淺析新能源汽車能量回收

沈元興

摘 要：隨著世界各國(guó)政府對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題關(guān)注度的不斷提升，節(jié)能減排成為了21世紀(jì)最重要的熱點(diǎn)話題之一。隨著汽車保有量的不斷攀升，汽車的能耗和排放問(wèn)題日趨凸顯，發(fā)展新能源汽車是無(wú)疑是解決這一問(wèn)題的最好手段。為了降低新能源汽車的能耗，提高其續(xù)航能力，新能源汽車能量回收已成為了國(guó)內(nèi)外各大汽車廠商、高校以及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。文章主要針對(duì)當(dāng)前新能源汽車能量回收技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析論述。

關(guān)鍵詞：新能源;汽車;能量回收

中圖分類號(hào)：U469? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-26-03

Analysis of Energy Recovery of New Energy Vehicles

Shen Yuanxing

（ Fuzhou Vocational and Technical College， Fujian Fuzhou 350108 ）

Abstract： As governments around the world pay more attention to energy and environmental issues， energy conservation and emission reduction have become one of the most important hot topics in the 21st century. With the continuous increase of car ownership， the problems of energy consumption and emissions of cars are becoming more and more prominent. The develop -ment of new energy vehicles is undoubtedly the best way to solve this problem. In order to reduce the energy consumption of new energy vehicles and improve their endurance， the energy recovery of new energy vehicles has become a research hotspot of major domestic and foreign automobile manufacturers， universities and related research institutions. This article mainly analyzes and discusses the current development status of new energy vehicle energy recovery technology.

Keywords： New energy; Automobile; Energy recovery

CLC NO.： U469? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-26-03

前言

隨著科技和工業(yè)快速地協(xié)同發(fā)展，全球的汽車保有量在不斷攀升，能源和環(huán)境污染問(wèn)題也隨之日益凸顯。汽車作為人們出行最常用的交通工具之一，它在給人們帶來(lái)方便的同時(shí)也帶來(lái)了排放污染和能源的損耗問(wèn)題。因此，降低其能耗和排放污染的問(wèn)題，已成為的現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要方向[1]。為了改善這一問(wèn)題，世界各國(guó)都加快了新能源汽車研發(fā)進(jìn)程，也相繼出臺(tái)了扶持新能源汽車發(fā)展的相關(guān)政策，在各國(guó)政府的大力推動(dòng)下，新能源汽車技術(shù)難點(diǎn)正在一步步的被攻克，當(dāng)前新能源汽車的正處于高速發(fā)展階段[2]。新能源汽車采用電力驅(qū)動(dòng)，而電力驅(qū)動(dòng)的汽車早在1800年電池就己經(jīng)問(wèn)世，1873年英國(guó)人Robert DaVidson采用鐵鋅電池（不可充電）作為動(dòng)力源成功將一輛三輪馬車改造成世界上第一輛電動(dòng)車[3]，之后不久可充電的電動(dòng)汽車也隨之問(wèn)世，但由于當(dāng)時(shí)的電動(dòng)汽車存在著蓄電池電能密度低、充電時(shí)間長(zhǎng)等缺陷，被后來(lái)出現(xiàn)的內(nèi)燃機(jī)汽車所取代。然而，環(huán)境和能源問(wèn)題的日益凸顯，使得新能源汽車的研發(fā)又重新的被提上了日程。目前，新能源汽車已經(jīng)不止局限于純電動(dòng)汽車，還包括混合動(dòng)力汽車、燃料電池電動(dòng)汽車、增程式電動(dòng)汽車以及其他新能源汽車等。為了降低新能源汽車的能耗，提高其續(xù)航能力，新能源汽車能量回收成為了當(dāng)前新能源汽車研究的重要課題。

