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当前位置:首页 > 汽车术语 > 制动能量回收

制动能量回收

有什么用:

    把汽车刹车或滑行时产生的多余能量转化为电能,给蓄电池充电,减少蓄电池对发动机的依赖,从而降低油耗,提高发动机效率。

优点:

    节省燃油,发电机仅在脚离开油门踏板或制动时启动,以往会被浪费掉的动能得以有效利用。

    发动机效率高,当您踩下油门时发电机会关闭发动机更多功率可以施加到车轮上。

代表车型:

    丰田普锐斯 宝马5系 奥迪A5 高尔夫蓝驱

制动能量回收

技术概述:

    当踩下刹车或抬起油门时,产生的动能便被收集至蓄电池。这减少了电池从发动机摄取的能量,从而减少油耗。而当踩下油门时,发电机与动力传动系统断开。从动力传动系统获取能量的部件减少,发动机输出功率用于汽车加速的部分也就越多。作为安全预防措施,制动能量回收系统监视蓄电池的充电水平,并在必要时即使正在加速,也持续为蓄电池充电,以防止蓄电池完全放电。

技术原理:

  制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,也是它们的重要特点。在一般内燃机汽车上,当车辆减速、制动时,车辆的运动能量通过制动系统而转变为热能,并向大气中释放。而在电动汽车与混合动力车上,这种被浪费掉的运动能量已可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于蓄电池中,并进一步转化为驱动能量。例如,当车辆起步或加速时,需要增大驱动力时,电机驱动力成为发动机的辅助动力,使电能获得有效应用。

  一般认为,在车辆非紧急制动的普通制动场合,约1/5的能量可以通过制动回收。制动能量回收按照混合动力的工作方式不同而有所不同。   比如在丰田普锐斯混合动力车上,车辆运动能量能够通过液压制动和能量回收制动的协调控制回收。但在本田Insight混合动力车上,由于发动机与驱动电机连接,所以不能够消除发动机制动。因此,在制动时发动机全部气门关闭,以消除泵气损失,而只存在发动机本身的纯粹的机械摩擦损失。

   在发动机气门不停止工作场合,减速时能够回收的能量约是车辆运动能量的1/3。通过智能气门正时与升程控制系统使气门停止工作,发动机本身的机械摩擦(含泵气损失)能够减少约70%。回收能量增加到车辆运动能量的2/3。

    可以通过在发动机与电机之间设置离合器,在车辆减速时,使发动机停止输出功率而得以解决。但制动能量回收还涉及到混合动力车的液压制动与制动能量回收的复杂平衡或条件优化的协调控制。那么,为什么可以通过驱动电机能够回收车辆的运动能量呢?概要地说,其原因就是电机工作的逆过程就是发电机工作状态。一般电学基础理论早已阐明,表示电机驱动的工作原理是Fleming的左手定则,而表示发电原理的则是Fleming右手定则。由于电机运转,线圈在阻碍磁通变化的方向上发生电动势。该方向与使电机旋转而流动的电流方向相反。于是人们称为逆电动势。逆电动势随着转速的增加而上升。由于转速增加,原来使电机旋转而流动的电流,其流动阻力加大,最后达到某一转速,就不能再向上超出。所以,制动时通过电机的电流被切断,代之而发生逆电动势。这就是使电机起到发电机作用的制动能量回收的原理。上述这种电机称为“电动机发电机。

   然而,当制动能量回收制动实施时,如何处理脚制动。脚制动时,制动踏板行程(或强度)如何与制动能量回收系统保持协调关系。这是因为起到制动能量回收作用的制动部分,会引起减少脚制动的制动力。

   因为对于脚制动来说,从制动能量回收中所起作用考虑,必须在减少脚制动的制动力方面做出相应措施。在制动力减少的同时,制动踏板的踏板力要求与踏板行程相对应。

   重要的是,不论发生或不发生制动能量回收,与通常车辆一样,制动踏板的作用依然存在,为此,开发了一种称为行程模拟器(Stroke Simulator)的装置。

制动能量回收

    丰田混合动力车的制动能量回收与液压制动的协调控制

    丰田混合动力车制动能量回收系统是由原发动机车型的液压制动器(包括液压传感器、液压阀)与电机(减速、制动时起发电机作用,即转变为能量回收发电工况)、逆变器、电控单元(包括动力蓄电池电控单元、电机电控单元和能量回收电控单元)组成。

