節(jié)能汽車制動能量回收與再利用探討

蘇煒 鄭心怡 艾天樂

摘要：汽車行駛期間會消耗大量能量，伴隨汽車社會保有量的增加，加之不可再生能源的有限性，使得新型節(jié)能汽車的開發(fā)與使用意義逐漸凸顯出來。近年來，城市交通過于擁堵，使汽車行駛制動愈加頻繁。將輔助動力裝置加裝于現(xiàn)有車輛中，可在制動情況下回收儲存制動損失能量，并在加速狀態(tài)下釋放儲存能量，進(jìn)一步優(yōu)化車輛動力性能?；诖?，文章將節(jié)能汽車制動能量作為主要研究對象，重點闡述回收和再利用的相關(guān)內(nèi)容，希望有所幫助。

關(guān)鍵詞：節(jié)能汽車;制動能量;回收;再利用

中圖分類號：U465.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0178-02

0? 引言

汽車行駛于道路會具備特定速度，所以也一定具有動能。結(jié)合路況與駕駛的需求，汽車會在行進(jìn)期間減速亦或是停車，此時動能消耗需借助制動機(jī)構(gòu)，在制動摩擦片和制動盤間的加壓摩擦、車輪和地面摩擦情況下會形成熱量，使得動能向熱能轉(zhuǎn)化，以實現(xiàn)制動減速的目的。另外，制動機(jī)構(gòu)磨損會影響車輛使用經(jīng)濟(jì)性能，特別是頻繁制動會提高制動機(jī)構(gòu)溫度，影響制動效率，對車輛與人身安全均產(chǎn)生了極大影響。由此可見，深入研究并分析節(jié)能汽車制動能量回收與再利用系統(tǒng)十分有必要。

1? 節(jié)能汽車制動能量回收依據(jù)分析

在當(dāng)前科學(xué)研究中，節(jié)能減排以及環(huán)境保護(hù)均占據(jù)關(guān)鍵地位。很多研究機(jī)構(gòu)在汽車制動能量回收以及再利用方面展開了深入分析，發(fā)現(xiàn)其與非燃油動力汽車技術(shù)存在支架關(guān)聯(lián)。其中，汽車制動能量平衡的方程式如下：。在公式中，E1會通過制動摩擦所形成的熱量而耗散，其能量需借助相關(guān)技術(shù)進(jìn)行回收以及再利用[1]。而E2的組成包括兩部分，其一是車輛在行駛狀態(tài)下因機(jī)械摩擦阻力與發(fā)動機(jī)制動效應(yīng)所消耗的能量，其二是風(fēng)阻力所消耗的能量。風(fēng)阻力的公式為：，風(fēng)阻力消耗能量的公式為：E2實際能量消耗的形式會對不可回收性帶來決定性影響。若車輛行駛速度每小時不超過30千米，即可將風(fēng)阻力消耗能量忽略不計算。

在車輛制動中，可細(xì)化成緊急制動與減速制動兩種。在車輛技術(shù)參數(shù)中，所謂制動距離，即處于規(guī)定條件下進(jìn)行緊急制動車輛所運行距離。針對小型乘用車，其時速不超過100千米，平均的制動距離大概是40米，而制動消耗的時間則為3秒。正是因為時間相對較短，所以能夠回收的能量也不多。而減速制動的時間則相對長一些，能夠?qū)p速期間部分能量加以回收。由于能量回收系統(tǒng)的制動力矩有限，所以在緊急制動方面仍要借助傳統(tǒng)機(jī)械制動的形式進(jìn)行。也就是說，制動能量回收和再利用系統(tǒng)的技術(shù)能力很難對傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)予以全面替代。

2? 節(jié)能汽車儲能形式

對于汽車制動能量的回收和再利用，能量回收方式存儲十分關(guān)鍵。汽車儲能裝置應(yīng)具備以下條件：其一，環(huán)境友好性明顯，特別是使用環(huán)境的溫度不應(yīng)過高;其二，具有較高的能量密度，使車輛自重減輕，油耗降低;其三，安全系數(shù)高，可對一定等級交通事故有效抵御;其四，較高的性價比且技術(shù)成熟[2];其五，存儲和釋放能量可多次循環(huán)，盡可能和車輛的使用年限相同，節(jié)省車輛的使用成本;其六，儲能空間充足且具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，可迅速儲能、釋能。

