混合动力公交车制动能量回收系统分析

张霞

(成都师范学院物理与工程技术学院，四川成都 611130)

混合动力公交车制动能量回收系统分析

张霞

(成都师范学院物理与工程技术学院，四川成都 611130)

城市公交频繁的制动带来了巨大的能量损失，采用再生制动来回收制动能量是增加电动汽车续驶里程的有效方法之一。简述了混合动力汽车再生制动系统的国内外现状以及国内公交车运行系统的工况；从整车系统的角度分析了制动能量回收与再利用控制原理，并在此基础上说明了混合动力公交车节能的途径，为提高电动汽车驱动效率、合理利用有限能量提供了技术支持。

城市公交车；混合动力电动汽车；制动能量；回收再利用

Abstract:The city bus frequent braking is of great energy loss. The use of regenerative braking to recover braking energy is one of the effective ways to increase the driving range of electric vehicles. The status quo of hybrid vehicle regenerative braking system at home and abroad was outlined as well as domestic bus system operation conditions. From the perspective of the vehicle system, the principle of the braking energy recovery control and re-use ways were analyzed. It provides technical support for improving electric vehicle drive efficiency and the rational use of the limited energy.

Keywords:City bus; Hybrid electric vehicle; Braking energy; Recycling

0 引言

自从2005年中国开始研究混合动力汽车以来，越来越多的城市公交车换用混合动力公交车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)，HEV已经成为新能源汽车的重要车型，在国内逐渐地推广和快速地发展[1]。

城市车辆运行工况较其他工况特殊，主要原因是城市车流量和人流量相对较集中。对于城市公交车而言，它在运行过程中油耗高、噪声严重、车速低、排放污染气体多等问题较为显著。并且由于城市公交运行的特点，它在工作时需要频繁地起步、加速、换挡、制动，制动时巨大的动能经制动器的摩擦转化为热能消耗掉，这就造成了大量的能源浪费。因此，人们大胆设想：如果能将城市公交在减速制动过程中的制动动能通过制动能量回收系统进行吸收并同时储存起来，当城市公交在起步加速时再将储存的能量转化成驱动车辆行驶的驱动动力，那么便可以使发动机在经济工况下更长时间运转。如果按照这种设想实施，不仅可以有效降低车辆油耗，提高动力性，减少尾气排放带来的污染，还可以延长城市公交制动器的寿命，因此这一设想具有非常重要的实用价值。为此，汽车研究者们不断地在寻找各种简单又高效的制动能量回收系统。因此制动能量回收问题对于提高电动汽车的能量利用率具有重要的意义。目前存在的制动能力回收系统包括液压储能、机械储能、电储能等。

1 混合动力公交车制动能量再利用技术在国内外发展现状

1.1 国外现状

到目前为止，国内外制动能量回收与再利用方式运用到车辆上具有代表性的能量储存方式有3种，分别是飞轮储能、液压储能、电化学储能。

由于20世纪70年代能源危机的出现，世界各个国家相继开展了车辆节能技术的研究工作。美国威斯康星大学的学者较早开展了汽车的节能研究工作。在1987年，日本开发了一种液压储能系统，并在实际运用的城市公交汽车中得到证实，此系统可节油大约30%。在20世纪90年代，由于液压技术和电动技术的发展，许多汽车企业加紧研制和开发复合驱动汽车。

1.2 国内现状

我国自863计划以来，就将混合动力电动汽车作为国内现阶段电动汽车发展的重点和方向，汽车各大产业都在致力于发展和提高混合动力电动汽车的新技术。20世纪80年代中期，吉林工业大学进行了高速飞轮储能的复合驱动系统的研究；20世纪90年代后期，哈尔滨工业大学在车辆静液储能传动系统的研究上取得了一定成果。目前，从我国汽车制动能量再生技术研究水平来看，虽然我国在这项技术研究上取得了一定的成

果，但是多局限于个别系统的理论和实验研究上，我国在整个制动能量再生系统的优化设计和实际应用上与国外还存在一定的距离，故我国制动能源再生技术的研究水平还需提高，加强实际应用和优化设计。

在国内，串联、并联和混联各类混合动力城市公交客车样车相继研制成功，正在向产业化方向努力。目前，国内多数城市道路上都能见到混合动力电动汽车的身影。

2 城市公交车运行工况

因城市公交使用的特殊性，它在工作时需要频繁地起步、加速、换挡、制动，制动时巨大的动能经制动器的摩擦转化为热能消耗掉，这就造成了大量的能源浪费，并且产生的黑烟及排放比其他运行工况显著增多[2]。车辆工况发动机的工作状态如下：

