車用機(jī)電復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量特性分析

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(dòng)能量損失約占總能量消耗的30%[1-2]，制動(dòng)能量回收裝置可將部分汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電化學(xué)能回收存儲(chǔ)。目前，大部分研究集中于將汽車制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能，通過電機(jī)-電池回收存儲(chǔ)部分制動(dòng)能量[3-4]。在能量回收-釋放過程中，汽車動(dòng)能需先轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在電池中，加速時(shí)儲(chǔ)存能量被轉(zhuǎn)化為電能，最終以動(dòng)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(zhǎng)循環(huán)壽命特性使其成為發(fā)展前途較好的短時(shí)儲(chǔ)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(dòng)力系統(tǒng)中飛輪通過無級(jí)變速器與車輛傳動(dòng)系統(tǒng)(自動(dòng)變速器輸入軸)相連，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)可以有效避免車輛加速時(shí)由發(fā)動(dòng)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(jí)變速系統(tǒng)[11]。威廉姆斯混合動(dòng)力有限公司開發(fā)的儲(chǔ)能式飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)通過電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)與飛輪及傳動(dòng)系統(tǒng)完成能量轉(zhuǎn)換，但功率完全取決于電力傳動(dòng)系統(tǒng)的額定容量[9]。

本工作基于電磁耦合器及飛輪儲(chǔ)能的高功率特性設(shè)計(jì)了一種車用機(jī)電復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，為飛輪與傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)能以2種形式存儲(chǔ)，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能存儲(chǔ)于電池中，其余部分直接轉(zhuǎn)化為用于下一次加速的動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)的汽車總體布置如圖1 所示，常規(guī)傳動(dòng)系統(tǒng)置于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙及前橋，飛輪儲(chǔ)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(dòng)力系統(tǒng)的輔助裝置，在汽車加速及減速時(shí)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(chǔ)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(dòng)能經(jīng)半軸、第1級(jí)齒輪副、電磁耦合器(外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子)、第2級(jí)齒輪副增速后儲(chǔ)存于飛輪中。圖2僅給出了飛輪儲(chǔ)能裝置部分，來說明車用機(jī)電復(fù)合儲(chǔ)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(shí)，來自電磁耦合器的部分機(jī)械功率經(jīng)第2級(jí)齒輪副儲(chǔ)存于飛輪中，轉(zhuǎn)差功率經(jīng)逆變后儲(chǔ)存于電池中；當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子軸同速時(shí)，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(gè)機(jī)械端口儲(chǔ)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(shí)，儲(chǔ)存于飛輪中的能量經(jīng)第2級(jí)齒輪副、內(nèi)轉(zhuǎn)子軸、外轉(zhuǎn)子軸、第1級(jí)齒輪副后作用于后輪，電磁耦合器機(jī)械功率經(jīng)第1級(jí)齒輪副減速后作用于后輪上，轉(zhuǎn)差功率經(jīng)逆變后儲(chǔ)存于電池中；當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子軸同速時(shí)，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(gè)機(jī)械端口驅(qū)動(dòng)后輪。

圖2 車用機(jī)電復(fù)合儲(chǔ)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(gè)機(jī)械端口(6-1、6-2)和1個(gè)電氣端口(6-3)。汽車減速時(shí)，汽車后輪傳遞的動(dòng)能經(jīng)2級(jí)齒輪傳動(dòng)副增速后儲(chǔ)存于飛輪中，加速時(shí)飛輪能量釋放，以滿足汽車驅(qū)動(dòng)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(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)汽車與飛輪動(dòng)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(chǔ)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(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)以額定轉(zhuǎn)矩工作時(shí)，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(chǔ)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(dòng)機(jī)，區(qū)別在于交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由交流電產(chǎn)生，電磁耦合器的磁場(chǎng)由直流電產(chǎn)生，外轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)起到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(lì)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(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)制動(dòng)能量的轉(zhuǎn)換過程。圖5(a)中初始時(shí)刻下車輪角速度為55.5 rad/s，6.94 s 時(shí)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(dòng)能經(jīng)電磁耦合器轉(zhuǎn)換后儲(chǔ)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(shí)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(shí)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(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)可將來自汽車后輪動(dòng)能的72.34%直接儲(chǔ)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(chǔ)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(tái)

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(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)臺(tái)，如圖6所示，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3 所示。該試驗(yàn)臺(tái)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、慣性飛輪、轉(zhuǎn)矩傳感器、2 級(jí)V 帶、電磁耦合器、儲(chǔ)能飛輪組成。鑒于慣性飛輪模擬法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且有利于提高試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)能。在幾種典型的動(dòng)力傳遞方式中，V帶傳動(dòng)可降低沖擊，防止試驗(yàn)臺(tái)過載破壞，故慣性飛輪與電磁耦合器、電磁耦合器與儲(chǔ)能飛輪均采用V 帶傳動(dòng)。由于試驗(yàn)臺(tái)架布置、安裝空間的限制，本試驗(yàn)中2 級(jí)V 帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比分別為1∶1.20、1∶1.73，比仿真分析中傳動(dòng)比略大。

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

圖6 車用機(jī)電復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)慣性飛輪加速至某一指定轉(zhuǎn)速后斷電，模擬汽車制動(dòng)時(shí)的初始動(dòng)能，慣性飛輪經(jīng)第1 級(jí)V 帶、電磁耦合器、第2 級(jí)V 帶帶動(dòng)儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)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(shí)慣性飛輪斷電，調(diào)節(jié)電磁耦合器勵(lì)磁電流使其輸出25 Nm 電磁轉(zhuǎn)矩；t=8.49 s時(shí)，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(duì)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(gè)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(chǔ)能系統(tǒng)中電池需要處理的能量?jī)H為14.281 kJ，在同等減速-巡航工況下，僅配備電機(jī)再生制動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)以額定轉(zhuǎn)矩工作時(shí)，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(chǔ)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(shí)系統(tǒng)可將來自汽車后輪動(dòng)能的72.34%直接儲(chǔ)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(chǔ)存于電池中，與僅配備電機(jī)再生制動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)臺(tái)，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(dòng)力耦合系統(tǒng)提供了一種新構(gòu)型。