汽車能量回收系統(tǒng)研究概述

張超英 汪躍中 夏榮鑫

奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司 安徽省蕪湖市 241000

隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)今科研人員已經(jīng)可以將環(huán)保技術(shù)成功應(yīng)用在汽車上。那么對汽車能量回收系統(tǒng)的進(jìn)一步研究也就成了重點(diǎn)研究項(xiàng)目。汽車能量回收就是將汽車使用中無法繼續(xù)被儲存使用的能量通過轉(zhuǎn)換再次被有效利用，現(xiàn)在我們使用的能量回收系統(tǒng)，是將可能會浪費(fèi)在空氣里的熱能通過形式轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娔芑蚱渌芰浚俅伪皇褂没騼Υ?，被轉(zhuǎn)換的能量可以被用于汽車啟動或?qū)ζ嚻渌O(shè)備供電等。傳統(tǒng)的汽車不但能源消耗量大而且污染環(huán)境，因?yàn)槠鋯雍驼駝訒r耗費(fèi)大量動能和熱能，廢氣還會被排放到空氣中，為此新能源汽車逐漸得到人們的關(guān)注。本文對傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機(jī)廢氣能量回收系統(tǒng)以及新能源汽車的再生制動能量回收系統(tǒng)、饋能懸架系統(tǒng)進(jìn)行了概述。

1 傳統(tǒng)汽車能量回收系統(tǒng)

余熱回收是排氣能量的利用常規(guī)技術(shù)。目前，在汽車發(fā)動機(jī)使用的技術(shù)主要有兩類熱回收中的應(yīng)用：一是熱電轉(zhuǎn)換熱管和組合（熱管）熱電轉(zhuǎn)換；二是有機(jī)朗肯循環(huán)。在詳細(xì)解釋余熱回收技術(shù)前，我們首先分析一下廢氣中的能量。所有開源和節(jié)流燃料消耗的方法都是每一個汽車生產(chǎn)公司的焦點(diǎn)。你知道，即使是一個更有效的柴油發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的有效輸出至多只占燃油化學(xué)能百分之四十五左右，但是大多數(shù)的能量其實(shí)以熱的形式被浪費(fèi)了。其損失分為三個部分：摩擦損失約占總數(shù)的百分之十，傳熱損失以及排氣損失約占總數(shù)的百分之二十五。

1.1 熱電轉(zhuǎn)化

熱電轉(zhuǎn)化事實(shí)上利用的是塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電，在實(shí)際中，一旦半導(dǎo)體上下兩端存在著溫度差異，就一定會產(chǎn)生電壓。但該技術(shù)受轉(zhuǎn)換效率低的限制，所以沒有被汽車生產(chǎn)企業(yè)廣泛使用。這種限制反映在熱端溫度限制了熱電轉(zhuǎn)換的材料的選擇空間，因此我們可以得出結(jié)論，材料是熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的主要限制因素之一。在研究中，選擇較高溫度的材料對于提高熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換效率有一定的增益作用。

結(jié)合熱管的熱電轉(zhuǎn)化，在設(shè)計(jì)熱電轉(zhuǎn)化時，結(jié)合熱管可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)化效率。熱管是一種真空管，它通常被液體密封著，也就是說，其中僅有一個飽和液體以及一個飽和蒸汽。它通過工作流體的兩種變換來實(shí)現(xiàn)散熱，它的導(dǎo)熱速度極快，可以說是目前世界上所有金屬中最快的。熱電管轉(zhuǎn)換時，使用熱管利于使其表面溫度接近氣體溫度。

1.2 有機(jī)朗肯循環(huán)是保時捷等世界知名汽車生產(chǎn)商正在研發(fā)的余熱回收利用系統(tǒng)

