基于渦扇螺旋磁電機的新能源汽車節(jié)能技術研究*

嚴繼超，車登濤，謝博杰，石 豪

（廣東工業(yè)大學華立學院，廣州 511300）

0 引言

21世紀，交通能源是全球?qū)⒁鎸Φ奶魬?zhàn)。從1973年到1999年，世界發(fā)生了3次石油危機，導致大規(guī)模世界范圍的戰(zhàn)爭，觸發(fā)了大規(guī)模的全球經(jīng)濟危機，對世界經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響[1]。當今社會存在一重大矛盾，即越來越受重視的環(huán)境以及越來越少的資源之間的矛盾，這一矛盾促使世界各國都在尋找新型能源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，常規(guī)的石油、柴油這些汽車燃料是以犧牲環(huán)境為代價的能源，這些燃料在數(shù)量方面存量十分有限，并且資源分布不均勻，常常是對環(huán)境有重大的破壞作用[2]。而汽車行業(yè)是石油消耗的第一大產(chǎn)業(yè)，據(jù)目前數(shù)據(jù)分析，我國汽車行業(yè)占石油消耗總量的1/3，中國目前已經(jīng)成為世界第三大石油進口國、第二大石油消費國[3]。我國面對的石油消耗與交通能源問題非常嚴峻，汽車行業(yè)的改革是大勢所趨，推廣可再生能源的新型燃料，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展清潔環(huán)保的可再生能源迫在眉睫，風能作為可再生綠色能源的標志，其豐富且無污染，是一種清潔環(huán)保的可再生能源，如果可以利用在新能源汽車，必定還可以節(jié)省更多能源。

而且隨著全球的氣候變暖，人們開始對溫室效應重視，BNEF重磅發(fā)布：在2019年全球陸上風力發(fā)電的新增裝機容量為53.2 GW，海上風力發(fā)電的新增裝機容量達到7.5 GW的歷史最高水平。其中，中國的裝機量位居世界前列。中國在2019年新增裝機容量為28.9 GW，其中陸上風力發(fā)電的新增裝機26.2 GW，海上風力發(fā)電的新增裝機2.7 GW，全球市場占比48%[5]。各個國家都競相發(fā)展各種新能源技術，包括風能在內(nèi)的可再生能源技術，而新能源汽車作為一種電能汽車，可以利用行駛帶來風力發(fā)電來增加其行駛路程，而且隨著社會生活水平的提高，新能源汽車逐漸受到人們歡迎，生產(chǎn)量也大，如果每臺新能汽車運用到這項技術，就可以省下較多的能源[6]。

1 渦扇螺旋磁電機的工作原理及其節(jié)能原理

1.1 工作原理

作為一種利用風能的發(fā)電裝置，螺旋磁電機以風為工作介質(zhì)，扇葉為動力源，整個裝置由風力部分和發(fā)電機電力部分組成。其工作原理：在汽車行駛過程中，由風力帶動扇葉轉(zhuǎn)動，扇葉通過主軸傳動系統(tǒng)和帶傳動系統(tǒng)，帶發(fā)電機啟動，從而實現(xiàn)風能向電能的轉(zhuǎn)換，WINPOWER控制器系統(tǒng)對發(fā)電機進行監(jiān)控，通過汽車多媒體顯示，在新能源汽車電池滿電的情況下關閉風力部分進風涵道，停止發(fā)電從而保護電池。

1.2 節(jié)能原理

作為一款節(jié)能的新能源汽車裝置，裝置并沒有提升汽車的阻力，而是充分的利用了傳統(tǒng)的新能源汽車的結(jié)構(gòu)進行改進安裝，在沒有增大風阻的情況下而利用風能發(fā)電，根據(jù)能量守恒定律，對于裝置來說輸入能量大于損耗能量，而對于新能源汽車整體來說，未安裝節(jié)能裝置的新能源在行駛過程中獲得的能源小于安裝節(jié)能裝置新能源汽車行使中獲得的能源，從而可以起到了節(jié)能和提高新能源汽車續(xù)航的作用[7]。

