想免費(fèi)充電?先松油門!　動(dòng)能回收技術(shù)進(jìn)階剖析

李爾欣

能量回收有幾種

說到能夠在駕駛者松開油門時(shí)白發(fā)地為動(dòng)力電池充電的“隱藏發(fā)電機(jī)”，這顯然是指新能源汽車的動(dòng)能回收系統(tǒng)，并且是與制動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，又稱再生制動(dòng)系統(tǒng)或能量回饋式制動(dòng)系統(tǒng)。

因?yàn)椋⒉皇撬蠯inetic Energy Recovery System動(dòng)能回收系統(tǒng)都會(huì)把收回來的能量存到電池里。比如在燃油車嘗試過的機(jī)械飛輪式KERS系統(tǒng)中就沒有電池和電機(jī)，而是將車輛減速時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能通過高速旋轉(zhuǎn)的飛輪暫存起來，之后再釋放出來用以短時(shí)間驅(qū)動(dòng)車輛，從而在制動(dòng)與再啟動(dòng)之間為發(fā)動(dòng)機(jī)爭(zhēng)取到短暫的休息機(jī)會(huì)，進(jìn)而減少油耗與排放。此外，在可用于軌道交通工具的飛輪儲(chǔ)能式再生制動(dòng)系統(tǒng)中也沒有電池：在制動(dòng)時(shí)，多余的動(dòng)能先變成電能驅(qū)使電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)存為動(dòng)能，隨后飛輪再減速釋放動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使其發(fā)電。

換句話說，只有現(xiàn)役新能源汽車廣泛應(yīng)用的電池——電機(jī)式動(dòng)能回收系統(tǒng)，才會(huì)在車輛制動(dòng)或減速滑行時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，并給動(dòng)力電池充電。

01.機(jī)械飛輪式動(dòng)能回收系統(tǒng)。

常見的新能源車能量回收方法

只是在實(shí)際應(yīng)用中，電池—電機(jī)式動(dòng)能回收系統(tǒng)的放電過程并不一定都是先由電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁體在慣性作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)生成磁感應(yīng)線，然后被定子繞組切割磁感應(yīng)線，從而產(chǎn)生反向感應(yīng)電流，再讓電流經(jīng)逆變器回充給動(dòng)力電池（說白話點(diǎn)就好像燃油車是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，而這個(gè)過程是利用車輛的移動(dòng)動(dòng)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電）。

事實(shí)上，當(dāng)電機(jī)控制器收到減速信號(hào)時(shí)，立馬就能通過控制交變電流的相位等方式使電機(jī)在不改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的前提下，產(chǎn)生反向扭矩，并直接輸出反向功率，讓電動(dòng)機(jī)變發(fā)電機(jī)，直到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至Orpm才結(jié)束反向充電。與此同時(shí)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與車輪耦合的電機(jī)轉(zhuǎn)子，也利用反向扭矩，對(duì)車輪施以電制動(dòng)，直到它完全停止旋轉(zhuǎn)。

02.電池—電機(jī)式動(dòng)能回收系統(tǒng)。

而在整個(gè)電制動(dòng)過程中，電機(jī)控制器還可以根據(jù)人工指令調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)定子繞組的電流，從而改變定子磁場(chǎng)的強(qiáng)度，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)子的力矩，亦即電機(jī)的扭矩。又因?yàn)榕ぞ嘏c電機(jī)驅(qū)動(dòng)或發(fā)電時(shí)的功率成正比，而在動(dòng)能回收系統(tǒng)中，發(fā)電功率又等同于能量回收強(qiáng)度，也就是說，能量回收強(qiáng)度調(diào)得越大，定子“拉扯”轉(zhuǎn)子的力度便越大，而轉(zhuǎn)子也會(huì)因此更快地停止轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)地，車內(nèi)乘員感受到的拖拽感與頓挫感便愈發(fā)強(qiáng)烈。

