关于新型制动再生系统的开发和应用介绍

新型制动再生系统的开发

【日】T. Noyori S. Komada H. Awakawa

摘要：首次通过将新型制动再生系统应用到小型汽车，在汽车制动或者巡航阶段通过制动能量再生实现了高效的发电和充电，从而改善了油耗。新开发的技术为制动再生系统，该系统可以使车辆在行驶阶段把发电量降至最低，而在制动和巡航阶段产生最大电量。使用当车辆在放松加速踏板巡航或踩下制动踏板制动时获得的再生制动能量来产生电力。车辆运动的动能以电能的形式被捕获，用于电器元件的使用。本系统包括高效的锂离子电池和用于怠速起停系统的铅酸电池，以及高效、高输出特性的交流发电机。常规车辆上安装的铅酸电池的特点是充电需要充满才能提供稳定的电力。这就需要交流发电机连续工作，导致油耗增加。而这套系统除了铅酸电池用于怠速起停，还安装了高效的锂离子电池。直到电量耗尽，锂离子电池才需要充电。利用这一特性，锂离子电池不需要交流电机连续工作。与以往的系统相比，该系统实现了更高的充电效率和更高的发电能力。对于小型发动机，发动机的发电负荷率一般较高。因此，在车辆行驶过程中最大限度地减少发电，可以大大地降低燃油耗。此外，由于发动机负荷降低，加速更快更平顺。

本文介绍新型的制动再生系统。该系统开发起始于降低燃油耗的研究。最近几十年来，改善汽车燃油经济性的技术已经受到了极大关注，主要是因为高油价，以及与环境和能源相关的问题。为了改善燃油经济性，迫切需要开展提高汽车能效的研究。

质量轻和结构简单的小型车因实用和经济受到众多消费者的亲睐。图1表示2015年和2020年日本的燃油耗标准。其中阴影部分表示轻型车K-car质量增加牺牲燃油耗的情况。K-car是日本特有的一种小型车，装配660 mL排量的发动机。在研究车辆能量管理有效的方法中，在引入混合动力后，该车型已经成为最节油的车。然而对于如K-car等小型廉价车型，应用混合动力还存在一些障碍，即成本和整车质量。混合动力需要除了常规汽车以外额外的元器件，包括电机/逆变器和高压电池，这些会大大地增加成本和整车质量。

如图2所示，常规汽油机燃料燃烧产生的能量一般只有30%被有效利用，70%的能量以热量的形式被耗散掉[1]。需要对如何提高汽车的能量利用效率来改善油耗这一重点进行研究。目前，汽车制动时的能量被浪费掉，因此重点关注利用这一能量改善燃油效率。

图3示出了如果再生车辆动能超过电器元件的需求，那么就可以提供汽车上所有电器元件需要的功率。这一结果表明，这一系统不仅可以提高车辆能量利用效率，而且满足小型车对简单和轻质量的要求。

新型制动再生技术可以使汽车在制动或巡航时产生最大的电量，而电器元件功率消耗最小，以克服成本和质量的障碍。实现紧凑、轻量和简单的小型车理想方案。

该系统开发是为了满足包括K-car在内的小型车的需求，以提高燃油效率。

图1　整车质量对油耗的影响

图2 动力总成的能量流

图3 再生能量的潜力

１ 系统

1.1电能存储装置

本系统包括铅酸电池和锂离子电池2个电池。车辆上电器元件消耗的电能通常是由电池提供的，它通过发电机工作充电。为了最大限度地减少车辆行驶过程中的发电量，需要电量存储系统满足减速时可以回收动能而不消耗燃油。

如表1所示，锂离子电池具有很高的电功率密度，可以存储大量的电能，具有高能量密度，可以减小尺寸和降低整车质量。此外，锂离子电池还具有如下特点：因为锂电池具有更宽的充电状态（SOC）范围，当SOC约50%时，锂离子电池可以确保工作在最优化工况，同时可进行反复充放电。

本系统同时也采用了铅酸电池支持锂离子电池工作。锂离子电池虽然具有快速能量存储的优点，但也有过充电和过放电的缺点。锂离子电池在提供足够大的功率运行时，如起动电机这样的大功率电器方面不具有优势。而铅酸电池即使在短时间内大电流放电，也可以保证稳定供电。

然而，铅酸电池处于深度放电状态时容易导致电池寿命缩短。这使得铅酸电池放电范围比锂离子电池小。考虑到这一特性，铅酸电池不可用作储能装置来存储在短暂时间内回收的能量。

因此，本系统同时应用锂离子电池和铅酸电池，目的是充分利用两者的优点而弥补各自的缺陷。

表1 电能存储装置比较

项目	小型化单位质量能量密度 （（W·h）/kg）	轻量化单位体积能量密度 （（W·h）/L）	快速恢复单位质量能量密度 （（W·h）/kg）	总体评价
锂离子电池	++	++	++	++
铅酸电池	+	+	--	-
镍氢电池	+	+	-	+
电容器	-	-	++	+

