汽車能量回收系統(tǒng)研究概述

蘇玉青，李舜酩，王　勇（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

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汽車能量回收系統(tǒng)研究概述

蘇玉青，李舜酩，王勇
（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

摘要：在汽車節(jié)能化發(fā)展趨勢下，能量回收系統(tǒng)研究受到廣泛關(guān)注。汽車能量回收系統(tǒng)當(dāng)前研究熱點主要集中于再生制動能量回收、饋能懸架以及發(fā)動機廢熱能量回收三個方面。首先對這三類汽車能量回收系統(tǒng)的特點與發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)回顧；然后指出各能量回收系統(tǒng)的優(yōu)勢與待解決的關(guān)鍵問題；最后提出相應(yīng)解決方案并對新的能量回收利用途徑進(jìn)行有益的探索，為今后學(xué)者的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車；能量回收；再生制動；饋能懸架；發(fā)動機廢熱

21世紀(jì)以來，資源日益枯竭，隨著石油危機加劇，作為石油主要消耗體的汽車，其節(jié)能環(huán)保技術(shù)越來越受到人們關(guān)注，汽車能量回收系統(tǒng)研究亦成為當(dāng)今科研熱點。

能量回收是將不能存儲再利用的能量形式轉(zhuǎn)換為可以再次使用的能量形式，在汽車上主要是把將要耗散在空氣中的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑蛘咂渌问降哪芰窟M(jìn)行存儲利用，為車上電器設(shè)備供電以及驅(qū)動汽車等。傳統(tǒng)汽車存在嚴(yán)重的能量浪費現(xiàn)象，例如制動時汽車動能的浪費，汽車振動時懸架耗散掉的能量以及發(fā)動機隨廢氣帶走的熱量等，這不僅造成了資源浪費，而且加劇環(huán)境污染。為此從制動能量回收、饋能懸架和發(fā)動機廢熱能量回收三個方面對汽車上能量回收系統(tǒng)的發(fā)展、特點和應(yīng)用進(jìn)行綜述，并分別指出其待解決的問題，對其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1　再生制動能量回收系統(tǒng)

制動能量回收就是在汽車進(jìn)行制動減速過程中，在保證制動安全的前提下，把一部分動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量存儲起來，以備驅(qū)動時作為輔助能量驅(qū)動汽車前行。傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)在制動過程中將汽車的動能通過摩擦轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉，不僅浪費寶貴的能源，而且頻繁的制動摩擦過程會使制動器產(chǎn)生熱衰退性，對汽車的行駛安全構(gòu)成極大的威脅，也極易導(dǎo)致制動器的損壞[1]。通過研究發(fā)現(xiàn)，在城市工況中制動消耗的能量占總驅(qū)動能量的50 %左右[2]，如若對這部分能量進(jìn)行回收，將產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

1.1再生制動系統(tǒng)機構(gòu)和特性

電動汽車制動能量回收系統(tǒng)主要由兩部分組成：電機再生制動部分和傳統(tǒng)摩擦制動部分，可以視為機電復(fù)合制動系統(tǒng)，再生制動過程是通過電機的電動機/發(fā)電機可逆性原理來實現(xiàn)的，而液壓制動采用雙回路液壓制動系統(tǒng)，保證制動的安全性[3]。在制動過程中，制動控制器根據(jù)制動踏板的開度（實際為主缸壓力），判斷駕駛員所要達(dá)到的制動強度，然后確定前、后軸制動力，摩擦制動和再生制動的分配關(guān)系。再生制動過程應(yīng)該滿足以下要求[4]：

