制動能量回收系統(tǒng)原理

制動能量回收是現(xiàn)代電動汽車與混合動力車重要技術(shù)之一，也是它們的重要特點。在一般內(nèi)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(tǒng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑾虼髿庵嗅尫?。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(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿Υ嬗谛铍姵刂?，并進一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動能量。例如，當車輛起步或加速時，需要增大驅(qū)動力時，電機驅(qū)動力成為發(fā)動機的輔助動力，使電能獲得有效應用。

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(fā)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(tǒng)使氣門停止工作，發(fā)動機本身的機械摩擦(含泵氣損失)能夠減少約70%?；厥漳芰吭黾拥杰囕v運動能量的2/3。

制動能量回收系統(tǒng)包括與車型相適配的發(fā)電機、蓄電池以及可以監(jiān)視電池電量的智能電池管理系統(tǒng)。制動能量回收系統(tǒng)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(fā)電機將其轉(zhuǎn)化為電能，再儲存在蓄電池中，用于之后的加速行駛。這個蓄電池還可為車內(nèi)耗電設備供電，降低對發(fā)動機的依賴、發(fā)動機油耗及二氧化碳排放。

可以通過在發(fā)動機與電機之間設置離合器，在車輛減速時，使發(fā)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(yōu)化的協(xié)調(diào)控制。那么，為什么可以通過驅(qū)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(fā)電機工作狀態(tài)。

一般電學基礎理論早已闡明，表示電機驅(qū)動的工作原理是Fleming的左手定則，而表示發(fā)電原理的則是Fleming右手定則。由于電機運轉(zhuǎn)，線圈在阻礙磁通變化的方向上發(fā)生電動勢。該方向與使電機旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的增加而上升。由于轉(zhuǎn)速增加，原來使電機旋轉(zhuǎn)而流動的電流，其流動阻力加大，最后達到某一轉(zhuǎn)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(fā)生逆電動勢。這就是使電機起到發(fā)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(fā)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(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(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

豐田混合動力車制動能量回收系統(tǒng)是由原發(fā)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(fā)電機作用，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能量回收制動扭矩之間達到優(yōu)化目標的協(xié)調(diào)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(tǒng))實時進入相應工作，緊接著制動能量回收系統(tǒng)也將進入工作狀態(tài)。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。當車輛接近停止時，制動能量回收系統(tǒng)制動力變?yōu)榱?。這兩種制動力的能量變換比例與圖1中所示相應面積的比例相當。當液壓制動的面積小，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，導致駕駛員對制動路感變差不舒適。為解決這一問題開發(fā)了電子線控制動(Brake by Wire)的電子控制制動器(ECB: Electronic Control Brake)。如圖2所示，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，而是通過電控單元(ECU)向液壓能量供給源發(fā)出相應指令，使對應于制動能量回收制動強度的液壓傳遞到相應車輪制動分泵。因此，制動能量回收制動與液壓制動之和達到與制動踏板行程量相對應的制動力值，從而改善駕駛員制動操作時路感。

由圖2可知，制動能量回收控制受到腳制動踏板力信號經(jīng)過制動總泵與行程模擬器輸入部再進入液壓控制部(包括液壓泵電機、蓄壓器)的液壓機構(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)應用在2010款I(lǐng)nsight混合動力車上。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)電機控制模塊、動力蓄電池監(jiān)控模塊和電機驅(qū)動模塊。

制動能量回收系統(tǒng)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(fā)出相應指令使電機轉(zhuǎn)為發(fā)電機再生發(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(fā)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(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、動力蓄電池電控單元、能量回收電控單元、電機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(Intelligent Power Unit)"組成部分。它是由動力控制單元PCU(Power Control Unit)、高性能鎳氫蓄電池和制冷系統(tǒng)組成。PCU是IPU的核心部分，控制電機助力(即進入電動工況)。PCU通過接收節(jié)氣門傳感器輸入的開度信號，按照發(fā)動機的有關(guān)運行參數(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( Battery Condition Monitor)、電機控制模塊MCM(Motor Control Module)、電機驅(qū)動模塊MDM(Motor Driver Module)。

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)。

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(fā)動機脫穎而出，為新一代MINI開發(fā)的三款高技術(shù)發(fā)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(shù)提高了發(fā)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(tǒng)，能源管理系統(tǒng)確保發(fā)動機的輸出功率主要被轉(zhuǎn)化成為驅(qū)動力，只有在應用制動時或發(fā)動機處于超速狀態(tài)時才會轉(zhuǎn)化成電能供車載系統(tǒng)使用。為了達到這個效果，發(fā)電機會在發(fā)動機輸出功率，即加速或牽引汽車時自動與發(fā)動機脫離。因此，傳統(tǒng)模式下發(fā)電機消耗和從汽車那里獲得的動力現(xiàn)在全部用以實現(xiàn)更快更具動態(tài)的加速。因為在MINI回到超速狀態(tài)或駕駛者應用制動時，發(fā)電機就會再次啟動，從而確保車載系統(tǒng)能夠得到充足的電力供應。

