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汽车工程的永动机梦想:制动能量回收!

字号+作者:爱车的诺诺 来源:爱车的诺诺 2016-10-18 我要评论() 收藏成功收藏本文

我的家乡在一个南方小城的郊区,出门就是一个大坡,小时候骑车上坡下坡总觉得很费劲,突然有一天脑洞大开,想到有没有办法把下坡的能量收集起来给上坡'...

我的家乡在一个南方小城的郊区,出门就是一个大坡,小时候骑车上坡下坡总觉得很费劲,突然有一天脑洞大开,想到有没有办法把下坡的能量收集起来给上坡用呢?这样下坡少捏闸,上坡少用力,多好啊。长大以后发现梦想成真,电动车的设计师们帮我圆了,哎,可惜了。不过好在长大以后也阴差阳错进了电动车行业,也算一种圆梦吧。我们今天就来看看这个装在电动车上既省能量,又能减少刹车盘消耗的 “制动能量回收系统”。

 

在一般的内燃机汽车上,当车辆减速、制动时,车辆的动能通过制动系统而转换成热能,并向大气中释放。而在纯电动汽车和混合动力车上,这部分被浪费掉的能量通过制动能量回收技术转变为电能并储存于蓄电池中,并可再次 转化为驱动能量。闲话少说,来看看真正的电动车制动能量回收是怎么回事。简单点理解,制动能量回收就是把制动的能量用某种形式回收再利用,需要解决好两个问题:


1、怎么储存能量?-怎样高效且不易流失的方法储存能量?

2、如何回收更多的能量?


在制动过程中,如何减少不可回收的制动力(也就是刹车盘摩擦力),也是一个非常大的学问,是汽车工程师在不断攻克的一个点。

 

对于第一个问题,目前绝大多数的解决方案都是使用电机发电,储存在电池或者超级电容内。而超级电容由于能量密度不高,存储衰减等问题,无法用在电动车上,一般只能用于混动车型。近年来,也有动能回收装置出现,但是由于占据轴间体积较大 、重量和效率问题,无法优化到实用的场景,仅仅在F1上有应用,还没有进入到民用阶段。

这就是超级电容。

这个么,就是大名鼎鼎的动能回收装置,也就是KERS,看着还是蛮牛的。


而第二个问题,是目前提升制动能量回收效率的关键,目前有这样几种方式:


简单叠加制动能量回收,也叫coastdown regen,就是在油门踏板和制动踏板均未踩下,车辆处于滑行状态时,使用电机给一个制动扭矩,从而回收一部分能量。这种方式实现起来最简单可靠,不需要底盘ESP做任何改动,国内一些电动车厂家最常用,但是效率也最低,因为在制动踏板踩下时不能增加制动力,只能大部分靠机械制动力,白白把能量变成了“摩擦热”。

制动曲线是上图这样的,总的制动力是电制动力(Regenerative brake torque)与液压制动力(Hydraulic brake torque,就是驾驶员踩刹车)之和,而电制动力是一个固定的、不随刹车踏板变化的制动力,相当于传统发动机的“倒拖扭矩”,而主要的制动力由液压提供。


为了照顾驾驶者的感受,这种回收一般来说很小,但是特斯拉是个例外。开过特斯拉的人可能就会感觉到,松开油门的一霎那,感觉车子就进入急刹状态,坐着的人甚至开的人都会觉得很晕。特斯拉采用这种回收方式也是因为其底盘技术上的局限,而为了提供更大的续驶里程,也只能牺牲驾驶舒适性了,好在特斯拉提供了两种回馈等级,用户可以选择。当然,也有部分用户认为这种方式对车速的控制性比较强,会显得更加运动。国内的电动车一般也采用了这种方式,一般模式下制动感觉不明显,但是ECO模式下会增强。

复合制动,术语叫做blended regen。这种制动方式如上图所示,在制动踏板踩下时电制动力会发生变化,在某些情况下可以完全靠电制动,因此回收能量比coastdown regen大很多。但是,这种构型对ESP要求较高,且需要考虑更多的功能安全问题,比如由于某种原因电制动失效后如何保持制动力,以及电制动和机械制动之间的协调。BOSCH早在数年前就推出了这种支持复合制动的底盘系统,但是在近年却没有大力推广,看来还是技术上有一定的问题未解决。


其实回收能量越多就一定越好吗?答案肯定是要看情况而定,因为regen对电池充电,驱动时候再放出来,有能量损失,一般电池充放电效率再加上电机效率,可能只有70%左右的能量能够真正被重复利用。想象某些情况下,在离红绿灯很远的地方看到红灯,最省电的方法是利用当前的车辆动能滑行到红绿灯前。那么,怎样判断距离红绿灯有多远?该尽量多回收能量还是滑行尽量远的距离呢?目前比较实用的方法是,让驾驶员自己判断是需要回收能量还是需要滑行,这就是另一种制动能量回收方法Single-Pedal Control,其实就是是coastdown regen的升级版。这种方法把油门的一段设置为减速控制,也就是说松油门到20%开始电制动,20%以上会增加制动力,由驾驶员自行控制。这种方法的好处是技术实现难度不大,而又能实现较大的能量回收,但是对驾驶员的要求较高,需要一定时间适应。

如上图所示,宝马i系列电动车就采用了这样的方法,其电制动可以提供最多1.6m/s?的制动力,在大部分情况下,都可以完全使用电制动力。


综上所述,能量回收的本质就是把制动时候的动能给利用起来,可以有多种方式。既然电动车能够做制动能量回收,那么传统车有没有可能在某种程度上也做一点能量回收呢?当然是可以的,某些车会在滑行时增加发电机功率,相当于用车轮倒拖给12V电瓶充电,只是功率很小,效果也有限。更加奇葩的是,某技术宅男,开着一辆手动挡汽油车,每次看到红灯或者下高架需要制动的时候,立马把空调开最大,相当于用车轮倒拖带着压缩机转,“免费”吹空调,也算另类的制动能量回收了。

【作者简介】

路虎:一个能背出全国铁路线路的汽车工程师~

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