王井

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

關(guān)鍵詞：電動汽車 制動能量回收 飛輪儲能 試驗臺

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構(gòu)都致力于電動汽車的發(fā)展。在電動汽車中不管是純電動汽車、混合動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汽車性能的有效途徑。然而，在頻繁制動的過程中，電池反復(fù)充電和放電，勢必會減少電池使用壽命。使用具有高能量密度的飛輪儲能，減少了過度的充放電，充電時間短等的問題。本文設(shè)計飛輪能量儲存和制動能量回收臺架設(shè)計是為了研究該裝置的能量回收效率。該試驗臺可以解決早期利用計算機仿真建立精確數(shù)學(xué)模型的問題，也可以驗證早期的設(shè)計思路和方法。該設(shè)計利用了飛輪具有高儲能密度、不存在過度充放電及儲能時間短等優(yōu)點，本文主要設(shè)計了飛輪儲能制動能量回收臺架，通過試驗解決了利用計算機仿真前期階段建立精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型困難問題，并且還驗證了初期的設(shè)計思想與方法，解決了整車設(shè)計開發(fā)成本高和開發(fā)周期長的問題。

2 飛輪儲能原理介紹

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

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

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

3 飛輪儲能裝置在電動汽車中的布置形式及工作原理介紹

3.1 飛輪儲能裝置在車輛中的布置形式

飛輪儲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汽車過度的充放電，充電時間短等問題，圖2飛輪儲能裝置在車輛中的結(jié)構(gòu)。

3.2 飛輪儲能裝置的工作原理介紹

根據(jù)車輛的不同工作狀態(tài)飛輪儲能裝置詳細工作原理如下：

當(dāng)車輛啟動時，電動汽車電動/發(fā)電機為車輛提供驅(qū)動力，當(dāng)連接到電動/發(fā)電機輸出軸的離合器接頭通過行星齒輪機構(gòu)的輸入端驅(qū)動齒圈轉(zhuǎn)動。因為車輛有靜止?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，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)，那么行星齒輪機構(gòu)中的齒圈與行星齒輪構(gòu)成一個定軸輪系。行星機構(gòu)的輸出軸，連接到行星齒輪架上，相對于以齒圈為輸入的固定軸系，以較慢扭轉(zhuǎn)的方式將動力傳遞給變速器的輸入端，變速器齒輪驅(qū)動車輛前進或后退。

（2）當(dāng)飛輪處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，由于飛輪儲存了一定的能量，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)的動力; 此時，行星機構(gòu)的齒圈和太陽輪同為動力輸入，與行星輪相連的行星架的動力為兩者之和，即車輛處于電動機和飛輪的混合驅(qū)動狀態(tài)?；旌蟿恿Ρ惠斎氲阶兯倨鞯妮斎攵?，并根據(jù)變速器齒輪的狀態(tài)驅(qū)動車輛前進或后退。

（3）當(dāng)存儲在飛輪的能量可以獨立地驅(qū)動車輛啟動，通過固定齒圈制動器制動時，太陽齒輪和行星齒輪系形成的固定軸齒輪。此刻，儲存裝置的能量可直接驅(qū)動車輛。

當(dāng)車輛處于勻速或加速運行狀態(tài)時，根據(jù)飛輪在兩種不同的狀態(tài)，分為電機獨立驅(qū)動狀態(tài)和電機/飛輪混合驅(qū)動狀態(tài)。動力傳輸過程和開始時工作過程一樣。

當(dāng)車輛滑行減速時。 車輛滑行是對車輛動能的一種有效利用，用于驅(qū)動車輛。當(dāng)裝有儲能飛輪的車輛滑行時，首先，不踩油門踏板，停止向馬達供電，同時不踩剎車踏板，將變速器置于空檔位置。此時，車輛的動能可以用來驅(qū)動車輛滑行。或者將與電機相連的離合器分離，將傳動裝置置于前進擋，通過行星機構(gòu)驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)來回收部分車輛的動能，但減小了滑行距離。

這輛車處于制動減速狀態(tài)。傳統(tǒng)的車輛制動過程是通過摩擦熱產(chǎn)生的形式來耗散車輛的動能，使車輛制動減速，造成車輛動能浪費。車輛安裝有飛輪的能量存儲裝置在制動減速時，當(dāng)踩下制動踏板時，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第一齒圈。汽車的動能將驅(qū)動飛輪通過行星齒輪傳動機構(gòu)的輪子、主減速器、變速器、行星架和太陽輪轉(zhuǎn)動飛輪，飛輪儲能裝置將汽車的動能儲存，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，即當(dāng)飛輪具有剩余能量時，電動/發(fā)電機可以放置在發(fā)電機狀態(tài)，并由飛輪驅(qū)動。因為車輛是靜止的，這時太陽齒輪旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動飛輪，并驅(qū)動行星齒輪，環(huán)形齒輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)離合器接合時，將動力傳給馬達/發(fā)電機進行發(fā)電，使車輛停止之后飛輪的剩余能量可以對電池充電，剩余能量得到充分利用。

