想免费充电?先松油门! 动能回收技术进阶剖析

李尔欣

能量回收有几种

说到能够在驾驶者松开油门时白发地为动力电池充电的“隐藏发电机”，这显然是指新能源汽车的动能回收系统，并且是与制动系统相结合的制动能量回收系统，又称再生制动系统或能量回馈式制动系统。

因为，并不是所有Kinetic Energy Recovery System动能回收系统都会把收回来的能量存到电池里。比如在燃油车尝试过的机械飞轮式KERS系统中就没有电池和电机，而是将车辆减速时产生的动能通过高速旋转的飞轮暂存起来，之后再释放出来用以短时间驱动车辆，从而在制动与再启动之间为发动机争取到短暂的休息机会，进而减少油耗与排放。此外，在可用于轨道交通工具的飞轮储能式再生制动系统中也没有电池：在制动时，多余的动能先变成电能驱使电机带动飞轮高速旋转，将电能转存為动能，随后飞轮再减速释放动能，驱动电机使其发电。

换句话说，只有现役新能源汽车广泛应用的电池——电机式动能回收系统，才会在车辆制动或减速滑行时将动能转化成电能，并给动力电池充电。

01.机械飞轮式动能回收系统。

常见的新能源车能量回收方法

只是在实际应用中，电池—电机式动能回收系统的放电过程并不一定都是先由电机的转子磁体在惯性作用下继续旋转生成磁感应线，然后被定子绕组切割磁感应线，从而产生反向感应电流，再让电流经逆变器回充给动力电池（说白话点就好像燃油车是发动机驱动发电机，而这个过程是利用车辆的移动动能驱动电机发电）。

事实上，当电机控制器收到减速信号时，立马就能通过控制交变电流的相位等方式使电机在不改变转子旋转方向的前提下，产生反向扭矩，并直接输出反向功率，让电动机变发电机，直到转子转速降至Orpm才结束反向充电。与此同时，通过传动机构与车轮耦合的电机转子，也利用反向扭矩，对车轮施以电制动，直到它完全停止旋转。

02.电池—电机式动能回收系统。

而在整个电制动过程中，电机控制器还可以根据人工指令调节驱动定子绕组的电流，从而改变定子磁场的强度，进而控制转子的力矩，亦即电机的扭矩。又因为扭矩与电机驱动或发电时的功率成正比，而在动能回收系统中，发电功率又等同于能量回收强度，也就是说，能量回收强度调得越大，定子“拉扯”转子的力度便越大，而转子也会因此更快地停止转动，相应地，车内乘员感受到的拖拽感与顿挫感便愈发强烈。

回收效率仍有优化空间

这意味着，越是需要频繁制动的路况，越应当调高能量回收强度，最好一收油门就能激活电制动，既能多充电，又能保护传统的液压刹车系统。相反，在需要畅顺动力的高速巡航等场景，则需调低能量回收强度，以便维持车速或舒适的驾乘体验。

然而，电池一电机式动能回收系统虽然可以为电池充电，并额外提供再生电能制动，但由于在回收动能的过程中要经过机械能向电能、电能向化学能等多次能量转换，因此，其能量回收效率并不及机械飞轮式和电驱飞轮式：即便在较为理想的条件下，电池一电机式动能回收系统也只能回收到34%的能量，而机械飞轮式与电驱飞轮式的回收率却分别高达70%和90%左右。要是再考虑到现实世界的各种阻力跟损耗，实际回收效率可能只有10%上下，约等于为车辆延长10～20km的续航里程。这点补偿对于已经绑定里程焦虑的新能源汽车来说，未免略嫌杯水车薪。

不仅如此，现役电池一电机式动能回收系统还有别的“毛病”。比如在收油门激活电制动时，只有少数车型会在单踏板模式下点亮刹车灯，多数车型即便已有明显的减速也不会亮起刹车灯，存在较大的安全隐患。另外，动能回收系统在发电时的电压与转子的转速有关，因此当车速过低时，动能回收系统发电机的电压就会低于电池的输入电压，为避免额外耗电，系统会停止回收动能并暂停电制动，而此时并非所有使用单踏板模式的车型都会用液压制动系统继续刹车，相反，有部分车型会因为电制动的消失而开始滑行，以至于发生事故。

