制动能量回收,对于新能源车辆而言,是指在减速或制动过程中,驱动电机工作于发电状态,将车辆的部分动能转化为电能储存于电池中。同时,施加电机回馈转矩于驱动轴,对车辆进行制动,这种制动方式称为再生制动(RegenerativeBraking),或回馈制动。
目前主流的新能源车型采用的是电子刹车踏板控制方式,在刹车踏板的深度小于10%时,未触动液压制动,此时整车采用电机辅助制动,液压制动不起作用。随着刹车踏板的深度增加,动力总成电机根据刹车踏板的深度给出合适的制动力矩。
看下面这张图,大家都知道这是NEDC测试循环的速度-时间曲线,虽然和真实世界的驾驶情况有很大出入,但是它比较清晰地展现了车辆使用中3个比较典型的情况,即加速阶段,匀速行驶阶段,减速阶段,如果我们取NEDC里前一个城市循环放大看来分析
图圈为第一个城市循环,放大后如下图
为了明确一下,我们把加速阶段标绿,匀速阶段标黄,减速阶段标红
对于纯电动车型,其优势就是可以把原本在减速阶段白白被刹车消耗掉(转化为热量)的车辆动能,再次通过电动机(此时作为发电机使用)转化为电能给电池充电。假设电机电池(其实还有功率电子)的转化效率是100%,那么理论上,加速阶段电池释放的能量,能在刹车的时候被全部回收,就算现实中有一定的损耗,但是也能回收很多。
用一个简单的比喻,电动车加速再减速的这个过程,有点儿像弹簧被压缩又被释放一样,这里面汽车的动能就对应着弹簧被压缩所储存的势能,电机输出的动力就对应压缩弹簧的外力,加速过程就是压缩弹簧,把能量储存在车身动能里,减速就是逆过程,即车的动能变回电能。
非常不幸,以上论断是错误的,而且错得比较离谱。 现实中,绿色和黄色部分需要输出的能量,比红色部分可以回收的要多得多,why? 因为还有滚动阻力和空气阻力。算上这两者,每一个加速的时刻,除了储存到车辆动能部分的能量,还得同时克服当时的滚动阻力和空气阻力,对应压缩弹簧的阶段,除了需要输出压缩弹簧的能量,还得客服额外的阻力,且这个阻力功作为热量耗散掉了是不可回收的。匀速阶段同理,弹簧弹性势能(车辆动能)没有变化,但是需要付出额外能量。 所以问题的关键变成了,假设行驶一段距离,和最终刹车时车辆储存的动能相比,走过这段路程滚动阻力和空气阻力一起耗费的能量到底是高是低,后者高,则刹车时可以回收的比例少,反之则多。 不幸的是,后者高,而且很高。
下图是一辆1.5吨的现代轿车按照NEDC走100km的能耗分布情况
忽略复杂的符号和单位,下图圈绿的是没有刹车回收时候的能量需求,大约1.16L柴油(1.31L汽油),圈红的是回收所有动能时候,也就是只考虑克服滚动阻力和空气阻力时的能量需求,大约0.89L柴油(1.01L汽油),可以看到红色的部分比红绿相差的部分多得多,也就是说,具备能量回收的话,从车辆行驶的纯能量需求层面,节省不了太多,只能节约大约23%的能量。当然不同的车不同的驾驶循环不同,但是,大概这个数量级。
进一步的问题是,现实中,你能有效率是100%的电池,电机和功率电子吗? 答,不能。所以如果考虑一个实际的能量回收效率(65-75%是实际的(充放电整体)),上图中红色圈出来的能量还要更高,最终能节省15%是比较实际的
综上,对于纯电动车因为具备了能量回收能功能,能节约的能耗可能比大多数人脑补的少。
虽然实际中电动车只能节能15%左右,但是能量回收这个事情能让传统内燃机车型节油30-40%,这是如何做到的呢? 答,混合动力。 再看一下这张图,传统内燃机车型如果想节能,就只能减少动力的输出,如果用电机回收红色部分的能量,替代绿色部分的加速,那么油耗自然就降低了,但是为什么会超过电车的15%?
也很简单,因为绿色的部分,尤其是最开始加速的阶段,虽然从整车层面的能量角度看是和红色的部分对称的,一边加速一边减速,但是对于发动机来说,因为速度慢功率需求低,所以这个时候的效率非常低,也就是说,虽然低速行驶的能量需求可能只占了整体行驶的比如10-20%,但是油耗层面却占了可能20-30%甚至更多(取决于驾驶循环),所以消除低功率需求的工况点,在发动机层面节省的油耗会比整车层面纯能量需求角度省下得更多,此时对于传统内燃机车型,这个电机的大小就意味着回收能量的多少,也就意味着消除低效率点能力的高低,这个数值我们称之为混动度,一般按照电机在全部动力里的比例来算。 所以这个时候,我们可以介绍几个基本的混合动力概念。 微混,比如48v, 混动度比如5%,节油5-10% 轻混,比如P2电机, 混动度比如15-20%,节油20-25% 重混,比如THS, 混动度比如40-50%,节油35-45% 有意思的是,这里面随着混动度的升高混动系统的成本在大幅上升(相比传统油车),同时节潜力在相对于付出的成本极速降低,可以说,混动度“越小,其实性价比“越高”,混动系统的这一特性,与德国和日本两个主要汽车大国民族特性的不同,导致两者注定了会选择完全不同的技术路径。 这个时候会有人说了,混动车电机再大,也就是40-50Kw,和电动车几百Kw的电机相比,回收的能量根本不能比,然而,这也是错的。 考虑到一般家用车最大功率在100-140Kw,重混的电机功率已经足够覆盖绝大多数减速刹车时的功率需求(几十千瓦),也就是说,电动车更大的电机,在绝大多数日常使用情况下,对于回收能量没有额外的帮助。 所综上,以不管从哪个角度来看,能量回收这个事情,对于传统燃油车的意义(混动)都是大于电动车的。 相比混动车的意义也大于电动车,混合动力存在的本质,就是通过刹车时回收的能量,来消除发动机的低工况点,从而达到更大幅度节油的效果,而这一本质,是很多人经常忽略的。