浅谈新能源汽车的能量回收

浅谈新能源汽车的能量回收

前文中写过,新能源汽车(这里指混合动力汽车和纯电动汽车包括增程式电动车)和传统汽车一个很大的区别是,新能源汽车有能量回收系统。那能量回收是什么呢?是如何实现的呢?和哪些东西相关呢?本文就是用比较通俗的语言讲解一下新能源车的能量回收。

一、能量回收是什么?

众所周知,车辆在实现减速的过程中有两个途径:

1、通过松油门,通过整车自身阻力来进行滑行减速,此工况的滑行距离较长。

2、通过踩刹车来实现制动。

整车减速的过程其实是整车的动能转化为克服摩擦阻力产生的热能的一个过程,包括风阻,车辆动力传动机构摩擦阻力,轮胎和地面的摩擦阻力,以及制动过程中制动系统工作的摩擦阻力(此项能量占比最大)。由于整车开发过程中,其他参数都是固定了,属于被动存在的。但是如果可以将制动摩擦产生的能量给收集起来,重新用于驱动,那对整车能耗的意义是巨大的,新能源车的能量回收系统就承担起了这个角色。

二、新能源车的能量回收系统是如何实现的呢?

我们在学习物理的时候学到过,在一个处于磁场中的线圈通交流电,线圈会在磁场中旋转(电生磁),一个在磁场中旋转的线圈会有反向电流通过,同时会产生一个反向的阻力阻止线圈旋转(磁生电)详见法拉第定律和楞次定律,这个也就是一个最基础的电机原理。新能源车辆在减速的过程中就是利用了磁生电这个原理,通过电机把整车的动能转为电能回收起来的。

交流发电机基本原理

行进中的车辆进行减速(丢油门滑行or踩刹车制动),电机由于和车轮还是接耦的,转子永磁体在车轮和传动机构的带动下高速旋转并且被定子饶组线圈切割磁感线,定子绕组产生了反向感应电流通过电机回充到电池,并在此时对转子产生反向扭矩从而阻止车辆向前行进,以此实现车辆减速,也就是上面所说的磁生电(电机控制原理实际复杂的多,我不专业就不多赘述了)。根据笔者做过一些测试的经验,一般电动车能量回收对NEDC里程贡献率大概在15%左右,好一些的能够达成20%左右。

三、新能源车能量回收有哪几种?有什么不同?有哪些类型?

其实电动车有两种能量回收的方式,也就是制动能量回收和滑行能量回收,区分的唯一标准就是是否踩制动踏板。通过踩制动踏板实现能量回收的就是制动能量回收,仅依靠丢油门实现能量回收则叫做滑行能量回收。

电机的制动能量回收目前也是有两种方式实现的,一个是迭加式再生制动系统(RBS),一个叫协作式再生制动系统(CRBS)。两者最大的区别就是:制动踏板是否和制动执行机构解耦(RBS接耦,CRBS解耦)。在电动车的一个制动工况中,制动力矩的来源之一是摩擦片带来的机械制动,另一个来源则是电机提供负扭矩通过传动轴来实现减速,也就是电制动。只要电制动的占比越多,则就会有更多的“磁生电”,便可回收更多的电量!

RBS和CRBS对比

RBS由于制动踏板和制动轮缸是接耦的,在一个减速过程中,只要踩下制动踏板,制动轮缸就会有液压产生制动,而电制动仅是叠加在机械制动上完成制动。所以还是有一部分能量损失掉了,能量回收率较低。

而CRBS的制动踏板和液压机构解耦,在踩下制动踏板后,控制器通过行程传感器对当前踏板角度和角速度推测驾驶员的制动需求,并计算需求的制动力,然后由电机作为主要扭矩提供源,液压制动作为制动力矩不足的补偿。从而提高电制动的占比,进而增加能量回收。

CRBS工作原理

举个例子:

