汽車能量回收系統研究概述

張超英 汪躍中 夏榮鑫

奇瑞新能源汽車技術有限公司 安徽省蕪湖市 241000

隨著人們節能環保意識的不斷增強，科學技術的不斷發展，現今科研人員已經可以將環保技術成功應用在汽車上。那么對汽車能量回收系統的進一步研究也就成了重點研究項目。汽車能量回收就是將汽車使用中無法繼續被儲存使用的能量通過轉換再次被有效利用，現在我們使用的能量回收系統，是將可能會浪費在空氣里的熱能通過形式轉換變為電能或其他能量，再次被使用或儲存，被轉換的能量可以被用于汽車啟動或對汽車其他設備供電等。傳統的汽車不但能源消耗量大而且污染環境，因為其啟動和振動時耗費大量動能和熱能，廢氣還會被排放到空氣中，為此新能源汽車逐漸得到人們的關注。本文對傳統汽車的發動機廢氣能量回收系統以及新能源汽車的再生制動能量回收系統、饋能懸架系統進行了概述。

1 傳統汽車能量回收系統

余熱回收是排氣能量的利用常規技術。目前，在汽車發動機使用的技術主要有兩類熱回收中的應用：一是熱電轉換熱管和組合（熱管）熱電轉換；二是有機朗肯循環。在詳細解釋余熱回收技術前，我們首先分析一下廢氣中的能量。所有開源和節流燃料消耗的方法都是每一個汽車生產公司的焦點。你知道，即使是一個更有效的柴油發動機，發動機的有效輸出至多只占燃油化學能百分之四十五左右，但是大多數的能量其實以熱的形式被浪費了。其損失分為三個部分：摩擦損失約占總數的百分之十，傳熱損失以及排氣損失約占總數的百分之二十五。

1.1 熱電轉化

熱電轉化事實上利用的是塞貝克效應實現溫差發電，在實際中，一旦半導體上下兩端存在著溫度差異，就一定會產生電壓。但該技術受轉換效率低的限制，所以沒有被汽車生產企業廣泛使用。這種限制反映在熱端溫度限制了熱電轉換的材料的選擇空間，因此我們可以得出結論，材料是熱轉換技術的主要限制因素之一。在研究中，選擇較高溫度的材料對于提高熱點轉換的轉換效率有一定的增益作用。

結合熱管的熱電轉化，在設計熱電轉化時，結合熱管可以實現更高的轉化效率。熱管是一種真空管，它通常被液體密封著，也就是說，其中僅有一個飽和液體以及一個飽和蒸汽。它通過工作流體的兩種變換來實現散熱，它的導熱速度極快，可以說是目前世界上所有金屬中最快的。熱電管轉換時，使用熱管利于使其表面溫度接近氣體溫度。

1.2 有機朗肯循環是保時捷等世界知名汽車生產商正在研發的余熱回收利用系統

有機朗肯循環是利用有機物作為制冷劑的朗肯循環，是目前所以技術手段中轉化效率最高的，最有可能使現有熱回收趨于產業化的技術。它采用低沸點的有機物作為工作物質來吸收剩余熱能。在通過汽化、氣化后，再進入膨脹機進行機械加工。由此產生的機械工可以供發電機發電，或者通過傳動裝置將有用工疊加在發動機曲軸上。這項技術的首次應用是在余熱發電領域。目前，其常作為商用車提高節能效率的技術而被進行深入研究。目前，在美國以及中國有相關項目。由于有機朗肯循環是有機工質的使用，其密度大于水，與朗肯循環發電系統相比較來說，有機朗肯循環膨脹器、換熱器和管道尺寸要小得多。但汽車仍然存在許多技術難點的朗肯循環，排氣溫度內燃機的改變（一般認為°），并在96-100℃發動機冷卻液溫度，從而使制冷劑的選擇尤為重要。還值得一提地是，系統參數的設計，像膨脹機的設計和內燃機的匹配問題愈發重要。

目前有機朗肯循環主要有以下幾點缺陷，一個是成本過高，還有一個是它對廢氣溫度有極高的要求，只有高于400度的排氣溫度才能夠確保它的回收效率。第三個是空間布局，應用到汽車上的有機朗肯循環系統雖然已經被壓縮，但其仍舊需要相當的設置空間。國內大多數貨車都是平的，所以技術的應用也是空間布局中的一個小問題。

