浅谈新能源汽车的制动能量回收技术

摘要：新能源汽车是将车辆减速时的动能转化为电能，回收入动力电池，而不是摩擦浪费掉，这无疑相当于增加了蓄电池的容量。汽车的制动性能关系到汽车的安全，制动能量回收技术的应用不能影响汽车的制动性能，如何将二者完美的接合对于新能源汽车的发展是个关键性的问题。文章对新能源汽车的制动能量回收技术进行了探讨。

关键词：新能源汽车；制动能量回收；制动力分配；动力电池；制动性能 文献标识码：A

中图分类号：U469 文章编号：1009-2374（2016）36-0107-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.053

1 新能源汽车概述

新能源汽车是指不采用常规的车用燃料（或采用常规的车用燃料同时增加新型车载动力装置）作为动力来源，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，原理先进，具有新技术、新结构的汽车。目前都是以电能或常规能源与电能并用作为动力来源的。

1.1 电动汽车的历史简介

其实要说新能源汽车，电能汽车可一点都不“新”，早在1800年电池就已经问世了，1873年英国人Robert Davidson采用铁锌电池（不可充电）作为动力源成功将一辆三轮马车改造成世界上第一辆电动车，1882年法国人制造可载50人电动汽车，1886年伦敦出现了电动公交车。我们现在所广泛采用的内燃机汽车是1886年诞生的，所以要说“新”，内燃机汽车更年轻一些。1900年美国的汽车产量为4195辆，其中电动汽车1575辆、蒸汽汽车1684辆、内燃机汽车936辆，电动汽车要比内燃机汽车产量高。不过电动车存在蓄电池充电这一瓶颈，相比之下内燃机汽车在续航问题上更具备优势，所以后来者居上，到1920年美国的公路上已经基本上看不到电动汽车的身影了。而今，由于环境、能源等问题，人们在汽车上重新利用电能，电动汽车反倒成了“新”能源汽车。

1.2 新能源汽车的形式

新能源汽车的形式包括混合动力汽车、燃料电池电动汽车、纯电动汽车、增程式电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源汽车等。

混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）是由两个或两个以上能同时运转的单个动力系统联合组成动力系统的车辆，车辆的动力依据实际的车辆行驶状态由单个动力系统提供或多个动力系统共同提供。混合动力汽车有多种组成部件、布置方式和控制策略，形式多样。

燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）是纯电动汽车的一种，主要区别在于动力电池的工作原理不同。燃料电池的电能是通过氢气和氧气在催化剂的作用下经电化学反应产生的。

纯电动汽车（Blade Electric Vehicles，BEV）是以电动机驱动汽车行驶的车辆，而电动机所需电能完全来自储能动力源—蓄电池。

氢发动机汽车（Hydrogn Engine Vehicles）是以氢燃料发动机为动力源的汽车。氢发动机汽车是一种真正实现零排放的汽车，其排放物为H2O。

其他新能源汽车包括使用飞轮、超级电容器等高效储能器的汽车。目前在我国，新能源汽车主要是指纯电动汽车、增程式电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池电动汽车，常规混合动力汽车被划分为节能汽车。

2 制动能量回收技术概述

制动能量回收是指在汽车制动时，由能量回馈装置进行汽车制动，并将由此转化或再生的能量回馈给能量存储系统（如蓄电池）用于驱动汽车或车载附件的工作。

2.1 汽车的制动

汽车的制动分为广义和狭义两种解释。广义上讲，凡是利用与驱动力相反的力使汽车减速、停驶或可靠驻停的过程都应该称为制动。狭义上讲，就是利用汽车的制动器形成专门的与驱动力相反的制动力来制动。

现代汽车广泛采用摩擦式制动器，任何形式的制动器都包括两个重要的组成部分即运动元件和静止元件。运动元件同车轮连接，汽车行驶时运动元件与车轮一同以车轴中心为轴心旋转；静止元件为相对静止，它被固定安装在汽车底盘上，不会发生转动。在汽车行驶过程中，运动元件与静止元件存在配合间隙，互不干扰；制动时，驾驶员通过驱动装置使两元件接触并在其接触表面施以正压力，在摩擦力的作用下使运动元件及其相连的车轮减速甚至停止转动。

摩擦生热，制动一定会消耗一部分能量，在中国的城市道路工况下，以捷达轿车为例，它的滚动阻力将消耗1130千焦能量，风阻将消耗530千焦能量，制动将消耗1287千焦能量，制动消耗能量占能量总消耗的44%。如果将这44%的制动能量减小或重新利用，那么将会明显地提升汽车的经济效率并能节省燃料降低排放。

2.2 制动能量的回收

如果将车辆减速时的动能转化为电能，回收入動力电池，而不是摩擦浪费掉，这无疑相当于增加了蓄电池的容量。这一技术最早应用于火车，火车的驱动都是由直流或交流电机驱动的，在制动时，通过电路的控制，使电动机变为发电机，以发电机发电产生的阻力来制动，生成的电力可以反馈到电网之上，称为再生制动。在现有的技术条件下将该技术应用于新能源汽车，对于提高新能源汽车的续驶里程性能方面具有重要的意义。一般来讲，假设在动力电池的充电效率为100%，电动机的效率、制动回馈的效率为50%，车辆总消耗能量的50%用于获得车辆动能的设定条件下，根据能量守恒而解析计算得到：采用再生制动能量回收，可提高车辆续驶里程约33%。

