汽车制动能量回收系统的研究.

1绪论

1.1研究背景

进入21世纪以来,能源和环境对人类生活、社会发展的影响越来越大。其中,交通工具在给人类带来方便的同时,也给环境造成极大负担。我国大城市的污染已经不能忽视，燃油汽车排放是主要的污染源之一，我国已有16个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中，我国的汽车拥有量是每1000人平均10辆汽车，但石油资源不足，每年已经进口几万吨的石油，随着经济的发展。假如中国汽车持有量达到现在全球水平—每1000人有110辆汽车，我国汽车持有量成10倍地增加，石油进口就成为大问题，因此我过研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。在社会、环境和政治的多方压力下,世界各国制定了一系列严格的法律法规限制尾气排放。为此,交通运输工具的节能减排技术日益突出,车辆的能量回收技术受到充分重视,再生制动技术就是其中一种。在环保方面，人们正在研究使用天然气、电力(包括蓄电池)、核能等汽车，但由于天然气在不同地区的分布不一样及蓄量的限制，电力汽车的电网及道路条件的限制，高能蓄电池的研究还未获得实质性的突破，燃料电池汽车的价格居高不下，氢能及核能汽车的研究及技术还不成熟，使得汽车在这方面的应用受到一定的限制。

当今地球资源(包括石油和森林资源)日趋枯竭并受到破坏，据美国《国家地理》杂志报道，全世界现在每天消耗石油8000万桶(每7桶合一吨)。目前全世界已经探明的石油储量约为1．15万亿桶。虽然这比前两年的估计数字增长了10％，但以目前的开采速度计算，地球上的石油储量只够满足全世界石油消费40~50年【1】。汽车工业厂商大量使用以下技术来节省能源和有效利用现有地球资源：采用轻型铝合金材料、减轻汽车的重量、降低汽车行驶阻力、降低燃油消耗、采用电子喷射和电子控制系统，从而提高了能源的利用率和汽车的经济性能和动力性能。从节约资源、资源再生以及环境保护与改善出发，能源的有效利用有很重要的意义，本课题从一个全新的角度来考虑能源的有效利用。

1.2研究的内容及意义

1.2.1研究基础

再生制动(Regenerative braking)亦称反馈制动，是一种使用在汽车或铁路列车上的制动技术。普通的制动方法是把车的动能，以摩擦的形式直接转化成热

能，而再生制动则是在制动时把车辆的动能转化并储存起来，而不是变成无用的热。

再生制动是指汽车在减速或制动时，通过与驱动轮(轴)相连的能量转换装置，把汽车的一部分动能转化为其他形式的能量储存起来，在减速或制动的同时达到回收制动能量的目的；然后在汽车起步或加速时又释放储存的能量(如图1所示)，以增加驱动轮(轴)上的驱动力或增加混合动力汽车及电动汽车的续驶里程。

目前，制动能量还不能被充分的回收利用，只能任由大量的制动动能通过摩擦转变成热能耗散掉，还造成车辆制动系统过早磨损。因此，采用先进的能量回收技术，应用现代车辆设计方法和手段，对汽车的制动能量回收进行深入研究具有十分重要的意义。再生制动技术针对原本废弃的能量，将其回收再利用，使其获得“新生”，实现节省燃料、降低排放、减小制动噪声、改善车辆制动安全性等作用，为车辆的经济性和安全性提供保障。

图1 再生制动原理示意图

理论上汽车制动能量回收的方法有气压储能、液压储能、飞轮储能和电储能。空气储能装置结构庞大，密封性能要求很高，实用化困难；液压储能装置能量密度低，但功率密度大，其零部件密封性能要求高，控制结构复杂和存在工作噪声等；飞轮储能装置功率密度较大，其体积小质量轻，但要求高转速和周围空间真空，技术上实现较复杂，且只能短时间储能；电储能各方面性能均很好，且结构简单，只是功率密度低，能量转换环节多。

1.2.2汽车的发展趋势

电动汽车本身不排放污染大气的有害气体，废弃排放出比燃油汽车减少92% ~98%。即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫酸和微颗粒，其外的污染物也显著减少。由于电厂大多建在远离人口密集的城市，对人类伤害比较少，而且电厂是固定不动的，集中排放，清楚各种有害物比较容易。也已经有了相关的处理技术。电力可以从多一次能源获得，如煤炭、核能、水力等，可以缓解人类对石

油资源的依赖以及对其日益枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力发电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有研究表明，同样的原油经过粗炼，运至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用率比经过精炼变成汽油，再经汽油驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。正是这个优点，使电动汽车的研究和应用成为现代汽车工业的一个“热点”。

因此，我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。从技术发展成熟程度和中国国情来看，纯电动汽车应是今后大力推广的发展方向，而混合动力只能作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡技术。

混合动力车动力系统复杂，成本昂贵.其优势是保留了传统汽油汽车的使用方式，根据汽油机和电动机混合程度，充电次数和传统汽油汽车加油次数相当，或者不用充电.行驶距离也不受限制.

纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统, 相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统, 电动机和控制器的成本更低, 且纯电动车能量转换效率更高. 因电动车的能量来源——电, 来自大型发电机组, 其效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的. 因此纯电动汽车使用成本在下降。

1.2.3研究方案选择

从以上的各种方案看,飞轮储能虽然结构比较简单,但无法实现大量储能,要加大储能就要增加飞轮的质量或增加转速,同时要求增加强度,这会使成本增加,使实现的难度增大。而且如果要实现高效储能,要将飞轮置于真空的环境,需要增加许多额外的设备。蓄电池储能也面临着大量储能的实现问题,虽然实现大量储能的超级电容已经出现,但是其成本太高。因此,选用液压储能法,它能很简便地实现大量储能,且可靠性比较高。液压储能能量回收系统主要由液压马达/液压泵、储能器、离合器和控制系统组成。

1.3国内外研究现状

国外再生制动技术的研究比较深入。除了大量的理论研究成果,实车应用也比较成熟。

日本本田公司的Prius、Estima和丰田公司的Insight轿车就是成功应用再生