汽車制動能量回收利用技術(shù)研究與發(fā)展前景

李建偉

摘 要：分析了目前汽車制動能量回收利用現(xiàn)狀，在蓄電池儲能方案的基礎(chǔ)上，提出了利用制動能量驅(qū)動SR電機工作，將制動過程中的動能轉(zhuǎn)化為電能給用電設(shè)備或給蓄電池充電;在汽車起步或加速過程中，SR電機既為傳動系提供動力又帶動壓氣機給發(fā)動機提供壓縮空氣改善燃燒。

關(guān)鍵詞：制動能量 回收利用 汽車

Research and Development Prospect of Automobile Braking Energy Recovery Technology

Li Jianwei

Abstract：The article analyzed the current status of automobile braking energy recovery and utilization. Based on the battery energy storage scheme， the article? proposed to use the braking energy to drive the SR motor to work， and convert the kinetic energy during the braking process into electrical energy to the electrical equipment or to the battery charging. During the start or acceleration of the car， the SR motor not only provides power for the drive train， but also drives the compressor to provide compressed air to the engine to improve combustion.

Key words：braking energy， recycling， automobile

目前，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保有量的增加，城市市內(nèi)行駛車輛會經(jīng)常因頻繁加減速而進行制動，傳統(tǒng)的制動方式是利用制動器的摩擦將汽車行駛的動能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉，這不僅使得制動器的壽命大大降低，同時增加了汽車的燃油消耗，并產(chǎn)生大量的廢氣排放。因此，回收汽車制動能量是提高汽車燃油利用率、實現(xiàn)汽車節(jié)能的有效方式。

1 汽車制動能量回收利用現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)外對汽車行駛制動能量回收利用方式的研究主要集中在以下四個方面：機械儲能、液壓儲能、氣壓儲能和電化學(xué)儲能。

現(xiàn)對以上汽車制動能量回收存儲方式進行分析。

1.1 機械儲能

機械儲能常用的一種方式是飛輪儲能，它利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動能將制動能量進行回收儲存。當(dāng)汽車行駛過程中需要制動或減速時，汽車車身的慣性動能通過飛輪儲能系統(tǒng)加快飛輪的旋轉(zhuǎn)，將制動過程中的能量轉(zhuǎn)換為飛輪的動能儲存起來。當(dāng)汽車起步或者加速行駛時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪逐漸減速并將自身動能傳給車身，作為汽車起步或者加速時的輔助動力來源。飛輪式機械儲能結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。但飛輪儲存的動能多少與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，而轉(zhuǎn)動慣量取決于飛輪的直徑和質(zhì)量，而較大質(zhì)量和直徑與成本和安裝空間相矛盾，使應(yīng)用范圍受到一定限制。

1.2 液壓儲能

液壓儲能系統(tǒng)對汽車制動能量的回收利用包括制動能量回收儲存和釋放利用兩個過程。液壓儲能制動能量回收系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，主要由傳動軸、齒輪、二次元件（液壓泵/液壓馬達）、蓄能器、油箱及由油缸和電磁閥組成的電液伺服裝置等組成。當(dāng)車輛由行駛狀態(tài)轉(zhuǎn)化為制動或減速狀態(tài)時，電液伺服裝置控制二次元件作為液壓泵狀態(tài)工作，傳動軸通過一對傳動齒輪增速后帶動二次元件工作，此時整個汽車的慣性能量便以液壓能的方式儲存到蓄能器里邊。與此同時，二次元件工作時還可以通過傳動齒輪對傳動軸實施以反向力矩，從而使車迅速制動或減速。當(dāng)車輛再次啟動或加速行駛時，電液伺服裝置控制二次元件作為液壓馬達狀態(tài)工作，儲存在蓄能器中的高壓液壓能促使二次元件轉(zhuǎn)動，并通過傳動齒輪減速增扭后作用于傳動軸，保證車輛快速起步或加速行駛。該種回收利用方式雖然在公交車上得以實現(xiàn)，但是由于蓄能器自身較大的體積使得該方式在自身機械傳動底盤上安裝空間有限的汽車上使用具有一定的局限性。在應(yīng)用過程中，液壓油在壓縮釋放過程中會因發(fā)熱而產(chǎn)生能量損失。同時，液壓系統(tǒng)的密封性、受溫度影響的液壓油粘度及油液中的空氣、雜質(zhì)等都會影響該系的工作可靠性。

