汽車上的能量回收，效率能夠超過100%嗎？

資源回收再利用對我們來說并不是一個陌生的概念。例如垃圾桶分為可回收和不可回收，以便在垃圾處理的時候?qū)⒖苫厥召Y源再利用。在汽車行業(yè)里，有關(guān)傳統(tǒng)的燃油車來說，由于卡諾定理的限制，只有20%-30%來自燃油的能量被轉(zhuǎn)換成了汽車的動能，其余的70%-80%的能量全部以熱量的形式散到大氣環(huán)境中去了。有關(guān)電動汽車來說，雖然電機可以實現(xiàn)大于90%的電-機轉(zhuǎn)化率，但在行駛過程中出現(xiàn)的電池發(fā)熱、制動摩擦、輪胎磨損等能量耗散現(xiàn)象也使得只有不超過70%的儲存在電池里的電能轉(zhuǎn)換為汽車的動能?？茖W家和工程師們希望能把這些白白散到大氣環(huán)境中的能量作為資源回收再利用，提高能量的利用率。于是，便有了各種能量回收系統(tǒng)（EnergyRecoverySystem）的應(yīng)用。這些能量回收技術(shù)重要分為兩種類型：熱能回收系統(tǒng)（ERS-H）和動能回收系統(tǒng)（ERS-K）。

熱能回收系統(tǒng)（ERS-H）顧名思義是回收熱能的，最初出現(xiàn)在F1賽車上。被回收的熱量來自發(fā)動機的高溫廢氣，這些廢氣中帶有不完全燃燒的燃料，并具有高溫高壓等特性。熱能回收系統(tǒng)中的核心部件——渦輪增壓器能將廢氣中的一部分熱量和廢氣本身具有流速的動能進行回收，轉(zhuǎn)化為發(fā)動機的有用功，從而達到提高燃油利用率的目的。

最常見的動能回收系統(tǒng)（ERS-K）是目前電動汽車上使用的制動能量回收，其回收的是剎車的時候所浪費的動能。傳統(tǒng)汽車在要減速或者制動的時候，踩下剎車后，剎車卡鉗就會抱住剎車盤，通過摩擦的方式將動能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。在電動汽車和混合動力車上，這種被浪費掉的運動能量可通過制動能量回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿Υ嬗谥醒腚姵刂?，隨后進一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動能量。當踩下剎車時，制動能量回收會調(diào)整勵磁相位使電機出現(xiàn)負轉(zhuǎn)矩（即反向旋轉(zhuǎn)趨勢）達到減速的目的。此時電機是受迫運動，其線圈繞組中會出現(xiàn)反向電動勢，因此電動機秒變發(fā)電機向外輸出電能，這些電能回收后將反哺給中央電池，使能量獲得更高效的利用。

目前的熱能回收系統(tǒng)能將燃油的利用率提高10-20個百分點[1]。裝在新能源汽車上的動能回收系統(tǒng)可以回收20%-70%因制動造成的能量耗散[2]。在碳中和和節(jié)能減排的大趨勢下，汽車身上還有沒有能夠被回收利用的能量耗散呢？

答案是有的，這就是在汽車行駛中一直被人們忽略的振動能量。為了在行駛中得到舒適的乘坐體驗，汽車的避震系統(tǒng)需緩沖由不平路面?zhèn)鬟f給車身的震動，同時對汽車的振動頻率和幅值進行降低。在此過程中避震系統(tǒng)將振動的動能轉(zhuǎn)化為阻尼器中油液的熱能耗散掉，這部分能量約占汽車驅(qū)動能量的17%-20%[3]。假如將這部分能量回收再利用，能夠進一步提高汽車的能量利用率?；陔姶呸D(zhuǎn)換、壓電轉(zhuǎn)換、摩擦納米發(fā)電等原理的概念阻尼器在近三年開始出現(xiàn)在人們的視野中。然而這些概念阻尼器都有兩個共同的短板[4]——轉(zhuǎn)換效率低且成本高。

在歐盟"地平線2020"科研創(chuàng)新計劃框架的支持下，來自西班牙、意大利、英國、波蘭、烏克蘭的學者們在Electro-Intrusion項目[5,6,7]中共同提出了一種類似于熱泵的概念，以阻尼器所承受的機械緩沖作為誘引，將周圍環(huán)境的熱能轉(zhuǎn)換為電能輸出，這樣即可通過"開源"的方式大大提高能量的輸出/輸入比，甚至能夠達到輸出電能和輸入機械能的比例高于100%的水平!同時，此概念下無需對目前成熟的商用阻尼器進行結(jié)構(gòu)顛覆性修改，只要低成本地替換內(nèi)部油液種類和摻雜顆粒即可。

事實上隨著該技術(shù)的商業(yè)化和規(guī)模化繼續(xù)降低成本，不僅僅能夠用于汽車上的能量回收，還能在其他交通工具例如飛機輪船發(fā)動機上進行能源回收再利用，甚至在人們的生活中例如洗衣機電鉆等一切存在振動的地方得到廣泛地應(yīng)用，讓我們一起期待吧。

歐盟Electro-Intrusion項目重要成員：

趙維瑋博士，張童童博士，李永亮教授，聶彬劍博士，丁玉龍院士