電動汽車能量回收發(fā)展研究綜述

李向宇，宋春華

（1.重慶交通大學機電學院，重慶400074；2.西華大學機械工程學院，四川 成都610039）

0 引言

電動汽車相對以汽油燃燒作為動力的傳統(tǒng)汽車而言，在環(huán)保、清潔、節(jié)能等方面占據(jù)明顯優(yōu)勢[1-2]。但是由于電池能量回收方面的技術(shù)瓶頸一直沒有被突破，導致了電動汽車商業(yè)化進展緩慢。因此，研究電動汽車的能量回收技術(shù)一直是目前電動汽車研究領(lǐng)域的要點。

電動汽車的不同能量回收結(jié)構(gòu)，車型設計和工作要求使其結(jié)構(gòu)形式，應用方法也各不相同，能量回收效果也有很大差別。不管如何變化，它們大部是利用電機的可逆性，讓電機在電動機和發(fā)動機的工作模式間相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)能量回收和輔助加速。電動汽車行駛中，提高續(xù)航里程，提高能量利用率，制動回收起著重要的作用[3-7]。分析國內(nèi)外電動汽車的能量回收技術(shù)，更好地了解目前電動汽車能量回收的現(xiàn)狀和問題[8]是現(xiàn)在工作的重點。

1 電動汽車能量回收的國內(nèi)外狀態(tài)

1.1 電動汽車的發(fā)展情況

首先是由第二次工業(yè)革命掀開了電動汽車的序幕，但在1930年代，由于電動汽車自身的續(xù)航和充電問題，以及內(nèi)燃機消聲器的發(fā)明和燃油汽車價格的下調(diào)，電動汽車進入空白期；而在1973年間電動汽車因石油短缺得到了短時間復蘇，但是最終卻由于電動汽車技術(shù)并沒有突破性的進展，續(xù)航里程短，充電慢等問題未得到解決因此電動汽車也再次被拋棄。在2000年以后，電動汽車再一次迎來春天，2011年，特斯拉推出續(xù)航里程達到240英里的電動汽車，2016年相較于2015年，特斯拉全球范圍內(nèi)新車銷售量上漲50.7%，同年，沃爾沃公司提出“去除內(nèi)燃機”的口號，在第25屆世界電動車大會展覽會上，中國汽車企業(yè)也都展出了自己研制的新能源汽車，電動汽車普及全球的日子終有一天會到來[9-10]。

1.2 能量回收方式分析

原來汽車制動主要是通過摩擦的方式轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。能量回收主要是將機械能通過飛輪、蓄能器、彈簧、超級電容器、蓄電池、液壓泵等轉(zhuǎn)化為其它形式的能存儲起來，在汽車再次起步或加速時使用把能量釋放出來。

1.2.1 儲能元件的比較

下表1是幾種儲能元件的性能優(yōu)劣對比。

表1 五種儲能元件優(yōu)缺點對比表[11-12]

1.2.2 能量回收的能量轉(zhuǎn)換方式及應用分析[7]

下面分別對飛輪系統(tǒng)、液壓儲能系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)和彈簧系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方式進行分析。

（1）飛輪儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換

飛輪在制動時，將能量儲存到飛輪中，在輔助加速時釋放出來。沃爾沃公司是第一家嘗試研究飛輪儲能系統(tǒng)的汽車公司，目前已研制成功的新系統(tǒng)KERSS，就是飛輪儲能系統(tǒng)；意大利的FIAT在試驗中用飛輪作為輔助系統(tǒng)，取得了良好的效果。日本豐田公司在這項技術(shù)上做的最好，雷克薩斯的ES300H等車型將這項技術(shù)發(fā)揮到了最高境界。

（2）液壓儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換

液壓儲能系統(tǒng)在下坡或者減速過程中將能量轉(zhuǎn)換為液壓能存儲，在汽車輔助加速時，將液壓能通過液壓泵釋放出來。美國明日浦公司設計的制動能量回收系統(tǒng)就是采用這一原理。

（3）蓄電池儲能方式能量轉(zhuǎn)換

這種儲能方式將汽車制動中汽車的動能轉(zhuǎn)為了電能儲存起來，在汽車啟動或者需要輔助加速時，再將儲存的能量釋放出來，這是目前汽車公司普通采用的能量回收儲能方式。豐田公司的Prius轎車，本田的Insight轎車，福特公司的Prodigy轎車，日本的Tino轎車和通用的Precept轎車等都是采用的這種能量轉(zhuǎn)換方式。

（4）彈簧儲能方式能量轉(zhuǎn)換

彈簧儲能方式是在汽車上坡或制動過程中使得彈簧形變，將能量轉(zhuǎn)化為彈性勢能，在汽車輔助加速時通過彈簧恢復形變釋放出來。東北大學的馬明旭等，西安交通大學的許廣燦等南京理工大學的單文澤等以及大連工業(yè)的賀濤等以及其它很多專家學者都對這種儲能方式進行過研究。四方車輛的黃建松對彈簧儲能方式在列車上的應用進行了研究。目前真正用在實用汽車上面的基本沒有，國外這方面的研究也較少。

1.3 國內(nèi)能量回收研究情況

國內(nèi)很多學者對控制策略進行了研究。馮能蓮等提出了恒值、定速率、最大化的控制策略；王軍等提出了一種復合制動控制策，充分考慮了變速器檔位影響；高愛云等提出了基于一種控制策略，充分考慮最佳制動效果和運用模糊控制算法[4-8]。這些控制策略都有一定的理論參考價值，但這些控制策略僅局限于理論層面上，大多數(shù)沒有得到實際應用。