(1)起步阶段。车辆由静止状态到运动状态，车辆的惯性载荷大、油耗多、冲击力大。

(2)加速阶段。发动机处于大负荷、超负荷状态，混合气浓度大、燃烧不完全，耗油量大，环境噪声大与废气污染较严重。

(3)匀速阶段。发动机处于最佳工作状态，燃油燃烧充分，发动机效率最高，节省燃油，有害气体排放最少。

(4)制动阶段。车辆机械能浪费，制动系统磨损较大，发动机燃烧及排放恶化较严重。

由上述发动机运行工况状态可知,车辆在匀速行驶工况处于最佳工作状态，其余3个工况均有大量的能量浪费，并且尾气中有害气体含量增加。现以总质量15 t、发动机功率为150 kW的城市公交车为例，大概反映我国城市公交车行驶工况的概况，表1为分析出来的城市公交车在各个工况下的时间比、功率范围的参考数据。

表1 城市公交车工况参考数据

由城市公交运行工况，车辆频繁的制动会引起油耗的增大以及排放的废气增多。如果将车辆制动时损耗能量回收起来，然后充分利用回收的制动能量辅助车辆起步加速，这是一个非常好的节能环保方案。

3 城市电动公交车制动能量回收与再利用控制原理

电动汽车因其零排放、零污染的优势在汽车工业面临能源与环境保护的双重压力下日益崭露头角，如果利用电动汽车制动能量回收原理和控制系统原理将制动能量更好地回收再利用，那将在节能环保上起到很大的帮助。

3.1 制动能量回收原理

基于自然界普遍认同的能量守恒定律，对电动汽车制动过程中不断减小的动能损失走向进行理论分析追踪并做出部分假设，从而提出一种制动能量回收控制策略[3]。汽车以初始车速v0减速至车速v1过程中，若忽略汽车的传动系统阻力、坡道阻力和空气阻力， 其能量转换关系为：

(1)

式中：m为汽车质量；Wf为滚动阻力所作的功；Wb为制动力所作的功。总制动力由机械制动力和电制动力两部分组成，滚动阻力和机械制动力所作的功是无法回收的，将汽车的动能转变为热能散失于空气中，只有电制动力所做的功才能够被回收利用[5]。

3.2 混合动力汽车再生制动系统原理

再生制动，也称为制动能量回收，是指行驶中的汽车停车、减速或下坡时，通过能量转换装置，将汽车的动能转化为电能，储存在储能元件中，然后再对储存的制动鼓能力进行再利用。

城市混合动力公交车的再生制动能量系统的组成原理如图1所示。再生制动控制系统由驱动车轮、主减速器、电机、AC/DC转换器、变速器、能量储存系统、DC/DC转换器以及控制器组成。混合动力汽车的再生制动系统原理[4]：当混合动力公交车在制动或滑行过程中，制动控制器根据驾驶员的制动意图，计算出汽车需要的总制动力，基于一定的制动力分配控制策略计算得到提供给电机的再生制动力，同时，电机控制器计算出电机的制动电流，通过一定的控制算法可以使得电机跟踪需要的制动电流，提供比较准确的再生制动力矩，在电机中产生的制动电流经AC/DC转换器转换后储存到电储存装置中。

4 混合动力公交车节能体现

混合动力公交车相对于燃油公交车而言在很多方面体现了它的节能作用。

(1)停车

在交通拥堵的城市，停车怠速时间超过总行驶时间的30%以上。

(2)制动能量回收

在频繁加减速的城市行驶工况下，制动消耗的能量会占到车辆行驶能量消耗的50%。

(3)减小发动机排量

传统汽车为满足加速性和最大车速要求，内燃机的峰值功率约为车辆巡航所需功率的3～5倍。

(4)优化发动机

传统汽车内燃机必须满足很大的速度和负载范围的油耗与排放要求。

混合动力公交车主要的节油途径如表2所示。

表2 混合动力公交车节油途径

通过这些主要的节油途径，制动能量回收可以为混合动力发动机节油大约10%，明显体现了制动能量回收的节能环保作用。

5 总结

综上所述，节能减排是目前汽车工业的紧迫任务，在城市混合动力公共车制动能量回收系统方面的研究和应用对于节能减排有着重要意义。与国外先进国家的新能源技术相比较，国内关于制动能量回收的研究还处在研发阶段，所以致力研究和提高混合动力汽车制动能量回收技术，具有很好的实用价值和广泛的应用前景。

【1】 周奉香,苑士华,李辉.公共车辆制动能量回收与再利用系统研究[J].能源研究与信息，2003(6)：6-7.

【2】 任国军.公共汽车制动能量再生的液压储能技术研究[D].淄

博：山东理工大学，2006：14-23.

【3】 彭玲玲.城市公交车节能减排综合应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2009：20-27.

【4】 张京明,王仕伟 ,程志刚.混合动力汽车再生制动系统的建模与仿真[J].计算机仿真，2009,25：268-272.

【5】 刘喜明，孙仁云，张霞.基于单轮台架制动能量回收控制算法的研究[J].拖拉机与农用运输车,2011(8)：9-11.

AnalysisonBrakingEnergyRecoverySystemofHybridBus

ZHANG Xia

(College of Physics and Engineering,Chengdu Normal University, Chengdu Sichuan 611130,China)

2014-06-11

张霞(1986—)，女，硕士，助教，从事电动汽车控制系统研究。E-mail：xiazi1123@163.com。