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动能回收:来自F1赛车的技术

开过新能源汽车的人,肯定都体验过动能回收;而还没有开过的人,第一次开可能会觉得很不适应。

简单来说,本该踩刹车的时候,你可以不踩刹车踏板,只需要把加速踏板抬起来,车辆马上就会减速。

在有的新能源车上,还可以设置回收的力度。比如早期版本的特斯拉,如果把动能回收设置为“强”的话,还真是很强,只要松开加速踏板,就和使用中等力度踩刹车的效果是一样的。

而且,当新能源车开习惯了以后,大部分车主都是能不踩刹车就不踩刹车,有些车主甚至能做到上下班路上一直只使用加速踏板控制车辆,只有完全停下来时才会踩一下刹车踏板。这样开久了,比如车的总里程到了 5 万公里时,去 4S 店做大保养,全车的刹车片还跟新车的差不多。这种事屡见不鲜。这就是动能回收的神奇之处。

这期《科技参考》,我就来说说动能回收技术。

 

来自F1赛事的技术

其实,动能回收技术并不是源自新能源汽车,而是起源于十多年前的 F1 赛车。

F1 赛事中出现的新技术,主要是从两个初衷里创造出来的:一个是追求更快的速度,另一个是不能突破赛事方对车辆物理指标的限制。

F1 赛事有很多限制,比如发动机排量不能超过 3000 毫升,转速不能超过 20000rpm,气缸数不能超过 12 个等。于是,赛车在追求更快的速度时,只能想办法从边边角角的地方引入额外的能量。

比如入弯前,赛车都会有剧烈的刹车,巨大的动能就转化为热能浪费掉了。于是,雷诺车队最早就在 2007 年研发了一套动能回收系统。这套动能回收系统没有使用电池,而是使用飞轮来存储能量。

你可以把飞轮理解成一个需要很大的动能才能转起来的轮子,但它的摩擦力很小,于是刹车时把飞轮接入刹车系统,让飞轮转起来;等出弯的时候,再把正在高速旋转的飞轮接回动力系统,就在原有发动机的最大动力的基础上叠加了一部分刚刚回收的动能。

不过,因为 F1 赛事对车的重量也有限制,所以赛事里使用机械式的飞轮来存储刹车的能量比使用电池要轻得多,于是就更划算。究其原因,F1 比赛并不追求能量利用效率,而是追求极致的速度。

这个设计方法用在比赛中,其实只是为了短暂的提升最大功率,但在日常使用中,其实能设计得更节能。毕竟一部分刹车的热能不再平白无故的浪费掉,而是存储起来了。

赛车为了极致的减重,所以采用机械式的动能回收;而家用车不用太在意十几公斤到几十公斤的重量差别,所以更适合用电池来存储刹车的动能。

 

动能回收的优势

那么,动能回收能节省多少电能呢?

从一辆行驶了 3.8 万公里的特斯拉 Model3 的后台数据可以看到,一共 3.8 万公里里程,总耗电量 7600 度,平均百公里耗电 20 度。这是一个非常典型的行驶路线一半是市区道路、一半是高速封闭道路的耗电特征。而这 7600 度电里有 2470 度是通过动能回收得到的。

算一下比例,大致是这样:车辆每行驶 1000 公里,在这段路途中回收的动能能让电动车多行驶 320 公里。如果没有回收,像传统燃油车那样把这部分动能损耗掉,就真的只能行驶 1000 公里了。

而且不只是省电、续航更长,在有些极为特殊的场景下,动能回收还会给人带来惊喜。

比如,我曾经参加过一次特斯拉的郊游活动,那次的目的地是北京的最高峰——妙峰山,海拔 1300 米高。车开到山顶时,续航还剩 80 多公里。但实际上,活动结束要回到店里,还要跑接近 80 公里的路程。一般人认为,这不是正好吗?但其实,电动车的剩余续航里程的精度并不是很高,要跑 80 公里的路程,而车辆显示还剩 80 公里的续航,还是挺悬的。

但正因为那次已经在山顶了,而下山本来就节省能量,而且在下山过程中,几乎所有的减速都能靠动能回收完成,所以等那辆车真的回到店里时,剩余里程还有 40 多公里。20 多公里的大下坡路中,利用动能回收给车辆充了不少电。

在一些驾驶特斯拉环游中国的车主的日记中,也有很有趣的故事。他们在新疆的边远地区找不到充电桩,而车的电又跑光了,怎么办呢?他们的方法就是求助大货车拉着他们跑,把车的动能回收开到最高档,大约被大货车拖行 100 公里就能充满电。

 

为什么混动车动能回收效率低?

