新型制動(dòng)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(dòng)再生系統(tǒng)應(yīng)用到小型汽車，在汽車制動(dòng)或者巡航階段通過制動(dòng)能量再生實(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)踏板制動(dòng)時(shí)獲得的再生制動(dòng)能量來產(chǎn)生電力。車輛運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)了更高的充電效率和更高的發(fā)電能力。對(duì)于小型發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)負(fù)荷降低，加速更快更平順。

本文介紹新型的制動(dòng)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?yàn)楦哂蛢r(jià)，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(jiǎn)單的小型車因?qū)嵱煤徒?jīng)濟(jì)受到眾多消費(fèi)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(dòng)機(jī)。在研究車輛能量管理有效的方法中，在引入混合動(dòng)力后，該車型已經(jīng)成為最節(jié)油的車。然而對(duì)于如K-car等小型廉價(jià)車型，應(yīng)用混合動(dòng)力還存在一些障礙，即成本和整車質(zhì)量。混合動(dòng)力需要除了常規(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(huì)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(duì)如何提高汽車的能量利用效率來改善油耗這一重點(diǎn)進(jìn)行研究。目前，汽車制動(dòng)時(shí)的能量被浪費(fèi)掉，因此重點(diǎn)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(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單和輕質(zhì)量的要求。

新型制動(dòng)再生技術(shù)可以使汽車在制動(dòng)或巡航時(shí)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(shí)現(xiàn)緊湊、輕量和簡(jiǎn)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(duì)油耗的影響

圖2 動(dòng)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(chǔ)裝置

本系統(tǒng)包括鉛酸電池和鋰離子電池2個(gè)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(chǔ)系統(tǒng)滿足減速時(shí)可以回收動(dòng)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(chǔ)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(diǎn)：因?yàn)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/2692/" target="_blank">鋰電池具有更寬的充電狀態(tài)（SOC）范圍，當(dāng)SOC約50%時(shí)，鋰離子電池可以確保工作在最優(yōu)化工況，同時(shí)可進(jìn)行反復(fù)充放電。

本系統(tǒng)同時(shí)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(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，但也有過充電和過放電的缺點(diǎn)。鋰離子電池在提供足夠大的功率運(yùn)行時(shí)，如起動(dòng)電機(jī)這樣的大功率電器方面不具有優(yōu)勢(shì)。而鉛酸電池即使在短時(shí)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(shí)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。考慮到這一特性，鉛酸電池不可用作儲(chǔ)能裝置來存儲(chǔ)在短暫時(shí)間內(nèi)回收的能量。

因此，本系統(tǒng)同時(shí)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(diǎn)而彌補(bǔ)各自的缺陷。

表1 電能存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(chǔ)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(shí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管）并聯(lián)。根據(jù)車輛的狀態(tài)，2個(gè)場(chǎng)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(diǎn)。

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(dòng)機(jī)起動(dòng)。因?yàn)槠饎?dòng)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(shí)，起動(dòng)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(duì)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(gè)系統(tǒng)中，保護(hù)負(fù)荷管理鋰離子電池負(fù)荷。如果1號(hào)場(chǎng)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(dòng)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(gè)場(chǎng)效應(yīng)管改變供電系統(tǒng)，實(shí)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(shí)現(xiàn)這個(gè)簡(jiǎn)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(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，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(cè)單元的控制板等組成。因?yàn)?個(gè)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(cè)機(jī)制，監(jiān)測(cè)每個(gè)鋰離子電池單元電壓。對(duì)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(shí)現(xiàn)了無冷卻風(fēng)扇功能，是低成本的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。由于鋰離子電池在較高的環(huán)境溫度下會(huì)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(yàn)，控制熱輻射流。因此，本系統(tǒng)可以不需要冷卻風(fēng)扇實(shí)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(duì)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(duì)鋰電池組增加了額外的保護(hù)結(jié)構(gòu)以應(yīng)對(duì)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(shí)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(jì)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(cè)到水進(jìn)入，就會(huì)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(gè)開關(guān)，用于控制1號(hào)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和2號(hào)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。2個(gè)電池充放電狀態(tài)是通過改變2個(gè)場(chǎng)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(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管是由安裝在電池組內(nèi)的電池監(jiān)測(cè)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(hào) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管和2號(hào)場(chǎng)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(gè)電池。

怠速停機(jī)/加速

關(guān)閉1號(hào)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，打開2號(hào)場(chǎng)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(gè)電池放電。行駛所需功率只由每個(gè)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(hào)場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)閉，2號(hào)場(chǎng)效應(yīng)晶體管打開。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電機(jī)由鉛酸電池供電。起動(dòng)電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)要消耗大功率。因此，斷開1號(hào)場(chǎng)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(shí)的電壓下降使電器、儀表和音響復(fù)位。對(duì)于那些元器件，具有起動(dòng)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(hào)和2號(hào)場(chǎng)效應(yīng)晶體管都關(guān)閉，1號(hào)場(chǎng)效應(yīng)晶體管上的旁路繼電器連接向在駐車時(shí)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(duì)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?yàn)槿绻U酸電池深度放電，可能導(dǎo)致硫酸鹽化作用這會(huì)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(cè)電壓，評(píng)估鉛酸電池的充電狀態(tài)，以確保起動(dòng)機(jī)能起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，保證電池壽命。該系統(tǒng)實(shí)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(duì)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(huì)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?yàn)樵谟萌加托旭偲陂g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(shí)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(shí)，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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以防止產(chǎn)生過高電流和電壓沖擊，因?yàn)樵谙到y(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(huì)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(cè)量尾氣排放和燃油經(jīng)濟(jì)性的測(cè)試循環(huán)。結(jié)果表明該系統(tǒng)可以在減速時(shí)存儲(chǔ)110％的能量提供給鋰離子電池和鉛酸電池，如果將JC08測(cè)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(shí)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(dòng)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(shí)際環(huán)境

帶有鋰離子電池的本系統(tǒng)具有能夠回收制動(dòng)能量的優(yōu)勢(shì)，特別是在低溫環(huán)境下，因?yàn)殂U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(shí)可以節(jié)省燃油，而且在實(shí)際使用中也可大幅提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

6結(jié)語(yǔ)

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(jiǎn)單。這源于采用了具有獨(dú)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(zhǎng)，重量輕。這意味著該系統(tǒng)在小型車輛市場(chǎng)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(gè)系統(tǒng)獲得的新結(jié)果。