混合動力公交車制動能量回收系統分析

張霞

(成都師范學院物理與工程技術學院，四川成都 611130)

混合動力公交車制動能量回收系統分析

張霞

(成都師范學院物理與工程技術學院，四川成都 611130)

城市公交頻繁的制動帶來了巨大的能量損失，采用再生制動來回收制動能量是增加電動汽車續駛里程的有效方法之一。簡述了混合動力汽車再生制動系統的國內外現狀以及國內公交車運行系統的工況；從整車系統的角度分析了制動能量回收與再利用控制原理，并在此基礎上說明了混合動力公交車節能的途徑，為提高電動汽車驅動效率、合理利用有限能量提供了技術支持。

城市公交車；混合動力電動汽車；制動能量；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

自從2005年中國開始研究混合動力汽車以來，越來越多的城市公交車換用混合動力公交車(Hybrid Electric Vehicle，HEV)，HEV已經成為新能源汽車的重要車型，在國內逐漸地推廣和快速地發展[1]。

城市車輛運行工況較其他工況特殊，主要原因是城市車流量和人流量相對較集中。對于城市公交車而言，它在運行過程中油耗高、噪聲嚴重、車速低、排放污染氣體多等問題較為顯著。并且由于城市公交運行的特點，它在工作時需要頻繁地起步、加速、換擋、制動，制動時巨大的動能經制動器的摩擦轉化為熱能消耗掉，這就造成了大量的能源浪費。因此，人們大膽設想：如果能將城市公交在減速制動過程中的制動動能通過制動能量回收系統進行吸收并同時儲存起來，當城市公交在起步加速時再將儲存的能量轉化成驅動車輛行駛的驅動動力，那么便可以使發動機在經濟工況下更長時間運轉。如果按照這種設想實施，不僅可以有效降低車輛油耗，提高動力性，減少尾氣排放帶來的污染，還可以延長城市公交制動器的壽命，因此這一設想具有非常重要的實用價值。為此，汽車研究者們不斷地在尋找各種簡單又高效的制動能量回收系統。因此制動能量回收問題對于提高電動汽車的能量利用率具有重要的意義。目前存在的制動能力回收系統包括液壓儲能、機械儲能、電儲能等。

1 混合動力公交車制動能量再利用技術在國內外發展現狀

1.1 國外現狀

到目前為止，國內外制動能量回收與再利用方式運用到車輛上具有代表性的能量儲存方式有3種，分別是飛輪儲能、液壓儲能、電化學儲能。

由于20世紀70年代能源危機的出現，世界各個國家相繼開展了車輛節能技術的研究工作。美國威斯康星大學的學者較早開展了汽車的節能研究工作。在1987年，日本開發了一種液壓儲能系統，并在實際運用的城市公交汽車中得到證實，此系統可節油大約30%。在20世紀90年代，由于液壓技術和電動技術的發展，許多汽車企業加緊研制和開發復合驅動汽車。

1.2 國內現狀

我國自863計劃以來，就將混合動力電動汽車作為國內現階段電動汽車發展的重點和方向，汽車各大產業都在致力于發展和提高混合動力電動汽車的新技術。20世紀80年代中期，吉林工業大學進行了高速飛輪儲能的復合驅動系統的研究；20世紀90年代后期，哈爾濱工業大學在車輛靜液儲能傳動系統的研究上取得了一定成果。目前，從我國汽車制動能量再生技術研究水平來看，雖然我國在這項技術研究上取得了一定的成

果，但是多局限于個別系統的理論和實驗研究上，我國在整個制動能量再生系統的優化設計和實際應用上與國外還存在一定的距離，故我國制動能源再生技術的研究水平還需提高，加強實際應用和優化設計。

在國內，串聯、并聯和混聯各類混合動力城市公交客車樣車相繼研制成功，正在向產業化方向努力。目前，國內多數城市道路上都能見到混合動力電動汽車的身影。

2 城市公交車運行工況

因城市公交使用的特殊性，它在工作時需要頻繁地起步、加速、換擋、制動，制動時巨大的動能經制動器的摩擦轉化為熱能消耗掉，這就造成了大量的能源浪費，并且產生的黑煙及排放比其他運行工況顯著增多[2]。車輛工況發動機的工作狀態如下：

(1)起步階段。車輛由靜止狀態到運動狀態，車輛的慣性載荷大、油耗多、沖擊力大。

(2)加速階段。發動機處于大負荷、超負荷狀態，混合氣濃度大、燃燒不完全，耗油量大，環境噪聲大與廢氣污染較嚴重。

(3)勻速階段。發動機處于最佳工作狀態，燃油燃燒充分，發動機效率最高，節省燃油，有害氣體排放最少。

(4)制動階段。車輛機械能浪費，制動系統磨損較大，發動機燃燒及排放惡化較嚴重。

由上述發動機運行工況狀態可知,車輛在勻速行駛工況處于最佳工作狀態，其余3個工況均有大量的能量浪費，并且尾氣中有害氣體含量增加。現以總質量15 t、發動機功率為150 kW的城市公交車為例，大概反映我國城市公交車行駛工況的概況，表1為分析出來的城市公交車在各個工況下的時間比、功率范圍的參考數據。