①合理分配前、后輪制動力，保證制動的穩(wěn)定性：

②合理分配機械制動力和再生制動力，在保證制動安全的前提下盡量采用再生制動，更多地保證回收能量：

③控制系統(tǒng)應(yīng)該與ABS、ESP等系統(tǒng)相融合，不影響原有系統(tǒng)的性能。

目前關(guān)于再生制動能量回收的研究主要集中于能量存儲、回收效果評價以及控制策略研發(fā)等方面。

1.2制動能量的存儲

為了更好地回收和利用制動能量，基于對比功率、充放電效率、成本等一系列因素的考慮，目前主要有以下裝置用于再生制動回收能量的存儲：

①蓄電池儲能以其價格低廉、安裝所需空間小，技術(shù)成熟的優(yōu)點，目前在汽車儲能中應(yīng)用最為廣泛[5]，但是其充電速度慢、效率低，污染嚴(yán)重、循環(huán)使用壽命次數(shù)少的不足還需要進(jìn)一步改善。

②液壓儲能式再生制動系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓儲能器、油路分配控制模塊和電子控制器四部分組成。該裝置將汽車制動過程中的動能轉(zhuǎn)換成高壓液壓能存儲在液壓罐中，在汽車起步時，推動液壓油以機械能的形式反作用于汽車進(jìn)行輔助起步[6]。液壓儲能裝置零件少，安全可靠性強，便于布置安裝，逐步成為汽車制動儲能發(fā)展的新方向，但是液壓系統(tǒng)的密封性和工作噪聲問題需改善。

③飛輪儲能是將汽車制動減速時的動能轉(zhuǎn)換為飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動能，在需要增大驅(qū)動力時又將飛輪儲能釋放轉(zhuǎn)化為汽車的輔助驅(qū)動力。飛輪儲能方式簡單易行，造價成本低，能夠快速進(jìn)行充放電，電能輸出穩(wěn)定，且能有效地減少車輛噪聲[7]，但是飛輪體積較大、重量較重，在極高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下對材料要求高，成本增加，目前在汽車上還無法進(jìn)行推廣。

④超級電容儲能是指汽車制動減速過程中，將一部分動能轉(zhuǎn)化為電能存儲于超級電容之中，然后在啟動、加速時將電能釋放出來作為輔助驅(qū)動力[8]。超級電容過充和過放均不影響其壽命，使用時間長，可焊接特性解決了蓄電池接觸不牢固的問題。但是超級電容存在電解質(zhì)泄露現(xiàn)象，且由于內(nèi)阻較大，不可以用于交流電路，發(fā)熱嚴(yán)重現(xiàn)象也亟待解決。

⑤復(fù)合儲能系統(tǒng)綜合了多種儲能方式，克服了單一儲能方式的缺陷，實現(xiàn)了能量回收最大化和能量利用最優(yōu)化，但是復(fù)合儲能協(xié)調(diào)性問題還未得到妥善解決。

1.3能量回收效果的評價與控制策略

汽車制動能量回收要在保證制動安全的前提下盡可能多地回收制動能量，為此針對回收效果提出一系列評價指標(biāo)。清華大學(xué)張俊智以電機回收的能量與總制動能量的比值作為評價指標(biāo),并在某混合動力公交車上進(jìn)行實驗[9]。吉林大學(xué)姚亮以制動回收能量等效耗電量與無制動能量回收時耗電量之比（整車節(jié)能度）作為評價指標(biāo)，并進(jìn)行matlab/simulink仿真[10]。

