节能汽车制动能量回收与再利用探讨

苏炜 郑心怡 艾天乐

摘要：汽车行驶期间会消耗大量能量，伴随汽车社会保有量的增加，加之不可再生能源的有限性，使得新型节能汽车的开发与使用意义逐渐凸显出来。近年来，城市交通过于拥堵，使汽车行驶制动愈加频繁。将辅助动力装置加装于现有车辆中，可在制动情况下回收储存制动损失能量，并在加速状态下释放储存能量，进一步优化车辆动力性能。基于此，文章将节能汽车制动能量作为主要研究对象，重点阐述回收和再利用的相关内容，希望有所帮助。

关键词：节能汽车;制动能量;回收;再利用

中图分类号：U465.9                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）05-0178-02

0  引言

汽车行驶于道路会具备特定速度，所以也一定具有动能。结合路况与驾驶的需求，汽车会在行进期间减速亦或是停车，此时动能消耗需借助制动机构，在制动摩擦片和制动盘间的加压摩擦、车轮和地面摩擦情况下会形成热量，使得动能向热能转化，以实现制动减速的目的。另外，制动机构磨损会影响车辆使用经济性能，特别是频繁制动会提高制动机构温度，影响制动效率，对车辆与人身安全均产生了极大影响。由此可见，深入研究并分析节能汽车制动能量回收与再利用系统十分有必要。

1  节能汽车制动能量回收依据分析

在当前科学研究中，节能减排以及环境保护均占据关键地位。很多研究机构在汽车制动能量回收以及再利用方面展开了深入分析，发现其与非燃油动力汽车技术存在支架关联。其中，汽车制动能量平衡的方程式如下：。在公式中，E1会通过制动摩擦所形成的热量而耗散，其能量需借助相关技术进行回收以及再利用[1]。而E2的组成包括两部分，其一是车辆在行驶状态下因机械摩擦阻力与发动机制动效应所消耗的能量，其二是风阻力所消耗的能量。风阻力的公式为：，风阻力消耗能量的公式为：E2实际能量消耗的形式会对不可回收性带来决定性影响。若车辆行驶速度每小时不超过30千米，即可将风阻力消耗能量忽略不计算。

在车辆制动中，可細化成紧急制动与减速制动两种。在车辆技术参数中，所谓制动距离，即处于规定条件下进行紧急制动车辆所运行距离。针对小型乘用车，其时速不超过100千米，平均的制动距离大概是40米，而制动消耗的时间则为3秒。正是因为时间相对较短，所以能够回收的能量也不多。而减速制动的时间则相对长一些，能够对减速期间部分能量加以回收。由于能量回收系统的制动力矩有限，所以在紧急制动方面仍要借助传统机械制动的形式进行。也就是说，制动能量回收和再利用系统的技术能力很难对传统的制动系统予以全面替代。

2  节能汽车储能形式

对于汽车制动能量的回收和再利用，能量回收方式存储十分关键。汽车储能装置应具备以下条件：其一，环境友好性明显，特别是使用环境的温度不应过高;其二，具有较高的能量密度，使车辆自重减轻，油耗降低;其三，安全系数高，可对一定等级交通事故有效抵御;其四，较高的性价比且技术成熟[2];其五，存储和释放能量可多次循环，尽可能和车辆的使用年限相同，节省车辆的使用成本;其六，储能空间充足且具有较高的能量转换效率，可迅速储能、释能。

以下将对比几种储能装置的性能：①化学蓄电池：储能形式为化学储能;安全系数较高;技术成熟;对环境有污染;能量自耗小;充能时间慢;储能效率为70%。②飞轮储能：储能形式为机械储能;安全系数较高;技术成熟;几乎不会污染环境;能量自耗大;充能时间快;储能效率为90%。③液压储能器：储能形式为物理储能;安全系数低;技术成熟;环境污染程度极小;能量自耗与温度变化有关;充能时间快;储能效率为50%。④超级电容：储能形式为物理储能;安全系数高;技术成熟;环境污染程度小;能量自耗小;充能时间较快;储能效率为90%。⑤超导储能：储能形式为电磁储能;安全系数高;技术相对成熟;环境污染程度极小;能量自耗极小;充能时间慢;储能效率为90%[3]。

3  液压储能式研究

节能汽车液压储能式的制动能量回收系统需要借助液压泵，实现机械能向液压能的转化，向液压储能器中储存。在汽车加速的过程中，储能器在释放压力的情况下即可使液压泵旋转，进而实现液压能向机械能的成功转化。其中，液压泵是系统的重要组成部分，因而其性能也将对能量回收以及释放的效率产生直接影响。

汽车在行驶状态下，副离合器处于分离状态，且换向器关闭油路。在制动过程中，变速器输出扭矩在副变速器的作用下，结合车速即可对变速做出调整。随后，借助副离合器向液压泵传递，而储液箱内液压油在换向器的作用下向液压泵进入，高压油泵在能量交换条件下会向变压储能器内进入，使得储能器内部气体压缩，进而回收能量。而以上过程的逆向表现就是能量的释放。各个部件的动作则需通过电子控制单元ECU进行统一协调与控制。与此同时，汽车行驶舒适性以及驾驶人员的习惯对于液压储能方式控制系统的要求相对较高。此制动能量回收的形式可在载货汽车中应用，而液压储能器是高压容器，可在小型的乘用车中安装，安全性理想[4]。

