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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制动技术的典范。

丰田公司Prius的再生制动系统通过电液比例控制单元调节液压制动力,实现再生制动与摩擦制动的综合控制,在丰田HTS-Ò

混合系统下,能提高整车能量利用率达20%以上,同时确保制动安全。

丰田公司在混合动力汽车Estima中采用了电控柔性制动系统,并将再生制动纳入整车动力控制系统进行集中控制,通过CVT控制,提高了制动能量回收率。

美国福特公司的Escape应用了线传电液系列再生制动系统（线传操控技术、电子系统和机械制动器）代替机械及液压制动系统,把来自驾驶者的命令转变为电信号,以驱动电机实现所需的操作,显著提高了制动能量回收效率、汽车制动方向稳定性和汽车舒适性。

国外的研究所等机构也做了大量研究。

美国Michahian大学的Panagiotidis等建立了并联式混合动力汽车的再生制动模型,对再生制动的效果进行仿真计算和影响因素的分析比较[2]。

美国Union学院的Wicks等建立了城市客车在市区行驶循环工况下的数学模型,研究再生制动系统的节能效果[3]。

美国TexasA&

M大学的HongweiGao等提出了混合动力汽车基于开关磁阻电机再生制动的神经网络控制系统,并在行驶循环工况下进行了能量回收效率的分析[4]。

美国福特研究所,日本交通研究所以及荷兰大学等研究机构都进行了这方面的大量研究。

国内再生制动技术研究目前处于起步阶段。

各高校、汽车厂商、科研院所都在这一领域进行研究并取得了初步的结果,但是大部分研究都停留在理论分析和建模仿真阶段,实车应用不多。

1.4本文研究方向及路线

液压储能能量回收系统的工作原理如图2所示,主要由机械传动和液压系统两部分组成。

其中,机械传动主要由车轮轴、三角皮带、传动轴、摩擦片式离合器、气/液组合缸等组成;

液压系统主要由液压泵/液压马达、顺序阀、液压蓄能器、溢流阀、二位四通换向阀等组成。

当车辆开始制动时,气/液组合缸受到来自车辆制动分配阀压力气体（或压力油）的作用,使原来处于分离状态的摩擦片式离合器转换成结合状态,再通过三角皮带、传动轴将车轮轴与液压泵连接成一体,实现启动液压系统工作,开始吸收车辆动能之目的。

液压油经过滤油器、单向阀、液压泵/液压马达、顺序阀（用来调节液压泵/液压马达出口的工作压力,即制动装置的制动力）进入液压储能器,此时在压力气体（或压力油）的作用下,机动二位四通换向阀的左位工作,使液压油不能通过换向阀,而只能通过顺序阀进入液压储能器;

当进入液压储能器的液压油超过其额定容量时,作为安全阀的溢流阀将打

图2液压蓄能能量回收系统工作原理示意图

开,起过载保护作用,以限制液压系统的最高工作压力。

在车辆停止的过程中,制动用的压力气体（或压力油）仍然存在（此时车辆的原制动装置仍在工作）或车辆的原手制动装置在起作用,都能使液压机动二位四通换向阀仍然以左位工作,使吸收了车辆能量的高压油在顺序阀、溢流阀和液压机动换向阀的共同作用下,被封闭储存在液压蓄能器中,以备车辆随时再次起动或加速时使用。

在车辆再次起动或加速的过程中,车辆原有的制动装置（包括手制动装置）已停止工作,液压机动二位四通换向阀在其弹簧力的作用下以右位工作,使从液压蓄能器中流出的压力油经换向阀的右位后同时到达气/液组合缸的液压腔和液压泵/液压马达的进油腔,促使液压泵/液压马达在与车轮轴连接的状态下以液压马达的工况运行,将液压蓄能器中的液压能以机械能的形式返还给车辆,用来增加车辆的动能。

