城市公交车制动能量回收方式综述

秦 瑞，王文竹，石 磊

（沈阳航空航天大学 机电工程学院，辽宁 沈阳 110136）

城市公交车制动能量回收方式综述

秦 瑞，王文竹，石 磊

（沈阳航空航天大学 机电工程学院，辽宁 沈阳 110136）

文章在分析城市公交车运行工况的基础上，说明了城市公交车能量回收系统的必要性。分析了三种制动能量回收方式的结构原理，对三种制动能量回收系统在城市公交车上的应用进行了分析比较。

城市公交车;制动能量回收;飞轮制动能量回收

当代社会，运输业发展极快，也成为了国民经济支柱产业之一。其中应用最为广泛的就是汽车运输，汽车运输贯穿了我们的生活，公交车、私家车在我们的生活中随处可见。随着汽车保有量的增加，带来的最大问题就是燃油的大量消耗，我们不仅要面对石油资源的日益枯竭，还要面对石油燃料所带来的环境污染问题。所以新能源汽车被提出，并取得了一定成果，但是要转化为人人都能用到的科技产品还需要很长的时间来进行技术的转化完善。随着交通工具的节能减排问题日益突出，车辆的车身能量回收技术得以提出并受到充分重视，其中汽车制动能量回收就是其中一种。

纵观公交车运行过程，尤其是在城市交通线路中车流拥挤，制车减速过程频繁。在制动过程中，通过制动鼓被抱死产生的摩擦力让汽车减速，而这一过程中汽车的动能转变为了摩擦热能，最终消散在空气中。这样不仅产生了大量的能量损失，还使制动器寿命降低。如果能将这一部分能量回收并利用起来，将会在一定程度上节省燃油的消耗，在一定程度上缓解现阶段的困境。目前制动能量回收的手段也是有效的节能减排手段。

1 制动能量回收系统的原理及城市公交车运行工况分析

1.1 制动能量回收系统的原理

制动能量回收系统意在将汽车减速时的车身动能回收起来，储存并转化成为可以为汽车再次利用的能量系统。其不仅能够完成浪费能量的回收、储存和再利用，还能在一定程度上缓解制动器的发热情况，延长制动器的使用寿命。

目前道路汽车中的电动汽车，混合动力汽车以及城市道路公交系统是制动能量回收系统主要使用对象。制动能量回收系统原理是:汽车减速时车身动能通过制动能量回收系统转化为制动能量回收系统中的储能器所能储存的能量如液压能、电能、旋转动能等；当汽车再次启动或加速时,制动能量回收系统再将储存在储能器中的能量转换为汽车行驶所需的驱动力。制动能量回收原理如图1所示。

图1 制动能量回收原理框图

1.2 城市公交运行工况分析

由于城市公交车需要长时间面对城市道路拥堵的路况，公交车工作时需要频繁的经历制动减速与启动加速的过程，这样势必就会造成大量的能量浪费，加速零部件的磨损，其工况可分为起步、加速、匀速、加速四个阶段：

（1）起步阶段。汽车起步，负载较大，油耗大。

（2）加速阶段。发动机转速突然增大，超负荷工作燃油燃烧不充分，有害气体排放增多。

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

（4）制动阶段。汽车动能通过剧烈摩擦转化为制动鼓上的热能，能量被大量浪费，同时制动器磨损程度较大。

由此可见公交车在处于匀速阶段是最省油，但是由于城市道路情况的特殊性，公交车需要频繁的走走停停，这样就会造成燃油的大量消耗，这样就需要一个能量回收系统来将制动时的能量消耗回收起来用以汽车再次启动或提速时提供一部分动力，减少燃油的消耗。

2 制动能量回收系统

目前制动能量回收系统的研究具有多样化的特点，总体来说制动能量回收系统依照储能器的不同可以分为3种形式：①液压蓄能制动能量回收系统,利用液压缸将制动时的车身动能以高压油形式储存在液压缸中。②蓄电池蓄能制动能量回收系统,利用蓄电池组将制动时车身动能以电能形式储存在蓄电池中。③飞轮储能制动能量回收系统，将制动时车身动能以旋转动能形式储存在飞轮中。

