新型制動再生系統的開發

【日】T. Noyori S. Komada H. Awakawa

摘要：首次通過將新型制動再生系統應用到小型汽車，在汽車制動或者巡航階段通過制動能量再生實現了高效的發電和充電，從而改善了油耗。新開發的技術為制動再生系統，該系統可以使車輛在行駛階段把發電量降至最低，而在制動和巡航階段產生最大電量。使用當車輛在放松加速踏板巡航或踩下制動踏板制動時獲得的再生制動能量來產生電力。車輛運動的動能以電能的形式被捕獲，用于電器元件的使用。本系統包括高效的鋰離子電池和用于怠速起停系統的鉛酸電池，以及高效、高輸出特性的交流發電機。常規車輛上安裝的鉛酸電池的特點是充電需要充滿才能提供穩定的電力。這就需要交流發電機連續工作，導致油耗增加。而這套系統除了鉛酸電池用于怠速起停，還安裝了高效的鋰離子電池。直到電量耗盡，鋰離子電池才需要充電。利用這一特性，鋰離子電池不需要交流電機連續工作。與以往的系統相比，該系統實現了更高的充電效率和更高的發電能力。對于小型發動機，發動機的發電負荷率一般較高。因此，在車輛行駛過程中最大限度地減少發電，可以大大地降低燃油耗。此外，由于發動機負荷降低，加速更快更平順。

本文介紹新型的制動再生系統。該系統開發起始于降低燃油耗的研究。最近幾十年來，改善汽車燃油經濟性的技術已經受到了極大關注，主要是因為高油價，以及與環境和能源相關的問題。為了改善燃油經濟性，迫切需要開展提高汽車能效的研究。

質量輕和結構簡單的小型車因實用和經濟受到眾多消費者的親睞。圖1表示2015年和2020年日本的燃油耗標準。其中陰影部分表示輕型車K-car質量增加犧牲燃油耗的情況。K-car是日本特有的一種小型車，裝配660 mL排量的發動機。在研究車輛能量管理有效的方法中，在引入混合動力后，該車型已經成為最節油的車。然而對于如K-car等小型廉價車型，應用混合動力還存在一些障礙，即成本和整車質量。混合動力需要除了常規汽車以外額外的元器件，包括電機/逆變器和高壓電池，這些會大大地增加成本和整車質量。

如圖2所示，常規汽油機燃料燃燒產生的能量一般只有30%被有效利用，70%的能量以熱量的形式被耗散掉[1]。需要對如何提高汽車的能量利用效率來改善油耗這一重點進行研究。目前，汽車制動時的能量被浪費掉，因此重點關注利用這一能量改善燃油效率。

圖3示出了如果再生車輛動能超過電器元件的需求，那么就可以提供汽車上所有電器元件需要的功率。這一結果表明，這一系統不僅可以提高車輛能量利用效率，而且滿足小型車對簡單和輕質量的要求。

新型制動再生技術可以使汽車在制動或巡航時產生最大的電量，而電器元件功率消耗最小，以克服成本和質量的障礙。實現緊湊、輕量和簡單的小型車理想方案。

該系統開發是為了滿足包括K-car在內的小型車的需求，以提高燃油效率。

圖1整車質量對油耗的影響

圖2 動力總成的能量流

圖3 再生能量的潛力

１ 系統

1.1電能存儲裝置

本系統包括鉛酸電池和鋰離子電池2個電池。車輛上電器元件消耗的電能通常是由電池提供的，它通過發電機工作充電。為了最大限度地減少車輛行駛過程中的發電量，需要電量存儲系統滿足減速時可以回收動能而不消耗燃油。

如表1所示，鋰離子電池具有很高的電功率密度，可以存儲大量的電能，具有高能量密度，可以減小尺寸和降低整車質量。此外，鋰離子電池還具有如下特點：因為鋰電池具有更寬的充電狀態（SOC）范圍，當SOC約50%時，鋰離子電池可以確保工作在最優化工況，同時可進行反復充放電。

本系統同時也采用了鉛酸電池支持鋰離子電池工作。鋰離子電池雖然具有快速能量存儲的優點，但也有過充電和過放電的缺點。鋰離子電池在提供足夠大的功率運行時，如起動電機這樣的大功率電器方面不具有優勢。而鉛酸電池即使在短時間內大電流放電，也可以保證穩定供電。

然而，鉛酸電池處于深度放電狀態時容易導致電池壽命縮短。這使得鉛酸電池放電范圍比鋰離子電池小。考慮到這一特性，鉛酸電池不可用作儲能裝置來存儲在短暫時間內回收的能量。

