新能源汽车能量回收回收系统是怎么工作的？

制动能量回收系统（Braking Energy Recovery System）是指一种应用于汽车或者轨道交通上的，能够将制动时产生的热能转换成机械能，并将其存储在电容器内，在使用时可迅速将能力释放的系统。

概述

制动能量回收系统包括与车型相适配的发电机、蓄电池以及可以监视电池电量的智能电池管理系统。制动能量回收系统回收车辆在制动或惯性滑行中释放出的多余能量，并通过发电机将其转化为电能，再储存在蓄电池中，用于之后的加速行驶。这个蓄电池还可为车内耗电设备供电，降低对发动机的依赖、发动机油耗及二氧化碳排放。

原理

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一，也是它们的重要特点。在一般内燃机汽车上，当车辆减速、制动时，车辆的运动能量通过制动系统而转变为热能，并向大气中释放。而在电动汽车与混合动力车上，这种被浪费掉的运动能量已可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于蓄电池中，并进一步转化为驱动能量。例如，当车辆起步或加速时，需要增大驱动力时，电机驱动力成为发动机的辅助动力，使电能获得有效应用。

一般认为，在车辆非紧急制动的普通制动场合，约1/5的能量可以通过制动回收。制动能量回收按照混合动力的工作方式不同而有所不同。

在发动机气门不停止工作场合，减速时能够回收的能量约是车辆运动能量的1/3。通过智能气门正时与升程控制系统使气门停止工作，发动机本身的机械摩擦(含泵气损失)能够减少约70%。回收能量增加到车辆运动能量的2/3。

解决方案

可以通过在发动机与电机之间设置离合器，在车辆减速时，使发动机停止输出功率而得以解决。但制动能量回收还涉及到混合动力车的液压制动与制动能量回收的复杂平衡或条件优化的协调控制。那么，为什么可以通过驱动电机能够回收车辆的运动能量呢？概要地说，其原因就是电机工作的逆过程就是发电机工作状态。

一般电学基础理论早已阐明，表示电机驱动的工作原理是Fleming的左手定则，而表示发电原理的则是Fleming右手定则。由于电机运转，线圈在阻碍磁通变化的方向上发生电动势。该方向与使电机旋转而流动的电流方向相反。于是人们称为逆电动势。逆电动势随着转速的增加而上升。由于转速增加，原来使电机旋转而流动的电流，其流动阻力加大，最后达到某一转速，就不能再向上超出。所以，制动时通过电机的电流被切断，代之而发生逆电动势。这就是使电机起到发电机作用的制动能量回收的原理。上述这种电机称为“电动机发电机”。

然而，当制动能量回收制动实施时，如何处理脚制动。脚制动时，制动踏板行程(或强度)如何与制动能量回收系统保持协调关系。这是因为起到制动能量回收作用的制动部分，会引起减少脚制动的制动力。

因为对于脚制动来说，从制动能量回收中所起作用考虑，必须在减少脚制动的制动力方面做出相应措施。在制动力减少的同时，制动踏板的踏板力要求与踏板行程相对应。

重要的是，不论发生或不发生制动能量回收，与通常车辆一样，制动踏板的作用依然存在，为此，开发了一种称为行程模拟器(Stroke Simulator)的装置。

1、丰田混合动力车的制动能量回收与液压制动的协调控制

丰田混合动力车制动能量回收系统是由原发动机车型的液压制动器(包括液压传感器、液压阀)与电机(减速、制动时起发电机作用，即转变为能量回收发电工况)、逆变器、电控单元(包括动力蓄电池电控单元、电机电控单元和能量回收电控单元)组成。

图二 车辆制动能量协调控制

丰田的能量回收制动系统的特点是采用制动能量回收与液压制动的协调控制，其协调制动的原理是在不同路况和工况条件下首先确保车辆制动稳定性和安全性，同时考虑到动力蓄电池的再生制动的能力(由动力蓄电池电控单元控制)使车轮制动扭矩与电机能量回收制动扭矩之间达到优化目标的协调控制，并由整车电控单元实施集中控制。

当驾驶员踩制动踏板，则按照制动踏板力大小，通过行程模拟器(Stroke Simulator)等部分，液压制动器(液压伺服制动系统)实时进入相应工作，紧接着制动能量回收系统也将进入工作状态。亦即如果动力蓄电池的电控单元判断动力蓄电池有相应的荷电量(SOC)回收能力，制动能量回收制动力占整个制动力的相应部分。当车辆接近停止时，制动能量回收系统制动力变为零。这两种制动力的能量变换比例与图1中所示相应面积的比例相当。当液压制动的面积小，制动能量回收制动的面积大时，表示制动能量回收量增加。增加制动能量回收的面积直接与降低燃油耗相关。但是在液压制动保持不变的状态下，只考虑制动能量回收率上升而增加制动力，导致驾驶员对制动路感变差不舒适。为解决这一问题开发了电子线控制动(Brake by Wire)的电子控制制动器(ECB: ElectronicControl Brake)。如图2所示，在电子控制制动器中，制动踏板与车轮制动分泵不是通过液压管路直接连接，而是通过电控单元(ECU)向液压能量供给源发出相应指令，使对应于制动能量回收制动强度的液压传递到相应车轮制动分泵。因此，制动能量回收制动与液压制动之和达到与制动踏板行程量相对应的制动力值，从而改善驾驶员制动操作时路感。

