王金星，劉利強(qiáng)，皇凡輝

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

汽車慣性動(dòng)能回收再利用裝置的設(shè)計(jì)仿真

王金星，劉利強(qiáng)，皇凡輝

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

針對目前汽車減速時(shí)所產(chǎn)生的慣性動(dòng)能利用率偏低的問題，通過了設(shè)計(jì)一種用于普通汽車的慣性動(dòng)能回收再利用裝置的方法，以超級(jí)電容和蓄電池并舉的方式儲(chǔ)存能量，將該能量的一部分用于起動(dòng)加速助力，一部分用于車載電器供電；結(jié)合搭建的該新型慣性動(dòng)能回收再利用裝置模型仿真試驗(yàn)，繪制出了減速過程中該裝置電壓電流的輸入和輸出波形，得出該裝置可簡便、有效地回收普通汽車慣性動(dòng)能，進(jìn)而提高汽車能量利用率的結(jié)論。

汽車；慣性動(dòng)能；回收再利用；超級(jí)電容

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，世界汽車保有量持續(xù)高速增漲。同時(shí)不可避免的出現(xiàn)了能源短缺，大氣污染等一系列世界性難題[1]。在這種情況下，對汽車減速時(shí)所產(chǎn)生的慣性動(dòng)能的回收再利用就成為了汽車節(jié)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

當(dāng)前汽車的慣性動(dòng)能主要以摩擦生熱的形式消耗掉了，沒有得到回收利用。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，在存在較頻繁的制動(dòng)與啟動(dòng)的城市工況運(yùn)行條件下，有效地回收慣性動(dòng)能，可以使汽車的油耗降低10%～30%，并顯著改善汽車的制動(dòng)性能和起動(dòng)性能[2-3]。

本文設(shè)計(jì)了一種可用于普通汽車的慣性動(dòng)能回收再利用裝置，以超級(jí)電容和蓄電池共同作為儲(chǔ)能容器，并將回收能量的一部分實(shí)時(shí)提供給車載電器，另一部分用于車輛的起動(dòng)加速助力，提高慣性動(dòng)能利用率，有效降低油耗。

1 慣性動(dòng)能回收再利用裝置的工作原理

1.1 回收再利用裝置結(jié)構(gòu)

該裝置由傳動(dòng)齒輪、電機(jī)、整流器、逆變器、超級(jí)電容、蓄電池、電纜線等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。因蓄電池難以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間、大功率、高效率充電，而超級(jí)電容器恰好可以彌補(bǔ)這一缺陷，故裝置中采用超級(jí)電容和蓄電池并舉的方式儲(chǔ)存能量[4]。

圖1 汽車慣性動(dòng)能回收再利用裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of car’s inertia kinetic energy recycling device

圖1中有：1.永磁同步電機(jī)2.整流器、逆變器3.超級(jí)電容4蓄電池 5.齒輪（備注：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)可為同一個(gè)電機(jī)ISG）

1.2 回收再利用裝置工作過程

1.2.1 剎車制動(dòng)過程

1）將車輪的剎車片適當(dāng)改裝,成為有齒輪的剎車片，再通過齒輪來連接一個(gè)可移動(dòng)的連接齒輪，通過該齒輪放大力矩。

2)再通過移動(dòng)齒輪連接到固定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，生成感應(yīng)電動(dòng)勢發(fā)電。

3）把電機(jī)的出線端引到整流器，將發(fā)出的交流電整流成直流電。

4）把直流電引出到超級(jí)電容和蓄電池，將電能暫時(shí)儲(chǔ)存起來。

1.2.2 起動(dòng)加速過程

1)起動(dòng)加速，觸發(fā)控制器動(dòng)作。

2)由控制器發(fā)出指令，接通超級(jí)電容的輸出端到逆變器，將直流逆變成交流電。

3)將交流電送至電動(dòng)機(jī)。

4)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩先傳送到移動(dòng)連接齒輪，再傳送到剎車片上的齒輪。

5)剎車片的齒輪力矩傳送給外輪胎的摩擦力矩，產(chǎn)生起動(dòng)輔助動(dòng)力，汽車加速。

1.2.3 車載電器供電過程

儲(chǔ)存于蓄電池中的電能直接向車載空調(diào)、音樂播放器、照明設(shè)備等供電，減少這些設(shè)備對發(fā)動(dòng)機(jī)的依賴，降低油耗。