以下將對比幾種儲能裝置的性能：①化學(xué)蓄電池：儲能形式為化學(xué)儲能;安全系數(shù)較高;技術(shù)成熟;對環(huán)境有污染;能量自耗小;充能時間慢;儲能效率為70%。②飛輪儲能：儲能形式為機(jī)械儲能;安全系數(shù)較高;技術(shù)成熟;幾乎不會污染環(huán)境;能量自耗大;充能時間快;儲能效率為90%。③液壓儲能器：儲能形式為物理儲能;安全系數(shù)低;技術(shù)成熟;環(huán)境污染程度極小;能量自耗與溫度變化有關(guān);充能時間快;儲能效率為50%。④超級電容：儲能形式為物理儲能;安全系數(shù)高;技術(shù)成熟;環(huán)境污染程度小;能量自耗小;充能時間較快;儲能效率為90%。⑤超導(dǎo)儲能：儲能形式為電磁儲能;安全系數(shù)高;技術(shù)相對成熟;環(huán)境污染程度極小;能量自耗極小;充能時間慢;儲能效率為90%[3]。

3? 液壓儲能式研究

節(jié)能汽車液壓儲能式的制動能量回收系統(tǒng)需要借助液壓泵，實現(xiàn)機(jī)械能向液壓能的轉(zhuǎn)化，向液壓儲能器中儲存。在汽車加速的過程中，儲能器在釋放壓力的情況下即可使液壓泵旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實現(xiàn)液壓能向機(jī)械能的成功轉(zhuǎn)化。其中，液壓泵是系統(tǒng)的重要組成部分，因而其性能也將對能量回收以及釋放的效率產(chǎn)生直接影響。

汽車在行駛狀態(tài)下，副離合器處于分離狀態(tài)，且換向器關(guān)閉油路。在制動過程中，變速器輸出扭矩在副變速器的作用下，結(jié)合車速即可對變速做出調(diào)整。隨后，借助副離合器向液壓泵傳遞，而儲液箱內(nèi)液壓油在換向器的作用下向液壓泵進(jìn)入，高壓油泵在能量交換條件下會向變壓儲能器內(nèi)進(jìn)入，使得儲能器內(nèi)部氣體壓縮，進(jìn)而回收能量。而以上過程的逆向表現(xiàn)就是能量的釋放。各個部件的動作則需通過電子控制單元ECU進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)與控制。與此同時，汽車行駛舒適性以及駕駛?cè)藛T的習(xí)慣對于液壓儲能方式控制系統(tǒng)的要求相對較高。此制動能量回收的形式可在載貨汽車中應(yīng)用，而液壓儲能器是高壓容器，可在小型的乘用車中安裝，安全性理想[4]。

4? 物理與化學(xué)儲能式研究

蓄電池與超級電容是物理化學(xué)儲能器的典型代表，車輛在啟動與行駛狀態(tài)下，應(yīng)結(jié)合車速的差異利用ECU對輔助變速器加以控制，確保與電機(jī)連接后實際轉(zhuǎn)動速度處于工作轉(zhuǎn)速范圍，使得牽引力與制動力矩更合理。在車輛制動的情況下，電機(jī)則處于發(fā)電模式，電流在的作用下即可使蓄電池充電，進(jìn)而實現(xiàn)能量儲存的目標(biāo)。在釋能的狀態(tài)下，蓄電池即可提供電力，而電機(jī)處于電動機(jī)模式時即可為車輛提供輔助的動力。鉛酸、液流蓄電池與磷酸鐵鋰蓄電池均為化學(xué)儲能的形式，在超級電容和蓄電池聯(lián)合應(yīng)用的情況下，即可有效提高儲能速率，使得制動力矩明顯增加。目前階段，化學(xué)儲能中的石墨烯能夠全面優(yōu)化蓄電池與超級電容的性能[5]。在混合動力汽車中，制動能量的回收和再利用發(fā)揮重要作用，但混合動力車輛系統(tǒng)復(fù)雜性明顯，所以要對電源管理監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，結(jié)合電池的特性對電池充放電流加以控制，使其使用壽命得以延長，在有效配合能量回收制動和機(jī)械制動的基礎(chǔ)上，即可更好地優(yōu)化車輛的舒適度。

