基于飞轮储能装置在电动汽车再生制动效果研究

王井

摘 要：本文提出的利用飞轮储能方法是解决电动汽车制动能量回收和再利用的问题。本文介绍了试验台的基本结构、控制系统和数据采集处理系统。为了验证飞轮储能装置效果，本文通过飞轮储能装置试验台进行数据采集，通过整理与分析试验数据，计算出飞轮储能装置的制动能量回收率。本文论证了该装置可以有效的进行制动能量回收，且回收效率显著。

关键词：电动汽车 制动能量回收 飞轮储能 试验台

1 引言

随着当前环境和资源问题日显突出，各汽车厂商和研究机构都致力于电动汽车的发展。在电动汽车中不管是纯电动汽车、混合动力汽车还是燃料电池汽车，连续行驶里程问题是阻碍电动汽车发展的问题之一。回收和再利用汽车中的能源是目前提高电动汽车性能的有效途径。然而，在频繁制动的过程中，电池反复充电和放电，势必会减少电池使用寿命。使用具有高能量密度的飞轮储能，减少了过度的充放电，充电时间短等的问题。本文设计飞轮能量储存和制动能量回收台架设计是为了研究该装置的能量回收效率。该试验台可以解决早期利用计算机仿真建立精确数学模型的问题，也可以验证早期的设计思路和方法。该设计利用了飞轮具有高储能密度、不存在过度充放电及储能时间短等优点，本文主要设计了飞轮储能制动能量回收台架，通过试验解决了利用计算机仿真前期阶段建立精准数学模型困难问题，并且还验证了初期的设计思想与方法，解决了整车设计开发成本高和开发周期长的问题。

2 飞轮储能原理介绍

飞轮储能系统是利用高速旋转飞轮以动能的形式存储能量的装置。它的工作模式可分为：能量存储模式、能量保持模式、能量释放模式。能量释放模式中高速旋转飞轮存储能量动能为

式中v为飞轮速度;m为飞轮的质量;J为飞轮的转动惯量;ω为飞轮的角速度。

由公式（1）可知飞轮的储能量与转动惯量、角速度的平方成正比，可推出增加飞轮的转动惯量和飞轮转速可提高飞轮储能量。

3 飞轮储能装置在电动汽车中的布置形式及工作原理介绍

3.1 飞轮储能装置在車辆中的布置形式

飞轮储能装置在车辆的合理布置，关键是要确定该装置能否解决电动汽车过度的充放电，充电时间短等问题，图2飞轮储能装置在车辆中的结构。

3.2 飞轮储能装置的工作原理介绍

根据车辆的不同工作状态飞轮储能装置详细工作原理如下：

当车辆启动时，电动汽车电动/发电机为车辆提供驱动力，当连接到电动/发电机输出轴的离合器接头通过行星齿轮机构的输入端驱动齿圈转动。因为车辆有静止状态和行驶状态两种工作状态，根据以上飞轮也有静止或旋转两种工作状态：

（1）当飞轮处于静止状态时，由于飞轮具有较大的惯性，安装在同一轴上的太阳轮与飞轮处于静止状态，那么行星齿轮机构中的齿圈与行星齿轮构成一个定轴轮系。行星机构的输出轴，连接到行星齿轮架上，相对于以齿圈为输入的固定轴系，以较慢扭转的方式将动力传递给变速器的输入端，变速器齿轮驱动车辆前进或后退。

（2）当飞轮处于旋转状态时，由于飞轮储存了一定的能量，安装在与飞轮同轴的太阳轮随飞轮旋转并产生相应的动力; 此时，行星机构的齿圈和太阳轮同为动力输入，与行星轮相连的行星架的动力为两者之和，即车辆处于电动机和飞轮的混合驱动状态。混合动力被输入到变速器的输入端，并根据变速器齿轮的状态驱动车辆前进或后退。

（3）当存储在飞轮的能量可以独立地驱动车辆启动，通过固定齿圈制动器制动时，太阳齿轮和行星齿轮系形成的固定轴齿轮。此刻，储存装置的能量可直接驱动车辆。

当车辆处于匀速或加速运行状态时，根据飞轮在两种不同的状态，分为电机独立驱动状态和电机/飞轮混合驱动状态。动力传输过程和开始时工作过程一样。

当车辆滑行减速时。 车辆滑行是对车辆动能的一种有效利用，用于驱动车辆。当装有储能飞轮的车辆滑行时，首先，不踩油门踏板，停止向马达供电，同时不踩刹车踏板，将变速器置于空档位置。此时，车辆的动能可以用来驱动车辆滑行。或者将与电机相连的离合器分离，将传动装置置于前进挡，通过行星机构驱动飞轮旋转来回收部分车辆的动能，但减小了滑行距离。

这辆车处于制动减速状态。传统的车辆制动过程是通过摩擦热产生的形式来耗散车辆的动能，使车辆制动减速，造成车辆动能浪费。车辆安装有飞轮的能量存储装置在制动减速时，当踩下制动踏板时，通过固定齿圈，太阳齿轮和构成固定轴线的行星齿轮轮系制动第一齿圈。汽车的动能将驱动飞轮通过行星齿轮传动机构的轮子、主减速器、变速器、行星架和太阳轮转动飞轮，飞轮储能装置将汽车的动能储存，起到减速的作用。

