基于飛輪儲(chǔ)能裝置在電動(dòng)汽車再生制動(dòng)效果研究

王井

摘 要：本文提出的利用飛輪儲(chǔ)能方法是解決電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收和再利用的問題。本文介紹了試驗(yàn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。為了驗(yàn)證飛輪儲(chǔ)能裝置效果，本文通過飛輪儲(chǔ)能裝置試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過整理與分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出飛輪儲(chǔ)能裝置的制動(dòng)能量回收率。本文論證了該裝置可以有效的進(jìn)行制動(dòng)能量回收，且回收效率顯著。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 制動(dòng)能量回收 飛輪儲(chǔ)能 試驗(yàn)臺(tái)

1 引言

隨著當(dāng)前環(huán)境和資源問題日顯突出，各汽車廠商和研究機(jī)構(gòu)都致力于電動(dòng)汽車的發(fā)展。在電動(dòng)汽車中不管是純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車還是燃料電池汽車，連續(xù)行駛里程問題是阻礙電動(dòng)汽車發(fā)展的問題之一。回收和再利用汽車中的能源是目前提高電動(dòng)汽車性能的有效途徑。然而，在頻繁制動(dòng)的過程中，電池反復(fù)充電和放電，勢(shì)必會(huì)減少電池使用壽命。使用具有高能量密度的飛輪儲(chǔ)能，減少了過度的充放電，充電時(shí)間短等的問題。本文設(shè)計(jì)飛輪能量儲(chǔ)存和制動(dòng)能量回收臺(tái)架設(shè)計(jì)是為了研究該裝置的能量回收效率。該試驗(yàn)臺(tái)可以解決早期利用計(jì)算機(jī)仿真建立精確數(shù)學(xué)模型的問題，也可以驗(yàn)證早期的設(shè)計(jì)思路和方法。該設(shè)計(jì)利用了飛輪具有高儲(chǔ)能密度、不存在過度充放電及儲(chǔ)能時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，本文主要設(shè)計(jì)了飛輪儲(chǔ)能制動(dòng)能量回收臺(tái)架，通過試驗(yàn)解決了利用計(jì)算機(jī)仿真前期階段建立精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型困難問題，并且還驗(yàn)證了初期的設(shè)計(jì)思想與方法，解決了整車設(shè)計(jì)開發(fā)成本高和開發(fā)周期長的問題。

2 飛輪儲(chǔ)能原理介紹

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是利用高速旋轉(zhuǎn)飛輪以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)能量的裝置。它的工作模式可分為：能量存儲(chǔ)模式、能量保持模式、能量釋放模式。能量釋放模式中高速旋轉(zhuǎn)飛輪存儲(chǔ)能量動(dòng)能為

式中v為飛輪速度;m為飛輪的質(zhì)量;J為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為飛輪的角速度。

由公式（1）可知飛輪的儲(chǔ)能量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角速度的平方成正比，可推出增加飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)速可提高飛輪儲(chǔ)能量。

3 飛輪儲(chǔ)能裝置在電動(dòng)汽車中的布置形式及工作原理介紹

3.1 飛輪儲(chǔ)能裝置在車輛中的布置形式

飛輪儲(chǔ)能裝置在車輛的合理布置，關(guān)鍵是要確定該裝置能否解決電動(dòng)汽車過度的充放電，充電時(shí)間短等問題，圖2飛輪儲(chǔ)能裝置在車輛中的結(jié)構(gòu)。

3.2 飛輪儲(chǔ)能裝置的工作原理介紹

根據(jù)車輛的不同工作狀態(tài)飛輪儲(chǔ)能裝置詳細(xì)工作原理如下：

當(dāng)車輛啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)汽車電動(dòng)/發(fā)電機(jī)為車輛提供驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)連接到電動(dòng)/發(fā)電機(jī)輸出軸的離合器接頭通過行星齒輪機(jī)構(gòu)的輸入端驅(qū)動(dòng)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)檐囕v有靜止?fàn)顟B(tài)和行駛狀態(tài)兩種工作狀態(tài)，根據(jù)以上飛輪也有靜止或旋轉(zhuǎn)兩種工作狀態(tài)：

（1）當(dāng)飛輪處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由于飛輪具有較大的慣性，安裝在同一軸上的太陽輪與飛輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么行星齒輪機(jī)構(gòu)中的齒圈與行星齒輪構(gòu)成一個(gè)定軸輪系。行星機(jī)構(gòu)的輸出軸，連接到行星齒輪架上，相對(duì)于以齒圈為輸入的固定軸系，以較慢扭轉(zhuǎn)的方式將動(dòng)力傳遞給變速器的輸入端，變速器齒輪驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)或后退。

（2）當(dāng)飛輪處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，由于飛輪儲(chǔ)存了一定的能量，安裝在與飛輪同軸的太陽輪隨飛輪旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)力; 此時(shí)，行星機(jī)構(gòu)的齒圈和太陽輪同為動(dòng)力輸入，與行星輪相連的行星架的動(dòng)力為兩者之和，即車輛處于電動(dòng)機(jī)和飛輪的混合驅(qū)動(dòng)狀態(tài)?；旌蟿?dòng)力被輸入到變速器的輸入端，并根據(jù)變速器齒輪的狀態(tài)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)或后退。