由图2可知，制动能量回收控制受到脚制动踏板力信号经过制动总泵与行程模拟器输入部再进入液压控制部(包括液压泵电机、蓄压器)的液压机构再经过制动液压调节传递到车轮制动分泵，同时该液压信号如果系统发生故障停止时，液压紧急启动，电磁切换阀开启，即又通过电磁阀切换，传递到车轮制动分泵。

2、本田第四代IMA混合动力系统的制动能量回收系统控制

本田第四代IMA混合动力系统应用在2010款Insight混合动力车上。其制动能量回收系统采用执行器和电控单元组成一体化模块型式，包括IMA系统电机控制模块、动力蓄电池监控模块和电机驱动模块。

制动能量回收系统工作过程如下：

IMA电机在制动、缓慢减速时，通过混合动力整车电控单元发出相应指令使电机转为发电机再生发电工况，通过制动能量回收控制系统以电能形式向动力蓄电池充电。其基本工作过程是：当制动时，制动踏板传感器使IMA电控单元激活制动总泵伺服装置，通过动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等电控单元发出相应指令，使液压机械制动和电机能量回收之间制动力协调均衡以实现最优能量回收。第四代IMA系统采用了可变制动能量分配比率，比上一代的制动能量回收能力增加70% 。

IMA电机、动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等都属于本田第四代IMA混合动力系统的“智能动力单元IPU(Intelligent Power Unit)”组成部分。它是由动力控制单元PCU(Power Control Unit)、高性能镍氢蓄电池和制冷系统组成。PCU是IPU的核心部分，控制电机助力(即进入电动工况)。PCU通过接收节气门传感器输入的开度信号，按照发动机的有关运行参数和动力蓄电池荷电状态等信号决定电能辅助量，并同时决定蓄电池能量回收能力。PCU主要组成部分有蓄电池监控模块——蓄电池状态检测BCM( BatteryCondition Monitor)、电机控制模块MCM(Motor Control Module)、电机驱动模块MDM(Motor Driver Module)。

综观现有实用化的不同的混合动力系统，制动能量回收控制在细节上有所不同。一般都采用电子控制的液压制动与制动能量回收的组合方式，也称为电液制动伺服控制系统。

【延伸阅读】

专利深一度之制动能量回收技术篇

制动能量回收技术，顾名思义，就是将制动时汽车的能量进行回收，从而提高能量利用效率。传统汽车一般通过摩擦制动方式进行制动，汽车的动能在制动过程中转化为热能耗散掉了。由于采用了电机作为动力源，因此相对于传统汽车，新能源汽车具有制动能量回收这一节能方式。近年来新能源汽车蓬勃发展，然而电池续航里程以及充电速度却仍然不能满足人们的日常需求。在这种情况下，制动能量回收技术作为延长续航里程的有效方式，其重要性日益凸显。

基于行业发展需求，国家知识产权局专利分析普及推广项目新能源汽车课题组从电制动能量回收、飞轮储能式制动能量回收、日产公司发明人团队、专利技术价值度、新能源汽车诉讼五个视角出发，对制动能量回收技术进行了深度剖析。

PART1——电制动能量回收

电制动能量回收技术本身是制动技术的一种，制动安全性无疑是放在第一位的。此外，还需消除由于再生制动力和摩擦制动力分配导致的车辆制动力波动，以保证制动舒适性。

对电制动能量回收技术的专利文献进行分析，获得电制动能量回收技术路线图。目前已有专利通过制动系统与其他车辆子系统，如ABS系统、发动机控制系统等，进行联合控制，保证车辆在包括雨雪路面等恶劣情况下的制动安全性和舒适性。随着车辆智能化，制动能量回收信息也开始在仪表盘上呈现，给驾驶员提供更多车辆运行信息的同时，也增加了驾驶员的主动性，使驾驶员能够根据制动过程来确定驾驶方式，从而使车辆运行在更优状态。

结合技术功效矩阵和技术发展路线可以看出，采用信息显示技术来提高人机交互性是起步较晚且专利申请量较少的新兴技术领域。这是提高车辆整体档次及直接影响消费者主观感觉的重要技术，并且相对来说，信息显示技术并不依赖于复杂的控制或传统的工业基础，因此国内申请人应该在这一技术手段上发力，以尽快走到技术发展的前端。