回收效率仍有優(yōu)化空間

這意味著，越是需要頻繁制動(dòng)的路況，越應(yīng)當(dāng)調(diào)高能量回收強(qiáng)度，最好一收油門就能激活電制動(dòng)，既能多充電，又能保護(hù)傳統(tǒng)的液壓剎車系統(tǒng)。相反，在需要暢順動(dòng)力的高速巡航等場(chǎng)景，則需調(diào)低能量回收強(qiáng)度，以便維持車速或舒適的駕乘體驗(yàn)。

然而，電池一電機(jī)式動(dòng)能回收系統(tǒng)雖然可以為電池充電，并額外提供再生電能制動(dòng)，但由于在回收動(dòng)能的過程中要經(jīng)過機(jī)械能向電能、電能向化學(xué)能等多次能量轉(zhuǎn)換，因此，其能量回收效率并不及機(jī)械飛輪式和電驅(qū)飛輪式：即便在較為理想的條件下，電池一電機(jī)式動(dòng)能回收系統(tǒng)也只能回收到34%的能量，而機(jī)械飛輪式與電驅(qū)飛輪式的回收率卻分別高達(dá)70%和90%左右。要是再考慮到現(xiàn)實(shí)世界的各種阻力跟損耗，實(shí)際回收效率可能只有10%上下，約等于為車輛延長(zhǎng)10～20km的續(xù)航里程。這點(diǎn)補(bǔ)償對(duì)于已經(jīng)綁定里程焦慮的新能源汽車來說，未免略嫌杯水車薪。

不僅如此，現(xiàn)役電池一電機(jī)式動(dòng)能回收系統(tǒng)還有別的“毛病”。比如在收油門激活電制動(dòng)時(shí)，只有少數(shù)車型會(huì)在單踏板模式下點(diǎn)亮剎車燈，多數(shù)車型即便已有明顯的減速也不會(huì)亮起剎車燈，存在較大的安全隱患。另外，動(dòng)能回收系統(tǒng)在發(fā)電時(shí)的電壓與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此當(dāng)車速過低時(shí)，動(dòng)能回收系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的電壓就會(huì)低于電池的輸入電壓，為避免額外耗電，系統(tǒng)會(huì)停止回收動(dòng)能并暫停電制動(dòng)，而此時(shí)并非所有使用單踏板模式的車型都會(huì)用液壓制動(dòng)系統(tǒng)繼續(xù)剎車，相反，有部分車型會(huì)因?yàn)殡娭苿?dòng)的消失而開始滑行，以至于發(fā)生事故。

總而言之，目前使用的電池一電機(jī)式動(dòng)能回收系統(tǒng)仍有優(yōu)化、完善的空間，包括但不限于：1.調(diào)整回收策略，讓液壓制動(dòng)與電制動(dòng)之間能夠無縫切換，并且配合得更加協(xié)調(diào)，在盡量多回收能量的同時(shí)，也能及時(shí)給予車輛足夠的制動(dòng)力;2.調(diào)校電機(jī)控制器，進(jìn)一步降低電制動(dòng)力對(duì)車輛動(dòng)態(tài)的影響……

動(dòng)能回收系統(tǒng)的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)仍是乘用車的主流制動(dòng)系統(tǒng)之一，因此，多數(shù)應(yīng)用動(dòng)能回收系統(tǒng)的新能源汽車實(shí)際上配備的都是由液壓制動(dòng)與電制動(dòng)組成的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)。于是，如何協(xié)調(diào)兩套制動(dòng)系統(tǒng)互相配合工作，便成為設(shè)定動(dòng)能回收策略的一大課題。

既然是基于電信號(hào)進(jìn)行操作，那自然要有電子控制部件，哪怕是原始的真空助力液壓制動(dòng)系統(tǒng)，也必須裝上EVP電子真空泵，并輔以氣壓傳感器和ESP車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)，才能配合動(dòng)能回收系統(tǒng)的電制動(dòng)系統(tǒng)共同完成制動(dòng)操作。

