汽车能量回收系统研究概述

苏玉青，李舜酩，王　勇（南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016）



汽车能量回收系统研究概述

苏玉青，李舜酩，王勇
（南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016）

摘要：在汽车节能化发展趋势下，能量回收系统研究受到广泛关注。汽车能量回收系统当前研究热点主要集中于再生制动能量回收、馈能悬架以及发动机废热能量回收三个方面。首先对这三类汽车能量回收系统的特点与发展现状进行详细回顾；然后指出各能量回收系统的优势与待解决的关键问题；最后提出相应解决方案并对新的能量回收利用途径进行有益的探索，为今后学者的研究提供借鉴。

关键词：汽车；能量回收；再生制动；馈能悬架；发动机废热

21世纪以来，资源日益枯竭，随着石油危机加剧，作为石油主要消耗体的汽车，其节能环保技术越来越受到人们关注，汽车能量回收系统研究亦成为当今科研热点。

能量回收是将不能存储再利用的能量形式转换为可以再次使用的能量形式，在汽车上主要是把将要耗散在空气中的热能转变为电能或者其他形式的能量进行存储利用，为车上电器设备供电以及驱动汽车等。传统汽车存在严重的能量浪费现象，例如制动时汽车动能的浪费，汽车振动时悬架耗散掉的能量以及发动机随废气带走的热量等，这不仅造成了资源浪费，而且加剧环境污染。为此从制动能量回收、馈能悬架和发动机废热能量回收三个方面对汽车上能量回收系统的发展、特点和应用进行综述，并分别指出其待解决的问题，对其发展前景进行展望。

1　再生制动能量回收系统

制动能量回收就是在汽车进行制动减速过程中，在保证制动安全的前提下，把一部分动能转化为其他形式的能量存储起来，以备驱动时作为辅助能量驱动汽车前行。传统的制动系统在制动过程中将汽车的动能通过摩擦转换为热能耗散掉，不仅浪费宝贵的能源，而且频繁的制动摩擦过程会使制动器产生热衰退性，对汽车的行驶安全构成极大的威胁，也极易导致制动器的损坏[1]。通过研究发现，在城市工况中制动消耗的能量占总驱动能量的50 %左右[2]，如若对这部分能量进行回收，将产生十分可观的经济效益和环境效益。

1.1再生制动系统机构和特性

电动汽车制动能量回收系统主要由两部分组成：电机再生制动部分和传统摩擦制动部分，可以视为机电复合制动系统，再生制动过程是通过电机的电动机/发电机可逆性原理来实现的，而液压制动采用双回路液压制动系统，保证制动的安全性[3]。在制动过程中，制动控制器根据制动踏板的开度（实际为主缸压力），判断驾驶员所要达到的制动强度，然后确定前、后轴制动力，摩擦制动和再生制动的分配关系。再生制动过程应该满足以下要求[4]：

①合理分配前、后轮制动力，保证制动的稳定性：

②合理分配机械制动力和再生制动力，在保证制动安全的前提下尽量采用再生制动，更多地保证回收能量：

③控制系统应该与ABS、ESP等系统相融合，不影响原有系统的性能。

目前关于再生制动能量回收的研究主要集中于能量存储、回收效果评价以及控制策略研发等方面。

1.2制动能量的存储

为了更好地回收和利用制动能量，基于对比功率、充放电效率、成本等一系列因素的考虑，目前主要有以下装置用于再生制动回收能量的存储：

①蓄电池储能以其价格低廉、安装所需空间小，技术成熟的优点，目前在汽车储能中应用最为广泛[5]，但是其充电速度慢、效率低，污染严重、循环使用寿命次数少的不足还需要进一步改善。

②液压储能式再生制动系统主要由液压泵、液压马达、液压储能器、油路分配控制模块和电子控制器四部分组成。该装置将汽车制动过程中的动能转换成高压液压能存储在液压罐中，在汽车起步时，推动液压油以机械能的形式反作用于汽车进行辅助起步[6]。液压储能装置零件少，安全可靠性强，便于布置安装，逐步成为汽车制动储能发展的新方向，但是液压系统的密封性和工作噪声问题需改善。

