汽車緩速器的能量存儲設(shè)計理論

樊建利　曹愛紅

摘 要：隨著汽車保有量的持續(xù)增長，環(huán)保、能源、安全問題越來越引起人們的重視。緩速器是利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)汽車制動的一種輔助制動裝置。該文在分析緩速器結(jié)構(gòu)和制動原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種能量儲存式緩速器，可在實現(xiàn)汽車輔助制動的同時將制動能量轉(zhuǎn)換為電能進行儲存，當(dāng)汽車再次啟動或加速時，能將儲存的電能釋放，解決了傳統(tǒng)緩速器將制動能量轉(zhuǎn)化為熱能而浪費的弊端，有利于提高車輛的燃油經(jīng)濟性和行駛安全性，具有較廣的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：緩速器 能量儲存 制動 汽車

中圖分類號：U46 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0084-02

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國汽車保有量持續(xù)增長，2015年新注冊登記的汽車達2 385萬輛，與2014年相比，私家車增長了17.77%，每百戶家庭擁有私家車31輛，汽車占機動車的比率近5年從47.06%上升至61.82%。由此可以看出，汽車在交通運輸中占有重要的地位。當(dāng)然，汽車的普及隨之帶來了安全、節(jié)能等問題，汽車緩速器應(yīng)運而生。汽車緩速器安裝于變速器與驅(qū)動橋之間，利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)汽車制動的一種輔助制動裝置。隨著國家對交通安全、節(jié)能環(huán)保的重視，緩速器越來越普及。

緩速器的結(jié)構(gòu)大都是由轉(zhuǎn)子總成、定子總成所構(gòu)成，基本都是應(yīng)用于大車上。另外，這些緩速器在進行輔助制動時，制動產(chǎn)生的能量基本都以熱能消耗掉了，無疑是對資源的浪費。因此研究如何將制動時所產(chǎn)生的大部分能量進行收集存儲，當(dāng)汽車加速或啟動時再將存儲的能量釋放出來的緩速器將是非常有意義的。該文介紹永磁式緩速器和電渦流緩速器的能量收集理論。

1 緩速器結(jié)構(gòu)和制動原理

1.1 電渦流緩速器

電渦流緩速器由機械裝置和電控裝置組成。機械裝置由定子總成、轉(zhuǎn)子總成等部件組成。在固定架的圓周上均勻地分布著定子的鐵心，鐵心是由高導(dǎo)磁材料制成，鐵心上套有勵磁線圈，構(gòu)成磁極。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子盤和轉(zhuǎn)子軸構(gòu)成，呈圓盤形，同樣采用具有導(dǎo)磁性能良好的磁性材料制成，轉(zhuǎn)子盤中心凹陷，其上鑄有葉片和氣道，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的散熱。轉(zhuǎn)子連接于傳動軸上，可隨傳動軸轉(zhuǎn)動。定子安裝在車架上或變速器后端，相對車架是固定不動的；電控裝置由控制器、勵磁線圈、驅(qū)動器、傳感器等組成，控制器安裝在儀表板上，顯示勵磁電流工作狀態(tài)和手自動勵磁的切換操作。

電渦流緩速器的工作原理分3步：當(dāng)駕駛員踩下制動踏板或按下緩速器的控制開關(guān)時，電渦流緩速器的勵磁線圈導(dǎo)通而勵磁，在定子總成之間構(gòu)成磁路回路，此為第一步電生磁。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割定子勵磁線圈產(chǎn)生的磁力線，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生方向相反的渦旋狀感應(yīng)電流，即渦流，此步為磁生電。產(chǎn)生渦流的轉(zhuǎn)子盤處在定子產(chǎn)生的磁場中，就會受到磁力的作用，產(chǎn)生阻止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的阻力即產(chǎn)生制動力，此步為電磁力矩。渦流流動產(chǎn)生的熱能通過轉(zhuǎn)子盤葉片的風(fēng)力迅速散發(fā)出去。

1.2 永磁式緩速器

永磁式緩速器由機械裝置、輔助裝置、控制裝置3部分組成。機械裝置也是由定子和轉(zhuǎn)子等部件組成。定子由永磁體、定子鑄體、磁鐵保持架、磁鐵支架、氣缸組件等組成。永磁體沿圓周方向均勻地且磁極交替反向地裝在磁鐵保持架內(nèi)的磁鐵支架上，磁鐵支架套裝在定子鑄體上，通過銷子與保持架連接。定子一般安裝在變速器后端殼體上，相對車架而言，固定不動。轉(zhuǎn)子通常由轉(zhuǎn)子鼓、轉(zhuǎn)子臂和散熱片構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鼓用導(dǎo)磁性能高剩磁小的鐵磁材料制成。轉(zhuǎn)子鼓外設(shè)有散熱片，實現(xiàn)散熱功能。轉(zhuǎn)子鼓通過法蘭與動力輸出軸連接，隨輸出軸自由轉(zhuǎn)動?？刂蒲b置部分由開關(guān)、指示燈、傳感器、電磁閥、儲氣罐等組成。