PART2——飞轮储能式制动能量回收

飞轮储能式能量回收技术最初应用于F1赛车，近年来开始转向民用。飞轮储能式能量回收技术的主要公司有Flybrid和威廉姆斯公司。

Flybrid公司由两位前雷诺F1车队的机械工程师创立，目前已经研制出一种高速的飞轮储能式能量回收系统。为保护其产品，Flybrid公司在全球申请了超过50多项的专利，涉及飞轮系统的制造、密封、润滑等核心关键技术，并大多数获得授权。

威廉姆斯大奖赛工程公司（Williams Grand Prix Engineering）收购专门研究用于动能回收系统的高能量飞轮的Automotive Hybrid Power公司后，新成立了一个专门从事动能回收系统研发的公司——威廉姆斯混合动力有限公司（Williams Hybrid Power）。该公司不只进行用于F1的动能回收系统的研发，而且积极进行民用电驱动飞轮动能回收系统研究。目前该系统成功被用在三届勒芒24小时耐力赛冠军得主奥迪R18车型以及保时捷的911 GT3 R混合动力汽车上。2014年4月25日英国第二大工程技术公司吉凯恩集团（GKN）收购了威廉姆斯混合动力有限公司，更名吉凯恩混合动力（GKN Hybrid Power）。威廉姆斯混合动力有限公司申请了约有30多件专利，除了与飞轮系统的密封和安全外的专利外，还重点申请了关于采用磁负载复合技术制造复合飞轮的工艺技术。

PART3——日产公司发明人团队

日产在纯电动和混合动力两方面都有自己代表性的车型，并占有相当的市场份额。在对日产公司电制动能量回收技术领域的专利申请量排名靠前的发明人进行分析后，获得了这些发明人之间的合作关系。结合发明人自己的申请量、发明人之间的合作申请量以及发明人的技术领域可以看出，田添和彦、中村英夫及芦泽裕之是合作团队的核心成员，且其研发方向就是能量回收控制策略，金子雄太郎、铃木英俊、和网代圭悟的研发领域是能量回收相关子系统和辅助系统的开发，虽然其自身的申请量较多，但是与团队的合作申请量并不多，其并非该团队的核心或者常驻成员。

进一步地，通过专利申请数量和专利申请技术方案，分析团队成员的职业生涯与其掌握的核心技术。以申请量排名第二位的田添和彦为例，田添和彦虽然制动能量回收的专利申请量排名日产第二，但是他的制动能量回收申请仅集中在日产公司制动能量回收专利申请的早期，他近9年的专利申请和研发方向已转向了其他技术领域。也就是说田添和彦所掌握的制动能量回收技术并不代表日产当年最新的技术。

PART4——专利技术价值度

专利价值度评估对于专利运营具有重要意义。一般从法律价值、商业价值和技术价值三方面对专利价值度进行评估。为使评估更为客观准确，提出一种专利技术价值度评价方法，并以特斯拉的一项开放专利为例，阐述了如何从技术生命周期、创新性、行业发展趋势、可替代性以及成熟度等5个可量化的指标对一项专利进行价值度评估。

PART5——新能源汽车诉讼

丰田公司在新能源汽车领域可以说一枝独秀，这自然使其成为了众矢之的，迄今为止丰田公司已经遭遇了多起专利侵权诉讼。凭借着雄厚的技术实力和密集的专利布局，丰田公司几乎从未败诉。然而，一家并不生产汽车的美国小公司，仅凭着为数不多的几件专利，就打破了丰田的不败金身。这家公司就是PAICE。

分析发现，PAICE公司的专利数量并不多。目前为止，其在美国获得授权的专利仅13件，总专利申请量也仅17件。然而，就是靠着这13件专利，PAICE公司奠定了其在混合动力车辆领域的奠基者地位。PAICE公司赖以起诉丰田并最终赢得诉讼的，正是这13件专利中的3件。事实上，PAICE公司的核心技术方案仅4个，在这4个核心方案的基础上，PAICE公司通过合理的专利布局，构建出严密的专利壁垒。

PAICE公司能够起诉丰田并胜诉，除了给力的专利布局之外，其所采取的正确的诉讼策略也功不可没。最初由于资金不足以及前景不明，PAICE公司仅在美国申请专利，并未到其他国家进行布局，而初代Prius并未进入美国，因此PAICE公司选择了按兵不动，一方面加紧进行专利布局，一方面静候Prius进入美国市场，伺机而动。除了准确选择诉讼时机，PAICE公司还利用337调查给丰田施压，使丰田处境更加被动，由此掌控局势朝着有利于自己的方向发展，最终胜诉。（国家知识产权局专利分析普及推广项目新能源汽车课题组）（文/国家知识产权局）