2 渦扇螺旋磁電機

渦扇螺旋磁電機大體上由風力部分和發(fā)電兩大體部分組成，風力部分由外殼、風扇、風扇前塞、軸承、軸承墊片、帶主動輪、推力軸承固定器、推力軸承組成。而電力部分由風力發(fā)電機和風力發(fā)電機控制器和充電管理模塊組成。如圖1所示。

圖1 風電發(fā)電部分和發(fā)電機

2.1 渦扇螺旋磁電機的風力部分結(jié)構(gòu)功能及其說明

渦扇螺旋磁電機的風力部分由2個風扇帶動主軸轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，前端風扇的作用主要利用風能轉(zhuǎn)化為動能，后端風扇的作用起到平行的作用，單個風扇的葉片數(shù)由3～6個扇葉組成，前端風扇和后端風扇都有個風扇前塞裝置，主要是為了防止風扇在高速旋轉(zhuǎn)的時候脫落或者在新能源汽車出碰撞事故時，由于猛烈的撞擊而導致風扇飛出導致人員受傷。主軸在與外殼裝配采用2個軸承裝配，分別在接近于兩端的風扇，目的為了減少汽車在不規(guī)則運動時導致主軸不平行而使動能損耗和主軸的磨損[8]，而且軸承采用鑲?cè)朐O計，鑲?cè)胪鈿だ铮缓笥幂S承墊片將軸承緊鎖于外殼里防止汽車高速行駛時候的顛簸導致掉落。在風力部分里還有主要的推力軸承，主要用來抵抗由風力帶來的軸向力，推力軸承固定器主要連接在主軸上然后固定推力軸承。中間部分為帶主動輪，主要用于軸和發(fā)電機之間傳動，采取帶傳動主要為了汽車行駛過程中造成較大的噪聲，如圖2所示[9]。

圖2 左端為風力發(fā)部分前端

2.2 渦扇螺旋磁電機的電力部分組成及其介紹

電力部分主要有變壓器模塊和保險絲模塊，蓄電等幾部分組成。因為風力發(fā)電機的輸出電壓遠遠小于純電和混動新能源汽車蓄電池的額定充電電壓，所以為了提供足夠的、高的電壓給蓄電池，必須要用到變壓器模塊，變壓器內(nèi)部安裝了GPRSDTU模塊，可實現(xiàn)在線監(jiān)控。基于單片機控制的可調(diào)容量節(jié)能型變壓器以單片機為控制處理中心，通過負載數(shù)據(jù)的采集，駕駛員可隨時查看變壓器的運行狀況，能夠遠距離控制變壓器高低檔位之間是否需要進行切換[8]。隨著風速增大，葉輪轉(zhuǎn)速增高的同時，風力發(fā)電機的輸出功率也必然增大，而風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子線圈和其他電子元件的超載能力是有一定限度的，不能隨意增加。這種情況會造成風機的飛車失控，燒毀整流控制電路，損壞蓄電池，由于風力發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電直接供給新能源汽車的蓄電池，而蓄電池的維修成本價格昂貴，所以選用合格的保險絲模塊非常重要。為了防止發(fā)電機在運行過程中損壞蓄電池，所以應該在變壓器模塊后加入保險絲模塊，有效防止發(fā)電機和變壓器模塊出現(xiàn)故障或者過載損壞蓄電池。即當電路發(fā)生故障時，電路過載或者電流過大時，保險絲模塊便會熔斷，進而保護電路。保險絲模塊后連接蓄電池和WINPOWER控制器，WINPOWER控制器主要由單片機和車載多媒體組成，具體流程如圖3所示[10]。

圖3 電力系統(tǒng)框架

在保險絲模塊后加入WINPOWER控制器，WINPOWER控制器通過單片機實時檢測蓄電池的充電電壓和充電電流，并通過控制風力發(fā)電機充電電流來限制蓄電池的充電電壓和充電電流，確保蓄電池既可以充滿，又不會損壞，根據(jù)蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，在蓄電池電量不足時（虧電狀態(tài)下），在蓄電池允許的范圍內(nèi)以較大的電流進行快速充電，避免蓄電池活性物質(zhì)脫落，同時又保證蓄電池的電量得到快速補充，從而確保了蓄電池的使用壽命[11]；其中，WINPOWER控制器通過汽車多媒體顯示蓄電池電壓和充電電流，使得用戶能夠直觀了解蓄電池的電壓狀態(tài)，從而使產(chǎn)品設計更加人性化；同時，數(shù)字化智能控制，核心器件采用功能強大的單片機進行控制，使得外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，且控制方式和控制策略靈活強大，從而確保了優(yōu)異的性能和穩(wěn)定性[12]。

