电动汽车能量回收发展研究综述

李向宇，宋春华

（1.重庆交通大学机电学院，重庆400074；2.西华大学机械工程学院，四川 成都610039）

0 引言

电动汽车相对以汽油燃烧作为动力的传统汽车而言，在环保、清洁、节能等方面占据明显优势[1-2]。但是由于电池能量回收方面的技术瓶颈一直没有被突破，导致了电动汽车商业化进展缓慢。因此，研究电动汽车的能量回收技术一直是目前电动汽车研究领域的要点。

电动汽车的不同能量回收结构，车型设计和工作要求使其结构形式，应用方法也各不相同，能量回收效果也有很大差别。不管如何变化，它们大部是利用电机的可逆性，让电机在电动机和发动机的工作模式间相互转换实现能量回收和辅助加速。电动汽车行驶中，提高续航里程，提高能量利用率，制动回收起着重要的作用[3-7]。分析国内外电动汽车的能量回收技术，更好地了解目前电动汽车能量回收的现状和问题[8]是现在工作的重点。

1 电动汽车能量回收的国内外状态

1.1 电动汽车的发展情况

首先是由第二次工业革命掀开了电动汽车的序幕，但在1930年代，由于电动汽车自身的续航和充电问题，以及内燃机消声器的发明和燃油汽车价格的下调，电动汽车进入空白期；而在1973年间电动汽车因石油短缺得到了短时间复苏，但是最终却由于电动汽车技术并没有突破性的进展，续航里程短，充电慢等问题未得到解决因此电动汽车也再次被抛弃。在2000年以后，电动汽车再一次迎来春天，2011年，特斯拉推出续航里程达到240英里的电动汽车，2016年相较于2015年，特斯拉全球范围内新车销售量上涨50.7%，同年，沃尔沃公司提出“去除内燃机”的口号，在第25届世界电动车大会展览会上，中国汽车企业也都展出了自己研制的新能源汽车，电动汽车普及全球的日子终有一天会到来[9-10]。

1.2 能量回收方式分析

原来汽车制动主要是通过摩擦的方式转化为热能消耗掉。能量回收主要是将机械能通过飞轮、蓄能器、弹簧、超级电容器、蓄电池、液压泵等转化为其它形式的能存储起来，在汽车再次起步或加速时使用把能量释放出来。

1.2.1 储能元件的比较

下表1是几种储能元件的性能优劣对比。

表1 五种储能元件优缺点对比表[11-12]

1.2.2 能量回收的能量转换方式及应用分析[7]

下面分别对飞轮系统、液压储能系统、蓄电池储能系统和弹簧系统的能量转换方式进行分析。

（1）飞轮储能系统能量转换

飞轮在制动时，将能量储存到飞轮中，在辅助加速时释放出来。沃尔沃公司是第一家尝试研究飞轮储能系统的汽车公司，目前已研制成功的新系统KERSS，就是飞轮储能系统；意大利的FIAT在试验中用飞轮作为辅助系统，取得了良好的效果。日本丰田公司在这项技术上做的最好，雷克萨斯的ES300H等车型将这项技术发挥到了最高境界。

（2）液压储能系统能量转换

液压储能系统在下坡或者减速过程中将能量转换为液压能存储，在汽车辅助加速时，将液压能通过液压泵释放出来。美国明日浦公司设计的制动能量回收系统就是采用这一原理。

（3）蓄电池储能方式能量转换

这种储能方式将汽车制动中汽车的动能转为了电能储存起来，在汽车启动或者需要辅助加速时，再将储存的能量释放出来，这是目前汽车公司普通采用的能量回收储能方式。丰田公司的Prius轿车，本田的Insight轿车，福特公司的Prodigy轿车，日本的Tino轿车和通用的Precept轿车等都是采用的这种能量转换方式。

（4）弹簧储能方式能量转换

弹簧储能方式是在汽车上坡或制动过程中使得弹簧形变，将能量转化为弹性势能，在汽车辅助加速时通过弹簧恢复形变释放出来。东北大学的马明旭等，西安交通大学的许广灿等南京理工大学的单文泽等以及大连工业的贺涛等以及其它很多专家学者都对这种储能方式进行过研究。四方车辆的黄建松对弹簧储能方式在列车上的应用进行了研究。目前真正用在实用汽车上面的基本没有，国外这方面的研究也较少。

1.3 国内能量回收研究情况

国内很多学者对控制策略进行了研究。冯能莲等提出了恒值、定速率、最大化的控制策略；王军等提出了一种复合制动控制策，充分考虑了变速器档位影响；高爱云等提出了基于一种控制策略，充分考虑最佳制动效果和运用模糊控制算法[4-8]。这些控制策略都有一定的理论参考价值，但这些控制策略仅局限于理论层面上，大多数没有得到实际应用。

