城市公交車制動能量回收方式綜述

秦 瑞，王文竹，石 磊

（沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

城市公交車制動能量回收方式綜述

秦 瑞，王文竹，石 磊

（沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

文章在分析城市公交車運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上，說明了城市公交車能量回收系統(tǒng)的必要性。分析了三種制動能量回收方式的結(jié)構(gòu)原理，對三種制動能量回收系統(tǒng)在城市公交車上的應(yīng)用進(jìn)行了分析比較。

城市公交車;制動能量回收;飛輪制動能量回收

當(dāng)代社會，運(yùn)輸業(yè)發(fā)展極快，也成為了國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一。其中應(yīng)用最為廣泛的就是汽車運(yùn)輸，汽車運(yùn)輸貫穿了我們的生活，公交車、私家車在我們的生活中隨處可見。隨著汽車保有量的增加，帶來的最大問題就是燃油的大量消耗，我們不僅要面對石油資源的日益枯竭，還要面對石油燃料所帶來的環(huán)境污染問題。所以新能源汽車被提出，并取得了一定成果，但是要轉(zhuǎn)化為人人都能用到的科技產(chǎn)品還需要很長的時間來進(jìn)行技術(shù)的轉(zhuǎn)化完善。隨著交通工具的節(jié)能減排問題日益突出，車輛的車身能量回收技術(shù)得以提出并受到充分重視，其中汽車制動能量回收就是其中一種。

縱觀公交車運(yùn)行過程，尤其是在城市交通線路中車流擁擠，制車減速過程頻繁。在制動過程中，通過制動鼓被抱死產(chǎn)生的摩擦力讓汽車減速，而這一過程中汽車的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榱四Σ翢崮埽罱K消散在空氣中。這樣不僅產(chǎn)生了大量的能量損失，還使制動器壽命降低。如果能將這一部分能量回收并利用起來，將會在一定程度上節(jié)省燃油的消耗，在一定程度上緩解現(xiàn)階段的困境。目前制動能量回收的手段也是有效的節(jié)能減排手段。

1 制動能量回收系統(tǒng)的原理及城市公交車運(yùn)行工況分析

1.1 制動能量回收系統(tǒng)的原理

制動能量回收系統(tǒng)意在將汽車減速時的車身動能回收起來，儲存并轉(zhuǎn)化成為可以為汽車再次利用的能量系統(tǒng)。其不僅能夠完成浪費(fèi)能量的回收、儲存和再利用，還能在一定程度上緩解制動器的發(fā)熱情況，延長制動器的使用壽命。

目前道路汽車中的電動汽車，混合動力汽車以及城市道路公交系統(tǒng)是制動能量回收系統(tǒng)主要使用對象。制動能量回收系統(tǒng)原理是:汽車減速時車身動能通過制動能量回收系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為制動能量回收系統(tǒng)中的儲能器所能儲存的能量如液壓能、電能、旋轉(zhuǎn)動能等；當(dāng)汽車再次啟動或加速時,制動能量回收系統(tǒng)再將儲存在儲能器中的能量轉(zhuǎn)換為汽車行駛所需的驅(qū)動力。制動能量回收原理如圖1所示。

圖1 制動能量回收原理框圖

1.2 城市公交運(yùn)行工況分析

由于城市公交車需要長時間面對城市道路擁堵的路況，公交車工作時需要頻繁的經(jīng)歷制動減速與啟動加速的過程，這樣勢必就會造成大量的能量浪費(fèi)，加速零部件的磨損，其工況可分為起步、加速、勻速、加速四個階段：

（1）起步階段。汽車起步，負(fù)載較大，油耗大。

（2）加速階段。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速突然增大，超負(fù)荷工作燃油燃燒不充分，有害氣體排放增多。

（3）勻速階段。發(fā)動機(jī)燃油燃燒充分，有害氣體排放最少,效率最高，發(fā)動機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。

（4）制動階段。汽車動能通過劇烈摩擦轉(zhuǎn)化為制動鼓上的熱能，能量被大量浪費(fèi)，同時制動器磨損程度較大。

由此可見公交車在處于勻速階段是最省油，但是由于城市道路情況的特殊性，公交車需要頻繁的走走停停，這樣就會造成燃油的大量消耗，這樣就需要一個能量回收系統(tǒng)來將制動時的能量消耗回收起來用以汽車再次啟動或提速時提供一部分動力，減少燃油的消耗。

2 制動能量回收系統(tǒng)

目前制動能量回收系統(tǒng)的研究具有多樣化的特點(diǎn)，總體來說制動能量回收系統(tǒng)依照儲能器的不同可以分為3種形式：①液壓蓄能制動能量回收系統(tǒng),利用液壓缸將制動時的車身動能以高壓油形式儲存在液壓缸中。②蓄電池蓄能制動能量回收系統(tǒng),利用蓄電池組將制動時車身動能以電能形式儲存在蓄電池中。③飛輪儲能制動能量回收系統(tǒng)，將制動時車身動能以旋轉(zhuǎn)動能形式儲存在飛輪中。