因此，本系統同時應用鋰離子電池和鉛酸電池，目的是充分利用兩者的優點而彌補各自的缺陷。

表1 電能存儲裝置比較

1.2輸出電壓范圍

本系統采用了具有穩定的12～14 V輸出電壓范圍的鋰離子電池。穩定的輸出電壓意味著保證穩定的輸出電壓不受SOC變化的影響。如圖4所示，典型的鋰離子電池和電容器的輸出電壓受SOC變化的強烈影響，這需要直流-直流（DC-DC）變換器和變壓發電機將輸入電壓轉換成12～14 V輸出電壓，相當于電器設備電壓和存儲設備的充電電壓。另一方面，由于采用了鋰離子電池，可以省掉用于調節輸出電壓的變壓交流發電機或DC-DC變換器等的特定電器元件。圖5給出鋰離子電池系統和電容器系統的比較。電容器系統必須加載可變電壓（12～25 V）發電機和大電容器交互式DC-DC轉換器（25～12 V）。因此，采用新型鋰離子電池可實現簡單和降低成本的目標，而幾乎不用增加額外元器件。

圖4 儲電裝置輸出電壓

圖5 鋰離子電池組與電容器模塊系統比較

1.3系統構造

由于鋰離子電池與低成本鉛酸電池組合，鋰離子電池的供電可以最小化，同時低成本系統改善了燃油效率。如圖6所示，2類電池與半導體開關(金屬氧化物半導體場效應晶體管）并聯。根據車輛的狀態，2個場效應晶體管連接或斷開，以充分利用鋰離子電池可以進行反復充放電的優點。

而且，考慮到使用方式、目的和功能，電器元件分為鋰離子電池負荷和鉛酸電池負荷。鋰離子電池的負荷是電保護負荷和電機負荷。保護負荷是指保持提供給設備的電負荷的電壓，如果車輛具有怠速起停功能，即用起動機起動。因為起動機需要巨大的能量使其自身運轉，所以當電機運轉時，起動機的系統電壓下降。如果在行駛中輸入電壓下降，保護負荷則復位或不能滿足需求的性能。因此，相對于沒有怠速起停功能的常規車輛，上述怠速起停增加元器件保持保護負荷的輸入電壓。另一方面，在這個系統中，保護負荷管理鋰離子電池負荷。如果1號場效應管斷開，連接保護負荷的鋰離子電池電路與連接起動機的鉛酸電池電路斷開。因此，該系統省去了保持電壓的設備。通過并聯鋰離子電池和使用2個場效應管改變供電系統，實現了高性能的智能系統功能。

圖6 電路示意圖

２ 鋰離子電池

2.1電池單元

為了實現這個簡單的系統，將鈦酸鋰尖晶石氧化物作為鋰離子電池單元負極。該電池具有3Ah的容量和2.4 V額定輸出電壓。它的電壓特性與鉛酸電池相似，具有充電快、壽命長的優點，且安全性高。

2.2電池組

鋰電池組盡可能緊湊地與鉛酸電池電連接，連接器給電器供電。如圖7所示，電池組是由鋰電池模塊和作為電池監測單元的控制板等組成。因為5個電池單元通過串聯方式裝在樹脂盒中，因此鋰電池模塊輕量緊湊。控制板具有電壓檢測機制，監測每個鋰離子電池單元電壓。對于多種失效情況，約束板具有將氣體從電池組內部排到外部的功能。

圖7 鋰離子電池組部分剖分圖

2.3電池單元冷卻

本系統實現了無冷卻風扇功能，是低成本的簡單系統。由于鋰離子電池在較高的環境溫度下會縮短其使用壽命，所以以往車上的鋰電池組都需要電池冷卻功能。在本系統中，鋰離子電池安置在乘客座位下面，那里的溫度變化是在車廂內最小的。通過反復進行熱分析試驗，控制熱輻射流。因此，本系統可以不需要冷卻風扇實現保障鋰離子電池的壽命。此外，通過將鋰離子電池組布置在乘客座位下，對小型車來說，可以保證乘客有充足的空間。

2.4安全結構

對鋰電池組增加了額外的保護結構以應對緊急情況。第一，鋰離子電池組具有放氣機制和電池約束板。即使鋰離子電池組由于外圍設備發生故障而受到過電壓，其內部電池單元膨脹、產生CO氣體，各單元仍由約束板施壓控制，氣體通過安裝在電池組內的管道向外部釋放，以保證駕駛室安全。第二，鋰離子電池組采取了防水措施。鋰離子電池組是非密封的，以實現無冷卻風扇的結構。因此，鋰離子電池組需要設計防水結構[3]。為了防止從上表面進水，設置了排水槽直接防止電連接受潮。為了防止被淹，在下端設置了壁面，防止水位達到一定高度。在達到一定水位前，電池組內的傳感器檢測到水進入，就會將鋰離子電池與車上電路斷開。

3系統運行

3.1運行模式

鋰離子電池有2個開關，用于控制1號場效應晶體管和2號場效應晶體管。2個電池充放電狀態是通過改變2個場效應晶體管連接和斷開狀態控制，后者取決于車輛運行工況。開關2個場效應晶體管是由安裝在電池組內的電池監測單元執行的。該系統4種主要運行工況如圖8所示。

