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电动研习社:动能回收的那些小门道
作者:EBET - 2020-10-22 02:56-

  纯电动车如何提升续航?厂商为解决这个问题已经将纯电动车“武装到了牙齿”,比如不断提升动力电池技术、不断降低风阻,甚至轮圈都采用了所谓的“低风阻轮圈”。就提升续航而言,其实还有一个我们不得忽视的技术,那就是动能回收。它除了使纯电动车开起来会获得与燃油车截然不同的感受,你知道它的前世今生、它为我们带来的好处?

  在说纯电动车的动能回收之前,我们先看看三类能量回收的例子,它们与纯电动车的性质不同,应用了不同的技术原理、逻辑,也获得、实现了不同的效果与目的,但都是把“本会浪费的能量回收起来”的方案。比如2009年F1引入了“机械飞轮动能回收系统”,其目的是通过技术来储能,当车辆需要更大动力时,能量在短时间内被释放,这与如今新能源车所采用的动能回收系统性质不同。

  机械飞轮动能回收系统的原理简单,通俗来说,我们可以把飞轮理解为储能装置,类似于儿童玩具回力车的弹簧一般。当车辆制动可进行动能回收时,动能通过无级变速箱传入飞轮,飞轮通过高速旋转积蓄能量。

  从系统结构图来看,该系统还需要无级变速箱、齿轮组等多个组件作为辅助,这不是白白增加过程、增加系统重量吗?飞轮要通过提升旋转速度来增加所储动能,比如Flybrid公司研发的机械飞轮最高转速已达60000r/min左右,这显然无法与发动机、车轮转速相匹配,所以中间需要“无限变速式无极变速箱”来传递动能。

  此外,为达到不浪费发动机动能、释放动能的目的,与无极变速箱连接的传动轴上还配有一个车桥侧离合器。当无需回收动能时,离合器断开,飞轮不回收动能;当飞轮所储蓄的动能需要被释放时,离合器结合,飞轮端动能通过齿轮与主变速箱输出端的发动机动力汇合,而后动力被传递到驱动轮。

  我们可以发现这套系统其实不存在电机、电池,这是因为F1必须要考虑车重因素,所以机械飞轮储存的能量有限,可释放动能的时间也往往就在10秒以内,这适合于赛车短时间内的动力提升,但并不适用于民用车。

  F1的机械飞轮无法储存太多能量,但新能源车型本身就需要配备电池组,这岂不是正好让回收的动能有了去处?包括纯电动车和混动车型,电池组都成为了动能的归宿。混动车型拥有发动机,它可以回收发动机的动能,比如丰田的THS混动系统。避免动能浪费,车辆能效得到提升也就意味着能耗的降低,所以新能源车型的经济性表现,应该说离不开动能回收技术的帮助。

  粗略的来说,丰田THS系统的E-CVT变速箱包括了MG1发电机和MG2驱动电机。当发动机动力过剩或其处于怠速但不需要动力输出时,动能即通过MG1转化为电能被输送到电池组内;当车辆需要动力输出,MG2作为驱动电机协助发动机输出动力;此外,MG1还有个额外的作用是调速,它使发动机尽可能在经济区间工作,这与动能回收没有关系,所以我们也就不详聊了。

  无论是机械飞轮动能回收还是回收发动机的动能,它们都是回收了“驱动部分”的能量。其实从广义上来说,动能回收系统还包括吸收车身颠簸这种形式,它被称为“车身液压式动能回收系统”。

  在车辆经过颠簸时,车身上下运动也存在动能,从原理上来说,车身液压式动能回收正是回收了这部分动能,并将其转换为电能或其它能量来驱动车辆。通常来说该类动能回收系统具备活塞式液压泵,车身的上下运动会将液压油压入储能罐,在需要时,具备压力的液压油可驱动发电机发电,从而达到动能回收再利用的效果。

  这种动能回收方式并不是空穴来风,其实在2015年左右,奥迪就曾发布了一套名为electromechanical Rotary Damper(简称eROT)的底盘悬架系统,该系统就利用电动机械旋转减振器代替了传统的液压减振器。奥迪曾对该系统进行了测试,在高速公路、乡村道路以及纽伯格林赛道三种不同的路况,其能量回收功率在3-613W左右。