5? 飛輪儲能式研究

飛輪儲能式的制動能量回收系統(tǒng)（圖1）能夠?qū)C(jī)械能加以轉(zhuǎn)化并形成電能，進(jìn)而達(dá)到儲存和再次利用的目的。但與物理、化學(xué)儲能式的最大區(qū)別就是能量的儲存介質(zhì)?？墒褂酶邚姸忍祭w維復(fù)合材料制作飛輪，且保證其工作腔體內(nèi)部抽成真空。然而，飛輪電池的自耗能很大，且受生產(chǎn)成本過高的影響始終未實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展目標(biāo)。近年來，在新型材料技術(shù)發(fā)展的背景下，飛輪的角速度以及能量密度顯著提高。通過對磁懸浮技術(shù)與超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，可使得系統(tǒng)真空殼體內(nèi)的飛輪轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到機(jī)械與風(fēng)力損耗降低的目標(biāo)。但在運用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的過程中，要求始終處于低溫環(huán)境，因而被廣泛應(yīng)用于大型儲能系統(tǒng)中[6]。

目前階段，城市道路相對擁堵，所以車輛會頻繁加速和制動轉(zhuǎn)換，對機(jī)械支撐非炫富飛輪儲能技術(shù)的自耗能是有限的，儲能的速率偏高，能夠獲取充足制動力矩，一定程度上延長了使用壽命。在與物理、化學(xué)儲能單元配合的基礎(chǔ)上，對停車以后的飛輪能量進(jìn)行儲存可增強系統(tǒng)的實用性。

在使用飛輪儲能裝置的過程中，電能可借助電機(jī)對飛輪進(jìn)行驅(qū)動并旋轉(zhuǎn)，而電機(jī)則處于電動機(jī)工作模式，直接提高了飛輪轉(zhuǎn)速，在電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化后即可實現(xiàn)能量儲存的目的。而在釋能的過程中，電機(jī)就會處于發(fā)電機(jī)的工作模式，進(jìn)而向外部提供電流，使得飛輪的轉(zhuǎn)速明顯降低。

6? 各種儲能裝置的性能比較分析

上述的幾種儲能裝置都可以發(fā)揮出有效的儲能作用，進(jìn)而讓汽車的制動能量得到良好的回收和再利用。但是不同儲能裝置的性能也有所不同，具體選擇中，應(yīng)根據(jù)實際需求并結(jié)合其具體性能來進(jìn)行選擇。通過這樣的方式，才可以讓節(jié)能汽車的制動能量得到更加科學(xué)合理的回收和再利用，并在一定程度上實現(xiàn)成本的節(jié)約與安全性的保障。具體情況如表1。

7? 結(jié)束語

綜上所述，以上研究的能量儲存裝置只能夠應(yīng)用于制動能量回收和再利用方面，具體指的就是將輔助動力裝置安裝在汽車內(nèi)（動力源為內(nèi)燃機(jī)），屬于混合動力技術(shù)的重要組成。但輔助動力裝置的增加會使車輛的自重增加，有必要對車輛的中心與穩(wěn)定性做出重新考慮，而且輔助動力裝置布置的狀況也會對車輛制動性能產(chǎn)生一定程度的影響。不管汽車動力能源是哪一種，均需實現(xiàn)能量向動能的轉(zhuǎn)化，而車輛行駛狀態(tài)下，控制車速也一定會引發(fā)能量損失的情況。而制動能量回收和再利用系統(tǒng)雖會增加車輛生產(chǎn)成本，但以長久節(jié)能角度分析，此系統(tǒng)始終是汽車技術(shù)進(jìn)步必要的裝置。

參考文獻(xiàn)：

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