车辆停止后飞轮剩余能量的利用。如果飞轮在车辆停止后仍在转动，即当飞轮具有剩余能量时，电动/发电机可以放置在发电机状态，并由飞轮驱动。因为车辆是静止的，这时太阳齿轮旋转来驱动飞轮，并驱动行星齿轮，环形齿轮旋转，当离合器接合时，将动力传给马达/发电机进行发电，使车辆停止之后飞轮的剩余能量可以对电池充电，剩余能量得到充分利用。

在车辆上加装飞轮储存装置，不但可以提高车辆在制动时的能量回收效率，而且可以增加车辆的输出功率，在车辆停止后，装置可以将多余的能量储存到蓄电池。为了研究这种结构的效果，本文根据汽车布局搭建了一个基于飞轮储能装置的试验台。

4 试验台的组成及各部分功能分析

4.1 试验台的组成

目前国内外多数利用计算机仿真和道路试验研究电动汽车的制动能量回收。试验台测试方法介于两者之间。结合两者的优点，研究了再生制动性能。既解决了使用计算机仿真反映车辆真实运行状况困难，又解决了路试费用高的问题。

为了减小整个测试台测试期间的再生制动测试数据与路试测试数据差距，从而对这个测试台模块进行优化设计，根据其功能不同多个测试独立的模块单元进行单独设计，再将各模块单元优化组合在一起，以达到测试目的。根据模块单元优化设计，装置分为三个部分：机械结构、控制系统和数据采集与处理系统。机械本体部分由电机，行星齿轮机构，惯性模拟飞轮，电磁离合器，电磁制动器和连接这些部件的传动机构组成。数据采集和处理系统是一种转速传感器，转矩和旋转速度测量装置和速度信号处理设备和其他部件。控制系统由计算机、传感器、信号处理装置以及各部件的控制器组成。 其结构如图3所示。

4.2 机械本体结构

作为试验台的主要组成部分，其功能是模拟车辆（动力性、传动性和车辆制动惯性性能）。本文设计的试验台是基于前一节提出的车辆结构布置的简化设计。由于结构不是很复杂，所以电动汽车的制动过程仿真不是很准确。然而，本文研究的目标（飞轮储能装置在电动汽车制动能量回收效果）是可以实现的。飞轮储能装置试验台的机械结构如图4。

图4中1为调速/驱动电机;2为传动带;3为储能飞轮;4为轴承及轴承座;5为电磁制动器;6为行星机构;7为传动带轮;8为传动带;9为传动带轮;10为电磁离合器;11为转矩转速传感器;12为整车惯性模拟飞轮;13为驱动/阻力加载电机;14为传动带轮;15为传动带;16为传動带轮;17为电磁制动器;18为电磁离合器;19为发电机。

4.3 控制系统

该控制系统是计算机控制部分和控制电路的核心。试验台的控制原理是通过计算机控制试验台的各个部分，分别控制试验台各个部分的控制器。该试验台的控制方案如图5所示。

4.4 数据采集系统

数据采集与处理系统，包括：转速、转矩传感器和信号处理装置。数据采集系统主要将飞轮、驱动电机、行星齿轮机构等转速与转矩的测量，并对信号进行处理。信号处理单元根据设定的转速计算程序计算转速。同时，它可以通过串口与计算机进行通信。

5 再生制动评价指标与试验数据分析

5.1 再生制动评价指标

再生制动能量回收率（再生制动能量在电动汽车制动过程中所占的百分比）作为评价和分析电动汽车再生制动系统性能的指标。试验用再生制动能量回收率评价电动汽车再生制动性能，该数据既能反映整个再生制动传动系统的效率，又能反映再生制动储能装置接收回收能量的能力。其公式为：

Er——制动过程中再生制动能量;Eb——制动过程车辆动能的变化量。

由以上公式可知如果车辆总动能不变，再生制动能量的大小影响再生制动能量的回收率，根据以上原因制定相应的试验方法。

5.2 试验数据分析

储能试验台是根据车辆惯性仿真飞轮达到所需速度，停止给电机供电，能量回收储能记录试验数据。根据试验台的需要设计四通道测速装置，对再生制动驱动电机、车辆惯性仿真飞轮、 行星架以及储能飞轮的速度进行数据采集和存储，计算储能装置能量回收性能，了解整个传动系统的能量传递效率。

本文模拟飞轮在500r/min、600r/min、700r/min、800r/min时进行能量回收试验，图7-10给出了试验台在四种转速进行能量回收试验时，整车惯性模拟飞轮能量变化曲线和储能飞轮能量变化曲线。

通过对储能飞轮达到最高转速进行制动能量回收能量变化数据和整车惯性模拟飞轮这段时间内 数据的采集，可知储能飞轮在500r/min、600r/min、700r/min、800r/min时的制动能量的回收率分别为：23.8%、25.4%、26.5%、28.0%。

再生制动能量回收分析表明，随着初始动能增加，飞轮能量存储设备具良好的储能作用，并且回收速度快。从图中分析，制动能量回收不能回收车辆的惯性模拟飞轮所消耗的全部能量，但存在一个平衡点，当达到这个点时，飞轮能量储存装置将不再回收能量。 因此，将飞轮能量储存装置应用于车辆时，应在达到能量平衡点后再进行常规制动，并将储能飞轮与车辆变速器分离，使飞轮处于最高储能状态，以便在车辆需要时输出最大能量驱动车辆。

6 总结

本文提出了一种飞轮储能装置在车辆中的布置。通过试验分析，可以有效地提高电动汽车的性能。为验证飞轮储能试验台的设计，对试验台的组成和各部分的功能进行介绍。之后，通过试验台的搭建与试验测试，对试验数据分析。为飞轮储能装置的应用在电动汽车再生制动效果提供了有效的数据佐证。

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