供能裝置是制動系中供給、調(diào)節(jié)制動所需的能量，必要時還可以改善傳能介質(zhì)狀態(tài)的部件。其中產(chǎn)生制動能量的部分稱為制動能源。制動系按供能方式分為人力制動系(以人的肌體作為制動能源)、動力制動系、伺服制動系、慣性制動系和重力制動系等。

控制裝置指制動系中初始操作及控制制動效能的部件或機構(gòu)，如圖2中的踏板機構(gòu)。

傳能裝置是制動系中用以將控制制動器的能量輸送到制動促動器的部件。制動系按傳能方式分為氣壓、液壓、電磁、機械、組合制動系;按傳能裝置連接方式分為單回路、雙回路和多回路制動系。

制動器是制動系中產(chǎn)生阻止車輛運動或運動趨向的力的機構(gòu)，目前各類汽車所用的摩擦制動器可分為鼓式和盤式兩大類。

緩速裝置(緩速器)是用以使行駛中的汽車速度減低或穩(wěn)定在一定的速度范圍內(nèi)的機構(gòu)。包括液力緩速器、電渦輪緩速器、電機緩速器等。

制動管(線)路包括汽車各制動裝置之間，以及牽引車與掛車制動裝置之間的連接管(線)路。

輔助裝置是為改善制動性能和使用的方便性而在制動系中增設的裝置，包括報警裝置、保護壓力裝置、制動力調(diào)節(jié)裝置和車輪防抱死裝置等。

附加裝置是為掛車制動系供能和控制制動而在牽引車制動系中裝置的部件。

使行駛中的汽車減速甚至停車，使下坡行駛的汽車的速度保持穩(wěn)定，以及使已停駛的汽車保持不動，這些作用統(tǒng)稱為制動；汽車上裝設的一系列專門裝置，以便駕駛員能根據(jù)道路和交通等情況，借以使外界（主要是路面）在汽車某些部分（主要是車輪）施加一定的力，對汽車進行一定程度的制動，這種可控制的對汽車進行制動的外力稱為制動力；這樣的一系列專門裝置即稱為制動系。

這種用以使行駛中的汽車減速甚至停車的制動系稱為行車制動系；用以使已停駛的汽車駐留原地不動的裝置，稱為駐車制動系。這兩個制動系是每輛汽車必須具備的。

任何制動系都具有以下四個基本組成部分：

1） 供能裝置，包括供給、調(diào)節(jié)制動所需能量以及改善傳能介質(zhì)狀態(tài)的各種部件。

2） 控制裝置，包括產(chǎn)生制動動作和控制制動效果的各種部件。

3） 傳動裝置，包括將制動能量傳輸?shù)街苿悠鞯母鱾€部件

4） 制動器，產(chǎn)生阻礙車輛的運動或運動趨勢的力（制動力）的部件，其中包括輔助制動系中的緩速裝置。

按制動能源來分類，行車制動系可分為，以駕駛員的肌體作為唯一制動能源的制動系稱為人力制動系；完全靠由發(fā)動機的動力轉(zhuǎn)化而成的氣壓或液壓形式的勢能進行制動的則是動力制動系，其制動源可以是發(fā)動機驅(qū)動的空氣壓縮機或油泵；兼用人力和發(fā)動機動力進行制動的制動系稱為伺服制動系。

駐車制動系可以是人力式或動力式。專門用于掛車的還有慣性制動系和重力制動系。

按照制動能量的傳輸方式，制動系可分為機械式、液壓式、氣壓式和電磁式等。同時采用兩種以上傳能方式的制動系可稱為組合式制動系。

電子駐車制動系統(tǒng)(EPB: Electrical Park Brake)是指將行車過程中的臨時性制動和停車后的長時性制動功能整合在一起，并且由電子控制方式實現(xiàn)停車制動的技術(shù)。電子手剎是由電子控制方式實現(xiàn)停車制動的技術(shù)，其工作原理與機械式手剎相同，均是通過剎車盤與剎車片產(chǎn)生的摩擦力來達到控制停車制動，只不過控制方式從之前的機械式手剎拉桿變成了電子按鈕。

電子手剎從基本的駐車功能延伸到自動駐車功能AUTO HOLD。AUTO HOLD自動駐車功能技術(shù)的運用，使得駕駛者在車輛停下時不需要長時間剎車。啟動自動電子駐車制動的情況下，能夠避免車輛不必要的滑行，簡單的說就是車輛不會溜后。