电机当前车速下电制动的制动能力为1000N,当用户在踩制动时,计算的制动力需求为800N,则整个过程都是靠电机回收的,上图①。

电机当前车速下电制动的制动能力为1000N, 当用户在踩制动时,计算的制动力需求为1500N,则剩下500N的制动力由液压制动产生,上图②。

实际上CRBS的控制策略远不止上面几个维度,是很复杂的,例如扭矩退出车速、电/液切换、电池充电功率等等,上图做了简化方便理解。

滑行能量回收其实目前也有两种:一种是不可通过油门开度进行减速度调节,一种可通过油门开度控制减速度。通俗的来说,前者无法靠松油门的开度来调节能量回收强度,能量回收就是有或无,后者可以通过松油门的开度来调整能量回收强度,目前车辆上大部分都采用后者的方式了。一些厂商甚至做成单踏板功能,取消了蠕行,大部分工况加速减速仅靠油门踏板就能完成,只是此风格目前比较激进未被所有人所接受,有一定争议。据我经验,大部分电动车车主还是喜欢强能量回收+回收强度可调的回收风格的,我个人也喜欢这个风格,适应了这种风格后,感觉这样确实有很强的驾驶乐趣。

四、能量回收强度和新能源汽车上哪些参数相关?

在某一减速工况下:减速度a=(电机提供阻力+车辆自身阻力)/车重

因此为提高整车的制动能量回收能力主要需要关注以下几点:

1、 提高电机不同转速下的回收扭矩,也就是回收功率(提高电制动的边界,功率越大,可覆盖的工况越多)

2、 整车降阻力(同样减速度需求下,整车阻力越小,电机则需要提供的回收扭矩则越多,回收的能量也越多)

3、 提升其他相关参数(减速器效率,差速器效率,电机效率等)

注:车重提升也会在一定减速度下让电机回收更多能量,但是由于车辆重量增加,驱动的能耗会更多,因此不会靠提高车重来增加能量回收,而是想办法降重降能耗。

同时电池作为储能原件,当前电池的充电功率能力需要大于电机回收能力,方可全部储存电机回收的能量,否则会控制电机降低充电能力,以防止电池过充。

整个能量回收过程中的能量流向为下图所示,并通过电机将机械能转为电能储存在电池:

能量回收的能量传递路径

以上各维度仅可说明如何提升电机能量回收的能力边界,实际整车开发考虑整车驾驶性和安全性会在此基础上对能量回收风格进行系列标定(例如能量回收相应时间,扭矩建立梯度,扭矩下降车速及梯度等等),此处不再赘述。

五、强/弱滑行能量回收,哪种更省电?

曾经有很多人问我这个问题:滑行能量回收强弱哪种更省电?我一般的回答都是如下:仅靠滑行,正好把车停到你想要停的位置上就是最省电的方式

能量回收太强,车辆还没有达到既定位置上便要停车了,需要再次加速才可以达到目的地,电能进行两次重放,转换效率差。

能量回收太弱,车辆到达既定位置还有车速,需要踩刹车,停在目标位置,造成热能损失。

因此只有完全依靠电制动,便可达到既定位置,无效率变换,无能量损失,这样开车最省电。

六、关于使用能量回收省电的小技巧

关于选车:选择带有CRBS功能的车辆,同时滑行能量回收带踏板可控功能。

关于使用:在远距离跟车时候,利用滑行能量回收,通过加速踏板来调节减速度强度(减速度可控的强能量回收),从而控制跟车距离,在近距离跟车时候通过踩刹车实现减速跟车。

原则:能用滑行能量回收就多用滑行能量回收,当滑行能量回收的减速度无法达成减速需求时再采用制动能量回收,毕竟滑行能量回收是100%没有其他外力介入的回收,而制动能量回收在CRBS工作时会有一定的低压耗电,同时一些工况下会有液压制动介入造成能量损失。

以上是我个人关于新能源车能量回收的一些理解,笔者写这些东西的初衷也是希望用通俗简练的语言来梳理自己的想法,同时便于大家理解,但由于个人能力有限,也欢迎各位大佬多多交流,帮忙斧正。

编辑于 2019-11-05

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