③飞轮储能是将汽车制动减速时的动能转换为飞轮高速旋转的动能，在需要增大驱动力时又将飞轮储能释放转化为汽车的辅助驱动力。飞轮储能方式简单易行，造价成本低，能够快速进行充放电，电能输出稳定，且能有效地减少车辆噪声[7]，但是飞轮体积较大、重量较重，在极高速旋转状态下对材料要求高，成本增加，目前在汽车上还无法进行推广。

④超级电容储能是指汽车制动减速过程中，将一部分动能转化为电能存储于超级电容之中，然后在启动、加速时将电能释放出来作为辅助驱动力[8]。超级电容过充和过放均不影响其寿命，使用时间长，可焊接特性解决了蓄电池接触不牢固的问题。但是超级电容存在电解质泄露现象，且由于内阻较大，不可以用于交流电路，发热严重现象也亟待解决。

⑤复合储能系统综合了多种储能方式，克服了单一储能方式的缺陷，实现了能量回收最大化和能量利用最优化，但是复合储能协调性问题还未得到妥善解决。

1.3能量回收效果的评价与控制策略

汽车制动能量回收要在保证制动安全的前提下尽可能多地回收制动能量，为此针对回收效果提出一系列评价指标。清华大学张俊智以电机回收的能量与总制动能量的比值作为评价指标,并在某混合动力公交车上进行实验[9]。吉林大学姚亮以制动回收能量等效耗电量与无制动能量回收时耗电量之比（整车节能度）作为评价指标，并进行matlab/simulink仿真[10]。

制动力分配是进行制动能量回收研究须首要解决的问题，为此制动力分配控制策略研究成为了当今再生制动研究重点。美国TexasA&M大学Yimin Gao等提出了制动能量回收的三种制动力分配控制策略，针对不同制动强度进行仿真实验[11]。Wicks等建立城市客车在市区行驶循环工况下数学模型，研究再生制动系统节能效果[12]。国外公司已将部分研究成果应用到实车中。日本丰田公司推出的基于EHB方案设计的制动能量回收与防抱死集成系统已经批量应用于Prius车上，有效地提高了能量利用效率和整车的燃油经济性[13]。福特公司将大陆公司的制动能量回收技术用在其SUV车型Escape上，同样收到了很好的效果[14]。国内高校也提出了一系列能量回收控制策略。武汉理工大学张丹红在考虑电机最大再生制动力矩的前提下设计一种基于模糊控制策略的方案，但是没有考虑汽车的行驶速度，没能最大发挥HEV的电气制动性能[15]。南京航空航天大学赵国柱提出前后制动力按照理想制动力曲线进行分配，摩擦制动力与再生制动力按照一定比例进行分配，此方案控制策略实行简单[16]。合肥工业大学赵韩等根据车轮滑转率来对汽车进行制动控制策略的设计，并通过实际NEDC试验，能量回收效率较高且保证了驾驶员良好的制动感觉[17]。

1.4再生制动能量回收系统小结

制动能量回收随着电动汽车的兴起，逐步成为了国内外高校和研究院所的科研热点。目前需解决的关键问题是如何进行制动力的分配以及回收能量的存储。制动力分配需要根据汽车工况协调解决摩擦制动力和再生制动力以及制动时前、后轴制动力的分配关系，在保证制动安全的前提下，尽可能采用再生制动，尤其是针对紧急制动等特殊工况下能量回收效率低的情况，需要选用和改进新的控制策略，并将再生制动控制系统协调地融入ESP系统中。能量存储方面需要改善现有的储能方式或者开发新的储能方式，加快复合储能系统的研究，改善存储效率低和充放电的响应速度慢以及峰值过高等问题，提高能量回收效率。

2　馈能悬架系统

悬架作为车辆底盘系统重要的结构和功能部件[18,19]，是指车身与车桥或者车轮之间的一切连接装置，它的作用是传递车身与车轮之间力或者力矩，并且缓冲路面颠簸对车身所造成的冲击，减缓车身振动，其性能好坏对车辆整体的行驶平顺性、操作稳定性及乘坐舒适性有至关重要的影响。

