李春雷,儲江偉,李 紅，黃 赫,袁善坤

(1.東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.上海汽車變速器有限公司，上海 201800)

飛輪儲能是一種環(huán)保、可持續(xù)的儲能方式，以動能的形式存儲能量，具有響應快、傳動效率高、功率密度大等特點[1]，現已應用于航天航空、交通運輸和風力發(fā)電等多個領域中[2]。對于電動汽車領域，飛輪可以增加整車質量，汽車制動時將車身的慣性能經傳動系統(tǒng)轉化為飛輪的動能[3]，是新能源汽車中一種優(yōu)良的儲能方式。

汽車制動時的能量回收是汽車節(jié)能環(huán)保的重要途徑。為了使電機可以在不同電壓下使用，文獻[4]設計了一種應用于飛輪儲能的雙定子繞組高速電機，該電機可以在電池電阻損耗最小時進行充放電，提升了飛輪能量回收的效率；文獻[5]研制了一種磁力耦合傳遞飛輪，將磁力耦合離合器和飛輪結合在一起，實現了飛輪調速的無級變速，減少了能量傳遞損失；文獻[6]將電磁離合器應用于帶有發(fā)動機的傳統(tǒng)汽車上，對其制動能量回收效率進行仿真分析，系統(tǒng)可以有效回收10%～14%的能量。電磁轉差離合器通過控制勵磁電流的大小，改變輸出轉速，可以實現無級調速的效果，減少能量浪費[7]。本文主要研究一種將電磁轉差離合器與儲能飛輪結合起來的飛輪儲能系統(tǒng)裝置，研究其在純電動汽車中的制動能量回收效率。

1 總體布置結構

1.1 整車布置

整車動力系統(tǒng)包括驅動電機、傳動機構、電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)裝置和驅動輪。飛輪儲能裝置與電機之間采用并聯式布置。其結構布置示意圖如圖1所示。飛輪既是儲能元件，也是輔助動力源[8]。

圖1 汽車底盤布置

電機作為主要動力源，輸出的動力經過傳動機構作用，用以驅動車輪。飛輪可以對制動時汽車的慣性能進行回收，成為輔助動力源。汽車啟動后，由驅動電機提供動力，汽車可以正常行駛，此時勵磁線圈中的電流為0A，電磁轉差離合器斷開，儲能飛輪處于靜止狀態(tài)；當汽車制動時，制動的動力經過傳動系統(tǒng)傳到電磁轉差離合器的電樞端，繞組線圈中通以直流電[9]，電磁轉差離合器接通后，電樞帶動磁極一同轉動，磁極將機械能傳遞給儲能飛輪，能量以動能的形式存儲；當汽車重新啟動后，儲能飛輪的動能可以經過傳動機構傳遞給驅動輪，增加汽車的動力，減少制動時的能量浪費。

1.2 飛輪儲能系統(tǒng)結構

電磁耦合式儲能飛輪裝置主要包括電磁轉差離合器、一級齒輪傳遞、二級齒輪傳遞和儲能飛輪等。該系統(tǒng)裝置示意圖如圖2所示。電磁轉差離合器主要由勵磁線圈、電刷、電樞和磁極等組成。

圖2 電磁耦合式飛輪裝置

勵磁線圈與磁極構成感應子[10]，電樞端經一級增速齒輪與差速器相連，磁極端通過二級增速齒輪與儲能飛輪連接。勵磁線圈中通以直流電，封閉的磁路產生主磁通，磁力線通過氣隙-電樞-氣隙-磁極構成一個閉合磁通路[11]。車輪傳遞過來的動力驅動電樞旋轉，電樞與磁極之間發(fā)生相對運動，電樞切割磁力線，產生電磁力，所產生的轉矩帶動著磁極跟隨電樞一起轉動。跟隨轉動初期，由于電樞與磁極之間存在轉速差，磁極的轉速增加，電樞的轉速減少，電樞端產生的轉矩使車輪減速，磁極端的電磁轉矩可以將旋轉的機械能傳遞給飛輪存儲；當電樞的轉速與磁極的轉速相等時，離合器不再對驅動輪的制動起作用。

2 整車制動動力學模型

整車制動模型主要包括整車模型、液壓制動模型和電磁轉差離合器傳遞的飛輪模型。

2.1 整車模型的建立

對汽車制動過程做出假設：

1)汽車在水平良好路面上沿直線行駛；

2)車身、底盤、車輪均為剛體，并采用剛性連接；

3)制動中產生的空氣阻力和滾動阻力很小，可不計。

汽車制動時的受力如圖3所示。

圖3 汽車制動時的受力

汽車制動時滿足：

(1)

式中:m為汽車的整車質量，kg；u為車速，m/s；FXb1、FXb2為前后輪地面制動力，N。

分別以前、后車輪接地點為起矩點，得：

FZ1L=Gb+Fjhg,

(2)

FZ2L=Ga-Fjhg.