在車輛上加裝飛輪儲存裝置，不但可以提高車輛在制動時的能量回收效率，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基于飛輪儲能裝置的試驗臺。

4 試驗臺的組成及各部分功能分析

4.1 試驗臺的組成

目前國內(nèi)外多數(shù)利用計算機仿真和道路試驗研究電動汽車的制動能量回收。試驗臺測試方法介于兩者之間。結(jié)合兩者的優(yōu)點，研究了再生制動性能。既解決了使用計算機仿真反映車輛真實運行狀況困難，又解決了路試費用高的問題。

為了減小整個測試臺測試期間的再生制動測試數(shù)據(jù)與路試測試數(shù)據(jù)差距，從而對這個測試臺模塊進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)其功能不同多個測試獨立的模塊單元進行單獨設(shè)計，再將各模塊單元優(yōu)化組合在一起，以達到測試目的。根據(jù)模塊單元優(yōu)化設(shè)計，裝置分為三個部分：機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。機械本體部分由電機，行星齒輪機構(gòu)，慣性模擬飛輪，電磁離合器，電磁制動器和連接這些部件的傳動機構(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)速度測量裝置和速度信號處理設(shè)備和其他部件?？刂葡到y(tǒng)由計算機、傳感器、信號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 機械本體結(jié)構(gòu)

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

圖4中1為調(diào)速/驅(qū)動電機;2為傳動帶;3為儲能飛輪;4為軸承及軸承座;5為電磁制動器;6為行星機構(gòu);7為傳動帶輪;8為傳動帶;9為傳動帶輪;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/阻力加載電機;14為傳動帶輪;15為傳動帶;16為傳動帶輪;17為電磁制動器;18為電磁離合器;19為發(fā)電機。

4.3 控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)是計算機控制部分和控制電路的核心。試驗臺的控制原理是通過計算機控制試驗臺的各個部分，分別控制試驗臺各個部分的控制器。該試驗臺的控制方案如圖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)矩傳感器和信號處理裝置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要將飛輪、驅(qū)動電機、行星齒輪機構(gòu)等轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的測量，并對信號進行處理。信號處理單元根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速計算程序計算轉(zhuǎn)速。同時，它可以通過串口與計算機進行通信。

5 再生制動評價指標(biāo)與試驗數(shù)據(jù)分析

5.1 再生制動評價指標(biāo)

再生制動能量回收率（再生制動能量在電動汽車制動過程中所占的百分比）作為評價和分析電動汽車再生制動系統(tǒng)性能的指標(biāo)。試驗用再生制動能量回收率評價電動汽車再生制動性能，該數(shù)據(jù)既能反映整個再生制動傳動系統(tǒng)的效率，又能反映再生制動儲能裝置接收回收能量的能力。其公式為：

Er——制動過程中再生制動能量;Eb——制動過程車輛動能的變化量。

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

5.2 試驗數(shù)據(jù)分析

儲能試驗臺是根據(jù)車輛慣性仿真飛輪達到所需速度，停止給電機供電，能量回收儲能記錄試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗臺的需要設(shè)計四通道測速裝置，對再生制動驅(qū)動電機、車輛慣性仿真飛輪、 行星架以及儲能飛輪的速度進行數(shù)據(jù)采集和存儲，計算儲能裝置能量回收性能，了解整個傳動系統(tǒng)的能量傳遞效率。

本文模擬飛輪在500r/min、600r/min、700r/min、800r/min時進行能量回收試驗，圖7-10給出了試驗臺在四種轉(zhuǎn)速進行能量回收試驗時，整車慣性模擬飛輪能量變化曲線和儲能飛輪能量變化曲線。

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

再生制動能量回收分析表明，隨著初始動能增加，飛輪能量存儲設(shè)備具良好的儲能作用，并且回收速度快。從圖中分析，制動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，但存在一個平衡點，當(dāng)達到這個點時，飛輪能量儲存裝置將不再回收能量。 因此，將飛輪能量儲存裝置應(yīng)用于車輛時，應(yīng)在達到能量平衡點后再進行常規(guī)制動，并將儲能飛輪與車輛變速器分離，使飛輪處于最高儲能狀態(tài)，以便在車輛需要時輸出最大能量驅(qū)動車輛。

6 總結(jié)

本文提出了一種飛輪儲能裝置在車輛中的布置。通過試驗分析，可以有效地提高電動汽車的性能。為驗證飛輪儲能試驗臺的設(shè)計，對試驗臺的組成和各部分的功能進行介紹。之后，通過試驗臺的搭建與試驗測試，對試驗數(shù)據(jù)分析。為飛輪儲能裝置的應(yīng)用在電動汽車再生制動效果提供了有效的數(shù)據(jù)佐證。

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