汽車制動能量回收系統

夏功武

摘 要：制動能量回收系統（Braking Energy Recovery System）是指一種應用于汽車或者軌道交通上的，能夠將制動時產生的熱能轉換成機械能，并將其存儲在電容器內，在使用時可迅速將能力釋放的系統。

關鍵詞：制動能量回收； 控制器； 能量回收系統效率

引言：制動能量回收系統包括與車型相適配的 發電機、 蓄電池以及可以監視電池電量的智能 電池管理系統。制動能量回收系統回收車輛在制動或慣性滑行中釋放出的多余能量，并通過發電機將其轉化為電能，再儲存在蓄電池中，用于之后的加速行駛。

一、原理

制動能量回收是現代電動汽車與混合動力車重要技術之一，也是它們的重要特點。在一般 內燃機汽車上，當車輛減速、制動時，車輛的運動能量通過制動系統而轉變為熱能，并向大氣中釋放。而在電動汽車與混合動力車上，這種被浪費掉的運動能量已可通過制動能量回收技術轉變為電能并儲存于蓄電池中，并進一步轉化為驅動能量。

一般認為，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。

在發動機氣門不停止工作場合，減速時能夠回收的能量約是車輛運動能量的1/3。通過智能氣門正時與升程控制系統使氣門停止工作，發動機本身的機械摩擦（含泵氣損失）能夠減少約70%。回收能量增加到車輛運動能量的2/3。

二、解決方案

可以通過在發動機與電機之間設置 離合器，在車輛減速時，使發動機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車的液壓制動與制動能量回收的復雜平衡或條件優化的協調控制。那么，為什么可以通過驅動電機能夠回收車輛的運動能量呢？概要地說，其原因就是電機工作的逆過程就是發電機工作狀態。

一般電學基礎理論早已闡明，表示電機驅動的工作原理是Fleming的左手定則，而表示發電原理的則是Fleming右手定則。由于電機運轉，線圈在阻礙磁通變化的方向上發生電動勢。該方向與使電機旋轉而流動的電流方向相反。于是人們稱為逆電動勢。逆電動勢隨著轉速的增加而上升。由于轉速增加，原來使電機旋轉而流動的電流，其流動阻力加大，最后達到某一轉速，就不能再向上超出。所以，制動時通過電機的電流被切斷，代之而發生逆電動勢。這就是使電機起到發電機作用的制動能量回收的原理。上述這種電機稱為“電動機發電機。

然而，當制動能量回收制動實施時，如何處理腳制動。腳制動時，制動踏板行程（或強度）如何與制動能量回收系統保持協調關系。這是因為起到制動能量回收作用的制動部分，會引起減少腳制動的制動力。

因為對于腳制動來說，從制動能量回收中所起作用考慮，必須在減少腳制動的制動力方面做出相應措施。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。

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

1、豐田混合動力車的制動能量回收與液壓制動的協調控制

豐田混合動力車制動能量回收系統是由原發動機車型的液壓制動器（包括液壓傳感器、液壓閥）與電機（減速、制動時起發電機作用，即轉變為能量回收發電工況）、逆變器、電控單元（包括動力蓄電池電控單元、電機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的特點是采用制動能量回收與液壓制動的協調控制，其協調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能量回收制動扭矩之間達到優化目標的協調控制，并由整車電控單元實施集中控制。

當駕駛員踩 制動踏板，則按照制動踏板力大小，通過行程模擬器（Stroke Simulator）等部分，液壓制動器（液壓伺服制動系統）實時進入相應工作，緊接著制動能量回收系統也將進入工作狀態。亦即如果動力蓄電池的電控單元判斷動力蓄電池有相應的荷電量（SOC）回收能力，制動能量回收制動力占整個制動力的相應部分。制動能量回收控制受到腳制動踏板力信號經過制動總泵與行程模擬器輸入部再進入液壓控制部（包括液壓泵電機、蓄壓器）的液壓機構再經過制動液壓調節傳遞到車輪制動分泵，同時該液壓信號如果系統發生故障停止時，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混合動力系統的制動能量回收系統控制

本田第四代IMA混合動力系統應用在2010款Insight混合動力車上。其制動能量回收系統采用執行器和電控單元組成一體化模塊型式，包括IMA系統電機控制模塊、動力蓄電池監控模塊和電機驅動模塊。

制動能量回收系統工作過程如下：

IMA電機在制動、緩慢減速時，通過混合動力整車電控單元發出相應指令使電機轉為發電機再生發電工況，通過制動能量回收控制系統以電能形式向動力蓄電池充電。其基本工作過程是：當制動時，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、電機電控單元等電控單元發出相應指令，使液壓機械制動和電機能量回收之間制動力協調均衡以實現最優能量回收。第四代IMA系統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% 。

綜觀現有實用化的不同的混合動力系統，制動能量回收控制在細節上有所不同。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。

三、優點

MINI Clubman從一開始就憑借獨特的概念，外向的設計以及別具魅力的發動機脫穎而出，為新一代MINI開發的三款高技術發動機確保了無時不在的運動駕駛樂趣和非凡的高效。

這些智能技術提高了發動機的效率，適度降低了耗油量，同時也進一步提高了駕駛樂趣。這里一個很好的例子就是制動能量回收系統，能源管理系統確保發動機的輸出功率主要被轉化成為驅動力，只有在應用制動時或發動機處于超速狀態時才會轉化成電能供車載系統使用。為了達到這個效果，發電機會在發動機輸出功率，即加速或牽引汽車時自動與發動機脫離。因此，傳統模式下發電機消耗和從汽車那里獲得的動力現在全部用以實現更快更具動態的加速。因為在MINI回到超速狀態或駕駛者應用制動時，發電機就會再次啟動，從而確保車載系統能夠得到充足的電力供應。

參考文獻：

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