2.1 液壓蓄能制動能量回收系統(tǒng)

液壓蓄能制動能量回收系統(tǒng)以液壓能的方式儲存回收的能量。液壓制動能量回收系統(tǒng)能夠?qū)⒅苿訒r車身動能轉(zhuǎn)化為液壓能儲存在液壓缸中，在汽車再次啟動時將液壓能反向釋為汽車提供一部分驅(qū)動。完成這一過程就需要一個具有可逆作用的液壓馬達(dá)——泵，當(dāng)汽車減速制動時液壓馬達(dá)——泵以泵的形式工作，回收車身動能并儲存在液壓缸中；當(dāng)汽車啟動加速時，液壓馬達(dá)——泵以馬達(dá)的形式工作，將液壓缸中的能量反向釋放給予汽車一部分動力。

液壓蓄能器儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。車輛制動減速時，電磁閥工作，液壓油由低壓油箱經(jīng)液壓管路通過電磁換向閥的控制流入高壓蓄能器中，這樣就將制動動能以液壓的形式儲存在液壓儲存器中。當(dāng)制動停止時回收裝置停止工作，車輛正常運(yùn)行或停止運(yùn)行；倒車時制動能量回收系統(tǒng)不進(jìn)行工作。當(dāng)汽車再次啟動時能量經(jīng)由換向閥、氣——液組合缸到達(dá)定量液壓泵——液壓馬達(dá)，進(jìn)而釋放到車輪，完成能量的回收再利用。次汽車啟動時釋放出來，提供大扭矩，方便汽車的行駛。但其成本較高，液壓馬達(dá)——泵的使用壽命及成本限制了系統(tǒng)的研制，且需要定期更換液壓油，由于其能量密度較小導(dǎo)致其需要一個較大的液壓缸儲能，將會在底盤整體布局上會對汽車設(shè)計產(chǎn)生一定困難。

2.2 蓄電池儲能制動能量回收系統(tǒng)

蓄電池儲能制動能量回收系統(tǒng)以電能方式儲存能量。蓄電池制動能量回收系統(tǒng)能夠?qū)⒅苿訒r車身動能轉(zhuǎn)化為蓄電池中的電能，在汽車再次啟動時將電能反向釋為汽車提供一部分驅(qū)動，完成這一過程同樣需要一個具有可逆作用的部件——發(fā)電機(jī)——電動機(jī)。當(dāng)汽車減速制動時發(fā)電機(jī)-電動機(jī)以發(fā)電機(jī)的的形式工作，回收車身動能并儲存在蓄電池中；當(dāng)汽車啟動加速時，發(fā)電機(jī)——電動機(jī)以電動機(jī)的形式工作，將蓄電池中的能量反向釋放給予汽車一部分動力。進(jìn)而提高汽車的能量利用率,增加混合動力汽車?yán)m(xù)航能力同時減少燃油消耗量。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 蓄電池儲能制動能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 液壓蓄能制動能量回收系統(tǒng)簡圖

液壓只能能量回收系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，元器件工作可靠。其中該系統(tǒng)中液壓馬達(dá)——泵的研制是系統(tǒng)中的關(guān)鍵，液壓馬達(dá)——泵的良好工作能力將決定液壓制動能量回收系統(tǒng)的回收效率及系統(tǒng)的正常工作。液壓儲能器具有較小的能量密度與較大的功率密度,能夠快速儲存和四放能量，由于液壓缸密閉性良好液壓制動能量回收系統(tǒng)能夠長時間儲能，并能在下

蓄電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，但是同時面對的問題也比較多，大多數(shù)的問題都來自于蓄電池。目前鎳氫電池技術(shù)相對成熟，被大多數(shù)油電混合動力車型所采用，但是其缺點(diǎn)也非常明顯，蓄電池儲能功率密度小，這樣就不能快速的回收與釋放電能，面對這個問題就需要多組蓄電池同時工作，這樣勢必增加整個回收系統(tǒng)的體積。于此同時蓄電池的壽命問題也是影響蓄電池制動能量回收系統(tǒng)研制的重大問題，過大的制造成本及過短的使用壽命勢必會增加蓄電池能量回收系統(tǒng)的成本與經(jīng)濟(jì)性。

2.3 飛輪儲能制動能量回收系統(tǒng)

飛輪儲能制動能量回收系統(tǒng)是利用機(jī)械儲能來完成制動能量回收的一種方法。飛輪儲能以動能的方式,將制動時車身動能儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。機(jī)械飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，儲能密度高，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。當(dāng)車輛制動時,能量通過增速齒輪給予飛輪一個較大轉(zhuǎn)速,將車身的制動慣性動能轉(zhuǎn)化為飛輪的旋轉(zhuǎn)動能。當(dāng)車輛需起動或加速時,飛輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，將自身動能反向釋放給車身，方便汽車短時間內(nèi)起步或加速。在這個過程中就需要一個能夠正向輸入反向輸出的無級變速器使能量以正確的方向傳遞出去來完成能量的回收與釋放。