2.3 制动能量回收方式

目前制动能量的回收有三种方式：

方式一：机械式，如图1（a）所示利用飞轮的转动惯量产生制动力。当需要发动机的动力时，离合器1接合，离合器2分离，这和普通的发动机前置后轮驱动的机械式传动系统是一样的；当需要制动时，离合器1分离，离合器2接合，利用飞轮的转动惯量制造阻力，降低传动系的终端车轮的转速；在储能机构储存有足够能量的情况下，当汽车克服重载时可将离合器1与离合器2同时接合，利用储能机构中因制动而产生的能量帮助发动机克服负载，从而节省燃料提升续航里程。但是飞轮质量大，占用空间大，并且造成传动系复杂，加之抗振性差，所以目前较少采用。

方式二：液压或气压储能式，如图1（b）所示利用泵与马达互为逆原理，制动时利用泵（或空气压缩机）的阻力产生制动力并将由机械能转化来的液压能（或气压能）存于蓄能器（或储气罐）。当汽车克服重载时利用蓄能器（或储气罐）中的液压能或气压能逆向驱动液压马达（或气压马达），从而帮助发动机克服负载。但由于工作性质的区别，制造完全可逆的泵/马达难度较大，而且液压传动压力高，对密封性要求严格，蓄能器储能能力和空间有限，这些因素制约了此种方式在新能源汽车上的应用。未来如果能解决空气压缩机/气压马达逆变问题，此方式在采用气压制动的商用新能源汽车上有极大的发展空间。

方式三：电储能式，如图1（c）所示在制动时，通过电路的控制使电动机变为发电机，以发电机发电产生的阻力来制动，所转化的电能存于蓄电池。当汽车克服重载时利用蓄电池中的电能逆向驱动电动机，从而帮助发动机克服负载。此方案目前在新能源汽车中应用较为广泛。

3 制动能量回收技术对新能源汽车发展的影响

汽车的制动性能关系到汽车的安全，制动能量回收技术的应用不能影响汽车的制动性能，如何将二者完美地接合对于新能源汽车的发展是个关键性的问题。目前二者的结合有两种方案，即并联式制动力分配和串联式制动力分配。

并联式制动力分配是指制动能量回收所提供制动力与常规制动力并联，所以对常规制动装置改动较小或可不改动。

串联式制动力分配是指制动能量回收所提供制动力与常规制动力串联，所以需要对常规制动装置改动，但摩擦制动力可以调节，制动感受更加优质并且获得更高的制动能量回收效率。因此串联式制动力分配策略将会是未来新能源汽车制动能量回收技术的发展方向并且对我国新能源汽车技术产生以下两方面的影响：

3.1 插电式混合动力汽车在我国更加具有发展优势

插电式混合动力汽车相对于纯电动汽车、增程式电动汽车、燃料电池电动汽车对于蓄电池充电问题这一瓶颈采用了相对更佳的解决方案，并且在续航里程、对传统传动系统的改变、安全便捷等方面更具优势。相对于常规混合动力汽车它又享受政府财政补贴、免税等政策，并且在制动能量回收上更容易采用电储能方式如图1（c），因此插电式混合动力汽车在我国更加具有发展优势。

3.2 促进我国ABS＼EBD＼ASR＼ESP等技术的发展进步

目前我国在乘用车ABS＼EBD＼ASR＼ESP等技术上还完全依赖进口，这将制约我国新能源汽车技术的发展，那么为了在新能源汽车技术上实现赶超发达国家，我国将会直接跨越传统能源汽车ABS＼EBD＼ASR＼ESP时代而直接研发将ABS＼EBD＼ASR＼ESP单元与制动能量回收单元、驱动单元一体化的新型制动系统，这将促进我国ABS＼EBD＼ASR＼ESP等技术的发展进步。

我国是世界第二大经济体，在取得巨大成就的同时应该看到我国人口世界第一，是能源消耗大国，发展新能源汽车符合我国国情，利国利民。而制动能量回收技術又是发展新能源汽车技术的一项关键技术，虽然它目前还不够成熟，但发展该技术在当下可以提升传统燃料汽车的效率，提升汽车燃油经济性能，刺激我国汽车制动系统制造业的推陈出新；在未来它有助于推动新能源汽车技术的成熟，为新能源汽车的广泛普及提供助推剂，发展制动能量回收技术势在必行。

参考文献

[1] 张俊智.混合动力城市客车制动能量回收系统道路试 验[J].机械工程学报，2009，（2）.

[2] 张俊智.混合动力城市客车串联式制动能量回馈技术 [J].机械工程学报，2009，（6）.

作者简介：姜峰（1982-），男，吉林工程职业学院汽车工程分院讲师，沈阳航空航天大学工程硕士，研究方向：汽车构造、液压传动。

（责任编辑：王 波）