汽车制动能量回收系统的研究Word文档下载推荐.docx
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核能等汽车,但由于天然气在不同地区的分布不一样及蓄量的限制,电力汽车的电网及道路条件的限制,高能蓄电池的研究还未获得实质性的突破,燃料电池汽车的价格居高不下,氢能及核能汽车的研究及技术还不成熟,使得汽车在这方面的应用受到一定的限制。
当今地球资源(包括石油和森林资源)日趋枯竭并受到破坏,据美国《国家地理》杂志报道,全世界现在每天消耗石油8000万桶(每7桶合一吨)。
目前全世界已经探明的石油储量约为1.15万亿桶。
虽然这比前两年的估计数字增长了10%,但以目前的开采速度计算,地球上的石油储量只够满足全世界石油消费40~50年【1】。
汽车工业厂商大量使用以下技术来节省能源和有效利用现有地球资源:
采用轻型铝合金材料、减轻汽车的重量、降低汽车行驶阻力、降低燃油消耗、采用电子喷射和电子控制系统,从而提高了能源的利用率和汽车的经济性能和动力性能。
从节约资源、资源再生以及环境保护与改善出发,能源的有效利用有很重要的意义,本课题从一个全新的角度来考虑能源的有效利用。
1.2研究的内容及意义
1.2.1研究基础
再生制动(Regenerativebraking)亦称反馈制动,是一种使用在汽车或铁路列车上的制动技术。
普通的制动方法是把车的动能,以摩擦的形式直接转化成热
能,而再生制动则是在制动时把车辆的动能转化并储存起来,而不是变成无用的
热。
再生制动是指汽车在减速或制动时,通过与驱动轮(轴)相连的能量转换装置,把汽车的一部分动能转化为其他形式的能量储存起来,在减速或制动的同时达到回收制动能量的目的;
然后在汽车起步或加速时又释放储存的能量(如图1所
示),以增加驱动轮(轴)上的驱动力或增加混合动力汽车及电动汽车的续驶里程。
目前,制动能量还不能被充分的回收利用,只能任由大量的制动动能通过摩擦转变成热能耗散掉,还造成车辆制动系统过早磨损。
因此,采用先进的能量回收技术,应用现代车辆设计方法和手段,对汽车的制动能量回收进行深入研究具有十分重要的意义。
再生制动技术针对原本废弃的能量,将其回收再利用,使其获得“新生”,实现节省燃料、降低排放、减小制动噪声、改善车辆制动安全性等作用,为车辆的经济性和安全性提供保障。
图1再生制动原理示意图
理论上汽车制动能量回收的方法有气压储能、液压储能、飞轮储能和电储能。
空气储能装置结构庞大,密封性能要求很高,实用化困难;
液压储能装置能量密度低,但功率密度大,其零部件密封性能要求高,控制结构复杂和存在工作噪声等;
飞轮储能装置功率密度较大,其体积小质量轻,但要求高转速和周围空间真空,技术上实现较复杂,且只能短时间储能;
电储能各方面性能均很好,且结构简单,只是功率密度低,能量转换环节多。
1.2.2汽车的发展趋势
电动汽车本身不排放污染大气的有害气体,废弃排放出比燃油汽车减少92%
~98%即使按所耗电量换算为发电厂的排放,除硫酸和微颗粒,其外的污染物也显著减少。
由于电厂大多建在远离人口密集的城市,对人类伤害比较少,而且电厂是固定不动的,集中排放,清楚各种有害物比较容易。
也已经有了相关的处理技术。
电力可以从多一次能源获得,如煤炭、核能、水力等,可以缓解人类对石油资源的依赖以及对其日益枯竭的担心。
电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力发电,使发电设备日夜都能充分利用,大大提高其经济效益。
有研究表明,同样的原油经过粗炼,运至电厂发电,经充入电池,再由电池驱动汽车,其能量利用率比经过精炼变成汽油,再经汽油驱动汽车高,因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。
正是这个优点,使电动汽车的研究和应用成为现代汽车工业的一个“热点”。
因此,我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施,而是意义重大的、长远的战略考虑。
从技术发展成熟程度和中国国情来看,纯电动汽车应是今后大力推广的发展方向,而混合动力只能作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡技术。
混合动力车动力系统复杂,成本昂贵.其优势是保留了传统汽油汽车的使用方式,根据汽油机和电动机混合程度,充电次数和传统汽油汽车加油次数相当,或者不用充电.行驶距离也不受限制.
纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统,相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统,电动机和控制器的成本更低,且纯电动车能量转换效率更高.因电动车的能量来源——电,来自大型发电机组,其效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的.因此纯电动汽车使用成本在下降。
1.2.3研究方案选择
从以上的各种方案看,飞轮储能虽然结构比较简单,但无法实现大量储能,要加大储能就要增加飞轮的质量或增加转速,同时要求增加强度,这会使成本增加,使实现的难度增大。
而且如果要实现高效储能,要将飞轮置于真空的环境,需要增加许多额外的设备。
蓄电池储能也面临着大量储能的实现问题,虽然实现大量储能的超级电容已经出现,但是其成本太高。
因此,选用液压储能法,它能很简便地实现大量储能,且可靠性比较高。
液压储能能量回收系统主要由液压马达/液压泵、储能器、离合器和控制系统组成。
1.3国内外研究现状
国外再生制动技术的研究比较深入。
除了大量的理论研究成果,实车应用也比较成熟。
日本本田公司的Prius、Estima和丰田公司的Insight轿车就是成功应用再生制动技术的典范。
丰田公司Prius的再生制动系统通过电液比例控制单元调节液压制动力,实现再生制动与摩擦制动的综合控制,在丰田HTS-b混合系统下,能提高整车能量利用率达20%以上,同时确保制动安全。
丰田公司在混合动力汽车Estima中采用了电控柔性制动系统,并将再生制动纳入整车动力控制系统进行集中控制,通过CVT控制,提高了制动能量回收率。
美国福特公司的Escape应用了线传电液系列再生制动系统(线传操控技术、电子系统和机械制动器)代替机械及液压制动系统,把来自驾驶者的命令转变为电信号,以驱动电机实现所需的操作,显著提高了制动能量回收效率、汽车制动方向稳定性和汽车舒适性。
国外的研究所等机构也做了大量研究。
美国Michahian大学的Panagiotidis等建立了并联式混合动力汽车的再生制动模型,对再生制动的效果进行仿真计算和影响因素的分析比较[2]。
美国Union学院的Wicks等建立了城市客车在市区行驶循环工况下的数学模型,研究再生制动系统的节能效果⑻。
美国TexasA&
M大学的HongweiGao等提出了混合动力汽车基于开关磁阻电机再生制动的神经网络控制系统,并在行驶循环工况下进行了能量回收效率的分析[4]。
美国福特研究所,日本交通研究所以及荷兰大学等研究机构都进行了这方面的大量研究。
国内再生制动技术研究目前处于起步阶段。
各高校、汽车厂商、科研院所都在这一领域进行研究并取得了初步的结果,但是大部分研究都停留在理论分析和建模仿真阶段,实车应用不多。
1.4本文研究方向及路线
液压储能能量回收系统的工作原理如图2所示,主要由机械传动和液压系统两部分组成。
其中,机械传动主要由车轮轴、三角皮带、传动轴、摩擦片式离合器、气/液组合缸等组成;
液压系统主要由液压泵/液压马达、顺序阀、液压蓄能器、溢流阀、二位四通换向阀等组成。
当车辆开始制动时,气/液组合缸受到来自车辆制动分配阀压力气体(或压力油)的作用,使原来处于分离状态的摩擦片式离合器转换成结合状态,再通过三角皮带、传动轴将车轮轴与液压泵连接成一体,实现启动液压系统工作,开始吸收车辆动能之目的。
液压油经过滤油器、单向阀、液压泵/液压马达、顺序阀(用来调节液压泵/液压马达出口的工作压力,即制动装置的制动力)进入液压储能器,此时在压力气体(或压力油)的作用下,机动二位四通换向阀的左位工作,使液压油不能通过换向阀,而只能通过顺序阀进入液压储
能器;
当进入液压储能器的液压油超过其额定容量时,作为安全阀的溢流阀将打
10申
lJL接手刹车
电磁阀
1.车轮轴沱•三角皮带皿•传动轴注”离合器$5•气一液组合缸心定凰液压亲一液压马达忆顺序阀阪液压储能器*乩溢谕阀g一位四通气动一机动换向阀"
1.单向阀滤油器
图2液压蓄能能量回收系统工作原理示意图
开,起过载保护作用,以限制液压系统的最高工作压力。
在车辆停止的过程中,制动用的压力气体(或压力油)仍然存在(此时车辆的原制动装置仍在工作)或车辆的原手制动装置在起作用,都能使液压机动二位四通换向阀仍然以左位工作,使吸收了车辆能量的高压油在顺序阀、溢流阀和液压机动换向阀的共同作用下,被封闭储存在液压蓄能器中,以备车辆随时再次起动或加速时使用。
在车辆再次起动或加速的过程中,车辆原有的制动装置(包括手制动装置)已停止工作,液压机动二位四通换向阀在其弹簧力的作用下以右位工作,使从液压
蓄能器中流出的压力油经换向阀的右位后同时到达气/液组合缸的液压腔和液压泵/液压马达的进油腔,促使液压泵/液压马达在与车轮轴连接的状态下以液压马达的工况运行,将液压蓄能器中的液压能以机械能的形式返还给车辆,用来增加
车辆的动能。
当从液压蓄能器中流出的液压油的压力很低时,气/液组合缸将使摩擦片式离合器自动脱开,实现车轮轴与液压泵/液压马达的自动脱离,从而实现车辆的正常行驶。
2汽车储能及能量回收系统研究的发展
2.1制动蓄能的类型及比较
对于汽车制动能量回收系统,汽车的驱动方式是一种动力源与蓄能器的复合动力驱动系统。
如通常采用的内燃机与蓄能器、电力与蓄能器等。
通过动力源与蓄能器的合理匹配,自动控制驱动汽车的方式,实现汽车节能和环保。
按照蓄能器型式的不同,常见的汽车节能驱动系统可分为机械式飞轮储能、
液压蓄能器储能、蓄电池储能以及它们之间两种组合的复合储能,其中转换器根据储能型式的不同可分为无级变速器、发动机/电动机、液压泵/马达,能量传递的形式如图3所示。
En-发动机Tr-转换器Dr-驱动桥Ac-蓄能器
图3车辆节能驱动系统一般工作原理
国内外对车辆制动能量回收与再利用方式具有代表性的用于行驶车辆的能量储存方式有以下三种:
(1)飞轮储能。
飞轮储能是机械储能的一种形式,以惯性能(动能)的方式,将能量储存在高速旋转的飞轮中。
当车辆制动时,飞轮储能系统带动飞轮加速,将车身的惯性动能转化为飞轮的旋转动能。
当车辆需起动或加速时,飞轮减速,
释放其旋转动能给车身。
按构成材料,飞轮主要有两种:
金属制飞轮与超级飞轮。
金属制飞轮
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