表1 城市公交車工況參考數據

由城市公交運行工況，車輛頻繁的制動會引起油耗的增大以及排放的廢氣增多。如果將車輛制動時損耗能量回收起來，然后充分利用回收的制動能量輔助車輛起步加速，這是一個非常好的節能環保方案。

3 城市電動公交車制動能量回收與再利用控制原理

電動汽車因其零排放、零污染的優勢在汽車工業面臨能源與環境保護的雙重壓力下日益嶄露頭角，如果利用電動汽車制動能量回收原理和控制系統原理將制動能量更好地回收再利用，那將在節能環保上起到很大的幫助。

3.1 制動能量回收原理

基于自然界普遍認同的能量守恒定律，對電動汽車制動過程中不斷減小的動能損失走向進行理論分析追蹤并做出部分假設，從而提出一種制動能量回收控制策略[3]。汽車以初始車速v0減速至車速v1過程中，若忽略汽車的傳動系統阻力、坡道阻力和空氣阻力， 其能量轉換關系為：

(1)

式中：m為汽車質量；Wf為滾動阻力所作的功；Wb為制動力所作的功。總制動力由機械制動力和電制動力兩部分組成，滾動阻力和機械制動力所作的功是無法回收的，將汽車的動能轉變為熱能散失于空氣中，只有電制動力所做的功才能夠被回收利用[5]。

3.2 混合動力汽車再生制動系統原理

再生制動，也稱為制動能量回收，是指行駛中的汽車停車、減速或下坡時，通過能量轉換裝置，將汽車的動能轉化為電能，儲存在儲能元件中，然后再對儲存的制動鼓能力進行再利用。

城市混合動力公交車的再生制動能量系統的組成原理如圖1所示。再生制動控制系統由驅動車輪、主減速器、電機、AC/DC轉換器、變速器、能量儲存系統、DC/DC轉換器以及控制器組成。混合動力汽車的再生制動系統原理[4]：當混合動力公交車在制動或滑行過程中，制動控制器根據駕駛員的制動意圖，計算出汽車需要的總制動力，基于一定的制動力分配控制策略計算得到提供給電機的再生制動力，同時，電機控制器計算出電機的制動電流，通過一定的控制算法可以使得電機跟蹤需要的制動電流，提供比較準確的再生制動力矩，在電機中產生的制動電流經AC/DC轉換器轉換后儲存到電儲存裝置中。

4 混合動力公交車節能體現

混合動力公交車相對于燃油公交車而言在很多方面體現了它的節能作用。

(1)停車

在交通擁堵的城市，停車怠速時間超過總行駛時間的30%以上。

(2)制動能量回收

在頻繁加減速的城市行駛工況下，制動消耗的能量會占到車輛行駛能量消耗的50%。

(3)減小發動機排量

傳統汽車為滿足加速性和最大車速要求，內燃機的峰值功率約為車輛巡航所需功率的3～5倍。

(4)優化發動機

傳統汽車內燃機必須滿足很大的速度和負載范圍的油耗與排放要求。

混合動力公交車主要的節油途徑如表2所示。

表2 混合動力公交車節油途徑

通過這些主要的節油途徑，制動能量回收可以為混合動力發動機節油大約10%，明顯體現了制動能量回收的節能環保作用。

5 總結

綜上所述，節能減排是目前汽車工業的緊迫任務，在城市混合動力公共車制動能量回收系統方面的研究和應用對于節能減排有著重要意義。與國外先進國家的新能源技術相比較，國內關于制動能量回收的研究還處在研發階段，所以致力研究和提高混合動力汽車制動能量回收技術，具有很好的實用價值和廣泛的應用前景。

【1】 周奉香,苑士華,李輝.公共車輛制動能量回收與再利用系統研究[J].能源研究與信息，2003(6)：6-7.

【2】 任國軍.公共汽車制動能量再生的液壓儲能技術研究[D].淄

博：山東理工大學，2006：14-23.

【3】 彭玲玲.城市公交車節能減排綜合應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2009：20-27.

【4】 張京明,王仕偉 ,程志剛.混合動力汽車再生制動系統的建模與仿真[J].計算機仿真，2009,25：268-272.

【5】 劉喜明，孫仁云，張霞.基于單輪臺架制動能量回收控制算法的研究[J].拖拉機與農用運輸車,2011(8)：9-11.

AnalysisonBrakingEnergyRecoverySystemofHybridBus

ZHANG Xia

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

2014-06-11

張霞(1986—)，女，碩士，助教，從事電動汽車控制系統研究。E-mail：xiazi1123@163.com。