汽車慣性動能回收再利用裝置的設計仿真

王金星，劉利強，皇凡輝

（內蒙古工業大學 電力學院，內蒙古 呼和浩特 010080）

汽車慣性動能回收再利用裝置的設計仿真

王金星，劉利強，皇凡輝

（內蒙古工業大學 電力學院，內蒙古 呼和浩特 010080）

針對目前汽車減速時所產生的慣性動能利用率偏低的問題，通過了設計一種用于普通汽車的慣性動能回收再利用裝置的方法，以超級電容和蓄電池并舉的方式儲存能量，將該能量的一部分用于起動加速助力，一部分用于車載電器供電；結合搭建的該新型慣性動能回收再利用裝置模型仿真試驗，繪制出了減速過程中該裝置電壓電流的輸入和輸出波形，得出該裝置可簡便、有效地回收普通汽車慣性動能，進而提高汽車能量利用率的結論。

汽車；慣性動能；回收再利用；超級電容

隨著生產力的發展和人民生活質量的不斷提高，世界汽車保有量持續高速增漲。同時不可避免的出現了能源短缺，大氣污染等一系列世界性難題[1]。在這種情況下，對汽車減速時所產生的慣性動能的回收再利用就成為了汽車節能技術的研究熱點。

當前汽車的慣性動能主要以摩擦生熱的形式消耗掉了，沒有得到回收利用。有關實驗表明，在存在較頻繁的制動與啟動的城市工況運行條件下，有效地回收慣性動能，可以使汽車的油耗降低10%～30%，并顯著改善汽車的制動性能和起動性能[2-3]。

本文設計了一種可用于普通汽車的慣性動能回收再利用裝置，以超級電容和蓄電池共同作為儲能容器，并將回收能量的一部分實時提供給車載電器，另一部分用于車輛的起動加速助力，提高慣性動能利用率，有效降低油耗。

1 慣性動能回收再利用裝置的工作原理

1.1 回收再利用裝置結構

該裝置由傳動齒輪、電機、整流器、逆變器、超級電容、蓄電池、電纜線等組成，其結構圖如圖1所示。因蓄電池難以實現短時間、大功率、高效率充電，而超級電容器恰好可以彌補這一缺陷，故裝置中采用超級電容和蓄電池并舉的方式儲存能量[4]。

圖1 汽車慣性動能回收再利用裝置結構圖Fig.1 The structure diagram of car’s inertia kinetic energy recycling device

圖1中有：1.永磁同步電機2.整流器、逆變器3.超級電容4蓄電池 5.齒輪（備注：發電機、電動機可為同一個電機ISG）

1.2 回收再利用裝置工作過程

1.2.1 剎車制動過程

1）將車輪的剎車片適當改裝,成為有齒輪的剎車片，再通過齒輪來連接一個可移動的連接齒輪，通過該齒輪放大力矩。

2)再通過移動齒輪連接到固定電機的轉動軸，轉動軸轉動，生成感應電動勢發電。

3）把電機的出線端引到整流器，將發出的交流電整流成直流電。

4）把直流電引出到超級電容和蓄電池，將電能暫時儲存起來。

1.2.2 起動加速過程

1)起動加速，觸發控制器動作。

2)由控制器發出指令，接通超級電容的輸出端到逆變器，將直流逆變成交流電。

3)將交流電送至電動機。

4)電動機的轉軸帶動齒輪旋轉，將轉動的力矩先傳送到移動連接齒輪，再傳送到剎車片上的齒輪。

5)剎車片的齒輪力矩傳送給外輪胎的摩擦力矩，產生起動輔助動力，汽車加速。

1.2.3 車載電器供電過程

儲存于蓄電池中的電能直接向車載空調、音樂播放器、照明設備等供電，減少這些設備對發動機的依賴，降低油耗。

1.3 能量回收效率分析

1.3.1 能量回收實例計算

下面以普通車型豐田凱美瑞2014款--駿瑞--2.0S耀動版為例進行計算，汽車的整備質量為1 470 kg。一般車上有2人（含司機），質量為130 kg，共計1 600 kg。假如轎車正常行駛的速度是54 km/h(15 m/s),有路障時減速到18 km/h（5 m/s）那么因剎車損耗的動能

