【文章內(nèi)容簡介】 力矩又可以對驅(qū)動輪施加制動 ,產(chǎn)生制動力 ；然后在汽車起步或加速時義釋放儲存的能量 (如圖 1所示 )，以增加驅(qū)動輪 (軸 )上的驅(qū)動力或增加混合動力汽車及電動汽車的續(xù)駛里程。 動能 圖 21 再生制動系統(tǒng)原理示意圖 再生制動的分類 車輛制動能量再生方法根據(jù)不同的儲能機(jī)理可分為：飛輪儲能式、液壓儲能式和電化學(xué)儲能式。 飛輪儲能式制動能 量再生系統(tǒng) 飛輪儲能是機(jī)械儲能的一種形式，在車輛制動或減速過程中，飛輪儲能系統(tǒng)拖動飛輪加速，將車身的慣性動能轉(zhuǎn)化為飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動能；當(dāng)車輛啟動或加速時，飛輪減速，釋放本身旋轉(zhuǎn)動能給車身，以增加車輛的行駛動能。 圖 22 飛輪儲能系統(tǒng) 飛輪儲能系統(tǒng)需要解決的問題： 驅(qū)動輪（軸） 能量轉(zhuǎn)換 再生能量 儲能裝置 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 (1)飛輪儲能系統(tǒng)不能長時間的儲能 ,只能是在汽車運(yùn)行時靠飛輪的轉(zhuǎn)動暫時儲存能量 ,在汽車停止以后 ,飛輪停止轉(zhuǎn)動后就必須釋放能量。于是 汽車上應(yīng)該再裝有與之相配套的蓄電池 ,可以在汽車熄火是儲存飛輪上剩余的能量，在電動汽車上 ,這個能量又可以支持汽車的正常運(yùn)行。 (2)安全問題 飛輪要儲存能量就要高速旋轉(zhuǎn) ,一旦應(yīng)力超過材料的極限應(yīng)力 ,飛輪破裂 ,后果不堪設(shè)想 于是要求 ,首先飛輪的質(zhì)量盡可能輕 ,儲存能量盡可能多 ,可承受的應(yīng)力盡可能的大 最關(guān)鍵的是外面的殼體能承受飛輪在最高速旋轉(zhuǎn)時破裂所帶來的沖擊 汽車應(yīng)該有應(yīng)急系統(tǒng) ,在飛輪出現(xiàn)故障后 ,能按普通模式正常運(yùn)行。 (3)能量損耗 ,采用磁懸浮軸承而減少飛輪摩擦而損耗的能量 ,但飛輪本身的設(shè)計和制造的不平衡 ,同 樣會消耗能量 ,以及空氣阻力的影響到底有多大。 (4)飛輪的高速旋轉(zhuǎn)不可避免的會產(chǎn)生熱量 ,完全消除熱量是不可能的 ,于是這個熱量怎么回收利用 ,才能使得整個回收系統(tǒng)回收到更多的能量。 液壓儲能 汽車起動或加速的過程就是液壓系統(tǒng)將儲存的液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能并釋放給汽車 ,以增加汽車動能的過程 系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、液壓泵 /馬達(dá)、液壓蓄能器、變速箱、驅(qū)動橋、離合器和液壓控制系統(tǒng)組成起動。加速或爬坡時 ,液控離合器接合 ,液壓蓄能器與連動變速箱連接 ,液壓蓄能器中的液壓勢能通過泵 /馬達(dá)轉(zhuǎn)化為車輛動能 ,用來輔助發(fā)動機(jī)滿足驅(qū)動 汽車所要求的峰值功率 .減速時 ,電控元件發(fā)出信號 ,使系統(tǒng)處于蓄能狀態(tài) ,將動能轉(zhuǎn)換為壓力能儲存在液壓蓄能器內(nèi) ,這時車輛行駛阻力增大 ,車速降低直至停車 在緊急制動或初始車速較高時 ,再生制動系統(tǒng)不工作 ,不影響原車制動系統(tǒng)發(fā)揮效能。 圖 23 液壓式儲能系統(tǒng) 電化學(xué)儲能 儲能器可采用蓄電池或超級電容器 ,由發(fā)電機(jī) /電動機(jī)執(zhí)行機(jī)械能一電能之間的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)還包括一個電子控制單元 (ECU),用來控制蓄電池或超級電容器的充放電狀態(tài)，并且保證蓄電池的剩余電量在規(guī)定的 范圍內(nèi)。電儲能形式的再生制動系統(tǒng)使用的蓄電池作周勐：混聯(lián)式電動汽車再生制動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計 6 為蓄能器 ,相對其他儲能方式而言 ,具有儲能時間長 ,一次儲能量大 ,儲能穩(wěn)定性好 ,維護(hù)次數(shù)少 ,使用方便等優(yōu)點(diǎn) 理論上講 ,電化學(xué)儲能方式再生制動方法適用于各種車輛 近年來正在開發(fā)和研制的電動汽車上普遍考慮采用這種方法實(shí)現(xiàn)再生制動 ,以節(jié)約能源 ,增加汽車連續(xù)行駛能力 制約這一方法應(yīng)用的技術(shù)瓶頸仍是缺乏高性能 !