想免費充電?先松油門!　動能回收技術進階剖析

李爾欣

能量回收有幾種

說到能夠在駕駛者松開油門時白發地為動力電池充電的“隱藏發電機”，這顯然是指新能源汽車的動能回收系統，并且是與制動系統相結合的制動能量回收系統，又稱再生制動系統或能量回饋式制動系統。

因為，并不是所有Kinetic Energy Recovery System動能回收系統都會把收回來的能量存到電池里。比如在燃油車嘗試過的機械飛輪式KERS系統中就沒有電池和電機，而是將車輛減速時產生的動能通過高速旋轉的飛輪暫存起來，之后再釋放出來用以短時間驅動車輛，從而在制動與再啟動之間為發動機爭取到短暫的休息機會，進而減少油耗與排放。此外，在可用于軌道交通工具的飛輪儲能式再生制動系統中也沒有電池：在制動時，多余的動能先變成電能驅使電機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉存為動能，隨后飛輪再減速釋放動能，驅動電機使其發電。

換句話說，只有現役新能源汽車廣泛應用的電池——電機式動能回收系統，才會在車輛制動或減速滑行時將動能轉化成電能，并給動力電池充電。

01.機械飛輪式動能回收系統。

常見的新能源車能量回收方法

只是在實際應用中，電池—電機式動能回收系統的放電過程并不一定都是先由電機的轉子磁體在慣性作用下繼續旋轉生成磁感應線，然后被定子繞組切割磁感應線，從而產生反向感應電流，再讓電流經逆變器回充給動力電池（說白話點就好像燃油車是發動機驅動發電機，而這個過程是利用車輛的移動動能驅動電機發電）。

事實上，當電機控制器收到減速信號時，立馬就能通過控制交變電流的相位等方式使電機在不改變轉子旋轉方向的前提下，產生反向扭矩，并直接輸出反向功率，讓電動機變發電機，直到轉子轉速降至Orpm才結束反向充電。與此同時，通過傳動機構與車輪耦合的電機轉子，也利用反向扭矩，對車輪施以電制動，直到它完全停止旋轉。

02.電池—電機式動能回收系統。

而在整個電制動過程中，電機控制器還可以根據人工指令調節驅動定子繞組的電流，從而改變定子磁場的強度，進而控制轉子的力矩，亦即電機的扭矩。又因為扭矩與電機驅動或發電時的功率成正比，而在動能回收系統中，發電功率又等同于能量回收強度，也就是說，能量回收強度調得越大，定子“拉扯”轉子的力度便越大，而轉子也會因此更快地停止轉動，相應地，車內乘員感受到的拖拽感與頓挫感便愈發強烈。

回收效率仍有優化空間

這意味著，越是需要頻繁制動的路況，越應當調高能量回收強度，最好一收油門就能激活電制動，既能多充電，又能保護傳統的液壓剎車系統。相反，在需要暢順動力的高速巡航等場景，則需調低能量回收強度，以便維持車速或舒適的駕乘體驗。

然而，電池一電機式動能回收系統雖然可以為電池充電，并額外提供再生電能制動，但由于在回收動能的過程中要經過機械能向電能、電能向化學能等多次能量轉換，因此，其能量回收效率并不及機械飛輪式和電驅飛輪式：即便在較為理想的條件下，電池一電機式動能回收系統也只能回收到34%的能量，而機械飛輪式與電驅飛輪式的回收率卻分別高達70%和90%左右。要是再考慮到現實世界的各種阻力跟損耗，實際回收效率可能只有10%上下，約等于為車輛延長10～20km的續航里程。這點補償對于已經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，現役電池一電機式動能回收系統還有別的“毛病”。比如在收油門激活電制動時，只有少數車型會在單踏板模式下點亮剎車燈，多數車型即便已有明顯的減速也不會亮起剎車燈，存在較大的安全隱患。另外，動能回收系統在發電時的電壓與轉子的轉速有關，因此當車速過低時，動能回收系統發電機的電壓就會低于電池的輸入電壓，為避免額外耗電，系統會停止回收動能并暫停電制動，而此時并非所有使用單踏板模式的車型都會用液壓制動系統繼續剎車，相反，有部分車型會因為電制動的消失而開始滑行，以至于發生事故。