（3）當(dāng)存儲(chǔ)在飛輪的能量可以獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)車輛啟動(dòng)，通過固定齒圈制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，太陽齒輪和行星齒輪系形成的固定軸齒輪。此刻，儲(chǔ)存裝置的能量可直接驅(qū)動(dòng)車輛。

當(dāng)車輛處于勻速或加速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，根據(jù)飛輪在兩種不同的狀態(tài)，分為電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)狀態(tài)和電機(jī)/飛輪混合驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。動(dòng)力傳輸過程和開始時(shí)工作過程一樣。

當(dāng)車輛滑行減速時(shí)。 車輛滑行是對(duì)車輛動(dòng)能的一種有效利用，用于驅(qū)動(dòng)車輛。當(dāng)裝有儲(chǔ)能飛輪的車輛滑行時(shí)，首先，不踩油門踏板，停止向馬達(dá)供電，同時(shí)不踩剎車踏板，將變速器置于空檔位置。此時(shí)，車輛的動(dòng)能可以用來驅(qū)動(dòng)車輛滑行?；蛘邔⑴c電機(jī)相連的離合器分離，將傳動(dòng)裝置置于前進(jìn)擋，通過行星機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)來回收部分車輛的動(dòng)能，但減小了滑行距離。

這輛車處于制動(dòng)減速狀態(tài)。傳統(tǒng)的車輛制動(dòng)過程是通過摩擦熱產(chǎn)生的形式來耗散車輛的動(dòng)能，使車輛制動(dòng)減速，造成車輛動(dòng)能浪費(fèi)。車輛安裝有飛輪的能量存儲(chǔ)裝置在制動(dòng)減速時(shí)，當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，通過固定齒圈，太陽齒輪和構(gòu)成固定軸線的行星齒輪輪系制動(dòng)第一齒圈。汽車的動(dòng)能將驅(qū)動(dòng)飛輪通過行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輪子、主減速器、變速器、行星架和太陽輪轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪，飛輪儲(chǔ)能裝置將汽車的動(dòng)能儲(chǔ)存，起到減速的作用。

車輛停止后飛輪剩余能量的利用。如果飛輪在車輛停止后仍在轉(zhuǎn)動(dòng)，即當(dāng)飛輪具有剩余能量時(shí)，電動(dòng)/發(fā)電機(jī)可以放置在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，并由飛輪驅(qū)動(dòng)。因?yàn)檐囕v是靜止的，這時(shí)太陽齒輪旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動(dòng)飛輪，并驅(qū)動(dòng)行星齒輪，環(huán)形齒輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)離合器接合時(shí)，將動(dòng)力傳給馬達(dá)/發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，使車輛停止之后飛輪的剩余能量可以對(duì)電池充電，剩余能量得到充分利用。

在車輛上加裝飛輪儲(chǔ)存裝置，不但可以提高車輛在制動(dòng)時(shí)的能量回收效率，而且可以增加車輛的輸出功率，在車輛停止后，裝置可以將多余的能量儲(chǔ)存到蓄電池。為了研究這種結(jié)構(gòu)的效果，本文根據(jù)汽車布局搭建了一個(gè)基于飛輪儲(chǔ)能裝置的試驗(yàn)臺(tái)。

4 試驗(yàn)臺(tái)的組成及各部分功能分析

4.1 試驗(yàn)臺(tái)的組成

目前國內(nèi)外多數(shù)利用計(jì)算機(jī)仿真和道路試驗(yàn)研究電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試方法介于兩者之間。結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，研究了再生制動(dòng)性能。既解決了使用計(jì)算機(jī)仿真反映車輛真實(shí)運(yùn)行狀況困難，又解決了路試費(fèi)用高的問題。

為了減小整個(gè)測(cè)試臺(tái)測(cè)試期間的再生制動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)與路試測(cè)試數(shù)據(jù)差距，從而對(duì)這個(gè)測(cè)試臺(tái)模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)其功能不同多個(gè)測(cè)試獨(dú)立的模塊單元進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，再將各模塊單元優(yōu)化組合在一起，以達(dá)到測(cè)試目的。根據(jù)模塊單元優(yōu)化設(shè)計(jì)，裝置分為三個(gè)部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。機(jī)械本體部分由電機(jī)，行星齒輪機(jī)構(gòu)，慣性模擬飛輪，電磁離合器，電磁制動(dòng)器和連接這些部件的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)是一種轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量裝置和速度信號(hào)處理設(shè)備和其他部件?？刂葡到y(tǒng)由計(jì)算機(jī)、傳感器、信號(hào)處理裝置以及各部件的控制器組成。 其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)

