王怡澄

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動能轉(zhuǎn)換在新能源汽車節(jié)能驅(qū)動中的應(yīng)用

王怡澄

（鐵一中濱河學(xué)校，陜西 西安 710000）

近年來，為緩解環(huán)境污染，新能源在各個領(lǐng)域被廣泛使用，其中新能源汽車的發(fā)展最為矚目。新能源汽車中主要污染最小的就是純電動驅(qū)動，而這一驅(qū)動技術(shù)中回收汽車制動時的動能技術(shù)就是一種非常有效的方法。重點探究了物理學(xué)中的動能回收、節(jié)能驅(qū)動技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域中如何應(yīng)用。簡要介紹了新能源汽車的概念以及節(jié)能驅(qū)動的原理，在此基礎(chǔ)上分析了汽車在節(jié)能驅(qū)動過程中涉及到的物理動能轉(zhuǎn)換，重點分析了動能轉(zhuǎn)換是如何在新能源汽車節(jié)能驅(qū)動中被應(yīng)用的。

節(jié)能驅(qū)動；動能原理；新能源汽車；物理學(xué)

近年來，隨著世界原油價格的大幅度調(diào)增，節(jié)能環(huán)保問題再次成為人們關(guān)注的一個重要話題。目前，汽車已成為我們?nèi)粘Ｉ钜约俺鲂兄胁豢苫蛉钡闹匾煌ǔ鲂泄ぞ?，但目前汽車大多使用傳統(tǒng)的油耗材，在燃料消耗過程中會產(chǎn)生大量的廢氣污染物，不僅耗能量大，還會嚴(yán)重污染環(huán)境，這也是目前汽車發(fā)展面臨的一個非常突出的問題。以往，我們通過提高發(fā)動機的發(fā)動運行效率、減少阻礙等來解決汽車的能耗問題，現(xiàn)在隨著新能源電動汽車的研發(fā)和推進，制動能量也被廣泛提及，這一方法目前并未被廣泛開發(fā)使用，但是其涉及到的能量轉(zhuǎn)換在節(jié)能汽車的使用以及操作中已經(jīng)起著非常重要的作用。特別是對于在市區(qū)頻繁發(fā)動、?？康墓财噥碚f，利用轉(zhuǎn)換動能進行液驅(qū)混合驅(qū)動會發(fā)揮著巨大的優(yōu)勢。通過動能量轉(zhuǎn)換再生再利用，可以充分回收車輛制動能量并將回收的動能用于汽車的起動和加速，在行駛過程中可以提高車輛的動力性能，在降低油耗減少污染的前提下，可以延長剎車裝置以及發(fā)動機的使用壽命。

1 新能源汽車的概念和節(jié)能驅(qū)動的原則

對于當(dāng)前主要研發(fā)以及市面上主要投入使用的新能源汽車來說，主要使用的都是純電動汽車，而對于電動汽車來說，主要驅(qū)動汽車運行的力是機械力，機械力指其能量主要來源于單一能量的輸出，目前驅(qū)動汽車的機械力主要來自發(fā)動機輸出的機械力和電動機輸出的機械力兩種力。其他形式的機械力還有飛輪、液壓等可以驅(qū)動汽車前行，但是由于成本以及使用問題，其估計無法被廣泛投入市面作為商品來使用。對于新能源電動汽車來說，它的主要功能與普通汽車功能幾乎沒有區(qū)別，但在性能方面，主要是在加速和換擋方面，新能源電動汽車要比普通汽車性能優(yōu)良許多。

2 汽車驅(qū)動過程中涉及到的動能轉(zhuǎn)換

在汽車制動或減速的過程中，汽車的一部分動能會被能量回收系統(tǒng)吸收并儲存，并且當(dāng)汽車開始加速時會將儲存的能量一并釋放，從而就會形成驅(qū)動汽車行駛的動力。一方面，該方法可以將車輛的動能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，然后再循環(huán)并再利用轉(zhuǎn)換的能量，這一過程可以實現(xiàn)能量的再利用，達到節(jié)省能量的目的，而不是簡單將汽車的動能浪費為熱能，比如機械摩擦制動的時候從物理層面上看就僅僅只是將汽車的動能轉(zhuǎn)換為熱能，而不能把能量轉(zhuǎn)換并利用；另一方面，能量的回收再利用會在一定程度上減小機械摩擦制動器的磨損，并且可以增加汽車摩擦制動器的壽命。

在汽車行駛期間產(chǎn)生的制動能量分為可回收能量和不可回收能量。不可回收的能源主要是汽車消耗的能量。可恢復(fù)的能量主要是驅(qū)動軸上的制動能量，制動后可以回收。同時，根據(jù)能量的不同轉(zhuǎn)換的形式，制動能量回收方法又可分為超級電容儲能、飛輪能量存儲、電池能量存儲和液壓能量存儲等四種回收方式，而能量密度和功率密度兩個指標(biāo)又是評價儲能性能是否良好的重要指標(biāo)，如果能量密度高，則說明電池能量轉(zhuǎn)換的效率比較高，這四種方式在儲能方式和性能上都不同。

飛輪能量存儲是將機械能轉(zhuǎn)換成飛輪的動能，轉(zhuǎn)換方式最為直接，轉(zhuǎn)換率也相對較高。電池能量存儲是通過發(fā)電機裝置將車輛動能轉(zhuǎn)換成電能，能量轉(zhuǎn)換率最高可達30％，但由于其組件小，安裝方便，體積小，可靠性高，因此在高鐵、動車上被廣泛使用。

