李 華

淺析Tiguan L PHEV制動能量回收系統(tǒng)

李 華

（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，四川 成都 611130）

當(dāng)傳統(tǒng)汽車減速或制動時，車輛運(yùn)動能量通過制動系統(tǒng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茚尫诺酱髿庵?。而新能源汽車通過制動能量回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆Υ嬗谛铍姵刂?，從而提高車輛的續(xù)駛能力。新能源汽車在制動過程中，要保證其制動穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，同時要盡可能多地回收制動能量，以延長新能源汽車?yán)m(xù)駛里程。文章通過對制動能量回收系統(tǒng)的定義、組成及工作原理進(jìn)行研究，剖析了新能源汽車電機(jī)再生制動能量回收工作過程和制動能量回收系統(tǒng)的制動工作過程，闡明了制動能量回收系統(tǒng)各部件的作用；重點(diǎn)圍繞途觀L PHEV制動系統(tǒng)組成、途觀L PHEV制動能量回收系統(tǒng)混合制動工作原理，即減速請求、摩擦減速、再生減速的支持及三相電流驅(qū)動裝置的支持不足4個工作過程；系統(tǒng)地介紹了Tiguan L PHEV制動能量回收系統(tǒng)主要是通過控制機(jī)電式制動助力器e-BKV和蓄壓器VX70實(shí)現(xiàn)的，駕駛員的減速請求是摩擦減速與能量回收減速的綜合。

減速；制動；能量回收；蓄電池

引言

新能源汽車在結(jié)構(gòu)、排放、技術(shù)上的巨大優(yōu)勢是其成為汽車發(fā)展方向的重要原因，但新能源汽車?yán)m(xù)駛里程短的問題也是制約其發(fā)展的主要因素之一，研究表明傳統(tǒng)汽車在行駛中，大約有35%～80%的能量損失在制動過程中，而新能源汽車在制動過程中能夠進(jìn)行能量回收利用，因此制動能量回收系統(tǒng)在提高車輛能量利用率、延長車輛續(xù)駛里程方面有做十分重要的作用[1]。

制動能量回收系統(tǒng)除能提高車輛能量利用率、延長續(xù)駛里程以外，還有傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動機(jī)制動功能。在車輛制動時，如果沒有發(fā)電機(jī)的反拖作用，所有制動負(fù)荷都施加在制動系統(tǒng)上，制動系統(tǒng)承受的熱負(fù)荷會非常大，容易導(dǎo)致制動系統(tǒng)制動效能降低，特別是在連續(xù)下坡時，所以制動能量回收在新能源汽車中不僅僅是為了回收動能提高續(xù)航里程，更重要的是降低剎車系統(tǒng)負(fù)荷提高安全性和剎車壽命。本文圍繞制動能量回收系統(tǒng)作用與工作過程進(jìn)行介紹。

1 制動能量回收系統(tǒng)定義及基本作用

1.1 制動能量回收系統(tǒng)定義

制動能量回收系統(tǒng)是指新能源汽車在減速或制動時，電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩，將其中一部分機(jī)械能（動能）轉(zhuǎn)化為電能的能量回收系統(tǒng)；在減速或制動過程中，車輛釋放出的多余能量可以通過電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備，來對動力電池包進(jìn)行充電，將車輛的部分動能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)能量的再生利用[2]。

1.2 制動能量回收的作用

制動能量回收系統(tǒng)主要有與車型相適配的發(fā)電機(jī)、蓄電池以及可以監(jiān)視電池電量的智能電池管理系統(tǒng)組成，它是新能源汽車的重要技術(shù)之一，也是新能源汽車的重要特點(diǎn)。在一般內(nèi)燃機(jī)汽車上，當(dāng)車輛減速、制動時，車輛的運(yùn)動能量通過制動系統(tǒng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑾虼髿庵嗅尫?，而在電動汽車、混合動力汽車等新能源汽車上，這種被浪費(fèi)的運(yùn)動能量可通過制動能量回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿Υ嬗趧恿﹄姵刂?，在汽車啟動或加速等需要更大動力輸出時釋放，同時電能還可提供給車內(nèi)電子設(shè)備的使用，從而改善汽車能量利用效率，提高續(xù)駛里程等目的。例如，在混合動力汽車中，當(dāng)車輛起步或加速，需要增大驅(qū)動力時，電機(jī)驅(qū)動力成為發(fā)動機(jī)的輔助動力，使電能獲得有效應(yīng)用。研究表明，在車輛非緊急制動的普通制動時，約1/5的能量可以通過制動回收。