当从液压蓄能器中流出的液压油的压力很低时,气/液组合缸将使摩擦片式离合器自动脱开,实现车轮轴与液压泵/液压马达的自动脱离,从而实现车辆的正常行驶。

2汽车储能及能量回收系统研究的发展

2.1制动蓄能的类型及比较

对于汽车制动能量回收系统，汽车的驱动方式是一种动力源与蓄能器的复合动力驱动系统。

如通常采用的内燃机与蓄能器、电力与蓄能器等。

通过动力源与蓄能器的合理匹配，自动控制驱动汽车的方式，实现汽车节能和环保。

按照蓄能器型式的不同，常见的汽车节能驱动系统可分为机械式飞轮储能、液压蓄能器储能、蓄电池储能以及它们之间两种组合的复合储能，其中转换器根据储能型式的不同可分为无级变速器、发动机／电动机、液压泵／马达，能量传递的形式如图3所示。

En-发动机Tr-转换器Dr-驱动桥Ac-蓄能器

图3车辆节能驱动系统一般工作原理

国内外对车辆制动能量回收与再利用方式具有代表性的用于行驶车辆的能量储存方式有以下三种：

（1）飞轮储能。

飞轮储能是机械储能的一种形式,以惯性能（动能）的方式,将能量储存在高速旋转的飞轮中。

当车辆制动时,飞轮储能系统带动飞轮加速,将车身的惯性动能转化为飞轮的旋转动能。

当车辆需起动或加速时,飞轮减速,释放其旋转动能给车身。

按构成材料,飞轮主要有两种:

金属制飞轮与超级飞轮。

金属制飞轮以钢制飞轮为主,此种飞轮能量密度（单位飞轮重量储存的最大能量）较低,但因其价廉,宜于加工,并在传动系中易于连接而得到广泛应用。

超级飞轮选用比强度（拉伸强度/密度）高10倍。

然而它的成本却相当高,并且转速甚快,目前已有78000r/min的报道。

为了使飞轮能充分有效地保存能量,常将飞轮运行于密闭的真空系统中。

目前该方面的前沿研究是飞轮轴承采用高温超导磁悬浮技术,利用永磁铁的磁通被超导体阻挡所产生的排斥力使飞轮处于悬浮状态。

设计飞轮时,既要考虑本身强度,又需注意系统的共振及稳定性。

飞轮储能附加重量较轻、成本低,但技术难度大,节油效果不如液压蓄能。

（2）液/气压储能式。

液/气压储能以液/气压能的方式储存能量。

系统由一个具有可逆作用的泵/马达实现储能器中的液/气压能与车辆动能之间的转化,即在车辆制动时,储能系统将泵/马达以泵的形式工作,车辆行驶的动能带动泵旋转,将高压油/气压入储能器中,实现动能到液/气压能的转化;

在车辆起动或加速时,储能系统再将泵/马达以马达的形式工作,高压油从储能器中输出,带动马达工作,实现液/气压能到车辆动能的转化。

储能器主要有重锤式、弹簧式和充气式,其中以气体储能器使用最为广泛。

该储能器是在钢制的压力容器内装有气体和油,中间以某种材料隔开,按隔离方式分为活塞式和皮囊式两种,都是利用密封气体的可压缩性原理制成。

液/气压储能的能量密度比飞轮储能与蓄电池储能都小,但其在三者中,具有最大的功率密度,能在车辆起步和加速时提供给车辆所需要的大扭矩。

同时,液/气压储能系统可较长时间储能,各个部件技术成熟,工作可靠,整个系统实现技术难度小,便于实际商业化应用。

（3）电化学储能式。

蓄电池以电能方式储存能量。

系统以具有可逆作用的发电机/电动机实现蓄电池中的电能和车辆动能的转化。

在车辆制动时,发电机/电动机以发电机形式工作,车辆行驶的动能带动发电机将车辆动能转化为电能并储存在蓄电池中。

在车辆起动或加速时,发电机/电动机以电动机形式工作,将储存在蓄电池中的电能转化为机械能供给车辆。

蓄电池储能非常适合于电动车。

现在由于人们环保意识增强,对汽车排放有日趋严格的限制,同时为进一步缓解非再生石化燃料张的矛盾,电动汽车的无污染、行驶噪声小的优点受到人们广泛关注。

蓄电池储能,各方面性能都较好,但是功率密度低,充放电频率小,不能迅速转化吸收大量能量,而车辆在制动或起动时,需要迅速释放或得到大量能量,这使储能蓄电池的应用受到很大限制。