但是,不同的车,动能回收的效率差异很大。比如,绝大部分混动车连特斯拉的一半都达不到。这是为什么呢?

其实,这和电池的关系最大。

电池的充放电中存在一个多少多少 C 的概念。1C 的充电电流的意思就是说,如果保持这个大小的电流充 1 小时电,充入的能量和电池的能量相等,粗略地说就是能把电池充满。

比如,今天很多国产造车新势力的顶配版的电池都是 100 度电。那么用 1C 充电的意思就是,用某一个数值的电流充 1 小时可以充进 100 度电。

实际上,1C 是一个比较高规格的充电强度,目前只有少数车型支持这么大强度的充电速度。原因在于,想要支持高速的充电,不但需要更高规格的电子元器件,连电池的化学结构也都有更高的要求。这样一来,电池成本就很高。

所以,中低端车型和早年的纯电动汽车充电的最大电流可能只有 0.3C-0.5C,也就是说,需要 2-3 个小时才能把电池从空充到满。

如果一辆车的电池是 100 度电,也就是 100KWH,而且它支持 1C 充电的话,那么刹车时,就能把瞬时功率为 100KW 以下的动能回收到电池里。但有的时候,汽车行驶速度比较高,刹车又比较急,如果直接都回收进来,功率就会超过充电的最大值,于是超出的部分就不能被回收,否则电池就会因此损坏。

我们可以算一下,一辆 2 吨重的新能源车以每小时 100 公里的速度行驶,要在 5 秒内把速度降低到每小时 40 公里,这段刹停的平均功率是多少呢?

(0.5×2000×771.6-0.5×2000×123.4)÷5=129.6KW

也就是说,这 5 秒内,平均功耗接近 130KW。而我们想想,5 秒内把速度从 100 公里每小时降到 40 公里每小时,其实是平时驾驶中偶尔才会遇到的比较大力度的刹停动作,一般情况下,还是很少这么猛的刹车的。于是,如果一辆电动车的电池充电功率能支持这个功率,那其实就意味着,基本上所有的刹车都可以回收。

比如小鹏的P7,回收功率最高在 110KW,大众 ID4 也有 100KW,保时捷的高端电动车更是支持 265KW 的动能回收。实际上,今天新发布的电动车,大部分动能回收的最大功率都已经超过了国家电网充电桩快充的功率。那个充电桩一般只有 60KW,偶尔可以遇到 80KW 的。

混动车的动能回收效率之所以比纯电动车低很多,原因也在于电池。

因为混动车配备的电池容量小。同样是 1C,电池容量小,对应的充电功率自然就小。比如,绝大多数混动车配的电池都是小于 30 度电的,于是 1C 充电的功率就小于 30KW。你看,这个动能回收功率的上限就比 100 度电的电池要小很多。

还是刚刚的场景,持续 5 秒钟的 30KW 力度的刹停,相当于那辆车时速从 60 公里降低到 40 公里,比刚刚每小时 100 公里降低到每小时 40 公里温柔太多了。

混动车如果想支持强力动能回收,就需要使用特殊规格的电池,让电池支持 5C 以上的充电功率。但这会大幅增加成本,而换来的也只是一个抬起加速踏板、刹车效果非常显著的驾驶体验,对完全没有续航焦虑的混动车车主来说,实在没有什么必要。于是今天,几乎所有混动车的动能回收力度都不大。

当然,也并不是说我的车的电池有 100 度电,这辆车的动能回收就总是非常高效。实际上,总有一个阶段,动能回收的效率非常低,甚至是完全没有动能回收的,那就是电池的电量处于 90%-100% 的这一阶段。

为什么这个阶段的动能回收效率非常低呢?

这和锂电池的充电特性有关。任何锂电池在充电时,最后都要进入电压恒定、电流逐渐减小的阶段。在充电最末尾的这个阶段,电池是无法吸收大电流的。这是锂离子电池的化学结构决定的。所以,即便电池总量很大,但如果你的车电量已经接近 100%,那么这时候,它的充电功率可能最高也只有十几 KW。

这时的车辆在高速下刹停,就只有很少一部分动能能提供给电池,大部分还是要靠刹车片摩擦生热来降低速度。有的车为了设计方便和保险,甚至硬性规定,在电量高于 90% 的时候,车辆自动关闭动能回收功能。

这期我们介绍了一个从 F1 赛车引进的对新能源汽车非常有用的功能。你还能想到其他 F1 赛事引进到民用车的技术吗?欢迎把你的思考留在评论中。

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