折合成標準煤約為5.5 g。如果再算上汽油的燃燒熱能利用效率，一次停車和啟動車，消耗的能量將更大。

1.3.2 汽車性能的改善

1)每千米可節省燃料約10%～30%，降低了汽車使用成本;

2)廢氣的排放量減少了10%～30%;

3)汽車加速離開車站時的噪音降低;

4)發動機、傳動部件和摩擦制動部件的工作時間減少,從而降低了損耗，避免剎車制動系統的過早磨損;

5)使起動加速操作簡單，減少頻繁換擋的煩惱，改善車輛行駛安全性。

2 汽車慣性動能回收再利用裝置仿真

2.1 回收再利用裝置原理圖

現代的汽車性能卓越、舒適、電氣自動化，慣性動能的回收再利用對汽車本身來說意義重大。但是，每一次的回收再利用都需要機械裝置、控制裝置、電氣設備、動力設備、儲能設備等的完美配合。與本慣性動能回收再利用裝置相關聯的設備關系圖如圖2所示。

圖2 慣性動能回收再利用系統設備關系圖Fig.2 The relationship diagram of car’s inertial kinetic energy recycling device

當汽車處于加速狀態時，則電機（ISG）起電動機的作用，加速踏板處的加速傳感器將加速信號分別傳遞給電機控制器系統和車輪處的電磁離合器，引起整流/逆變裝置發出觸發脈沖信號（逆變狀態），同時車輪處齒輪電磁咬合，ISG內閉合回路中的定子電流產生電動力，驅動車輪旋轉。

當汽車制動減速時，電機（ISG）起發電機的作用，剎車傳感器將減速信號分別傳遞給電機控制器系統和電磁離合器，不在給予整流/逆變裝置發出觸發脈沖信號（整流狀態），車輪處齒輪電磁咬合，ISG內閉合回路中的定子端口產生感應電動勢，經整流供電給蓄電池和車載電器。

當汽車處于近似勻速狀態時，電磁離合器斷開，慣性動能回收再利用裝置不工作。

2.2 慣性動能的收集

在汽車的減速過程中，將引起發電機的轉軸轉速減小，發電機的機端輸出電壓

其中E為發電機的輸出電壓，N為砸數，K為常系數 (約為1.1-1.25)，f為頻率，（f=pn/60），p為極對數，n為轉速，Φ為磁通量[5]。

剎車減速的過程中，轉速n在減小，頻率f也在減小，因此輸出電壓將有較大減小。假設減速為勻減速，則同步發電機機械輸入（Mechanical input）的轉子轉速為勻減速，輸出電壓仿真波形如圖3所示。

圖3 發電機輸出電壓波形Fig.3 The voltage waveform of generator out

2.3 慣性動能的儲存

由發電機輸出電壓波形分析可知，需采用不可控整流裝置，即由電力二極管組成的不控整流電路。可以采用三相、單相交流發電機或直流發電機，這里以三相舉例。整流電路采用三相橋式不控整流電路，整流時，所有IGBT無觸發信號[6]，原理圖如圖4所示。

圖4 三相整流儲能電路原理圖Fig.4 The principle diagram of three-phase rectifier and storage circuit

交流發電機輸出端電流和電壓的仿真電路圖如圖5所示。

圖5 三相整流儲能電路仿真圖Fig.5 The simulation diagram of three-phase rectifier and storage circuit

整流后直流輸出端電流和電壓的仿真波形圖如圖6所示。

圖6 交流發電機的輸出端電壓或電流Fig.6 The output voltage or current of AC generator

由圖可知，在既定電路參數情況下，轉子在1.7 s降為零。同時，在1.7 s輸出的電壓也降為零，電流也發生明顯衰減。這正是人們日常汽車使用過程中的制動時間，根據仿真結果可知，每次制動可以利用約1.5 s的時間用于發電整流儲能。