2 制動能量回收系統(tǒng)工作過程

新能源汽車制動系統(tǒng)主要由兩部分組成，即電機(jī)再生制動部分和傳統(tǒng)液壓摩擦部分，所以新能源汽車的制動系統(tǒng)是機(jī)電復(fù)合的制動系統(tǒng)。

2.1 電機(jī)再生制動能量回收工作過程

當(dāng)駕駛員松開加速踏板，新能源汽車減速時，車輪帶動驅(qū)動電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，此時電機(jī)作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流，通過電機(jī)控制器中的AC-DC轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電給動力電池組充電。整車控制器可通過各種傳感器對動力電池、驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控并及時反饋信息，并通過電功率表、轉(zhuǎn)速表和溫度表等儀表進(jìn)行顯示。當(dāng)然，并不是車輛在減速情況下，就會進(jìn)行能量回收，整車控制器根據(jù)制動踏板的開度、車輛行駛狀態(tài)信息，以及動力電池的狀態(tài)信息，來判斷此時是否需要進(jìn)行制動能量回收，如果需要進(jìn)行能量回收，整車控制器會根據(jù)動力電池的剩余電量，確定制動能量回收的程度大小，不同的車輛控制策略不同回收的大小也存在一定的差異。當(dāng)動力電池的溫度過低時，整車控制器接收到此信號后，將不會發(fā)出能量回收的指令；當(dāng)動力電池的電量充足，比如剩余電量大于90%或95%時，系統(tǒng)也不會進(jìn)行能量回收；如果動力電池的電量不足時，系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常的能量回收；當(dāng)電池電量在最大和最小值之間時，系統(tǒng)還會限制能量回收的最大充電電流[3]。

2.2 制動能量回收系統(tǒng)的制動工作過程

在汽車制動的過程中，要保證新能源汽車的制動穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，還要盡可能多地回收制動能量，延長新能源汽車?yán)m(xù)航里程。制動能量回收系統(tǒng)的制動是通過減速來達(dá)到制動效果的，工作原理是制動的時候通過變流器改變勵磁電流的導(dǎo)通相位，讓電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會減慢，達(dá)到減速制動的目的。電動機(jī)是否處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的判斷依據(jù)是瞬時轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速的大小，當(dāng)電動機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時，線圈繞組中產(chǎn)生大的反向電動勢，此時電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)；隨著制動的持續(xù)進(jìn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時，處于電動機(jī)狀態(tài)，能量回收過程結(jié)束。

制動能量回收的原則是：能量回收制動不干預(yù)ABS的工作。當(dāng)ABS進(jìn)行制動力調(diào)節(jié)時或ABS報(bào)警時，制動能量回收系統(tǒng)不工作。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)有故障時，制動能量回收系統(tǒng)也不工作。

3 途觀L PHEV制動系統(tǒng)組成

途觀L PHEV制動系統(tǒng)是基于大眾汽車模塊化裝配套件中經(jīng)過測試和驗(yàn)證的組件。它主要包括串聯(lián)式制動主缸、車輪制動器、懸吊式踏板總成、機(jī)電式制動助力器e-BKV、ESC/ABS 系統(tǒng)、制動系統(tǒng)蓄壓器VX70、三相電流驅(qū)動裝置等組成，如圖1所示。

圖1 途觀L PHEV制動系統(tǒng)組成

3.1 機(jī)電式制動助力器e-BKV

e-BKV裝置是特別針對配備電驅(qū)動電機(jī)的車型而開發(fā)的。e-BKV與傳統(tǒng)BKV相比在性能、環(huán)保及功能三個方面都具有明顯優(yōu)勢，在性能上它能精準(zhǔn)建壓、制動響應(yīng)快速、具有更低的噪音和震動；在環(huán)保方面主要體現(xiàn)在更高的制動能量回收率、重量更輕、不需要真空源、降低制動鉗拖滯力矩、低電流消耗五個方面；在功能方面還具有助力特性可調(diào)、動態(tài)踏板感覺調(diào)整、自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)勢。