现在,各国技术人员加紧研制大容量、高性能蓄电池,从而为蓄电池储能提供应用基础。

现在又出现超级大电容,可望对制动能量回收的棘手问题有一定的解决。

图4三种储能方法的比较

2.1.1飞轮储能系统

机械式飞轮储能系统结构简单，储能密度也很高。

但由于来自轴承的摩擦损失，使得飞轮系统一般用作短时储能、减少输出的脉动幅度或提供峰值功率。

二十世纪八十年代前后，奔驰、菲亚特等汽车厂家相继试制了采用该系统的新型公交汽车，英国石油公司也曾试图将飞轮部件商品化，但由于当时技术水平的限制，均未达到实用化。

到了九十年代后，由于高强度纤维材料、低损耗磁轴承以及电子控制技术等方面的发展，飞轮储能得到了世界各国的高度重视，飞轮储能技术得到迅速发展。

目前飞轮的边缘速度也超过1000m／s，储能密度达50W·

h／kg以上，飞轮储能显示出大储能、强功率、高效率、长寿命、无污染的优点[5-8]。

汽车飞轮储能节能系统如图5所示。

图5飞轮储能系统原理图

1．飞轮储能系统的主要优点：

（1）能量转换的效率较高，能量的损耗小。

（2）比功率和比能量都远远高于铅酸电池，比功率可达10000W／kg，比能量可达50W·

h／kg。

（3）废弃时不会像蓄电池对环境造成影响。

2．飞轮储能系统的主要缺点

（1）采用机械式的单一的飞轮储能系统的结构尺寸较大，对于传统机械式传动系的轻微型汽车（包括轿车）的结构布置有一定的困难。

（2）单一的飞轮储能系统的能量的吸收率较低，能量的释放不易按汽车运行的工况控制或成本较高。

（3）高速旋转的飞轮会产生较大的噪音，影响乘客乘座的舒适性。

此外，飞轮的制造精度、支撑方式和支撑刚度要求较高，这在一定程度上会提高成本。

2.1.2电储能系统

电储能系统与电动汽车是紧密联系的，电动汽车与电储能系统的主要特点可概括如下[9-12]。

2.1.2.1电动汽车的发展概况

在1886年1月26日世界第一辆汽车（汽油机汽车）诞生之前，1881年法国工程师克斯塔夫·

特鲁夫（GustaveTrouve）研制成功世界上第一辆可充电铅酸电池电动三轮机动车（也有人认为1873年英国人罗伯特·

戴维森（RobertDavishen）研制成功第一辆电动机动车），1881年8～11月参展国际电器展览会。

1882年英国威廉·

爱德华·

阿顿（W．E．Ayrton）和约翰·

培里（John．Perry）两位教授组装成功第二辆电动机动车。

20世纪60年代、70年代汽车污染和石油危机的影响，对电动汽车的研究和开发起到了强有力的推动作用。

近30年来，世界范围内能源意识和环保意识的空前强化，电动汽车重新受到高度重视。

1975年出现第一辆现代汽油-电动混合动力车辆，1981年出现第一辆飞轮-电动混合汽车，1986年福特和通用电气公司开发出ETX．I型和II型电动汽车，1990年通用汽车公司开发出“冲击牌”电动汽车，1991年通用、福特和克来斯勒三大汽车公司组建了美国高效电池联合企业，1999年福特汽车公司研制的燃料电池汽车P2000在北京、上海展出，2002～2005年法国雷诺、日本日产、韩国现代等汽车公司计划将自己研制电动汽车投放市场；

