回生制动 能量回收模拟器 返回
汽车工程

回生制动 能量回收模拟器

计算电动汽车·混合动力汽车制动时能把多少"原本要浪费的动能"回收到电池的工具。改变车辆质量·制动前后速度·回生效率·单程行驶的制动次数,可以实时看到回收能量和行驶距离的延长。

参数设置
车辆质量
kg
包含乘员·行李的行驶时总质量
制动前速度
km/h
开始踩制动时的速度
制动后速度
km/h
减速完成时的速度(0为完全停止)
回生效率(动能→电池)
电动机·逆变器·充电的损耗总合效率
单程行驶的制动次数
信号·交叉口等减速的次数
计算结果
制动动能 (kJ)
回生回收能量 (Wh)
摩擦制动废弃分 (kJ)
单次制动回收率 (%)
单程回收总量 (Wh)
行驶距离延长 (km)
能量流 — 回生制动动画

减速的车的动能分成两股流。大的流(由回生效率决定)充电到电池,小的流被摩擦制动作为热散发。

回收能量 vs 制动前速度
回收能量 vs 回生效率
理论·主要公式

$$E_k=\tfrac12 m\,(v_1^2-v_2^2),\qquad E_{recovered}=\eta_{regen}\,E_k$$

制动散逸的动能 E_k 和回到电池的回收能量 E_recovered。m:车辆质量,v1·v2:制动前后速度(m/s)。回生效率 η 表示电动机·逆变器·电池充电的损耗总合。

$$E_{lost}=(1-\eta_{regen})\,E_k,\qquad d_{ext}=\frac{N\,E_{recovered}/3600}{C_{km}}$$

被摩擦制动散发的能量 E_lost 和行驶距离延长 d_ext。N:单程制动次数,C_km:电耗(此处假设 150 Wh/km)。将回收量换算成Wh后除以电耗得到延长距离。

什么是回生制动

🙋
电动汽车的"回生制动"是制动时会有电流回到电池的东西吧?这和普通制动有什么不同?
🎓
问得好。汽油车的制动是把制动盘和摩擦片摩擦,把车的动能变成"热"然后扔掉。花油钱加速的能量,停车时就这么消失在空气中了。回生制动不一样。减速时让电动机"反向转动"当发电机用。车轮带动电动机转,电动机给电池充电。这个发电的阻力就成了减速力。也就是说,把原本要浪费的能量"存"回电池里。
🙋
那样的话好像能全部回收,但是左边滑块的回生效率约0.65,为什么达不到100%呢?
🎓
因为每次转换都会漏一些。动能→电动机发电→逆变器→电池充电,要经过好几个环节,每个环节都有损耗。电动机有电阻,逆变器有开关损耗,电池有内阻。加起来实际效率在60~70%左右。还有,强制动时电动机的制动力不够,出于安全需要同时用摩擦制动。那部分能量就没法回收了。
🙋
那回生制动在什么走行方式下最划算呢?
🎓
市区走走停停的方式最赚。回生能回收的是"原本要被制动浪费掉的动能",所以制动次数越多,回收机会越多。下面的"制动前速度"图就能看出来,回收量是按速度的平方来算的,从高速降到停止越赚。反过来高速公路匀速巡航,根本没什么制动,回收的能量也就很少。许多电动汽车市区工况电耗比高速好,正是因为回生的功劳。
🙋
省能量以外,回生制动还有什么好处吗?
🎓
制动片的"寿命"很不一样。大部分减速都靠电动机完成,摩擦制动的片和盘磨损极少。电动汽车的制动片往往比传统车能用好几倍,检查时经常被说"几乎没磨"。反面是摩擦制动用得太少会让制动盘生锈,所以有些车的控制程序会定期自动踩一下摩擦制动防锈。还有就是能做"单踏板驾驶"——只放开油门就能减速,回生制动系统就是这样设计的。