总而言之，目前使用的电池一电机式动能回收系统仍有优化、完善的空间，包括但不限于：1.调整回收策略，让液压制动与电制动之间能够无缝切换，并且配合得更加协调，在尽量多回收能量的同时，也能及时给予车辆足够的制动力;2.调校电机控制器，进一步降低电制动力对车辆动态的影响……

动能回收系统的复合制动系统

由于传统液压制动系统仍是乘用车的主流制动系统之一，因此，多数应用动能回收系统的新能源汽车实际上配备的都是由液压制动与电制动组成的复合制动系统。于是，如何协调两套制动系统互相配合工作，便成为设定动能回收策略的一大课题。

既然是基于电信号进行操作，那自然要有电子控制部件，哪怕是原始的真空助力液压制动系统，也必须装上EVP电子真空泵，并辅以气压传感器和ESP车身电子稳定系统，才能配合动能回收系统的电制动系统共同完成制动操作。

目前，主流纯电动车普遍采用EHB电控液压制动系统来搭档再生电制动系统。其中，无论EHB系统是否集成ESP，整个复合制动系统都支持由加速踏板或制动踏板激活再生制动系统，并由制动系统的ECU电子控制单元智能分配再生制动与液压制动的补偿比例，以确保得到线性、持续的制动力以及万全的失效保护。顺便一提，在此类复合制动系统中，刹车踏板若能与制动系统解耦，不仅可以让ECU更自由地协调控制两套制动系统，更能灵活模拟驾驶者想要的踏板感受。

眼下，部分厂商正在尝试用没有任何液压装置的EMB电子机械制动系统取代EHB制动系统，或者与之并立。毕竟电机的响应要快得多，而且更易调控和养护。但现有EMB制动系统的制动力还达不到EHB的强度，仍有待完善。

F1赛车的动能回收系统

不管动能回收系统本身诞生于何时，但老百姓最早听到“动能回收系统”这个词应该是在2008年。当时，经过FIA的大力宣传，外界都知道F1车队将要自愿试用一套名为KERS动能回收系统的“环保装置”，并且有两个选择：由FIvnnd Svstems LLP公司开发的机械飞轮式KERS;以及多家车队基于各自的制造商资源研发的电池—电机式动能回收系统。两套系统的工作原理跟现在民用车的对应版本大同小异，但当年不够成熟的技术让F1赛车的KERS表现得极其不靠谱，不但危险，而且效果也低于预期。以至于KERS系统在2010赛季一度退出F1赛场。

2014年，已回归3年的KERS系统进化成ERS能量回收系统。新的ERS系统包括MGU-K动能电机、MGU-H热能电机、ES储能单元和CE控制单元。其中，MGU-K便是此前KERS動能回收系统的电机单元，而MGU-H则是新增的热能电机，本质上是由涡轮发动机的废气带动的发电/驱动一体电机，除回收热能发电外，还可以电力驱动涡轮转子。同时，MGU-K与MGU-H转换的电能则在CE的调配下统一存入ES的电池中。

而根据最新的2021赛季规则，届时，F1赛车将采用统一规格的ES和CE，以及性能更强、且支持手动控制的MGU-K动能回收系统，并取消MGU-H热能回收系统。

01.奥迪曾研发过从悬挂回收能量为电池充电的能量回收系统。

02.F1赛车动力单元里的MGU-K热能电机其实是回收热能发电的能量回收系统。

此外，纯电动车还需考虑频繁充放电对于电池性能与寿命的影响，并针对不同的电池状态设定相应的回收策略。而对于油电混合动力车，情况又有些复杂，例如在部分混合动力系统中，发动机与驱动电机直接相连，并且没有额外配备发电启动电机，一旦电制动系统工作时，正好发动机也在做功，就会抵消部分能量，并加重发动机内部的机械摩擦损耗，这时就需要电控系统及时关闭发动机，或通过离合器将发动机与电动机解耦……。凡此种种，都是今后动能回收系统的改良方向。