淺談新能源汽車的制動能量回收技術(shù)

摘要：新能源汽車是將車輛減速時的動能轉(zhuǎn)化為電能，回收入動力電池，而不是摩擦浪費掉，這無疑相當(dāng)于增加了蓄電池的容量。汽車的制動性能關(guān)系到汽車的安全，制動能量回收技術(shù)的應(yīng)用不能影響汽車的制動性能，如何將二者完美的接合對于新能源汽車的發(fā)展是個關(guān)鍵性的問題。文章對新能源汽車的制動能量回收技術(shù)進行了探討。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；制動能量回收；制動力分配；動力電池；制動性能 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U469 文章編號：1009-2374（2016）36-0107-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.053

1 新能源汽車概述

新能源汽車是指不采用常規(guī)的車用燃料（或采用常規(guī)的車用燃料同時增加新型車載動力裝置）作為動力來源，綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術(shù)，原理先進，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。目前都是以電能或常規(guī)能源與電能并用作為動力來源的。

1.1 電動汽車的歷史簡介

其實要說新能源汽車，電能汽車可一點都不“新”，早在1800年電池就已經(jīng)問世了，1873年英國人Robert Davidson采用鐵鋅電池（不可充電）作為動力源成功將一輛三輪馬車改造成世界上第一輛電動車，1882年法國人制造可載50人電動汽車，1886年倫敦出現(xiàn)了電動公交車。我們現(xiàn)在所廣泛采用的內(nèi)燃機汽車是1886年誕生的，所以要說“新”，內(nèi)燃機汽車更年輕一些。1900年美國的汽車產(chǎn)量為4195輛，其中電動汽車1575輛、蒸汽汽車1684輛、內(nèi)燃機汽車936輛，電動汽車要比內(nèi)燃機汽車產(chǎn)量高。不過電動車存在蓄電池充電這一瓶頸，相比之下內(nèi)燃機汽車在續(xù)航問題上更具備優(yōu)勢，所以后來者居上，到1920年美國的公路上已經(jīng)基本上看不到電動汽車的身影了。而今，由于環(huán)境、能源等問題，人們在汽車上重新利用電能，電動汽車反倒成了“新”能源汽車。

1.2 新能源汽車的形式

新能源汽車的形式包括混合動力汽車、燃料電池電動汽車、純電動汽車、增程式電動汽車、氫發(fā)動機汽車、其他新能源汽車等。

混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）是由兩個或兩個以上能同時運轉(zhuǎn)的單個動力系統(tǒng)聯(lián)合組成動力系統(tǒng)的車輛，車輛的動力依據(jù)實際的車輛行駛狀態(tài)由單個動力系統(tǒng)提供或多個動力系統(tǒng)共同提供?；旌蟿恿ζ囉卸喾N組成部件、布置方式和控制策略，形式多樣。

燃料電池電動汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV）是純電動汽車的一種，主要區(qū)別在于動力電池的工作原理不同。燃料電池的電能是通過氫氣和氧氣在催化劑的作用下經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。

純電動汽車（Blade Electric Vehicles，BEV）是以電動機驅(qū)動汽車行駛的車輛，而電動機所需電能完全來自儲能動力源—蓄電池。

氫發(fā)動機汽車（Hydrogn Engine Vehicles）是以氫燃料發(fā)動機為動力源的汽車。氫發(fā)動機汽車是一種真正實現(xiàn)零排放的汽車，其排放物為H2O。

其他新能源汽車包括使用飛輪、超級電容器等高效儲能器的汽車。目前在我國，新能源汽車主要是指純電動汽車、增程式電動汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池電動汽車，常規(guī)混合動力汽車被劃分為節(jié)能汽車。

2 制動能量回收技術(shù)概述

制動能量回收是指在汽車制動時，由能量回饋裝置進行汽車制動，并將由此轉(zhuǎn)化或再生的能量回饋給能量存儲系統(tǒng)（如蓄電池）用于驅(qū)動汽車或車載附件的工作。

2.1 汽車的制動

汽車的制動分為廣義和狹義兩種解釋。廣義上講，凡是利用與驅(qū)動力相反的力使汽車減速、停駛或可靠駐停的過程都應(yīng)該稱為制動。狹義上講，就是利用汽車的制動器形成專門的與驅(qū)動力相反的制動力來制動。