目前，主流純電動(dòng)車普遍采用EHB電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)來搭檔再生電制動(dòng)系統(tǒng)。其中，無論EHB系統(tǒng)是否集成ESP，整個(gè)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)都支持由加速踏板或制動(dòng)踏板激活再生制動(dòng)系統(tǒng)，并由制動(dòng)系統(tǒng)的ECU電子控制單元智能分配再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)的補(bǔ)償比例，以確保得到線性、持續(xù)的制動(dòng)力以及萬全的失效保護(hù)。順便一提，在此類復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中，剎車踏板若能與制動(dòng)系統(tǒng)解耦，不僅可以讓ECU更自由地協(xié)調(diào)控制兩套制動(dòng)系統(tǒng)，更能靈活模擬駕駛者想要的踏板感受。

眼下，部分廠商正在嘗試用沒有任何液壓裝置的EMB電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)取代EHB制動(dòng)系統(tǒng)，或者與之并立。畢竟電機(jī)的響應(yīng)要快得多，而且更易調(diào)控和養(yǎng)護(hù)。但現(xiàn)有EMB制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力還達(dá)不到EHB的強(qiáng)度，仍有待完善。

F1賽車的動(dòng)能回收系統(tǒng)

不管動(dòng)能回收系統(tǒng)本身誕生于何時(shí)，但老百姓最早聽到“動(dòng)能回收系統(tǒng)”這個(gè)詞應(yīng)該是在2008年。當(dāng)時(shí)，經(jīng)過FIA的大力宣傳，外界都知道F1車隊(duì)將要自愿試用一套名為KERS動(dòng)能回收系統(tǒng)的“環(huán)保裝置”，并且有兩個(gè)選擇：由FIvnnd Svstems LLP公司開發(fā)的機(jī)械飛輪式KERS;以及多家車隊(duì)基于各自的制造商資源研發(fā)的電池—電機(jī)式動(dòng)能回收系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)的工作原理跟現(xiàn)在民用車的對(duì)應(yīng)版本大同小異，但當(dāng)年不夠成熟的技術(shù)讓F1賽車的KERS表現(xiàn)得極其不靠譜，不但危險(xiǎn)，而且效果也低于預(yù)期。以至于KERS系統(tǒng)在2010賽季一度退出F1賽場(chǎng)。

2014年，已回歸3年的KERS系統(tǒng)進(jìn)化成ERS能量回收系統(tǒng)。新的ERS系統(tǒng)包括MGU-K動(dòng)能電機(jī)、MGU-H熱能電機(jī)、ES儲(chǔ)能單元和CE控制單元。其中，MGU-K便是此前KERS動(dòng)能回收系統(tǒng)的電機(jī)單元，而MGU-H則是新增的熱能電機(jī)，本質(zhì)上是由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣帶動(dòng)的發(fā)電/驅(qū)動(dòng)一體電機(jī)，除回收熱能發(fā)電外，還可以電力驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子。同時(shí)，MGU-K與MGU-H轉(zhuǎn)換的電能則在CE的調(diào)配下統(tǒng)一存入ES的電池中。

而根據(jù)最新的2021賽季規(guī)則，屆時(shí)，F(xiàn)1賽車將采用統(tǒng)一規(guī)格的ES和CE，以及性能更強(qiáng)、且支持手動(dòng)控制的MGU-K動(dòng)能回收系統(tǒng)，并取消MGU-H熱能回收系統(tǒng)。

01.奧迪曾研發(fā)過從懸掛回收能量為電池充電的能量回收系統(tǒng)。

02.F1賽車動(dòng)力單元里的MGU-K熱能電機(jī)其實(shí)是回收熱能發(fā)電的能量回收系統(tǒng)。

此外，純電動(dòng)車還需考慮頻繁充放電對(duì)于電池性能與壽命的影響，并針對(duì)不同的電池狀態(tài)設(shè)定相應(yīng)的回收策略。而對(duì)于油電混合動(dòng)力車，情況又有些復(fù)雜，例如在部分混合動(dòng)力系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接相連，并且沒有額外配備發(fā)電啟動(dòng)電機(jī)，一旦電制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，正好發(fā)動(dòng)機(jī)也在做功，就會(huì)抵消部分能量，并加重發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的機(jī)械摩擦損耗，這時(shí)就需要電控系統(tǒng)及時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，或通過離合器將發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)解耦……。凡此種種，都是今后動(dòng)能回收系統(tǒng)的改良方向。