李 紅，呂江毅，宋建桐，閆 棟

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

市區(qū)道路運(yùn)行工況中，汽車制動能量損失約占總能量消耗的30%[1-2]，制動能量回收裝置可將部分汽車動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電化學(xué)能回收存儲。目前，大部分研究集中于將汽車制動時的動能轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能，通過電機(jī)-電池回收存儲部分制動能量[3-4]。在能量回收-釋放過程中，汽車動能需先轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在電池中，加速時儲存能量被轉(zhuǎn)化為電能，最終以動能形式釋放。由于每一種能量轉(zhuǎn)化過程都存在效率損失，因此電池能量回收技術(shù)的輪-輪傳遞效率較低。在“碳達(dá)峰”的背景要求下，飛輪的高功率密度、高效率及長循環(huán)壽命特性使其成為發(fā)展前途較好的短時儲能技術(shù)之一[5-8]，尤其適合市區(qū)道路運(yùn)行工況下的汽車減速-加速工況[9]。博洛尼亞大學(xué)研制的飛輪混合動力系統(tǒng)中飛輪通過無級變速器與車輛傳動系統(tǒng)(自動變速器輸入軸)相連，實(shí)現(xiàn)了制動能量回收與釋放[10]；埃因霍芬理工大學(xué)開發(fā)的零慣性動力系統(tǒng)可以有效避免車輛加速時由發(fā)動機(jī)慣性導(dǎo)致的加速阻力，但局限在于昂貴且復(fù)雜的無級變速系統(tǒng)[11]。威廉姆斯混合動力有限公司開發(fā)的儲能式飛輪混合動力系統(tǒng)通過電動機(jī)/發(fā)電機(jī)與飛輪及傳動系統(tǒng)完成能量轉(zhuǎn)換，但功率完全取決于電力傳動系統(tǒng)的額定容量[9]。

本工作基于電磁耦合器及飛輪儲能的高功率特性設(shè)計(jì)了一種車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)，為飛輪與傳動系統(tǒng)動力耦合提供了一種新的技術(shù)方案，該系統(tǒng)可將汽車減速工況下后輪傳遞的動能以2種形式存儲，一部分動能轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能存儲于電池中，其余部分直接轉(zhuǎn)化為用于下一次加速的動能，降低了電池的功率需求和放電深度，且能量轉(zhuǎn)化量不受電磁耦合器額定容量的限制。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特性

1.1 結(jié)構(gòu)原理

配置車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)的汽車總體布置如圖1 所示，常規(guī)傳動系統(tǒng)置于汽車發(fā)動機(jī)艙及前橋，飛輪儲能裝置布置于汽車后橋，由飛輪、齒輪副、電磁耦合器、電池、電磁耦合器控制器及AC/DC 組成。該系統(tǒng)作為傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的輔助裝置，在汽車加速及減速時利用電磁耦合器完成后輪和飛輪間的能量轉(zhuǎn)換。

圖1 車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Electromechanical composite energy storage system structure

減速狀態(tài)下，汽車部分動能經(jīng)半軸、第1級齒輪副、電磁耦合器(外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子)、第2級齒輪副增速后儲存于飛輪中。圖2僅給出了飛輪儲能裝置部分，來說明車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程。能量回收過程中，當(dāng)外轉(zhuǎn)子軸角速度大于內(nèi)轉(zhuǎn)子軸角速度時，來自電磁耦合器的部分機(jī)械功率經(jīng)第2級齒輪副儲存于飛輪中，轉(zhuǎn)差功率經(jīng)逆變后儲存于電池中；當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子軸同速時，電磁耦合器轉(zhuǎn)差功率為0，外轉(zhuǎn)子軸上的機(jī)械能通過電磁耦合器的2個機(jī)械端口儲存于飛輪中。能量釋放過程中，當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子軸角速度大于外轉(zhuǎn)子軸角速度時，儲存于飛輪中的能量經(jīng)第2級齒輪副、內(nèi)轉(zhuǎn)子軸、外轉(zhuǎn)子軸、第1級齒輪副后作用于后輪，電磁耦合器機(jī)械功率經(jīng)第1級齒輪副減速后作用于后輪上，轉(zhuǎn)差功率經(jīng)逆變后儲存于電池中；當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子軸同速時，電磁耦合器轉(zhuǎn)差功率為0，飛輪中的機(jī)械能經(jīng)電磁耦合器的2個機(jī)械端口驅(qū)動后輪。

圖2 車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程Fig.2 Electromechanical composite energy storage system energy conversion process

1.2 系統(tǒng)特性

圖1所示的總體結(jié)構(gòu)中，電磁耦合器布置在飛輪和后輪之間，包含2個機(jī)械端口(6-1、6-2)和1個電氣端口(6-3)。汽車減速時，汽車后輪傳遞的動能經(jīng)2級齒輪傳動副增速后儲存于飛輪中，加速時飛輪能量釋放，以滿足汽車驅(qū)動系統(tǒng)的性能要求。在上述能量回收及釋放過程中，通過控制電磁耦合器勵磁電流實(shí)現(xiàn)汽車與飛輪動能的轉(zhuǎn)換，且電能的轉(zhuǎn)換量遠(yuǎn)小于機(jī)械能轉(zhuǎn)換過程中的總能量。

