動能轉(zhuǎn)換在新能源汽車節(jié)能驅(qū)動中的應(yīng)用

王怡澄

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動能轉(zhuǎn)換在新能源汽車節(jié)能驅(qū)動中的應(yīng)用

王怡澄

（鐵一中濱河學(xué)校，陜西 西安 710000）

近年來，為緩解環(huán)境污染，新能源在各個領(lǐng)域被廣泛使用，其中新能源汽車的發(fā)展最為矚目。新能源汽車中主要污染最小的就是純電動驅(qū)動，而這一驅(qū)動技術(shù)中回收汽車制動時的動能技術(shù)就是一種非常有效的方法。重點(diǎn)探究了物理學(xué)中的動能回收、節(jié)能驅(qū)動技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域中如何應(yīng)用。簡要介紹了新能源汽車的概念以及節(jié)能驅(qū)動的原理，在此基礎(chǔ)上分析了汽車在節(jié)能驅(qū)動過程中涉及到的物理動能轉(zhuǎn)換，重點(diǎn)分析了動能轉(zhuǎn)換是如何在新能源汽車節(jié)能驅(qū)動中被應(yīng)用的。

節(jié)能驅(qū)動；動能原理；新能源汽車；物理學(xué)

近年來，隨著世界原油價格的大幅度調(diào)增，節(jié)能環(huán)保問題再次成為人們關(guān)注的一個重要話題。目前，汽車已成為我們?nèi)粘Ｉ钜约俺鲂兄胁豢苫蛉钡闹匾煌ǔ鲂泄ぞ撸壳捌嚧蠖嗍褂脗鹘y(tǒng)的油耗材，在燃料消耗過程中會產(chǎn)生大量的廢氣污染物，不僅耗能量大，還會嚴(yán)重污染環(huán)境，這也是目前汽車發(fā)展面臨的一個非常突出的問題。以往，我們通過提高發(fā)動機(jī)的發(fā)動運(yùn)行效率、減少阻礙等來解決汽車的能耗問題，現(xiàn)在隨著新能源電動汽車的研發(fā)和推進(jìn)，制動能量也被廣泛提及，這一方法目前并未被廣泛開發(fā)使用，但是其涉及到的能量轉(zhuǎn)換在節(jié)能汽車的使用以及操作中已經(jīng)起著非常重要的作用。特別是對于在市區(qū)頻繁發(fā)動、?？康墓财噥碚f，利用轉(zhuǎn)換動能進(jìn)行液驅(qū)混合驅(qū)動會發(fā)揮著巨大的優(yōu)勢。通過動能量轉(zhuǎn)換再生再利用，可以充分回收車輛制動能量并將回收的動能用于汽車的起動和加速，在行駛過程中可以提高車輛的動力性能，在降低油耗減少污染的前提下，可以延長剎車裝置以及發(fā)動機(jī)的使用壽命。

1 新能源汽車的概念和節(jié)能驅(qū)動的原則

對于當(dāng)前主要研發(fā)以及市面上主要投入使用的新能源汽車來說，主要使用的都是純電動汽車，而對于電動汽車來說，主要驅(qū)動汽車運(yùn)行的力是機(jī)械力，機(jī)械力指其能量主要來源于單一能量的輸出，目前驅(qū)動汽車的機(jī)械力主要來自發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械力和電動機(jī)輸出的機(jī)械力兩種力。其他形式的機(jī)械力還有飛輪、液壓等可以驅(qū)動汽車前行，但是由于成本以及使用問題，其估計無法被廣泛投入市面作為商品來使用。對于新能源電動汽車來說，它的主要功能與普通汽車功能幾乎沒有區(qū)別，但在性能方面，主要是在加速和換擋方面，新能源電動汽車要比普通汽車性能優(yōu)良許多。

