關(guān)于新型制動再生系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用介紹

新型制動再生系統(tǒng)的開發(fā)

【日】T. Noyori S. Komada H. Awakawa

摘要：首次通過將新型制動再生系統(tǒng)應(yīng)用到小型汽車，在汽車制動或者巡航階段通過制動能量再生實現(xiàn)了高效的發(fā)電和充電，從而改善了油耗。新開發(fā)的技術(shù)為制動再生系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使車輛在行駛階段把發(fā)電量降至最低，而在制動和巡航階段產(chǎn)生最大電量。使用當(dāng)車輛在放松加速踏板巡航或踩下制動踏板制動時獲得的再生制動能量來產(chǎn)生電力。車輛運(yùn)動的動能以電能的形式被捕獲，用于電器元件的使用。本系統(tǒng)包括高效的鋰離子電池和用于怠速起停系統(tǒng)的鉛酸電池，以及高效、高輸出特性的交流發(fā)電機(jī)。常規(guī)車輛上安裝的鉛酸電池的特點是充電需要充滿才能提供穩(wěn)定的電力。這就需要交流發(fā)電機(jī)連續(xù)工作，導(dǎo)致油耗增加。而這套系統(tǒng)除了鉛酸電池用于怠速起停，還安裝了高效的鋰離子電池。直到電量耗盡，鋰離子電池才需要充電。利用這一特性，鋰離子電池不需要交流電機(jī)連續(xù)工作。與以往的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)實現(xiàn)了更高的充電效率和更高的發(fā)電能力。對于小型發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的發(fā)電負(fù)荷率一般較高。因此，在車輛行駛過程中最大限度地減少發(fā)電，可以大大地降低燃油耗。此外，由于發(fā)動機(jī)負(fù)荷降低，加速更快更平順。

本文介紹新型的制動再生系統(tǒng)。該系統(tǒng)開發(fā)起始于降低燃油耗的研究。最近幾十年來，改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)已經(jīng)受到了極大關(guān)注，主要是因為高油價，以及與環(huán)境和能源相關(guān)的問題。為了改善燃油經(jīng)濟(jì)性，迫切需要開展提高汽車能效的研究。

質(zhì)量輕和結(jié)構(gòu)簡單的小型車因?qū)嵱煤徒?jīng)濟(jì)受到眾多消費者的親睞。圖1表示2015年和2020年日本的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。其中陰影部分表示輕型車K-car質(zhì)量增加犧牲燃油耗的情況。K-car是日本特有的一種小型車，裝配660 mL排量的發(fā)動機(jī)。在研究車輛能量管理有效的方法中，在引入混合動力后，該車型已經(jīng)成為最節(jié)油的車。然而對于如K-car等小型廉價車型，應(yīng)用混合動力還存在一些障礙，即成本和整車質(zhì)量?；旌蟿恿π枰顺Ｒ?guī)汽車以外額外的元器件，包括電機(jī)/逆變器和高壓電池，這些會大大地增加成本和整車質(zhì)量。

如圖2所示，常規(guī)汽油機(jī)燃料燃燒產(chǎn)生的能量一般只有30%被有效利用，70%的能量以熱量的形式被耗散掉[1]。需要對如何提高汽車的能量利用效率來改善油耗這一重點進(jìn)行研究。目前，汽車制動時的能量被浪費掉，因此重點關(guān)注利用這一能量改善燃油效率。

圖3示出了如果再生車輛動能超過電器元件的需求，那么就可以提供汽車上所有電器元件需要的功率。這一結(jié)果表明，這一系統(tǒng)不僅可以提高車輛能量利用效率，而且滿足小型車對簡單和輕質(zhì)量的要求。

新型制動再生技術(shù)可以使汽車在制動或巡航時產(chǎn)生最大的電量，而電器元件功率消耗最小，以克服成本和質(zhì)量的障礙。實現(xiàn)緊湊、輕量和簡單的小型車?yán)硐敕桨浮?/p>