  纯电动车不具备混动车型的发动机,那它的动能回收也就是通过电机来实现了,而且纯电动车都配备更大容量的动力电池组,所以动力电池更是顺理成章变成了“动能的归宿”。目前大部分纯电动车采用的动能回收系统被称为“电池-电机动能回收系统”,顾名思义它靠电池、电机实现了回收动能的目的。

  我们都知道电机是将电能转化为机械能的过程,被称为电生磁,两个磁场间通电后产生互斥或互相吸引的力,从而实现电机运转;电机同时能充当发电机,原理相反,是个电磁感应、机械能转化电能的过程。

  当驾驶员松开加速踏板,电机不需要工作,其开始充当发电机的角色,此时车辆的机械能被发电机转化为电能充入电池组。而发电机工作时两个磁场同样产生一定的力矩,这个力与电机输出的力相反,也就实现了“电机反拖”,车辆产生减速效果。

  顺便提一下,动能回收系统的主要作用是减少动能浪费,提升续航里程。此外由于它能使车辆实现减速,这也就减少了机械刹车的使用频率,在一定程度上保护了刹车系统,在民用车上,这也许意义不太大,但同样是利用电机反拖的原理,在NTE330这种“巨无霸”上就发挥了不可或缺的作用,因为传统机械刹车无法承受如此大的车重带来的惯性,而电机反拖可以。

  我们上面说,电机“反拖”即实现了车辆减速的效果,当动能回收力度大时,车辆减速明显,滑行距离小,此时动能回收效果最强;反之车辆滑行距离长,动能回收效果弱。通过调节电机通电线圈的电流大小,也就调节了电机反拖力度的大小,从而实现了动能回收力度的分级。

  一般来说,动能回收力度大利于提升车辆续航表现,但如果“较真”的考虑一下,其实也未必。毕竟动能回收效率无法达到100%,这意味着如果频繁“动能回收+再次起步”的话,车辆会浪费更多的能量,虽然这几乎无法通过实际测试来精确论证,但从理论上来说是这个道理吧?

  基于上述结论,对于一般驾驶水平的驾驶员来说,在拥堵路段可以多使用高强度动能回收,因为拥堵工况下的刹车、起步可能会更容易判断一些,在畅通路段我们或许可以多使用低强度动能回收,因为在这种工况下一般只需要减速即可,并不需要很大的速度变化甚至刹停。

  当然,以上说法也是基于理论,在日常用车中,我们大可不必太过纠结,更多情况下随着自己的驾驶习惯来调节动能回收即可。而且在车辆的调校上,通常动能回收系统与机械制动系统之间会有比较聪明的配合,比如驾驶员不需要大力制动,可能这时只有动能回收介入,当车辆所需制动力更足时,动能回收满负荷回收,并且机械制动将介入,这也就是为什么很多车型的制动踏板被踩下时,动能回收的功率会达到峰值。

  就算是纯电车用户,相信也有很多人不习惯动能回收所带来的驾驶感觉,因为目前有些车型的动能回收介入过程并不顺畅,且产生的制动力也有点让人摸不到头脑。个人认为对于喜欢使用该功能的驾驶员而言,喜欢它带来的轻松驾驶感受是不可忽视的因素。

  如果您从来没有接触过动能回收,我建议您可以多尝试一下力度为小或者中等的动能回收模式,逐渐适应一下少使用机械制动的感觉,当您认为“这东西确实省了右脚”再进阶到高强度的动能回收,也许您会爱上这种感觉。当然了,这是对于动能回收调校比较好的车型而言,如果系统介入突兀、力度不线性、逻辑混乱,那确实没法让您喜欢上它,在选车时我们可以把“动能回收”也作为一个参考项来试一下。

  我相信即便是纯电动车的续航水平在不断提升,厂商们也依然不会放弃动能回收系统的开发,因为流掉的能量不要白不要,要了也白要啊,不过还是那句话,它调校好了才能吸引到用户,反之,用户只能离它越来越远。总之,从驾驶轻松度和续航两方面来说,个人建议您还是多尝试一下动能回收吧,也许这能成为您的最爱。(文/图 汽车之家 尤冬青)

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