2 汽車驅(qū)動過程中涉及到的動能轉(zhuǎn)換

在汽車制動或減速的過程中，汽車的一部分動能會被能量回收系統(tǒng)吸收并儲存，并且當(dāng)汽車開始加速時會將儲存的能量一并釋放，從而就會形成驅(qū)動汽車行駛的動力。一方面，該方法可以將車輛的動能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，然后再循環(huán)并再利用轉(zhuǎn)換的能量，這一過程可以實(shí)現(xiàn)能量的再利用，達(dá)到節(jié)省能量的目的，而不是簡單將汽車的動能浪費(fèi)為熱能，比如機(jī)械摩擦制動的時候從物理層面上看就僅僅只是將汽車的動能轉(zhuǎn)換為熱能，而不能把能量轉(zhuǎn)換并利用；另一方面，能量的回收再利用會在一定程度上減小機(jī)械摩擦制動器的磨損，并且可以增加汽車摩擦制動器的壽命。

在汽車行駛期間產(chǎn)生的制動能量分為可回收能量和不可回收能量。不可回收的能源主要是汽車消耗的能量?？苫謴?fù)的能量主要是驅(qū)動軸上的制動能量，制動后可以回收。同時，根據(jù)能量的不同轉(zhuǎn)換的形式，制動能量回收方法又可分為超級電容儲能、飛輪能量存儲、電池能量存儲和液壓能量存儲等四種回收方式，而能量密度和功率密度兩個指標(biāo)又是評價儲能性能是否良好的重要指標(biāo)，如果能量密度高，則說明電池能量轉(zhuǎn)換的效率比較高，這四種方式在儲能方式和性能上都不同。

飛輪能量存儲是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成飛輪的動能，轉(zhuǎn)換方式最為直接，轉(zhuǎn)換率也相對較高。電池能量存儲是通過發(fā)電機(jī)裝置將車輛動能轉(zhuǎn)換成電能，能量轉(zhuǎn)換率最高可達(dá)30％，但由于其組件小，安裝方便，體積小，可靠性高，因此在高鐵、動車上被廣泛使用。

本文主要從物理角度的動能轉(zhuǎn)換來探討汽車的節(jié)能驅(qū)動，因此對電池存儲不作過多說明。液壓節(jié)能制動器通過能量轉(zhuǎn)換元件泵/馬達(dá)將電動車輛操作的動能轉(zhuǎn)換成能量，并將壓力能量存儲在蓄能器中，但是利用率相對較低，由于蓄能器可長時間儲存液壓能量，目前廣泛使用高能量存儲密度和高功率密度。

3 動能在節(jié)能驅(qū)動技術(shù)中的具體應(yīng)用

3.1 驅(qū)動輪上的變量泵/馬達(dá)

對于新能源電動車輛，無論是扭轉(zhuǎn)還是制動驅(qū)動，通過改變驅(qū)動輪上的可變泵/馬達(dá)的排量來控制車輛的驅(qū)動扭矩和制動扭矩。當(dāng)車輛加速或保持恒定速度、行駛阻力在行駛期間增加時，驅(qū)動輪上的可變泵/馬達(dá)作為馬達(dá)運(yùn)行?？梢韵哪芰浚藭r蓄能器和連接到飛輪的可變泵/馬達(dá)充當(dāng)泵，通過加油給系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)給；在汽車制動減速或即將停止之前，驅(qū)動輪上的可變泵/馬達(dá)充當(dāng)泵。系統(tǒng)的油壓迅速上升，導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力轉(zhuǎn)換為飛輪的動能。同時，蓄能器的能量也增加，因此可以在汽車加速時使用。

3.2 與飛輪相連的變量泵/馬達(dá)

