制動(dòng)能量回收系統(tǒng)

原理

　　制動(dòng)能量回收是現(xiàn)代電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力車重要技術(shù)之一，也是它們的重要特點(diǎn)。在一般內(nèi)燃機(jī)汽車上，當(dāng)車輛減速、制動(dòng)時(shí)，車輛的運(yùn)動(dòng)能量通過制動(dòng)系統(tǒng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向大氣中釋放。而在電?dòng)汽車與混合動(dòng)力車上，這種被浪費(fèi)掉的運(yùn)動(dòng)能量已可通過制動(dòng)能量回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿?chǔ)存于蓄電池中，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)能量。例如，當(dāng)車輛起步或加速時(shí)，需要增大驅(qū)動(dòng)力時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力成為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助動(dòng)力，使電能獲得有效應(yīng)用。

　　一般認(rèn)為，在車輛非緊急制動(dòng)的普通制動(dòng)場合，約1/5的能量可以通過制動(dòng)回收。制動(dòng)能量回收按照混合動(dòng)力的工作方式不同而有所不同。

　　比如在豐田普銳斯混合動(dòng)力車上，車輛運(yùn)動(dòng)能量能夠通過液壓制動(dòng)和能量回收制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制回收。但在本田Insight混合動(dòng)力車上，由于發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，所以不能夠消除發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。因此，在制動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)全部氣門關(guān)閉，以消除泵氣損失，而只存在發(fā)動(dòng)機(jī)本身的純粹的機(jī)械摩擦損失。

　　在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門不停止工作場合，減速時(shí)能夠回收的能量約是車輛運(yùn)動(dòng)能量的1/3。通過智能氣門正時(shí)與升程控制系統(tǒng)使氣門停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)本身的機(jī)械摩擦(含泵氣損失)能夠減少約70%?；厥漳芰吭黾拥杰囕v運(yùn)動(dòng)能量的2/3。

解決方案

　　可以通過在發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間設(shè)置離合器，在車輛減速時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)停止輸出功率而得以解決。但制動(dòng)能量回收還涉及到混合動(dòng)力車的液壓制動(dòng)與制動(dòng)能量回收的復(fù)雜平衡或條件優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制。那么，為什么可以通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠回收車輛的運(yùn)動(dòng)能量呢？概要地說，其原因就是電機(jī)工作的逆過程就是發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)。一般電學(xué)基礎(chǔ)理論早已闡明，表示電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作原理是Fleming的左手定則，而表示發(fā)電原理的則是Fleming右手定則。由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，線圈在阻礙磁通變化的方向上發(fā)生電動(dòng)勢。該方向與使電機(jī)旋轉(zhuǎn)而流動(dòng)的電流方向相反。于是人們稱為逆電動(dòng)勢。逆電動(dòng)勢隨著轉(zhuǎn)速的增加而上升。由于轉(zhuǎn)速增加，原來使電機(jī)旋轉(zhuǎn)而流動(dòng)的電流，其流動(dòng)阻力加大，最后達(dá)到某一轉(zhuǎn)速，就不能再向上超出。所以，制動(dòng)時(shí)通過電機(jī)的電流被切斷，代之而發(fā)生逆電動(dòng)勢。這就是使電機(jī)起到發(fā)電機(jī)作用的制動(dòng)能量回收的原理。上述這種電機(jī)稱為“電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)。

　　然而，當(dāng)制動(dòng)能量回收制動(dòng)實(shí)施時(shí)，如何處理腳制動(dòng)。腳制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板行程(或強(qiáng)度)如何與制動(dòng)能量回收系統(tǒng)保持協(xié)調(diào)關(guān)系。這是因?yàn)槠鸬街苿?dòng)能量回收作用的制動(dòng)部分，會(huì)引起減少腳制動(dòng)的制動(dòng)力。

　　因?yàn)閷?duì)于腳制動(dòng)來說，從制動(dòng)能量回收中所起作用考慮，必須在減少腳制動(dòng)的制動(dòng)力方面做出相應(yīng)措施。在制動(dòng)力減少的同時(shí)，制動(dòng)踏板的踏板力要求與踏板行程相對(duì)應(yīng)。

