汽车动能回收系统
C Śliwiński1
波兰弗罗茨瓦夫工程技术军事学院
摘要：文章强调车辆运输和机动化发展对环境的污染日益加剧。规定了车辆用于减少燃料消耗并因此向大气排放有毒气体的不同类型的设计方案。示出了关于使用飞轮积聚动能的机械车辆中的能量回收装置的历史设计解决方案。讨论了以混合动力电动和电动装置为形式的汽车制造领域的发展趋势。此外，还介绍了车辆制动和减震系统中带有电能存储的能量回收装置的设计。介绍了一种使用在真空下运行的飞轮的机械能储存装置，这两种系统的优点和缺点以及它们对个体结构和安全问题施加的限制。论文还讨论了机械车辆中的能量回收装置的设计理念，其使用扭力弹簧作为制动期间能量积累的主要部分。指出了机电能回收设备和电能回收设备的合作的可取性。
1.介绍
日益严重的环境污染导致排放标准的收紧。 为了满足他们的要求，汽车制造商寻求减少内燃机燃料燃烧过程中产生的有害和有毒物质排放的各种方法。 这是通过改进动力装置的效率和降低燃料消耗，使用创新的废气再循环系统，颗粒过滤器和其他系统来实现的。 减少燃油消耗的最普遍的方法包括：
bull;在保持或改善其性能的同时通过减小行程容积来“缩小”内燃机;
bull;自动变速器的“经济”模式，可让发动机在最经济的转速范围内工作;
bull;“启停”系统，允许发动机自动停车，停车时间，然后自动启动;
bull;采用复合材料和铝材料制造的混合材料框架，以减轻车辆的重量;
bull;混合动力驱动系统，使用内燃机和电动机驱动车辆;
bull;提高车辆的空气动力学性能;
bull;使用“低滚动阻力”轮胎。
最近，汽车制造商越来越多地使用带有能量回收系统的混合动力驱动器来降低车辆燃料消耗 这些系统通常使用制动阶段从曲轴，传动轴或车轴上恢复动量，然后以不同类型的能量形式存储（电动式，动力式或压缩空气）。最流行的能量回收方法包括使用[1]：
bull;电动机，将动能转化为电能并将其存储在电池组中，
bull;飞轮，存储动能。
bull;压缩机，将动能转化成压缩空气能量并存储在液压系统中累加器[2]。
汽车动能的回收主要分三个阶段实现。 首先，来自行驶中的车辆的能量被转换，然后被存储，并且第三，被存储的能量被用于为车辆提供动力。
- 能量回收系统的历史设计解决方案
过去，能量积累方面的大多数兴趣都集中在动能累加器上。 在混合动力公共汽车，有轨电车和汽车中使用使用飞轮储存动能的装置。 1946年开发了一种混合动力驱动系统，由电动机和飞轮模块组成，可实现短距离行驶。 它被用于工业和公共交通。 这个概念是使用一个中心放置的飞轮模块，一个重达1.5吨，直径1.6米的飞轮。 密封的飞轮模块充满氢气，以降低空气摩擦，允许飞轮以最高3000 rpm的速度旋转。
Gyrobus电源原理（图1）涉及从架空电力线为电动机5供电。 电机在公交车站上旋转飞轮6。 它会导致飞轮积累动能。 在后期阶段，即加速和行程中，飞轮中累积的能量通过轴传递到充当发电机的电动机5，将动能转化为电能。 产生的电能给加速母线的电动机驱动器1充电。 总之，Gyrobus的能量回收系统的目的是从飞轮中回收动能并将其转化为电能。
- （b）
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图1. Gyrobus的飞轮模块（a）和Gyrobus的系统组件（b）1-电动机驱动，2-速度控制，3-电容器，4-牵引力控制 ，5-电动机，6-飞轮模块，7-受电弓，8-电池，9-开关和接地，10-牵引控制转向，11-速度控制转向，12-电荷桅杆。
Gyrobus公交线路每5公里有充电站。 在那里，飞轮旋转了5分钟。 飞轮从静止转动到运行转速需要大约40分钟。 飞轮中积聚的动能使公共汽车加速时速可达55公里/小时。 技术局限性，在该时期使用的飞轮的大尺寸和重量导致项目关闭，并且设计不会进入日常使用。
在美国70年代，一些汽车概念被创造出来，配备了带有机械能回收系统的混合动力驱动装置。 它们由内燃机和动力蓄能器组成。 为了能量回收目的使用飞轮模块需要具有自动变速器的复杂动力系统控制系统。 这是因为需要在加速和制动期间确保系统飞轮与驱动轴之间的平稳扭矩传递，此时汽车的动能得到恢复。 图2显示了一个混合动力驱动的例子，该驱动带有飞轮作为动力蓄能器和自动变速箱。
图2.带有机械能回收系统的混合驱动器[3]
1 - 内燃机，2 - 飞轮，3，4，5 - 离合器，