制動力分配是進(jìn)行制動能量回收研究須首要解決的問題，為此制動力分配控制策略研究成為了當(dāng)今再生制動研究重點。美國TexasA&M大學(xué)Yimin Gao等提出了制動能量回收的三種制動力分配控制策略，針對不同制動強度進(jìn)行仿真實驗[11]。Wicks等建立城市客車在市區(qū)行駛循環(huán)工況下數(shù)學(xué)模型，研究再生制動系統(tǒng)節(jié)能效果[12]。國外公司已將部分研究成果應(yīng)用到實車中。日本豐田公司推出的基于EHB方案設(shè)計的制動能量回收與防抱死集成系統(tǒng)已經(jīng)批量應(yīng)用于Prius車上，有效地提高了能量利用效率和整車的燃油經(jīng)濟(jì)性[13]。福特公司將大陸公司的制動能量回收技術(shù)用在其SUV車型Escape上，同樣收到了很好的效果[14]。國內(nèi)高校也提出了一系列能量回收控制策略。武漢理工大學(xué)張丹紅在考慮電機最大再生制動力矩的前提下設(shè)計一種基于模糊控制策略的方案，但是沒有考慮汽車的行駛速度，沒能最大發(fā)揮HEV的電氣制動性能[15]。南京航空航天大學(xué)趙國柱提出前后制動力按照理想制動力曲線進(jìn)行分配，摩擦制動力與再生制動力按照一定比例進(jìn)行分配，此方案控制策略實行簡單[16]。合肥工業(yè)大學(xué)趙韓等根據(jù)車輪滑轉(zhuǎn)率來對汽車進(jìn)行制動控制策略的設(shè)計，并通過實際NEDC試驗，能量回收效率較高且保證了駕駛員良好的制動感覺[17]。

1.4再生制動能量回收系統(tǒng)小結(jié)

制動能量回收隨著電動汽車的興起，逐步成為了國內(nèi)外高校和研究院所的科研熱點。目前需解決的關(guān)鍵問題是如何進(jìn)行制動力的分配以及回收能量的存儲。制動力分配需要根據(jù)汽車工況協(xié)調(diào)解決摩擦制動力和再生制動力以及制動時前、后軸制動力的分配關(guān)系，在保證制動安全的前提下，盡可能采用再生制動，尤其是針對緊急制動等特殊工況下能量回收效率低的情況，需要選用和改進(jìn)新的控制策略，并將再生制動控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)地融入ESP系統(tǒng)中。能量存儲方面需要改善現(xiàn)有的儲能方式或者開發(fā)新的儲能方式，加快復(fù)合儲能系統(tǒng)的研究，改善存儲效率低和充放電的響應(yīng)速度慢以及峰值過高等問題，提高能量回收效率。

2　饋能懸架系統(tǒng)

懸架作為車輛底盤系統(tǒng)重要的結(jié)構(gòu)和功能部件[18,19]，是指車身與車橋或者車輪之間的一切連接裝置，它的作用是傳遞車身與車輪之間力或者力矩，并且緩沖路面顛簸對車身所造成的沖擊，減緩車身振動，其性能好壞對車輛整體的行駛平順性、操作穩(wěn)定性及乘坐舒適性有至關(guān)重要的影響。

懸架可根據(jù)控制力或者是否需要外部提供能量分為被動懸架和主動懸架[20]。主動懸架可以主動改變懸架的剛度和阻尼系數(shù)，克服了被動懸架彈簧剛度和阻尼系數(shù)不可變的缺點，但是需消耗較多的外部能量來抑制路面顛簸對車身造成的沖擊。隨著對汽車節(jié)能要求的提高，能夠回收汽車振動能量，以供主動懸架減振之用的饋能懸架應(yīng)運而生。

2.1饋能懸架技術(shù)研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)外許多學(xué)者就從理論上對饋能懸架進(jìn)行了研究，主要對被動懸架功率耗散及懸架回饋能量值進(jìn)行測量與仿真分析，證明饋能懸架實現(xiàn)的可行性。

加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校Karnopp在理論上分析車輛被動懸架阻尼器耗能過程，指出電動汽車增設(shè)饋能懸架系統(tǒng)可以有效降低整車驅(qū)動功率[21]。Velinsky通過測量后軸車輪和懸架阻尼器之間的相對速度，分析后軸懸架能量耗散[22]。喻凡以某型轎車為例，分析被動懸架能量耗散和主動懸架所需求外加能量，通過仿真表明被動懸架耗散能量多于主動懸架控制所需能量，從理論上證明饋能懸架的實現(xiàn)可能性[23]。Browne在城市道路工況下測得某轎車懸架4個減振器約產(chǎn)生40 W～60 W的功率耗散[24]。吉林大學(xué)于長淼采用Carsim軟件對E-Class SUV車輛模型進(jìn)行整車仿真，發(fā)現(xiàn)隨路面不平度和車速提高，耗散的能量占發(fā)動機輸出能量的比重越大，且路面不平度系數(shù)影響更直接[25]。何仁針對不同懸架結(jié)構(gòu)，對饋能懸架工作原理及其評價指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)闡述[26]。

