汽车能量回收系统研究概述

张超英 汪跃中 夏荣鑫

奇瑞新能源汽车技术有限公司 安徽省芜湖市 241000

随着人们节能环保意识的不断增强，科学技术的不断发展，现今科研人员已经可以将环保技术成功应用在汽车上。那么对汽车能量回收系统的进一步研究也就成了重点研究项目。汽车能量回收就是将汽车使用中无法继续被储存使用的能量通过转换再次被有效利用，现在我们使用的能量回收系统，是将可能会浪费在空气里的热能通过形式转换变为电能或其他能量，再次被使用或储存，被转换的能量可以被用于汽车启动或对汽车其他设备供电等。传统的汽车不但能源消耗量大而且污染环境，因为其启动和振动时耗费大量动能和热能，废气还会被排放到空气中，为此新能源汽车逐渐得到人们的关注。本文对传统汽车的发动机废气能量回收系统以及新能源汽车的再生制动能量回收系统、馈能悬架系统进行了概述。

1 传统汽车能量回收系统

余热回收是排气能量的利用常规技术。目前，在汽车发动机使用的技术主要有两类热回收中的应用：一是热电转换热管和组合（热管）热电转换；二是有机朗肯循环。在详细解释余热回收技术前，我们首先分析一下废气中的能量。所有开源和节流燃料消耗的方法都是每一个汽车生产公司的焦点。你知道，即使是一个更有效的柴油发动机，发动机的有效输出至多只占燃油化学能百分之四十五左右，但是大多数的能量其实以热的形式被浪费了。其损失分为三个部分：摩擦损失约占总数的百分之十，传热损失以及排气损失约占总数的百分之二十五。

1.1 热电转化

热电转化事实上利用的是塞贝克效应实现温差发电，在实际中，一旦半导体上下两端存在着温度差异，就一定会产生电压。但该技术受转换效率低的限制，所以没有被汽车生产企业广泛使用。这种限制反映在热端温度限制了热电转换的材料的选择空间，因此我们可以得出结论，材料是热转换技术的主要限制因素之一。在研究中，选择较高温度的材料对于提高热点转换的转换效率有一定的增益作用。

结合热管的热电转化，在设计热电转化时，结合热管可以实现更高的转化效率。热管是一种真空管，它通常被液体密封着，也就是说，其中仅有一个饱和液体以及一个饱和蒸汽。它通过工作流体的两种变换来实现散热，它的导热速度极快，可以说是目前世界上所有金属中最快的。热电管转换时，使用热管利于使其表面温度接近气体温度。

1.2 有机朗肯循环是保时捷等世界知名汽车生产商正在研发的余热回收利用系统

有机朗肯循环是利用有机物作为制冷剂的朗肯循环，是目前所以技术手段中转化效率最高的，最有可能使现有热回收趋于产业化的技术。它采用低沸点的有机物作为工作物质来吸收剩余热能。在通过汽化、气化后，再进入膨胀机进行机械加工。由此产生的机械工可以供发电机发电，或者通过传动装置将有用工叠加在发动机曲轴上。这项技术的首次应用是在余热发电领域。目前，其常作为商用车提高节能效率的技术而被进行深入研究。目前，在美国以及中国有相关项目。由于有机朗肯循环是有机工质的使用，其密度大于水，与朗肯循环发电系统相比较来说，有机朗肯循环膨胀器、换热器和管道尺寸要小得多。但汽车仍然存在许多技术难点的朗肯循环，排气温度内燃机的改变（一般认为°），并在96-100℃发动机冷却液温度，从而使制冷剂的选择尤为重要。还值得一提地是，系统参数的设计，像膨胀机的设计和内燃机的匹配问题愈发重要。

目前有机朗肯循环主要有以下几点缺陷，一个是成本过高，还有一个是它对废气温度有极高的要求，只有高于400度的排气温度才能够确保它的回收效率。第三个是空间布局，应用到汽车上的有机朗肯循环系统虽然已经被压缩，但其仍旧需要相当的设置空间。国内大多数货车都是平的，所以技术的应用也是空间布局中的一个小问题。

2 新能源汽车再生制动能量回收系统

再生制动能量回收就是汽车在减速制动过程中，在有效降低汽车速度的同时，通过能量转换装置将部分动能转化为其他形式能量储存在蓄电池、电容或高速飞轮等装置中，以供汽车再次使用。而传统的汽车在减速制动过程中，是通过摩擦达到减速效果，这样做能量将在摩擦过程中变成热能被浪费在空气中，而且反复的减速制动摩擦会使刹车器产生热衰退性，导致减速制动系统不再灵敏，埋下安全隐患。而且通过调查表明，汽车在这一过程中得制动耗损量大约占汽车驱动能量的二分之一，由此可见，如果能够回收这些能量，将会有效减少石油消耗量，减少环境污染量。