悬架可根据控制力或者是否需要外部提供能量分为被动悬架和主动悬架[20]。主动悬架可以主动改变悬架的刚度和阻尼系数，克服了被动悬架弹簧刚度和阻尼系数不可变的缺点，但是需消耗较多的外部能量来抑制路面颠簸对车身造成的冲击。随着对汽车节能要求的提高，能够回收汽车振动能量，以供主动悬架减振之用的馈能悬架应运而生。

2.1馈能悬架技术研究现状

从20世纪70年代开始，国内外许多学者就从理论上对馈能悬架进行了研究，主要对被动悬架功率耗散及悬架回馈能量值进行测量与仿真分析，证明馈能悬架实现的可行性。

加利福尼亚大学戴维斯分校Karnopp在理论上分析车辆被动悬架阻尼器耗能过程，指出电动汽车增设馈能悬架系统可以有效降低整车驱动功率[21]。Velinsky通过测量后轴车轮和悬架阻尼器之间的相对速度，分析后轴悬架能量耗散[22]。喻凡以某型轿车为例，分析被动悬架能量耗散和主动悬架所需求外加能量，通过仿真表明被动悬架耗散能量多于主动悬架控制所需能量，从理论上证明馈能悬架的实现可能性[23]。Browne在城市道路工况下测得某轿车悬架4个减振器约产生40 W～60 W的功率耗散[24]。吉林大学于长淼采用Carsim软件对E-Class SUV车辆模型进行整车仿真，发现随路面不平度和车速提高，耗散的能量占发动机输出能量的比重越大，且路面不平度系数影响更直接[25]。何仁针对不同悬架结构，对馈能悬架工作原理及其评价指标进行详细阐述[26]。

2.2馈能悬架结构分类

馈能悬架根据不同结构形式可以分为机械式、电磁式及混合式[27]。

2.2.1机械式馈能悬架

机械式馈能悬架是通过适当的机械传动装置将车轮或车身的振动能量传给液压或者气压储能装置并存储，在一定的控制策略下适时释放，从而达到降低振动主动控制能耗的目的[28]。

Jolly提出一种在液压装置上实现能量回收的机械式馈能结构，将其应用在汽车驾驶员座椅上，实现了垂向振动能量的回收并用于主动控制，提高了座椅的乘坐舒适性[29]。日本Nissan公司将液压蓄能器和油缸结合，通过压力阀进行能量存储和释放控制，通过这一新型液压型馈能装置达到抑制振动和回收能量的目的[30]。

机械式馈能悬架是一种完全由机械及液压/气压结构组成的悬架装置，在现有液压或气压悬架上加装振动能量回收装置，对汽车原结构改动较小，具有结构简单，可靠性能好，馈能效率高，方便维护，使用寿命长，成本低等优势，但是响应频率较低，响应速度较慢，回收所得能量进行再次利用的范围和形式严重受限。

2.2.2电磁式馈能悬架

随着电机技术不断成熟以及电机在机/电转换方面的优势，馈能悬架的形式现在主要由机械式转变为电磁式。电磁式馈能悬架基本原理是用机/电转换装置（电机）代替传统阻尼器，将车轮和车体之间相对运动化为直线或旋转运动，进而驱动电机进行发电，将车轮或车身的振动能量转换为电能进行存储[31]，用于悬架的主动控制或者为其他电器设备供电。电磁式馈能悬架根据作动器运动方式又可分为直线电机式和旋转电机式。

2.2.2.1直线电机式馈能悬架

直线电机式馈能悬架是用直线电机代替传统悬架中的阻尼元件，根据电磁感应定律，将车轮和车身之间相对运动所具有的机械能经直线电机转变为电能进行输出并存储。

Okada提出用直线式电机作为作动器代替传统阻尼器，通过调节阻尼力对悬架进行主动控制，同时进行能量回收，车轮和车身相对速度较大时能量回馈效果明显[32]。Suda设计一种两级式电机馈能装置，其中一级用来回收振动能量，另一级作为作动器进行悬架姿态控制，实现了能量自供给[33]。

