汽车上的能量回收，效率能够超过100%吗？

资源回收再利用对我们来说并不是一个陌生的概念。例如垃圾桶分为可回收和不可回收，以便在垃圾处理的时候将可回收资源再利用。在汽车行业里，有关传统的燃油车来说，由于卡诺定理的限制，只有20%-30%来自燃油的能量被转换成了汽车的动能，其余的70%-80%的能量全部以热量的形式散到大气环境中去了。有关电动汽车来说，虽然电机可以实现大于90%的电-机转化率，但在行驶过程中出现的电池发热、制动摩擦、轮胎磨损等能量耗散现象也使得只有不超过70%的储存在电池里的电能转换为汽车的动能。科学家和工程师们希望能把这些白白散到大气环境中的能量作为资源回收再利用，提高能量的利用率。于是，便有了各种能量回收系统（EnergyRecoverySystem）的应用。这些能量回收技术重要分为两种类型：热能回收系统（ERS-H）和动能回收系统（ERS-K）。

热能回收系统（ERS-H）顾名思义是回收热能的，最初出现在F1赛车上。被回收的热量来自发动机的高温废气，这些废气中带有不完全燃烧的燃料，并具有高温高压等特性。热能回收系统中的核心部件——涡轮增压器能将废气中的一部分热量和废气本身具有流速的动能进行回收，转化为发动机的有用功，从而达到提高燃油利用率的目的。

最常见的动能回收系统（ERS-K）是目前电动汽车上使用的制动能量回收，其回收的是刹车的时候所浪费的动能。传统汽车在要减速或者制动的时候，踩下刹车后，刹车卡钳就会抱住刹车盘，通过摩擦的方式将动能转化为热能耗散掉。在电动汽车和混合动力车上，这种被浪费掉的运动能量可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于中央电池中，随后进一步转化为驱动能量。当踩下刹车时，制动能量回收会调整励磁相位使电机出现负转矩（即反向旋转趋势）达到减速的目的。此时电机是受迫运动，其线圈绕组中会出现反向电动势，因此电动机秒变发电机向外输出电能，这些电能回收后将反哺给中央电池，使能量获得更高效的利用。

目前的热能回收系统能将燃油的利用率提高10-20个百分点[1]。装在新能源汽车上的动能回收系统可以回收20%-70%因制动造成的能量耗散[2]。在碳中和和节能减排的大趋势下，汽车身上还有没有能够被回收利用的能量耗散呢？

答案是有的，这就是在汽车行驶中一直被人们忽略的振动能量。为了在行驶中得到舒适的乘坐体验，汽车的避震系统需缓冲由不平路面传递给车身的震动，同时对汽车的振动频率和幅值进行降低。在此过程中避震系统将振动的动能转化为阻尼器中油液的热能耗散掉，这部分能量约占汽车驱动能量的17%-20%[3]。假如将这部分能量回收再利用，能够进一步提高汽车的能量利用率。基于电磁转换、压电转换、摩擦纳米发电等原理的概念阻尼器在近三年开始出现在人们的视野中。然而这些概念阻尼器都有两个共同的短板[4]——转换效率低且成本高。

在欧盟"地平线2020"科研创新计划框架的支持下，来自西班牙、意大利、英国、波兰、乌克兰的学者们在Electro-Intrusion项目[5,6,7]中共同提出了一种类似于热泵的概念，以阻尼器所承受的机械缓冲作为诱引，将周围环境的热能转换为电能输出，这样即可通过"开源"的方式大大提高能量的输出/输入比，甚至能够达到输出电能和输入机械能的比例高于100%的水平!同时，此概念下无需对目前成熟的商用阻尼器进行结构颠覆性修改，只要低成本地替换内部油液种类和掺杂颗粒即可。

事实上随着该技术的商业化和规模化继续降低成本，不仅仅能够用于汽车上的能量回收，还能在其他交通工具例如飞机轮船发动机上进行能源回收再利用，甚至在人们的生活中例如洗衣机电钻等一切存在振动的地方得到广泛地应用，让我们一起期待吧。

欧盟Electro-Intrusion项目重要成员：

赵维玮博士，张童童博士，李永亮教授，聂彬剑博士，丁玉龙院士