　　重要的是，不論發(fā)生或不發(fā)生制動(dòng)能量回收，與通常車輛一樣，制動(dòng)踏板的作用依然存在，為此，開發(fā)了一種稱為行程模擬器(Stroke Simulator)的裝置。

　　豐田混合動(dòng)力車的制動(dòng)能量回收與液壓制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制

　　豐田混合動(dòng)力車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)是由原發(fā)動(dòng)機(jī)車型的液壓制動(dòng)器(包括液壓傳感器、液壓閥)與電機(jī)(減速、制動(dòng)時(shí)起發(fā)電機(jī)作用，即轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰炕厥瞻l(fā)電工況)、逆變器、電控單元(包括動(dòng)力蓄電池電控單元、電機(jī)電控單元和能量回收電控單元)組成。

　　豐田的能量回收制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用制動(dòng)能量回收與液壓制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，其協(xié)調(diào)制動(dòng)的原理是在不同路況和工況條件下首先確保車輛制動(dòng)穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)考慮到動(dòng)力蓄電池的再生制動(dòng)的能力(由動(dòng)力蓄電池電控單元控制)使車輪制動(dòng)扭矩與電機(jī)能量回收制動(dòng)扭矩之間達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制，并由整車電控單元實(shí)施集中控制。

　　當(dāng)駕駛員踩制動(dòng)踏板，則按照制動(dòng)踏板力大小，通過行程模擬器(Stroke Simulator)等部分，液壓制動(dòng)器(液壓伺服制動(dòng)系統(tǒng))實(shí)時(shí)進(jìn)入相應(yīng)工作，緊接著制動(dòng)能量回收系統(tǒng)也將進(jìn)入工作狀態(tài)。亦即如果動(dòng)力蓄電池的電控單元判斷動(dòng)力蓄電池有相應(yīng)的荷電量(SOC)回收能力，制動(dòng)能量回收制動(dòng)力占整個(gè)制動(dòng)力的相應(yīng)部分。當(dāng)車輛接近停止時(shí)，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)制動(dòng)力變?yōu)榱?。這兩種制動(dòng)力的能量變換比例與圖1中所示相應(yīng)面積的比例相當(dāng)。當(dāng)液壓制動(dòng)的面積小，制動(dòng)能量回收制動(dòng)的面積大時(shí)，表示制動(dòng)能量回收量增加。增加制動(dòng)能量回收的面積直接與降低燃油耗相關(guān)。但是在液壓制動(dòng)保持不變的狀態(tài)下，只考慮制動(dòng)能量回收率上升而增加制動(dòng)力，導(dǎo)致駕駛員對(duì)制動(dòng)路感變差不舒適。為解決這一問題開發(fā)了電子線控制動(dòng)(Brakeby Wire)的電子控制制動(dòng)器(ECB:Electronic Control Brake)。如圖2所示，在電子控制制動(dòng)器中，制動(dòng)踏板與車輪制動(dòng)分泵不是通過液壓管路直接連接，而是通過電控單元(ECU)向液壓能量供給源發(fā)出相應(yīng)指令，使對(duì)應(yīng)于制動(dòng)能量回收制動(dòng)強(qiáng)度的液壓傳遞到相應(yīng)車輪制動(dòng)分泵。因此，制動(dòng)能量回收制動(dòng)與液壓制動(dòng)之和達(dá)到與制動(dòng)踏板行程量相對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力值，從而改善駕駛員制動(dòng)操作時(shí)路感。

　　由圖2可知，制動(dòng)能量回收控制受到腳制動(dòng)踏板力信號(hào)經(jīng)過制動(dòng)總泵與行程模擬器輸入部再進(jìn)入液壓控制部(包括液壓泵電機(jī)、蓄壓器)的液壓機(jī)構(gòu)再經(jīng)過制動(dòng)液壓調(diào)節(jié)傳遞到車輪制動(dòng)分泵，同時(shí)該液壓信號(hào)如果系統(tǒng)發(fā)生故障停止時(shí)，液壓緊急啟動(dòng)，電磁切換閥開啟，即又通過電磁閥切換，傳遞到車輪制動(dòng)分泵。