低成本的電化學(xué)儲能器 當(dāng)前作為電化學(xué)儲能器主要是各種可充電電池和超級電容 。超級電容的低比功率特性使之不可能單獨(dú)用作電動汽車的能量源 ,但用它作為輔助能量源則具有顯著的優(yōu)點(diǎn) 一充放電率高 ,與蓄電池相比可迅速高效地吸收和釋放制動回收的能量。 所以 ,本次畢業(yè)設(shè)計采用蓄電池加超級電容的電化學(xué)儲能形式 。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 第 3章 試驗(yàn)臺方案設(shè)計 無論任何車輛的制動性能，首先必須滿足安全性能的要求 。 作為汽車三大功能 (行駛 ,制動和轉(zhuǎn)向 )之一的制動性能，也是汽車安全性能中的重要指標(biāo)之一。 整車再生制動系統(tǒng)的搭建及試驗(yàn)成本較高 ， 而簡易的再生制動試驗(yàn)臺能夠節(jié)約再生制動系統(tǒng)的開發(fā)成本 ， 縮短開發(fā)周期 。 實(shí)驗(yàn)臺整體布置 再生制動理論主要是研究回收制動能量方法、回收制動能量的效率、驅(qū)動電動機(jī)與功率轉(zhuǎn)換器的控制技術(shù)、再生制動控制策略、機(jī)電復(fù)合制動的協(xié)調(diào)等。模擬試驗(yàn)臺采用模塊化設(shè)計方法，如圖 3所示，包括制動踏板輸入模塊、制動能量轉(zhuǎn)換模塊、慣性模塊、道路阻力模擬模塊（負(fù)載電動機(jī)）、常規(guī)制動模塊、能量儲存管理模塊、測控系統(tǒng)模塊等。 試驗(yàn)臺通過機(jī)械和電氣連接，主要完成把發(fā)動機(jī)的動能和蓄電池的電能轉(zhuǎn)換為飛輪的動能和把飛輪的動能轉(zhuǎn)換為蓄電池的電能，由此模擬能量回收過程。其中，通過 CVT無級 變速器在啟動時給起動機(jī)減速，保證飛輪在合適的轉(zhuǎn)速下工作；在減速制動時，打開離合器，中斷動力裝置，由于慣性，飛輪旋轉(zhuǎn)，再次通過 CVT 調(diào)節(jié)，使發(fā)電機(jī)增速，保證飛輪的動能一直能夠被利用發(fā)電。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過變化器存儲在蓄電池中。具體布置圖如下圖所示： 圖 31 再生制動系統(tǒng)方案布置圖 周勐：混聯(lián)式電動汽車再生制動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計 8 金屬帶式無級變速器 (CVT)的速比是在設(shè)計范圍內(nèi)連續(xù)變化的，此過程由電控單元ECU 以及控制系統(tǒng)的測試、執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動完成。通過電子控制技術(shù)，將電 機(jī)的驅(qū)動源和CVT 結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)汽車動力傳動系統(tǒng)的綜合控制，能夠使動力源與傳動系統(tǒng)形成優(yōu)勢互補(bǔ)。 試驗(yàn)臺主要裝置 試驗(yàn)臺主要裝置包括無級變速裝置、飛輪裝置、電機(jī)、蓄電池、 ECU、功率轉(zhuǎn)換器等。 無級變速器 CVT技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有了一百多年的歷史。德國奔馳公司是在汽車上采用 CVT技術(shù)的鼻祖，早在 1886年就將 V型橡膠帶式 CVT安裝在該公司生產(chǎn)的汽油機(jī)汽車上。 1958年，荷蘭的 DAF公司 Doorne博士研制成功了名為 Variomatic的雙 V型橡膠帶式 CVT，并裝備于 DAF公司制造的 Daffodil轎車上，其銷量超過了 100萬輛。 1997年上半年，日本日產(chǎn)公司開發(fā)了使用在 CVT。在此基礎(chǔ)上，日產(chǎn)公司在 1998年開發(fā)了一種為中型轎車設(shè)計的包含一個手動換檔模式的 CVT。新型 CVT采用一個最新研制的高強(qiáng)度寬鋼帶和一個高液壓控制系統(tǒng)。