2004年通用在欧洲的欧宝公司拟将甲醇燃料电池汽车投放市场。

我国于20世纪70年代开展蓄电池汽车的研究，如交通部公路科学研究所，采用离子导流薄膜式的钠硫电池，进行装车实验。

90年代“八五”期间蓄电池电动汽车被列为国家重点攻关项目，以清华大学为主，开发出我国第一代蓄电池汽车，已在清华大学校园作为绿色交通车使用。

20世纪90年代，国内推出若干种电动汽车样车。

目前的电动汽车，按动力源分为三类：

（1）单纯以蓄电池作为汽车动力源的电动汽车。

（2）以燃料电池作为汽车动力源的电动汽车，燃料电池可以将燃料的化学能直接转变为电能的电池。

（3）混合动力电动汽车。

是由电力和其它动力混合驱动的电动汽车。

其中电力可以是内燃机带动发电机提供、或蓄电池提供动力、或燃料电池提供动力，目前研究主要集中在后两种，而其它动力主要是指燃用某种燃料的内燃机。

混合动力的电动汽车是目前较为成熟的电动汽车，也会是最先占领一部分市场的电动汽车。

如丰田汽车公司在1997年推出电／汽油驱动的Prius混合车，2001年又推出FCHV-4混合动力系统，其中电能由燃料电池提供。

在电动汽车研究中，特别是在蓄电池作为电能的电动汽车中，很多都采用了能量回收装置，如西安交通大学科技园等国内很多单位在电动汽车上采用该技术。

2.1.2.2电动汽车主要存在的问题

（1）蓄电池电动汽车及电储能系统主要存在的问题

可作为电动汽车动力电池的蓄电池有数十种，目前主要研究的蓄电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、钠硫电池、锌-空气电池、锂电池等，所有这些蓄电池共同存在的主要问题是：

①由于蓄电池容量的限制，续驶里程极其有限，长途运行时需要经常的充电（充电时间长），或带较多的备用蓄电池，增加了汽车的重量，反过来又进一步影响车辆的续驶里程；

②汽车的动力性能差，最高时速一般不超过lOOkm／h，因此这种时速无论如何算不上是真正意义上的现代汽车。

③很多蓄电池价格昂贵，成本高。

④比能量、比功率小。

汽车运行工况变化较大时，难以满足汽车的运行工况。

⑤充电时间长，使用寿命短。

⑥废弃的蓄电池会对环境造成污染。

作为回收能量的电储能系统，主要存在的问题有：

⑦电池的功率密度低，所以不利于负载变化较大且频繁的汽车制动能量回收系统的应用。

⑧电储能结构复杂，在汽车大负载情况下储能系统的的体积较大，控制技术也较复杂，使用成本高。

（2）燃料电池电动汽车及电储能系统主要存在的问题

①成本高。

②储运困难。

③加氢站网络投资大。

④起动性能差。

⑤功率密度小。

⑥由于燃料电池无法直接回收能量，需设置蓄电池二次电池，成本较高，结构及控制技术比较复杂。

2.1.3气动储能系统

该系统是将超高压气体（空气）作为动力源，经过控制和分配环节，驱动汽车在不同工况下行驶。

在汽车制动时又将汽车的动能（或将汽车下坡时的势能）通过空压机转化为压缩空气储存起来，以便重新加以利用，其系统框图见图6[13]