   丰田的能量回收制动系统的特点是采用制动能量回收与液压制动的协调控制,其协调制动的原理是在不同路况和工况条件下首先确保车辆制动稳定性和安全性,同时考虑到动力蓄电池的再生制动的能力(由动力蓄电池电控单元控制)使车轮制动扭矩与电机能量回收制动扭矩之间达到优化目标的协调控制,并由整车电控单元实施集中控制。

   当驾驶员踩制动踏板,则按照制动踏板力大小,通过行程模拟器(Stroke Simulator)等部分,液压制动器(液压伺服制动系统)实时进入相应工作,紧接着制动能量回收系统也将进入工作状态。亦即如果动力蓄电池的电控单元判断动力蓄电池有相应的荷电量(SOC)回收能力,制动能量回收制动力占整个制动力的相应部分。当车辆接近停止时,制动能量回收系统制动力变为零。这两种制动力的能量变换比例与图1中所示相应面积的比例相当。当液压制动的面积小,制动能量回收制动的面积大时,表示制动能量回收量增加。增加制动能量回收的面积直接与降低燃油耗相关。但是在液压制动保持不变的状态下,只考虑制动能量回收率上升而增加制动力,导致驾驶员对制动路感变差不舒适。为解决这一问题开发了电子线控制动(Brake by Wire)的电子控制制动器(ECB: Electronic Control Brake)。如图2所示,在电子控制制动器中,制动踏板与车轮制动分泵不是通过液压管路直接连接,而是通过电控单元(ECU)向液压能量供给源发出相应指令,使对应于制动能量回收制动强度的液压传递到相应车轮制动分泵。因此,制动能量回收制动与液压制动之和达到与制动踏板行程量相对应的制动力值,从而改善驾驶员制动操作时路感。

   制动能量回收控制受到脚制动踏板力信号经过制动总泵与行程模拟器输入部再进入液压控制部(包括液压泵电机、蓄压器)的液压机构再经过制动液压调节传递到车轮制动分泵,同时该液压信号如果系统发生故障停止时,液压紧急启动,电磁切换阀开启,即又通过电磁阀切换,传递到车轮制动分泵。

制动能量回收

    本田第四代IMA混合动力系统的制动能量回收系统控制

    本田第四代IMA混合动力系统应用在2010款Insight混合动力车上。其制动能量回收系统采用执行器和电控单元组成一体化模块型式,包括IMA系统电机控制模块、动力蓄电池监控模块和电机驱动模块。

   制动能量回收系统工作过程如下:
   IMA电机在制动、缓慢减速时,通过混合动力整车电控单元发出相应指令使电机转为发电机再生发电工况,通过制动能量回收控制系统以电能形式向动力蓄电池充电。其基本工作过程是:当制动时,制动踏板传感器使IMA电控单元激活制动总泵伺服装置,通过动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等电控单元发出相应指令,使液压机械制动和电机能量回收之间制动力协调均衡以实现最优能量回收。第四代IMA系统采用了可变制动能量分配比率,比上一代的制动能量回收能力增加70% 。

   IMA电机、动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等都属于本田第四代IMA混合动力系统的“智能动力单元IPU(Intelligent Power Unit)”组成部分。它是由动力控制单元PCU(Power Control Unit)、高性能镍氢蓄电池和制冷系统组成。PCU是IPU的核心部分,控制电机助力(即进入电动工况)。PCU通过接收节气门传感器输入的开度信号,按照发动机的有关运行参数和动力蓄电池荷电状态等信号决定电能辅助量,并同时决定蓄电池能量回收能力。PCU主要组成部分有蓄电池监控模块——蓄电池状态检测BCM( Battery Condition Monitor)、电机控制模块MCM(Motor Control Module)、电机驱动模块MDM(Motor Driver Module)。

   综观现有实用化的不同的混合动力系统,制动能量回收控制在细节上有所不同。一般都采用电子控制的液压制动与制动能量回收的组合方式,也称为电液制动伺服控制系统。

扩展阅读:

