回收减速动能以提高效率

位于日本秋田县大泻村的世界节能行驶比赛的赛道

3km 直线赛道绕行1 圈约6km，每圈设有2 个折返点。一端的折返点半径较大，即使以接近40km/h 的速度也能够转向掉头。

另一端的折返点半径只有10m，近似于原地掉头的折返必须减速才行（照片1）。参赛车必须从40km/h 以上的速度减速到20km/h，因此有效利用制动能量的意义是不言而喻的。这可以通过计算来确认。假设车体质量为30kg，驾驶员体重为70kg。总质量为100kg 的物体，从40km/h（11.1m/s） 减速到20km/h（5.55m/s），这时的动能差值为

E= 1/2×m ×（v 12-v 22）

=50×（11.12-5.552）=50×（123.21-30.8）

=4620（J） → 1.28Wh

第一阵营行驶15 圈，需要做15 次再生制动，理论上可以回收19Wh 的能量。实际上，考虑到发电能量损失及行驶阻力带来的能量损失，只能回收19Wh 的70%~80%。即使这样，也能够使总能量为144Wh（12V×3Ah×4）的电池组增加约10% 的量，这个效果也很明显。

实现再生制动发电的方法

现在来讨论实现再生制动发电的具体方法。节能行驶比赛中所用的再生制动发电主要有图4 所示的3 类方法。

图4（a）是最传统的方法，市售的普通EV 多采用这种方法。但是，相较于电池容量（144Wh），节能行驶比赛过程中的再生制动发电（200~400W）当量较小，加之制动距离很短，又是在短时间内急速充电，对充电效率不如锂离子电池的铅酸蓄电池而言，这并不是一个有效的方法。

利用电容器提高效率

比锂离子电池充放电效率更高的元件是双电层电容器（效率接近100%）。这是超大容量的电容器，由于它是电容器的构造，以再生制动回收能量的程度来看，可以做到近乎瞬间完成充放电过程。图4（b）是利用双电层电容器（简称电容器）提高再生效率的方法。为了防止形成从电容器流向电池的逆向电流，在电容器和电池之间接入二极管。在正常行驶过程中，电流流过二极管会增加损耗。如图5 所示，

利用MOSFET 和运算放大器构成理想二极管；或者为二极管设置旁路开关，待再生制动过程结束后，电池电压升高，接通旁路开关。这种对策很有必要。对于电源是发电机或燃料电池的情况，这种方法也可以实现再生。

电容串联升压进一步提高效率

最后一类方法如图4（c）~（e）所示，电容器串联升压的再生制动方法。通常行驶时用电池驱动电机[ 图4（c）]，再生制动时把电池切换为电容器[ 图4（d）]。这种方法的要点是，电容器电压是电池电压的一半以下。因为电容器的电压低于电机的发电电压，即使不用电机控制器升压，也可以进行再生制动充电。没有电机控制器的升压损失，提高了再生效率，是此方法的优点。再生制动储存在电容器上的能量，如果不加处理，就会因电压过低而无法使用，因此需要把电容器和电池串联起来使用（图4（e））。例如，电池电压为24V，电容器电压为12V，串联后得到36V 电压。

图6 是电池和电容器的串并联切换电路。假设一组电池的电压为6V，在高速（30~40km/h）时将电容器串联，得到12V 的再生电压（图6（a））；如果速度降低，则将电容器并联，得到6V 的再生电压（图6（b）），提高了再生效率。升压时把电容器（6V）并联后与电池串联（图6（c）），控制电源电压的变化（24V → 30V）。这种方法的缺点是难于调整制动力的大小。它的优点是电路简单、再生效率高，是一种容易实现的再生方法。

在普通EV 方面的应用

与电容器串联升压的方法相似，可以把电池与电源串联起来，临时提高电压。这种方法也可以应用于再生制动之外的场合。例如，在高速公路上行驶需要超车之际，为了达到临时提高电压的目的，将增程器（EV 用辅助发电机）与电池串联（图7）。

也可以用DC-DC 变换器升压（图8）。

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