為定量說明車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)的特性，定義內(nèi)轉(zhuǎn)子軸、外轉(zhuǎn)子軸角速度為ωi、ωo，轉(zhuǎn)差角速度、轉(zhuǎn)差功率為△ω、Ps，電磁耦合器的額定角速度、額定功率、額定轉(zhuǎn)矩為ωN、PN、TN。電磁耦合器中角速度、轉(zhuǎn)矩及功率滿足以下關(guān)系：

假設(shè)電磁耦合器工作在額定轉(zhuǎn)矩下，且滿足ωi=iωN，ωo=(i+ 1)ωN，i為正數(shù)，此時外轉(zhuǎn)子軸輸入功率為：

內(nèi)轉(zhuǎn)子軸輸出功率為：

轉(zhuǎn)差功率為：

轉(zhuǎn)差角速度為：

由式(1)～(6)可知，車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)以額定轉(zhuǎn)矩工作時，機(jī)械端口可傳遞的功率遠(yuǎn)大于其額定功率，飛輪從車輪回收的功率不受電機(jī)及電力電子設(shè)備額定功率的影響，且能量直接以機(jī)械能形式儲存，電池僅需以電化學(xué)能的形式完成轉(zhuǎn)差功率的回收即可。

2 系統(tǒng)模型建立及能量轉(zhuǎn)換特性分析

2.1 電磁耦合器模型

電磁耦合器作為該系統(tǒng)的核心部件，其工作原理類似于繞組式交流電動機(jī)，區(qū)別在于交流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場由交流電產(chǎn)生，電磁耦合器的磁場由直流電產(chǎn)生，外轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)起到旋轉(zhuǎn)磁場的作用[12-14]，圖3為電磁耦合器的內(nèi)外轉(zhuǎn)子在dq軸上的坐標(biāo)系。

圖3 電磁耦合器的dq軸坐標(biāo)系Fig.3 Electromagnetic coupler dq axis

（1）電壓方程：

（2）磁鏈方程：

式中，Lod、Loq為電樞繞組在dq軸上的自感分量，Lm為dq坐標(biāo)系內(nèi)外轉(zhuǎn)子同軸等效繞組的互感，if為內(nèi)轉(zhuǎn)子勵磁電流。

（3）電磁轉(zhuǎn)矩方程：

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

（4）機(jī)械方程：

式中，Bo、Bi為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子的黏性摩擦系數(shù)，Jo、Ji為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，Teo、Tei為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩，Tmo、Tmi為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

2.2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

基于第2.1 節(jié)中搭建的電磁耦合器模型，建立車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如圖4 所示，模型參數(shù)如表1所示。

表1 車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of vehicle electromechanical composite energy storage system

圖4 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型圖Fig.4 System mathematical model diagram

圖5 模擬了汽車以60 km/h 初速度減速至42 km/h 下巡航時制動能量的轉(zhuǎn)換過程。圖5(a)中初始時刻下車輪角速度為55.5 rad/s，6.94 s 時車輪角速度降低至39.3 rad/s。此過程中，飛輪初始轉(zhuǎn)速為5610 r/min，汽車動能經(jīng)電磁耦合器轉(zhuǎn)換后儲存于飛輪中，使飛輪轉(zhuǎn)速由5610 r/min 增大到7350 r/min( 電磁耦合器內(nèi)轉(zhuǎn)子軸角速度由117.4 rad/s增大到153.9 rad/s)。

圖5 汽車減速--巡航過程能量轉(zhuǎn)換情況Fig.5 Energy conversion in vehicle decelerationcruise process

圖5(b)中汽車減速狀態(tài)下，初始時刻下外轉(zhuǎn)子軸輸入功率2.22 kW，內(nèi)轉(zhuǎn)子軸輸出功率1.18 kW；1.0～6.94 s 時間段內(nèi)，耦合器輸出功率由1.18 kW增大至1.54 kW。表2 定量地給出了汽車減速狀態(tài)下車輪角速度由53.9 rad/s 減小到39.8 rad/s 時系統(tǒng)中電磁耦合器機(jī)械端口、電氣端口傳輸?shù)墓β省?/p>

由表2 可知，汽車車輪角速度由53.9 rad/s 減小到39.8 rad/s 的過程中，電磁耦合器輸出功率Pi由1.257 kW 增大到1.546 kW，其傳遞的功率約為額定功率的1.14～1.41 倍。為了說明電磁耦合式飛輪能量回收系統(tǒng)中機(jī)械端口、電氣端口的能量轉(zhuǎn)換量，定義電磁耦合器輸入能量E1、輸出能量E2如下：

由圖5 可知，E1=11.167 kJ，E2=8.078 kJ，汽車減速-巡航過程中電池可回收的最大能量ΔE=E1-E2為3.089 kJ，即文中提出的車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)可將來自汽車后輪動能的72.34%直接儲存于飛輪中，27.66%的能量經(jīng)電磁耦合器電氣端口轉(zhuǎn)換后儲存于電池中。

3 系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換特性試驗(yàn)