2.1 液压蓄能制动能量回收系统

液压蓄能制动能量回收系统以液压能的方式储存回收的能量。液压制动能量回收系统能够将制动时车身动能转化为液压能储存在液压缸中，在汽车再次启动时将液压能反向释为汽车提供一部分驱动。完成这一过程就需要一个具有可逆作用的液压马达——泵，当汽车减速制动时液压马达——泵以泵的形式工作，回收车身动能并储存在液压缸中；当汽车启动加速时，液压马达——泵以马达的形式工作，将液压缸中的能量反向释放给予汽车一部分动力。

液压蓄能器储能系统的结构如图2所示。车辆制动减速时，电磁阀工作，液压油由低压油箱经液压管路通过电磁换向阀的控制流入高压蓄能器中，这样就将制动动能以液压的形式储存在液压储存器中。当制动停止时回收装置停止工作，车辆正常运行或停止运行；倒车时制动能量回收系统不进行工作。当汽车再次启动时能量经由换向阀、气——液组合缸到达定量液压泵——液压马达，进而释放到车轮，完成能量的回收再利用。次汽车启动时释放出来，提供大扭矩，方便汽车的行驶。但其成本较高，液压马达——泵的使用寿命及成本限制了系统的研制，且需要定期更换液压油，由于其能量密度较小导致其需要一个较大的液压缸储能，将会在底盘整体布局上会对汽车设计产生一定困难。

2.2 蓄电池储能制动能量回收系统

蓄电池储能制动能量回收系统以电能方式储存能量。蓄电池制动能量回收系统能够将制动时车身动能转化为蓄电池中的电能，在汽车再次启动时将电能反向释为汽车提供一部分驱动，完成这一过程同样需要一个具有可逆作用的部件——发电机——电动机。当汽车减速制动时发电机-电动机以发电机的的形式工作，回收车身动能并储存在蓄电池中；当汽车启动加速时，发电机——电动机以电动机的形式工作，将蓄电池中的能量反向释放给予汽车一部分动力。进而提高汽车的能量利用率,增加混合动力汽车续航能力同时减少燃油消耗量。其系统结构如图3所示。

图3 蓄电池储能制动能量回收系统结构

图2 液压蓄能制动能量回收系统简图

液压只能能量回收系统，结构简单，元器件工作可靠。其中该系统中液压马达——泵的研制是系统中的关键，液压马达——泵的良好工作能力将决定液压制动能量回收系统的回收效率及系统的正常工作。液压储能器具有较小的能量密度与较大的功率密度,能够快速储存和四放能量，由于液压缸密闭性良好液压制动能量回收系统能够长时间储能，并能在下

蓄电池储能系统结构简单，便于安装，但是同时面对的问题也比较多，大多数的问题都来自于蓄电池。目前镍氢电池技术相对成熟，被大多数油电混合动力车型所采用，但是其缺点也非常明显，蓄电池储能功率密度小，这样就不能快速的回收与释放电能，面对这个问题就需要多组蓄电池同时工作，这样势必增加整个回收系统的体积。于此同时蓄电池的寿命问题也是影响蓄电池制动能量回收系统研制的重大问题，过大的制造成本及过短的使用寿命势必会增加蓄电池能量回收系统的成本与经济性。

2.3 飞轮储能制动能量回收系统

飞轮储能制动能量回收系统是利用机械储能来完成制动能量回收的一种方法。飞轮储能以动能的方式,将制动时车身动能储存在高速旋转的飞轮中。机械飞轮储能系统结构简单，储能密度高，其结构图如图4所示。当车辆制动时,能量通过增速齿轮给予飞轮一个较大转速,将车身的制动惯性动能转化为飞轮的旋转动能。当车辆需起动或加速时,飞轮继续旋转，将自身动能反向释放给车身，方便汽车短时间内起步或加速。在这个过程中就需要一个能够正向输入反向输出的无级变速器使能量以正确的方向传递出去来完成能量的回收与释放。