總而言之，目前使用的電池一電機式動能回收系統仍有優化、完善的空間，包括但不限于：1.調整回收策略，讓液壓制動與電制動之間能夠無縫切換，并且配合得更加協調，在盡量多回收能量的同時，也能及時給予車輛足夠的制動力;2.調校電機控制器，進一步降低電制動力對車輛動態的影響……

動能回收系統的復合制動系統

由于傳統液壓制動系統仍是乘用車的主流制動系統之一，因此，多數應用動能回收系統的新能源汽車實際上配備的都是由液壓制動與電制動組成的復合制動系統。于是，如何協調兩套制動系統互相配合工作，便成為設定動能回收策略的一大課題。

既然是基于電信號進行操作，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系統，也必須裝上EVP電子真空泵，并輔以氣壓傳感器和ESP車身電子穩定系統，才能配合動能回收系統的電制動系統共同完成制動操作。

目前，主流純電動車普遍采用EHB電控液壓制動系統來搭檔再生電制動系統。其中，無論EHB系統是否集成ESP，整個復合制動系統都支持由加速踏板或制動踏板激活再生制動系統，并由制動系統的ECU電子控制單元智能分配再生制動與液壓制動的補償比例，以確保得到線性、持續的制動力以及萬全的失效保護。順便一提，在此類復合制動系統中，剎車踏板若能與制動系統解耦，不僅可以讓ECU更自由地協調控制兩套制動系統，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電子機械制動系統取代EHB制動系統，或者與之并立。畢竟電機的響應要快得多，而且更易調控和養護。但現有EMB制動系統的制動力還達不到EHB的強度，仍有待完善。

F1賽車的動能回收系統

不管動能回收系統本身誕生于何時，但老百姓最早聽到“動能回收系統”這個詞應該是在2008年。當時，經過FIA的大力宣傳，外界都知道F1車隊將要自愿試用一套名為KERS動能回收系統的“環保裝置”，并且有兩個選擇：由FIvnnd Svstems LLP公司開發的機械飛輪式KERS;以及多家車隊基于各自的制造商資源研發的電池—電機式動能回收系統。兩套系統的工作原理跟現在民用車的對應版本大同小異，但當年不夠成熟的技術讓F1賽車的KERS表現得極其不靠譜，不但危險，而且效果也低于預期。以至于KERS系統在2010賽季一度退出F1賽場。

2014年，已回歸3年的KERS系統進化成ERS能量回收系統。新的ERS系統包括MGU-K動能電機、MGU-H熱能電機、ES儲能單元和CE控制單元。其中，MGU-K便是此前KERS動能回收系統的電機單元，而MGU-H則是新增的熱能電機，本質上是由渦輪發動機的廢氣帶動的發電/驅動一體電機，除回收熱能發電外，還可以電力驅動渦輪轉子。同時，MGU-K與MGU-H轉換的電能則在CE的調配下統一存入ES的電池中。

而根據最新的2021賽季規則，屆時，F1賽車將采用統一規格的ES和CE，以及性能更強、且支持手動控制的MGU-K動能回收系統，并取消MGU-H熱能回收系統。

01.奧迪曾研發過從懸掛回收能量為電池充電的能量回收系統。

02.F1賽車動力單元里的MGU-K熱能電機其實是回收熱能發電的能量回收系統。

此外，純電動車還需考慮頻繁充放電對于電池性能與壽命的影響，并針對不同的電池狀態設定相應的回收策略。而對于油電混合動力車，情況又有些復雜，例如在部分混合動力系統中，發動機與驅動電機直接相連，并且沒有額外配備發電啟動電機，一旦電制動系統工作時，正好發動機也在做功，就會抵消部分能量，并加重發動機內部的機械摩擦損耗，這時就需要電控系統及時關閉發動機，或通過離合器將發動機與電動機解耦……。凡此種種，都是今后動能回收系統的改良方向。