秦 瑞，王文竹，石 磊

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

城市公交車制動(dòng)能量回收方式綜述

秦 瑞，王文竹，石 磊

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

文章在分析城市公交車運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上，說(shuō)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(dòng)能量回收方式的結(jié)構(gòu)原理，對(duì)三種制動(dòng)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(dòng)能量回收;飛輪制動(dòng)能量回收

當(dāng)代社會(huì)，運(yùn)輸業(yè)發(fā)展極快，也成為了國(guó)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(jiàn)。隨著汽車保有量的增加，帶來(lái)的最大問(wèn)題就是燃油的大量消耗，我們不僅要面對(duì)石油資源的日益枯竭，還要面對(duì)石油燃料所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)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(zhǎng)的時(shí)間來(lái)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(wèn)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(dòng)能量回收就是其中一種。

縱觀公交車運(yùn)行過(guò)程，尤其是在城市交通線路中車流擁擠，制車減速過(guò)程頻繁。在制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)制動(dòng)鼓被抱死產(chǎn)生的摩擦力讓汽車減速，而這一過(guò)程中汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱四Σ翢崮?，最終消散在空氣中。這樣不僅產(chǎn)生了大量的能量損失，還使制動(dòng)器壽命降低。如果能將這一部分能量回收并利用起來(lái)，將會(huì)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(dòng)能量回收的手段也是有效的節(jié)能減排手段。

1 制動(dòng)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(dòng)能量回收系統(tǒng)的原理

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)意在將汽車減速時(shí)的車身動(dòng)能回收起來(lái)，儲(chǔ)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(chǔ)存和再利用，還能在一定程度上緩解制動(dòng)器的發(fā)熱情況，延長(zhǎng)制動(dòng)器的使用壽命。

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

圖1 制動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間面對(duì)城市道路擁堵的路況，公交車工作時(shí)需要頻繁的經(jīng)歷制動(dòng)減速與啟動(dòng)加速的過(guò)程，這樣勢(shì)必就會(huì)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(gè)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(dòng)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(dòng)機(jī)燃油燃燒充分，有害氣體排放最少,效率最高，發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。

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

由此可見(jiàn)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(huì)造成燃油的大量消耗，這樣就需要一個(gè)能量回收系統(tǒng)來(lái)將制動(dòng)時(shí)的能量消耗回收起來(lái)用以汽車再次啟動(dòng)或提速時(shí)提供一部分動(dòng)力，減少燃油的消耗。

2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)

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

2.1 液壓蓄能制動(dòng)能量回收系統(tǒng)

液壓蓄能制動(dòng)能量回收系統(tǒng)以液壓能的方式儲(chǔ)存回收的能量。液壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)能夠?qū)⒅苿?dòng)時(shí)車身動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓能儲(chǔ)存在液壓缸中，在汽車再次啟動(dòng)時(shí)將液壓能反向釋為汽車提供一部分驅(qū)動(dòng)。完成這一過(guò)程就需要一個(gè)具有可逆作用的液壓馬達(dá)——泵，當(dāng)汽車減速制動(dòng)時(shí)液壓馬達(dá)——泵以泵的形式工作，回收車身動(dòng)能并儲(chǔ)存在液壓缸中；當(dāng)汽車啟動(dòng)加速時(shí)，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(dòng)力。

液壓蓄能器儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。車輛制動(dòng)減速時(shí)，電磁閥工作，液壓油由低壓油箱經(jīng)液壓管路通過(guò)電磁換向閥的控制流入高壓蓄能器中，這樣就將制動(dòng)動(dòng)能以液壓的形式儲(chǔ)存在液壓儲(chǔ)存器中。當(dāng)制動(dòng)停止時(shí)回收裝置停止工作，車輛正常運(yùn)行或停止運(yùn)行；倒車時(shí)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)不進(jìn)行工作。當(dāng)汽車再次啟動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)釋放出來(lái)，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(gè)較大的液壓缸儲(chǔ)能，將會(huì)在底盤(pán)整體布局上會(huì)對(duì)汽車設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定困難。

2.2 蓄電池儲(chǔ)能制動(dòng)能量回收系統(tǒng)

蓄電池儲(chǔ)能制動(dòng)能量回收系統(tǒng)以電能方式儲(chǔ)存能量。蓄電池制動(dòng)能量回收系統(tǒng)能夠?qū)⒅苿?dòng)時(shí)車身動(dòng)能轉(zhuǎn)化為蓄電池中的電能，在汽車再次啟動(dòng)時(shí)將電能反向釋為汽車提供一部分驅(qū)動(dòng)，完成這一過(guò)程同樣需要一個(gè)具有可逆作用的部件——發(fā)電機(jī)——電動(dòng)機(jī)。當(dāng)汽車減速制動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)以發(fā)電機(jī)的的形式工作，回收車身動(dòng)能并儲(chǔ)存在蓄電池中；當(dāng)汽車啟動(dòng)加速時(shí)，發(fā)電機(jī)——電動(dòng)機(jī)以電動(dòng)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(dòng)力。進(jìn)而提高汽車的能量利用率,增加混合動(dòng)力汽車?yán)m(xù)航能力同時(shí)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(chǔ)能制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 液壓蓄能制動(dòng)能量回收系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

液壓只能能量回收系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)能量回收系統(tǒng)的回收效率及系統(tǒng)的正常工作。液壓儲(chǔ)能器具有較小的能量密度與較大的功率密度,能夠快速儲(chǔ)存和四放能量，由于液壓缸密閉性良好液壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能，并能在下