1.2输出电压范围

本系统采用了具有稳定的12～14 V输出电压范围的锂离子电池。稳定的输出电压意味着保证稳定的输出电压不受SOC变化的影响。如图4所示，典型的锂离子电池和电容器的输出电压受SOC变化的强烈影响，这需要直流-直流（DC-DC）变换器和变压发电机将输入电压转换成12～14 V输出电压，相当于电器设备电压和存储设备的充电电压。另一方面，由于采用了锂离子电池，可以省掉用于调节输出电压的变压交流发电机或DC-DC变换器等的特定电器元件。图5给出锂离子电池系统和电容器系统的比较。电容器系统必须加载可变电压（12～25 V）发电机和大电容器交互式DC-DC转换器（25～12 V）。因此，采用新型锂离子电池可实现简单和降低成本的目标，而几乎不用增加额外元器件。

图4 储电装置输出电压

图5 锂离子电池组与电容器模块系统比较

1.3系统构造

由于锂离子电池与低成本铅酸电池组合，锂离子电池的供电可以最小化，同时低成本系统改善了燃油效率。如图6所示，2类电池与半导体开关(金属氧化物半导体场效应晶体管）并联。根据车辆的状态，2个场效应晶体管连接或断开，以充分利用锂离子电池可以进行反复充放电的优点。

而且，考虑到使用方式、目的和功能，电器元件分为锂离子电池负荷和铅酸电池负荷。锂离子电池的负荷是电保护负荷和电机负荷。保护负荷是指保持提供给设备的电负荷的电压，如果车辆具有怠速起停功能，即用起动机起动。因为起动机需要巨大的能量使其自身运转，所以当电机运转时，起动机的系统电压下降。如果在行驶中输入电压下降，保护负荷则复位或不能满足需求的性能。因此，相对于没有怠速起停功能的常规车辆，上述怠速起停增加元器件保持保护负荷的输入电压。另一方面，在这个系统中，保护负荷管理锂离子电池负荷。如果1号场效应管断开，连接保护负荷的锂离子电池电路与连接起动机的铅酸电池电路断开。因此，该系统省去了保持电压的设备。通过并联锂离子电池和使用2个场效应管改变供电系统，实现了高性能的智能系统功能。

图6 电路示意图

２ 锂离子电池

2.1电池单元

为了实现这个简单的系统，将钛酸锂尖晶石氧化物作为锂离子电池单元负极。该电池具有3Ah的容量和2.4 V额定输出电压。它的电压特性与铅酸电池相似，具有充电快、寿命长的优点，且安全性高。

2.2电池组

锂电池组尽可能紧凑地与铅酸电池电连接，连接器给电器供电。如图7所示，电池组是由锂电池模块和作为电池监测单元的控制板等组成。因为5个电池单元通过串联方式装在树脂盒中，因此锂电池模块轻量紧凑。控制板具有电压检测机制，监测每个锂离子电池单元电压。对于多种失效情况，约束板具有将气体从电池组内部排到外部的功能。

图7 锂离子电池组部分剖分图

2.3电池单元冷却

本系统实现了无冷却风扇功能，是低成本的简单系统。由于锂离子电池在较高的环境温度下会缩短其使用寿命，所以以往车上的锂电池组都需要电池冷却功能。在本系统中，锂离子电池安置在乘客座位下面，那里的温度变化是在车厢内最小的。通过反复进行热分析试验，控制热辐射流。因此，本系统可以不需要冷却风扇实现保障锂离子电池的寿命。此外，通过将锂离子电池组布置在乘客座位下，对小型车来说，可以保证乘客有充足的空间。

2.4安全结构

对锂电池组增加了额外的保护结构以应对紧急情况。第一，锂离子电池组具有放气机制和电池约束板。即使锂离子电池组由于外围设备发生故障而受到过电压，其内部电池单元膨胀、产生CO气体，各单元仍由约束板施压控制，气体通过安装在电池组内的管道向外部释放，以保证驾驶室安全。第二，锂离子电池组采取了防水措施。锂离子电池组是非密封的，以实现无冷却风扇的结构。因此，锂离子电池组需要设计防水结构[3]。为了防止从上表面进水，设置了排水槽直接防止电连接受潮。为了防止被淹，在下端设置了壁面，防止水位达到一定高度。在达到一定水位前，电池组内的传感器检测到水进入，就会将锂离子电池与车上电路断开。

3系统运行

3.1运行模式

锂离子电池有2个开关，用于控制1号场效应晶体管和2号场效应晶体管。2个电池充放电状态是通过改变2个场效应晶体管连接和断开状态控制，后者取决于车辆运行工况。开关2个场效应晶体管是由安装在电池组内的电池监测单元执行的。该系统4种主要运行工况如图8所示。

