基于車輛再生制動(dòng)的集能型制動(dòng)器設(shè)計(jì)

劉倩倩　邢智源　許亞東　夏冰

摘 要：集能型制動(dòng)器是利用電磁力制動(dòng)并且儲(chǔ)存電能的裝置。該裝置是在車輪的內(nèi)側(cè)安裝纏繞線圈的轉(zhuǎn)子，并在車體上固定磁鐵，確保剎車時(shí)線圈閉合，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)線圈做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生制動(dòng)力進(jìn)行剎車。此過程產(chǎn)生的能量則通過儲(chǔ)能裝置收集，從而達(dá)到快速、節(jié)能的制動(dòng)效果。

關(guān)鍵詞：再生制動(dòng) 集能型 能源

中圖分類號(hào)：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）008-120-02

1 引言

目前，環(huán)境問題和能源問題是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，是提高國民生活質(zhì)量的重要因素，解決環(huán)境問題，節(jié)省能源是近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。交通運(yùn)輸工具是國民生活中不可或缺的重要因素之一。因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)交通運(yùn)輸工具的節(jié)能減排技術(shù)非常關(guān)注，對(duì)車輛的能量回收技術(shù)非常重視。各種車輛在制動(dòng)過程中均消耗大量能量，通過能量守恒定律，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能回收，即可消耗車輛動(dòng)能，使得車輛的速度下降甚至停車，又可將車輛的動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)換成電能等可利用能源，供其它設(shè)備使用，有效提高能源的利用率。

再生制動(dòng)是一種反饋制動(dòng)，目前主要使用在汽車或鐵路列車上。傳統(tǒng)的制動(dòng)方式是把車的動(dòng)能通過摩擦直接轉(zhuǎn)化成熱能，從而降低車速。再生制動(dòng)則是在制動(dòng)過程中，把車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能或其他可再利用能源的形式并儲(chǔ)存起來為其他設(shè)備提供能源，實(shí)現(xiàn)能源的再利用。

2 國內(nèi)外研究狀況

國外再生制動(dòng)技術(shù)的研究時(shí)間比較早而且比較深入，除了大量的理論研究成果，實(shí)車應(yīng)用技術(shù)也比較成熟。

國內(nèi)再生制動(dòng)技術(shù)研究目前處于起步階段。各高校、汽車廠商、科研院所都在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究并有了初步成果，但是大部分研究都停留在理論分析和建模仿真階段，實(shí)車應(yīng)用不多。所以此技術(shù)在國內(nèi)具有很大的發(fā)展空間。

3 再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置

再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置的設(shè)計(jì)方案較多，常用的形式主要有飛輪、液壓儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等幾種形式。不同的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)缺點(diǎn)不同。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量損耗小，但體積大、儲(chǔ)能不易久存、能量輸出的時(shí)效性較差而且安全性沒有保障；液壓儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、可持久存儲(chǔ)電能、能量輸出靈活易控制、安全性較好，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儲(chǔ)能過程中能量損耗大；電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)體積小而輕、可持久儲(chǔ)能、能量輸出迅速而易控制，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本相對(duì)較高。

本文采用的電化學(xué)儲(chǔ)能制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，它包括與車型相適配的發(fā)電機(jī)、蓄電池以及可以監(jiān)視電池電量的智能電池管理系統(tǒng)。電化學(xué)儲(chǔ)能制動(dòng)能量回收系統(tǒng)回收車輛在制動(dòng)或慣性滑行中釋放出的多余能量，并通過發(fā)電機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能，再儲(chǔ)存在蓄電池中，用于之后的加速行駛。制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、儲(chǔ)能持久而高效、控制靈活而準(zhǔn)確，它還可為車內(nèi)耗電設(shè)備供電，降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的依賴，降低燃耗及二氧化碳排放，具有很好的發(fā)展前景。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于車輛再生制動(dòng)的集能型制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)回收制動(dòng)能量的同時(shí)，既要保證產(chǎn)生的電能便于儲(chǔ)存，還應(yīng)滿足剎車的安全要求和便于駕駛員操作，這就需要找到電剎車和機(jī)械剎車的最佳切合點(diǎn)，在確保制動(dòng)安全的前提下，提高能量的回收率。

由于汽車內(nèi)部采用交流電，采用永久磁鐵作為定子，南北兩極，線圈為轉(zhuǎn)子。其中線圈與輪胎同心相連，如圖1所示。此種結(jié)構(gòu)在制動(dòng)時(shí)，線圈與外部蓄電器接通，即可產(chǎn)生交流電，同時(shí)線圈受到反向的安培力，從而實(shí)現(xiàn)減速，其實(shí)質(zhì)是將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。

根據(jù)輪胎尺寸和車體結(jié)構(gòu)，實(shí)際線圈尺寸為輪胎外圓尺寸的2/3。由于在減速的同時(shí)，安培力也隨之減小，所以為了確保系統(tǒng)有穩(wěn)定制動(dòng)力的提供，線圈要做特殊的設(shè)計(jì)（如圖2），滿足其速度減小的同時(shí)，線圈匝數(shù)呈一定規(guī)律增加，從而使制動(dòng)力基本不變。

5 理論設(shè)計(jì)及計(jì)算

5.1 理論分析

從應(yīng)用的廣泛性考慮，本次設(shè)計(jì)主要考慮中輕度剎車。中輕度剎車是汽車在正常工況下的制動(dòng)過程，可分為減速過程與停止過程。電磁剎車負(fù)責(zé)減速過程，停止過程由機(jī)械剎車完成，兩種剎車的切換點(diǎn)由電機(jī)發(fā)電特性確定。

5.2 分析計(jì)算

6 結(jié)論

基于車輛再生制動(dòng)的集能型制動(dòng)器是利用電磁裝置在汽車剎車時(shí)提供制動(dòng)力，同時(shí)通過儲(chǔ)能裝置將動(dòng)能裝換成電能儲(chǔ)存起來。該集能型制動(dòng)器可收集65%以上的動(dòng)能，配合以機(jī)械剎車，可實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)安全可靠。同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，響應(yīng)靈敏，壽命長(zhǎng)久，噪音低、沖擊小，可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。而且他的應(yīng)用范圍不僅局限于汽車制動(dòng)，還可用于所有需要制動(dòng)或者有剩余動(dòng)力可回收的系統(tǒng)中。

當(dāng)前汽車制動(dòng)主要采用液壓與機(jī)械制動(dòng)并重的方式，對(duì)車體磨損嚴(yán)重且能量消耗較大，與之相比，集能型制動(dòng)器把制動(dòng)動(dòng)能高效的轉(zhuǎn)化為電能，提高了汽車能量的綜合利用率，其成本較低、安裝方便，具有很好的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)同樣可應(yīng)用于城市軌道車輛、電瓶車、機(jī)械裝備等，將帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

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