現(xiàn)代汽車廣泛采用摩擦式制動器，任何形式的制動器都包括兩個重要的組成部分即運動元件和靜止元件。運動元件同車輪連接，汽車行駛時運動元件與車輪一同以車軸中心為軸心旋轉(zhuǎn)；靜止元件為相對靜止，它被固定安裝在汽車底盤上，不會發(fā)生轉(zhuǎn)動。在汽車行駛過程中，運動元件與靜止元件存在配合間隙，互不干擾；制動時，駕駛員通過驅(qū)動裝置使兩元件接觸并在其接觸表面施以正壓力，在摩擦力的作用下使運動元件及其相連的車輪減速甚至停止轉(zhuǎn)動。

摩擦生熱，制動一定會消耗一部分能量，在中國的城市道路工況下，以捷達(dá)轎車為例，它的滾動阻力將消耗1130千焦能量，風(fēng)阻將消耗530千焦能量，制動將消耗1287千焦能量，制動消耗能量占能量總消耗的44%。如果將這44%的制動能量減小或重新利用，那么將會明顯地提升汽車的經(jīng)濟效率并能節(jié)省燃料降低排放。

2.2 制動能量的回收

如果將車輛減速時的動能轉(zhuǎn)化為電能，回收入動力電池，而不是摩擦浪費掉，這無疑相當(dāng)于增加了蓄電池的容量。這一技術(shù)最早應(yīng)用于火車，火車的驅(qū)動都是由直流或交流電機驅(qū)動的，在制動時，通過電路的控制，使電動機變?yōu)榘l(fā)電機，以發(fā)電機發(fā)電產(chǎn)生的阻力來制動，生成的電力可以反饋到電網(wǎng)之上，稱為再生制動。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下將該技術(shù)應(yīng)用于新能源汽車，對于提高新能源汽車的續(xù)駛里程性能方面具有重要的意義。一般來講，假設(shè)在動力電池的充電效率為100%，電動機的效率、制動回饋的效率為50%，車輛總消耗能量的50%用于獲得車輛動能的設(shè)定條件下，根據(jù)能量守恒而解析計算得到：采用再生制動能量回收，可提高車輛續(xù)駛里程約33%。

2.3 制動能量回收方式

目前制動能量的回收有三種方式：

方式一：機械式，如圖1（a）所示利用飛輪的轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生制動力。當(dāng)需要發(fā)動機的動力時，離合器1接合，離合器2分離，這和普通的發(fā)動機前置后輪驅(qū)動的機械式傳動系統(tǒng)是一樣的；當(dāng)需要制動時，離合器1分離，離合器2接合，利用飛輪的轉(zhuǎn)動慣量制造阻力，降低傳動系的終端車輪的轉(zhuǎn)速；在儲能機構(gòu)儲存有足夠能量的情況下，當(dāng)汽車克服重載時可將離合器1與離合器2同時接合，利用儲能機構(gòu)中因制動而產(chǎn)生的能量幫助發(fā)動機克服負(fù)載，從而節(jié)省燃料提升續(xù)航里程。但是飛輪質(zhì)量大，占用空間大，并且造成傳動系復(fù)雜，加之抗振性差，所以目前較少采用。

方式二：液壓或氣壓儲能式，如圖1（b）所示利用泵與馬達(dá)互為逆原理，制動時利用泵（或空氣壓縮機）的阻力產(chǎn)生制動力并將由機械能轉(zhuǎn)化來的液壓能（或氣壓能）存于蓄能器（或儲氣罐）。當(dāng)汽車克服重載時利用蓄能器（或儲氣罐）中的液壓能或氣壓能逆向驅(qū)動液壓馬達(dá)（或氣壓馬達(dá)），從而幫助發(fā)動機克服負(fù)載。但由于工作性質(zhì)的區(qū)別，制造完全可逆的泵/馬達(dá)難度較大，而且液壓傳動壓力高，對密封性要求嚴(yán)格，蓄能器儲能能力和空間有限，這些因素制約了此種方式在新能源汽車上的應(yīng)用。未來如果能解決空氣壓縮機/氣壓馬達(dá)逆變問題，此方式在采用氣壓制動的商用新能源汽車上有極大的發(fā)展空間。

