关于内燃机汽车制动能量回收方法的研究

崔臣

摘 要：回收汽车制动能量能在很大程度上节约能源，因此在混合动力汽车及纯电动汽车上已普遍存在，在传统内燃机汽车上却难以发挥大的作用。本文主要对将内燃机汽车制动能量转化为电能的可行性进行分析，为内燃机汽车制动能量的回收方法提供理论依据。

关键词：内燃机汽车；制动能量；回收利用；可行性

1 前言

汽车在摩擦制动过程中将大量动能转化为内能散失掉，如一辆质量为m的汽车在平顺道路上以速度VA行驶，制动后速度为VB，忽略空气阻力做的负功，则由制动器转变成内能的动能为W（VA2-VB2），其中（旋转质量换算系数，取1.2），分别为车轮及飞轮的转动惯量，r为车轮半径。质量为1500kg的汽车，速度由30m/s减至10m/s的过程中，转化为热能散失掉的机械能为W（302-102）=720000J=720kJ，这些能量可驱动该车在水平良好路面上以最高车速行驶约500m。

2 制动功率

不考虑制动力上升期，假设制动期间汽车减速度a为常数，则车速VB=VAat，W（VA2-VB2）VA2（VA）2]，制动功率P==（VA），其随时间t变化的函数如下图左（减速度a1a2a3），如果驾驶员在制动过程中增加制动力，制动功率突然增大，制动时间缩短，如下图右。

一辆1500kg的轿车，在干燥路面上从15m/s开始减速，减速度为4m/s2（中度制动），则初始制动功率P0=VA=1.21500154=10800W=108kW，假设平均分配到4个车轮，则每个车轮的制动功率为27kW。

3 发电机回收内燃机汽车制动能量的不可行性

（1）内燃机轿车配备的发电机（下称电机）额定功率远小于27kW，仅凭电机有效地吸收制动功率须换用大功率电机，而车载蓄电池不能承受过高的功率，故也需要升级。蓄电池及电机组成的电力系统功率密度较低，增大功率意味着大幅度增大体积和质量；在汽车电网电压不变的情况下，功率增大电流就会增大，这会对汽车电子元件造成很大的损害。所以要换用大功率电机就必须全面改动汽车电网，显然得不偿失。因此只能将小功率电机与机械摩擦制动配合使用。轿车的电机功率一般在800W～1200W，为获得较高的能量回收效率，选用2kW的电机进行计算。制动功率变化图如下：

阴影部分表示电机回收的功。计算得回收的功仅占总功的14.2%，若电机效率为85%，则只有12.07%的能量转化为电能。据功率图知初始车速高，减速度大时，回收能量所占的比例更小。

（2）电机阻尼扭矩变化曲线如下：

电机在高速运行时具有恒功率特性，阻尼扭矩会随转速升高而减小。为保证足够的制动力矩，必须增大机械制动的比例，这样电制动回收能量的效率就会更低，故应使电机工作在最大扭矩区。制动过程中由于车速降低，电机转速会脱离最大扭矩区，这时候就需要增大车轮与电机之间的传动比以扩大电机的工作范围。机械制动器与电机如果采用并联方式，由于电机阻尼扭矩保持不变，增大传动比会导致传递到车轮的制动力突然增大，这将使驾车的舒适感下降，严重时导致车轮抱死。若将电机与机械制动器串联，即驾驶员通过制动踏板同时控制机械制动器和电机与车轮的传动比，在驾驶员不改变制动踏板位置的情况下，由于电机阻尼扭矩的自动下降会出现制动不足的现象，这是非常危险的。

（3）内燃机汽车有独立的电机为其电网供电，用电设备的用电量可以得到满足，蓄电池也不会长时间处于亏电的状态，这样，电机的负载很小，驱动它所需的功率也很小，回收能量的效率就更加低。根据公式T=知，达不到额定功率时阻尼扭矩也比额定扭矩小，在制动减速度比较大的情况下容易出现制动力的不足。

综合以上分析，用电机将内燃机汽车制动能量转化为电能对于制动来说不可靠，对于能量回收来说效率太低。且根据制动功率图，制动力增加时功率突然增大会引起汽车电网中电流的瞬间变化，易损坏电子元件。故该能量回收方式不可取。但这种方式广泛应用于混合动力汽车和純电动汽车上，因为这种汽车的电动机用于驱动汽车行驶，其功率很大，在汽车制动时可直接转化为大功率大扭矩的发电机，所以能高效地回收制动能量。这种汽车的蓄电池用于储存驱动汽车的电能，容量大而且不会随时保持在电量充足的状态，能保证电机需求功率足够大。

4 能量回收方案建议

对于内燃机汽车制动能量的回收，使用由液压蓄能器和液压马达组成的液压系统比电力系统更加适合。因为液压系统的功率密度比电力系统大得多，能量回收效率高，且不易出现制动不足的情况。液压系统的可靠性和寿命都远优于电力系统，使用及维护成本低。但是，液压系统能量密度相对较低，所以当蓄能器中的压力达到上限时应及时释放能量，比如设置限压阀等。蓄能器储存的液压能可通过液压马达转化为机械能，在汽车起步或者上坡时驱动车轮以起到助力的作用。

参考文献

[1]余志生.汽车理论[M].机械工业出版社，2009.

[2]刘博，杜继宏，齐国光.电动汽车制动能量回收控制策略的研究[J].电子技术应用，2004，30（1）：34-36.

[3]娄洁，戴龙泉.电动汽车制动能量回收控制策略研究[J].安徽科技学院学报，2010，24（3）：13-18.

（作者单位：长安大学汽车学院）