直线电机式馈能悬架直接利用车轮和车身之间的相对直线运动，不需要其余机械传动部件，所以几乎没有机械摩擦损失。由于运动部件少，易保养，极少需要维护，可靠性能好。但是直线电机的质量大，需要较大的安装空间，加重了汽车质量，且漏磁较大，机电转换效率较低。

2.2.2.2旋转电机式馈能悬架

旋转电机式馈能悬架利用机械传动机构将车轮和车身之间的直线式往复运动转换为旋转运动，带动旋转电机发电并进行振动主动控制。根据传动机构的不同，旋转电机式馈能悬架可以分为滚珠丝杠式、齿轮齿条式和行星齿轮式。

上海交大喻凡等针对某轿车后悬架机构，结合永磁式直流电机应用滚珠丝杠式传动机构的电磁作动器进行试验，验证其设计作动器的实际应用可行性[34]。美国纽约州立石溪大学左磊针对齿轮齿条式馈能悬架进行仿真分析，得出旋转电机式悬架能量回收效率高于直线电机式悬架，机械传动机构可靠性更高[35]。吉林大学王庆年对以往的滚珠丝杠式馈能减振器进行重新设计，减小减振器所需安装尺寸，提高减振性能[36]。

2.2.3混合式馈能悬架

混合式馈能悬架综合机械式和电磁式馈能悬架两种结构，利用液压缸活塞进行往复运动驱动液压油从而带动液压马达，将往复运动转化为电机旋转运动，带动发电机发电实现电能回馈。该机构可以通过一套液压管路以及类似曲轴的传动机构将往复直线运动转变为单方向的旋转运动，避免了旋转电机正反转造成的转动惯量损失，提高了馈能效率。但是由于附加了一套液压管路，节流作用及粘性流体摩擦损失会造成一定的能量消耗。

2.3馈能悬架系统小结

馈能悬架的出现为解决主动悬架耗能高的问题提供了新思路，但是现有馈能系统受机/电转换效率以及能量回收与振动主动控制之间矛盾性的限制，回收能量较少。为此考虑从硬件和软件两个方面提高能量回收效率。硬件方面，选用大功率密度电机、提高传动机构加工精度来减少摩擦损失等均可以避免能量回馈过程中二次损失，在回收电路中增加一个升压电路，将较低电压转变为较高电压进行回收，克服蓄电装置门限值的限制，提高能量回收总值，但增压电路和原控制电路协调性问题还需进一步探讨；软件方面，建立更加符合实际悬架非线性模型，获得更准确的悬架运动状态信息，优化控制算法，协调主动控制和能量回收，针对作动器不同工作状态，对控制策略进行实时切换，提高能量回收效率。

3　发动机废热能量回收系统

相比于其他动力机械，内燃机的热效率已经得到明显提高，但是传统汽车发动机释放的能量大部分均以热能的形式耗散掉，造成了资源的浪费，同时废气排放对环境造成严重污染。因此，通过有效方式回收利用这一被耗散的废热，有助于提高汽车能量利用效率，是实现汽车节能环保的有效途径。

3.1废热利用的潜力和特点

从汽车发动机热平衡表1可以看出[37]，燃料在柴油机中燃烧产生的热能只有30 %～45 %被有效用于驱动汽车行驶，汽油机这一比例更低，只有20 %～30 %左右，而其余能量则主要被冷却介质带走或以废气热能的形式耗散在大气中。

表1　汽油机和柴油机的热平衡表

车用发动机特殊的工作状况使得汽车废热的回收具有其特殊性，归结如下[38]：

①发动机废热的品位较低，不易对其进行回收再利用，回收效率低；

②不能影响发动机的正常工作，避免降低发动机原有的动力性和燃油经济性；

③能量回收装置有一定的外形要求，结构简单，容易加工，体积小，重量轻；

④该装置要能够抗震动，抗冲击，适应汽车的各种行驶环境，保证能量回收的稳定性。

3.2废热利用现状

根据废热的利用途径进行分类，主要有废气涡轮增压、温差发电技术、车载空调制冷、余热采暖、废气涡轮发电、改良燃料燃烧等，目前由于技术成熟性以及成本等问题，只有废气涡轮增压技术得到了广泛应用，其他技术还未得到推广。