(3)

式中:Fj為汽車慣性力，N；hg為質心高度，m；L為軸距，m；a、b為前、后軸與質心的水平距離，m。

2.2 飛輪儲能系統(tǒng)模型

電氣元件通過控制繞組線圈中勵磁電流，改變磁極轉速，可以實現無級調速。離合器特性可以描述為：

(4)

式中:Te為傳遞的轉矩，N·m；n1、n2分別為磁極和電樞的轉速，r/min；Ip為勵磁電流，A；K為固定系數，與離合器參數有關。

儲能飛輪所存儲的能量為：

(5)

式中:J為儲能飛輪的轉動慣量，kg/m2；ω為儲能飛輪的轉速，rad/min。

儲能飛輪的能量回收效率為[12]：

(6)

式中:ΔEf制動前后儲能飛輪能量變化，J；ΔE為外部輸入能量變化，J。

2.3 液壓制動模型

汽車制動時，駕駛員踩踏板，經過真空助力器的作用，將踏板力傳遞給制動器[13]。真空助力器的放大作用可以描述為：

(7)

式中:F為制動踏板力，N。

制動器產生的制動力矩與制動器的相關參數有關。車輪受到的制動力矩為：

Tb=2×Fb·η·μb·r·C.

(8)

式中:Fb為制動活塞受到的力，N；η為制動系數；μb為制動效率；r為輪胎半徑,m；C為摩擦系數。

2.4 制動控制策略

2.4.1 前后制動力的分配

一般汽車的制動器制動力按固定比值分配，通常用前輪制動器制動力與總制動器制動力的比值表示，此比值被稱為制動力分配系數[14]。常用β來表示：

(9)

式中:Fb1、Fb2分別為前、后輪制動力，N；Fb為總制動器的制動力，N。

2.4.2 基于飛輪儲能系統(tǒng)的制動控制策略

飛輪儲能系統(tǒng)中的制動控制策略，前、后軸車輪的制動器按固定制動力分配系數分配制動力，并且裝配有ABS輔助制動系統(tǒng)。驅動輪的制動力矩由液壓制動系統(tǒng)和電磁轉差離合器共同作用，從動輪則由液壓制動系統(tǒng)單獨作用。驅動輪的制動控制策略如圖4所示。

圖4 驅動輪的制動控制策略

對于驅動輪，由式(4)可知，電磁轉差離合器傳遞的轉矩與電樞和磁極的相對轉速和勵磁電流有關[15]，所以當電樞和磁極之間的轉速差為0時，電磁轉差離合器提供的制動轉矩為0。

3 仿真分析

3.1 整車制動性能仿真

在Matlab/Simulink中搭建了裝載有電磁耦合式飛輪儲能裝置的整車模型并仿真，整車參數見表1。

表1 整車仿真參數

仿真中，電磁轉差離合器最大可以提供800 N·m的制動力矩，設置制動初速度為70 km/h，該過程中汽車制動的距離和車速如圖5、儲能飛輪的轉速和回收能量變化如圖6。

圖5 制動距離和車速變化

圖6 儲能飛輪轉速和回收能量變化

對圖5—圖6分析可知，汽車制動總時間為5.853 s，制動距離為70.67 m。制動從0 s到2.9 s時,汽車的制動減速度為-1.8 m/s2,驅動輪的制動力矩由電磁轉差離合器和液壓制動系統(tǒng)共同提供；從2.9 s到制動結束，汽車的制動減速度為-4.93 m/s2,制動力矩由液壓制動系統(tǒng)單獨提供，電磁轉差離合器傳遞的力矩為0，儲能飛輪的最高轉速不再變化，以動能的形式存儲于儲能飛輪中。整個制動過程，汽車消耗總能量17 2150 J，飛輪最高轉速1 344.2 r/min，回收了39 629 J能量，電磁耦合式儲能飛輪系統(tǒng)能量回收效率達到23%。

3.2 制動能量回收效率分析

3.2.1 不同制動初速度下的能量回收

汽車在行駛過程中，駕駛員通常會在不同初速度下進行制動。為了研究不同制動初速度對電磁耦合式儲能飛輪制動回收效率的影響，根據表1中的整車參數，分別選擇制動初速度為20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h進行制動能量回收仿真實驗，其結果如圖7和圖8所示。