飞轮储能系统明显的优点是其能量转换效率高，转化过程损失小。但是其缺点也较为明显，为了获得更大的转动惯量，单一飞轮的能量回收系统结构尺寸过大，给小型车车身结构布局上造成极大影响。飞轮储存的能量消耗快，释放出来的能量低，并且飞轮高速旋转会产生噪音。所以其布置形式、支撑形式刚度要求高。考虑到机械飞轮旋转时的摩擦消耗问题，通常为了让飞轮能够充分有效的储存能量，常将飞轮置于密闭的真空容器中。飞轮储能附加重量较轻、成本低、能量密度与功率密度较为适中，能够有效快速地储存与释放能量。如果不需要长时间储存能量，机械飞轮能够完全满足要求。

3 制动能量回收系统在城市公交车上应用

衡量储能器性能的重要指标是功率密度与能量密度如图5为三种储能器的能量密度和输出功率密度的关系图。其中大的功率密度使汽车能够迅速充分的储存汽车车身能量，高的能量密度使储能器储存更多能量。

图4飞轮储能系统

液制动能量回收系统在城市公交车上应用较多，其结构紧凑，可用于长时间储存能量，整个系统的难度相对蓄电池制动能量回收系统来说难度较小，可商业化利用价值高。但其成本较高，液压油需要定时更换，由于其能量密度较小需要一个很大的液压储能器，这样在汽车底盘整体布局上会对汽车设计产生一定困难。

蓄电池储能在城市公交车上应用较少，蓄电池储能系统受限于蓄电池的储存能力以及蓄电池使用寿命等问题，虽然已出现了超级电容的储存器，但其成本过高，即使蓄电池储能系统结构相对简单，但想要经济地来储存大量能量具有一定困难。

相对于液压制动能量回收与蓄电池制动能量回收来说，飞轮制动能量回收系统更适用于城市公交汽车。公交车在城市运行时，需要频繁地制动减速、制动停车、启动加速的操作，这样一来制动能量就要在短时间内完成回收再释放的工作。相比于液压储存能量的时间来说，虽然飞轮制动能量回收系统储存时间相对较短，但其完全能够满足公交车工况中频繁的制动、启动时能量的回收再释放的要求。且飞轮储能器拥有较好的能量密度与功率密度，能够更好地迅速充分的回收车身能量并提供较好的后备能量。故飞轮制动能量回收系统更适合公交车频繁制动的工况，而且飞轮价格便宜，结构简单，便于设计安装，在强烈环保意识与经济性并存的时代，公交车飞轮制动能量回收系统的应用与开发将会有重大意义。

4 结语

文章阐述了现阶段制动能量回收的三种方式，并根据公交车在城市交通运输中频繁制动的特殊工况，分别分析了三种能量回收系统在公交车的应用。制动能量回收的研究是一项利国利民的项目，相信随着研究的深入，能量回收效率将会进一步得到提升，能量回收效率将会进一步得到提升，进而减少燃油消耗量，减少尾气的排放。

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An overview of Recovery Mode of Urban Bus Braking Energy

QIN Rui,WANG Wen-zhu,SHI Lei
（College of Mechanical and Electrical Engineering,Shenyang Aerospace University,shenyang，Liaoning 110136,China）

Based on the analysis of the running of urban bus,this paper explained the necessity of energy recovery system of urban buses.It analyzed the structure and principle of three kinds of braking energy recovery mode analyzed and comparedthe application of the three brake energy recovery systems in urban buses i.

urban bus;braking energy recovery;flywheel braking energy recovery

U463.5

A

2095-980X（2015）04-0019-03

2015-02-15

沈阳航空航天大学大学生创新训练计划项目资助（dcx 13008）

秦瑞（1993-），男，辽宁铁岭人，大学本科，主要研究方向：车辆工程。