制动能量回收系统解决方案
一般电学的基础理论已经明确了弗莱明左手定则是电机驱动的工作原理,而弗莱明右手定则是发电原理。由于电机的运行,线圈在阻碍磁通量变化的方向上产生电动势。该方向与旋转电机时电流流动的方向相反。所以人们称之为反电动势。反电动势随着转速的增加而增加。由于转速的提高,原本引起电机转动的电流的流动阻力增大,最终达到一定转速,向上无法超过。所以刹车时,通过电机的电流被切断,取而代之的是产生反电动势。这就是制动能量回收的原理,使电动机起到发电机的作用。这种电机被称为“电动发电机”。
但是,在实施制动能量回收制动时,如何处理脚制动。脚制动时如何保持制动踏板的行程(或力度)与制动能量回收系统的和谐关系。这是因为起制动能量回收作用的制动部分会导致脚制动的制动力降低。
因为对于脚制动,考虑到制动能量回收的作用,必须采取相应的措施降低脚制动的制动力。当制动力减小时,制动踏板的踏板力应与踏板行程相对应。
重要的是,不管有没有发生制动能量回收,制动踏板的作用依然存在,就像普通车辆一样。因此,开发了一种称为冲程模拟器的装置。
1,丰田混合动力汽车制动能量回收与液压制动的协调控制
丰田混合动力汽车的制动能量回收系统由原发动机模型的液压制动器(包括液压传感器和液压阀)、电动机(在减速和制动时作为发电机,即转化为能量回收发电工况)、逆变器和电控单元(包括动力蓄电池电控单元、电动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制动能量回收和液压制动的协调控制。协调制动的原理是保证车辆在不同路况和工况下的制动稳定性和安全性。同时考虑到动力电池的再生制动能力(由动力电池电控单元控制),可以实现车轮制动力矩和电机能量回收制动力矩的协调控制,由整车电控单元实施集中控制。
当驾驶员踩下制动踏板时,根据制动踏板力,液压制动器(液压伺服制动系统)会通过行程模拟器等部件实时进入相应的工作,随后制动能量回收系统也会进入工作状态。也就是说,如果动力电池电控单元判断动力电池具有相应的SOC回收能力,则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,制动能量回收系统的制动力变为零。这两种制动力的能量转换率相当于图1所示的对应面积之比。当液压制动面积小,制动能量回收制动面积大时,意味着制动能量回收量增加。增加制动能量回收的面积直接关系到降低油耗。而在液压制动不变的情况下,只考虑制动能量回收率的增加来增加制动力,导致驾驶员对制动路面的不舒服感。为了解决这一问题,开发了线控电子制动电子控制制动器。如图2所示,在电控制动器中,制动踏板不是通过液压管路直接与车轮制动缸连接,而是通过电子控制单元(ECU)向液压供能源发出相应的指令,从而将制动能量回收的制动强度对应的液压传递给相应的车轮制动缸。因此,制动能量回收制动和液压制动的总和达到与制动踏板的行程相对应的制动力值,从而改善驾驶员在制动操作期间的路感。
从图2可以看出,制动能量回收控制是由脚制动踏板力信号控制的,该信号通过制动主缸的输入部分和行程模拟器进入液压控制部分(包括液压泵马达和蓄能器)的液压机构,并通过制动液压调节传递给车轮制动缸。同时,如果系统停止失败,液压会紧急启动,电磁切换阀打开,即通过电磁阀切换,传递到车轮制动缸。
2.本田第四代IMA混合动力系统制动能量回收系统的控制。
本田第四代IMA混合动力系统应用于2010 Insight混合动力车。其制动能量回收系统采用执行器和电子控制单元的集成模块形式,包括IMA系统电机控制模块、动力电池监控模块和电机驱动模块。
制动能量回收系统的工作过程如下:
当IMA电机制动并缓慢减速时,混合动力汽车的电控单元发出相应指令,使电机转入发电机再生发电状态,制动能量回收控制系统以电能的形式给动力电池充电。其基本工作过程是:制动时,制动踏板传感器使IMA电控单元激活制动主缸伺服装置,并通过动力电池电控单元、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的制动力协调平衡,达到最佳能量回收。第四代IMA系统采用可变制动能量分配比,制动能量回收能力比上一代提升70%。
IMA电机、动力电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元都属于本田第四代IMA混合动力系统的“智能动力单元(IPU)”。它由动力控制单元PCU(Power Control Unit)、高性能镍氢电池和制冷系统组成。PCU是IPU的核心部分,控制电机辅助(即进入电动工作状态)。PCU通过接收油门传感器的开度信号,根据发动机的相关运行参数和动力电池的荷电状态,确定电能的辅助量和电池的能量回收能力。PCU的主要部件是电池监控模块-电池状态监控器BCM(电池状态监控器)、电机控制模块MCM(电机控制模块)和电机驱动模块MDM(电机驱动模块)。
纵观现有实用的不同混合动力系统,制动能量回收控制在细节上是不同的。一般采用电控液压制动和制动能量回收相结合的方式,也称为电液制动伺服控制系统。