汽车缓速器的能量存储设计理论

樊建利　曹爱红

摘 要：随着汽车保有量的持续增长，环保、能源、安全问题越来越引起人们的重视。缓速器是利用电磁感应原理实现汽车制动的一种辅助制动装置。该文在分析缓速器结构和制动原理的基础上，设计了一种能量储存式缓速器，可在实现汽车辅助制动的同时将制动能量转换为电能进行储存，当汽车再次启动或加速时，能将储存的电能释放，解决了传统缓速器将制动能量转化为热能而浪费的弊端，有利于提高车辆的燃油经济性和行驶安全性，具有较广的应用前景。

关键词：缓速器 能量储存 制动 汽车

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0084-02

随着社会经济的发展，我国汽车保有量持续增长，2015年新注册登记的汽车达2 385万辆，与2014年相比，私家车增长了17.77%，每百户家庭拥有私家车31辆，汽车占机动车的比率近5年从47.06%上升至61.82%。由此可以看出，汽车在交通运输中占有重要的地位。当然，汽车的普及随之带来了安全、节能等问题，汽车缓速器应运而生。汽车缓速器安装于变速器与驱动桥之间，利用电磁感应原理实现汽车制动的一种辅助制动装置。随着国家对交通安全、节能环保的重视，缓速器越来越普及。

缓速器的结构大都是由转子总成、定子总成所构成，基本都是应用于大车上。另外，这些缓速器在进行辅助制动时，制动产生的能量基本都以热能消耗掉了，无疑是对资源的浪费。因此研究如何将制动时所产生的大部分能量进行收集存储，当汽车加速或启动时再将存储的能量释放出来的缓速器将是非常有意义的。该文介绍永磁式缓速器和电涡流缓速器的能量收集理论。

1 缓速器结构和制动原理

1.1 电涡流缓速器

电涡流缓速器由机械装置和电控装置组成。机械装置由定子总成、转子总成等部件组成。在固定架的圆周上均匀地分布着定子的铁心，铁心是由高导磁材料制成，铁心上套有励磁线圈，构成磁极。转子由转子盘和转子轴构成，呈圆盘形，同样采用具有导磁性能良好的磁性材料制成，转子盘中心凹陷，其上铸有叶片和气道，能够实现较好的散热。转子连接于传动轴上，可随传动轴转动。定子安装在车架上或变速器后端，相对车架是固定不动的；电控装置由控制器、励磁线圈、驱动器、传感器等组成，控制器安装在仪表板上，显示励磁电流工作状态和手自动励磁的切换操作。

电涡流缓速器的工作原理分3步：当驾驶员踩下制动踏板或按下缓速器的控制开关时，电涡流缓速器的励磁线圈导通而励磁，在定子总成之间构成磁路回路，此为第一步电生磁。转子旋转切割定子励磁线圈产生的磁力线，在转子内部产生方向相反的涡旋状感应电流，即涡流，此步为磁生电。产生涡流的转子盘处在定子产生的磁场中，就会受到磁力的作用，产生阻止转子转动的阻力即产生制动力，此步为电磁力矩。涡流流动产生的热能通过转子盘叶片的风力迅速散发出去。

1.2 永磁式缓速器

永磁式缓速器由机械装置、辅助装置、控制装置3部分组成。机械装置也是由定子和转子等部件组成。定子由永磁体、定子铸体、磁铁保持架、磁铁支架、气缸组件等组成。永磁体沿圆周方向均匀地且磁极交替反向地装在磁铁保持架内的磁铁支架上，磁铁支架套装在定子铸体上，通过销子与保持架连接。定子一般安装在变速器后端壳体上，相对车架而言，固定不动。转子通常由转子鼓、转子臂和散热片构成。转子鼓用导磁性能高剩磁小的铁磁材料制成。转子鼓外设有散热片，实现散热功能。转子鼓通过法兰与动力输出轴连接，随输出轴自由转动。控制装置部分由开关、指示灯、传感器、电磁阀、储气罐等组成。

