动能转换在新能源汽车节能驱动中的应用

王怡澄



动能转换在新能源汽车节能驱动中的应用

王怡澄

（铁一中滨河学校，陕西 西安 710000）

近年来，为缓解环境污染，新能源在各个领域被广泛使用，其中新能源汽车的发展最为瞩目。新能源汽车中主要污染最小的就是纯电动驱动，而这一驱动技术中回收汽车制动时的动能技术就是一种非常有效的方法。重点探究了物理学中的动能回收、节能驱动技术在新能源汽车领域中如何应用。简要介绍了新能源汽车的概念以及节能驱动的原理，在此基础上分析了汽车在节能驱动过程中涉及到的物理动能转换，重点分析了动能转换是如何在新能源汽车节能驱动中被应用的。

节能驱动；动能原理；新能源汽车；物理学

近年来，随着世界原油价格的大幅度调增，节能环保问题再次成为人们关注的一个重要话题。目前，汽车已成为我们日常生活以及出行中不可或缺的重要交通出行工具，但目前汽车大多使用传统的油耗材，在燃料消耗过程中会产生大量的废气污染物，不仅耗能量大，还会严重污染环境，这也是目前汽车发展面临的一个非常突出的问题。以往，我们通过提高发动机的发动运行效率、减少阻碍等来解决汽车的能耗问题，现在随着新能源电动汽车的研发和推进，制动能量也被广泛提及，这一方法目前并未被广泛开发使用，但是其涉及到的能量转换在节能汽车的使用以及操作中已经起着非常重要的作用。特别是对于在市区频繁发动、停靠的公共汽车来说，利用转换动能进行液驱混合驱动会发挥着巨大的优势。通过动能量转换再生再利用，可以充分回收车辆制动能量并将回收的动能用于汽车的起动和加速，在行驶过程中可以提高车辆的动力性能，在降低油耗减少污染的前提下，可以延长刹车装置以及发动机的使用寿命。

1 新能源汽车的概念和节能驱动的原则

对于当前主要研发以及市面上主要投入使用的新能源汽车来说，主要使用的都是纯电动汽车，而对于电动汽车来说，主要驱动汽车运行的力是机械力，机械力指其能量主要来源于单一能量的输出，目前驱动汽车的机械力主要来自发动机输出的机械力和电动机输出的机械力两种力。其他形式的机械力还有飞轮、液压等可以驱动汽车前行，但是由于成本以及使用问题，其估计无法被广泛投入市面作为商品来使用。对于新能源电动汽车来说，它的主要功能与普通汽车功能几乎没有区别，但在性能方面，主要是在加速和换挡方面，新能源电动汽车要比普通汽车性能优良许多。

2 汽车驱动过程中涉及到的动能转换

在汽车制动或减速的过程中，汽车的一部分动能会被能量回收系统吸收并储存，并且当汽车开始加速时会将储存的能量一并释放，从而就会形成驱动汽车行驶的动力。一方面，该方法可以将车辆的动能转换成其他形式的能量，然后再循环并再利用转换的能量，这一过程可以实现能量的再利用，达到节省能量的目的，而不是简单将汽车的动能浪费为热能，比如机械摩擦制动的时候从物理层面上看就仅仅只是将汽车的动能转换为热能，而不能把能量转换并利用；另一方面，能量的回收再利用会在一定程度上减小机械摩擦制动器的磨损，并且可以增加汽车摩擦制动器的寿命。

在汽车行驶期间产生的制动能量分为可回收能量和不可回收能量。不可回收的能源主要是汽车消耗的能量。可恢复的能量主要是驱动轴上的制动能量，制动后可以回收。同时，根据能量的不同转换的形式，制动能量回收方法又可分为超级电容储能、飞轮能量存储、电池能量存储和液压能量存储等四种回收方式，而能量密度和功率密度两个指标又是评价储能性能是否良好的重要指标，如果能量密度高，则说明电池能量转换的效率比较高，这四种方式在储能方式和性能上都不同。

飞轮能量存储是将机械能转换成飞轮的动能，转换方式最为直接，转换率也相对较高。电池能量存储是通过发电机装置将车辆动能转换成电能，能量转换率最高可达30％，但由于其组件小，安装方便，体积小，可靠性高，因此在高铁、动车上被广泛使用。

