基于儲能飛輪的電動汽車制動能量回收

李春雷,儲江偉,李 紅，黃 赫,袁善坤

(1.東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.上海汽車變速器有限公司，上海 201800)

飛輪儲能是一種環(huán)保、可持續(xù)的儲能方式，以動能的形式存儲能量，具有響應快、傳動效率高、功率密度大等特點[1]，現(xiàn)已應用于航天航空、交通運輸和風力發(fā)電等多個領(lǐng)域中[2]。對于電動汽車領(lǐng)域，飛輪可以增加整車質(zhì)量，汽車制動時將車身的慣性能經(jīng)傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為飛輪的動能[3]，是新能源汽車中一種優(yōu)良的儲能方式。

汽車制動時的能量回收是汽車節(jié)能環(huán)保的重要途徑。為了使電機可以在不同電壓下使用，文獻[4]設(shè)計了一種應用于飛輪儲能的雙定子繞組高速電機，該電機可以在電池電阻損耗最小時進行充放電，提升了飛輪能量回收的效率；文獻[5]研制了一種磁力耦合傳遞飛輪，將磁力耦合離合器和飛輪結(jié)合在一起，實現(xiàn)了飛輪調(diào)速的無級變速，減少了能量傳遞損失；文獻[6]將電磁離合器應用于帶有發(fā)動機的傳統(tǒng)汽車上，對其制動能量回收效率進行仿真分析，系統(tǒng)可以有效回收10%～14%的能量。電磁轉(zhuǎn)差離合器通過控制勵磁電流的大小，改變輸出轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)無級調(diào)速的效果，減少能量浪費[7]。本文主要研究一種將電磁轉(zhuǎn)差離合器與儲能飛輪結(jié)合起來的飛輪儲能系統(tǒng)裝置，研究其在純電動汽車中的制動能量回收效率。

1 總體布置結(jié)構(gòu)

1.1 整車布置

整車動力系統(tǒng)包括驅(qū)動電機、傳動機構(gòu)、電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)裝置和驅(qū)動輪。飛輪儲能裝置與電機之間采用并聯(lián)式布置。其結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖1所示。飛輪既是儲能元件，也是輔助動力源[8]。

圖1 汽車底盤布置

電機作為主要動力源，輸出的動力經(jīng)過傳動機構(gòu)作用，用以驅(qū)動車輪。飛輪可以對制動時汽車的慣性能進行回收，成為輔助動力源。汽車啟動后，由驅(qū)動電機提供動力，汽車可以正常行駛，此時勵磁線圈中的電流為0A，電磁轉(zhuǎn)差離合器斷開，儲能飛輪處于靜止狀態(tài)；當汽車制動時，制動的動力經(jīng)過傳動系統(tǒng)傳到電磁轉(zhuǎn)差離合器的電樞端，繞組線圈中通以直流電[9]，電磁轉(zhuǎn)差離合器接通后，電樞帶動磁極一同轉(zhuǎn)動，磁極將機械能傳遞給儲能飛輪，能量以動能的形式存儲；當汽車重新啟動后，儲能飛輪的動能可以經(jīng)過傳動機構(gòu)傳遞給驅(qū)動輪，增加汽車的動力，減少制動時的能量浪費。

1.2 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁耦合式儲能飛輪裝置主要包括電磁轉(zhuǎn)差離合器、一級齒輪傳遞、二級齒輪傳遞和儲能飛輪等。該系統(tǒng)裝置示意圖如圖2所示。電磁轉(zhuǎn)差離合器主要由勵磁線圈、電刷、電樞和磁極等組成。