3 渦扇螺旋磁電機安裝

渦扇螺旋磁電機主要安裝在汽車的兩側(cè)，接近于將汽車的前端與前車輪位置相近，由于車輪的高速旋轉(zhuǎn)，在車輪附近的流速V很高，可以帶動風力部分里面的空氣流速，提升渦扇螺旋磁電機的進風量，如圖4～5所示。

圖4 安裝圖正視圖

圖5 安裝圖右視圖

4 虛擬仿真與數(shù)據(jù)校核

本產(chǎn)品可根據(jù)汽車的車型調(diào)節(jié)選用發(fā)電機的尺寸和扇葉大小的選用。當選用扇葉直徑尺寸為20 cm，扇葉數(shù)為3片，中心軸為2 cm。在額定的風速下，扇葉的邊緣轉(zhuǎn)速為44 m/s。最高風速不能超過100 m/s時，選定風力發(fā)電機的額定功率為800 W。分別對不同速度下進行仿真，得出數(shù)據(jù)。

當新能源汽車行駛速度為60 km/h時，相對風速15.8 m/s，有效風速13.8 m/s，風力發(fā)電系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速為44 m/s，額定輸出功率為800 W，可知：P＝250W。所以經(jīng)計算新能源汽車在60 km/h的速度行駛時輸出單個渦輪螺旋磁電機輸出功率為250 W，當對稱安裝2個鑲?cè)胲嚿頃r功率可達到500 W。

當新能源汽車行駛速度達到100 km/h時，相對風速為26.5 m/s，有效風速為21.4 m/s，風力發(fā)電系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速為44 m/s，額定輸出功率為800 W，可知：P＝389 W。所以經(jīng)計算新能源汽車在100 km/h的速度行駛時，單個渦輪螺旋磁電機輸出功率為389 W，當對稱安裝2個鑲?cè)胲嚿頃r功率達到778 W。

當新能源汽車在極端的速度行駛時，速度達到120 km/h，相對風速33 m/s。汽車逆風行駛時，取自然風五級計算，即10 m/s，新能源汽車相對風速可達到43 m/s，有效風速為34.4 m/s，風力發(fā)電系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速為44 m/s，額定輸出功率為800 W，可知：P＝625 W。當自然風速度更加大時，未能超出額定功率達不到過載狀態(tài)，系統(tǒng)安全，當對稱安裝2個渦輪螺旋磁電機時功率可達1 250 W。

經(jīng)檢驗，該風力發(fā)電系統(tǒng)能夠為汽車提供駕駛室內(nèi)的電器元件用電，當高速行駛時還能為空調(diào)等大型耗電原件減少壓力，有效為新能源汽車供電，極大程度上減輕了新能源汽車耗電壓力，有效地增強汽車的續(xù)航里程數(shù)。

5 結(jié)束語

本文針對目前大多數(shù)新能源汽車充電較麻煩而且續(xù)航能力低等問題，設計了一款應用于汽車行業(yè)的渦扇螺旋磁電機。此款渦扇螺旋磁電機設計構(gòu)造簡單，維護成本低，主要利用汽車在行駛過程中的風能轉(zhuǎn)變成電能。通過能量守定律證明，在沒有增加汽車總體風阻的情況下，增加了汽車的能源輸入，通過計算和實驗驗證，此渦扇螺旋磁電機對汽車續(xù)航能力起到一定的提升作用，而且大量汽車安裝使用可為人類節(jié)省到不少的能源，起到一定的節(jié)能和環(huán)保作用，并解決新能源汽車充電頻繁和續(xù)航里程數(shù)低的問題。