国内很多大学研究所和企业通过研究，对能量回收也做出了较大的贡献。（1）一种专门用于能量回收研究的制动执行装置被李幼德实验室研发出来。重庆大学通过对CVT混合动力车的建模进行能量回收研究，实现了高比率的能量回收。（2）清华大学罗禹贡、李蓬等建立能量回收模型用了最优控制理论，对提高汽车响应速度和能量回收具有显著效果[5-6]。（3）上海交大王保华等对两种制动模式下能量回收进行了仿真研究，纯电机制动的能量回收率要高29%[6]。（4）吉林大学吕优对制动力分配策略进行了研究，并进行仿真验证[7-8]。

1.4 国外能量回收研究情况

国际上出名的汽车公司都对能量回收进行了研究。在这些公司中，日本丰田的Toyota Prius通过ECU控制能量回收，通过制动力矩和再生力矩来决定制动力；雪佛兰的Volt为了提高能量回收率开发了regen-on-demand系统；1980年末，沃尔沃就开始对城市公交车传统的机械传动系汽车进行制动能量回收的研究，并取得了成功；丰田Prius轿车只用一套系统就实现了紧急制动、常规制动和能量回收；本田Insight轿车制动能量回收采用了多种控制技术；福特公司、通用公司都研究出了具有能量回收功能的电动汽车。

国外在能量回收上面有许多学者进行了研究取得了不错的成果：（1）美国的Union College Schenectady New York大学提出了新的能量回馈系统模型，在大客车上进行实验燃料成本变为原来的60%。美国Texas A&M大学的Hongwei Gao等将神经网络控制用于开关磁阻电机的能量回收系统，取得了一定的成果。Panagiotidis一方面建立了并联式混合动力汽车的能量回收模型，另一方面对能量回收效果进行了仿真分析[9]。Yimin Gao和 Mehrdad Ehsani解决了能量回收系统与ABS系统可兼容工作的问题。（2）韩国的SungKyunKwan University开发了EDDLS系统，制动能量通过制动力的分配来回收，通过试验该系统能量利用率提离3.5%。（3）比利时的flemish技术学院搭建了HEVAN混合电动车试验平台，通过良好的控制策略来对电机实行控制以提高能量回收的效率[12-14]。

2 问题及解决方法

现阶段在电动汽车能量回收方面存在着一些问题，这些问题主要有：储能装置容量问题，实际应用问题，制动效率与稳定性问题等。

（1）现代电动汽车所选择的辅助动力源的储能装置容量有限，充放电电流不足且充放电的时间过长[14]。解决的方法是：可以选用优化和改进电动汽车的储能装置的方法，开发储能容量更大，充放电时电流更大的储能装置作为辅助动力源。针对长下坡汽车的动能和势能吸收能量多，单一蓄电池吸收能量慢的情况，采用了蓄电池和超级电容器和液压蓄能器结合的储能系统，作者对其系统建立了系统模型并通过ADVISOR做了仿真，结果表明，能量回收效果良好。

（2）目前很多电动汽车的制动回收储能装置仅仅停留再理论和算法的研究层面上，实际应用过少[15]。解决方法：应该开发一些更能实际应用于电动汽车的能量回收装置。

（3）现在大部分电动汽车采用机械制动，电机制动同时进行，制动效率和稳定性不高。解决方法：采用协调电机复合制动，提高电机的稳定性，开发一种新型电机，制动时拥有较大的制动力，研究更科学的控制策略提高稳定性。

3 未来发展趋势

随着新材料和新技术的不断发展，必然推动着电动汽车的发展。电动汽车将来必然向智能化，网络化发展，汽车的稳定性，舒适性将更被重视，因而电动汽车能量回收必然向着智能化、提高舒适性、稳定性的方向发展。

3.1 智能化

随着电子设备以及高科技技术手段的不断发展，新型的电子系统经过不断的进步以及训练，可以使得电动汽车能量回收更加智能化。

3.2 人性化

随着新材料的不断发展，新型轮胎的研制必将降低制动的噪音，提高制动的能量回收效率，提升汽车乘坐舒适性。

3.3 网络化

随着人工智能技术和其它相关技术的发展，能量回收将来一定会向网络化方向发展，将吸收的能量情况通过网络化控制上传到汽车研究中心，为节能回收技术的进一步提高提供参考样本，也可能出现汽车之间相互利用对方的节能系统为本车节能。

4 结束语

文章分析了电动汽车能量回收的四种能量转换方式及其应用，对国内外公司和学者对制动能量回收系统的研究进行了综述；提出了目前这一领域研究过程中存在的问题，并对未来发展趋势做出了预测，对这方面的研究人员有一定的参考意义。