1 新能源汽車能量回收方式

由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)力傳動(dòng)路線長(zhǎng)，導(dǎo)致其熱效率不到50%，大部分的能量在機(jī)械部件傳遞過(guò)程中是以“熱”的形式損失了。相較而言，新能源汽車則具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電能轉(zhuǎn)化效率高的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。為了進(jìn)一步提高新能源的電能利用率，能量回收系統(tǒng)逐漸成為了新能源汽車的標(biāo)配。新能源汽車能量回收機(jī)制一般可分為液壓儲(chǔ)能、啟停系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能以及制動(dòng)能量回收4種[4]。其中，液壓儲(chǔ)能與啟停系統(tǒng)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上已經(jīng)得到運(yùn)用;飛輪儲(chǔ)能由于其能量密度低，自放電率高，目前尚未能廣泛運(yùn)用于新能源汽車上;制動(dòng)能量回收方式在新能源汽車中最為常見的，它主要是通過(guò)回收車輛在制動(dòng)或慣性中作用下釋放出的多余能量，通過(guò)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存至蓄電池中，通過(guò)回收電能以達(dá)到提高新能源汽車的續(xù)航目的。

1.1 液壓儲(chǔ)能再生裝置

汽車液壓儲(chǔ)能裝置可在不改變傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)和使用功能的前提下，通過(guò)加裝一套液壓再生驅(qū)動(dòng)總成，達(dá)到能量回收的目的。其主要是對(duì)在制動(dòng)過(guò)程中被浪費(fèi)掉的制動(dòng)能量進(jìn)行有效回收儲(chǔ)存，然后通過(guò)回收的能量再次應(yīng)用于車輛起動(dòng)和加速上，整個(gè)過(guò)程不僅實(shí)現(xiàn)了能量回收，還減少了制動(dòng)器磨損。

1.2 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能裝置主要包括3個(gè)核心部分：飛輪、電機(jī)和電力電子裝置，其能量轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖1所示。飛輪儲(chǔ)能裝置具有充電快，壽命長(zhǎng)，不受深度放電等影響等優(yōu)點(diǎn)，目前，在太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及航空航天等方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但飛輪儲(chǔ)能裝置仍存在著一些固有缺點(diǎn)，如當(dāng)車輛偏離直線行駛時(shí)，飛輪產(chǎn)生的陀螺力矩將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的操縱性能。除此之外，一旦飛輪發(fā)生故障，以動(dòng)能形式存儲(chǔ)在飛輪中的能量可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)，對(duì)設(shè)備甚至汽車造成巨大破環(huán)[5]。因此，目前飛輪儲(chǔ)能裝置仍無(wú)法在電動(dòng)汽車上得到廣泛應(yīng)用。

1.3? 啟停系統(tǒng)

汽車啟停系統(tǒng)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車已經(jīng)得到廣泛運(yùn)用，且節(jié)能減排效果顯著，在城市工況下，智能啟停系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放減少潛力最高可達(dá)15%[6]。相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車而言，啟停系統(tǒng)對(duì)新能源汽車在節(jié)能方面起到的效果不是很明顯，主要是由于新能源汽車在低速行駛或間斷啟停時(shí)，電動(dòng)機(jī)的耗電量很低，車載其他用電設(shè)備的電能同樣需要由電池提供;而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車在低速或怠速行駛時(shí)，由于燃燒室的燃燒條件變差，油耗反而增加且由于燃燒不充分導(dǎo)致排放更加惡劣。

1.4 制動(dòng)能量回收

制動(dòng)能量回收在新能源汽車中最主要的能量回收方式，通過(guò)試驗(yàn)證明，新能源汽車采用制動(dòng)能量回收技術(shù)，可提高車輛動(dòng)力能源10%～20%的利用率，有效延長(zhǎng)了車輛的續(xù)航里程[7]。如圖2所示，它主要是通過(guò)回收車輛在制動(dòng)或慣性中釋放出的多余能量并通過(guò)發(fā)電機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)存至蓄電池中用于汽車的動(dòng)力行駛。

2 新能源汽車制動(dòng)能量回收與使用性能

汽車的制動(dòng)性能關(guān)系到汽車的安全性[8]，制動(dòng)能量回收技術(shù)的運(yùn)用除了不能影響汽車的安全性能外，還不能影響到其操縱性、舒適性與可靠性。就當(dāng)前的技術(shù)而言，制動(dòng)能量回收力度與汽車的安全性、操縱性、舒適性以及可靠性仍然存在著較大的矛盾。目前市場(chǎng)上的新能源汽車基本上都設(shè)有三級(jí)能量回收等級(jí)，而各級(jí)的能源的回收率，不同廠家標(biāo)定的值也有所差異。如：本田的I-MMD系統(tǒng)，其一級(jí)能量回收率為20%，二級(jí)能量回收率為40%，三級(jí)能量回收率為65%。伴隨著能量回收等級(jí)的提升，汽車的減速度也會(huì)隨之增大，而能量回收過(guò)大時(shí)，松開油門車輛會(huì)出現(xiàn)急剎現(xiàn)象，不緊會(huì)影響駕駛者的感受，可能還會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生。對(duì)于新能源公交車而言，能量回收過(guò)大導(dǎo)致的頓挫感還會(huì)導(dǎo)致乘客出現(xiàn)“暈車”現(xiàn)象，大大降低了乘坐舒適性。