該系統(tǒng)開發(fā)是為了滿足包括K-car在內(nèi)的小型車的需求，以提高燃油效率。

圖1整車質(zhì)量對油耗的影響

圖2 動力總成的能量流

圖3 再生能量的潛力

１ 系統(tǒng)

1.1電能存儲裝置

本系統(tǒng)包括鉛酸電池和鋰離子電池2個電池。車輛上電器元件消耗的電能通常是由電池提供的，它通過發(fā)電機(jī)工作充電。為了最大限度地減少車輛行駛過程中的發(fā)電量，需要電量存儲系統(tǒng)滿足減速時可以回收動能而不消耗燃油。

如表1所示，鋰離子電池具有很高的電功率密度，可以存儲大量的電能，具有高能量密度，可以減小尺寸和降低整車質(zhì)量。此外，鋰離子電池還具有如下特點：因為鋰電池具有更寬的充電狀態(tài)（SOC）范圍，當(dāng)SOC約50%時，鋰離子電池可以確保工作在最優(yōu)化工況，同時可進(jìn)行反復(fù)充放電。

本系統(tǒng)同時也采用了鉛酸電池支持鋰離子電池工作。鋰離子電池雖然具有快速能量存儲的優(yōu)點，但也有過充電和過放電的缺點。鋰離子電池在提供足夠大的功率運(yùn)行時，如起動電機(jī)這樣的大功率電器方面不具有優(yōu)勢。而鉛酸電池即使在短時間內(nèi)大電流放電，也可以保證穩(wěn)定供電。

然而，鉛酸電池處于深度放電狀態(tài)時容易導(dǎo)致電池壽命縮短。這使得鉛酸電池放電范圍比鋰離子電池小?？紤]到這一特性，鉛酸電池不可用作儲能裝置來存儲在短暫時間內(nèi)回收的能量。

因此，本系統(tǒng)同時應(yīng)用鋰離子電池和鉛酸電池，目的是充分利用兩者的優(yōu)點而彌補(bǔ)各自的缺陷。

表1 電能存儲裝置比較

1.2輸出電壓范圍

本系統(tǒng)采用了具有穩(wěn)定的12～14 V輸出電壓范圍的鋰離子電池。穩(wěn)定的輸出電壓意味著保證穩(wěn)定的輸出電壓不受SOC變化的影響。如圖4所示，典型的鋰離子電池和電容器的輸出電壓受SOC變化的強(qiáng)烈影響，這需要直流-直流（DC-DC）變換器和變壓發(fā)電機(jī)將輸入電壓轉(zhuǎn)換成12～14 V輸出電壓，相當(dāng)于電器設(shè)備電壓和存儲設(shè)備的充電電壓。另一方面，由于采用了鋰離子電池，可以省掉用于調(diào)節(jié)輸出電壓的變壓交流發(fā)電機(jī)或DC-DC變換器等的特定電器元件。圖5給出鋰離子電池系統(tǒng)和電容器系統(tǒng)的比較。電容器系統(tǒng)必須加載可變電壓（12～25 V）發(fā)電機(jī)和大電容器交互式DC-DC轉(zhuǎn)換器（25～12 V）。因此，采用新型鋰離子電池可實現(xiàn)簡單和降低成本的目標(biāo)，而幾乎不用增加額外元器件。

圖4 儲電裝置輸出電壓

圖5 鋰離子電池組與電容器模塊系統(tǒng)比較

1.3系統(tǒng)構(gòu)造

由于鋰離子電池與低成本鉛酸電池組合，鋰離子電池的供電可以最小化，同時低成本系統(tǒng)改善了燃油效率。如圖6所示，2類電池與半導(dǎo)體開關(guān)(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）并聯(lián)。根據(jù)車輛的狀態(tài)，2個場效應(yīng)晶體管連接或斷開，以充分利用鋰離子電池可以進(jìn)行反復(fù)充放電的優(yōu)點。