有機(jī)朗肯循環(huán)是利用有機(jī)物作為制冷劑的朗肯循環(huán)，是目前所以技術(shù)手段中轉(zhuǎn)化效率最高的，最有可能使現(xiàn)有熱回收趨于產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)。它采用低沸點(diǎn)的有機(jī)物作為工作物質(zhì)來吸收剩余熱能。在通過汽化、氣化后，再進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行機(jī)械加工。由此產(chǎn)生的機(jī)械工可以供發(fā)電機(jī)發(fā)電，或者通過傳動裝置將有用工疊加在發(fā)動機(jī)曲軸上。這項(xiàng)技術(shù)的首次應(yīng)用是在余熱發(fā)電領(lǐng)域。目前，其常作為商用車提高節(jié)能效率的技術(shù)而被進(jìn)行深入研究。目前，在美國以及中國有相關(guān)項(xiàng)目。由于有機(jī)朗肯循環(huán)是有機(jī)工質(zhì)的使用，其密度大于水，與朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相比較來說，有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹器、換熱器和管道尺寸要小得多。但汽車仍然存在許多技術(shù)難點(diǎn)的朗肯循環(huán)，排氣溫度內(nèi)燃機(jī)的改變（一般認(rèn)為°），并在96-100℃發(fā)動機(jī)冷卻液溫度，從而使制冷劑的選擇尤為重要。還值得一提地是，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)，像膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)和內(nèi)燃機(jī)的匹配問題愈發(fā)重要。

目前有機(jī)朗肯循環(huán)主要有以下幾點(diǎn)缺陷，一個是成本過高，還有一個是它對廢氣溫度有極高的要求，只有高于400度的排氣溫度才能夠確保它的回收效率。第三個是空間布局，應(yīng)用到汽車上的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)雖然已經(jīng)被壓縮，但其仍舊需要相當(dāng)?shù)脑O(shè)置空間。國內(nèi)大多數(shù)貨車都是平的，所以技術(shù)的應(yīng)用也是空間布局中的一個小問題。

2 新能源汽車再生制動能量回收系統(tǒng)

再生制動能量回收就是汽車在減速制動過程中，在有效降低汽車速度的同時，通過能量轉(zhuǎn)換裝置將部分動能轉(zhuǎn)化為其他形式能量儲存在蓄電池、電容或高速飛輪等裝置中，以供汽車再次使用。而傳統(tǒng)的汽車在減速制動過程中，是通過摩擦達(dá)到減速效果，這樣做能量將在摩擦過程中變成熱能被浪費(fèi)在空氣中，而且反復(fù)的減速制動摩擦?xí)箘x車器產(chǎn)生熱衰退性，導(dǎo)致減速制動系統(tǒng)不再靈敏，埋下安全隱患。而且通過調(diào)查表明，汽車在這一過程中得制動耗損量大約占汽車驅(qū)動能量的二分之一，由此可見，如果能夠回收這些能量，將會有效減少石油消耗量，減少環(huán)境污染量。

2.1 再生制動能量回收系統(tǒng)的構(gòu)成和特性

汽車的再生制動能量回收系統(tǒng)是一個機(jī)電復(fù)合的制動系統(tǒng)，由電機(jī)再生制動和摩擦制動兩部分構(gòu)成。根據(jù)電機(jī)的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)之間的可逆性來實(shí)現(xiàn)汽車的再生制動，而汽車制動的安全性則由雙回路的液壓制動來確保。汽車制動過程中，制動控制系統(tǒng)通過剎車踏板間的距離，判斷駕駛員希望的制動強(qiáng)度，確定前、后軸制動力，合理的分配摩擦和再生制動的關(guān)系。另外，再生制動回收系統(tǒng)還需要滿足以下條件：為了確保汽車安全穩(wěn)定制動，必須合理分配前后輪制動力；在安全制動時，應(yīng)多使用再生制動系統(tǒng)，而不是機(jī)械制動，這樣可以有效回收能量；在不影響原有系統(tǒng)性能的前提下，制動控制系統(tǒng)要與防抱死等系統(tǒng)相互配合。

2.2 再生制動能量回收系統(tǒng)控制方式

在再生制動能量回收系統(tǒng)工作的過程中，通過汽車的電控單元接受駕駛員踩剎車是提供的制動信號、汽車行駛速度信號以及汽車驅(qū)動信號，從而對工作狀況做出合理判斷，最后決定是否進(jìn)行再生制動能量的回收。這樣的制動能量回收可以在有效應(yīng)用在汽車滑行狀態(tài)或制動減速狀態(tài)過程中。