　　本田第四代IMA混合動(dòng)力系統(tǒng)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制

　　本田第四代IMA混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用在2010款I(lǐng)nsight混合動(dòng)力車上。其制動(dòng)能量回收系統(tǒng)采用執(zhí)行器和電控單元組成一體化模塊型式，包括IMA系統(tǒng)電機(jī)控制模塊、動(dòng)力蓄電池監(jiān)控模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

　　制動(dòng)能量回收系統(tǒng)工作過程如下：

　　IMA電機(jī)在制動(dòng)、緩慢減速時(shí)，通過混合動(dòng)力整車電控單元發(fā)出相應(yīng)指令使電機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)再生發(fā)電工況，通過制動(dòng)能量回收控制系統(tǒng)以電能形式向動(dòng)力蓄電池充電。其基本工作過程是：當(dāng)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板傳感器使IMA電控單元激活制動(dòng)總泵伺服裝置，通過動(dòng)力蓄電池電控單元、能量回收電控單元、電機(jī)電控單元等電控單元發(fā)出相應(yīng)指令，使液壓機(jī)械制動(dòng)和電機(jī)能量回收之間制動(dòng)力協(xié)調(diào)均衡以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能量回收。第四代IMA系統(tǒng)采用了可變制動(dòng)能量分配比率，比上一代的制動(dòng)能量回收能力增加70%。

　　IMA電機(jī)、動(dòng)力蓄電池電控單元、能量回收電控單元、電機(jī)電控單元等都屬于本田第四代IMA混合動(dòng)力系統(tǒng)的“智能動(dòng)力單元IPU(Intelligent Power Unit)”組成部分。它是由動(dòng)力控制單元PCU(PowerControlUnit)、高性能鎳氫蓄電池和制冷系統(tǒng)組成。PCU是IPU的核心部分，控制電機(jī)助力(即進(jìn)入電動(dòng)工況)。PCU通過接收節(jié)氣門傳感器輸入的開度信號(hào)，按照發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)運(yùn)行參數(shù)和動(dòng)力蓄電池荷電狀態(tài)等信號(hào)決定電能輔助量，并同時(shí)決定蓄電池能量回收能力。PCU主要組成部分有蓄電池監(jiān)控模塊——蓄電池狀態(tài)檢測BCM(Battery Condition Monitor)、電機(jī)控制模塊MCM(Motor Control Module)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊MDM(MotorDriverModule)。

　　綜觀現(xiàn)有實(shí)用化的不同的混合動(dòng)力系統(tǒng)，制動(dòng)能量回收控制在細(xì)節(jié)上有所不同。一般都采用電子控制的液壓制動(dòng)與制動(dòng)能量回收的組合方式，也稱為電液制動(dòng)伺服控制系統(tǒng)。

優(yōu)點(diǎn)

　　MI NI Clubman從一開始就憑借獨(dú)特的概念，外向的設(shè)計(jì)以及別具魅力的發(fā)動(dòng)機(jī)脫穎而出，為新一代MINI開發(fā)的三款高技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)確保了無時(shí)不在的運(yùn)動(dòng)駕駛樂趣和非凡的高效。

　　這些智能技術(shù)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，適度降低了耗油量，同時(shí)也進(jìn)一步提高了駕駛樂趣。這里一個(gè)很好的例子就是制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，能源管理系統(tǒng)確保發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率主要被轉(zhuǎn)化成為驅(qū)動(dòng)力，只有在應(yīng)用制動(dòng)時(shí)或發(fā)動(dòng)機(jī)處于超速狀態(tài)時(shí)才會(huì)轉(zhuǎn)化成電能供車載系統(tǒng)使用。為了達(dá)到這個(gè)效果，發(fā)電機(jī)會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，即加速或牽引汽車時(shí)自動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)脫離。因此，傳統(tǒng)模式下發(fā)電機(jī)消耗和從汽車那里獲得的動(dòng)力現(xiàn)在全部用以實(shí)現(xiàn)更快更具動(dòng)態(tài)的加速。因?yàn)樵贛INI回到超速狀態(tài)或駕駛者應(yīng)用制動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)就會(huì)再次啟動(dòng)，從而確保車載系統(tǒng)能夠得到充足的電力供應(yīng)。