動能轉換在新能源汽車節能驅動中的應用

王怡澄

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動能轉換在新能源汽車節能驅動中的應用

王怡澄

（鐵一中濱河學校，陜西 西安 710000）

近年來，為緩解環境污染，新能源在各個領域被廣泛使用，其中新能源汽車的發展最為矚目。新能源汽車中主要污染最小的就是純電動驅動，而這一驅動技術中回收汽車制動時的動能技術就是一種非常有效的方法。重點探究了物理學中的動能回收、節能驅動技術在新能源汽車領域中如何應用。簡要介紹了新能源汽車的概念以及節能驅動的原理，在此基礎上分析了汽車在節能驅動過程中涉及到的物理動能轉換，重點分析了動能轉換是如何在新能源汽車節能驅動中被應用的。

節能驅動；動能原理；新能源汽車；物理學

近年來，隨著世界原油價格的大幅度調增，節能環保問題再次成為人們關注的一個重要話題。目前，汽車已成為我們日常生活以及出行中不可或缺的重要交通出行工具，但目前汽車大多使用傳統的油耗材，在燃料消耗過程中會產生大量的廢氣污染物，不僅耗能量大，還會嚴重污染環境，這也是目前汽車發展面臨的一個非常突出的問題。以往，我們通過提高發動機的發動運行效率、減少阻礙等來解決汽車的能耗問題，現在隨著新能源電動汽車的研發和推進，制動能量也被廣泛提及，這一方法目前并未被廣泛開發使用，但是其涉及到的能量轉換在節能汽車的使用以及操作中已經起著非常重要的作用。特別是對于在市區頻繁發動、停靠的公共汽車來說，利用轉換動能進行液驅混合驅動會發揮著巨大的優勢。通過動能量轉換再生再利用，可以充分回收車輛制動能量并將回收的動能用于汽車的起動和加速，在行駛過程中可以提高車輛的動力性能，在降低油耗減少污染的前提下，可以延長剎車裝置以及發動機的使用壽命。

1 新能源汽車的概念和節能驅動的原則

對于當前主要研發以及市面上主要投入使用的新能源汽車來說，主要使用的都是純電動汽車，而對于電動汽車來說，主要驅動汽車運行的力是機械力，機械力指其能量主要來源于單一能量的輸出，目前驅動汽車的機械力主要來自發動機輸出的機械力和電動機輸出的機械力兩種力。其他形式的機械力還有飛輪、液壓等可以驅動汽車前行，但是由于成本以及使用問題，其估計無法被廣泛投入市面作為商品來使用。對于新能源電動汽車來說，它的主要功能與普通汽車功能幾乎沒有區別，但在性能方面，主要是在加速和換擋方面，新能源電動汽車要比普通汽車性能優良許多。

2 汽車驅動過程中涉及到的動能轉換

在汽車制動或減速的過程中，汽車的一部分動能會被能量回收系統吸收并儲存，并且當汽車開始加速時會將儲存的能量一并釋放，從而就會形成驅動汽車行駛的動力。一方面，該方法可以將車輛的動能轉換成其他形式的能量，然后再循環并再利用轉換的能量，這一過程可以實現能量的再利用，達到節省能量的目的，而不是簡單將汽車的動能浪費為熱能，比如機械摩擦制動的時候從物理層面上看就僅僅只是將汽車的動能轉換為熱能，而不能把能量轉換并利用；另一方面，能量的回收再利用會在一定程度上減小機械摩擦制動器的磨損，并且可以增加汽車摩擦制動器的壽命。

在汽車行駛期間產生的制動能量分為可回收能量和不可回收能量。不可回收的能源主要是汽車消耗的能量。可恢復的能量主要是驅動軸上的制動能量，制動后可以回收。同時，根據能量的不同轉換的形式，制動能量回收方法又可分為超級電容儲能、飛輪能量存儲、電池能量存儲和液壓能量存儲等四種回收方式，而能量密度和功率密度兩個指標又是評價儲能性能是否良好的重要指標，如果能量密度高，則說明電池能量轉換的效率比較高，這四種方式在儲能方式和性能上都不同。

飛輪能量存儲是將機械能轉換成飛輪的動能，轉換方式最為直接，轉換率也相對較高。電池能量存儲是通過發電機裝置將車輛動能轉換成電能，能量轉換率最高可達30％，但由于其組件小，安裝方便，體積小，可靠性高，因此在高鐵、動車上被廣泛使用。

