汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)介紹

◆文/山東 程增木

汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)介紹

◆文/山東 程增木

一、原理

制動(dòng)能量回收是混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車重要技術(shù)之一，也是它們的重要特點(diǎn)。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)汽車在減速、制動(dòng)時(shí)，車輛的運(yùn)動(dòng)能量通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑾虼髿庵嗅尫?。而在混合?dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車上，這種被浪費(fèi)掉的運(yùn)動(dòng)能量可通過(guò)制動(dòng)能量回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿?chǔ)存于車輛蓄電池中，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(chǎng)合，約1/5的能量可以通過(guò)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。

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門不停止情況下，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(guò)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%，回收能量增加到車輛運(yùn)動(dòng)能量的2/3。

二、解決方案

通過(guò)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)力汽車的液壓制動(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，為什么通過(guò)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(shuō)，其原因就是電機(jī)工作的逆過(guò)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)的工作原理是法拉第的左手定則，而表示發(fā)電原理的則是法拉第右手定則。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(shì)。該方向與使電機(jī)旋轉(zhuǎn)而流動(dòng)的電流方向相反，因此被稱為逆電動(dòng)勢(shì)。逆電動(dòng)勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而上升。由于轉(zhuǎn)速增加，原來(lái)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(guò)電機(jī)的電流被切斷，代之而發(fā)生逆電動(dòng)勢(shì)。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)，如何處理制動(dòng)。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)引起減少制動(dòng)的制動(dòng)力。

因?yàn)閷?duì)于制動(dòng)來(lái)說(shuō)，從制動(dòng)能量回收中所起作用考慮，必須在減少制動(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。

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

豐田混合動(dòng)力汽車制動(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，按照制動(dòng)踏板力大小，通過(guò)行程模擬器，液壓制動(dòng)器實(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)。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(wèn)題，電子線控制動(dòng)的電子控制制動(dòng)器被開發(fā)。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(guò)液壓管路直接連接，而是通過(guò)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。

制動(dòng)能量回收控制受到制動(dòng)踏板力信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)電磁閥切換，傳遞到車輪制動(dòng)分泵。

2.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)力汽車上。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(guò)程如下。

IMA電機(jī)在制動(dòng)、緩慢減速時(shí)，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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”組成部分。它是由動(dòng)力控制單元PCU、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(guò)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(cè)BCM、電機(jī)控制模塊MCM、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊MDM。

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)。