圖2 電磁耦合式飛輪裝置

勵磁線圈與磁極構(gòu)成感應子[10]，電樞端經(jīng)一級增速齒輪與差速器相連，磁極端通過二級增速齒輪與儲能飛輪連接。勵磁線圈中通以直流電，封閉的磁路產(chǎn)生主磁通，磁力線通過氣隙-電樞-氣隙-磁極構(gòu)成一個閉合磁通路[11]。車輪傳遞過來的動力驅(qū)動電樞旋轉(zhuǎn)，電樞與磁極之間發(fā)生相對運動，電樞切割磁力線，產(chǎn)生電磁力，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩帶動著磁極跟隨電樞一起轉(zhuǎn)動。跟隨轉(zhuǎn)動初期，由于電樞與磁極之間存在轉(zhuǎn)速差，磁極的轉(zhuǎn)速增加，電樞的轉(zhuǎn)速減少，電樞端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使車輪減速，磁極端的電磁轉(zhuǎn)矩可以將旋轉(zhuǎn)的機械能傳遞給飛輪存儲；當電樞的轉(zhuǎn)速與磁極的轉(zhuǎn)速相等時，離合器不再對驅(qū)動輪的制動起作用。

2 整車制動動力學模型

整車制動模型主要包括整車模型、液壓制動模型和電磁轉(zhuǎn)差離合器傳遞的飛輪模型。

2.1 整車模型的建立

對汽車制動過程做出假設(shè)：

1)汽車在水平良好路面上沿直線行駛；

2)車身、底盤、車輪均為剛體，并采用剛性連接；

3)制動中產(chǎn)生的空氣阻力和滾動阻力很小，可不計。

汽車制動時的受力如圖3所示。

圖3 汽車制動時的受力

汽車制動時滿足：

(1)

式中:m為汽車的整車質(zhì)量，kg；u為車速，m/s；FXb1、FXb2為前后輪地面制動力，N。

分別以前、后車輪接地點為起矩點，得：

FZ1L=Gb+Fjhg,

(2)

FZ2L=Ga-Fjhg.

(3)

式中:Fj為汽車慣性力，N；hg為質(zhì)心高度，m；L為軸距，m；a、b為前、后軸與質(zhì)心的水平距離，m。

2.2 飛輪儲能系統(tǒng)模型

電氣元件通過控制繞組線圈中勵磁電流，改變磁極轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)無級調(diào)速。離合器特性可以描述為：

(4)

式中:Te為傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；n1、n2分別為磁極和電樞的轉(zhuǎn)速，r/min；Ip為勵磁電流，A；K為固定系數(shù)，與離合器參數(shù)有關(guān)。

儲能飛輪所存儲的能量為：

(5)

式中:J為儲能飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg/m2；ω為儲能飛輪的轉(zhuǎn)速，rad/min。

儲能飛輪的能量回收效率為[12]：

(6)

式中:ΔEf制動前后儲能飛輪能量變化，J；ΔE為外部輸入能量變化，J。

2.3 液壓制動模型

汽車制動時，駕駛員踩踏板，經(jīng)過真空助力器的作用，將踏板力傳遞給制動器[13]。真空助力器的放大作用可以描述為：

(7)

式中:F為制動踏板力，N。

制動器產(chǎn)生的制動力矩與制動器的相關(guān)參數(shù)有關(guān)。車輪受到的制動力矩為：

Tb=2×Fb·η·μb·r·C.

(8)

式中:Fb為制動活塞受到的力，N；η為制動系數(shù)；μb為制動效率；r為輪胎半徑,m；C為摩擦系數(shù)。

2.4 制動控制策略

2.4.1 前后制動力的分配

一般汽車的制動器制動力按固定比值分配，通常用前輪制動器制動力與總制動器制動力的比值表示，此比值被稱為制動力分配系數(shù)[14]。常用β來表示：

(9)

式中:Fb1、Fb2分別為前、后輪制動力，N；Fb為總制動器的制動力，N。

2.4.2 基于飛輪儲能系統(tǒng)的制動控制策略

飛輪儲能系統(tǒng)中的制動控制策略，前、后軸車輪的制動器按固定制動力分配系數(shù)分配制動力，并且裝配有ABS輔助制動系統(tǒng)。驅(qū)動輪的制動力矩由液壓制動系統(tǒng)和電磁轉(zhuǎn)差離合器共同作用，從動輪則由液壓制動系統(tǒng)單獨作用。驅(qū)動輪的制動控制策略如圖4所示。