而且，考慮到使用方式、目的和功能，電器元件分為鋰離子電池負(fù)荷和鉛酸電池負(fù)荷。鋰離子電池的負(fù)荷是電保護(hù)負(fù)荷和電機(jī)負(fù)荷。保護(hù)負(fù)荷是指保持提供給設(shè)備的電負(fù)荷的電壓，如果車輛具有怠速起停功能，即用起動機(jī)起動。因為起動機(jī)需要巨大的能量使其自身運(yùn)轉(zhuǎn)，所以當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，起動機(jī)的系統(tǒng)電壓下降。如果在行駛中輸入電壓下降，保護(hù)負(fù)荷則復(fù)位或不能滿足需求的性能。因此，相對于沒有怠速起停功能的常規(guī)車輛，上述怠速起停增加元器件保持保護(hù)負(fù)荷的輸入電壓。另一方面，在這個系統(tǒng)中，保護(hù)負(fù)荷管理鋰離子電池負(fù)荷。如果1號場效應(yīng)管斷開，連接保護(hù)負(fù)荷的鋰離子電池電路與連接起動機(jī)的鉛酸電池電路斷開。因此，該系統(tǒng)省去了保持電壓的設(shè)備。通過并聯(lián)鋰離子電池和使用2個場效應(yīng)管改變供電系統(tǒng)，實現(xiàn)了高性能的智能系統(tǒng)功能。

圖6 電路示意圖

２ 鋰離子電池

2.1電池單元

為了實現(xiàn)這個簡單的系統(tǒng)，將鈦酸鋰尖晶石氧化物作為鋰離子電池單元負(fù)極。該電池具有3Ah的容量和2.4 V額定輸出電壓。它的電壓特性與鉛酸電池相似，具有充電快、壽命長的優(yōu)點，且安全性高。

2.2電池組

鋰電池組盡可能緊湊地與鉛酸電池電連接，連接器給電器供電。如圖7所示，電池組是由鋰電池模塊和作為電池監(jiān)測單元的控制板等組成。因為5個電池單元通過串聯(lián)方式裝在樹脂盒中，因此鋰電池模塊輕量緊湊。控制板具有電壓檢測機(jī)制，監(jiān)測每個鋰離子電池單元電壓。對于多種失效情況，約束板具有將氣體從電池組內(nèi)部排到外部的功能。

圖7 鋰離子電池組部分剖分圖

2.3電池單元冷卻

本系統(tǒng)實現(xiàn)了無冷卻風(fēng)扇功能，是低成本的簡單系統(tǒng)。由于鋰離子電池在較高的環(huán)境溫度下會縮短其使用壽命，所以以往車上的鋰電池組都需要電池冷卻功能。在本系統(tǒng)中，鋰離子電池安置在乘客座位下面，那里的溫度變化是在車廂內(nèi)最小的。通過反復(fù)進(jìn)行熱分析試驗，控制熱輻射流。因此，本系統(tǒng)可以不需要冷卻風(fēng)扇實現(xiàn)保障鋰離子電池的壽命。此外，通過將鋰離子電池組布置在乘客座位下，對小型車來說，可以保證乘客有充足的空間。

2.4安全結(jié)構(gòu)

對鋰電池組增加了額外的保護(hù)結(jié)構(gòu)以應(yīng)對緊急情況。第一，鋰離子電池組具有放氣機(jī)制和電池約束板。即使鋰離子電池組由于外圍設(shè)備發(fā)生故障而受到過電壓，其內(nèi)部電池單元膨脹、產(chǎn)生CO氣體，各單元仍由約束板施壓控制，氣體通過安裝在電池組內(nèi)的管道向外部釋放，以保證駕駛室安全。第二，鋰離子電池組采取了防水措施。鋰離子電池組是非密封的，以實現(xiàn)無冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)。因此，鋰離子電池組需要設(shè)計防水結(jié)構(gòu)[3]。為了防止從上表面進(jìn)水，設(shè)置了排水槽直接防止電連接受潮。為了防止被淹，在下端設(shè)置了壁面，防止水位達(dá)到一定高度。在達(dá)到一定水位前，電池組內(nèi)的傳感器檢測到水進(jìn)入，就會將鋰離子電池與車上電路斷開。

