汽车制动能量回收系统介绍

◆文/山东 程增木

汽车制动能量回收系统介绍

◆文/山东 程增木

一、原理

制动能量回收是混合动力汽车与纯电动汽车重要技术之一，也是它们的重要特点。当内燃机汽车在减速、制动时，车辆的运动能量通过制动系统转变为热能，并向大气中释放。而在混合动力汽车与纯电动汽车上，这种被浪费掉的运动能量可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于车辆蓄电池中，并进一步转化为驱动能量。例如，当车辆起步或加速时，需要增大驱动力时，电机驱动力成为发动机的辅助动力，使电能获得有效应用。

一般认为，在车辆非紧急制动的普通制动场合，约1/5的能量可以通过制动回收。制动能量回收按照混合动力的工作方式不同而有所不同。

在汽车发动机气门不停止情况下，减速时能够回收的能量约是车辆运动能量的1/3。通过智能气门正时与升程控制系统使气门停止工作，发动机本身的机械摩擦(含泵气损失)能够减少约70%，回收能量增加到车辆运动能量的2/3。

二、解决方案

通过在发动机与电机之间设置离合器，在车辆减速时，使发动机停止输出功率而得以解决。但制动能量回收还涉及到混合动力汽车的液压制动与制动能量回收的复杂平衡或条件优化的协调控制。那么，为什么通过驱动电机能够回收车辆的运动能量呢？概要地说，其原因就是电机工作的逆过程就是发电机工作状态。

一般电学基础理论早已阐明，表示电机驱动的工作原理是法拉第的左手定则，而表示发电原理的则是法拉第右手定则。由于电机运转，线圈在阻碍磁通变化的方向上发生电动势。该方向与使电机旋转而流动的电流方向相反，因此被称为逆电动势。逆电动势随着转速的增加而上升。由于转速增加，原来使电机旋转而流动的电流，其流动阻力加大，最后达到某一转速，就不能再向上超出。所以，制动时通过电机的电流被切断，代之而发生逆电动势。这就是使电机起到发电机作用的制动能量回收的原理。上述这种电机称为“电动机发电机”。

然而，当制动能量回收制动实施时，如何处理制动。制动时，制动踏板行程(或强度)如何与制动能量回收系统保持协调关系。这是因为起到制动能量回收作用的制动部分，会引起减少制动的制动力。

因为对于制动来说，从制动能量回收中所起作用考虑，必须在减少制动的制动力方面做出相应措施。在制动力减少的同时，制动踏板的踏板力要求与踏板行程相对应。重要的是，不论发生或不发生制动能量回收，与通常车辆一样，制动踏板的作用依然存在，为此，开发了一种称为行程模拟器(Stroke Simulator)的装置。

1.丰田混合动力汽车的制动能量回收与液压制动的协调控制

丰田混合动力汽车制动能量回收系统是由原发动机车型的液压制动器(包括液压传感器、液压阀)与电机(减速、制动时起发电机作用，即转变为能量回收发电工况)、逆变器、电控单元(包括动力蓄电池电控单元、电机电控单元和能量回收电控单元)组成。

丰田的能量回收制动系统的特点是采用制动能量回收与液压制动的协调控制，其协调制动的原理是在不同路况和工况条件下首先确保车辆制动稳定性和安全性，同时考虑到动力蓄电池的再生制动的能力(由动力蓄电池电控单元控制)，使车轮制动扭矩与电机能量回收制动扭矩之间达到优化目标的协调控制，并由整车电控单元实施集中控制。

当驾驶员踩制动踏板，按照制动踏板力大小，通过行程模拟器，液压制动器实时进入相应工作，紧接着制动能量回收系统也将进入工作状态。如果动力蓄电池的电控单元判断动力蓄电池有相应的荷电量(SOC)回收能力，制动能量回收制动力占整个制动力的相应部分。当车辆接近停止时，制动能量回收系统制动力变为零。这两种制动力的能量变换比例与图1中所示相应面积的比例相当。当液压制动的面积小，制动能量回收制动的面积大时，表示制动能量回收量增加。增加制动能量回收的面积直接与降低燃油耗相关。但是在液压制动保持不变的状态下，只考虑制动能量回收率上升而增加制动力，导致驾驶员对制动路感变差不舒适。为解决这一问题，电子线控制动的电子控制制动器被开发。在电子控制制动器中，制动踏板与车轮制动分泵不是通过液压管路直接连接，而是通过ECU向液压能量供给源发出相应指令，使对应于制动能量回收制动强度的液压传递到相应车轮制动分泵。因此，制动能量回收制动与液压制动之和达到与制动踏板行程量相对应的制动力值，从而改善驾驶员制动操作时路感。

制动能量回收控制受到制动踏板力信号经过制动总泵与行程模拟器输入部再进入液压控制部(包括液压泵电机、蓄压器)的液压机构再经过制动液压调节传递到车轮制动分泵，同时该液压信号如果系统发生故障停止时，液压紧急启动，电磁切换阀开启，即又通过电磁阀切换，传递到车轮制动分泵。

2.本田第四代IMA混合动力系统的制动能量回收系统控制

本田第四代IMA混合动力系统应用在2010款Insight混合动力汽车上。其制动能量回收系统采用执行器和电控单元组成一体化模块型式，包括IMA系统电机控制模块、动力蓄电池监控模块和电机驱动模块。制动能量回收系统工作过程如下。

IMA电机在制动、缓慢减速时，通过混合动力整车电控单元发出相应指令使电机转为发电机再生发电工况，通过制动能量回收控制系统以电能形式向动力蓄电池充电。其基本工作过程是：当制动时，制动踏板传感器使IMA电控单元激活制动总泵伺服装置，通过动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等电控单元发出相应指令，使液压机械制动和电机能量回收之间制动力协调均衡以实现最优能量回收。第四代IMA系统采用了可变制动能量分配比率，比上一代的制动能量回收能力增加70% 。

IMA电机、动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等都属于本田第四代IMA混合动力系统的“智能动力单元IPU”组成部分。它是由动力控制单元PCU、高性能镍氢蓄电池和制冷系统组成。PCU是IPU的核心部分，控制电机助力(即进入电动工况)。PCU通过接收节气门传感器输入的开度信号，按照发动机的有关运行参数和动力蓄电池荷电状态等信号决定电能辅助量，并同时决定蓄电池能量回收能力。PCU主要组成部分有蓄电池监控模块—蓄电池状态检测BCM、电机控制模块MCM、电机驱动模块MDM。

综观现有实用化的不同的混合动力系统，制动能量回收控制在细节上有所不同。一般都采用电子控制的液压制动与制动能量回收的组合方式，也称为电液制动伺服控制系统。