常见问题

回收的电量是制动散逸的动能 E_k = ½m(v1²−v2²) 乘以回生效率 η 的值。η 通常在0.6~0.7左右,因为电动机·逆变器·电池充电的各个环节都有损耗,达不到100%。例如车辆质量1600kg从时速80km减速到停止,动能约395kJ,若η=0.65,则约71Wh(256kJ)回到电池,其余约138kJ被摩擦制动作为热散发。
因为动能回到电池要经过多个转换环节。将牵引电动机当发电机用时有电气损耗,逆变器有开关损耗,电池充电有内阻损耗,这些叠加在一起。另外强制动时电动机的制动力不足,需要同时使用摩擦制动保证安全,那部分能量无法回收。综合这些因素,实用的回生效率在60~70%左右。
在频繁停车起步的市区走行中效果最大。回生能回收的是"原本要被制动浪费掉的动能",所以制动频率越高,回收机会越多。反之高速公路匀速巡航时制动很少,可回收的能量很少。许多电动汽车市区工况电耗比高速工况好,正是因为回生贡献很大。
能,延长很多。回生制动用电动机的发电阻力完成大部分减速,摩擦制动片和盘的磨损大幅减少。电动汽车的制动片寿命往往是传统车的好几倍,检查时经常发现"磨损很少"。反面是摩擦制动用得少会导致制动盘生锈,所以一些车型的控制程序会定期自动触发摩擦制动防止生锈。

现实应用

电动汽车(BEV):纯电动汽车是最积极利用回生制动的交通工具。每次减速都能把动能回到电池,特别是在市区走行时,能大幅提升单次充电的续航里程。许多电动汽车允许用户选择回生强度"弱·标准·强",强模式下松开油门就能实现足够的减速,实现"单踏板驾驶"。

混合动力汽车(HEV/PHEV):混合动力汽车通过回生制动回收的电力,用于电动机行驶或为发动机提供辅助。相比纯汽油车,市区燃油消耗大幅改善,就是因为每次停车都能用回生回收电力,启动和低速用电动机实现。回生和小型电池的结合,是混合动力省油的核心。

铁路车辆:大多数电车都配备回生制动,减速时发电的电力回馈到接触网。回馈的电力被附近正在加速的其他电车利用(回生电力融通)。当没有受电方时会产生"回生失效",所以一些地方在变电站配置蓄电装置,或者精心设计时刻表来避免这种情况。下坡较多的线路回生效果特别明显。

F1和电梯:F1赛车的ERS(能量回收系统)通过制动时回收的能量在加速时提供额外动力。电梯和起重机等机械也普遍采用回生制动——箱体或货物下降时的重力势能被回收成电能回馈给电网,实现节能。"把减速、下降的能量不浪费而是利用"这个理念已经应用到很多机械上。

常见误解和注意点

很常见的误解是"回生制动就能把车停下来"。回生通过电动机的发电阻力产生减速力,但这个力有上限,紧急制动或高速全力制动时远远不够。而且速度降到很低时电动机发电量很少,停止寸前回生基本失效。所以实车采用"制动混合"控制,把回生制动和摩擦制动平顺地结合在一起。本工具的回收量理解为包含摩擦制动折算的实效值,用回生效率 η 来表示。

第二个常见误解是"回生效率总是一样"。实际的回生效率会随电池状态变化很大。电池接近满充电或温度极低时,无法再接受充电,回生会被限制(所以满电的电动汽车下坡时回生会变弱)。制动强度不同效率也不同,温和制动时摩擦制动介入少,效率高。η 可以在0.3~0.85范围调节,就是为了表现这些条件差异。

最后"回收的能量直接转化为省电"的想法过于简单。本工具只算单次制动散逸的动能。实际走行中空气阻力·滚动阻力·爬坡消耗的能量是无法用回生回收的,这些能量持续损耗。回生只对"制动要浪费掉的那部分"有效。这也是为什么市区走走停停时回生效果大,高速匀速巡航时空气阻力主导回生就没什么意义。推算续航时要分开考虑回生的好处和走行阻力的损失。

使用指南

  1. 输入车辆质量。乘用车约1500kg、中型卡车约5000kg、大巴约12000kg为标准值。
  2. 指定初速度和最终速度。市区走行通常从80km/h→0km/h,高速分阶段从100km/h→20km/h。
  3. 设定回生效率。永磁同步电动机搭载车为85~92%,感应电动机为78~85%是实测值。
  4. 运行模拟计算制动动能、回生回收量、摩擦制动废弃分的实时数值。

具体计算示例

假设乘用车质量1800kg、初速100km/h、最终速0km/h、回生效率88%。制动动能为½×1800×(27.78)²≒694kJ。应用回生效率88%得回收能量611Wh,废弃分83kJ。若该车每天进行10次市区制动,每天回收6.1kWh,对于容量60kWh的电池,可延长约18km的续航。

实务注意事项