◆文/山東 程增木

汽車制動能量回收系統(tǒng)介紹

◆文/山東 程增木

一、原理

制動能量回收是混合動力汽車與純電動汽車重要技術(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、制動時，車輛的運(yùn)動能量通過制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向大氣中釋放。而在混合動力汽車與純電動汽車上，這種被浪費(fèi)掉的運(yùn)動能量可通過制動能量回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿Υ嬗谲囕v蓄電池中，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動能量。例如，當(dāng)車輛起步或加速時，需要增大驅(qū)動力時，電機(jī)驅(qū)動力成為發(fā)動機(jī)的輔助動力，使電能獲得有效應(yīng)用。

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

在汽車發(fā)動機(jī)氣門不停止情況下，減速時能夠回收的能量約是車輛運(yùn)動能量的1/3。通過智能氣門正時與升程控制系統(tǒng)使氣門停止工作，發(fā)動機(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)動能量的2/3。

二、解決方案

通過在發(fā)動機(jī)與電機(jī)之間設(shè)置離合器，在車輛減速時，使發(fā)動機(jī)停止輸出功率而得以解決。但制動能量回收還涉及到混合動力汽車的液壓制動與制動能量回收的復(fù)雜平衡或條件優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制。那么，為什么通過驅(qū)動電機(jī)能夠回收車輛的運(yùn)動能量呢？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)生電動勢。該方向與使電機(jī)旋轉(zhuǎn)而流動的電流方向相反，因此被稱為逆電動勢。逆電動勢隨著轉(zhuǎn)速的增加而上升。由于轉(zhuǎn)速增加，原來使電機(jī)旋轉(zhuǎn)而流動的電流，其流動阻力加大，最后達(dá)到某一轉(zhuǎn)速，就不能再向上超出。所以，制動時通過電機(jī)的電流被切斷，代之而發(fā)生逆電動勢。這就是使電機(jī)起到發(fā)電機(jī)作用的制動能量回收的原理。上述這種電機(jī)稱為“電動機(jī)發(fā)電機(jī)”。

然而，當(dāng)制動能量回收制動實施時，如何處理制動。制動時，制動踏板行程(或強(qiáng)度)如何與制動能量回收系統(tǒng)保持協(xié)調(diào)關(guān)系。這是因為起到制動能量回收作用的制動部分，會引起減少制動的制動力。

因為對于制動來說，從制動能量回收中所起作用考慮，必須在減少制動的制動力方面做出相應(yīng)措施。在制動力減少的同時，制動踏板的踏板力要求與踏板行程相對應(yīng)。重要的是，不論發(fā)生或不發(fā)生制動能量回收，與通常車輛一樣，制動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.豐田混合動力汽車的制動能量回收與液壓制動的協(xié)調(diào)控制

豐田混合動力汽車制動能量回收系統(tǒng)是由原發(fā)動機(jī)車型的液壓制動器(包括液壓傳感器、液壓閥)與電機(jī)(減速、制動時起發(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系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用制動能量回收與液壓制動的協(xié)調(diào)控制，其協(xié)調(diào)制動的原理是在不同路況和工況條件下首先確保車輛制動穩(wěn)定性和安全性，同時考慮到動力蓄電池的再生制動的能力(由動力蓄電池電控單元控制)，使車輪制動扭矩與電機(jī)能量回收制動扭矩之間達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制，并由整車電控單元實施集中控制。

當(dāng)駕駛員踩制動踏板，按照制動踏板力大小，通過行程模擬器，液壓制動器實時進(jìn)入相應(yīng)工作，緊接著制動能量回收系統(tǒng)也將進(jìn)入工作狀態(tài)。如果動力蓄電池的電控單元判斷動力蓄電池有相應(yīng)的荷電量(SOC)回收能力，制動能量回收制動力占整個制動力的相應(yīng)部分。當(dāng)車輛接近停止時，制動能量回收系統(tǒng)制動力變?yōu)榱恪＿@兩種制動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)液壓制動的面積小，制動能量回收制動的面積大時，表示制動能量回收量增加。增加制動能量回收的面積直接與降低燃油耗相關(guān)。但是在液壓制動保持不變的狀態(tài)下，只考慮制動能量回收率上升而增加制動力，導(dǎo)致駕駛員對制動路感變差不舒適。為解決這一問題，電子線控制動的電子控制制動器被開發(fā)。在電子控制制動器中，制動踏板與車輪制動分泵不是通過液壓管路直接連接，而是通過ECU向液壓能量供給源發(fā)出相應(yīng)指令，使對應(yīng)于制動能量回收制動強(qiáng)度的液壓傳遞到相應(yīng)車輪制動分泵。因此，制動能量回收制動與液壓制動之和達(dá)到與制動踏板行程量相對應(yīng)的制動力值，從而改善駕駛員制動操作時路感。

制動能量回收控制受到制動踏板力信號經(jīng)過制動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)過制動液壓調(diào)節(jié)傳遞到車輪制動分泵，同時該液壓信號如果系統(tǒng)發(fā)生故障停止時，液壓緊急啟動，電磁切換閥開啟，即又通過電磁閥切換，傳遞到車輪制動分泵。

2.本田第四代IMA混合動力系統(tǒng)的制動能量回收系統(tǒng)控制

本田第四代IMA混合動力系統(tǒng)應(yīng)用在2010款I(lǐng)nsight混合動力汽車上。其制動能量回收系統(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、動力蓄電池監(jiān)控模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊。制動能量回收系統(tǒng)工作過程如下。

IMA電機(jī)在制動、緩慢減速時，通過混合動力整車電控單元發(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，通過制動能量回收控制系統(tǒng)以電能形式向動力蓄電池充電。其基本工作過程是：當(dāng)制動時，制動踏板傳感器使IMA電控單元激活制動總泵伺服裝置，通過動力蓄電池電控單元、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)械制動和電機(jī)能量回收之間制動力協(xié)調(diào)均衡以實現(xiàn)最優(yōu)能量回收。第四代IMA系統(tǒng)采用了可變制動能量分配比率，比上一代的制動能量回收能力增加70% 。

IMA電機(jī)、動力蓄電池電控單元、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混合動力系統(tǒng)的“智能動力單元IPU”組成部分。它是由動力控制單元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)入電動工況)。PCU通過接收節(jié)氣門傳感器輸入的開度信號，按照發(fā)動機(jī)的有關(guān)運(yùn)行參數(shù)和動力蓄電池荷電狀態(tài)等信號決定電能輔助量，并同時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、電機(jī)控制模塊MCM、電機(jī)驅(qū)動模塊MDM。

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