2.1 舒適性和操縱性

在實(shí)際的汽車在行駛過(guò)程中，大多數(shù)駕駛者需求的減速度小于0.05g，對(duì)于新能源汽車而言，若設(shè)定的減速度為0.05g，則回收能量將非常有限，為了提高能量回收率力度，只能通過(guò)提升減速g值來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前市場(chǎng)上有些車型將能量回收力度提升到0.15g～0.2g甚至更高，以達(dá)到增大能量回收力度的目的。在高速行駛時(shí)，減速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的“點(diǎn)頭”現(xiàn)象，若通過(guò)犧牲乘坐舒適性和操縱性來(lái)增大能量回收似乎違背了汽車研發(fā)設(shè)計(jì)的初衷。

2.2 安全性

由于制動(dòng)能量回收會(huì)伴隨著不同程度的“拖拽”現(xiàn)象，為了確保新能源汽車的行駛安全，一些車企相應(yīng)的設(shè)置了能量回收尾燈提示功能。如：特斯拉、寶馬i3以及蔚來(lái)ES8等車型，在執(zhí)行最低等級(jí)的能量回收時(shí)，尾燈就會(huì)亮起，確保了汽車行駛的安全性。但目前市場(chǎng)上仍有很多新能源汽車未配備此功能，這將會(huì)大大提高其事故的風(fēng)險(xiǎn)率。

2.3 可靠性

制動(dòng)能量回收作為輔助制動(dòng)裝置，必須在確保其工作過(guò)程中不對(duì)制動(dòng)性能產(chǎn)生影響的前提下進(jìn)行，以確保汽車在行駛過(guò)程中制動(dòng)的可靠性。目前對(duì)兩者之間的制動(dòng)力分配形式主要有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。相較于并聯(lián)式制動(dòng)力分配形式而言，串聯(lián)式制動(dòng)力分配形式的摩擦制動(dòng)力可調(diào)節(jié)范圍更大，可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)性能的柔性調(diào)節(jié)，提高了新能源汽車制動(dòng)性能的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)，還能使其獲得更高的能量回收率。

3 新能源汽車制動(dòng)能量回收的意義

制動(dòng)能量回收技術(shù)的開發(fā)是為了降低新能源汽車在制動(dòng)過(guò)程中的能量損失，以達(dá)到提高其續(xù)航的目的。但就目前的技術(shù)水平而言，要使制動(dòng)能量回收與汽車其他使用性能做到完美的協(xié)調(diào)視乎還存在一定差距，不得不通過(guò)犧牲某些性能來(lái)提高能量回收率。對(duì)于大多數(shù)的駕駛者而言，高強(qiáng)度的能量回收產(chǎn)生的“強(qiáng)制制動(dòng)”顯然是得不償失，順暢的滑行才是駕駛者所需要的駕駛感受。目前，全世界都在大力投入新能源汽車制動(dòng)能量回收的研究，與制動(dòng)能量回收相關(guān)的專利也在逐年攀升。雖然當(dāng)前的制動(dòng)能量回收技術(shù)還存在一些不足，但對(duì)新能源汽車提高續(xù)航方面仍然有很大的意義。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，制動(dòng)能量回收的控制策略將得到不斷完善，制動(dòng)能量回收與新能源汽車的使用性能也將更好的協(xié)調(diào)。

4 結(jié)論

隨著世界各國(guó)對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題關(guān)注度的不斷提升，在未來(lái)，新能源汽車將成為主流，能量回收是新能源汽車發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，目前全世界申請(qǐng)的與制動(dòng)能量回收相關(guān)的專利已有上萬(wàn)項(xiàng)，隨著研究的不斷深入，制動(dòng)能量回收技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)重大突破，新能源汽車的效率也將進(jìn)一步得到提高。

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