图6气动汽车的能量系统流程图

1．气动储能系统主要优点

对于气动储能部分，不会对环境产生排放污染。

2．该方法尚存在如下问题：

（1）如何将超高压气体经过减压控制装置调节进入气动发动机，使其动力满足汽车在各种复杂工况下正常运行；

（2）气动发动机的研制；

（3）汽车制动或下坡时的机械能通过空压机如何转化为超高压气体储存在超高压气体的储能罐内（其转换机构极其复杂）；

或另设置蓄能罐时，如何实现超高压储能罐与蓄能罐的能量供给的协调性。

这样的结构由于体积较大，会导致汽车的成本上升，同时体积增大布置困难。

2.1.4液压蓄能器储能系统

按照其传动系的不同，液压蓄能器储能系统可分为机械式传动系和液压传动系储能系统。

①机械式传动系的液压储能系统原理如图7所示。

图7机械式传动系的液压储能器系统原理图

②液压式传动系的液压储能系统原理如图8、9所示。

图8液压式传动系的液压储能器系统原理图

l发动机2离合器3变量泵4液压储能器5变量泵／马达6电磁换向阀7作动器8驱动桥9驱动轮10控制器

图9车辆传动系统结构原理图

下章即对本文所要研究的基于定压源（CPS）液压储能系统进行详细的研究分析。

3定压源（CPS）液压储能系统

3.1研究现状及应用

3.1.1定压源（CPS）液压储能系统的出现

二十世纪八十年代末，瑞典著名VOLVO汽车制造公司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[14-15]。

试验结果表明，在城市使用的车辆，燃料消耗量大约可降低30％，或者在相同的燃料消耗条件下，车辆可以多行驶45％的里程数。

同时，汽车易损件制动器及同步器的使用寿命提高了三倍以上。

此外与传统汽车相比，汽车的废气排放可减少约30%，改善了汽车对环境的污染。

在九十年代，日本著名学者HiroshiNAKAZAWA、YasuoKITA等开始研究定压源液压驱动系统，并取得了较大进展。

由于车辆全部采用了液压传动系统，因而使汽车底盘的布置更为方便，试验证明，汽车的部分性能（如动力性、燃油经济性、舒适性及制动安全性等）也得到了明显的改善。

3.1.2定压源（CPS）液压储能系统的应用

使用定压源（ConstantPressureSource，简称CPS）的飞轮系统由于结构简单，效率高等优点，成为目前汽车能量回收系统的主要形式之一。

为此，通过发动机和飞轮的混合驱动为系统提供动力，采用定压源液压驱动系统代替传统的能量传递，从而实现能量的传递及汽车牵引力（加速／减速）的控制，，实现汽车在制动时能量的回收和利用。

如图10。

CPS是由一个飞轮、三个可变排量的泵／马达组成的液压动力传递系统。

变量泵／马达一般采用柱塞式，其排量在正负两个方向可变，通过对排量方向的控制，可实现泵、马达正、反转功能。

整个系统的油路是由共用高压油路和共用低压油路组成，系统压力的基本恒定由飞轮转速的变化和调节液压变量泵／马达的排量及采用稳压阀来实现的。

1发动机2、7离合器3、8、16变量泵／马达4三位四通换向阀5油箱6飞轮9溢流阀10单向节流阀1l蓄能器12三位四通换向阀13单向阀14过滤器15冷却

图12为某车型原有的底盘结构示意图。

其传动系统是由传统的离合器、变速器、万向节、传动轴、主减速器和半轴组成。

将原传动系统改为CPS系统后，系统结构简图如13。

1-发动机2-离合器3-变速器4-万向节5-传动轴6-主减速器及差速器

图12某车辆底盘结构示意图

1发动机2、7离合器3与发动机相连的变量泵／马达4三位四通换向阀5油箱6飞轮8与飞轮相连的变量泵／马达9溢流阀10单向节流阀11蓄能器12三位四通换向阀13过滤器14单向阀15冷却器16与驱动桥干开连的变量泵／马达17驱动桥

图13车辆CPS系统结构简图

3.3.1飞轮运动分析

飞轮的运动方程式可表示为[18]：

式中Jf——飞轮的转动惯量（kg·

m2）；

wf——飞轮的转速（rad／s）：

Cf——因风阻和轴承损失而引起的飞轮损失系数；

Tf——与飞轮相连的变量泵／马达的输出转矩（N·

m）。

3.3.2液压系统计