关于汽车制动缓速器实现能量回收方式的探讨

1、关于汽车制动缓速器实现能量回收方式的探讨第10卷第1期2011年3月广东交通职业技术学院J0URNALOFGUANGDONGCOMMUNJCATl0NSPOLYTEC-tNICvo1.10No.1March2O11文章编号:16718496一(2011)Ol一006804关于汽车制动缓速器实现能量回收方式的探讨朱军(广东省汽车运输集团有限公司,广东广州510080)摘要:汽车制动缓速器因其有效降低制动系负荷而得到较广泛的应用,但在缓速的过程中制动能量却大量浪费了.文中通过对汽车可回收的制动能量的推算,对超级电容器作为制动能量回收储能装置的分析,提出利用超级电容器构成的制动能量回收装置的设想,实

2、现制动能量的有效回收,达到节约能源,减少排放的效果.关键词:缓速器;制动能量;回收利用中图分类号:U463.5文献标识码:AAchievedEnergyRecoveryMethodsofAutomobileRetarderZHUJun(GuangdongCommunicationGroup,Guangzhou510080,China)Abstract:Automobilebrakeretarderbecauseofitseffectivelyreducethebrakesystemloadandgetmoreextensiveapplication,butintheprocessofslowd

3、owningreatquantitiesbrakingenergywerewasted,Byanalyzingtherecyclingbrakingenergycalculationofautomobiles,thispaperanalyzesthesupercapacitorwhichisusedforthebrakingenergyrecycling,proposesutilizingsupercapacitorconstitutethebrakingenergyrecoveryequipment,realizingtheeffectivebrakingenergyrecovery,rea

4、chtosaveenergyandreduceemissionseffect.Keywords:retarder;brakingenergy;recyc1e因缓速器在车辆传统制动系统工作前,能承担汽车的80%左右制动能量,其余20%左右的高强度制动能量由车辆传统制动系统承担,从而减轻了车轮制动器的负荷,降低了轮毂温度,避免了爆胎和制动过热的发生,大大提高了车辆的安全性,同时使摩擦块的使用寿命可提高5倍左右,从而减少了制动系的维修频率,因此在商用车,特别是客运车辆上得到了广泛的应用.由于缓速器制动所作的功,均以热能的形式散发到了大气中,因此,如能将这部分通常被浪费掉的制动能量有效回收利用,并应用

5、于车辆起动和加速上,将可达到减少发动机和制动器磨损,节约能源,减少排放的效果.本文就汽车制动缓速器实现能量回收,利用进行探讨,并论述如下1可回收的制动能量的分析收稿日期:2010.12.22作者简介:朱军(1968一),男,工程师研究方向:汽车管理汽车制动能量至今仍还是一个未被很好开发利用的能量,特别是对于在市区行驶过程中需要频繁起动和制动的商用车,此部分消耗的能量是十分巨大的.譬如一辆长12m公交车(平均车辆总重约16t),以40km/h的初速度行驶在平直路面,提前40m开始减速的正常靠站过程中其可回收的制动能量推算如下:1.1初始能量1根据动能公式:动能=1v(1)式中:m为汽车的质量,单

6、位为kg;v为汽车的速度,单位为m/s.则车辆的初始惯性能量(动能)为987555J.1.2在车辆停车的过程中,将有4部分能量消耗f1)第一部分是滚动阻力所作的功按滚动阻力所作功的公式:=(2)式中:G为汽车的法向载荷,单位为:N;厂为滚动阻力系数,取0.018;第1期朱军:关于汽车制动缓速器实现能量回收方式的探讨69S为车辆在滚动阻力作用下的行驶距离,单位为113.则此车在停车过程中,由于滚动阻力所消耗的功将是112896J,此部分的能量将以热能的形式散发到大气中,不可回收.(2)第二部分是风阻所作的功按风阻所作功的公式:,:而CDAV×(3)式中:C.为空气阻力系数,此处取0.6

7、5;A为汽车迎风面积,单位为1TI,此处取为8m2;为车辆瞬时车速,单位为km/h;为车辆停车过程中移动的距离,单位为m.因风阻与速度有关,而在车辆停车过程中,速度是不断变化的,为计算方便,假设车辆以每行驶11TI,速度减少1km进行减速行驶,则风阻所消耗的功近似为:=×(40.+39+38十人人)×1=54434J这部分的能量也将以热能的形式散发到大气中,不可回收.(3)第三部分是发动机反拖动所造成的能量消耗凶在一般的停车过程中,当车速在1520km/h以上时,往往会带档减速,以发动机的反拖动力作为车辆的减速阻力,但这部分阻力比较复杂,没有现成的公式可以计算,一般情况下可

8、以用带档与不带档滑行的方式试验获得.据有关资料记述,这方面造成的能量消耗约为同期滚动阻力与风阻之和的1.5倍,按20km时速时脱挡计算,所消耗的能量为l57467J,这部分的能量也是不可回收的.(4)第四部分是制动系统所作的功即车辆除以上三个部分所消耗的功以外,使车辆停下来所消耗的功,只有这部分的能量可以通过技术创新实现回收的;按车辆初始,减去滚动阻力所做功112896J,风阻所做功54434J及发动机反拖动所作的功157467J,可见还有662758J的能量是可以回收的,它约占整个惯性能量的67%.据有关文献分析表明,城市典型工况下,大型载客大客车制动时消耗的惯性能量,可达发动机发出的总能量

