汽车制动能量回收利用技术研究与发展前景

李建伟

摘 要：分析了目前汽车制动能量回收利用现状，在蓄电池储能方案的基础上，提出了利用制动能量驱动SR电机工作，将制动过程中的动能转化为电能给用电设备或给蓄电池充电;在汽车起步或加速过程中，SR电机既为传动系提供动力又带动压气机给发动机提供压缩空气改善燃烧。

关键词：制动能量 回收利用 汽车

Research and Development Prospect of Automobile Braking Energy Recovery Technology

Li Jianwei

Abstract：The article analyzed the current status of automobile braking energy recovery and utilization. Based on the battery energy storage scheme， the article  proposed to use the braking energy to drive the SR motor to work， and convert the kinetic energy during the braking process into electrical energy to the electrical equipment or to the battery charging. During the start or acceleration of the car， the SR motor not only provides power for the drive train， but also drives the compressor to provide compressed air to the engine to improve combustion.

Key words：braking energy， recycling， automobile

目前，随着汽车工业的发展，汽车保有量的增加，城市市内行驶车辆会经常因频繁加减速而进行制动，传统的制动方式是利用制动器的摩擦将汽车行驶的动能转化为热能而消耗掉，这不仅使得制动器的寿命大大降低，同时增加了汽车的燃油消耗，并产生大量的废气排放。因此，回收汽车制动能量是提高汽车燃油利用率、实现汽车节能的有效方式。

1 汽车制动能量回收利用现状分析

目前，国内外对汽车行驶制动能量回收利用方式的研究主要集中在以下四个方面：机械储能、液压储能、气压储能和电化学储能。

现对以上汽车制动能量回收存储方式进行分析。

1.1 机械储能

机械储能常用的一种方式是飞轮储能，它利用飞轮高速旋转的动能将制动能量进行回收储存。当汽车行驶过程中需要制动或减速时，汽车车身的惯性动能通过飞轮储能系统加快飞轮的旋转，将制动过程中的能量转换为飞轮的动能储存起来。当汽车起步或者加速行驶时，高速旋转的飞轮逐渐减速并将自身动能传给车身，作为汽车起步或者加速时的辅助动力来源。飞轮式机械储能结构简单，易于实现。但飞轮储存的动能多少与飞轮的转动惯量有关，而转动惯量取决于飞轮的直径和质量，而较大质量和直径与成本和安装空间相矛盾，使应用范围受到一定限制。

1.2 液压储能

液压储能系统对汽车制动能量的回收利用包括制动能量回收储存和释放利用两个过程。液压储能制动能量回收系统的工作原理如图1所示，主要由传动轴、齿轮、二次元件（液压泵/液压马达）、蓄能器、油箱及由油缸和电磁阀组成的电液伺服装置等组成。当车辆由行驶状态转化为制动或减速状态时，电液伺服装置控制二次元件作为液压泵状态工作，传动轴通过一对传动齿轮增速后带动二次元件工作，此时整个汽车的惯性能量便以液压能的方式储存到蓄能器里边。与此同时，二次元件工作时还可以通过传动齿轮对传动轴实施以反向力矩，从而使车迅速制动或减速。当车辆再次启动或加速行驶时，电液伺服装置控制二次元件作为液压马达状态工作，储存在蓄能器中的高压液压能促使二次元件转动，并通过传动齿轮减速增扭后作用于传动轴，保证车辆快速起步或加速行驶。该种回收利用方式虽然在公交车上得以实现，但是由于蓄能器自身较大的体积使得该方式在自身机械传动底盘上安装空间有限的汽车上使用具有一定的局限性。在应用过程中，液压油在压缩释放过程中会因发热而产生能量损失。同时，液压系统的密封性、受温度影响的液压油粘度及油液中的空气、杂质等都会影响该系的工作可靠性。

