问题

插电混动汽车的能量回收系统原理是怎样的?

回答
插电混动汽车的能量回收系统,说白了就是利用你开车时一些本来会“白白浪费掉”的能量,变废为宝,重新储存起来,供之后使用。这就像你在爬山,本来下山时是顺势而下的,但如果你能把下山时的动能储存起来,回头就能省点力气爬小坡,插电混动汽车的能量回收也是这个道理。

它的核心原理,主要围绕着“电动机/发电机一体化”这个概念展开。大多数插电混动汽车,它的驱动系统里都有一个电动机,这个电动机在很多时候也充当了发电机的角色。

什么时候会进行能量回收?

主要有两大场景:

1. 减速和制动: 这是最常见也是最重要的能量回收时机。当你松开油门,或者踩下刹车踏板时,汽车的动能是巨大的。正常情况下,这些动能通过刹车片和刹车盘的摩擦,最终转化成热能散失到空气中,这是纯粹的浪费。

在插电混动汽车里,当驾驶员做出减速动作时,控制系统会介入,它会聪明地将原本用于摩擦制动的力,部分或者全部地转化为驱动电动机反转。这时候,电动机就不再是消耗电能来驱动车轮,而是被车轮的惯性“反向驱动”了。就像你用力转动一个发电机的手柄一样,它就会产生电能。

这个被产生的电能,就会被输送到电池组里进行储存。这个过程叫做制动能量回收。

松油门回收(滑行回收): 很多插电混动车在松开油门时,就已经开始轻微的能量回收了,这时候的制动力比较柔和,就像轻微的发动机刹车,但它是用电能来“反拖”的。车辆会有一个滑行减速的效果。
踩刹车回收: 当你踩下刹车踏板时,车辆的制动逻辑会变得更复杂。它会根据你踩刹车的力度和意图,智能地分配制动力。一部分由电动机通过能量回收提供,另一部分则由传统的液压刹车系统提供。系统会尽量优先使用电动机回收能量,因为这是高效且环保的。

2. 上坡时的动能“储备”(虽然不是严格意义上的回收,但逻辑相关): 在上坡过程中,如果车辆速度较高,而电池电量充足,发动机可能会辅助给电池充电。虽然这和减速回收不一样,不是利用“损失”的能量,但它同样是将能量转化为电能储存起来,以备不时之需。但这个场景相对较少,主要还是减速制动回收是核心。

能量回收的“秘密武器”——电动机/发电机

理解能量回收,就必须弄懂电动机是怎么变成发电机的。

电动机的工作原理: 通电的线圈在磁场中受力,产生转矩,驱动转子旋转,从而输出动力。
发电机的工作原理: 线圈在磁场中运动,切割磁感线,就会在铜线里产生电流。

插电混动汽车里的电动机,通常是同步电机,设计上就具备良好的可逆性。也就是说,它既能消耗电能驱动转子旋转,也能被外部机械力驱动转子旋转,从而产生电能。

当你在减速时,车轮带动传动系统,最终驱动电动机的转子旋转。在这个过程中,电动机内部的磁场和线圈运动的关系颠倒过来了,它就变成了一个“发电机”。产生的电流方向也随之改变,不再是从电池流出驱动电机,而是从电机流向电池。

能量回收的控制过程是怎样的?

这背后是一套非常精密的能量管理系统(Energy Management System, EMS)在运作。

1. 数据采集: EMS会实时监测车辆的各种状态:车速、油门踏板位置、刹车踏板深度、电池的充电状态(SOC)、电机温度等等。
2. 决策制定: 根据这些数据,EMS会判断当前的驾驶场景是否适合进行能量回收,以及应该回收多少能量。比如,如果电池已经充满了(SOC很高),那么即使减速,回收的能量也无法储存,EMS就会减少或停止能量回收,更多地依赖机械刹车。
3. 执行控制: EMS会向驱动电机、动力控制单元(PCU)等下达指令。在减速时,它会控制电机的励磁和转速,使其进入发电机模式,并精确控制输出的电流量。同时,它也会协同机械刹车系统,保证制动力的平稳过渡和足够的制动效果,避免给驾驶员带来突兀感。

能量回收的好处显而易见:

