電力機車再生制動能量轉化的探討

白建軍

摘 要：當下的燃油汽車面臨著清潔能源和環境保護的雙重壓力，世界上各個國家都在提倡生產出零排放、無污染的電力機車。可實際上的問題是電力機車一次性充電過后其行駛的路程要遠遠低于傳統的燃油汽車，所以這一缺點很大程度上抑制了電力機車的全面推廣。因此，我們可以利用電力機車再生制動能量轉化來有效的提升行駛路程，然而這樣就產生了一個新問題，就是要如何高效的利用和回收再生能源。本文就電力機車再生制動能量轉化進行了一系列討論。

關鍵詞：電力機車；再生制動；能量轉化

從汽車發明到如今汽車邁入每家每戶這一個多世紀以來，它為人類的社會生產和日常需求帶來巨大的便利，到了21世紀，它已經成為了人們生活中不可或缺的交通工具。汽車工業在世界經濟發展中也發揮著相當大作用，它不僅人們創造了大量的就業機會，還帶來了方便與快捷。汽車產業也成為了世界上最龐大的產業之一，是工業化國家的主要經濟支柱，但是科學本身就是一柄雙刃劍，它在帶來便利的同時也同樣帶來了極大的負面影響，如燃油汽車需要大量的石油消耗，不僅造成了極其惡劣的環境污染，還制造了不少噪音。在不可再生能源日漸缺少的今天，如何實現汽車的可持續發展已經是世界各地的一個重要課題。

一、電力機車再生制動能量的現狀

當前關于電動機車的研究主要集中在蓄電池和檢測管理等方面，其中，實現再生制動能源回收利用是電子機車需要面臨的一大難題。再生制動技術起初是用于電力機車，在機車減速這方面有效的回收能源，自從在上世紀60年代將這項技術用在汽車方面上后，發現節能效果顯著，于是人們就開始嘗試將其用在電力機車上，并且獲得了極大的成功，然而由于當時的蓄電池技術還沒有得到突破，所以就導致了此項技術在電力機車上的應用發展緩慢。

目前關于電力機車再生制動能源的研究中，制動力如何分配制動能源是控制研究的主要問題，它的設計目的就是為了能夠提高能量的回收率和讓駕駛員能夠有較好的駕駛體驗，國外研究學者認為，提高電力機車的制動力分配比例能夠提升機車的能量整體回收率，而且經過他們的專業分析表明，通過準確的設計電力機車的制動力門限值，能夠讓制動能量回收系統和ABS系統兼容合作。此外，他們還提出了一種能夠區分常規主動和緊急制動的邏輯分配，意思就是通過調節制動系統的轉矩來實現回收利用電機所回饋的能量，然而這種利用軟件來區分制動能量的方式在很大程度上增加了軟件開發的難度。制動能量回收系統和ABS系統可以同時對門限值進行判斷，所以在車輪出現抱死狀況時，兩套系統就需要在同一時間進行切換工作，極大提升了系統的錯誤率。

二、電力機車再生制動的原理及目的

原理：再生制動也可以稱之為再生回饋制動，它的原理就是汽車制動時將慣性節省出來的能量傳遞到電機中，電機再以發電機的方式工作，將動能轉化為電能，這部分節省出來的能量再由二極管回饋到直流這一側，將蓄電池上充電，進而實現能量的回收利用。而電機內部也將進行一系列變化：電機旋臂的旋轉速度將超過同等頻率下的轉速，再超過同步磁場中的轉速，從而讓切割磁感應線反向切割，最終達到將動能轉化為電能的效果。再生制動不僅可以大大提高能源的利用率，還能夠減小機械在制動方面山的磨損，從而更好的實現汽車制動。一般來說，當汽車在公路上踩制動板減速或者剎車時，再生制動系統就是在這時啟動，當汽車正常減速的時候，再生制動的力矩一般處在最大負荷狀態，但是由于發電機不足，電力機車的再生制動不能像傳統的燃油汽車一樣給汽車提供足夠的減速制動。與此同時，如果儲存能量的裝置能源已經完全被填滿，再生制動轉換的能源就無處可放，汽車所需要的制動力就只能夠依靠液壓來完成。所以在一般的汽車中，再生制動通常和液壓系統同時存在。

目的：電機將由慣性產生的動能轉化為電能，并全部回饋到電網中，這個過程中也會產生制動力，讓電動機能夠及時的停止沒有用的慣性轉動。電動機常用的將動能轉換為電能的方式就是旋轉運動，一般是切割磁感應線來達到這一目的，依靠這一原理產生的再生制動能夠很好的減少損耗能量。

三、再生制動的受到的影響因素以及改善策略

影響因素：在汽車的制動過程中，除去掉一部分空氣阻力和汽車本身的行駛阻力所耗費掉的能量，我們希望能夠最大程度上的回收其他的可回收能量，在汽車的實際運行當中，并不是所有的制動能量都可以被回收的。在傳統汽車上，只有驅動輪上產生的能量能夠被送到蓄電池，另外一部分能量損失是無法阻擋的，它們以熱量的形式消失掉，而且在能量的轉換過程中，在動能轉換為熱能上機器本身也會損失掉一部分能量。還有一個影響能量回收的方式就是制動器將電能轉換為電能，電動機需要的能量本身就是依靠電動機的轉速，在它的轉速范圍內，可以回收的能源和車速成正比關系，當需要的能量超出制動的范圍之后，電動機能夠吸收的能量就基本保持不變了，超出的這部分將會以摩擦的形式散失。

改善策略：為了提升電力機車能量的回收率，從再生制動分配控制的策略進行了研究，可以從ADVISOR制動力分配策略出發，提出一種模糊控制分配的策略，這種模糊分配策略的能量回收率和汽車的行駛路程都要高于ADVISOR策略，而且它不用依靠于數學模型，具有不錯的魯棒性。所以總的來說，要想提升電力機車再生制動的能量利用率，可以改變它的分配策略方向出發。再就是采用微型計算機來控制制動，它可以保障電力機車行駛時所需要的制動力，通過對電制動和空氣制動兩個制動的結合和合理運用，讓制動方式能夠發揮出更好的效果，節省更多能源。

四、總結與展望

本次論文從電力機車的再生制動能量的效率優化出發，簡單的講解了它的現狀、原理和目的，并通過列出一些具體影響制動能量轉換的因素來提出改善策略，再通過仿真實驗說明，提出了模糊分配策略，這種策略不僅大大提升了蓄電池能夠回收利用的能量、提升了能量回收率，還很好的提升了電力機車的行駛路程，使制動能量得到了更好的利用。然而由于條件的限制，本次論文還存在不足之處，比如說還可以在目前比較成熟的基礎之上選擇一款容量巨大的超容電池作為后備輔助能源，這樣就能更好的提升電力機車的能源回收率。相信在未來的電力機車發展中，仍是以“節能、環保”為主題，為人類的發展做出更大的貢獻。

參考文獻

[1]潘家興.電力機車再生制動能量轉化的探討[J].電工技術，2019（05）：21-25.