4  物理与化学储能式研究

蓄电池与超级电容是物理化学储能器的典型代表，车辆在启动与行驶状态下，应结合车速的差异利用ECU对辅助变速器加以控制，确保与电机连接后实际转动速度处于工作转速范围，使得牵引力与制动力矩更合理。在车辆制动的情况下，电机则处于发电模式，电流在的作用下即可使蓄电池充电，进而实现能量储存的目标。在释能的状态下，蓄电池即可提供电力，而电机处于电动机模式时即可为车辆提供辅助的动力。铅酸、液流蓄电池与磷酸铁锂蓄电池均为化学储能的形式，在超级电容和蓄电池联合应用的情况下，即可有效提高储能速率，使得制动力矩明显增加。目前阶段，化学储能中的石墨烯能够全面优化蓄电池与超级电容的性能[5]。在混合动力汽车中，制动能量的回收和再利用发挥重要作用，但混合动力车辆系统复杂性明显，所以要对电源管理监控系统进行综合考虑，结合电池的特性对电池充放电流加以控制，使其使用寿命得以延长，在有效配合能量回收制动和机械制动的基础上，即可更好地优化车辆的舒适度。

5  飞轮储能式研究

飞轮储能式的制动能量回收系统（图1）能够对机械能加以转化并形成电能，进而达到储存和再次利用的目的。但与物理、化学储能式的最大区别就是能量的储存介质。可使用高强度碳纤维复合材料制作飞轮，且保证其工作腔体内部抽成真空。然而，飞轮电池的自耗能很大，且受生产成本过高的影响始终未实现商业化发展目标。近年来，在新型材料技术发展的背景下，飞轮的角速度以及能量密度显著提高。通过对磁悬浮技术与超导技术的应用，可使得系统真空壳体内的飞轮转子处于悬浮状态，进而达到机械与风力损耗降低的目标。但在运用超导磁悬浮技术的过程中，要求始终处于低温环境，因而被广泛应用于大型储能系统中[6]。

目前阶段，城市道路相对拥堵，所以车辆会频繁加速和制动转换，对机械支撑非炫富飞轮储能技术的自耗能是有限的，储能的速率偏高，能够获取充足制动力矩，一定程度上延长了使用寿命。在与物理、化学储能单元配合的基础上，对停车以后的飞轮能量进行储存可增强系统的实用性。

在使用飞轮储能装置的过程中，电能可借助电机对飞轮进行驱动并旋转，而电机则处于电动机工作模式，直接提高了飞轮转速，在电能向机械能转化后即可实现能量储存的目的。而在释能的过程中，电机就会处于发电机的工作模式，进而向外部提供电流，使得飞轮的转速明显降低。

6  各种储能装置的性能比较分析

上述的几种储能装置都可以发挥出有效的储能作用，进而让汽车的制动能量得到良好的回收和再利用。但是不同储能装置的性能也有所不同，具体选择中，应根据实际需求并结合其具体性能来进行选择。通过这样的方式，才可以让节能汽车的制动能量得到更加科学合理的回收和再利用，并在一定程度上实现成本的节约与安全性的保障。具体情况如表1。

7  结束语

综上所述，以上研究的能量储存装置只能够应用于制动能量回收和再利用方面，具体指的就是将辅助动力装置安装在汽车内（动力源为内燃机），属于混合动力技术的重要组成。但辅助动力装置的增加会使车辆的自重增加，有必要对车辆的中心与稳定性做出重新考虑，而且辅助动力装置布置的状况也会对车辆制动性能产生一定程度的影响。不管汽车动力能源是哪一种，均需实现能量向动能的转化，而车辆行驶状态下，控制车速也一定会引发能量损失的情况。而制动能量回收和再利用系统虽会增加车辆生产成本，但以长久节能角度分析，此系統始终是汽车技术进步必要的装置。

参考文献：

[1]徐华超，卜凡，程煜，等.制动能量回收对前驱式电动汽车制动稳定性的影响分析[J].时代汽车，2020（9）：85-86.

[2]李刚，徐荣霞，林豪，等.汽车智能启停系统及制动能量回收策略性能分析[J].科学技术与工程，2020，20（12）：4962-4967.

[3]徐薇，陈虹，赵海艳.考虑电池寿命的四轮轮毂电动汽车制动能量优化控制[J].控制理论与应用，2019，36（11）：1942-1951.

[4]朱波，张靖岩，张农，等.基于电动汽车制动效能一致性的并联式制动能量回收控制[J].汽车工程学报，2019，9（5）：342-351.

[5]李胜琴，汤亚平.基于EC E法规及I线的纯电动汽车制动能量回收策略研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2020，44（1）：75-80.

[6]戴彦，田红霞.基于鲁棒控制的电动汽车能量回收再生制动控制策略研究[J].内燃机与配件，2020（5）：12-13.