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝，但是同時(shí)面對(duì)的問(wèn)題也比較多，大多數(shù)的問(wèn)題都來(lái)自于蓄電池。目前鎳氫電池技術(shù)相對(duì)成熟，被大多數(shù)油電混合動(dòng)力車型所采用，但是其缺點(diǎn)也非常明顯，蓄電池儲(chǔ)能功率密度小，這樣就不能快速的回收與釋放電能，面對(duì)這個(gè)問(wèn)題就需要多組蓄電池同時(shí)工作，這樣勢(shì)必增加整個(gè)回收系統(tǒng)的體積。于此同時(shí)蓄電池的壽命問(wèn)題也是影響蓄電池制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研制的重大問(wèn)題，過(guò)大的制造成本及過(guò)短的使用壽命勢(shì)必會(huì)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(chǔ)能制動(dòng)能量回收系統(tǒng)

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

飛輪儲(chǔ)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(guò)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(dòng)慣量，單一飛輪的能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，給小型車車身結(jié)構(gòu)布局上造成極大影響。飛輪儲(chǔ)存的能量消耗快，釋放出來(lái)的能量低，并且飛輪高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生噪音。所以其布置形式、支撐形式剛度要求高?？紤]到機(jī)械飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦消耗問(wèn)題，通常為了讓飛輪能夠充分有效的儲(chǔ)存能量，常將飛輪置于密閉的真空容器中。飛輪儲(chǔ)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(chǔ)存與釋放能量。如果不需要長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存能量，機(jī)械飛輪能夠完全滿足要求。

3 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在城市公交車上應(yīng)用

衡量?jī)?chǔ)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(chǔ)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(chǔ)存汽車車身能量，高的能量密度使儲(chǔ)能器儲(chǔ)存更多能量。

圖4飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

液制動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存能量，整個(gè)系統(tǒng)的難度相對(duì)蓄電池制動(dòng)能量回收系統(tǒng)來(lái)說(shuō)難度較小，可商業(yè)化利用價(jià)值高。但其成本較高，液壓油需要定時(shí)更換，由于其能量密度較小需要一個(gè)很大的液壓儲(chǔ)能器，這樣在汽車底盤(pán)整體布局上會(huì)對(duì)汽車設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定困難。

蓄電池儲(chǔ)能在城市公交車上應(yīng)用較少，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)受限于蓄電池的儲(chǔ)存能力以及蓄電池使用壽命等問(wèn)題，雖然已出現(xiàn)了超級(jí)電容的儲(chǔ)存器，但其成本過(guò)高，即使蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但想要經(jīng)濟(jì)地來(lái)儲(chǔ)存大量能量具有一定困難。

相對(duì)于液壓制動(dòng)能量回收與蓄電池制動(dòng)能量回收來(lái)說(shuō)，飛輪制動(dòng)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(shí)，需要頻繁地制動(dòng)減速、制動(dòng)停車、啟動(dòng)加速的操作，這樣一來(lái)制動(dòng)能量就要在短時(shí)間內(nèi)完成回收再釋放的工作。相比于液壓儲(chǔ)存能量的時(shí)間來(lái)說(shuō)，雖然飛輪制動(dòng)能量回收系統(tǒng)儲(chǔ)存時(shí)間相對(duì)較短，但其完全能夠滿足公交車工況中頻繁的制動(dòng)、啟動(dòng)時(shí)能量的回收再釋放的要求。且飛輪儲(chǔ)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(dòng)能量回收系統(tǒng)更適合公交車頻繁制動(dòng)的工況，而且飛輪價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)安裝，在強(qiáng)烈環(huán)保意識(shí)與經(jīng)濟(jì)性并存的時(shí)代，公交車飛輪制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)將會(huì)有重大意義。

4 結(jié)語(yǔ)

文章闡述了現(xiàn)階段制動(dòng)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(dòng)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(dòng)能量回收的研究是一項(xiàng)利國(guó)利民的項(xiàng)目，相信隨著研究的深入，能量回收效率將會(huì)進(jìn)一步得到提升，能量回收效率將會(huì)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。

[1]張路軍.蓄能器類型及應(yīng)用綜述[J].機(jī)床與液壓，2001，(6):5-7.

[2]曾小華.混合動(dòng)力汽車多途徑節(jié)能定量研究[J].汽車工程,2007，(9): 739-744.

[3]張子英,張保.車輛制動(dòng)能量回收再利用技術(shù)研究[J].節(jié)能技術(shù), 2010，(3):213-235.

[4]曲金玉,王儒,任傳波,等.液壓蓄能式公共汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)匹配與試驗(yàn)分析[J].機(jī)床與液壓,2014，(6):9-15.

[5]陳華志,苑士華.城市用車輛制動(dòng)能量回收的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2003，(4):1-3.

[6]蔣永琛.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)分析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2011，(12):43-45.

[7]江王林,王瑞敏.電動(dòng)汽車制動(dòng)過(guò)程受力分析及制動(dòng)能量回收策略研究.汽車實(shí)用技術(shù),2012，(3):5-9.

[8]趙暨羊.機(jī)械飛輪式kers系統(tǒng)初探[J].汽車診所.2012，(10):17-19.

[9]周奉香,苑士華,李輝.公交車輛制動(dòng)能量回收與再利用系統(tǒng)研究[J].能源研究與信息,2003，(2):91-94.

[10]鄒政耀,陳曉東,金佳駿.城市公交車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2012，(3):441-445.

[11]張霞.混合動(dòng)力公交車制動(dòng)能量分析[J].研究與開(kāi)發(fā),2014，(9):56-58.

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(yáng)航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)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。