3系統(tǒng)運(yùn)行

3.1運(yùn)行模式

鋰離子電池有2個開關(guān)，用于控制1號場效應(yīng)晶體管和2號場效應(yīng)晶體管。2個電池充放電狀態(tài)是通過改變2個場效應(yīng)晶體管連接和斷開狀態(tài)控制，后者取決于車輛運(yùn)行工況。開關(guān)2個場效應(yīng)晶體管是由安裝在電池組內(nèi)的電池監(jiān)測單元執(zhí)行的。該系統(tǒng)4種主要運(yùn)行工況如圖8所示。

圖8 各運(yùn)行模式供電狀態(tài)

減速

通過打開1號 場效應(yīng)晶體管和2號場效應(yīng)晶體管，將鋰離子電池和鉛酸電池連接到發(fā)電機(jī)。再生能量由發(fā)電機(jī)發(fā)電充滿這兩個電池。

怠速停機(jī)/加速

關(guān)閉1號場效應(yīng)晶體管，打開2號場效應(yīng)晶體管，發(fā)電機(jī)停止工作。鉛酸電池和鋰離子電池供電行駛和連接各電器，2個電池放電。行駛所需功率只由每個電池提供。停止發(fā)電機(jī)工作可減少燃料消耗和保證加速的平滑性。

重起

1號場效應(yīng)晶體管關(guān)閉，2號場效應(yīng)晶體管打開。起動發(fā)動機(jī)的起動電機(jī)由鉛酸電池供電。起動電機(jī)起動發(fā)動機(jī)要消耗大功率。因此，斷開1號場效應(yīng)晶體管可以防止鋰離子電池過放電。另外，本系統(tǒng)可以通過重起時的電壓下降使電器、儀表和音響復(fù)位。對于那些元器件，具有起動機(jī)起停功能的車輛通常有DC-DC變換器，但系統(tǒng)可以去除它。

駐車

1號和2號場效應(yīng)晶體管都關(guān)閉，1號場效應(yīng)晶體管上的旁路繼電器連接向在駐車時需要通過從鉛酸電池旁路繼電器供電的電器供電。原因是鉛酸電池容量大；另一方面，鋰離子電池必須防止過放電。

4充放電運(yùn)行

4.1鉛酸電池

對鉛酸電池的放電深度進(jìn)行了限制，這樣可以保持其使用壽命，因為如果鉛酸電池深度放電，可能導(dǎo)致硫酸鹽化作用這會導(dǎo)致電池加速衰減。另一方面，為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)放電是必要的。本系統(tǒng)監(jiān)測電壓，評估鉛酸電池的充電狀態(tài)，以確保起動機(jī)能起動發(fā)動機(jī)，保證電池壽命。該系統(tǒng)實現(xiàn)了保證電池壽命和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的兼容。

4.2鋰離子電池

在合理范圍內(nèi)使用鋰離子電池，以防止快速衰減。本系統(tǒng)通過不間斷地在重要位置監(jiān)控電壓、電流、容量和溫度，對鋰離子電池進(jìn)行管理。例如，鋰離子電池在低溫環(huán)境下的輸出電壓會下降，因此，通過限制鋰離子電池在低溫下的放電量，以保證輸出電壓。此外，需要關(guān)注內(nèi)阻增加。系統(tǒng)通過觀察內(nèi)阻的變化來控制輸出電壓，以確保系統(tǒng)的輸出電壓。