3.2.1废气涡轮增压

废气涡轮增压技术是利用发动机排出的高温、高速废气推动涡轮机高速旋转，带动同轴的压气机对进气进行压缩提高进气密度，从而增加进气量[39]。

涡轮增压技术在不消耗有用功的基础上可以改善汽车的动力性和燃油经济性，而且有助于减少CO、CH等污染物的排放，是目前在汽车上应用最成熟的废热再利用装置[40]。但是涡轮增压技术也有其不足之处：

①增设涡轮增压装置后发动机的动力匹配适应性下降；

②起步时由于发动机无法排出大量高温高速气体，废气涡轮增压装置无法有效工作，造成启动着火困难；

③由于进气压力的提高，发动机爆震现象增多，且随着发动机内部平均燃烧温度的的升高，氮氧化物排放量增加。

3.2.2温差发电

温差发电又被称作热电发电，是基于热电材料贝塞克效应发展起来的一种发电技术，将P型和N型两种不同类型的热电材料连接并分别置于不同温度的环境中，利用温度差产生电能。

温差发电技术具有热电转换装置体积小、重量轻，转换过程无污染、无噪音等优点，而且在发电同时降低了发动机排气温度与排气压力，有助于发动机降噪，从而简化了消声器结构。但是受热电材料性能和发电器匹配问题的限制，目前热电转换效率低，在高温环境下热电装置稳定性也需进一步探讨[41]。

3.2.3废热驱动空调制冷

车载空调已成为汽车上必不可少的装备之一，轿车空调的制冷量一般在2.2～4 kW左右，大概消耗轿车发动机8 %～12 %的动力[42]。汽车空调相比于室内空调具有其明显的使用特殊性[43]：驱动源方面，汽车空调主要是由发动机驱动，效率随发动机的工况变化而改变，难以维持工作稳定；工作对象方面，汽车的空间比较狭小，与外界的隔热性能较差，乘坐人员密度大，要求汽车空调要有足够大的制冷量；安装方面，给予安装空间极为有限，且要适应多变的汽车工况。利用汽车废热驱动空调制冷通常有以下几种方式[44]：氢化物制冷、吸收式制冷、固体吸附式制冷以及喷射式制冷。但是目前废热驱动制冷空调普遍存在制冷效率低的问题，可以考虑多种能源复合制冷空调的研发，余热制冷对发动机性能的影响以及制冷剂的选择问题也需进一步探讨。

3.2.4余热采暖

汽车在冬季时需要保证车内温度维持在舒适范围内，行驶时车窗上产生的雾或霜会影响驾驶员的视野，造成安全隐患，汽车采暖系统就是用于给车内供暖以及完成除霜的一套装置。根据热源的不同可以分为独立式和余热式，余热式采用发动机的废热进行供暖，克服了独立式耗能高的缺点，提高了能量利用效率，成本低廉，经济性好。但是余热采暖效率受到发动机运转工况限制，稳定性差，且只在冬季有需求，季节性明显。

3.2.5废气涡轮发电

废气涡轮发电是利用发动机排出的高温、高速气体推动涡轮旋转从而带动同轴的发电机转子转动实现发电，进而对电力进行存储和利用。经理论分析和实验证明所发出的电能足以满足汽车运行所需的电能[45]。但是涡轮发电目前还只是停留在理论研究和仿真试验阶段，其对发动机性能的影响还需要做深一步研究，发电转换效率也需要实际测算。

3.2.6改良燃料

利用发动机产生的废热对燃料进行改良是提高燃烧效率、降低排放的新途径。目前改良燃料燃烧的方式主要有两种：一是将醇类燃料在废热驱动以及催化剂的作用下分解为氢进行燃烧[46]；另一种是余热加热一定量的水，将得到的水蒸气引入进气管与空气一同进入燃烧室与燃油喷雾混合，改良燃料，降低排放的烟度和氮氧化物含量[47]。