飛輪儲能系統(tǒng)明顯的優(yōu)點(diǎn)是其能量轉(zhuǎn)換效率高，轉(zhuǎn)化過程損失小。但是其缺點(diǎn)也較為明顯，為了獲得更大的轉(zhuǎn)動慣量，單一飛輪的能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸過大，給小型車車身結(jié)構(gòu)布局上造成極大影響。飛輪儲存的能量消耗快，釋放出來的能量低，并且飛輪高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生噪音。所以其布置形式、支撐形式剛度要求高。考慮到機(jī)械飛輪旋轉(zhuǎn)時的摩擦消耗問題，通常為了讓飛輪能夠充分有效的儲存能量，常將飛輪置于密閉的真空容器中。飛輪儲能附加重量較輕、成本低、能量密度與功率密度較為適中，能夠有效快速地儲存與釋放能量。如果不需要長時間儲存能量，機(jī)械飛輪能夠完全滿足要求。

3 制動能量回收系統(tǒng)在城市公交車上應(yīng)用

衡量儲能器性能的重要指標(biāo)是功率密度與能量密度如圖5為三種儲能器的能量密度和輸出功率密度的關(guān)系圖。其中大的功率密度使汽車能夠迅速充分的儲存汽車車身能量，高的能量密度使儲能器儲存更多能量。

圖4飛輪儲能系統(tǒng)

液制動能量回收系統(tǒng)在城市公交車上應(yīng)用較多，其結(jié)構(gòu)緊湊，可用于長時間儲存能量，整個系統(tǒng)的難度相對蓄電池制動能量回收系統(tǒng)來說難度較小，可商業(yè)化利用價值高。但其成本較高，液壓油需要定時更換，由于其能量密度較小需要一個很大的液壓儲能器，這樣在汽車底盤整體布局上會對汽車設(shè)計產(chǎn)生一定困難。

蓄電池儲能在城市公交車上應(yīng)用較少，蓄電池儲能系統(tǒng)受限于蓄電池的儲存能力以及蓄電池使用壽命等問題，雖然已出現(xiàn)了超級電容的儲存器，但其成本過高，即使蓄電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，但想要經(jīng)濟(jì)地來儲存大量能量具有一定困難。

相對于液壓制動能量回收與蓄電池制動能量回收來說，飛輪制動能量回收系統(tǒng)更適用于城市公交汽車。公交車在城市運(yùn)行時，需要頻繁地制動減速、制動停車、啟動加速的操作，這樣一來制動能量就要在短時間內(nèi)完成回收再釋放的工作。相比于液壓儲存能量的時間來說，雖然飛輪制動能量回收系統(tǒng)儲存時間相對較短，但其完全能夠滿足公交車工況中頻繁的制動、啟動時能量的回收再釋放的要求。且飛輪儲能器擁有較好的能量密度與功率密度，能夠更好地迅速充分的回收車身能量并提供較好的后備能量。故飛輪制動能量回收系統(tǒng)更適合公交車頻繁制動的工況，而且飛輪價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計安裝，在強(qiáng)烈環(huán)保意識與經(jīng)濟(jì)性并存的時代，公交車飛輪制動能量回收系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)將會有重大意義。

4 結(jié)語

文章闡述了現(xiàn)階段制動能量回收的三種方式，并根據(jù)公交車在城市交通運(yùn)輸中頻繁制動的特殊工況，分別分析了三種能量回收系統(tǒng)在公交車的應(yīng)用。制動能量回收的研究是一項(xiàng)利國利民的項(xiàng)目，相信隨著研究的深入，能量回收效率將會進(jìn)一步得到提升，能量回收效率將會進(jìn)一步得到提升，進(jìn)而減少燃油消耗量，減少尾氣的排放。

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An overview of Recovery Mode of Urban Bus Braking Energy

QIN Rui,WANG Wen-zhu,SHI Lei
（College of Mechanical and Electrical Engineering,Shenyang Aerospace University,shenyang，Liaoning 110136,China）

Based on the analysis of the running of urban bus,this paper explained the necessity of energy recovery system of urban buses.It analyzed the structure and principle of three kinds of braking energy recovery mode analyzed and comparedthe application of the three brake energy recovery systems in urban buses i.

urban bus;braking energy recovery;flywheel braking energy recovery

U463.5

A

2095-980X（2015）04-0019-03

2015-02-15

沈陽航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目資助（dcx 13008）

秦瑞（1993-），男，遼寧鐵嶺人，大學(xué)本科，主要研究方向：車輛工程。