永磁式缓速器与电磁缓速器的工作原理基本相同，区别是永磁缓速器的励磁不是采用励磁线圈而是利用永久磁铁励磁。制动时，磁极交替反向的永磁体产生励磁磁场，在励磁磁场的作用下，转子鼓内部产生感应电流，永磁体产生的励磁磁场对带电的转子鼓产生阻止转动的阻力，尽而对传动轴产生制动或减速作用，制动时产生的热量通过转子鼓散热片的对流和辐射迅速地将热量散发掉。

2 制动能量储存方式

由上面分析可知，这两种缓速器都存在能量浪费的弊端。若能将汽车在制动过程中的动能进行存储，需要时再进行释放，则有利于提高车辆的燃油经济性和行驶安全性。按照能量储存的方式，汽车制动能量储存可以分为液压储能、飞轮储能和蓄电池储能3种形式。

2.1 液压储能

液压储能系统工作过程如图1所示，首先将汽车减速或制动时的机械能利用液压装置转换成液压能，存储在储能器中；当汽车启动或加速时，系统将制动时存储在储能器中液压能通过液压装置转换成机械能为汽车传动系统提供额外能量，增加驱动力。

2.2 飞轮储能

飞轮储能系统工作过程如图2所示，将汽车减速或制动时的动能利用传动装置转换为飞轮高速转动的动能；当汽车启动或加速时，高速运转的飞轮将之前制动时存储的动能再通过传动装置转换为汽车启动或加速的驱动力，增加驱动能力。

2.3 蓄电池储能

蓄电池储能系统工作过程如图3所示，将汽车减速或制动时的动能利用发电机转化为电能，存储在储能器中，电能储能器可以选用蓄电池或者超级电容；当汽车启动或加速时，利用电动机将储存的电能转换为汽车启动或加速的驱动力，增加驱动能力。

3 缓速器能量储存方案设计

对于永磁式缓速器和电涡流缓速器而言，在它们辅助制动过程中，车辆的耗电量明显增加，也就是说若要永磁式缓速器和电涡流缓速器真正实现辅助制动作用，必须要增加汽车蓄电池或发电机的容量，因此在进行永磁式缓速器和电涡流缓速器设计时，必须选择合适的能量储存方案。

我们在上面介绍了3种制动能量储存方式，其中液压和飞轮储能系统是将汽车制动或减速的动能进行转换存储后直接释放利用的，缺点是能量不能实现长久地储存，并且液压储能系统要求密封性高，存在能量损失较大的缺点，因此，液压和飞轮储能系统对于永磁式缓速器和电涡流缓速器而言并不是最优方案。蓄电池电能储能系统将制动的能量转换为电能进行存储，能够为汽车充电储能，消耗电能很小，可实现能量的长久储存，具有稳定性、轻量化、保养简单的优点。因此，永磁式缓速器和电涡流缓速器能量储存方案选择蓄电池储能系统。

缓速器的整体设计是将缓速器安装于发动机/变速器与后驱动桥输入端之间，能量储存的关键技术是缓速器的控制系统，整个控制系统包含脉动控制、回馈制动控制、电流控制等。控制系统的芯片选择具有低功耗、高可靠性、运算速度快的芯片，用于实现各部分的精确控制。工作过程为：正常行驶时，汽车发动机将动力传递至变速器；制动时，控制电路切断发动机至变速器间的动力传递，缓速器开始工作，提供辅助制动能量，使得驱动桥的转速降低，汽车行驶速度下降，与此同时，控制电路启动能量储存环节，使其处于边收集能量边提供制动能量。

4 结语

蓄电池储能式缓速器将缓速器安装于变速器和后桥输入端之间，在辅助制动的同时实现了能量的长久存储，具有体积小、结构简单、便于安装、制动平稳、节约能源等优点，适用于大、中、小型汽车。随着世界能源危机和国家对交通安全的重视，能量储存式缓速器定将成为未来缓速器的发展趋势。

参考文献

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