6 - 自动变速器，7 - 万向传动轴，8 - 传动系统。
在行驶期间，内燃机1通过离合器3和4以及自动变速器6向车辆传动系8供电。离合器5分离并且飞轮2静止。 在制动期间，在动能恢复阶段，离合器3分离并且离合器5接合，这引起飞轮2旋转。 之后，在车辆加速期间，收集在飞轮2中的扭矩被传递到传动系8。
目前使用基于飞轮的能量回收的类似运动系统。 与历史相比，差别在于采用了先进的电子控制系统，高强度的多材料设计和结构的复杂性。 2013年开发的能量回收和储存系统的示意图，该系统在制动运动期间以间歇旋转速度用于例如 图3显示了混合动力车辆。
图3.再生制动系统的主要组成部分[4]
- 能量回收系统的操作原理
主要在车辆制动阶段开始从行驶中的车辆回收动能。为此，能量回收系统的轴必须包含在动力总成中，通常连接到曲轴或其中一个轴。能量回收过程的第一阶段是来自移动车辆的能量转换。在车辆减速期间，能量回收装置（电动机，飞轮或压缩机）通过传动装置耦合到传动系统。这取决于系统的结果，在飞轮旋转时，通过电动机或压缩机执行工作以将动能转换为电能或液压能。下一个阶段是通过使用飞轮，电池组或液压蓄能器实现的能量积累。能量回收过程的第三阶段和最后阶段是利用聚集的能量来加速车辆或为车辆用电者提供动力。这意味着正常情况下在制动过程中会以发热的形式损失的能量正在被回收和利用。
使用电动机的能量回收系统的操作原理，将动能转化为电能并将其存储在电池组中。图4中示出了图a），b）和c）中的箭头， 显示车辆发动机，传动系统和能量回收系统组件之间的能量流动。
图4.电能回收系统的运行原理（a）使用内燃机加速车辆，（b）车辆制动期间的能量回收以及其在电池组中的存储，（c）用电动机加速车辆。
- 能源回收系统的现代设计解决方案
目前，电能回收系统最常用于汽车行业。 这是由于世界的发展趋势以及电子在机动化中占主导地位以提高用户舒适度的事实。 汽车制造商更常使用混合动力电动装置和燃料电池。 表1显示了选定的实验车型和批量生产的车型，并安装了混合动力驱动装置。
表1.具有形式的车辆的制造和模型
的能源回收系统安装。
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生产厂家 |
模型 |
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雪铁龙 |
XsaraDynactive |
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道奇 |
Durango Hybrid |
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菲亚特 |
Multipla Hybrid Power |
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福特 |
Escape Hybrid SUV |
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本田 |
Civic Hybrid, Insight |
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尼桑 |
Leaf |
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丰田 |
Auris Hybrid, Prius |
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沃尔沃 |
V60 Plug-In Hybrid |
如已经提到的那样，汽车工业主要偏好电能回收系统。 这些系统通常基于通过曲轴与内燃机耦合的电动机，并且电池组放置在车辆的后部（图5）。
这允许电动机在车辆减速期间用作“发电机”，在车辆加速/行驶期间用作“起动机”。 所储存的能量在发动机关闭时（通过启停系统）自动用于在加速过程中为汽车提供动力，在停机期间为用电者提供动力。 在电池电量低的情况下，内燃机通过电动机为电池组供电，以确保其合适的效率。
图5.本田思域混合动力（a）驱动组件切穿（b）和电池组