當(dāng)駕駛員操縱制動踏板時，e-BKV的推桿傳遞踏板操縱力，并通過活塞桿將其傳送到串聯(lián)制動主缸，推桿向左移動特定的數(shù)值量，該數(shù)值通過制動踏板位置傳感器G100傳送至制動助力控制單元J539；與此同時，機(jī)電式制動助力器收到來自安裝于電動機(jī)/變速箱單元中的制動助力器的發(fā)動機(jī)（電動機(jī)）位置傳感器G840的位置信息；機(jī)電式制動助力器中的制動助力控制單元J539 根據(jù)駕駛員的制動要求和電動機(jī)位置信息計(jì)算所需增加的制動力，該制動力驅(qū)動小齒輪軸使得加強(qiáng)套管向左側(cè)移動，從而為駕駛員施加的制動力提供支持，如圖2所示。機(jī)電式制動助力器e-BKV可增大駕駛員施加的制動踏板操縱力放大6倍。

圖2 機(jī)電式制動助力器e-BKV

3.2 制動系統(tǒng)蓄壓器VX70

制動系統(tǒng)蓄壓器VX70直接連接至制動主缸，該組件具有為駕駛員踩下踏板的制動力提供助力（制動伺服機(jī)構(gòu)）、制動輪缸的大量壓力管理（串聯(lián)制動主缸）、儲存不需要用到的制動液、混合制動等功能。

當(dāng)制動系統(tǒng)蓄壓器VX70工作時，它能根據(jù)系統(tǒng)的需要存儲制動液，并可將其導(dǎo)回制動系統(tǒng)中，其目的在于降低制動壓力；當(dāng)制動助力控制單元J539識別到交流發(fā)電機(jī)減速不足信號時，相應(yīng)信號從制動助力控制單元J539發(fā)送至蓄壓器VX70的控制單元，此時制動液會受壓從蓄壓器VX70返回至制動系統(tǒng)中；當(dāng)交流發(fā)電機(jī)減速充足時，制動助力控制單元J539 將該信息發(fā)送至蓄壓器VX70的控制單元，此時制動液將流入蓄壓器VX70，車輪制動器上的制動壓力降低。然后用于能量回收的制動蓄壓器電動機(jī)V545將活塞推回，如圖3所示。

圖3 制動系統(tǒng)蓄壓器VX70

4 途觀L PHEV制動能量回收系統(tǒng)

4.1 制動能量回收介紹

具有制動能量回收功能的制動系統(tǒng)是特別針對配備電驅(qū)動電機(jī)的新能源汽車開發(fā)設(shè)計(jì)的。回收功能指的是能夠回收制動能量或滑行能量，新能源汽車制動能量回收系統(tǒng)工作時，將驅(qū)動電機(jī)切換至發(fā)電機(jī)模式，制動能量或滑行能量帶動驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能通過轉(zhuǎn)換后給高壓蓄電池反向充電，從而將這部分能量儲存在高壓蓄電池中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量回收，如圖4所示。

圖4 制動能量回收

滑行能量回收是在駕駛員松開油門，且不踩剎車的情況下，車輛會根據(jù)當(dāng)前的車速和擋位情況，計(jì)算出需求的電機(jī)發(fā)電力矩，這個電機(jī)發(fā)電力矩從整車來看是阻力矩，會使車輛產(chǎn)生減速度；制動能量回收由e-BKV根據(jù)制動踏板行程確定制動力，與駕駛模式和擋位沒有直接關(guān)系。

4.2 混合制動工作原理

根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)速、高壓蓄電池的溫度和充電水平，三相電流驅(qū)動裝置可在交流發(fā)電機(jī)模式下使車輛減速，這些相關(guān)因素會使電氣減速產(chǎn)生波動，并且可能需要進(jìn)行液壓補(bǔ)償，電氣減速和液壓減速之間的交替變化被稱為混合制動；電力驅(qū)動裝置VX54的動力和控制電子設(shè)備JX1將生成的能量提供給高壓蓄電池，當(dāng)駕駛員進(jìn)行制動時，制動系統(tǒng)利用三相電流驅(qū)動裝置的減速電動勢來增加電力驅(qū)動的續(xù)駛里程。