帶有壓力補(bǔ)償裝置和電動機(jī)的飛輪主要用于控制系統(tǒng)的工作壓力保持恒定值。當(dāng)系統(tǒng)的液壓能量被作為電動機(jī)的驅(qū)動輪上的可變泵或者馬達(dá)用來消耗的時候，系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力會迅速下降。此時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪通過高速運(yùn)動產(chǎn)生的能量可以為系統(tǒng)持續(xù)供電，并且連接到飛輪的可變泵與馬達(dá)也可作為泵來工作，并且為系統(tǒng)提供所需的加壓油，使油壓保持在一定范圍內(nèi)，保障正常運(yùn)行；當(dāng)驅(qū)動輪上的可變泵/馬達(dá)作為泵回收液壓能量時，系統(tǒng)壓力將增加，并且連接到飛輪的可變泵/馬達(dá)將作為馬達(dá)運(yùn)行，加速飛輪的轉(zhuǎn)速并存儲系統(tǒng)恢復(fù)的能量。因此，飛輪可變泵/馬達(dá)用作CPS中的恒壓電源。另外，為了提高飛輪的能量利用率，避免了系統(tǒng)不必要的能量消耗。在飛輪與其可變泵/馬達(dá)之間可以通過添加離合器來減少不必要的能耗，在恢復(fù)車輛的動能時可以直接連離合器。當(dāng)系統(tǒng)的液壓能量波動較小且系統(tǒng)壓力基本恒定時，離合器應(yīng)脫開，蓄能器可調(diào)節(jié)系統(tǒng)管道的壓力能量。

3.3 與發(fā)動機(jī)相連的變量泵/馬達(dá)

由于發(fā)動機(jī)可以遠(yuǎn)離驅(qū)動輪的扭矩和速度，因此發(fā)動機(jī)可以在最適宜、相對不那么重要的工作點(diǎn)來運(yùn)行。因此，由連接到發(fā)動機(jī)的可變泵/馬達(dá)產(chǎn)生的液壓能量主要完成一些補(bǔ)充工作，由于能量裝置和飛輪提供的能量不能夠完全驅(qū)動，因此需要與發(fā)動機(jī)相連接的馬達(dá)來進(jìn)行一些相關(guān)的補(bǔ)充完善工作。

3.4 節(jié)能驅(qū)動主要實(shí)施方案

節(jié)能驅(qū)動主要實(shí)施方案如下：①保持司機(jī)原駕駛習(xí)慣及汽車運(yùn)動規(guī)律。它主要包括新能源電動汽車的啟動、制動過程的操作習(xí)慣以及汽車在此過程中的運(yùn)動規(guī)律。②適當(dāng)?shù)哪芰炕厥諒?qiáng)度。能量回收的大小直接影響車輛制動能量回收的效率和回收成本。如果接收強(qiáng)度太小，則汽車的動能不能完全再循環(huán)，成本高，影響其經(jīng)濟(jì)性。因此，能量回收系統(tǒng)必須根據(jù)汽車的實(shí)際運(yùn)行速度，確定制動減速度的設(shè)計。③能量存儲與釋放控制信號。汽車動能的恢復(fù)和釋放隨著駕駛員控制汽車的制動和起動條件而變化。它應(yīng)該是敏感的，同時不要分散駕駛員的能量，以免引起不良反應(yīng)。因此，能量回收系統(tǒng)通過計算機(jī)智能控制系統(tǒng)與機(jī)車啟動和制動裝置相結(jié)合。④防止能量回收裝置吸收發(fā)動機(jī)能量。當(dāng)汽車正常運(yùn)行時，能量回收裝置與汽車傳動系統(tǒng)分離，以防止發(fā)動機(jī)移動到系統(tǒng)，輸入能量，造成能量的浪費(fèi)。⑤輔助汽車啟動與起步。汽車在啟動時需要很大的扭矩，消耗大量燃料，并隨著環(huán)境溫度而降低，能耗也增加。能量回收系統(tǒng)存儲機(jī)車減速和制動過程的能量，該能量在汽車啟動時釋放。能量輔助汽車的一部分啟動，可以減少發(fā)動機(jī)能耗和培訓(xùn)運(yùn)營成本，同時改善發(fā)動機(jī)使用壽命。

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2095－6835（2019）03－0156－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.156

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