2.2饋能懸架結(jié)構(gòu)分類

饋能懸架根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式可以分為機械式、電磁式及混合式[27]。

2.2.1機械式饋能懸架

機械式饋能懸架是通過適當(dāng)?shù)臋C械傳動裝置將車輪或車身的振動能量傳給液壓或者氣壓儲能裝置并存儲，在一定的控制策略下適時釋放，從而達(dá)到降低振動主動控制能耗的目的[28]。

Jolly提出一種在液壓裝置上實現(xiàn)能量回收的機械式饋能結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用在汽車駕駛員座椅上，實現(xiàn)了垂向振動能量的回收并用于主動控制，提高了座椅的乘坐舒適性[29]。日本Nissan公司將液壓蓄能器和油缸結(jié)合，通過壓力閥進(jìn)行能量存儲和釋放控制，通過這一新型液壓型饋能裝置達(dá)到抑制振動和回收能量的目的[30]。

機械式饋能懸架是一種完全由機械及液壓/氣壓結(jié)構(gòu)組成的懸架裝置，在現(xiàn)有液壓或氣壓懸架上加裝振動能量回收裝置，對汽車原結(jié)構(gòu)改動較小，具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能好，饋能效率高，方便維護(hù)，使用壽命長，成本低等優(yōu)勢，但是響應(yīng)頻率較低，響應(yīng)速度較慢，回收所得能量進(jìn)行再次利用的范圍和形式嚴(yán)重受限。

2.2.2電磁式饋能懸架

隨著電機技術(shù)不斷成熟以及電機在機/電轉(zhuǎn)換方面的優(yōu)勢，饋能懸架的形式現(xiàn)在主要由機械式轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶攀?。電磁式饋能懸架基本原理是用機/電轉(zhuǎn)換裝置（電機）代替?zhèn)鹘y(tǒng)阻尼器，將車輪和車體之間相對運動化為直線或旋轉(zhuǎn)運動，進(jìn)而驅(qū)動電機進(jìn)行發(fā)電，將車輪或車身的振動能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲[31]，用于懸架的主動控制或者為其他電器設(shè)備供電。電磁式饋能懸架根據(jù)作動器運動方式又可分為直線電機式和旋轉(zhuǎn)電機式。

2.2.2.1直線電機式饋能懸架

直線電機式饋能懸架是用直線電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)懸架中的阻尼元件，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，將車輪和車身之間相對運動所具有的機械能經(jīng)直線電機轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓M(jìn)行輸出并存儲。

Okada提出用直線式電機作為作動器代替?zhèn)鹘y(tǒng)阻尼器，通過調(diào)節(jié)阻尼力對懸架進(jìn)行主動控制，同時進(jìn)行能量回收，車輪和車身相對速度較大時能量回饋效果明顯[32]。Suda設(shè)計一種兩級式電機饋能裝置，其中一級用來回收振動能量，另一級作為作動器進(jìn)行懸架姿態(tài)控制，實現(xiàn)了能量自供給[33]。

直線電機式饋能懸架直接利用車輪和車身之間的相對直線運動，不需要其余機械傳動部件，所以幾乎沒有機械摩擦損失。由于運動部件少，易保養(yǎng)，極少需要維護(hù)，可靠性能好。但是直線電機的質(zhì)量大，需要較大的安裝空間，加重了汽車質(zhì)量，且漏磁較大，機電轉(zhuǎn)換效率較低。