為了改善燃油經(jīng)濟(jì)性，該系統(tǒng)充分利用了鋰離子電池相關(guān)特性。頻繁地消耗燃料給鋰離子電池充電導(dǎo)致較差的燃油經(jīng)濟(jì)性，因為在用燃油行駛期間通過電機(jī)保持相同的輸出扭矩，需要更多的燃油消耗。因此，僅允許在再生能量時進(jìn)行充電，為了改善燃油經(jīng)濟(jì)性，放電不受限制，除非鋰離子電池由于容量問題禁止怠速起停。

同時，兼顧駕駛樂趣也是重要的。本系統(tǒng)控制在能量再生階段產(chǎn)生的電量，防止由于再生發(fā)電量增加造成的沖擊或過度減速。

4.3供電運(yùn)行

本系統(tǒng)需要關(guān)注鋰離子電池的輸出電壓。在電路開閉過程中，對系統(tǒng)進(jìn)行控制，以防止產(chǎn)生過高電流和電壓沖擊，因為在系統(tǒng)中，鋰離子電池直接供電給車輛電器元件，所以電壓變化意味著元器件輸入電壓的變化。本系統(tǒng)利用電壓敏感元件，控制電壓變化率。由于元器件特性需要根據(jù)車速進(jìn)行調(diào)整，例如，通過車速和電壓變化改變前大燈的亮度。系統(tǒng)需要根據(jù)車輛不同的行駛工況來改變電源策略。因此，需要該系統(tǒng)各控制器不會破壞電路運(yùn)行，即使是瞬間的改變。

5燃油經(jīng)濟(jì)性

5.1 JC08行駛工況

本系統(tǒng)可以回收足夠的能量給行駛需要的電器元件供電。圖9表示在JC08行駛模式下回收的能量。JC08行駛工況是日本測量尾氣排放和燃油經(jīng)濟(jì)性的測試循環(huán)。結(jié)果表明該系統(tǒng)可以在減速時存儲110％的能量提供給鋰離子電池和鉛酸電池，如果將JC08測試循環(huán)中提供給電器元件的電量記為100％能量。而且，結(jié)束時2組電池的SOC都高于初始值。以前僅有鉛酸電池的怠速起停系統(tǒng)，只能回收55％的能量，不足的能量需要消耗燃油來彌補(bǔ)。而本系統(tǒng)可以通過減少燃料消耗來提高燃油經(jīng)濟(jì)性，因此發(fā)動機(jī)燃用燃油的負(fù)荷得以減小。

圖9 再生能量比較

5.2實際環(huán)境

帶有鋰離子電池的本系統(tǒng)具有能夠回收制動能量的優(yōu)勢，特別是在低溫環(huán)境下，因為鉛酸電池難以在低溫環(huán)境下進(jìn)行充電，但鋰離子電池即使在低溫下也可輕松充電。

此外，音響設(shè)備被設(shè)置為鋰電池的負(fù)荷。即使用戶在車內(nèi)聽音樂導(dǎo)致功率消耗增加，系統(tǒng)也不需要進(jìn)行頻繁充電，以避免鉛酸電池的深度放電。

該系統(tǒng)不僅在運(yùn)行JC08行駛工況時可以節(jié)省燃油，而且在實際使用中也可大幅提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

6結(jié)語

上述結(jié)果表明，新的系統(tǒng)達(dá)到了目標(biāo)燃油耗且結(jié)構(gòu)簡單。這源于采用了具有獨特性的鋰離子電池。此外，本系統(tǒng)不僅能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性，而且還具有成本低，安全，壽命長，重量輕。這意味著該系統(tǒng)在小型車輛市場非常有吸引力。需開展更多的工作開發(fā)技術(shù)，提高小型車的燃油經(jīng)濟(jì)性。下一步工作開展將基于開發(fā)這個系統(tǒng)獲得的新結(jié)果。