混合制動工作原理主要包括減速請求、摩擦減速、再生減速的支持及三相電流驅(qū)動裝置的支持不足4個工作過程。

減速請求是駕駛員踩下制動踏板以使車輛減速并將其完全停止（如需要），駕駛員的制動請求是利用制動踏板位置通過制動助力控制單元J539傳達(dá)，如圖5(a)所示。

摩擦減速是駕駛員的減速請求增加液壓制動系統(tǒng)中的壓力以降低車速，如圖5(b)所示。

再生減速的支持是當(dāng)車輛高速行駛時，制動助力控制單元J539 從電力驅(qū)動裝置的動力和控制電子設(shè)備JX1接收到三相電流驅(qū)動裝置VX54能夠支持液壓制動系統(tǒng)的信息，調(diào)整可用的交流發(fā)電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩，使得制動壓力不會增加或者降低；隨著車速降低，交流發(fā)電機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩增大，車輪上的制動壓力需要根據(jù)可用的交流發(fā)電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩而降低，此時，制動系統(tǒng)蓄壓器VX70工作吸入制動液，使得液壓制動系統(tǒng)中的壓力降低，這意味著在特定時間段內(nèi)可僅利用交流發(fā)電機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行減速，如圖5(c)所示。

三相電流驅(qū)動裝置的支持不足時，如果在減速過程中交流發(fā)電機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩降低，則制動助力控制單元J539會向制動系統(tǒng)蓄壓器VX70的控制單元發(fā)送一個信號，蓄壓器將存儲的制動液返回制動系統(tǒng)，使液壓制動系統(tǒng)中的壓力增加；當(dāng)車輛制動并且完全停止時，且車速低于10 km/h時，交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩會降低，車輛需要通過液壓進(jìn)行制動，如圖5(d)所示。

5 總結(jié)

Tiguan L PHEV制動能量回收系統(tǒng)主要是通過控制機(jī)電式制動助力器e-BKV和蓄壓器VX70實(shí)現(xiàn)的。能量回收時施加的制動涉及到電驅(qū)動電機(jī)，須遵循制動法規(guī) ECE R13H，同時，駕駛員的減速請求是摩擦減速與能量回收減速的綜合，其中能量回收減速包括再生減速的支持過程和三相電流驅(qū)動裝置的支持不足過程的減速。

[1] 羅溶.電動車再生制動系統(tǒng)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2021,46(06): 8-10.

[2] 張曉艷.新能源汽車再生制動控制策略[J].內(nèi)燃機(jī)與配件, 2021(03):194—195.

[3] 馬什鵬,張劉鋒,馬永娟,等.再生制動能量回收研究綜述[J].汽車文摘,2021(08):19-26.

Analysis of Tiguan L PHEV Braking Energy Recovery System

LI Hua

( Department of Automotive Engineering, Sichuan Transportation Vocational and Technical College, Sichuan Chengdu 611130 )

When the traditional car decelerates or brakes, the vehicle motion energy is converted into heat energy through the braking system and released into the atmosphere. And new energy vehicles through braking energy recovery technology into electric energy storage battery, so as to improve the endurance of the vehicle. New energy vehicles in the braking process, to ensure the braking stability and stability, and as much as possible to recover the braking energy, in order to extend the range of new energy vehicles. By studying the definition, composition and working principle of the braking energy recovery system, this paper analyzes the working process of regenerative braking energy recovery of the motor of new energy vehicles and the braking energy recovery system, and clarifies the role of each component of the braking energy recovery system. It focuses on the composition of the Tiguan L PHEV braking system, the hybrid braking principle of the Tiguan L PHEV braking energy recovery system, that is, the support of deceleration request, friction deceleration, regenerative deceleration and the support of the three-phase current drive device are less than four working processes; the Tiguan L PHEV braking energy recovery system is mainly realized by controlling electromechanical brake booster E-BKV and accumulator VX70. The driver's deceleration request is the synthesis of friction deceleration and energy recovery deceleration.

Decelerate; Brake; Energy recovery; Battery

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1671-7988(2022)01-14-05

U469.7

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CLC NO.: U469.7

李華（1986—），男，碩士，講師，就職于四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，研究方向：新能源汽車檢測與維修?；痦?xiàng)目：四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年度教學(xué)專項(xiàng)第一批課程資源建設(shè)項(xiàng)目在線開放課程《新能源汽車維修關(guān)鍵技術(shù)》（項(xiàng)目編號：2021-JP-20）研究成果之一。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.004