2.2.2.2旋轉(zhuǎn)電機式饋能懸架

旋轉(zhuǎn)電機式饋能懸架利用機械傳動機構(gòu)將車輪和車身之間的直線式往復(fù)運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，帶動旋轉(zhuǎn)電機發(fā)電并進(jìn)行振動主動控制。根據(jù)傳動機構(gòu)的不同，旋轉(zhuǎn)電機式饋能懸架可以分為滾珠絲杠式、齒輪齒條式和行星齒輪式。

上海交大喻凡等針對某轎車后懸架機構(gòu)，結(jié)合永磁式直流電機應(yīng)用滾珠絲杠式傳動機構(gòu)的電磁作動器進(jìn)行試驗，驗證其設(shè)計作動器的實際應(yīng)用可行性[34]。美國紐約州立石溪大學(xué)左磊針對齒輪齒條式饋能懸架進(jìn)行仿真分析，得出旋轉(zhuǎn)電機式懸架能量回收效率高于直線電機式懸架，機械傳動機構(gòu)可靠性更高[35]。吉林大學(xué)王慶年對以往的滾珠絲杠式饋能減振器進(jìn)行重新設(shè)計，減小減振器所需安裝尺寸，提高減振性能[36]。

2.2.3混合式饋能懸架

混合式饋能懸架綜合機械式和電磁式饋能懸架兩種結(jié)構(gòu)，利用液壓缸活塞進(jìn)行往復(fù)運動驅(qū)動液壓油從而帶動液壓馬達(dá)，將往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為電機旋轉(zhuǎn)運動，帶動發(fā)電機發(fā)電實現(xiàn)電能回饋。該機構(gòu)可以通過一套液壓管路以及類似曲軸的傳動機構(gòu)將往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏较虻男D(zhuǎn)運動，避免了旋轉(zhuǎn)電機正反轉(zhuǎn)造成的轉(zhuǎn)動慣量損失，提高了饋能效率。但是由于附加了一套液壓管路，節(jié)流作用及粘性流體摩擦損失會造成一定的能量消耗。

2.3饋能懸架系統(tǒng)小結(jié)

饋能懸架的出現(xiàn)為解決主動懸架耗能高的問題提供了新思路，但是現(xiàn)有饋能系統(tǒng)受機/電轉(zhuǎn)換效率以及能量回收與振動主動控制之間矛盾性的限制，回收能量較少。為此考慮從硬件和軟件兩個方面提高能量回收效率。硬件方面，選用大功率密度電機、提高傳動機構(gòu)加工精度來減少摩擦損失等均可以避免能量回饋過程中二次損失，在回收電路中增加一個升壓電路，將較低電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高電壓進(jìn)行回收，克服蓄電裝置門限值的限制，提高能量回收總值，但增壓電路和原控制電路協(xié)調(diào)性問題還需進(jìn)一步探討；軟件方面，建立更加符合實際懸架非線性模型，獲得更準(zhǔn)確的懸架運動狀態(tài)信息，優(yōu)化控制算法，協(xié)調(diào)主動控制和能量回收，針對作動器不同工作狀態(tài)，對控制策略進(jìn)行實時切換，提高能量回收效率。

3　發(fā)動機廢熱能量回收系統(tǒng)

相比于其他動力機械，內(nèi)燃機的熱效率已經(jīng)得到明顯提高，但是傳統(tǒng)汽車發(fā)動機釋放的能量大部分均以熱能的形式耗散掉，造成了資源的浪費，同時廢氣排放對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，通過有效方式回收利用這一被耗散的廢熱，有助于提高汽車能量利用效率，是實現(xiàn)汽車節(jié)能環(huán)保的有效途徑。

3.1廢熱利用的潛力和特點

從汽車發(fā)動機熱平衡表1可以看出[37]，燃料在柴油機中燃燒產(chǎn)生的熱能只有30 %～45 %被有效用于驅(qū)動汽車行駛，汽油機這一比例更低，只有20 %～30 %左右，而其余能量則主要被冷卻介質(zhì)帶走或以廢氣熱能的形式耗散在大氣中。