1.3 气压储能

气压储能系统与液压储能系统的工作原理类似，方案流程图如图2所示。在汽车制动或者减速过程中，通过传动机构带动空气压缩机工作将汽车惯性能量转变为气压能储存在储气罐内部。当车辆再次启动或加速行驶时，储气罐内高压气体在控制电磁阀的控制下进入气动马达回路，气动马达将气压能转换为机械能供给传动轴，辅助汽车原地快速起步或加速行驶。但是，该系统对密封性要求很高，储气罐的安装致使该方式的应用范围受到一定限制。

1.4 电化学储能

电化学储能是利用电机独特的结构根据工作过程的可逆性实现汽车行驶机械能和电能的相互转化。当汽车制动过程中，制动能量回收装置中的电机在发电机的状态下工作，汽车高速运动的机械能通过传动分流装置带动电机转动转化为电能储存在蓄电池中。当车辆开始起步时，电机作为电动机将储存的电化学能转化为驱动车辆运动的机械能。其工作原理如图3所示。但该方式主要应用在环保性能优良的电动汽车上应用较多。

2 汽车制动能量回收利用发展前景

通过对目前使用的汽车制动能量回收利用方式的分析可知：通过蓄电池储能的方式将汽车高速行驶制动的能量存储起来，必要时转化为机械能对外输出是一种比较可观有效的利用方式，既避免了液压和气压回收利用方式工作过程可靠性不高的问题，又解决了机械式回收利用方式质量和直径较大与成本和安装空间相矛盾的问题。本文在基于蓄电池储能方式的基础上，结合涡轮增压器的结构，提出了一种新型的汽车制动能量回收利用方案，工作原理框图如图4所示。

汽车制动能量回收发电利用方案的设计思路如下：当汽车高速行驶过程中制动时，控制单元收到传感器传来的制动信号，控制单元通过处理分析向电磁离合器I发送控制指令，控制电磁离合器I工作，使二次元件和SR电机的转子轴联为一个整体。与此同时，二次元件通过机械传动（齿轮）与传动系中传动轴相联接，在传动轴的带动下和SR电机的转子轴一起旋转。通过对SR电机控制器设定使其工作在发电模式下，将制动时汽车的动能通过传动系转化为电能回馈至蓄电池或给用点设备提供电能。同时，SR电机在发电模式下工作时也会对传动系施加一定的阻力来进一步改善汽车的制动效果。

當放松制动汽车起步或加速时，控制单元控制电磁离合器I和电磁离合器II同时工作，一方面SR电机在电动模式下由蓄电池供电转动，带动二次元件将动力增加到传动系中，为汽车起步或加速提供动力;另一方面，SR电机通过带动压气机工作，将外界空气加压后送入发动机，以增加进气过程中进气的密度和进气量，改善发动机的燃烧过程，提高燃料利用率。本方案采用的SR电机结构简单，转子没有永磁体和绕组，电能损耗少，工作效率和可靠性高，调速范围宽，控制灵活，更加适用于再生制动的场合，并且启动时电流小转矩大，适合正反方向工作的场合。

本汽车制动能量回收利用方案可在现有汽车设备布局不变的基础上通过稍加改动即可实现。面对日益严峻的环境和能源问题，本方案具有较好的应用价值和推广前景。

参考文献：

[1]邵建桥，杨前明.车辆能量回收系统的建模与仿真[J].液体传动与控制，2010，（3）：23-26.

[2]何仁. 汽车制动能量再生方法的探讨[J]. 江苏大学学报，2003，24（6）：1-4.

[3]万里翔，柯坚，许明恒.汽车能量回收系统的研究[J]. 机床与液压，2003，3：224-227.

[4]王卡，万里翔，尹怀仙.汽车制动能量回收系统的节能分析[J].汽车节能，2008，2：32-35.

[5]许强，张云宁，郭建民，葛灵志. 汽车制动能量回收方案及比较[J].交通科技与经济，2008，47（3）：59-60.