永磁式緩速器與電磁緩速器的工作原理基本相同，區(qū)別是永磁緩速器的勵磁不是采用勵磁線圈而是利用永久磁鐵勵磁。制動時，磁極交替反向的永磁體產(chǎn)生勵磁磁場，在勵磁磁場的作用下，轉(zhuǎn)子鼓內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場對帶電的轉(zhuǎn)子鼓產(chǎn)生阻止轉(zhuǎn)動的阻力，盡而對傳動軸產(chǎn)生制動或減速作用，制動時產(chǎn)生的熱量通過轉(zhuǎn)子鼓散熱片的對流和輻射迅速地將熱量散發(fā)掉。

2 制動能量儲存方式

由上面分析可知，這兩種緩速器都存在能量浪費的弊端。若能將汽車在制動過程中的動能進行存儲，需要時再進行釋放，則有利于提高車輛的燃油經(jīng)濟性和行駛安全性。按照能量儲存的方式，汽車制動能量儲存可以分為液壓儲能、飛輪儲能和蓄電池儲能3種形式。

2.1 液壓儲能

液壓儲能系統(tǒng)工作過程如圖1所示，首先將汽車減速或制動時的機械能利用液壓裝置轉(zhuǎn)換成液壓能，存儲在儲能器中；當(dāng)汽車啟動或加速時，系統(tǒng)將制動時存儲在儲能器中液壓能通過液壓裝置轉(zhuǎn)換成機械能為汽車傳動系統(tǒng)提供額外能量，增加驅(qū)動力。

2.2 飛輪儲能

飛輪儲能系統(tǒng)工作過程如圖2所示，將汽車減速或制動時的動能利用傳動裝置轉(zhuǎn)換為飛輪高速轉(zhuǎn)動的動能；當(dāng)汽車啟動或加速時，高速運轉(zhuǎn)的飛輪將之前制動時存儲的動能再通過傳動裝置轉(zhuǎn)換為汽車啟動或加速的驅(qū)動力，增加驅(qū)動能力。

2.3 蓄電池儲能

蓄電池儲能系統(tǒng)工作過程如圖3所示，將汽車減速或制動時的動能利用發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，存儲在儲能器中，電能儲能器可以選用蓄電池或者超級電容；當(dāng)汽車啟動或加速時，利用電動機將儲存的電能轉(zhuǎn)換為汽車啟動或加速的驅(qū)動力，增加驅(qū)動能力。

3 緩速器能量儲存方案設(shè)計

對于永磁式緩速器和電渦流緩速器而言，在它們輔助制動過程中，車輛的耗電量明顯增加，也就是說若要永磁式緩速器和電渦流緩速器真正實現(xiàn)輔助制動作用，必須要增加汽車蓄電池或發(fā)電機的容量，因此在進行永磁式緩速器和電渦流緩速器設(shè)計時，必須選擇合適的能量儲存方案。

我們在上面介紹了3種制動能量儲存方式，其中液壓和飛輪儲能系統(tǒng)是將汽車制動或減速的動能進行轉(zhuǎn)換存儲后直接釋放利用的，缺點是能量不能實現(xiàn)長久地儲存，并且液壓儲能系統(tǒng)要求密封性高，存在能量損失較大的缺點，因此，液壓和飛輪儲能系統(tǒng)對于永磁式緩速器和電渦流緩速器而言并不是最優(yōu)方案。蓄電池電能儲能系統(tǒng)將制動的能量轉(zhuǎn)換為電能進行存儲，能夠為汽車充電儲能，消耗電能很小，可實現(xiàn)能量的長久儲存，具有穩(wěn)定性、輕量化、保養(yǎng)簡單的優(yōu)點。因此，永磁式緩速器和電渦流緩速器能量儲存方案選擇蓄電池儲能系統(tǒng)。

緩速器的整體設(shè)計是將緩速器安裝于發(fā)動機/變速器與后驅(qū)動橋輸入端之間，能量儲存的關(guān)鍵技術(shù)是緩速器的控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)包含脈動控制、回饋制動控制、電流控制等。控制系統(tǒng)的芯片選擇具有低功耗、高可靠性、運算速度快的芯片，用于實現(xiàn)各部分的精確控制。工作過程為：正常行駛時，汽車發(fā)動機將動力傳遞至變速器；制動時，控制電路切斷發(fā)動機至變速器間的動力傳遞，緩速器開始工作，提供輔助制動能量，使得驅(qū)動橋的轉(zhuǎn)速降低，汽車行駛速度下降，與此同時，控制電路啟動能量儲存環(huán)節(jié)，使其處于邊收集能量邊提供制動能量。

4 結(jié)語

蓄電池儲能式緩速器將緩速器安裝于變速器和后橋輸入端之間，在輔助制動的同時實現(xiàn)了能量的長久存儲，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝、制動平穩(wěn)、節(jié)約能源等優(yōu)點，適用于大、中、小型汽車。隨著世界能源危機和國家對交通安全的重視，能量儲存式緩速器定將成為未來緩速器的發(fā)展趨勢。

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