表1　汽油機和柴油機的熱平衡表

車用發(fā)動機特殊的工作狀況使得汽車廢熱的回收具有其特殊性，歸結(jié)如下[38]：

①發(fā)動機廢熱的品位較低，不易對其進(jìn)行回收再利用，回收效率低；

②不能影響發(fā)動機的正常工作，避免降低發(fā)動機原有的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性；

③能量回收裝置有一定的外形要求，結(jié)構(gòu)簡單，容易加工，體積小，重量輕；

④該裝置要能夠抗震動，抗沖擊，適應(yīng)汽車的各種行駛環(huán)境，保證能量回收的穩(wěn)定性。

3.2廢熱利用現(xiàn)狀

根據(jù)廢熱的利用途徑進(jìn)行分類，主要有廢氣渦輪增壓、溫差發(fā)電技術(shù)、車載空調(diào)制冷、余熱采暖、廢氣渦輪發(fā)電、改良燃料燃燒等，目前由于技術(shù)成熟性以及成本等問題，只有廢氣渦輪增壓技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，其他技術(shù)還未得到推廣。

3.2.1廢氣渦輪增壓

廢氣渦輪增壓技術(shù)是利用發(fā)動機排出的高溫、高速廢氣推動渦輪機高速旋轉(zhuǎn)，帶動同軸的壓氣機對進(jìn)氣進(jìn)行壓縮提高進(jìn)氣密度，從而增加進(jìn)氣量[39]。

渦輪增壓技術(shù)在不消耗有用功的基礎(chǔ)上可以改善汽車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，而且有助于減少CO、CH等污染物的排放，是目前在汽車上應(yīng)用最成熟的廢熱再利用裝置[40]。但是渦輪增壓技術(shù)也有其不足之處：

①增設(shè)渦輪增壓裝置后發(fā)動機的動力匹配適應(yīng)性下降；

②起步時由于發(fā)動機無法排出大量高溫高速氣體，廢氣渦輪增壓裝置無法有效工作，造成啟動著火困難；

③由于進(jìn)氣壓力的提高，發(fā)動機爆震現(xiàn)象增多，且隨著發(fā)動機內(nèi)部平均燃燒溫度的的升高，氮氧化物排放量增加。

3.2.2溫差發(fā)電

溫差發(fā)電又被稱作熱電發(fā)電，是基于熱電材料貝塞克效應(yīng)發(fā)展起來的一種發(fā)電技術(shù)，將P型和N型兩種不同類型的熱電材料連接并分別置于不同溫度的環(huán)境中，利用溫度差產(chǎn)生電能。

溫差發(fā)電技術(shù)具有熱電轉(zhuǎn)換裝置體積小、重量輕，轉(zhuǎn)換過程無污染、無噪音等優(yōu)點，而且在發(fā)電同時降低了發(fā)動機排氣溫度與排氣壓力，有助于發(fā)動機降噪，從而簡化了消聲器結(jié)構(gòu)。但是受熱電材料性能和發(fā)電器匹配問題的限制，目前熱電轉(zhuǎn)換效率低，在高溫環(huán)境下熱電裝置穩(wěn)定性也需進(jìn)一步探討[41]。