圖4 驅(qū)動輪的制動控制策略

對于驅(qū)動輪，由式(4)可知，電磁轉(zhuǎn)差離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩與電樞和磁極的相對轉(zhuǎn)速和勵磁電流有關(guān)[15]，所以當電樞和磁極之間的轉(zhuǎn)速差為0時，電磁轉(zhuǎn)差離合器提供的制動轉(zhuǎn)矩為0。

3 仿真分析

3.1 整車制動性能仿真

在Matlab/Simulink中搭建了裝載有電磁耦合式飛輪儲能裝置的整車模型并仿真，整車參數(shù)見表1。

表1 整車仿真參數(shù)

仿真中，電磁轉(zhuǎn)差離合器最大可以提供800 N·m的制動力矩，設(shè)置制動初速度為70 km/h，該過程中汽車制動的距離和車速如圖5、儲能飛輪的轉(zhuǎn)速和回收能量變化如圖6。

圖5 制動距離和車速變化

圖6 儲能飛輪轉(zhuǎn)速和回收能量變化

對圖5—圖6分析可知，汽車制動總時間為5.853 s，制動距離為70.67 m。制動從0 s到2.9 s時,汽車的制動減速度為-1.8 m/s2,驅(qū)動輪的制動力矩由電磁轉(zhuǎn)差離合器和液壓制動系統(tǒng)共同提供；從2.9 s到制動結(jié)束，汽車的制動減速度為-4.93 m/s2,制動力矩由液壓制動系統(tǒng)單獨提供，電磁轉(zhuǎn)差離合器傳遞的力矩為0，儲能飛輪的最高轉(zhuǎn)速不再變化，以動能的形式存儲于儲能飛輪中。整個制動過程，汽車消耗總能量17 2150 J，飛輪最高轉(zhuǎn)速1 344.2 r/min，回收了39 629 J能量，電磁耦合式儲能飛輪系統(tǒng)能量回收效率達到23%。

3.2 制動能量回收效率分析

3.2.1 不同制動初速度下的能量回收

汽車在行駛過程中，駕駛員通常會在不同初速度下進行制動。為了研究不同制動初速度對電磁耦合式儲能飛輪制動回收效率的影響，根據(jù)表1中的整車參數(shù)，分別選擇制動初速度為20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h進行制動能量回收仿真實驗，其結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 不同制動初速度下飛輪回收能量變化

圖8 不同制動初速度下能量回收效率變化

由圖7可知，由于制動的初始速度增大，汽車制動的總時間延長，制動距離也隨之變大。在制動初速度為20 km/h的仿真中，電磁轉(zhuǎn)差離合器作用的時間為0.92 s；在制動初速度為100 km/h的仿真中，電磁轉(zhuǎn)差離合器作用時間為4.11 s，其作用時間明顯增加。由于飛輪的轉(zhuǎn)動慣量一定，所以飛輪的轉(zhuǎn)速變化率不變。電磁轉(zhuǎn)差離合器作用時間延長，儲能飛輪的最高轉(zhuǎn)速變大，其存儲的能量隨之提高。同時，由圖8可知不同制動初速度下電磁耦合式儲能飛輪系統(tǒng)的能量回收效率均不小于22.4%。因此，本文所研究的電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)是一種有效的制動能量回收裝置。

3.2.2 不同飛輪轉(zhuǎn)動慣量下的能量回收

為了研究轉(zhuǎn)動慣量對電磁耦合式儲能飛輪系統(tǒng)能量回收的影響，分別選擇2 kg/m2、4 kg/m2、6 kg/m2、8 kg/m2和10 kg/m2轉(zhuǎn)動慣量的儲能飛輪進行仿真試驗，仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)動慣量下儲能飛輪轉(zhuǎn)速

