關于內燃機汽車制動能量回收方法的研究

崔臣

摘 要：回收汽車制動能量能在很大程度上節約能源，因此在混合動力汽車及純電動汽車上已普遍存在，在傳統內燃機汽車上卻難以發揮大的作用。本文主要對將內燃機汽車制動能量轉化為電能的可行性進行分析，為內燃機汽車制動能量的回收方法提供理論依據。

關鍵詞：內燃機汽車；制動能量；回收利用；可行性

1 前言

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

2 制動功率

不考慮制動力上升期，假設制動期間汽車減速度a為常數，則車速VB=VAat，W（VA2-VB2）VA2（VA）2]，制動功率P==（VA），其隨時間t變化的函數如下圖左（減速度a1a2a3），如果駕駛員在制動過程中增加制動力，制動功率突然增大，制動時間縮短，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），則初始制動功率P0=VA=1.21500154=10800W=108kW，假設平均分配到4個車輪，則每個車輪的制動功率為27kW。

3 發電機回收內燃機汽車制動能量的不可行性

（1）內燃機轎車配備的發電機（下稱電機）額定功率遠小于27kW，僅憑電機有效地吸收制動功率須換用大功率電機，而車載蓄電池不能承受過高的功率，故也需要升級。蓄電池及電機組成的電力系統功率密度較低，增大功率意味著大幅度增大體積和質量；在汽車電網電壓不變的情況下，功率增大電流就會增大，這會對汽車電子元件造成很大的損害。所以要換用大功率電機就必須全面改動汽車電網，顯然得不償失。因此只能將小功率電機與機械摩擦制動配合使用。轎車的電機功率一般在800W～1200W，為獲得較高的能量回收效率，選用2kW的電機進行計算。制動功率變化圖如下：

陰影部分表示電機回收的功。計算得回收的功僅占總功的14.2%，若電機效率為85%，則只有12.07%的能量轉化為電能。據功率圖知初始車速高，減速度大時，回收能量所占的比例更小。

（2）電機阻尼扭矩變化曲線如下：

電機在高速運行時具有恒功率特性，阻尼扭矩會隨轉速升高而減小。為保證足夠的制動力矩，必須增大機械制動的比例，這樣電制動回收能量的效率就會更低，故應使電機工作在最大扭矩區。制動過程中由于車速降低，電機轉速會脫離最大扭矩區，這時候就需要增大車輪與電機之間的傳動比以擴大電機的工作范圍。機械制動器與電機如果采用并聯方式，由于電機阻尼扭矩保持不變，增大傳動比會導致傳遞到車輪的制動力突然增大，這將使駕車的舒適感下降，嚴重時導致車輪抱死。若將電機與機械制動器串聯，即駕駛員通過制動踏板同時控制機械制動器和電機與車輪的傳動比，在駕駛員不改變制動踏板位置的情況下，由于電機阻尼扭矩的自動下降會出現制動不足的現象，這是非常危險的。

（3）內燃機汽車有獨立的電機為其電網供電，用電設備的用電量可以得到滿足，蓄電池也不會長時間處于虧電的狀態，這樣，電機的負載很小，驅動它所需的功率也很小，回收能量的效率就更加低。根據公式T=知，達不到額定功率時阻尼扭矩也比額定扭矩小，在制動減速度比較大的情況下容易出現制動力的不足。

綜合以上分析，用電機將內燃機汽車制動能量轉化為電能對于制動來說不可靠，對于能量回收來說效率太低。且根據制動功率圖，制動力增加時功率突然增大會引起汽車電網中電流的瞬間變化，易損壞電子元件。故該能量回收方式不可取。但這種方式廣泛應用于混合動力汽車和純電動汽車上，因為這種汽車的電動機用于驅動汽車行駛，其功率很大，在汽車制動時可直接轉化為大功率大扭矩的發電機，所以能高效地回收制動能量。這種汽車的蓄電池用于儲存驅動汽車的電能，容量大而且不會隨時保持在電量充足的狀態，能保證電機需求功率足夠大。

4 能量回收方案建議

對于內燃機汽車制動能量的回收，使用由液壓蓄能器和液壓馬達組成的液壓系統比電力系統更加適合。因為液壓系統的功率密度比電力系統大得多，能量回收效率高，且不易出現制動不足的情況。液壓系統的可靠性和壽命都遠優于電力系統，使用及維護成本低。但是，液壓系統能量密度相對較低，所以當蓄能器中的壓力達到上限時應及時釋放能量，比如設置限壓閥等。蓄能器儲存的液壓能可通過液壓馬達轉化為機械能，在汽車起步或者上坡時驅動車輪以起到助力的作用。

參考文獻

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（作者單位：長安大學汽車學院）