圖7 不同制動初速度下飛輪回收能量變化

圖8 不同制動初速度下能量回收效率變化

由圖7可知，由于制動的初始速度增大，汽車制動的總時間延長，制動距離也隨之變大。在制動初速度為20 km/h的仿真中，電磁轉差離合器作用的時間為0.92 s；在制動初速度為100 km/h的仿真中，電磁轉差離合器作用時間為4.11 s，其作用時間明顯增加。由于飛輪的轉動慣量一定，所以飛輪的轉速變化率不變。電磁轉差離合器作用時間延長，儲能飛輪的最高轉速變大，其存儲的能量隨之提高。同時，由圖8可知不同制動初速度下電磁耦合式儲能飛輪系統(tǒng)的能量回收效率均不小于22.4%。因此，本文所研究的電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)是一種有效的制動能量回收裝置。

3.2.2 不同飛輪轉動慣量下的能量回收

為了研究轉動慣量對電磁耦合式儲能飛輪系統(tǒng)能量回收的影響，分別選擇2 kg/m2、4 kg/m2、6 kg/m2、8 kg/m2和10 kg/m2轉動慣量的儲能飛輪進行仿真試驗，仿真結果如圖9、圖10所示。

圖9 不同轉動慣量下儲能飛輪轉速

圖10 不同轉動慣量下儲能飛輪能量和回收效率

根據仿真結果可知，當儲能飛輪的轉動慣量為2 kg/m2時，最高轉速1 533.1 r/min，回收了25 775 J能量，回收效率為8.85%，當儲能飛輪的轉動慣量為10 kg/m2時，最高轉速為974.9 r/min，可以回收52 112 J能量，能量回收效率可以達到35.6%。對比分析可知，飛輪在不同轉動慣量下儲存的能量差異較大。

從圖10中能量變化曲線可以看出，不同轉動慣量下飛輪回收的能量呈凸函數變化。根據凸函數的性質可知，飛輪所存儲的能量存在極值。對于相同材料的飛輪，其能量密度一定，飛輪的轉動慣量越大，其質量和體積也增加。而由上述分析，當飛輪的轉動慣量達到一定值時，轉動慣量增加，其能量增長率減小，回收的能量增加量變小，儲能飛輪質量越大，單位質量或單位體積飛輪回收的能量減少，儲能飛輪得不到充分利用，而且不利于飛輪的整車布置。對比分析圖10中不同轉動慣量下儲能飛輪能量回收的效率可知：儲能飛輪的轉動慣量與回收效率呈線性關系。對于電磁耦合式儲能飛輪，其轉動慣量越大，回收效率越高。

不同轉動慣量的飛輪對制動時汽車車速的影響如圖11所示。

圖11 不同轉動慣量下車速變化

不同轉動慣量的飛輪在相同車速下制動時，提供的制動減速度大小相同，但電磁轉差離合器作用的時間有所差異，飛輪的最高轉速也不一樣。由圖11可知，2 kg/m2的飛輪電磁耦合器作用了1.68 s，占制動總時間的33.2%； 10 kgm2的飛輪電磁轉差離合器作用5.2 s,占總時間的70.74%。儲能飛輪的轉動慣量越大，最高轉速降低，電磁轉差離合器作用時間占總制動時間的比重越大，制動總時長增加明顯，制動距離隨之增加，汽車行駛的安全性變差。

通過上述分析，增加飛輪的轉動慣量雖然可以明顯增加儲能飛輪回收的能量，并提高能量回收效率，但會使制動總時間延長，不利于汽車的安全性，而且飛輪的轉動慣量太大會增加飛輪的磨損，響應時間也增大，所以在應用中需要根據實際情況，選擇合適的飛輪，改善其儲能狀況。對于仿真中的車輛，選擇轉動慣量為6 kg/m2的飛輪，該飛輪存儲的能量很高，能量回收效率可以達到25%，制動時間較短，可以保證車輛制動安全。

4 結 論

本文以電磁耦合式儲能飛輪為研究對象，為了研究電磁耦合式飛輪的能量回收效率，通過整車仿真的方法，經過研究得出以下結論：

1)制動初速度越大，電磁轉差離合器作用時間越長，飛輪回收的能量越多，能量回收效率相差不多，仿真中的回收效率均不低于22.4%；

2)對于電磁耦合式儲能飛輪，隨著轉動慣量增大，儲能飛輪的最高轉速降低，回收的能量增加，能量回收效率明顯提高；

3)轉動慣量大的飛輪，制動時間顯著延長，制動距離隨之增加，不利于行駛的安全性。