3.2.3廢熱驅(qū)動空調(diào)制冷

車載空調(diào)已成為汽車上必不可少的裝備之一，轎車空調(diào)的制冷量一般在2.2～4 kW左右，大概消耗轎車發(fā)動機8 %～12 %的動力[42]。汽車空調(diào)相比于室內(nèi)空調(diào)具有其明顯的使用特殊性[43]：驅(qū)動源方面，汽車空調(diào)主要是由發(fā)動機驅(qū)動，效率隨發(fā)動機的工況變化而改變，難以維持工作穩(wěn)定；工作對象方面，汽車的空間比較狹小，與外界的隔熱性能較差，乘坐人員密度大，要求汽車空調(diào)要有足夠大的制冷量；安裝方面，給予安裝空間極為有限，且要適應(yīng)多變的汽車工況。利用汽車廢熱驅(qū)動空調(diào)制冷通常有以下幾種方式[44]：氫化物制冷、吸收式制冷、固體吸附式制冷以及噴射式制冷。但是目前廢熱驅(qū)動制冷空調(diào)普遍存在制冷效率低的問題，可以考慮多種能源復(fù)合制冷空調(diào)的研發(fā)，余熱制冷對發(fā)動機性能的影響以及制冷劑的選擇問題也需進(jìn)一步探討。

3.2.4余熱采暖

汽車在冬季時需要保證車內(nèi)溫度維持在舒適范圍內(nèi)，行駛時車窗上產(chǎn)生的霧或霜會影響駕駛員的視野，造成安全隱患，汽車采暖系統(tǒng)就是用于給車內(nèi)供暖以及完成除霜的一套裝置。根據(jù)熱源的不同可以分為獨立式和余熱式，余熱式采用發(fā)動機的廢熱進(jìn)行供暖，克服了獨立式耗能高的缺點，提高了能量利用效率，成本低廉，經(jīng)濟(jì)性好。但是余熱采暖效率受到發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況限制，穩(wěn)定性差，且只在冬季有需求，季節(jié)性明顯。

3.2.5廢氣渦輪發(fā)電

廢氣渦輪發(fā)電是利用發(fā)動機排出的高溫、高速氣體推動渦輪旋轉(zhuǎn)從而帶動同軸的發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動實現(xiàn)發(fā)電，進(jìn)而對電力進(jìn)行存儲和利用。經(jīng)理論分析和實驗證明所發(fā)出的電能足以滿足汽車運行所需的電能[45]。但是渦輪發(fā)電目前還只是停留在理論研究和仿真試驗階段，其對發(fā)動機性能的影響還需要做深一步研究，發(fā)電轉(zhuǎn)換效率也需要實際測算。

3.2.6改良燃料

利用發(fā)動機產(chǎn)生的廢熱對燃料進(jìn)行改良是提高燃燒效率、降低排放的新途徑。目前改良燃料燃燒的方式主要有兩種：一是將醇類燃料在廢熱驅(qū)動以及催化劑的作用下分解為氫進(jìn)行燃燒[46]；另一種是余熱加熱一定量的水，將得到的水蒸氣引入進(jìn)氣管與空氣一同進(jìn)入燃燒室與燃油噴霧混合，改良燃料，降低排放的煙度和氮氧化物含量[47]。

3.3發(fā)動機廢熱能量回收系統(tǒng)小結(jié)

當(dāng)前的發(fā)動機廢熱利用方式均存在一定程度的缺陷，在此探討廢熱利用新途徑。可以將發(fā)動機廢熱能先轉(zhuǎn)換為機械能，然后再轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲和利用，具體設(shè)計是將壓氣機、發(fā)電機和渦輪機進(jìn)行同軸連接，高溫高速的廢氣推動渦輪旋轉(zhuǎn)，同時帶動壓氣機和發(fā)電機轉(zhuǎn)動，通過一定的策略進(jìn)行控制，在滿足渦輪增壓的前提下實現(xiàn)多余電能的存儲，避免了渦輪轉(zhuǎn)速過高，克服廢熱利用不充分的缺陷。除此之外，可以設(shè)計一種蓄能器，對尾氣排放管道壁產(chǎn)生的熱量進(jìn)行回收，轉(zhuǎn)化為液壓能存儲和釋放。上述裝置不需對原來的汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改動，具有一定的應(yīng)用前景和實用價值。