提升燃油经济性: 回收的电能可以用来驱动车辆,减少对汽油发动机的依赖,从而降低油耗。
增加续航里程: 对于纯电续航里程有限的插电混动车来说,每次能量回收都是在为纯电模式“充电”,变相增加了车辆的行驶里程。
减少刹车片磨损: 由于部分制动任务由电动机承担,传统刹车片的使用频率降低,磨损也就更慢,延长了刹车片的寿命。
改善驾驶体验: 通过合理的能量回收调校,可以模拟类似发动机制动的效果,让驾驶员在减速时有更好的控制感,甚至可以实现“单踏板模式”(只用油门踏板控制加速和减速),带来更便捷的驾驶体验。

所以,插电混动汽车的能量回收系统,本质上就是一个智能的“动能收集器”,通过巧妙地利用电动机和一套精密的控制逻辑,将原本的能量损失转化为可用的电能,让你的车子跑得更远、更省钱。它不是一个简单的附加部件,而是整个混动系统最核心的“节能法宝”之一。

网友意见

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谢邀


能量回收最早听到是在F1赛场上。当时民用领域能想起来的混动车型也就能想到一个普锐斯。

2009年,F1上开始搭载KERS系统,目的在改善普罗大众对于F1的高噪音、高污染等印象,希望藉此响应节能环保的潮流与发展趋势,且KERS还可提高直线加速性能。KERS是动能回收系统(Kinetic Energy Recovery Systems)的英文缩写。其基础原理是:通过技术手段将车身制动能量存储起来,并在赛车加速过程中将其作为辅助动力释放利用。

最早的KERS系统可以在短时间内为赛车提供60kW的额外功率,额外的动力主要被车手们用在超车的时候。

到了2014年,原来的KERS系统更新为ERS系统,并搭载有两套电机单元:一套120kW的电机单元-动能单元(MGU-K)基本跟之前的动能回收系统KERS相同,但是功率增大一倍;另外一套电机单元-热能单元(MGU-H)。

ERS-H自然是是回收热能的,这个热量来自发动机的废气。发动机的热能量是很大的,然而被利用的热能仅有30%- 40%,剩下的热能都以泵气、机械、冷却不完全燃烧以及排气能等被损耗掉,排气的热损失占了很大一部分,MGU-H的作用就是将排气的热损失回收利用,在 日常生活中,它的回收主要可以作用在我们高速行驶的时候。MGU-H工作(回收热能)时,涡轮增压器带动同轴的热能回收电机转动。

在民用领域呢,主要以动能回收系统为主。比如被认为好评度最高的丰田THS和本田的i-MMD系统都是以动能回收为主的。

THS系统具有两个电机,这个系统可以回收行驶过程中发动机输出的过剩能量以及制动时被浪费的能量。行驶过程中,当发动机输出的能量达到了一定程度的剩余时,其中一个电机获得的能量将不再驱动车轮,转而为电池充电。而在制动减速的过程中,发动机会停止工作,这时靠车轮反过来带动电机来给电池充电。

而本田的i-MMD系统则基本上只有制动能量回收的模式。这里不再展开。

放眼到欧美以及国内,在民用领域的应用手段也基本上和两田的思路差不多,甚至各大厂商最终采用的手段只不过是规避了丰田那条系统的各种专利后产生的结果。

之前提到的类似于F1上的ERS-H系统原理的民用的热能回收系统也已经有了量产版本。

比如现代的IONIQ上搭载的混合动力系统。在这一系统中,排气热能通过整合在排放管线上的气体/液体交换器进行回收,近3kW能量被输送到发动机冷却系统,用来加热发动机和驾驶舱。这样可使混合动力车长期处于电动模式,从而提高燃料的经济性并减少二氧化碳的排放。此外,汽车制造商可以缩小或者舍弃昂贵的电子辅助座舱加热器。一旦达到设定的冷却温度,将激活控制阀,使该系统完成分路,避免发动机过热。

在各大厂商为了碳排放而焦虑的今天,可以说车上所有有可能活动的部件也都有可能装上一个能量回收系统。比如减震动能回收系统。


简单的说,就是在悬挂上装上一个小型的发电机,尤其是电磁悬挂,更适合这种结构,通过路面传递的震动来给48V系统充电。

2016年底,奥迪已经开发出自家的减震动能回收系统Electromechanical Rotary Damper(简称eROT)并已经进行测试,在德国的普通道路上回收功率能够达到100W至150W。在新铺装的路面上只能回收功率仅有3W左右,而在老旧破损的路面上功率能够达到613W。通过减震回收的能量储存在容量0.5kWh电压48V的蓄电池中。使测试原型车每公里的二氧化碳排放削减了3克。

基于这套系统,或许真的可以在车里“用爱发电”。

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