图8 各运行模式供电状态

减速

通过打开1号 场效应晶体管和2号场效应晶体管，将锂离子电池和铅酸电池连接到发电机。再生能量由发电机发电充满这两个电池。

怠速停机/加速

关闭1号场效应晶体管，打开2号场效应晶体管，发电机停止工作。铅酸电池和锂离子电池供电行驶和连接各电器，2个电池放电。行驶所需功率只由每个电池提供。停止发电机工作可减少燃料消耗和保证加速的平滑性。

重起

1号场效应晶体管关闭，2号场效应晶体管打开。起动发动机的起动电机由铅酸电池供电。起动电机起动发动机要消耗大功率。因此，断开1号场效应晶体管可以防止锂离子电池过放电。另外，本系统可以通过重起时的电压下降使电器、仪表和音响复位。对于那些元器件，具有起动机起停功能的车辆通常有DC-DC变换器，但系统可以去除它。

驻车

1号和2号场效应晶体管都关闭，1号场效应晶体管上的旁路继电器连接向在驻车时需要通过从铅酸电池旁路继电器供电的电器供电。原因是铅酸电池容量大；另一方面，锂离子电池必须防止过放电。

4充放电运行

4.1铅酸电池

对铅酸电池的放电深度进行了限制，这样可以保持其使用寿命，因为如果铅酸电池深度放电，可能导致硫酸盐化作用这会导致电池加速衰减。另一方面，为了提高燃油经济性，在适当的范围内放电是必要的。本系统监测电压，评估铅酸电池的充电状态，以确保起动机能起动发动机，保证电池寿命。该系统实现了保证电池寿命和提高燃油经济性的兼容。

4.2锂离子电池

在合理范围内使用锂离子电池，以防止快速衰减。本系统通过不间断地在重要位置监控电压、电流、容量和温度，对锂离子电池进行管理。例如，锂离子电池在低温环境下的输出电压会下降，因此，通过限制锂离子电池在低温下的放电量，以保证输出电压。此外，需要关注内阻增加。系统通过观察内阻的变化来控制输出电压，以确保系统的输出电压。

为了改善燃油经济性，该系统充分利用了锂离子电池相关特性。频繁地消耗燃料给锂离子电池充电导致较差的燃油经济性，因为在用燃油行驶期间通过电机保持相同的输出扭矩，需要更多的燃油消耗。因此，仅允许在再生能量时进行充电，为了改善燃油经济性，放电不受限制，除非锂离子电池由于容量问题禁止怠速起停。

同时，兼顾驾驶乐趣也是重要的。本系统控制在能量再生阶段产生的电量，防止由于再生发电量增加造成的冲击或过度减速。

4.3供电运行

本系统需要关注锂离子电池的输出电压。在电路开闭过程中，对系统进行控制，以防止产生过高电流和电压冲击，因为在系统中，锂离子电池直接供电给车辆电器元件，所以电压变化意味着元器件输入电压的变化。本系统利用电压敏感元件，控制电压变化率。由于元器件特性需要根据车速进行调整，例如，通过车速和电压变化改变前大灯的亮度。系统需要根据车辆不同的行驶工况来改变电源策略。因此，需要该系统各控制器不会破坏电路运行，即使是瞬间的改变。

5燃油经济性

5.1 JC08行驶工况

本系统可以回收足够的能量给行驶需要的电器元件供电。图9表示在JC08行驶模式下回收的能量。JC08行驶工况是日本测量尾气排放和燃油经济性的测试循环。结果表明该系统可以在减速时存储110％的能量提供给锂离子电池和铅酸电池，如果将JC08测试循环中提供给电器元件的电量记为100％能量。而且，结束时2组电池的SOC都高于初始值。以前仅有铅酸电池的怠速起停系统，只能回收55％的能量，不足的能量需要消耗燃油来弥补。而本系统可以通过减少燃料消耗来提高燃油经济性，因此发动机燃用燃油的负荷得以减小。

图9 再生能量比较

5.2实际环境

带有锂离子电池的本系统具有能够回收制动能量的优势，特别是在低温环境下，因为铅酸电池难以在低温环境下进行充电，但锂离子电池即使在低温下也可轻松充电。

此外，音响设备被设置为锂电池的负荷。即使用户在车内听音乐导致功率消耗增加，系统也不需要进行频繁充电，以避免铅酸电池的深度放电。

该系统不仅在运行JC08行驶工况时可以节省燃油，而且在实际使用中也可大幅提升燃油经济性。

6结语

上述结果表明，新的系统达到了目标燃油耗且结构简单。这源于采用了具有独特性的锂离子电池。此外，本系统不仅能够提高燃油经济性，而且还具有成本低，安全，寿命长，重量轻。这意味着该系统在小型车辆市场非常有吸引力。需开展更多的工作开发技术，提高小型车的燃油经济性。下一步工作开展将基于开发这个系统获得的新结果。