1.3 氣壓儲能

氣壓儲能系統(tǒng)與液壓儲能系統(tǒng)的工作原理類似，方案流程圖如圖2所示。在汽車制動或者減速過程中，通過傳動機構(gòu)帶動空氣壓縮機工作將汽車慣性能量轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮耗軆Υ嬖趦夤迌?nèi)部。當(dāng)車輛再次啟動或加速行駛時，儲氣罐內(nèi)高壓氣體在控制電磁閥的控制下進入氣動馬達回路，氣動馬達將氣壓能轉(zhuǎn)換為機械能供給傳動軸，輔助汽車原地快速起步或加速行駛。但是，該系統(tǒng)對密封性要求很高，儲氣罐的安裝致使該方式的應(yīng)用范圍受到一定限制。

1.4 電化學(xué)儲能

電化學(xué)儲能是利用電機獨特的結(jié)構(gòu)根據(jù)工作過程的可逆性實現(xiàn)汽車行駛機械能和電能的相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)汽車制動過程中，制動能量回收裝置中的電機在發(fā)電機的狀態(tài)下工作，汽車高速運動的機械能通過傳動分流裝置帶動電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中。當(dāng)車輛開始起步時，電機作為電動機將儲存的電化學(xué)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動車輛運動的機械能。其工作原理如圖3所示。但該方式主要應(yīng)用在環(huán)保性能優(yōu)良的電動汽車上應(yīng)用較多。

2 汽車制動能量回收利用發(fā)展前景

通過對目前使用的汽車制動能量回收利用方式的分析可知：通過蓄電池儲能的方式將汽車高速行駛制動的能量存儲起來，必要時轉(zhuǎn)化為機械能對外輸出是一種比較可觀有效的利用方式，既避免了液壓和氣壓回收利用方式工作過程可靠性不高的問題，又解決了機械式回收利用方式質(zhì)量和直徑較大與成本和安裝空間相矛盾的問題。本文在基于蓄電池儲能方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)，提出了一種新型的汽車制動能量回收利用方案，工作原理框圖如圖4所示。

汽車制動能量回收發(fā)電利用方案的設(shè)計思路如下：當(dāng)汽車高速行駛過程中制動時，控制單元收到傳感器傳來的制動信號，控制單元通過處理分析向電磁離合器I發(fā)送控制指令，控制電磁離合器I工作，使二次元件和SR電機的轉(zhuǎn)子軸聯(lián)為一個整體。與此同時，二次元件通過機械傳動（齒輪）與傳動系中傳動軸相聯(lián)接，在傳動軸的帶動下和SR電機的轉(zhuǎn)子軸一起旋轉(zhuǎn)。通過對SR電機控制器設(shè)定使其工作在發(fā)電模式下，將制動時汽車的動能通過傳動系轉(zhuǎn)化為電能回饋至蓄電池或給用點設(shè)備提供電能。同時，SR電機在發(fā)電模式下工作時也會對傳動系施加一定的阻力來進一步改善汽車的制動效果。

當(dāng)放松制動汽車起步或加速時，控制單元控制電磁離合器I和電磁離合器II同時工作，一方面SR電機在電動模式下由蓄電池供電轉(zhuǎn)動，帶動二次元件將動力增加到傳動系中，為汽車起步或加速提供動力;另一方面，SR電機通過帶動壓氣機工作，將外界空氣加壓后送入發(fā)動機，以增加進氣過程中進氣的密度和進氣量，改善發(fā)動機的燃燒過程，提高燃料利用率。本方案采用的SR電機結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子沒有永磁體和繞組，電能損耗少，工作效率和可靠性高，調(diào)速范圍寬，控制靈活，更加適用于再生制動的場合，并且啟動時電流小轉(zhuǎn)矩大，適合正反方向工作的場合。

本汽車制動能量回收利用方案可在現(xiàn)有汽車設(shè)備布局不變的基礎(chǔ)上通過稍加改動即可實現(xiàn)。面對日益嚴(yán)峻的環(huán)境和能源問題，本方案具有較好的應(yīng)用價值和推廣前景。

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