國內(nèi)很多大學研究所和企業(yè)通過研究，對能量回收也做出了較大的貢獻。（1）一種專門用于能量回收研究的制動執(zhí)行裝置被李幼德實驗室研發(fā)出來。重慶大學通過對CVT混合動力車的建模進行能量回收研究，實現(xiàn)了高比率的能量回收。（2）清華大學羅禹貢、李蓬等建立能量回收模型用了最優(yōu)控制理論，對提高汽車響應速度和能量回收具有顯著效果[5-6]。（3）上海交大王保華等對兩種制動模式下能量回收進行了仿真研究，純電機制動的能量回收率要高29%[6]。（4）吉林大學呂優(yōu)對制動力分配策略進行了研究，并進行仿真驗證[7-8]。

1.4 國外能量回收研究情況

國際上出名的汽車公司都對能量回收進行了研究。在這些公司中，日本豐田的Toyota Prius通過ECU控制能量回收，通過制動力矩和再生力矩來決定制動力；雪佛蘭的Volt為了提高能量回收率開發(fā)了regen-on-demand系統(tǒng)；1980年末，沃爾沃就開始對城市公交車傳統(tǒng)的機械傳動系汽車進行制動能量回收的研究，并取得了成功；豐田Prius轎車只用一套系統(tǒng)就實現(xiàn)了緊急制動、常規(guī)制動和能量回收；本田Insight轎車制動能量回收采用了多種控制技術(shù)；福特公司、通用公司都研究出了具有能量回收功能的電動汽車。

國外在能量回收上面有許多學者進行了研究取得了不錯的成果：（1）美國的Union College Schenectady New York大學提出了新的能量回饋系統(tǒng)模型，在大客車上進行實驗燃料成本變?yōu)樵瓉淼?0%。美國Texas A&M大學的Hongwei Gao等將神經(jīng)網(wǎng)絡控制用于開關(guān)磁阻電機的能量回收系統(tǒng)，取得了一定的成果。Panagiotidis一方面建立了并聯(lián)式混合動力汽車的能量回收模型，另一方面對能量回收效果進行了仿真分析[9]。Yimin Gao和 Mehrdad Ehsani解決了能量回收系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)可兼容工作的問題。（2）韓國的SungKyunKwan University開發(fā)了EDDLS系統(tǒng)，制動能量通過制動力的分配來回收，通過試驗該系統(tǒng)能量利用率提離3.5%。（3）比利時的flemish技術(shù)學院搭建了HEVAN混合電動車試驗平臺，通過良好的控制策略來對電機實行控制以提高能量回收的效率[12-14]。

2 問題及解決方法

現(xiàn)階段在電動汽車能量回收方面存在著一些問題，這些問題主要有：儲能裝置容量問題，實際應用問題，制動效率與穩(wěn)定性問題等。

（1）現(xiàn)代電動汽車所選擇的輔助動力源的儲能裝置容量有限，充放電電流不足且充放電的時間過長[14]。解決的方法是：可以選用優(yōu)化和改進電動汽車的儲能裝置的方法，開發(fā)儲能容量更大，充放電時電流更大的儲能裝置作為輔助動力源。針對長下坡汽車的動能和勢能吸收能量多，單一蓄電池吸收能量慢的情況，采用了蓄電池和超級電容器和液壓蓄能器結(jié)合的儲能系統(tǒng)，作者對其系統(tǒng)建立了系統(tǒng)模型并通過ADVISOR做了仿真，結(jié)果表明，能量回收效果良好。

（2）目前很多電動汽車的制動回收儲能裝置僅僅停留再理論和算法的研究層面上，實際應用過少[15]。解決方法：應該開發(fā)一些更能實際應用于電動汽車的能量回收裝置。

（3）現(xiàn)在大部分電動汽車采用機械制動，電機制動同時進行，制動效率和穩(wěn)定性不高。解決方法：采用協(xié)調(diào)電機復合制動，提高電機的穩(wěn)定性，開發(fā)一種新型電機，制動時擁有較大的制動力，研究更科學的控制策略提高穩(wěn)定性。

3 未來發(fā)展趨勢

隨著新材料和新技術(shù)的不斷發(fā)展，必然推動著電動汽車的發(fā)展。電動汽車將來必然向智能化，網(wǎng)絡化發(fā)展，汽車的穩(wěn)定性，舒適性將更被重視，因而電動汽車能量回收必然向著智能化、提高舒適性、穩(wěn)定性的方向發(fā)展。

3.1 智能化

隨著電子設備以及高科技技術(shù)手段的不斷發(fā)展，新型的電子系統(tǒng)經(jīng)過不斷的進步以及訓練，可以使得電動汽車能量回收更加智能化。

3.2 人性化

隨著新材料的不斷發(fā)展，新型輪胎的研制必將降低制動的噪音，提高制動的能量回收效率，提升汽車乘坐舒適性。

3.3 網(wǎng)絡化

隨著人工智能技術(shù)和其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，能量回收將來一定會向網(wǎng)絡化方向發(fā)展，將吸收的能量情況通過網(wǎng)絡化控制上傳到汽車研究中心，為節(jié)能回收技術(shù)的進一步提高提供參考樣本，也可能出現(xiàn)汽車之間相互利用對方的節(jié)能系統(tǒng)為本車節(jié)能。

4 結(jié)束語

文章分析了電動汽車能量回收的四種能量轉(zhuǎn)換方式及其應用，對國內(nèi)外公司和學者對制動能量回收系統(tǒng)的研究進行了綜述；提出了目前這一領(lǐng)域研究過程中存在的問題，并對未來發(fā)展趨勢做出了預測，對這方面的研究人員有一定的參考意義。