文献

［1］Sovran．G，Blaser，D．A．AContributiontoUnderstand-ingAutomotiveFuelEconomyandItsLimits［J］．SAE2003-01-2070，SAETransactions，2003．

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图7中级车各种驾程的燃油消耗比值量化结果

［4］过学迅，张靖．混合动力电动汽车再生制动系统的建模J］．武汉理工大电动汽车再生制动稳定性研究学学报（信与仿真［

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［6］詹迅．轻度混合动力汽车再生制动系统建模与仿真［D］．重庆：重庆大学，2005．

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［8］陈清泉，．北京：北孙逢春．混合动力电动汽车基础［M］1993．京理工大学出版社，

由图7可以看出美国和欧洲的曲线几乎相同，这是由于其在牵引和制动能量上几乎是相同

的；上海驾驶规程与欧洲的接近，燃油消耗的减少比欧洲驾程明显，日本规程的减少量最多。

4结语

本文量化了混合动力车的再生制动系统的牵

櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁（上接第1页）开发、生产成本，国际汽车企业开始加强彼此的合作，其中更不乏巨头之间的合作。近期就有丰田汽车与宝马的燃料电池和汽车轻量化技术合作、宝马与标致雪铁龙集团混合动力技术合作、戴姆勒与雷诺日产联盟的广泛战略合作、通用汽车与标致雪铁龙集团结成长期的大规模全球战略联盟、马自达汽车与菲亚特的新一代小型车合作、日产汽车与三菱扶桑轻型卡车合作及日产汽车与三

菱汽车皮卡生产合作等。这些合作的目的只有一

个，就是降低成本、提高企业的竞争能力。中国进入世界500强的汽车企业数量不断增加、排序大幅上升固然可喜，但也应清醒地看到，毕竟外资企业品牌产品在这些企业的业务规模中占有很大的比重。当以自主品牌产品为业务主体的中国汽车企业也进入世界500强的行列时，中国汽车工业才完成由大而强的转变。

（张明生）

上海汽车2012.08

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fmo1.html