2 新能源汽車再生制動能量回收系統

再生制動能量回收就是汽車在減速制動過程中，在有效降低汽車速度的同時，通過能量轉換裝置將部分動能轉化為其他形式能量儲存在蓄電池、電容或高速飛輪等裝置中，以供汽車再次使用。而傳統的汽車在減速制動過程中，是通過摩擦達到減速效果，這樣做能量將在摩擦過程中變成熱能被浪費在空氣中，而且反復的減速制動摩擦會使剎車器產生熱衰退性，導致減速制動系統不再靈敏，埋下安全隱患。而且通過調查表明，汽車在這一過程中得制動耗損量大約占汽車驅動能量的二分之一，由此可見，如果能夠回收這些能量，將會有效減少石油消耗量，減少環境污染量。

2.1 再生制動能量回收系統的構成和特性

汽車的再生制動能量回收系統是一個機電復合的制動系統，由電機再生制動和摩擦制動兩部分構成。根據電機的發電機和電動機之間的可逆性來實現汽車的再生制動，而汽車制動的安全性則由雙回路的液壓制動來確保。汽車制動過程中，制動控制系統通過剎車踏板間的距離，判斷駕駛員希望的制動強度，確定前、后軸制動力，合理的分配摩擦和再生制動的關系。另外，再生制動回收系統還需要滿足以下條件：為了確保汽車安全穩定制動，必須合理分配前后輪制動力；在安全制動時，應多使用再生制動系統，而不是機械制動，這樣可以有效回收能量；在不影響原有系統性能的前提下，制動控制系統要與防抱死等系統相互配合。

2.2 再生制動能量回收系統控制方式

在再生制動能量回收系統工作的過程中，通過汽車的電控單元接受駕駛員踩剎車是提供的制動信號、汽車行駛速度信號以及汽車驅動信號，從而對工作狀況做出合理判斷，最后決定是否進行再生制動能量的回收。這樣的制動能量回收可以在有效應用在汽車滑行狀態或制動減速狀態過程中。

3 新能源汽車饋能懸架系統

懸掛系統是指車身、車架和車輪之間的連接系統，也就是汽車的臂和腿。典型的懸掛結構一般分為三部分：彈性元件、阻尼器和導向機構，他們在其中主要有緩沖、減振以及力傳遞的作用。

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對于汽車的操作性和舒適性的要求越來越高。使用傳統的螺旋彈簧已經適應不了人們的內在需要，所以適應環境能力更強，駕駛感受更加舒適的主動懸掛系統進入了人們的視野中。主動懸掛系統雖為人們帶來了更好的駕駛體驗，但它也不是完美的。它對于能源的需求極大，需要消耗掉大量的能源。在當今節能的大背景下，為順應時代潮流，人們依據主動懸掛系統為基礎開發出了能夠回收能力的饋能懸架系統。

3.1 饋能懸架技術的誕生

其實從上個世紀六十年代末，國際上就有很多相關方面的專家對于主動懸掛系統能源消耗量大的問題進行了研究，探討了饋能懸架系統實際應用的可能性，實驗結果表明其可操作性很強，可以被應用到實踐中去。我國對于饋能懸架技術的研究最早是由吉林大學的于長淼教授開始的。

3.2 饋能懸架系統的現狀

饋能懸架系統的誕生有效地緩解主動懸架系統能量耗費量過大的問題，但是目前研制出的饋能懸架系統回收的能量總量不足以完全解決主動懸掛系統能耗量過大的問題。所以如何提高饋能懸架系統回收能量總量是饋能懸架系統如今發展的主要方向。如今國際上對于這個問題的解決方法主要從硬件與軟件兩方面入手。從硬件上，研究者們首先通過降低摩擦損失來防止回收能量時產生的重復損失。其次，研究者們還在回收能力的電路中額外添加一條升壓電路，通過這種方法時電壓升高，進而擴大回收能量時的能量總量。但此種方法的研究目前還不夠完善，研究者對于額外添加的升壓電路與原有電路的協調性控制的還不是特別好。從軟件上，研究者通過構建更適用于實踐的懸架非線性模型，將能量回收工作與主動控制工作有機地結合起來，結合作動器工作的實際狀況，不停地變換控制方法，進而增加其回收能量的效率。

4 結語

可以預見地是，汽車未來發展的主要方向一定是節能。隨著地球不可循環資源的不斷減少，資源枯竭問題逐漸得到人們的重視。在這樣的大背景下，汽車能量回收系統的誕生是大勢所趨。但是目前國際上對于汽車能量回收系統的研究還不夠成熟，縱使有些汽車能量回收系統已經投入生產，但其在實踐應用中仍舊存在著諸多問題，汽車能量回收系統的研究依舊任重而道遠。對于我國來說，這是拉近與世界先進汽車生產技術差距的機遇，希望我國研究人員能夠有敢于實踐、敢于冒險的精神，突破汽車能量回收系統的瓶頸，為我國汽車產業的發展注入新的動力。