基于车辆再生制动的集能型制动器设计

刘倩倩　邢智源　许亚东　夏冰

摘 要：集能型制动器是利用电磁力制动并且储存电能的装置。该装置是在车轮的内侧安装缠绕线圈的转子，并在车体上固定磁铁，确保刹车时线圈闭合，转子旋转从而带动线圈做切割磁感线运动，进而产生制动力进行刹车。此过程产生的能量则通过储能装置收集，从而达到快速、节能的制动效果。

关键词：再生制动 集能型 能源

中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-120-02

1 引言

目前，环境问题和能源问题是国民经济发展的关键，是提高国民生活质量的重要因素，解决环境问题，节省能源是近年来国内外学者的研究热点。交通运输工具是国民生活中不可或缺的重要因素之一。因此，国内外学者对交通运输工具的节能减排技术非常关注，对车辆的能量回收技术非常重视。各种车辆在制动过程中均消耗大量能量，通过能量守恒定律，将车辆的动能转换成电能回收，即可消耗车辆动能，使得车辆的速度下降甚至停车，又可将车辆的动能有效地转换成电能等可利用能源，供其它设备使用，有效提高能源的利用率。

再生制动是一种反馈制动，目前主要使用在汽车或铁路列车上。传统的制动方式是把车的动能通过摩擦直接转化成热能，从而降低车速。再生制动则是在制动过程中，把车辆的动能转化成电能或其他可再利用能源的形式并储存起来为其他设备提供能源，实现能源的再利用。

2 国内外研究状况

国外再生制动技术的研究时间比较早而且比较深入，除了大量的理论研究成果，实车应用技术也比较成熟。

国内再生制动技术研究目前处于起步阶段。各高校、汽车厂商、科研院所都在这一领域进行研究并有了初步成果，但是大部分研究都停留在理论分析和建模仿真阶段，实车应用不多。所以此技术在国内具有很大的发展空间。

3 再生制动能量储存装置

再生制动能量储存装置的设计方案较多，常用的形式主要有飞轮、液压储能、电化学储能等几种形式。不同的设计方案，优缺点不同。

飞轮储能系统结构简单、能量损耗小，但体积大、储能不易久存、能量输出的时效性较差而且安全性没有保障；液压储能系统结构紧凑、可持久存储电能、能量输出灵活易控制、安全性较好，但系统结构复杂、储能过程中能量损耗大；电化学储能系统体积小而轻、可持久储能、能量输出迅速而易控制，但系统结构复杂、制造成本相对较高。

本文采用的电化学储能制动能量回收系统，它包括与车型相适配的发电机、蓄电池以及可以监视电池电量的智能电池管理系统。电化学储能制动能量回收系统回收车辆在制动或惯性滑行中释放出的多余能量，并通过发电机将其转化为电能，再储存在蓄电池中，用于之后的加速行驶。制动能量回收系统结构紧凑、储能持久而高效、控制灵活而准确，它还可为车内耗电设备供电，降低对发动机的依赖，降低燃耗及二氧化碳排放，具有很好的发展前景。

4 结构设计

基于车辆再生制动的集能型制动器实现回收制动能量的同时，既要保证产生的电能便于储存，还应满足刹车的安全要求和便于驾驶员操作，这就需要找到电刹车和机械刹车的最佳切合点，在确保制动安全的前提下，提高能量的回收率。

由于汽车内部采用交流电，采用永久磁铁作为定子，南北两极，线圈为转子。其中线圈与轮胎同心相连，如图1所示。此种结构在制动时，线圈与外部蓄电器接通，即可产生交流电，同时线圈受到反向的安培力，从而实现减速，其实质是将动能转化为电能的过程。

根据轮胎尺寸和车体结构，实际线圈尺寸为轮胎外圆尺寸的2/3。由于在减速的同时，安培力也随之减小，所以为了确保系统有稳定制动力的提供，线圈要做特殊的设计（如图2），满足其速度减小的同时，线圈匝数呈一定规律增加，从而使制动力基本不变。

5 理论设计及计算

5.1 理论分析

从应用的广泛性考虑，本次设计主要考虑中轻度刹车。中轻度刹车是汽车在正常工况下的制动过程，可分为减速过程与停止过程。电磁刹车负责减速过程，停止过程由机械刹车完成，两种刹车的切换点由电机发电特性确定。

5.2 分析计算

6 结论

基于车辆再生制动的集能型制动器是利用电磁装置在汽车刹车时提供制动力，同时通过储能装置将动能装换成电能储存起来。该集能型制动器可收集65%以上的动能，配合以机械刹车，可实现汽车制动安全可靠。同时具有结构紧凑，操作简单，响应灵敏，寿命长久，噪音低、冲击小，可靠性强的优点。而且他的应用范围不仅局限于汽车制动，还可用于所有需要制动或者有剩余动力可回收的系统中。

当前汽车制动主要采用液压与机械制动并重的方式，对车体磨损严重且能量消耗较大，与之相比，集能型制动器把制动动能高效的转化为电能，提高了汽车能量的综合利用率，其成本较低、安装方便，具有很好的节能优点。该技术同样可应用于城市轨道车辆、电瓶车、机械装备等，将带来很大的经济效益和环境效益。

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