2.1 再生制动能量回收系统的构成和特性

汽车的再生制动能量回收系统是一个机电复合的制动系统，由电机再生制动和摩擦制动两部分构成。根据电机的发电机和电动机之间的可逆性来实现汽车的再生制动，而汽车制动的安全性则由双回路的液压制动来确保。汽车制动过程中，制动控制系统通过刹车踏板间的距离，判断驾驶员希望的制动强度，确定前、后轴制动力，合理的分配摩擦和再生制动的关系。另外，再生制动回收系统还需要满足以下条件：为了确保汽车安全稳定制动，必须合理分配前后轮制动力；在安全制动时，应多使用再生制动系统，而不是机械制动，这样可以有效回收能量；在不影响原有系统性能的前提下，制动控制系统要与防抱死等系统相互配合。

2.2 再生制动能量回收系统控制方式

在再生制动能量回收系统工作的过程中，通过汽车的电控单元接受驾驶员踩刹车是提供的制动信号、汽车行驶速度信号以及汽车驱动信号，从而对工作状况做出合理判断，最后决定是否进行再生制动能量的回收。这样的制动能量回收可以在有效应用在汽车滑行状态或制动减速状态过程中。

3 新能源汽车馈能悬架系统

悬挂系统是指车身、车架和车轮之间的连接系统，也就是汽车的臂和腿。典型的悬挂结构一般分为三部分：弹性元件、阻尼器和导向机构，他们在其中主要有缓冲、减振以及力传递的作用。

随着人们生活水平的不断提高，人们对于汽车的操作性和舒适性的要求越来越高。使用传统的螺旋弹簧已经适应不了人们的内在需要，所以适应环境能力更强，驾驶感受更加舒适的主动悬挂系统进入了人们的视野中。主动悬挂系统虽为人们带来了更好的驾驶体验，但它也不是完美的。它对于能源的需求极大，需要消耗掉大量的能源。在当今节能的大背景下，为顺应时代潮流，人们依据主动悬挂系统为基础开发出了能够回收能力的馈能悬架系统。

3.1 馈能悬架技术的诞生

其实从上个世纪六十年代末，国际上就有很多相关方面的专家对于主动悬挂系统能源消耗量大的问题进行了研究，探讨了馈能悬架系统实际应用的可能性，实验结果表明其可操作性很强，可以被应用到实践中去。我国对于馈能悬架技术的研究最早是由吉林大学的于长淼教授开始的。

3.2 馈能悬架系统的现状

馈能悬架系统的诞生有效地缓解主动悬架系统能量耗费量过大的问题，但是目前研制出的馈能悬架系统回收的能量总量不足以完全解决主动悬挂系统能耗量过大的问题。所以如何提高馈能悬架系统回收能量总量是馈能悬架系统如今发展的主要方向。如今国际上对于这个问题的解决方法主要从硬件与软件两方面入手。从硬件上，研究者们首先通过降低摩擦损失来防止回收能量时产生的重复损失。其次，研究者们还在回收能力的电路中额外添加一条升压电路，通过这种方法时电压升高，进而扩大回收能量时的能量总量。但此种方法的研究目前还不够完善，研究者对于额外添加的升压电路与原有电路的协调性控制的还不是特别好。从软件上，研究者通过构建更适用于实践的悬架非线性模型，将能量回收工作与主动控制工作有机地结合起来，结合作动器工作的实际状况，不停地变换控制方法，进而增加其回收能量的效率。

4 结语

可以预见地是，汽车未来发展的主要方向一定是节能。随着地球不可循环资源的不断减少，资源枯竭问题逐渐得到人们的重视。在这样的大背景下，汽车能量回收系统的诞生是大势所趋。但是目前国际上对于汽车能量回收系统的研究还不够成熟，纵使有些汽车能量回收系统已经投入生产，但其在实践应用中仍旧存在着诸多问题，汽车能量回收系统的研究依旧任重而道远。对于我国来说，这是拉近与世界先进汽车生产技术差距的机遇，希望我国研究人员能够有敢于实践、敢于冒险的精神，突破汽车能量回收系统的瓶颈，为我国汽车产业的发展注入新的动力。