節能汽車制動能量回收與再利用探討

蘇煒 鄭心怡 艾天樂

摘要：汽車行駛期間會消耗大量能量，伴隨汽車社會保有量的增加，加之不可再生能源的有限性，使得新型節能汽車的開發與使用意義逐漸凸顯出來。近年來，城市交通過于擁堵，使汽車行駛制動愈加頻繁。將輔助動力裝置加裝于現有車輛中，可在制動情況下回收儲存制動損失能量，并在加速狀態下釋放儲存能量，進一步優化車輛動力性能。基于此，文章將節能汽車制動能量作為主要研究對象，重點闡述回收和再利用的相關內容，希望有所幫助。

關鍵詞：節能汽車;制動能量;回收;再利用

中圖分類號：U465.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0178-02

0? 引言

汽車行駛于道路會具備特定速度，所以也一定具有動能。結合路況與駕駛的需求，汽車會在行進期間減速亦或是停車，此時動能消耗需借助制動機構，在制動摩擦片和制動盤間的加壓摩擦、車輪和地面摩擦情況下會形成熱量，使得動能向熱能轉化，以實現制動減速的目的。另外，制動機構磨損會影響車輛使用經濟性能，特別是頻繁制動會提高制動機構溫度，影響制動效率，對車輛與人身安全均產生了極大影響。由此可見，深入研究并分析節能汽車制動能量回收與再利用系統十分有必要。

1? 節能汽車制動能量回收依據分析

在當前科學研究中，節能減排以及環境保護均占據關鍵地位。很多研究機構在汽車制動能量回收以及再利用方面展開了深入分析，發現其與非燃油動力汽車技術存在支架關聯。其中，汽車制動能量平衡的方程式如下：。在公式中，E1會通過制動摩擦所形成的熱量而耗散，其能量需借助相關技術進行回收以及再利用[1]。而E2的組成包括兩部分，其一是車輛在行駛狀態下因機械摩擦阻力與發動機制動效應所消耗的能量，其二是風阻力所消耗的能量。風阻力的公式為：，風阻力消耗能量的公式為：E2實際能量消耗的形式會對不可回收性帶來決定性影響。若車輛行駛速度每小時不超過30千米，即可將風阻力消耗能量忽略不計算。

在車輛制動中，可細化成緊急制動與減速制動兩種。在車輛技術參數中，所謂制動距離，即處于規定條件下進行緊急制動車輛所運行距離。針對小型乘用車，其時速不超過100千米，平均的制動距離大概是40米，而制動消耗的時間則為3秒。正是因為時間相對較短，所以能夠回收的能量也不多。而減速制動的時間則相對長一些，能夠對減速期間部分能量加以回收。由于能量回收系統的制動力矩有限，所以在緊急制動方面仍要借助傳統機械制動的形式進行。也就是說，制動能量回收和再利用系統的技術能力很難對傳統的制動系統予以全面替代。

2? 節能汽車儲能形式

對于汽車制動能量的回收和再利用，能量回收方式存儲十分關鍵。汽車儲能裝置應具備以下條件：其一，環境友好性明顯，特別是使用環境的溫度不應過高;其二，具有較高的能量密度，使車輛自重減輕，油耗降低;其三，安全系數高，可對一定等級交通事故有效抵御;其四，較高的性價比且技術成熟[2];其五，存儲和釋放能量可多次循環，盡可能和車輛的使用年限相同，節省車輛的使用成本;其六，儲能空間充足且具有較高的能量轉換效率，可迅速儲能、釋能。

以下將對比幾種儲能裝置的性能：①化學蓄電池：儲能形式為化學儲能;安全系數較高;技術成熟;對環境有污染;能量自耗小;充能時間慢;儲能效率為70%。②飛輪儲能：儲能形式為機械儲能;安全系數較高;技術成熟;幾乎不會污染環境;能量自耗大;充能時間快;儲能效率為90%。③液壓儲能器：儲能形式為物理儲能;安全系數低;技術成熟;環境污染程度極小;能量自耗與溫度變化有關;充能時間快;儲能效率為50%。④超級電容：儲能形式為物理儲能;安全系數高;技術成熟;環境污染程度小;能量自耗小;充能時間較快;儲能效率為90%。⑤超導儲能：儲能形式為電磁儲能;安全系數高;技術相對成熟;環境污染程度極小;能量自耗極小;充能時間慢;儲能效率為90%[3]。

3? 液壓儲能式研究

節能汽車液壓儲能式的制動能量回收系統需要借助液壓泵，實現機械能向液壓能的轉化，向液壓儲能器中儲存。在汽車加速的過程中，儲能器在釋放壓力的情況下即可使液壓泵旋轉，進而實現液壓能向機械能的成功轉化。其中，液壓泵是系統的重要組成部分，因而其性能也將對能量回收以及釋放的效率產生直接影響。

汽車在行駛狀態下，副離合器處于分離狀態，且換向器關閉油路。在制動過程中，變速器輸出扭矩在副變速器的作用下，結合車速即可對變速做出調整。隨后，借助副離合器向液壓泵傳遞，而儲液箱內液壓油在換向器的作用下向液壓泵進入，高壓油泵在能量交換條件下會向變壓儲能器內進入，使得儲能器內部氣體壓縮，進而回收能量。而以上過程的逆向表現就是能量的釋放。各個部件的動作則需通過電子控制單元ECU進行統一協調與控制。與此同時，汽車行駛舒適性以及駕駛人員的習慣對于液壓儲能方式控制系統的要求相對較高。此制動能量回收的形式可在載貨汽車中應用，而液壓儲能器是高壓容器，可在小型的乘用車中安裝，安全性理想[4]。