3.1 運(yùn)行試驗(yàn)臺

為了驗(yàn)證第2節(jié)理論，本節(jié)搭建了車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)臺，如圖6所示，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3 所示。該試驗(yàn)臺由驅(qū)動電機(jī)、慣性飛輪、轉(zhuǎn)矩傳感器、2 級V 帶、電磁耦合器、儲能飛輪組成。鑒于慣性飛輪模擬法結(jié)構(gòu)簡單且有利于提高試驗(yàn)臺的穩(wěn)定性[15]，本試驗(yàn)采用慣性飛輪模擬汽車運(yùn)行狀態(tài)下的動能。在幾種典型的動力傳遞方式中，V帶傳動可降低沖擊，防止試驗(yàn)臺過載破壞，故慣性飛輪與電磁耦合器、電磁耦合器與儲能飛輪均采用V 帶傳動。由于試驗(yàn)臺架布置、安裝空間的限制，本試驗(yàn)中2 級V 帶傳動的傳動比分別為1∶1.20、1∶1.73，比仿真分析中傳動比略大。

表3 車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)臺參數(shù)Table 3 Experimental parameters of electromechanical composite energy storage system

圖6 車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)臺Fig.6 Electromechanical composite energy storage system test platform

3.2 系統(tǒng)能量特性分析

3.2.1 功率特性

試驗(yàn)過程中，驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動慣性飛輪加速至某一指定轉(zhuǎn)速后斷電，模擬汽車制動時的初始動能，慣性飛輪經(jīng)第1 級V 帶、電磁耦合器、第2 級V 帶帶動儲能飛輪轉(zhuǎn)動。圖7 模擬了汽車減速-巡航工況下電磁耦合器的速度變化過程。

圖7 減速-巡航工況下電磁耦合器速度特性Fig.7 Speed characteristics of electromagnetic coupler in deceleration-cruise condition

圖7 中初始時刻(t=2.09 rad/s)下電磁耦合器外轉(zhuǎn)子軸、內(nèi)轉(zhuǎn)子軸分別以199.2 rad/s 和27.1 rad/s的角速度同向旋轉(zhuǎn)，此時慣性飛輪斷電，調(diào)節(jié)電磁耦合器勵磁電流使其輸出25 Nm 電磁轉(zhuǎn)矩；t=8.49 s時，電樞軸角速度減少至169.6 rad/s，內(nèi)轉(zhuǎn)子軸角速度在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下增加至163.3 rad/s。表4 記錄了2.09～8.49 s 內(nèi)耦合器機(jī)械端口的功率特性，耦合器輸入功率由4.983 kW降低至4.243 kW，輸出功率由0.678 kW 增大至4.085 kW，此過程中耦合器傳遞的功率大于其額定功率。

表4 電磁耦合器功率特性Table 4 Power characteristics of electromagnetic couplers

3.2.2 能量特性

圖8 對系統(tǒng)減速-巡航過程中的功率特性利用MATLAB 中trapz( )函數(shù)求得減速過程中的能量變化值，定義整個過程中電磁耦合器輸入能量E1、輸出能量E2如下：

圖8 減速--巡航工況下電磁耦合器能量特性Fig.8 Energy characteristics of electromagnetic coupler in deceleration-cruise condition

由圖8 可知，E1=29.523 kJ，E2=15.242 kJ，汽車減速-巡航過程中電池可回收的最大能量ΔE=E1-E2為14.281 kJ，即車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)中電池需要處理的能量僅為14.281 kJ，在同等減速-巡航工況下，僅配備電機(jī)再生制動系統(tǒng)的汽車則需將轉(zhuǎn)子軸輸入的29.523 kJ 轉(zhuǎn)換為電化學(xué)能儲存于電池中，導(dǎo)致電池充放電深度較大。

4 結(jié) 論

本工作基于飛輪儲能高功率及電磁耦合器特性提出了一種新型電磁耦合飛輪儲能系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)減速-加速工況下的能量轉(zhuǎn)換特性，主要結(jié)論如下：

（1）本工作所提出的車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)以額定轉(zhuǎn)矩工作時，機(jī)械端口可傳遞的功率遠(yuǎn)大于其額定功率，飛輪從車輪回收的功率不受電機(jī)及電力電子設(shè)備額定功率的影響，且能量直接以機(jī)械能形式儲存。

（2）車輪角速度由53.9 rad/s減小到39.8 rad/s的過程中，電磁耦合器輸出功率由1.257 kW 增大到1.546 kW，其傳遞的功率約為額定功率的1.14～1.41 倍；同時系統(tǒng)可將來自汽車后輪動能的72.34%直接儲存于飛輪中，27.66%的能量經(jīng)電磁耦合器電氣端口轉(zhuǎn)換后儲存于電池中，與僅配備電機(jī)再生制動系統(tǒng)的汽車相比，降低了電池的參與度。

（3）搭建了車用機(jī)電復(fù)合儲能系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在減速-巡航過程中，該系統(tǒng)傳遞的功率可大于電磁耦合器額定功率，并降低了電池的參與度，為混合動力耦合系統(tǒng)提供了一種新構(gòu)型。