基于飛輪儲能裝置在電動汽車再生制動效果研究

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構、控制系統和數據采集處理系統。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據采集，通過整理與分析試驗數據，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

隨著當前環境和資源問題日顯突出，各汽車廠商和研究機構都致力于電動汽車的發展。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，連續行駛里程問題是阻礙電動汽車發展的問題之一。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。本文設計飛輪能量儲存和制動能量回收臺架設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學模型的問題，也可以驗證早期的設計思路和方法。該設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點，本文主要設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數學模型困難問題，并且還驗證了初期的設計思想與方法，解決了整車設計開發成本高和開發周期長的問題。

2 飛輪儲能原理介紹

飛輪儲能系統是利用高速旋轉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飛輪存儲能量動能為

式中v為飛輪速度;m為飛輪的質量;J為飛輪的轉動慣量;ω為飛輪的角速度。

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

3.2 飛輪儲能裝置的工作原理介紹

根據車輛的不同工作狀態飛輪儲能裝置詳細工作原理如下：

當車輛啟動時，電動汽車電動/發電機為車輛提供驅動力，當連接到電動/發電機輸出軸的離合器接頭通過行星齒輪機構的輸入端驅動齒圈轉動。因為車輛有靜止狀態和行駛狀態兩種工作狀態，根據以上飛輪也有靜止或旋轉兩種工作狀態：

（1）當飛輪處于靜止狀態時，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狀態，那么行星齒輪機構中的齒圈與行星齒輪構成一個定軸輪系。行星機構的輸出軸，連接到行星齒輪架上，相對于以齒圈為輸入的固定軸系，以較慢扭轉的方式將動力傳遞給變速器的輸入端，變速器齒輪驅動車輛前進或后退。

（2）當飛輪處于旋轉狀態時，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并產生相應的動力; 此時，行星機構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動狀態。混合動力被輸入到變速器的輸入端，并根據變速器齒輪的狀態驅動車輛前進或后退。

（3）當存儲在飛輪的能量可以獨立地驅動車輛啟動，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動車輛。

當車輛處于勻速或加速運行狀態時，根據飛輪在兩種不同的狀態，分為電機獨立驅動狀態和電機/飛輪混合驅動狀態。動力傳輸過程和開始時工作過程一樣。

當車輛滑行減速時。 車輛滑行是對車輛動能的一種有效利用，用于驅動車輛。當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，通過行星機構驅動飛輪旋轉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。傳統的車輛制動過程是通過摩擦熱產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，當踩下制動踏板時，通過固定齒圈，太陽齒輪和構成固定軸線的行星齒輪輪系制動第一齒圈。汽車的動能將驅動飛輪通過行星齒輪傳動機構的輪子、主減速器、變速器、行星架和太陽輪轉動飛輪，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動，即當飛輪具有剩余能量時，電動/發電機可以放置在發電機狀態，并由飛輪驅動。因為車輛是靜止的，這時太陽齒輪旋轉來驅動飛輪，并驅動行星齒輪，環形齒輪旋轉，當離合器接合時，將動力傳給馬達/發電機進行發電，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。為了研究這種結構的效果，本文根據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

目前國內外多數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。結合兩者的優點，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據與路試測試數據差距，從而對這個測試臺模塊進行優化設計，根據其功能不同多個測試獨立的模塊單元進行單獨設計，再將各模塊單元優化組合在一起，以達到測試目的。根據模塊單元優化設計，裝置分為三個部分：機械結構、控制系統和數據采集與處理系統。機械本體部分由電機，行星齒輪機構，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組成。數據采集和處理系統是一種轉速傳感器，轉矩和旋轉速度測量裝置和速度信號處理設備和其他部件。控制系統由計算機、傳感器、信號處理裝置以及各部件的控制器組成。 其結構如圖3所示。

4.2 機械本體結構

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）。本文設計的試驗臺是基于前一節提出的車輛結構布置的簡化設計。由于結構不是很復雜，所以電動汽車的制動過程仿真不是很準確。然而，本文研究的目標（飛輪儲能裝置在電動汽車制動能量回收效果）是可以實現的。飛輪儲能裝置試驗臺的機械結構如圖4。

圖4中1為調速/驅動電機;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;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為轉矩轉速傳感器;12為整車慣性模擬飛輪;13為驅動/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為發電機。

4.3 控制系統

該控制系統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 數據采集系統

數據采集與處理系統，包括：轉速、轉矩傳感器和信號處理裝置。數據采集系統主要將飛輪、驅動電機、行星齒輪機構等轉速與轉矩的測量，并對信號進行處理。信號處理單元根據設定的轉速計算程序計算轉速。同時，它可以通過串口與計算機進行通信。

5 再生制動評價指標與試驗數據分析

5.1 再生制動評價指標

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性能的指標。試驗用再生制動能量回收率評價電動汽車再生制動性能，該數據既能反映整個再生制動傳動系統的效率，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，根據以上原因制定相應的試驗方法。

5.2 試驗數據分析

儲能試驗臺是根據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據。根據試驗臺的需要設計四通道測速裝置，對再生制動驅動電機、車輛慣性仿真飛輪、 行星架以及儲能飛輪的速度進行數據采集和存儲，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速進行制動能量回收能量變化數據和整車慣性模擬飛輪這段時間內 數據的采集，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用于車輛時，應在達到能量平衡點后再進行常規制動，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，以便在車輛需要時輸出最大能量驅動車輛。

6 總結

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，對試驗數據分析。為飛輪儲能裝置的應用在電動汽車再生制動效果提供了有效的數據佐證。

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