4? 物理與化學儲能式研究

蓄電池與超級電容是物理化學儲能器的典型代表，車輛在啟動與行駛狀態下，應結合車速的差異利用ECU對輔助變速器加以控制，確保與電機連接后實際轉動速度處于工作轉速范圍，使得牽引力與制動力矩更合理。在車輛制動的情況下，電機則處于發電模式，電流在的作用下即可使蓄電池充電，進而實現能量儲存的目標。在釋能的狀態下，蓄電池即可提供電力，而電機處于電動機模式時即可為車輛提供輔助的動力。鉛酸、液流蓄電池與磷酸鐵鋰蓄電池均為化學儲能的形式，在超級電容和蓄電池聯合應用的情況下，即可有效提高儲能速率，使得制動力矩明顯增加。目前階段，化學儲能中的石墨烯能夠全面優化蓄電池與超級電容的性能[5]。在混合動力汽車中，制動能量的回收和再利用發揮重要作用，但混合動力車輛系統復雜性明顯，所以要對電源管理監控系統進行綜合考慮，結合電池的特性對電池充放電流加以控制，使其使用壽命得以延長，在有效配合能量回收制動和機械制動的基礎上，即可更好地優化車輛的舒適度。

5? 飛輪儲能式研究

飛輪儲能式的制動能量回收系統（圖1）能夠對機械能加以轉化并形成電能，進而達到儲存和再次利用的目的。但與物理、化學儲能式的最大區別就是能量的儲存介質。可使用高強度碳纖維復合材料制作飛輪，且保證其工作腔體內部抽成真空。然而，飛輪電池的自耗能很大，且受生產成本過高的影響始終未實現商業化發展目標。近年來，在新型材料技術發展的背景下，飛輪的角速度以及能量密度顯著提高。通過對磁懸浮技術與超導技術的應用，可使得系統真空殼體內的飛輪轉子處于懸浮狀態，進而達到機械與風力損耗降低的目標。但在運用超導磁懸浮技術的過程中，要求始終處于低溫環境，因而被廣泛應用于大型儲能系統中[6]。

目前階段，城市道路相對擁堵，所以車輛會頻繁加速和制動轉換，對機械支撐非炫富飛輪儲能技術的自耗能是有限的，儲能的速率偏高，能夠獲取充足制動力矩，一定程度上延長了使用壽命。在與物理、化學儲能單元配合的基礎上，對停車以后的飛輪能量進行儲存可增強系統的實用性。

在使用飛輪儲能裝置的過程中，電能可借助電機對飛輪進行驅動并旋轉，而電機則處于電動機工作模式，直接提高了飛輪轉速，在電能向機械能轉化后即可實現能量儲存的目的。而在釋能的過程中，電機就會處于發電機的工作模式，進而向外部提供電流，使得飛輪的轉速明顯降低。

6? 各種儲能裝置的性能比較分析

上述的幾種儲能裝置都可以發揮出有效的儲能作用，進而讓汽車的制動能量得到良好的回收和再利用。但是不同儲能裝置的性能也有所不同，具體選擇中，應根據實際需求并結合其具體性能來進行選擇。通過這樣的方式，才可以讓節能汽車的制動能量得到更加科學合理的回收和再利用，并在一定程度上實現成本的節約與安全性的保障。具體情況如表1。

7? 結束語

綜上所述，以上研究的能量儲存裝置只能夠應用于制動能量回收和再利用方面，具體指的就是將輔助動力裝置安裝在汽車內（動力源為內燃機），屬于混合動力技術的重要組成。但輔助動力裝置的增加會使車輛的自重增加，有必要對車輛的中心與穩定性做出重新考慮，而且輔助動力裝置布置的狀況也會對車輛制動性能產生一定程度的影響。不管汽車動力能源是哪一種，均需實現能量向動能的轉化，而車輛行駛狀態下，控制車速也一定會引發能量損失的情況。而制動能量回收和再利用系統雖會增加車輛生產成本，但以長久節能角度分析，此系統始終是汽車技術進步必要的裝置。

參考文獻：

[1]徐華超，卜凡，程煜，等.制動能量回收對前驅式電動汽車制動穩定性的影響分析[J].時代汽車，2020（9）：85-86.

[2]李剛，徐榮霞，林豪，等.汽車智能啟停系統及制動能量回收策略性能分析[J].科學技術與工程，2020，20（12）：4962-4967.

[3]徐薇，陳虹，趙海艷.考慮電池壽命的四輪輪轂電動汽車制動能量優化控制[J].控制理論與應用，2019，36（11）：1942-1951.

[4]朱波，張靖巖，張農，等.基于電動汽車制動效能一致性的并聯式制動能量回收控制[J].汽車工程學報，2019，9（5）：342-351.

[5]李勝琴，湯亞平.基于EC E法規及I線的純電動汽車制動能量回收策略研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2020，44（1）：75-80.

[6]戴彥，田紅霞.基于魯棒控制的電動汽車能量回收再生制動控制策略研究[J].內燃機與配件，2020（5）：12-13.