1.3 能量回收效率分析

1.3.1 能量回收實(shí)例計(jì)算

下面以普通車型豐田凱美瑞2014款--駿瑞--2.0S耀動(dòng)版為例進(jìn)行計(jì)算，汽車的整備質(zhì)量為1 470 kg。一般車上有2人（含司機(jī)），質(zhì)量為130 kg，共計(jì)1 600 kg。假如轎車正常行駛的速度是54 km/h(15 m/s),有路障時(shí)減速到18 km/h（5 m/s）那么因剎車損耗的動(dòng)能

折合成標(biāo)準(zhǔn)煤約為5.5 g。如果再算上汽油的燃燒熱能利用效率，一次停車和啟動(dòng)車，消耗的能量將更大。

1.3.2 汽車性能的改善

1)每千米可節(jié)省燃料約10%～30%，降低了汽車使用成本;

2)廢氣的排放量減少了10%～30%;

3)汽車加速離開車站時(shí)的噪音降低;

4)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件和摩擦制動(dòng)部件的工作時(shí)間減少,從而降低了損耗，避免剎車制動(dòng)系統(tǒng)的過早磨損;

5)使起動(dòng)加速操作簡單，減少頻繁換擋的煩惱，改善車輛行駛安全性。

2 汽車慣性動(dòng)能回收再利用裝置仿真

2.1 回收再利用裝置原理圖

現(xiàn)代的汽車性能卓越、舒適、電氣自動(dòng)化，慣性動(dòng)能的回收再利用對汽車本身來說意義重大。但是，每一次的回收再利用都需要機(jī)械裝置、控制裝置、電氣設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備等的完美配合。與本慣性動(dòng)能回收再利用裝置相關(guān)聯(lián)的設(shè)備關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 慣性動(dòng)能回收再利用系統(tǒng)設(shè)備關(guān)系圖Fig.2 The relationship diagram of car’s inertial kinetic energy recycling device

當(dāng)汽車處于加速狀態(tài)時(shí)，則電機(jī)（ISG）起電動(dòng)機(jī)的作用，加速踏板處的加速傳感器將加速信號(hào)分別傳遞給電機(jī)控制器系統(tǒng)和車輪處的電磁離合器，引起整流/逆變裝置發(fā)出觸發(fā)脈沖信號(hào)（逆變狀態(tài)），同時(shí)車輪處齒輪電磁咬合，ISG內(nèi)閉合回路中的定子電流產(chǎn)生電動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)汽車制動(dòng)減速時(shí)，電機(jī)（ISG）起發(fā)電機(jī)的作用，剎車傳感器將減速信號(hào)分別傳遞給電機(jī)控制器系統(tǒng)和電磁離合器，不在給予整流/逆變裝置發(fā)出觸發(fā)脈沖信號(hào)（整流狀態(tài)），車輪處齒輪電磁咬合，ISG內(nèi)閉合回路中的定子端口產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，經(jīng)整流供電給蓄電池和車載電器。

當(dāng)汽車處于近似勻速狀態(tài)時(shí)，電磁離合器斷開，慣性動(dòng)能回收再利用裝置不工作。

2.2 慣性動(dòng)能的收集

在汽車的減速過程中，將引起發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速減小，發(fā)電機(jī)的機(jī)端輸出電壓

其中E為發(fā)電機(jī)的輸出電壓，N為砸數(shù)，K為常系數(shù) (約為1.1-1.25)，f為頻率，（f=pn/60），p為極對數(shù)，n為轉(zhuǎn)速，Φ為磁通量[5]。

剎車減速的過程中，轉(zhuǎn)速n在減小，頻率f也在減小，因此輸出電壓將有較大減小。假設(shè)減速為勻減速，則同步發(fā)電機(jī)機(jī)械輸入（Mechanical input）的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為勻減速，輸出電壓仿真波形如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)輸出電壓波形Fig.3 The voltage waveform of generator out

2.3 慣性動(dòng)能的儲(chǔ)存

由發(fā)電機(jī)輸出電壓波形分析可知，需采用不可控整流裝置，即由電力二極管組成的不控整流電路?？梢圆捎萌唷蜗嘟涣靼l(fā)電機(jī)或直流發(fā)電機(jī)，這里以三相舉例。整流電路采用三相橋式不控整流電路，整流時(shí)，所有IGBT無觸發(fā)信號(hào)[6]，原理圖如圖4所示。

