混合动力车制动能量回收系统

作者：杨妙梁 编译    来源：汽车与配件杂志

欢迎访问e展厅 展厅 3 传动/转向/制动系统展厅 变速箱, 离合器, 制动系统... 随着现代机电一体化技术、电力电子学技术与液压传动技术的发展，为汽车制动能量回收系统的研制、开发提供了重要基础。 据报道，商用车已经有应用电子技术与液压传动技术研制制动能量回收系统并在量产车上应用的实例。而属于现代新能源汽车范畴的电动汽车与混合动力车，制动能量回收系统是其重要结构特点，成为现代电动汽车和混合动力车实现节能减排的技术支持。 日本早在混合动力车量产化之前，包括丰田、本田、日产等汽车公司都已申请多项制动能量回收系统的专利。近年来有关制动能量回收技术的专利申请继续增加，对制动能量回收技术研究进一步深入。 制动能量回收原理 制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一，也是它们的重要特点。在一般内燃机汽车上，当车辆减速、制动时，车辆的运动能量通过制动系统而转变为热能，并向大气中释放。而在电动汽车与混合动力车上，这种被浪费掉的运动能量已可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于蓄电池中，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。 在丰田普锐斯混合动力车上，车辆运动能量能够通过液压制动和能量回收制动的协调控制回收。但在本田Insight混合动力车上，由于发动机与驱动电机连接，所以不能够消除发动机制动。因此，在制动时发动机全部气门关闭，以消除泵气损失，而只存在发动机本身的纯粹的机械摩擦损失。 本田公司认为，在发动机气门不停止工作场合，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。 制动能量回收问题解决方案之一：可以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，为什么可以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Fleming的左手定则，而表示发电原理的则是Fleming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。于是人们称为逆电动势。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”（Motor Generator）。 然而，当制动能量回收制动实施时，如何处理脚制动。脚制动时，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，会引起减少脚制动的制动力。 因为对于脚制动来说，从制动能量回收中所起作用考虑，必须在减少脚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。 丰田混合动力车的制动能量回收与液压制动的协调控制 丰田混合动力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。图1表示制动能量回收液压制动协调控制的概况。 当驾驶员踩制动踏板，则按照制动踏板力大小，通过行程模拟器（Stroke Simulator）等部分，液压制动器（液压伺服制动系统）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。亦即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。为解决这一问题开发了电子线控制动（Brake by Wire）的电子控制制动器（ECB：Electronic Control Brake）。如图2所示，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，而是通过电控单元（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。由图2可知，制动能量回收控制受到脚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。 由图2可知，车辆制动能量协调控制是通过整车控制计算机与电子控制部的防抱制动系统计算机进行控制信号的通信，以确保整个制动控制功能（包括一般制动控制、能量回收协调控制、带有电子制动器的防抱制动系统、牵引力控制系统、电子稳定控制系统、制动助力）。 图3示出采用协调控制策略时，制动能量回收制动与液压制动的制动力分担情况。 雷克萨斯HS250h混合动力系统与制动能量回收控制 与Estima混合动力车相同，采用2.4L排量的2AZ-FXE型发动机与P311型驱动桥。混合动力系统的最大功率为140kW。混合动力车蓄电池、逆变器等主要构成部件也与Estima混合动力车相同，但外形则根据搭载位置与空间容积进行优化设计。 由逆变器/升压转换器/电机发电机电控单元（MG ECU）组成一体的功率控制单元PCU（Power Control Unit）的构造及其控制系统。 动力蓄电池采用镍氢蓄电池，总电压244.8V，由34个蓄电池模块构成。每个蓄电池模块由6个1.2V单体电池构成。蓄电池模块电压为7.2V，34个蓄电池模块共计204个单体电池组成。混合动力车蓄电池采用外叶片环形风扇进行强制空冷方式。进气口位于后座靠背左边侧向下部。混合动力系统主继电器与电流传感器集中配置的混合动力车蓄电池接线盒/蓄电池监测器/辅机蓄电池用DC/DC转换器封装组成一体，辅机蓄电池也并排设置在同一底架（Tray）上。上述封装件设置在行李厢内后座后面，安装紧凑，以确保行李厢充足空间。 功率控制单元（PCU）的升压转换器根据行驶条件把直流电244.8V升压到直流电650V并供给逆变器。动力蓄电池充电时，把最大直流电650V降压到直流电244.8V。逆变器的作用就是按照混合动力车控制计算机发出对输出功率的要求指令通过电机发电机电控单元（MG ECU）进行控制，并把由升压转换器升压的高电压直流电在逆变器内变换为用于驱动电机（MG2）与发电机（MGl）的交流电。利用发动机动力由MGl进行发电产生的交流电与由制动能量回收的制动使MG2发电而产生的交流电转换为直流电。MGl发电机产生的交流电则根据行驶工况需要用于MG2的驱动电力。其制动能量回收的输入部分（包括传感器、行程模拟器等）、执行器部分与电子控制部分的说明与上述丰田部分相同。 雷克萨斯HS250h混合动力系统的控制系统的构成（含制动能量回收控制）见图4。 图5为雷克萨斯HS250h电子控制制动系统（ECB）的控制图。 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系统釆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（Intelligent Power Unit）”组成部分。它是由动力控制单元PCU（Power Control Unit）、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（Battery Condition Monitor）、电机控制模块MCM（Motor Control Module）、电机驱动模块MDM（Motor Driver Module）。 第四代IMA系统使用最新计算机芯片技术，动力控制单元反映时间更快。并采用最新开发的逆变器和DC/DC转换器。 ⑴ 蓄电池状态监控模块 蓄电池状态监控模块通过温度传感器、电压传感器、电流传感器的输入信号监控动力蓄电池的状态，测定充放电比率且将这些信息输入电机控制模块（MCM）。蓄电池监控模块控制蓄电池荷电量状态使其在理想状态下（20%～80%）下工作，防止额外的电量消耗和防止蓄电池过充电，特别是决定蓄电池制动能量回收能力，就是说，在蓄电池规定荷电量（SOC）允许条件下才能提供制动能量回收，否则将禁止制动能量回收或采取其它措施解决。 ⑵ 电机控制模块（MCM） 其主要功能是与发动机控制模块（ECM）通信，决定车辆运行工况，同时将IMA系统中检测到的问题传输给发动机控制模块（ECM）；与蓄电池状态监控模块（BCM）通信，获得蓄电池模块的荷电状态，保护蓄电池模块和适当的充电平衡，特别指出的是，它与电机驱动模块（MDM）连接，接收电机信息，当车辆制动、减速时，通过电机控制模块（MCM）控制驱动电机进入发电馈电工况（即发电机运转工况），发电电力通过电机功率转换器MPI（Motor Power Inverter）从交流电转变为直流电向动力蓄电池充电。 ⑶ 电机驱动模块MDM（Motor Driver Module）。 电机驱动模块MDM控制IMA混合动力系统的电机助力和蓄电池充放电，可实现电流在电机和蓄电池之间的双向输送。它设有电机功率变换器（MPI）（或称为逆变器）和电压控制单元（DC/DC转换器）。在电机处于混合动力的驱动助力工况时，电能从蓄电池模块通过MPI转换，从直流电转变为三相交流电传给电机。在制动时由车辆电控单元发出指令，使电机进入发电机发电工况，所发生的三相交流电通过MPI，即逆变器转变为直流电向动力蓄电池充电。 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。(end)

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