2.4 慣性動能的再利用

電能的逆變原理圖如圖4，六只IGBT分別以相位相差60度的脈沖予以觸發，為三相電壓型橋式逆變電路，縱向換流。

直流電源逆變成交流電動機的輸入端電流和電壓的仿真電路如圖7所示，波形如圖8所示。

圖7 直流逆變三相交流仿真電路Fig.7 The three-phase AC simulation circuit by DC inverter

如果在逆變后的電路上加裝適當的三相濾波裝置后，將會濾掉高次諧波，得到較為理想的三相正弦波，從而作為驅動能源帶動電動機旋轉，促使汽車完成加速過程。

上述仿真結果表明：慣性動能回收再利用裝置合理可行，且效率較高。

3 結論

本文設計了一種用于普通汽車慣性動能回收再利用裝置。該裝置包括慣性能量收集、儲存和再利用三個部分，以超級電容和蓄電池作為儲能容器，克服了蓄電池難以實現短時間、大功率、高效率充電的弊端，并將存儲能量一部分用于車載電器供電，一部分用于起動加速助力，有效提高了慣性動能利用率，一定程度上降低了汽車油耗。

通過用CAD軟件繪制出了本裝置的結構圖和原理圖，并用MATLAB的SIMULINK模塊搭建裝置的電氣仿真平臺，測出電機(ISG)輸出電壓和電流，畫出了功率隨時間的變化曲線。仿真電路模型的發電時間為1.7 s,實際可利用時間約1.5 s，但是在現實汽車中該裝置的發電時間是有行駛速度和加速度的大小決定的，跟隨汽車加速或者減速過程時間的長短而變化，使汽車的慣性動能利用率有較大提高。仿真實驗數據驗證了該設計方案，可以有效回收及再利用汽車慣性動能。

圖8 逆變三相負載側三相交流電壓仿真波形Fig.8 The simulation waveform of three-phase AC voltage in three-phase inverter load side

[l]鄢瓊偉,陳 浩.GDP與能源消費之間的關系研究[J].中國人口·資源與環境，2011（7）：13-19. YAN Qiong-wei,CHEN Hao.Study on the relationship between GDP and the energy consumption[J].China population· resources and environment,2011(7):13-19.

[2]趙昌霞.車輛減速和輕載狀態下制動能量利用的研究[D].西安：長安大學，2011.

[3]江王林，王瑞敏.電動汽車制動過程受力分析及制動能量回收策略研究[J].汽車實用技術，2012（3）：5-7. JIANG Wang-lin,WANG Rui-min.Electrical vehicle braking process and analysis of braking energy recovery strategy of [J].Automobile technology,2012(3):5-7.

[4]閆曉金，潘 艷，寧 武，等.超級電容-蓄電池復合電源結構選型與設計[J].電力電子技術，2010（5）：75-77 YAN Xiao-jin,PAN Yan,NING Wu,et al.Design and analysis of the structure of ultracapacitor/battery hybrid system[J].Power Electronics,2010（5）：75-77.

[5]張廣溢，郭前崗.電機學[M].3版.重慶：重慶大學出版社，2012.

[6]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].5版.北京：機械工業出版，2009.

Design and simulation on recycling unit of car's inertial kinetic energy

WANG Jin-xing,LIU Li-qiang,HUANG Fan-hui
（College of Electric Power,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010080，China）

In order to improve the utilization rate of inertial kinetic energy generated by the car when it decelerated,through the design of a vehicle inertial energy recycling device,both the super capacitors and batteries are used to save energy.One section of the energy was used for acceleration and the other section for the electrical appliances.Combined with the model simulation test about inertial energy recycling device of car,we draw out the input and output waveforms of device voltage and current in the process of slowing down.Simulation results indicate that the equipment can be recover inertial kinetic energy of general automobiles simply and effectively,and further improve vehicle energy efficiency.

Inertial kinetic energy;recycling;super capacitors

TNO2

A

1674-6236（2015）07-0130-04

2014-08-06 稿件編號：201408027

王金星(1991—)，男，河南周口人。研究方向：電氣工程及其自動化。