3 新能源汽車饋能懸架系統(tǒng)

懸掛系統(tǒng)是指車身、車架和車輪之間的連接系統(tǒng)，也就是汽車的臂和腿。典型的懸掛結(jié)構(gòu)一般分為三部分：彈性元件、阻尼器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，他們在其中主要有緩沖、減振以及力傳遞的作用。

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對于汽車的操作性和舒適性的要求越來越高。使用傳統(tǒng)的螺旋彈簧已經(jīng)適應(yīng)不了人們的內(nèi)在需要，所以適應(yīng)環(huán)境能力更強(qiáng)，駕駛感受更加舒適的主動懸掛系統(tǒng)進(jìn)入了人們的視野中。主動懸掛系統(tǒng)雖為人們帶來了更好的駕駛體驗(yàn)，但它也不是完美的。它對于能源的需求極大，需要消耗掉大量的能源。在當(dāng)今節(jié)能的大背景下，為順應(yīng)時代潮流，人們依據(jù)主動懸掛系統(tǒng)為基礎(chǔ)開發(fā)出了能夠回收能力的饋能懸架系統(tǒng)。

3.1 饋能懸架技術(shù)的誕生

其實(shí)從上個世紀(jì)六十年代末，國際上就有很多相關(guān)方面的專家對于主動懸掛系統(tǒng)能源消耗量大的問題進(jìn)行了研究，探討了饋能懸架系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的可能性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其可操作性很強(qiáng)，可以被應(yīng)用到實(shí)踐中去。我國對于饋能懸架技術(shù)的研究最早是由吉林大學(xué)的于長淼教授開始的。

3.2 饋能懸架系統(tǒng)的現(xiàn)狀

饋能懸架系統(tǒng)的誕生有效地緩解主動懸架系統(tǒng)能量耗費(fèi)量過大的問題，但是目前研制出的饋能懸架系統(tǒng)回收的能量總量不足以完全解決主動懸掛系統(tǒng)能耗量過大的問題。所以如何提高饋能懸架系統(tǒng)回收能量總量是饋能懸架系統(tǒng)如今發(fā)展的主要方向。如今國際上對于這個問題的解決方法主要從硬件與軟件兩方面入手。從硬件上，研究者們首先通過降低摩擦損失來防止回收能量時產(chǎn)生的重復(fù)損失。其次，研究者們還在回收能力的電路中額外添加一條升壓電路，通過這種方法時電壓升高，進(jìn)而擴(kuò)大回收能量時的能量總量。但此種方法的研究目前還不夠完善，研究者對于額外添加的升壓電路與原有電路的協(xié)調(diào)性控制的還不是特別好。從軟件上，研究者通過構(gòu)建更適用于實(shí)踐的懸架非線性模型，將能量回收工作與主動控制工作有機(jī)地結(jié)合起來，結(jié)合作動器工作的實(shí)際狀況，不停地變換控制方法，進(jìn)而增加其回收能量的效率。

4 結(jié)語

可以預(yù)見地是，汽車未來發(fā)展的主要方向一定是節(jié)能。隨著地球不可循環(huán)資源的不斷減少，資源枯竭問題逐漸得到人們的重視。在這樣的大背景下，汽車能量回收系統(tǒng)的誕生是大勢所趨。但是目前國際上對于汽車能量回收系統(tǒng)的研究還不夠成熟，縱使有些汽車能量回收系統(tǒng)已經(jīng)投入生產(chǎn)，但其在實(shí)踐應(yīng)用中仍舊存在著諸多問題，汽車能量回收系統(tǒng)的研究依舊任重而道遠(yuǎn)。對于我國來說，這是拉近與世界先進(jìn)汽車生產(chǎn)技術(shù)差距的機(jī)遇，希望我國研究人員能夠有敢于實(shí)踐、敢于冒險(xiǎn)的精神，突破汽車能量回收系統(tǒng)的瓶頸，為我國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的動力。