3.3发动机废热能量回收系统小结

当前的发动机废热利用方式均存在一定程度的缺陷，在此探讨废热利用新途径。可以将发动机废热能先转换为机械能，然后再转换为电能进行存储和利用，具体设计是将压气机、发电机和涡轮机进行同轴连接，高温高速的废气推动涡轮旋转，同时带动压气机和发电机转动，通过一定的策略进行控制，在满足涡轮增压的前提下实现多余电能的存储，避免了涡轮转速过高，克服废热利用不充分的缺陷。除此之外，可以设计一种蓄能器，对尾气排放管道壁产生的热量进行回收，转化为液压能存储和释放。上述装置不需对原来的汽车结构进行较大改动，具有一定的应用前景和实用价值。

4　结语

对汽车能量回收装置的背景和发展进行回顾，对能量回收形式和回收能量用途进行总结，并分别分析不同能量回收方式当前存在的核心问题且提出解决方案。通过以上分析可知，汽车能量回收系统研究取得一定成果，目前在车辆上也有实际应用，效果甚佳。但是仍存在部分问题需要进一步完善，总结如下：

(1)能量回收控制策略问题

能量回收要在保证不影响汽车原有特性的前提下进行，再生制动亟待解决的是制动力的分配问题，要在保证制动安全的前提下尽量应用再生制动系统进行制动减速；馈能悬架则要控制好作动器能量回收和作动力输出之间的时间关系，兼顾乘坐舒适性、行驶平顺性和能量回收效果；发动机废热能量回收则不能对发动机性能造成影响。

(2)能量回收效率问题

受回收策略以及电子设备门限值的影响，在紧急情况下和可回收能量较少时一般不进行能量回收，造成了能量浪费，能量回收效率降低。随着控制策略进一步完善以及电子设备不断发展，这一问题也在逐渐解决。

(3)回收能量存储问题

回收的能量主要以电能形式进行存储，这就需要增加一套电能存储装置，该装置在比能量、比功率、充放电效率、成本等方面均应符合要求，但是目前电能存储方式均存在一定弊端。随着电动汽车普及和复合式储能系统的发展，电能存储问题也在逐步得到解决。

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图9　混沌运动的相平面图(f =21.5 Hz)

3　结语

主要针对Holmes型Duffing方程，进行计算机仿真研究和机械振动实验研究。在实验中验证了该系统的初值敏感性特性，并观察到钢片弹簧经由对称破缺分岔和倍周期分岔最终走向混沌振动的过程。研究内容对混沌振动系统走向工程应用具有很好的指导作用，对该系统初值敏感性的研究可以进一步应用于弱信号检测等工程领域。当然，针对该系统的机械振动实验以及数学建模还有待进一步的精细化，这也正是下一步研究重点。

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Overview of the Research of Automobile Energy Recovery Systems

SU Yu-qing , LI Shun-ming , WANG Yong
（Collegeof Energy and Power Engineering, Nanjing University of AeronauticsandAstronautics, Nanjing 210016, China）

Abstract:Due to the trend of automobile energy saving development, the vehicle energy recovery system has become more and more attractive for many automobile researchers and engineers. Recently, the research hotspots of the automobile energy recovery system mainly focus on three kinds of energy recovery systems:regenerative braking, regenerative suspension and waste energy recovery of engines. In this article, the features and the advances of the three kinds of automobile energy recovery systems were explicitly reviewed. Their advantages and key problems were stated. The corresponding solution suggestions were proposed and the new ways of energy recovery were explored. This work may providethereferencefor further research.

Key words:automobile; energy recovery; regenerativebraking; regenerativesuspension; wasteenergy of engine

通讯作者：李舜酩（1962-），男，博士生导师。E-mail:smli@nuaa.edu.cn

作者简介：苏玉青（1992-），男，河北省唐山市人，硕士生，主要研究方向为汽车系统动力学。E-mail:suyuqing0422@163.com

基金项目：机械结构强度与振动国家重点实验室资助项目(SV2015-KF-01)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(NZ2015103)

收稿日期：2015-09-11

文章编号：1006-1355(2016)02-0006-06+16

中图分类号：U46

文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.002