放置在后座的靠背在电能回收系统中，并非所有装置都使用车辆的制动阶段来回收能量。 这种系统的一个例子是Bose的电磁悬架（图6） 该装置将往复运动转换为电能，伴随着车辆在通过不平坦地形行驶期间的冲击吸收，往复运动。 该系统使用获得的能量通过车辆的水平稳定来提高用户的舒适度。 配备传统和Bose悬架的车辆的测试结果表明，Bose系统在车辆显示较小的倾斜度和更好的减震性方面更加有效（图7）
图6：bose悬挂 图7.配备车辆的运动（b）和转弯（c）
常规（上图）和bose悬挂（下图）
电能回收系统的结构优势在于它的可靠性和免维护性。 使用时，可减少传统制动系统部件的磨损。 取决于传统制动系统的使用程度，在混合动力电动汽车上进行的测试导致能量回收率在约16％至45％之间[5]。 电力回收系统在安装电流保护装置和电池组时也相对安全。
但是，应该注意的是，为了用户和环境的健康，特别是在道路事故期间，电池组存在潜在的危险。 电池组的使用寿命仍取决于用户车辆使用的连续性。 缺乏车辆的正常使用会导致电池组功率和效率的下降。 电池组的使用寿命从3年到10年不等。
4.2.动能回收系统
过去动能回收系统配备重量大，直径大的飞轮以确保合适的惯性矩。 2009年，Flybrid Systems为F1赛车设计了一款混合动力蓄能器，允许飞轮在高达60.000 rpm的转速范围内工作。 这是钢铁和碳纤维结构，重达25千克，额定功率为60千瓦。
自那时以来，Flybrid与捷豹和沃尔沃合作开发了日常使用的可靠系统。 Flybrid乘用车系统的应用具有使用寿命长，免维护的特点，能够自动回收和利用收集的动能。 它的设计包括一个锁定在气密外壳中的飞轮（图8.b）。 通过产生真空，可以使摩擦损失最小化。
图8.沃尔沃Flybridge动能回收系统（a）和Flybrid飞轮模块切穿（b）：1-防漏盘2-飞轮轮缘3-飞轮轮毂4-真空密封件5-真空口， 6 - 飞轮轴承，7-速度传感器，8-遏制环，9-飞轮壳体
所提出的动能回收系统的结构的优点是其体积小，重量轻。 由于缺乏低温对其寿命的负面影响，相对于电动装置，动能蓄电池的寿命周期更长。 这种系统的生产和处理过程不像电子系统那样对环境有潜在危害，其中包括需要使用电解质用于电池。
基于飞轮的动能回收系统的缺点是需要确保其工作单元的高转速。 它对使用者和路人在其组件损坏和脱落的情况下构成健康威胁。 在90年代，安全问题导致代号为“Patriot”的克莱斯勒混合动力赛车项目关闭。 其动能蓄能器系统包括一个61公斤的飞轮，转速高达58.000 rpm [5]。
- 动能回收系统的设计概念
弗罗茨瓦夫工程技术军事学院向波兰专利局（申请号：P.409589）和欧洲专利局（申请号：15169299.3）提交了“汽车能量回收装置”专利申请[ 7]。该概念包括扭力弹簧，作为车辆减速阶段动能储存的主要组成部分。该系统的寿命延长将主要归因于简单的设计和仅用于转向目的的电子部件数量的减少。最后，该装置应安装在车辆的后轴上，以平衡其重心，但可以将弹簧模块安装在车辆对称轴的旁边，形成圆形或矩形图案。这些模块可以使用额外的齿轮或离合器从事系统，以便顺序利用储存的能量。该概念的操作原理依赖于五个离合器的操作：摩擦离合器（1），两个爪式离合器（2），两个单向离合器（5）和两个锁定机构（10）（图9）。该图显示了关闭外壳视图的能量回收系统的概念，以说明离合器，扭力弹簧和齿轮之间的连接。
图9.用于回收机动车辆[7]的动能的装置，1-摩擦离合器壳体，2-爪式离合器接合机构壳体，3-第四轴，4-第四齿轮，5-单向离合器， 驱动轴，7档1档，8档3档，9档扭簧，10档锁定机构，11档2档。
摩擦离合器（1）使第四轴（3）与第四齿轮（4）和配合的单向离合器（5）一起停止。爪式离合器（2）将来自驱动轴（6）的扭矩传递到第一齿轮（7），引起第三齿轮（8）的旋转。第四齿轮（4）和第三齿轮（8）之间的转速差引起扭转弹簧（9）的扭转运动。当达到扭转弹簧前端（9）的期望旋转角度时，爪式离合器（2）脱离，并且锁定机构（10）接合，留下配合的第二齿轮（11），第三齿轮（8）和第一齿轮7）处于停滞状态。摩擦离合器（1）的脱离导致存储在扭簧（9）中的扭矩通过第四齿轮（4）和单向离合器（5）传递到驱动轴（6）。当扭力弹簧前端（9）之间的角度达到零度时，意味着使用了所有存储的扭矩，锁定机构（10）正处于分离状态，使装置处于静止状态。使用扭力弹
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