通過采用這些先進(jìn)的技術(shù)來獲得較大的轉(zhuǎn)矩能力，日產(chǎn)公司研究開發(fā) CVT的電子控制技術(shù)，傳動比的改變實(shí)行全檔電子控制，汽車在下坡時可以一直根據(jù)車速控制發(fā)動機(jī)制動，而且在濕滑路面上能夠平順地增加速比來防止打滑。 德國博世的電子式 CVT控制 系統(tǒng)是基于用傳感器和執(zhí)行器單元控制基礎(chǔ)上的電子 /液力模塊。博世公司已經(jīng)將獨(dú)立部件、執(zhí)行器、傳感器和變速器換檔 ECU組成一個單獨(dú)的模塊，變速器制造商只需增加一個集成控制單元。 CVT的主要結(jié)構(gòu)和工作原理如上圖所示，該系統(tǒng)主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。金屬帶由兩束金屬環(huán)和幾百個金屬片構(gòu)成。主動輪組和從動輪組都由可動盤和固定盤組成，與油缸靠近的一側(cè)帶輪可以在軸上滑動，另一側(cè)則固定?？蓜颖P與固定盤都是錐面結(jié)構(gòu)，它們的錐面形成 V型槽來與 V型金屬傳動帶嚙合。發(fā)動機(jī)輸出軸輸出的動力首先傳遞到 CVT的主動輪，然后通過 V型傳動帶傳遞到從動輪，最后經(jīng)減速器、差速器傳遞給車輪來驅(qū)動汽車。工作時通過主動輪與從動輪的可動盤作軸向移動來改變主動輪、從動輪錐面與 V型傳動帶嚙合的工作半徑，從而改變傳動比。可動輪的軸向移動是根據(jù)汽車的使用要求，通過液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)無級變速。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 圖 32 CVT控制系統(tǒng)方案圖 飛輪 飛輪是 具有適當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量、起貯存和釋放動能作用的轉(zhuǎn)動構(gòu)件。 安裝在機(jī)器回轉(zhuǎn)軸上的具有較大轉(zhuǎn)動慣量的輪狀蓄能器。當(dāng)機(jī)器 轉(zhuǎn)速 增高時，飛輪的動能增加，把能量貯蓄起來；當(dāng)機(jī)器轉(zhuǎn)速降低時，飛輪動能減少，把能量釋放出來。飛輪可以用來減少機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程的速度波動。 一般由飛輪、齒圈、離合器定位銷、軸承等組成，部分產(chǎn)品軸承用花鍵代替。 本試驗(yàn)臺中 飛 輪主要功能是模擬汽車在實(shí)際道 路行駛中的慣量，因此選用的飛輪的慣量應(yīng)當(dāng)與選擇的汽車的自重相適應(yīng)。采用車輛慣性四分之一的慣性飛輪組來模擬車輛慣性，這樣負(fù)載電動機(jī)與輔助制動電動機(jī)可選較小功率電動機(jī)，降低了試驗(yàn)系統(tǒng)搭建成本和試驗(yàn)成本。 電機(jī) 電機(jī)既可以把蓄電池電能轉(zhuǎn)換成飛輪動能，也可以把無級變速器傳過來的動能再裝換成電能存儲在蓄電池中，也是十分重要的裝置。一般可以選用的電機(jī)有：異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、磁阻電機(jī)、爪極電機(jī)等。當(dāng)然，每種電機(jī)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 爪機(jī)電機(jī)的有點(diǎn)表現(xiàn)在可調(diào)節(jié)性和費(fèi)用方面，這一點(diǎn)使爪機(jī)電機(jī)非常具有吸引力，因?yàn)樗?可提供直至約 6KW的發(fā)電機(jī)功率及大體積發(fā)動機(jī)所需要的足夠的啟動功率。主機(jī)電機(jī)受取決于機(jī)型結(jié)構(gòu)尺寸的限制。其他電機(jī)都適合于向上擴(kuò)大功率頻譜。永久磁鐵的同步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是勵磁無損耗，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式只有少量的磁場減弱。這個必須通過超限度的脈沖反用換流器來平衡。磁阻原理首先在噪聲性能和對間隙公差要求上暴露出了弱電。異步電機(jī)不因其最佳值而引人注目，但在所有領(lǐng)域中都可提供可接受的特性，這是將它作為曲軸電機(jī)使用的最大理由。