關(guān)于內(nèi)燃機(jī)汽車制動(dòng)能量回收方法的研究

崔臣

摘 要：回收汽車制動(dòng)能量能在很大程度上節(jié)約能源，因此在混合動(dòng)力汽車及純電動(dòng)汽車上已普遍存在，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上卻難以發(fā)揮大的作用。本文主要對(duì)將內(nèi)燃機(jī)汽車制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能的可行性進(jìn)行分析，為內(nèi)燃機(jī)汽車制動(dòng)能量的回收方法提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)汽車；制動(dòng)能量；回收利用；可行性

1 前言

汽車在摩擦制動(dòng)過程中將大量動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能散失掉，如一輛質(zhì)量為m的汽車在平順道路上以速度VA行駛，制動(dòng)后速度為VB，忽略空氣阻力做的負(fù)功，則由制動(dòng)器轉(zhuǎn)變成內(nèi)能的動(dòng)能為W（VA2-VB2），其中（旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.2），分別為車輪及飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，r為車輪半徑。質(zhì)量為1500kg的汽車，速度由30m/s減至10m/s的過程中，轉(zhuǎn)化為熱能散失掉的機(jī)械能為W（302-102）=720000J=720kJ，這些能量可驅(qū)動(dòng)該車在水平良好路面上以最高車速行駛約500m。

2 制動(dòng)功率

不考慮制動(dòng)力上升期，假設(shè)制動(dòng)期間汽車減速度a為常數(shù)，則車速VB=VAat，W（VA2-VB2）VA2（VA）2]，制動(dòng)功率P==（VA），其隨時(shí)間t變化的函數(shù)如下圖左（減速度a1a2a3），如果駕駛員在制動(dòng)過程中增加制動(dòng)力，制動(dòng)功率突然增大，制動(dòng)時(shí)間縮短，如下圖右。

一輛1500kg的轎車，在干燥路面上從15m/s開始減速，減速度為4m/s2（中度制動(dòng)），則初始制動(dòng)功率P0=VA=1.21500154=10800W=108kW，假設(shè)平均分配到4個(gè)車輪，則每個(gè)車輪的制動(dòng)功率為27kW。

3 發(fā)電機(jī)回收內(nèi)燃機(jī)汽車制動(dòng)能量的不可行性

（1）內(nèi)燃機(jī)轎車配備的發(fā)電機(jī)（下稱電機(jī)）額定功率遠(yuǎn)小于27kW，僅憑電機(jī)有效地吸收制動(dòng)功率須換用大功率電機(jī)，而車載蓄電池不能承受過高的功率，故也需要升級(jí)。蓄電池及電機(jī)組成的電力系統(tǒng)功率密度較低，增大功率意味著大幅度增大體積和質(zhì)量；在汽車電網(wǎng)電壓不變的情況下，功率增大電流就會(huì)增大，這會(huì)對(duì)汽車電子元件造成很大的損害。所以要換用大功率電機(jī)就必須全面改動(dòng)汽車電網(wǎng)，顯然得不償失。因此只能將小功率電機(jī)與機(jī)械摩擦制動(dòng)配合使用。轎車的電機(jī)功率一般在800W～1200W，為獲得較高的能量回收效率，選用2kW的電機(jī)進(jìn)行計(jì)算。制動(dòng)功率變化圖如下：

陰影部分表示電機(jī)回收的功。計(jì)算得回收的功僅占總功的14.2%，若電機(jī)效率為85%，則只有12.07%的能量轉(zhuǎn)化為電能。據(jù)功率圖知初始車速高，減速度大時(shí)，回收能量所占的比例更小。

（2）電機(jī)阻尼扭矩變化曲線如下：

電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)具有恒功率特性，阻尼扭矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速升高而減小。為保證足夠的制動(dòng)力矩，必須增大機(jī)械制動(dòng)的比例，這樣電制動(dòng)回收能量的效率就會(huì)更低，故應(yīng)使電機(jī)工作在最大扭矩區(qū)。制動(dòng)過程中由于車速降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)脫離最大扭矩區(qū)，這時(shí)候就需要增大車輪與電機(jī)之間的傳動(dòng)比以擴(kuò)大電機(jī)的工作范圍。機(jī)械制動(dòng)器與電機(jī)如果采用并聯(lián)方式，由于電機(jī)阻尼扭矩保持不變，增大傳動(dòng)比會(huì)導(dǎo)致傳遞到車輪的制動(dòng)力突然增大，這將使駕車的舒適感下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致車輪抱死。若將電機(jī)與機(jī)械制動(dòng)器串聯(lián)，即駕駛員通過制動(dòng)踏板同時(shí)控制機(jī)械制動(dòng)器和電機(jī)與車輪的傳動(dòng)比，在駕駛員不改變制動(dòng)踏板位置的情況下，由于電機(jī)阻尼扭矩的自動(dòng)下降會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)不足的現(xiàn)象，這是非常危險(xiǎn)的。

（3）內(nèi)燃機(jī)汽車有獨(dú)立的電機(jī)為其電網(wǎng)供電，用電設(shè)備的用電量可以得到滿足，蓄電池也不會(huì)長時(shí)間處于虧電的狀態(tài)，這樣，電機(jī)的負(fù)載很小，驅(qū)動(dòng)它所需的功率也很小，回收能量的效率就更加低。根據(jù)公式T=知，達(dá)不到額定功率時(shí)阻尼扭矩也比額定扭矩小，在制動(dòng)減速度比較大的情況下容易出現(xiàn)制動(dòng)力的不足。

綜合以上分析，用電機(jī)將內(nèi)燃機(jī)汽車制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能對(duì)于制動(dòng)來說不可靠，對(duì)于能量回收來說效率太低。且根據(jù)制動(dòng)功率圖，制動(dòng)力增加時(shí)功率突然增大會(huì)引起汽車電網(wǎng)中電流的瞬間變化，易損壞電子元件。故該能量回收方式不可取。但這種方式廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車上，因?yàn)檫@種汽車的電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)汽車行駛，其功率很大，在汽車制動(dòng)時(shí)可直接轉(zhuǎn)化為大功率大扭矩的發(fā)電機(jī)，所以能高效地回收制動(dòng)能量。這種汽車的蓄電池用于儲(chǔ)存驅(qū)動(dòng)汽車的電能，容量大而且不會(huì)隨時(shí)保持在電量充足的狀態(tài)，能保證電機(jī)需求功率足夠大。

4 能量回收方案建議

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)汽車制動(dòng)能量的回收，使用由液壓蓄能器和液壓馬達(dá)組成的液壓系統(tǒng)比電力系統(tǒng)更加適合。因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的功率密度比電力系統(tǒng)大得多，能量回收效率高，且不易出現(xiàn)制動(dòng)不足的情況。液壓系統(tǒng)的可靠性和壽命都遠(yuǎn)優(yōu)于電力系統(tǒng)，使用及維護(hù)成本低。但是，液壓系統(tǒng)能量密度相對(duì)較低，所以當(dāng)蓄能器中的壓力達(dá)到上限時(shí)應(yīng)及時(shí)釋放能量，比如設(shè)置限壓閥等。蓄能器儲(chǔ)存的液壓能可通過液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在汽車起步或者上坡時(shí)驅(qū)動(dòng)車輪以起到助力的作用。

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（作者單位：長安大學(xué)汽車學(xué)院）