本文主要從物理角度的動能轉換來探討汽車的節能驅動，因此對電池存儲不作過多說明。液壓節能制動器通過能量轉換元件泵/馬達將電動車輛操作的動能轉換成能量，并將壓力能量存儲在蓄能器中，但是利用率相對較低，由于蓄能器可長時間儲存液壓能量，目前廣泛使用高能量存儲密度和高功率密度。

3 動能在節能驅動技術中的具體應用

3.1 驅動輪上的變量泵/馬達

對于新能源電動車輛，無論是扭轉還是制動驅動，通過改變驅動輪上的可變泵/馬達的排量來控制車輛的驅動扭矩和制動扭矩。當車輛加速或保持恒定速度、行駛阻力在行駛期間增加時，驅動輪上的可變泵/馬達作為馬達運行。可以消耗能量，此時蓄能器和連接到飛輪的可變泵/馬達充當泵，通過加油給系統進行補給；在汽車制動減速或即將停止之前，驅動輪上的可變泵/馬達充當泵。系統的油壓迅速上升，導致系統的壓力轉換為飛輪的動能。同時，蓄能器的能量也增加，因此可以在汽車加速時使用。

3.2 與飛輪相連的變量泵/馬達

帶有壓力補償裝置和電動機的飛輪主要用于控制系統的工作壓力保持恒定值。當系統的液壓能量被作為電動機的驅動輪上的可變泵或者馬達用來消耗的時候，系統產生的壓力會迅速下降。此時，高速旋轉的飛輪通過高速運動產生的能量可以為系統持續供電，并且連接到飛輪的可變泵與馬達也可作為泵來工作，并且為系統提供所需的加壓油，使油壓保持在一定范圍內，保障正常運行；當驅動輪上的可變泵/馬達作為泵回收液壓能量時，系統壓力將增加，并且連接到飛輪的可變泵/馬達將作為馬達運行，加速飛輪的轉速并存儲系統恢復的能量。因此，飛輪可變泵/馬達用作CPS中的恒壓電源。另外，為了提高飛輪的能量利用率，避免了系統不必要的能量消耗。在飛輪與其可變泵/馬達之間可以通過添加離合器來減少不必要的能耗，在恢復車輛的動能時可以直接連離合器。當系統的液壓能量波動較小且系統壓力基本恒定時，離合器應脫開，蓄能器可調節系統管道的壓力能量。

3.3 與發動機相連的變量泵/馬達

由于發動機可以遠離驅動輪的扭矩和速度，因此發動機可以在最適宜、相對不那么重要的工作點來運行。因此，由連接到發動機的可變泵/馬達產生的液壓能量主要完成一些補充工作，由于能量裝置和飛輪提供的能量不能夠完全驅動，因此需要與發動機相連接的馬達來進行一些相關的補充完善工作。

3.4 節能驅動主要實施方案

節能驅動主要實施方案如下：①保持司機原駕駛習慣及汽車運動規律。它主要包括新能源電動汽車的啟動、制動過程的操作習慣以及汽車在此過程中的運動規律。②適當的能量回收強度。能量回收的大小直接影響車輛制動能量回收的效率和回收成本。如果接收強度太小，則汽車的動能不能完全再循環，成本高，影響其經濟性。因此，能量回收系統必須根據汽車的實際運行速度，確定制動減速度的設計。③能量存儲與釋放控制信號。汽車動能的恢復和釋放隨著駕駛員控制汽車的制動和起動條件而變化。它應該是敏感的，同時不要分散駕駛員的能量，以免引起不良反應。因此，能量回收系統通過計算機智能控制系統與機車啟動和制動裝置相結合。④防止能量回收裝置吸收發動機能量。當汽車正常運行時，能量回收裝置與汽車傳動系統分離，以防止發動機移動到系統，輸入能量，造成能量的浪費。⑤輔助汽車啟動與起步。汽車在啟動時需要很大的扭矩，消耗大量燃料，并隨著環境溫度而降低，能耗也增加。能量回收系統存儲機車減速和制動過程的能量，該能量在汽車啟動時釋放。能量輔助汽車的一部分啟動，可以減少發動機能耗和培訓運營成本，同時改善發動機使用壽命。

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2095－6835（2019）03－0156－02

U469.72

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.156

〔編輯：嚴麗琴〕