在故障情況下它也具有良好的特性，如在機(jī)動車傳周勐：混聯(lián)式電動汽車再生制動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計 10 動系統(tǒng)的離合器范圍中看到的那樣，它比較適用環(huán)境條件（如：水、油 、鐵屑）。 綜上所述，對于起動機(jī) — 電動機(jī)來說，異步電機(jī)（盤式轉(zhuǎn)子）的優(yōu)點(diǎn)是，轉(zhuǎn)子孔的內(nèi)腔可以用來安裝主動的機(jī)械部件，在裝有自動變速器的汽車上就可以使用這個內(nèi)腔。這樣可以更好的利用空間，這種盤式轉(zhuǎn)子電機(jī)就是一種理想的解決方案，所以本次畢業(yè)設(shè)計選用異步電機(jī)。 蓄電池 近些年，許多汽車制造商都完成了新汽車電源結(jié)構(gòu)的設(shè)計。努力的兩個主要目標(biāo)是： 一、 開發(fā)高效率的技術(shù)方案，并以此繼續(xù)降低汽車單位電能消耗。 二、 順應(yīng)汽車上使用越來越多的電氣負(fù)載的發(fā)展趨勢，提供必要的功率。 對汽車制造商的挑戰(zhàn)是將這兩點(diǎn)結(jié)合起來的 ，當(dāng)然也能給用戶提供一種具有新功能和新特點(diǎn)的汽車電源結(jié)構(gòu)。 混合電力車輛可以選用的電池種類有鉛酸電池，鎳氫電池，鎳鎘電池、鋰離子電池，鐵電池等很多種。但是鎳氫電池以其非常好的綜合性能成為了大多數(shù)混合動力車輛的首選配套電池。其能量密度、功率密度均高于鉛酸電池和鎳鎘電池，循環(huán)使用壽命在實(shí)際電動車輛使用電池中是最高，快速充電和深度放電性能很好，充放電效率高，無重金屬污染，全密封免維護(hù)。所以在此采用的也是鎳氫電池作為動力電池。電池組額定電壓為 216V， 16Ah。電池和電機(jī)和配合工作在改善發(fā)動機(jī)的工作狀況方面，特別 在動力性能不變的前提下提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能和排放性能的方面起到了巨大的作用。 功率變換器 功率變換器調(diào)節(jié)不同的負(fù)載處于額定功率運(yùn)行同時也有不受電網(wǎng)波動影響的作用。功率變換器通過電力電子裝置，在一個周期內(nèi)調(diào)節(jié)而導(dǎo)通時間或是在幾個周期內(nèi)調(diào)節(jié)若干個連續(xù)導(dǎo)通或管斷，保證再生發(fā)電時蓄電池充電穩(wěn)定。 再生制動 系統(tǒng)與 CVT 融合的技術(shù)優(yōu)勢 由于無級變速器 (ContinuouslyVariable Transmission， CVT)可以連續(xù)改變速比，使得汽車在任意行駛工況下，都可以按照駕駛員的 操作意圖實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)、電機(jī)與變速器的最佳匹配 (最佳經(jīng)濟(jì)性匹配或最佳動力性匹配 )，使發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與車速相互獨(dú)立，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，可以通過調(diào)節(jié) CVT 的速比使車速在一定范圍內(nèi)變化，使發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)，從而可降低排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性、操縱性及乘坐舒適性。 用在本試驗(yàn)臺上， 其優(yōu)勢是顯而易見的： （ 1)通過電動機(jī)提供額外的轉(zhuǎn)矩，克服 CVT技術(shù)僅適用于小排量汽車的局限性，將其搭載到中、高排量的汽車上。 (2)CVT速比的可連續(xù)變化配合適當(dāng)?shù)?電機(jī)作為動力源 ，能夠降低其電機(jī)功率和電池組容量，達(dá)到減 輕自重和降低成本的目的。 (3)兩者結(jié)合提高了 試驗(yàn)臺 的自動化水平，為合理分配動力與改進(jìn)綜合控制策略提供了廣闊的空間。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 (4)因?yàn)樽兯倨鞯目傋兯俦冗x擇得很長，所以在回收時，不能因?yàn)榇鎯χ匾膭幽芏扬w輪慣量提到足夠高的轉(zhuǎn)速，即使