圖10 不同轉(zhuǎn)動慣量下儲能飛輪能量和回收效率

根據(jù)仿真結(jié)果可知，當儲能飛輪的轉(zhuǎn)動慣量為2 kg/m2時，最高轉(zhuǎn)速1 533.1 r/min，回收了25 775 J能量，回收效率為8.85%，當儲能飛輪的轉(zhuǎn)動慣量為10 kg/m2時，最高轉(zhuǎn)速為974.9 r/min，可以回收52 112 J能量，能量回收效率可以達到35.6%。對比分析可知，飛輪在不同轉(zhuǎn)動慣量下儲存的能量差異較大。

從圖10中能量變化曲線可以看出，不同轉(zhuǎn)動慣量下飛輪回收的能量呈凸函數(shù)變化。根據(jù)凸函數(shù)的性質(zhì)可知，飛輪所存儲的能量存在極值。對于相同材料的飛輪，其能量密度一定，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量越大，其質(zhì)量和體積也增加。而由上述分析，當飛輪的轉(zhuǎn)動慣量達到一定值時，轉(zhuǎn)動慣量增加，其能量增長率減小，回收的能量增加量變小，儲能飛輪質(zhì)量越大，單位質(zhì)量或單位體積飛輪回收的能量減少，儲能飛輪得不到充分利用，而且不利于飛輪的整車布置。對比分析圖10中不同轉(zhuǎn)動慣量下儲能飛輪能量回收的效率可知：儲能飛輪的轉(zhuǎn)動慣量與回收效率呈線性關(guān)系。對于電磁耦合式儲能飛輪，其轉(zhuǎn)動慣量越大，回收效率越高。

不同轉(zhuǎn)動慣量的飛輪對制動時汽車車速的影響如圖11所示。

圖11 不同轉(zhuǎn)動慣量下車速變化

不同轉(zhuǎn)動慣量的飛輪在相同車速下制動時，提供的制動減速度大小相同，但電磁轉(zhuǎn)差離合器作用的時間有所差異，飛輪的最高轉(zhuǎn)速也不一樣。由圖11可知，2 kg/m2的飛輪電磁耦合器作用了1.68 s，占制動總時間的33.2%； 10 kgm2的飛輪電磁轉(zhuǎn)差離合器作用5.2 s,占總時間的70.74%。儲能飛輪的轉(zhuǎn)動慣量越大，最高轉(zhuǎn)速降低，電磁轉(zhuǎn)差離合器作用時間占總制動時間的比重越大，制動總時長增加明顯，制動距離隨之增加，汽車行駛的安全性變差。

通過上述分析，增加飛輪的轉(zhuǎn)動慣量雖然可以明顯增加儲能飛輪回收的能量，并提高能量回收效率，但會使制動總時間延長，不利于汽車的安全性，而且飛輪的轉(zhuǎn)動慣量太大會增加飛輪的磨損，響應時間也增大，所以在應用中需要根據(jù)實際情況，選擇合適的飛輪，改善其儲能狀況。對于仿真中的車輛，選擇轉(zhuǎn)動慣量為6 kg/m2的飛輪，該飛輪存儲的能量很高，能量回收效率可以達到25%，制動時間較短，可以保證車輛制動安全。

4 結(jié) 論

本文以電磁耦合式儲能飛輪為研究對象，為了研究電磁耦合式飛輪的能量回收效率，通過整車仿真的方法，經(jīng)過研究得出以下結(jié)論：

1)制動初速度越大，電磁轉(zhuǎn)差離合器作用時間越長，飛輪回收的能量越多，能量回收效率相差不多，仿真中的回收效率均不低于22.4%；

2)對于電磁耦合式儲能飛輪，隨著轉(zhuǎn)動慣量增大，儲能飛輪的最高轉(zhuǎn)速降低，回收的能量增加，能量回收效率明顯提高；

3)轉(zhuǎn)動慣量大的飛輪，制動時間顯著延長，制動距離隨之增加，不利于行駛的安全性。