新能源汽车车辆制动能量回收的物理学原理及应用

新能源汽车通过电机实现制动能量回收，利用交流电机既能“电生磁”又能“磁生电”的特性。当驾驶员松开加速踏板或踩下刹车时，行驶阻力驱动电机转子转动，电机发出交流电并反充给电池，实现能量回收。这一技术提高了能源利用率，尤其在混合动力汽车中，电机在低效工况下替代或协助发动机工作，进一步降低了油耗。同时，在下坡或必要减速时，也能将动能转化为电能储存。

其实新能源汽车都够实现能量回收的根本在于其核心部件——电机。

如果说得再细一点，那就是交流电机这个零件既可以“电生磁”，又可以“磁生电”。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现——通电导线的周围存在磁场，且磁场与电流的方向有关。

如果再把这一现象稍加完善，改一下通电导线的形状，并且在通电导线周围布置上磁场，那我们其实就得到了一个电动机。

而在1831年，英国科学家法拉第发现——闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，在导体上就会产生电流的现象叫电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流。

因此，交流发电机诞生了。

而把两个现象结合一下，人们发现，如果用外力带动交流发电机的转子转动，那么此时线圈中就会产生交流电；而如果给线圈通上交流电，那么转子也会随之转动，此时交流发电机就变成了交流电机。

在理解了上述的背景只是之后，新能源汽车的动能回收其实也就很好理解了。

在正常行驶时，驾驶员踩下加速踏板，新能源汽车电池中的直流电通过电机控制器变成交流电，交流电使得电机的转子转动，从而驱动车辆克服阻力向前行驶。

而一旦驾驶员松开踏板或踩下刹车，电池则不再输出电流，此时车辆的行驶阻力成为了电机转子转动的动力，从而在电机内部实现切割磁感线的动作，电机发出的交流电通过电机控制器和电池控制器后反充给电池。

那么以上就是新能源汽车实现能量回收的物理学原理和工程实现方法。

接下来，我则想和大家分享下我们如何用好动能回收这一工具，或者扩大一点说，我们如何用好汽车里的电。

所以，我会以混合动力汽车为例，跟大家来聊聊

2.1.1在发动机效率极低的工况替代发动机出力(同样适用于HEV)

下面这两张图分别是某普通驱动电机的map图和马自达创驰蓝天发动机的map图。

可以看到，即使是在低效区域，电动机的效率也有50-80%，但是相比之下，内燃机在低效区的效率只有5-20%左右。

所以对于混合动力汽车来说，在怠速、起步、堵车等低速、低功率工况下，电机效率会远远高于发动机，这时候完全用纯电驱动是最合适的选择。

2.1.2在发动机效率较低的工况下协助发动机出力(同样适用于HEV)

对于混合动力汽车来说，由于有了电机的存在，发动机可以更容易的工作在高效率区间。

就以加速工况为例，如果是纯燃油车，发动机必须工作在A点才能满足驾驶员的需求。

但是对于混动汽车，就可以由电机提供一部分动力，从而使得发动机工作在效率更高的B点。

当然了，除了加速，其他的部分工况电机也可以帮助发动机出力而降低油耗。

2.1.3在行驶里程较短时当做纯电动车来用

对于一辆续航50km的插电混动汽车来说，如果行驶里程只有10km，那么完全就可以当作一台纯电动汽车使用。

2.2.1充电桩充电(同样适用于电动车)

既然叫插电式混合动力，那么第一种方法肯定是从充电桩充电嘛，这一点没什么好说的。

2.2.2下坡&必要减速时动能转化为电能(同样适用于电动车和HEV)

这个其实就是问题里说到的动能回收。

从能量角度来说，能量回收是一个将车辆的动能(减速)或重力势能(下坡)转化为电能的过程。

从技术角度来说，在车辆下坡或减速时，电机不再输出动力，而是由车轮反拖电机发电，然后将电能储存到电池中。

值得注意的是，由于发电和充电过程都有能量损失，并且为了保护电池会限制最大充电功率，所以能量回收系统是无法完全将损失的能量都冲进电池里去的。

大部分情况下，能量回收的效率在50-80%之间。

所以，只有当下坡、接近红绿灯、前车减速……等必须减速的情况下使用能量回收才是省油的；相反，在一条空旷的大马路上加速到80——能量回收到60——加速到80……(循环)肯定是没有75匀速行驶更省油的。

2.2.3利用发动机发电(仅适用于插电式混合动力)

当发动机工作在高效区时，也可以利用发动机发电。

当然，有朋友可能会疑惑，发动机发电效率也不高，这个操作是不是有多此一举的嫌疑？

在大部分情况下是的，但是有的时候，这种操作反而会更省油——比如应对长距离拥堵的时候。

假设车辆在高速巡航行驶时发动机效率35%，电机发电效率90%，电池充放电总效率90%，低速行驶时电机效率60%。

那么这种操作的综合热效率仍然能够有17%，高于发动机在堵车时的热效率，所以利用发动机工作在高效区时发电来应对长距离拥堵的确是可以省油的。

但是值得注意的是，只有如果想要同时实现电驱动和发电，那么最起码需要配备两台电机。

我是@三斤哥，一个新能源、变速箱、智能网联都有涉足的汽车主机厂工程师。有兴趣的朋友可以关注我，我会从汽车工程师的角度给大家分享相关知识、解读热点问题。

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