本文主要从物理角度的动能转换来探讨汽车的节能驱动，因此对电池存储不作过多说明。液压节能制动器通过能量转换元件泵/马达将电动车辆操作的动能转换成能量，并将压力能量存储在蓄能器中，但是利用率相对较低，由于蓄能器可长时间储存液压能量，目前广泛使用高能量存储密度和高功率密度。

3 动能在节能驱动技术中的具体应用

3.1 驱动轮上的变量泵/马达

对于新能源电动车辆，无论是扭转还是制动驱动，通过改变驱动轮上的可变泵/马达的排量来控制车辆的驱动扭矩和制动扭矩。当车辆加速或保持恒定速度、行驶阻力在行驶期间增加时，驱动轮上的可变泵/马达作为马达运行。可以消耗能量，此时蓄能器和连接到飞轮的可变泵/马达充当泵，通过加油给系统进行补给；在汽车制动减速或即将停止之前，驱动轮上的可变泵/马达充当泵。系统的油压迅速上升，导致系统的压力转换为飞轮的动能。同时，蓄能器的能量也增加，因此可以在汽车加速时使用。

3.2 与飞轮相连的变量泵/马达

带有压力补偿装置和电动机的飞轮主要用于控制系统的工作压力保持恒定值。当系统的液压能量被作为电动机的驱动轮上的可变泵或者马达用来消耗的时候，系统产生的压力会迅速下降。此时，高速旋转的飞轮通过高速运动产生的能量可以为系统持续供电，并且连接到飞轮的可变泵与马达也可作为泵来工作，并且为系统提供所需的加压油，使油压保持在一定范围内，保障正常运行；当驱动轮上的可变泵/马达作为泵回收液压能量时，系统压力将增加，并且连接到飞轮的可变泵/马达将作为马达运行，加速飞轮的转速并存储系统恢复的能量。因此，飞轮可变泵/马达用作CPS中的恒压电源。另外，为了提高飞轮的能量利用率，避免了系统不必要的能量消耗。在飞轮与其可变泵/马达之间可以通过添加离合器来减少不必要的能耗，在恢复车辆的动能时可以直接连离合器。当系统的液压能量波动较小且系统压力基本恒定时，离合器应脱开，蓄能器可调节系统管道的压力能量。

3.3 与发动机相连的变量泵/马达

由于发动机可以远离驱动轮的扭矩和速度，因此发动机可以在最适宜、相对不那么重要的工作点来运行。因此，由连接到发动机的可变泵/马达产生的液压能量主要完成一些补充工作，由于能量装置和飞轮提供的能量不能够完全驱动，因此需要与发动机相连接的马达来进行一些相关的补充完善工作。

3.4 节能驱动主要实施方案

节能驱动主要实施方案如下：①保持司机原驾驶习惯及汽车运动规律。它主要包括新能源电动汽车的启动、制动过程的操作习惯以及汽车在此过程中的运动规律。②适当的能量回收强度。能量回收的大小直接影响车辆制动能量回收的效率和回收成本。如果接收强度太小，则汽车的动能不能完全再循环，成本高，影响其经济性。因此，能量回收系统必须根据汽车的实际运行速度，确定制动减速度的设计。③能量存储与释放控制信号。汽车动能的恢复和释放随着驾驶员控制汽车的制动和起动条件而变化。它应该是敏感的，同时不要分散驾驶员的能量，以免引起不良反应。因此，能量回收系统通过计算机智能控制系统与机车启动和制动装置相结合。④防止能量回收装置吸收发动机能量。当汽车正常运行时，能量回收装置与汽车传动系统分离，以防止发动机移动到系统，输入能量，造成能量的浪费。⑤辅助汽车启动与起步。汽车在启动时需要很大的扭矩，消耗大量燃料，并随着环境温度而降低，能耗也增加。能量回收系统存储机车减速和制动过程的能量，该能量在汽车启动时释放。能量辅助汽车的一部分启动，可以减少发动机能耗和培训运营成本，同时改善发动机使用寿命。

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2095－6835（2019）03－0156－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.156

〔编辑：严丽琴〕