汽车制动能量回收系统的节能分析.docx

汽车制动能量回收系统的节能分析112王卡,(1.西南交通大学机械工程学院,四川万里翔,尹怀仙成都610031;2.重庆汽车研究所,重庆400039)摘要:文章分析了汽车制动时能量的回收与利用技术,提出了利用飞轮来储存汽车制动的能量,当汽车制动时,把汽车制动的能量转变为液压能,并将液压能转变为飞轮的机械能储存起来,在汽车起步或加速时再利用。建立了汽车定压源能量回收系统(以下简称CPS)模型,在给定制动工况的条件下,利用Matlab/Simulink工具对车辆“长安之星”SC6350的CPS进行了仿真研究,仿真结果表明,汽车CPS定压源能量回收系统的节能效果是明显的。关键词:定压源系统;飞轮;模拟体积较大,控制技术也较复杂,使用成本高[3]。气1前言储能系统是将超高压气体(空气)作为动力源,经过控制和分配环节,驱动汽车在不同工况下行驶。在汽车制动时又将汽车的能量通过空压机转化为压缩空气储存起来,以便重新加以利用,其主要问题是如何将超高压气体经过减压控制装置调节进入气动发动机后,其动力满足汽车在各种复杂工况下正常运行;汽车制动或下坡时的机械能通过空压机如何转化为超高压气体储存在超高压气体的储能罐内(其转换机构极其复杂);或另设置蓄能罐时,如何实现超高压储能罐与蓄能罐的能量供给的协调性。这样的结构由于体积较大,会导致汽车的成本上升,同时体积增大难以布置[4]。而飞轮使用寿命长,结构简单及效率高等特点,更加适合储存能量。本文介绍了定压源能量回收系统(CPS),该系统采用发动机—飞轮混合驱动车辆从而实现能量的传递及转换。20世纪90年代,日本著名学者HiroshiNAKAZAWA、YasuoKITA等开始研究CPS,并取得了一定的进展。由于车辆全部采用了液压传动系统,因而使汽车底盘的布置更为方便,试验证明,汽车的部分性能(如动力性、燃油经济性、舒适性及制动安全性等)也得到了明显的改善。我国对汽车的CPS研究起步较晚,有许多理论及技术开发方面的工作要做。跟踪国外先进科技,将其转化为自己所拥有的技术,并在此基础上加以改善和提高,促进我国汽车工业水平的发展,是一项长远而艰巨的任务。随着汽车拥有量的日益增多,车流密度大,造成交通拥挤,汽车需经常进行减速(停车)、起步和加速,制动极为频繁,使制动器的使用寿命大大降低,汽车行驶的安全性得不到保证,同时汽车油耗增加,制动时汽车的能量转化为摩擦的热能而消耗。为此,将汽车制动时的能量进行回收储存,在汽车加速或起步时将回收的能量作为汽车驱动的动力。一方面,汽车制动时的能量得到充分的利用,改善了汽车的燃油经济性能,同时也会改善车辆的排放性能;另一方面,可显著提高汽车制动器的使用寿命。能量回收系统最重要的技术之一是如何储存汽车制动时的能量,目前国外一般采用蓄电池、蓄能器及飞轮等方法。20世纪80年代末,瑞典VOLVO汽车制造公司就开始对城市公交车传统的机械传动系的汽车进行制动能量回收的研究,采用蓄能器作为回收能量的储能元件,虽然在公交车取得了一定的成功,但由于在传统的机械传动式汽车底盘上,其空间不大,较大体积的蓄能器在大客车以外的其它汽车上的应用受到一定限制[1~2]。混合动力的电动汽车是目前较为成熟的电动汽车,很多采用蓄电池作为电能的混合动力电动汽车中都采用了能量回收装置。作为回收能量的电储能系统,主要存在的问题是电池的功率密度低,所以不利于负载变化较大且频繁的汽车制动能量回收系统的应用;此外,电储能结构复杂,在汽车大负载情况下储能系统的的交通节能与环保32QICHEJIENENG2CPS的工作原理3系统建模图1为CPS的工作原理图。主要由发动机、3个3.1汽车行驶方程变量泵/马达、飞轮、蓄能器和主减速器及差速器组(1)当汽车在一定的坡度上加速行驶时,汽车成汽车的底盘。3个变量泵/马达用来实现机械能和的行驶方程式[5]液压能之间的转换。Ft=Ff+Fw+Fi+Fj(1)整个系统的油路是由共用高压油路和共用低压将F、F、F、F表达式分别代入(1)式得:tfij油路组成,系统压力的基本恒定由飞轮转速的变化和调节液压变量泵/马达的排量及采用稳压阀来实现(2)的,同时蓄能器能消除压力脉动。(2)当汽车在一定的坡度上制动行驶时,汽车汽车在加速行驶或等速行驶阻力增加时,驱动的行驶方程式轮上的变量泵/马达作为马达工作,消耗压力油而使系统压力降低,此时由蓄能器和和高速旋转的飞轮(3)将为系统提供动力。通过与飞轮相连的变量泵/马达作为泵工作给系统补充压力油,使系统的油压维持3.2CPS模型在某一压力水平。当飞轮的转速下降到所容许的下为了尽量提高能量回收的效率,在飞轮不工作限值,即低于飞轮的最低转速时,飞轮不能给系统时降低机械损失,用离合器把飞轮和与飞轮相连的提供动力,此时应起动发动机至最大动力,给系统变量泵/马达分开。提供动力,