方式三：電儲能式，如圖1（c）所示在制動時，通過電路的控制使電動機變?yōu)榘l(fā)電機，以發(fā)電機發(fā)電產(chǎn)生的阻力來制動，所轉(zhuǎn)化的電能存于蓄電池。當(dāng)汽車克服重載時利用蓄電池中的電能逆向驅(qū)動電動機，從而幫助發(fā)動機克服負(fù)載。此方案目前在新能源汽車中應(yīng)用較為廣泛。

3 制動能量回收技術(shù)對新能源汽車發(fā)展的影響

汽車的制動性能關(guān)系到汽車的安全，制動能量回收技術(shù)的應(yīng)用不能影響汽車的制動性能，如何將二者完美地接合對于新能源汽車的發(fā)展是個關(guān)鍵性的問題。目前二者的結(jié)合有兩種方案，即并聯(lián)式制動力分配和串聯(lián)式制動力分配。

并聯(lián)式制動力分配是指制動能量回收所提供制動力與常規(guī)制動力并聯(lián)，所以對常規(guī)制動裝置改動較小或可不改動。

串聯(lián)式制動力分配是指制動能量回收所提供制動力與常規(guī)制動力串聯(lián)，所以需要對常規(guī)制動裝置改動，但摩擦制動力可以調(diào)節(jié)，制動感受更加優(yōu)質(zhì)并且獲得更高的制動能量回收效率。因此串聯(lián)式制動力分配策略將會是未來新能源汽車制動能量回收技術(shù)的發(fā)展方向并且對我國新能源汽車技術(shù)產(chǎn)生以下兩方面的影響：

3.1 插電式混合動力汽車在我國更加具有發(fā)展優(yōu)勢

插電式混合動力汽車相對于純電動汽車、增程式電動汽車、燃料電池電動汽車對于蓄電池充電問題這一瓶頸采用了相對更佳的解決方案，并且在續(xù)航里程、對傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)的改變、安全便捷等方面更具優(yōu)勢。相對于常規(guī)混合動力汽車它又享受政府財政補貼、免稅等政策，并且在制動能量回收上更容易采用電儲能方式如圖1（c），因此插電式混合動力汽車在我國更加具有發(fā)展優(yōu)勢。

3.2 促進我國ABS＼EBD＼ASR＼ESP等技術(shù)的發(fā)展進步

目前我國在乘用車ABS＼EBD＼ASR＼ESP等技術(shù)上還完全依賴進口，這將制約我國新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，那么為了在新能源汽車技術(shù)上實現(xiàn)趕超發(fā)達(dá)國家，我國將會直接跨越傳統(tǒng)能源汽車ABS＼EBD＼ASR＼ESP時代而直接研發(fā)將ABS＼EBD＼ASR＼ESP單元與制動能量回收單元、驅(qū)動單元一體化的新型制動系統(tǒng)，這將促進我國ABS＼EBD＼ASR＼ESP等技術(shù)的發(fā)展進步。

我國是世界第二大經(jīng)濟體，在取得巨大成就的同時應(yīng)該看到我國人口世界第一，是能源消耗大國，發(fā)展新能源汽車符合我國國情，利國利民。而制動能量回收技術(shù)又是發(fā)展新能源汽車技術(shù)的一項關(guān)鍵技術(shù)，雖然它目前還不夠成熟，但發(fā)展該技術(shù)在當(dāng)下可以提升傳統(tǒng)燃料汽車的效率，提升汽車燃油經(jīng)濟性能，刺激我國汽車制動系統(tǒng)制造業(yè)的推陳出新；在未來它有助于推動新能源汽車技術(shù)的成熟，為新能源汽車的廣泛普及提供助推劑，發(fā)展制動能量回收技術(shù)勢在必行。

參考文獻

[1] 張俊智.混合動力城市客車制動能量回收系統(tǒng)道路試 驗[J].機械工程學(xué)報，2009，（2）.

[2] 張俊智.混合動力城市客車串聯(lián)式制動能量回饋技術(shù) [J].機械工程學(xué)報，2009，（6）.

作者簡介：姜峰（1982-），男，吉林工程職業(yè)學(xué)院汽車工程分院講師，沈陽航空航天大學(xué)工程碩士，研究方向：汽車構(gòu)造、液壓傳動。

（責(zé)任編輯：王 波）