4　結(jié)語

對汽車能量回收裝置的背景和發(fā)展進(jìn)行回顧，對能量回收形式和回收能量用途進(jìn)行總結(jié)，并分別分析不同能量回收方式當(dāng)前存在的核心問題且提出解決方案。通過以上分析可知，汽車能量回收系統(tǒng)研究取得一定成果，目前在車輛上也有實際應(yīng)用，效果甚佳。但是仍存在部分問題需要進(jìn)一步完善，總結(jié)如下：

(1)能量回收控制策略問題

能量回收要在保證不影響汽車原有特性的前提下進(jìn)行，再生制動亟待解決的是制動力的分配問題，要在保證制動安全的前提下盡量應(yīng)用再生制動系統(tǒng)進(jìn)行制動減速；饋能懸架則要控制好作動器能量回收和作動力輸出之間的時間關(guān)系，兼顧乘坐舒適性、行駛平順性和能量回收效果；發(fā)動機廢熱能量回收則不能對發(fā)動機性能造成影響。

(2)能量回收效率問題

受回收策略以及電子設(shè)備門限值的影響，在緊急情況下和可回收能量較少時一般不進(jìn)行能量回收，造成了能量浪費，能量回收效率降低。隨著控制策略進(jìn)一步完善以及電子設(shè)備不斷發(fā)展，這一問題也在逐漸解決。

(3)回收能量存儲問題

回收的能量主要以電能形式進(jìn)行存儲，這就需要增加一套電能存儲裝置，該裝置在比能量、比功率、充放電效率、成本等方面均應(yīng)符合要求，但是目前電能存儲方式均存在一定弊端。隨著電動汽車普及和復(fù)合式儲能系統(tǒng)的發(fā)展，電能存儲問題也在逐步得到解決。

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圖9　混沌運動的相平面圖(f =21.5 Hz)

3　結(jié)語

主要針對Holmes型Duffing方程，進(jìn)行計算機仿真研究和機械振動實驗研究。在實驗中驗證了該系統(tǒng)的初值敏感性特性，并觀察到鋼片彈簧經(jīng)由對稱破缺分岔和倍周期分岔最終走向混沌振動的過程。研究內(nèi)容對混沌振動系統(tǒng)走向工程應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)作用，對該系統(tǒng)初值敏感性的研究可以進(jìn)一步應(yīng)用于弱信號檢測等工程領(lǐng)域。當(dāng)然，針對該系統(tǒng)的機械振動實驗以及數(shù)學(xué)建模還有待進(jìn)一步的精細(xì)化，這也正是下一步研究重點。

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Overview of the Research of Automobile Energy Recovery Systems

SU Yu-qing , LI Shun-ming , WANG Yong
（Collegeof Energy and Power Engineering, Nanjing University of AeronauticsandAstronautics, Nanjing 210016, China）

Abstract:Due to the trend of automobile energy saving development, the vehicle energy recovery system has become more and more attractive for many automobile researchers and engineers. Recently, the research hotspots of the automobile energy recovery system mainly focus on three kinds of energy recovery systems:regenerative braking, regenerative suspension and waste energy recovery of engines. In this article, the features and the advances of the three kinds of automobile energy recovery systems were explicitly reviewed. Their advantages and key problems were stated. The corresponding solution suggestions were proposed and the new ways of energy recovery were explored. This work may providethereferencefor further research.

Key words:automobile; energy recovery; regenerativebraking; regenerativesuspension; wasteenergy of engine

通訊作者：李舜酩（1962-），男，博士生導(dǎo)師。E-mail:smli@nuaa.edu.cn

作者簡介：蘇玉青（1992-），男，河北省唐山市人，碩士生，主要研究方向為汽車系統(tǒng)動力學(xué)。E-mail:suyuqing0422@163.com

基金項目：機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室資助項目(SV2015-KF-01)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(NZ2015103)

收稿日期：2015-09-11

文章編號：1006-1355(2016)02-0006-06+16

中圖分類號：U46

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.002