圖4 三相整流儲(chǔ)能電路原理圖Fig.4 The principle diagram of three-phase rectifier and storage circuit

交流發(fā)電機(jī)輸出端電流和電壓的仿真電路圖如圖5所示。

圖5 三相整流儲(chǔ)能電路仿真圖Fig.5 The simulation diagram of three-phase rectifier and storage circuit

整流后直流輸出端電流和電壓的仿真波形圖如圖6所示。

圖6 交流發(fā)電機(jī)的輸出端電壓或電流Fig.6 The output voltage or current of AC generator

由圖可知，在既定電路參數(shù)情況下，轉(zhuǎn)子在1.7 s降為零。同時(shí)，在1.7 s輸出的電壓也降為零，電流也發(fā)生明顯衰減。這正是人們?nèi)粘Ｆ囀褂眠^程中的制動(dòng)時(shí)間，根據(jù)仿真結(jié)果可知，每次制動(dòng)可以利用約1.5 s的時(shí)間用于發(fā)電整流儲(chǔ)能。

2.4 慣性動(dòng)能的再利用

電能的逆變原理圖如圖4，六只IGBT分別以相位相差60度的脈沖予以觸發(fā)，為三相電壓型橋式逆變電路，縱向換流。

直流電源逆變成交流電動(dòng)機(jī)的輸入端電流和電壓的仿真電路如圖7所示，波形如圖8所示。

圖7 直流逆變?nèi)嘟涣鞣抡骐娐稦ig.7 The three-phase AC simulation circuit by DC inverter

如果在逆變后的電路上加裝適當(dāng)?shù)娜酁V波裝置后，將會(huì)濾掉高次諧波，得到較為理想的三相正弦波，從而作為驅(qū)動(dòng)能源帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，促使汽車完成加速過程。

上述仿真結(jié)果表明：慣性動(dòng)能回收再利用裝置合理可行，且效率較高。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于普通汽車慣性動(dòng)能回收再利用裝置。該裝置包括慣性能量收集、儲(chǔ)存和再利用三個(gè)部分，以超級(jí)電容和蓄電池作為儲(chǔ)能容器，克服了蓄電池難以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間、大功率、高效率充電的弊端，并將存儲(chǔ)能量一部分用于車載電器供電，一部分用于起動(dòng)加速助力，有效提高了慣性動(dòng)能利用率，一定程度上降低了汽車油耗。

通過用CAD軟件繪制出了本裝置的結(jié)構(gòu)圖和原理圖，并用MATLAB的SIMULINK模塊搭建裝置的電氣仿真平臺(tái)，測出電機(jī)(ISG)輸出電壓和電流，畫出了功率隨時(shí)間的變化曲線。仿真電路模型的發(fā)電時(shí)間為1.7 s,實(shí)際可利用時(shí)間約1.5 s，但是在現(xiàn)實(shí)汽車中該裝置的發(fā)電時(shí)間是有行駛速度和加速度的大小決定的，跟隨汽車加速或者減速過程時(shí)間的長短而變化，使汽車的慣性動(dòng)能利用率有較大提高。仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案，可以有效回收及再利用汽車慣性動(dòng)能。

圖8 逆變?nèi)嘭?fù)載側(cè)三相交流電壓仿真波形Fig.8 The simulation waveform of three-phase AC voltage in three-phase inverter load side

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Design and simulation on recycling unit of car's inertial kinetic energy

WANG Jin-xing,LIU Li-qiang,HUANG Fan-hui
（College of Electric Power,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010080，China）

In order to improve the utilization rate of inertial kinetic energy generated by the car when it decelerated,through the design of a vehicle inertial energy recycling device,both the super capacitors and batteries are used to save energy.One section of the energy was used for acceleration and the other section for the electrical appliances.Combined with the model simulation test about inertial energy recycling device of car,we draw out the input and output waveforms of device voltage and current in the process of slowing down.Simulation results indicate that the equipment can be recover inertial kinetic energy of general automobiles simply and effectively,and further improve vehicle energy efficiency.

Inertial kinetic energy;recycling;super capacitors

TNO2

A

1674-6236（2015）07-0130-04

2014-08-06 稿件編號(hào)：201408027

王金星(1991—)，男，河南周口人。研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。