本文主要從物理角度的動能轉(zhuǎn)換來探討汽車的節(jié)能驅(qū)動，因此對電池存儲不作過多說明。液壓節(jié)能制動器通過能量轉(zhuǎn)換元件泵/馬達將電動車輛操作的動能轉(zhuǎn)換成能量，并將壓力能量存儲在蓄能器中，但是利用率相對較低，由于蓄能器可長時間儲存液壓能量，目前廣泛使用高能量存儲密度和高功率密度。

3 動能在節(jié)能驅(qū)動技術(shù)中的具體應(yīng)用

3.1 驅(qū)動輪上的變量泵/馬達

對于新能源電動車輛，無論是扭轉(zhuǎn)還是制動驅(qū)動，通過改變驅(qū)動輪上的可變泵/馬達的排量來控制車輛的驅(qū)動扭矩和制動扭矩。當(dāng)車輛加速或保持恒定速度、行駛阻力在行駛期間增加時，驅(qū)動輪上的可變泵/馬達作為馬達運行?？梢韵哪芰?，此時蓄能器和連接到飛輪的可變泵/馬達充當(dāng)泵，通過加油給系統(tǒng)進行補給；在汽車制動減速或即將停止之前，驅(qū)動輪上的可變泵/馬達充當(dāng)泵。系統(tǒng)的油壓迅速上升，導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力轉(zhuǎn)換為飛輪的動能。同時，蓄能器的能量也增加，因此可以在汽車加速時使用。

3.2 與飛輪相連的變量泵/馬達

帶有壓力補償裝置和電動機的飛輪主要用于控制系統(tǒng)的工作壓力保持恒定值。當(dāng)系統(tǒng)的液壓能量被作為電動機的驅(qū)動輪上的可變泵或者馬達用來消耗的時候，系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力會迅速下降。此時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪通過高速運動產(chǎn)生的能量可以為系統(tǒng)持續(xù)供電，并且連接到飛輪的可變泵與馬達也可作為泵來工作，并且為系統(tǒng)提供所需的加壓油，使油壓保持在一定范圍內(nèi)，保障正常運行；當(dāng)驅(qū)動輪上的可變泵/馬達作為泵回收液壓能量時，系統(tǒng)壓力將增加，并且連接到飛輪的可變泵/馬達將作為馬達運行，加速飛輪的轉(zhuǎn)速并存儲系統(tǒng)恢復(fù)的能量。因此，飛輪可變泵/馬達用作CPS中的恒壓電源。另外，為了提高飛輪的能量利用率，避免了系統(tǒng)不必要的能量消耗。在飛輪與其可變泵/馬達之間可以通過添加離合器來減少不必要的能耗，在恢復(fù)車輛的動能時可以直接連離合器。當(dāng)系統(tǒng)的液壓能量波動較小且系統(tǒng)壓力基本恒定時，離合器應(yīng)脫開，蓄能器可調(diào)節(jié)系統(tǒng)管道的壓力能量。

3.3 與發(fā)動機相連的變量泵/馬達

由于發(fā)動機可以遠離驅(qū)動輪的扭矩和速度，因此發(fā)動機可以在最適宜、相對不那么重要的工作點來運行。因此，由連接到發(fā)動機的可變泵/馬達產(chǎn)生的液壓能量主要完成一些補充工作，由于能量裝置和飛輪提供的能量不能夠完全驅(qū)動，因此需要與發(fā)動機相連接的馬達來進行一些相關(guān)的補充完善工作。

3.4 節(jié)能驅(qū)動主要實施方案

節(jié)能驅(qū)動主要實施方案如下：①保持司機原駕駛習(xí)慣及汽車運動規(guī)律。它主要包括新能源電動汽車的啟動、制動過程的操作習(xí)慣以及汽車在此過程中的運動規(guī)律。②適當(dāng)?shù)哪芰炕厥諒姸?。能量回收的大小直接影響車輛制動能量回收的效率和回收成本。如果接收強度太小，則汽車的動能不能完全再循環(huán)，成本高，影響其經(jīng)濟性。因此，能量回收系統(tǒng)必須根據(jù)汽車的實際運行速度，確定制動減速度的設(shè)計。③能量存儲與釋放控制信號。汽車動能的恢復(fù)和釋放隨著駕駛員控制汽車的制動和起動條件而變化。它應(yīng)該是敏感的，同時不要分散駕駛員的能量，以免引起不良反應(yīng)。因此，能量回收系統(tǒng)通過計算機智能控制系統(tǒng)與機車啟動和制動裝置相結(jié)合。④防止能量回收裝置吸收發(fā)動機能量。當(dāng)汽車正常運行時，能量回收裝置與汽車傳動系統(tǒng)分離，以防止發(fā)動機移動到系統(tǒng)，輸入能量，造成能量的浪費。⑤輔助汽車啟動與起步。汽車在啟動時需要很大的扭矩，消耗大量燃料，并隨著環(huán)境溫度而降低，能耗也增加。能量回收系統(tǒng)存儲機車減速和制動過程的能量，該能量在汽車啟動時釋放。能量輔助汽車的一部分啟動，可以減少發(fā)動機能耗和培訓(xùn)運營成本，同時改善發(fā)動機使用壽命。

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2095－6835（2019）03－0156－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.156

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