    顶级赛事里的能量回收系统

    2009赛季的F1赛事,“KERS系统”在测试和正式比赛中都引来了无数话题和争议,而它正是当代能量回收系统的金字塔尖产品。KERS其实就是动能回收系统(Kinetic Energy Recovery Systems)的缩写。在F1之中,KERS主要有两种技术方案,第一种是以雷诺为代表的飞轮动能回收系统,具体工作原理如下:

    这种飞轮动能回收的创意其实来源于我们幼年的玩具:回力车。回力车轻轻往后一拉,就会往前产生极高的速度。飞轮动能回收系统原理基于回力车,但它的内部结构更加复杂,而且它是装在时速300公里以上的F1赛车上,因此也遇到了很多技术难题。比如为了不影响赛车的配重,这个系统必须足够轻,但同时又必须能够快速存储和释放能量。工程师的解决方法就是提高飞轮转速(这套系统的飞轮转速已经达到每分钟6万转以上)。而飞轮高速旋转带来的必然是高温,因此必须要把飞轮包装在真空装置中。另外为了抵抗大G值和达到F1的碰撞标准,整套动力回收系统的材料和安装位置都要攻克大量技术难题。

    F1中第二种动能回收系统是以宝马为代表的电池-电机能量回收系统。它是从民用的混合动力车的系统中发展而来的,比如本田的IMA系统:
    在制动过程中,电动机会自动转化为发电机,将动能转化为电能存储在电池之中,并在下一次需要的时候释放出来。这种系统的瓶颈是电池。由于传统民用车搭载的镍氢蓄电池能量密度和功率密度低,很多F1车队尝试使用效率更高的锂电池存储,但是锂电池对于电压和温度极其敏感,红牛和索伯都曾在试车时发生电池起火事件。

    在F1赛车上的动力回收系统,为了追求最低重量和最高的输出功率(这两种KERS系统都可以达到FIA规定上限的60KW输出功率),都采用了极其昂贵的材料而且几乎不计寿命,但是KERS系统在这项世界上最高水平汽车运动上的运用,无疑将为民用车上普及能量回收系统起到促进作用。事实上早已有不少汽车厂家在其生产的民用车上配备了能量回收系统。

制动能量回收

    在量产车上的应用

    由于飞轮能量储存系统的能量存储有限,技术也欠成熟,到目前为止,我们所知的只有保时捷GT3 R Hybrid将会正式装备飞轮式动能回收系统。而目前民用车上使用的主要还是电池-电机能量回收系统,这个系统几乎是伴随着油电混合动力汽车的发展而发展的。丰田的普锐斯,本田的Insight从诞生开始就配备了自家的能量回收系统,而现在这些系统现在也被装载在雷克萨斯混合动力车和混合动力思域新车上。奔驰开发的电池-电机能量系统中,将以锂电池作为存储介质,在最新的S400混合动力车中将会配备这套装置,这也是电池-电机能量回收系统在民用车领域应用的一个革新标志。此外,大众福特等厂家的混合动力车型上都装有能量回收系统。

    在单一燃料汽车的领域,能量回收系统的应用起步要晚的多,究其原因是单一燃料汽车不能像混合动力车那样将回收的能量直接作为动力输出,而只能将存储的电能用于缓解发电机或发动机停止运行时汽车电池的负荷。不过作为BMW Efficient Dynamics战略的一部分,宝马已在其5系GT、7系、X1等车型中装备了能量回收系统,主要目的是为了降低油耗和减少有害气体排放。据称,宝马2011款M5搭载的能量回收系统可以像F1赛车一样,存储能量后可随时根据驾驶者意愿通过按钮释放,在瞬间大幅度增强车辆动力。

    未来前景

    欧盟2012年轿车二氧化碳排放标准将达到每公里130克,这一严苛的法令将让所有的汽车厂家都会把节能减排作为重要的研究课题。相信在不远的将来,不单会投产越来越多的混合动力车型,传统的单一燃料汽车(尤其是汽油和柴油车)都将应用更多的新科技来实现节能减排的目标。而在我国,F3DM等混合动力车型的开发面世,也标志着我国自主品牌掌握了生产能量回收系统的技术,我们希望能量回收系统能早日出现在国产的单一燃料车型上。

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