作為試驗(yàn)臺(tái)的主要組成部分，其功能是模擬車輛（動(dòng)力性、傳動(dòng)性和車輛制動(dòng)慣性性能）。本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)是基于前一節(jié)提出的車輛結(jié)構(gòu)布置的簡化設(shè)計(jì)。由于結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，所以電動(dòng)汽車的制動(dòng)過程仿真不是很準(zhǔn)確。然而，本文研究的目標(biāo)（飛輪儲(chǔ)能裝置在電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收效果）是可以實(shí)現(xiàn)的。飛輪儲(chǔ)能裝置試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4中1為調(diào)速/驅(qū)動(dòng)電機(jī);2為傳動(dòng)帶;3為儲(chǔ)能飛輪;4為軸承及軸承座;5為電磁制動(dòng)器;6為行星機(jī)構(gòu);7為傳動(dòng)帶輪;8為傳動(dòng)帶;9為傳動(dòng)帶輪;10為電磁離合器;11為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器;12為整車慣性模擬飛輪;13為驅(qū)動(dòng)/阻力加載電機(jī);14為傳動(dòng)帶輪;15為傳動(dòng)帶;16為傳動(dòng)帶輪;17為電磁制動(dòng)器;18為電磁離合器;19為發(fā)電機(jī)。

4.3 控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制部分和控制電路的核心。試驗(yàn)臺(tái)的控制原理是通過計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)部分，分別控制試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)部分的控制器。該試驗(yàn)臺(tái)的控制方案如圖5所示。

4.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，包括：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器和信號(hào)處理裝置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要將飛輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行星齒輪機(jī)構(gòu)等轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。信號(hào)處理單元根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速計(jì)算程序計(jì)算轉(zhuǎn)速。同時(shí)，它可以通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

5 再生制動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 再生制動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

再生制動(dòng)能量回收率（再生制動(dòng)能量在電動(dòng)汽車制動(dòng)過程中所占的百分比）作為評(píng)價(jià)和分析電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)性能的指標(biāo)。試驗(yàn)用再生制動(dòng)能量回收率評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)性能，該數(shù)據(jù)既能反映整個(gè)再生制動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，又能反映再生制動(dòng)儲(chǔ)能裝置接收回收能量的能力。其公式為：

Er——制動(dòng)過程中再生制動(dòng)能量;Eb——制動(dòng)過程車輛動(dòng)能的變化量。

由以上公式可知如果車輛總動(dòng)能不變，再生制動(dòng)能量的大小影響再生制動(dòng)能量的回收率，根據(jù)以上原因制定相應(yīng)的試驗(yàn)方法。

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

儲(chǔ)能試驗(yàn)臺(tái)是根據(jù)車輛慣性仿真飛輪達(dá)到所需速度，停止給電機(jī)供電，能量回收儲(chǔ)能記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的需要設(shè)計(jì)四通道測(cè)速裝置，對(duì)再生制動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、車輛慣性仿真飛輪、 行星架以及儲(chǔ)能飛輪的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，計(jì)算儲(chǔ)能裝置能量回收性能，了解整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的能量傳遞效率。

本文模擬飛輪在500r/min、600r/min、700r/min、800r/min時(shí)進(jìn)行能量回收試驗(yàn)，圖7-10給出了試驗(yàn)臺(tái)在四種轉(zhuǎn)速進(jìn)行能量回收試驗(yàn)時(shí)，整車慣性模擬飛輪能量變化曲線和儲(chǔ)能飛輪能量變化曲線。

通過對(duì)儲(chǔ)能飛輪達(dá)到最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行制動(dòng)能量回收能量變化數(shù)據(jù)和整車慣性模擬飛輪這段時(shí)間內(nèi) 數(shù)據(jù)的采集，可知儲(chǔ)能飛輪在500r/min、600r/min、700r/min、800r/min時(shí)的制動(dòng)能量的回收率分別為：23.8%、25.4%、26.5%、28.0%。

再生制動(dòng)能量回收分析表明，隨著初始動(dòng)能增加，飛輪能量存儲(chǔ)設(shè)備具良好的儲(chǔ)能作用，并且回收速度快。從圖中分析，制動(dòng)能量回收不能回收車輛的慣性模擬飛輪所消耗的全部能量，但存在一個(gè)平衡點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到這個(gè)點(diǎn)時(shí)，飛輪能量儲(chǔ)存裝置將不再回收能量。 因此，將飛輪能量儲(chǔ)存裝置應(yīng)用于車輛時(shí)，應(yīng)在達(dá)到能量平衡點(diǎn)后再進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)，并將儲(chǔ)能飛輪與車輛變速器分離，使飛輪處于最高儲(chǔ)能狀態(tài)，以便在車輛需要時(shí)輸出最大能量驅(qū)動(dòng)車輛。

6 總結(jié)

本文提出了一種飛輪儲(chǔ)能裝置在車輛中的布置。通過試驗(yàn)分析，可以有效地提高電動(dòng)汽車的性能。為驗(yàn)證飛輪儲(chǔ)能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的組成和各部分的功能進(jìn)行介紹。之后，通過試驗(yàn)臺(tái)的搭建與試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。為飛輪儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用在電動(dòng)汽車再生制動(dòng)效果提供了有效的數(shù)據(jù)佐證。

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