圖8 各運行模式供電狀態

減速

通過打開1號 場效應晶體管和2號場效應晶體管，將鋰離子電池和鉛酸電池連接到發電機。再生能量由發電機發電充滿這兩個電池。

怠速停機/加速

關閉1號場效應晶體管，打開2號場效應晶體管，發電機停止工作。鉛酸電池和鋰離子電池供電行駛和連接各電器，2個電池放電。行駛所需功率只由每個電池提供。停止發電機工作可減少燃料消耗和保證加速的平滑性。

重起

1號場效應晶體管關閉，2號場效應晶體管打開。起動發動機的起動電機由鉛酸電池供電。起動電機起動發動機要消耗大功率。因此，斷開1號場效應晶體管可以防止鋰離子電池過放電。另外，本系統可以通過重起時的電壓下降使電器、儀表和音響復位。對于那些元器件，具有起動機起停功能的車輛通常有DC-DC變換器，但系統可以去除它。

駐車

1號和2號場效應晶體管都關閉，1號場效應晶體管上的旁路繼電器連接向在駐車時需要通過從鉛酸電池旁路繼電器供電的電器供電。原因是鉛酸電池容量大；另一方面，鋰離子電池必須防止過放電。

4充放電運行

4.1鉛酸電池

對鉛酸電池的放電深度進行了限制，這樣可以保持其使用壽命，因為如果鉛酸電池深度放電，可能導致硫酸鹽化作用這會導致電池加速衰減。另一方面，為了提高燃油經濟性，在適當的范圍內放電是必要的。本系統監測電壓，評估鉛酸電池的充電狀態，以確保起動機能起動發動機，保證電池壽命。該系統實現了保證電池壽命和提高燃油經濟性的兼容。

4.2鋰離子電池

在合理范圍內使用鋰離子電池，以防止快速衰減。本系統通過不間斷地在重要位置監控電壓、電流、容量和溫度，對鋰離子電池進行管理。例如，鋰離子電池在低溫環境下的輸出電壓會下降，因此，通過限制鋰離子電池在低溫下的放電量，以保證輸出電壓。此外，需要關注內阻增加。系統通過觀察內阻的變化來控制輸出電壓，以確保系統的輸出電壓。

為了改善燃油經濟性，該系統充分利用了鋰離子電池相關特性。頻繁地消耗燃料給鋰離子電池充電導致較差的燃油經濟性，因為在用燃油行駛期間通過電機保持相同的輸出扭矩，需要更多的燃油消耗。因此，僅允許在再生能量時進行充電，為了改善燃油經濟性，放電不受限制，除非鋰離子電池由于容量問題禁止怠速起停。

同時，兼顧駕駛樂趣也是重要的。本系統控制在能量再生階段產生的電量，防止由于再生發電量增加造成的沖擊或過度減速。

4.3供電運行

本系統需要關注鋰離子電池的輸出電壓。在電路開閉過程中，對系統進行控制，以防止產生過高電流和電壓沖擊，因為在系統中，鋰離子電池直接供電給車輛電器元件，所以電壓變化意味著元器件輸入電壓的變化。本系統利用電壓敏感元件，控制電壓變化率。由于元器件特性需要根據車速進行調整，例如，通過車速和電壓變化改變前大燈的亮度。系統需要根據車輛不同的行駛工況來改變電源策略。因此，需要該系統各控制器不會破壞電路運行，即使是瞬間的改變。

5燃油經濟性

5.1 JC08行駛工況

本系統可以回收足夠的能量給行駛需要的電器元件供電。圖9表示在JC08行駛模式下回收的能量。JC08行駛工況是日本測量尾氣排放和燃油經濟性的測試循環。結果表明該系統可以在減速時存儲110％的能量提供給鋰離子電池和鉛酸電池，如果將JC08測試循環中提供給電器元件的電量記為100％能量。而且，結束時2組電池的SOC都高于初始值。以前僅有鉛酸電池的怠速起停系統，只能回收55％的能量，不足的能量需要消耗燃油來彌補。而本系統可以通過減少燃料消耗來提高燃油經濟性，因此發動機燃用燃油的負荷得以減小。

圖9 再生能量比較

5.2實際環境

帶有鋰離子電池的本系統具有能夠回收制動能量的優勢，特別是在低溫環境下，因為鉛酸電池難以在低溫環境下進行充電，但鋰離子電池即使在低溫下也可輕松充電。

此外，音響設備被設置為鋰電池的負荷。即使用戶在車內聽音樂導致功率消耗增加，系統也不需要進行頻繁充電，以避免鉛酸電池的深度放電。

該系統不僅在運行JC08行駛工況時可以節省燃油，而且在實際使用中也可大幅提升燃油經濟性。

6結語

上述結果表明，新的系統達到了目標燃油耗且結構簡單。這源于采用了具有獨特性的鋰離子電池。此外，本系統不僅能夠提高燃油經濟性，而且還具有成本低，安全，壽命長，重量輕。這意味著該系統在小型車輛市場非常有吸引力。需開展更多的工作開發技術，提高小型車的燃油經濟性。下一步工作開展將基于開發這個系統獲得的新結果。