9、的59%,则理论推算,可回收的能量将达到发动机发出的总能量的约39.5%(59%×67%1,考虑到汽车内部摩擦阻力及各部分效率的问题,以及有部分情况需传统制动器产生作用的情况,一般制动能量回收装置可节省燃料约15%.对于一辆月行程8000km,1O0km油耗30L的城市公交车来说,每月将节约油料消耗约360L,则年节约燃油4320L,按目前柴油6.8元/L的价格计算,年节约燃料费达29376元.从以上分析可知,如果能对车辆减速过程中制动消耗的能量予以回收,在车辆制动过程中通过能量转换,一方面产生一定的阻力使汽车减速制动,另一方面将能量储存起来,用于辅助车辆起动及加速,从而减少发动机的

10、负荷,这有助于提高汽车能源利用率,减少燃料消耗,减轻制动器的热负荷,减少磨损,提高汽车行驶的安全性和使用经济性.2储能装置的选择目前,国内汽车采用的缓速器分两类:一类是电涡流缓速器;另一类为液力缓速器,主要区别是其产生制动力的介质不同,其制动原理基本是一样的,其制动力均是作用于传动轴上,通过对传动轴施加制动力,从而使车辆减速.因电力缓速器结构简单,维修方便,制动反应迅速,故得到较广泛的应用,下面就对电力储能装置的选择进行分析.以前用于储能的电力装置主要是蓄电池类产品,如铅酸储电池,镍镉电池,镍氢电池及锂离子电池等,此类电池均是通过电.化学转化的形式进行电能储存的,存在电能储存慢,对大电流的承受

11、能力低,而且反复充,放电易老化,从而导致蓄电池使用寿命短的特点,对于制动能量这种短时间,大电流,反复充放电的能量回收,会造成相当成本和能量的浪费.实践证明,蓄电池类只能回收制动能量的5%左右.近来随着超级电容器的技术发展,已能达到较大功率储存的要求,技术日趋成熟,超级电容器已进入应用阶段,渐趋市场化.超级电容器相较予传统电池具有十大技术优势:(1)充电速度快:由于不存在电能转化化学能的化学反应,充电10S几分钟可达到其额定容量的95%以上,因此可回收制动能达70%左右,而传统电池往往要充电数小时;70广东交通职业技术学院第l0卷(2)循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达10万次50万次,

12、没有"记忆效应"(3)大电流放电能力超强,能量转换效率高,过程损失小,大电流能量循环效率90%;(4)功率密度高,可达100010000W/kg,相当于磷酸铁锂电池的510倍;(5)充放电线路简单,无需充电电池那样的充电电路,安全系数高,长期使用免维护;(6)超低温特性好,温度范围宽,达.50+170口:(7)检测方便,剩余电量可直接读出;(8)高耐压:能耐电压_>300V;(9)只要稳定电压,就没有过充电损害电池;(10)安全:不存在易燃易爆物质,不会爆炸.目前,利用超级电容器的纯电动车已进人试用阶段,如上海世博园内的超级电容车,上海的11路公交车,均使用了

13、纯超级电容作为储能装置,但因超级电容器相较予传统电池也存在能量储存能力低的缺点,在体积相同的条件下只有传统电池的5%左右,因此,超级电容器在电动汽车上作为蓄能装置存在续航能力低的不足,需要频繁充电;但对于充放电时问少于1min左右,而需要大电流快速充放电的车辆制动能量的回收及辅助起步,加速的情况,超级电容器则是比较理想的选择,完全适应这一功能需求.接受制动踏板,加速踏板,速度传感器及超级电容系统信号,对DC/DC双向变换器及能量转换装置进行控制.能量转换装置是一发电机与电动机一体的设备,在制动时,其作为发电机向超级电容充电,在起步和加速时,其作为电动机提供辅助动力.DC/DC双向变换器是一双向

14、的高频直流电流型L降压变换器,超级电容经DC/DC双向变换器与能量转换装置相联,通过控制DC/DC的输出电流来达到控制其输出功率.UCMS(超级电容管理系统)实现对超级电容的封装,它包括超级电容管理系统和超级电容组,主要作用是管理每个单体电流的大小,防止电压超过电容耐压值而造成损坏,限制单体不均匀性的影响.从而使超级电容组稳定可靠的工作,提高超级电容组整体的效率和寿命.系统控制单元是对整个制动能量回收系统进行控制,它监测制动踏板,加速踏板,速度值及其变化及超级电容的状态,从而对充,放电进行控制.相对于目前所使用的蓄电池类动力方式,采用此种方式,不用另外增加能源消耗,不用改变汽车底盘结构和发动机

15、,只需将目前的缓速器改变为发电机/电动机一体机,并增加一套能量回收装置,即可达到要求.3超级电容能量回收装置原理4能量回收装置的工作过程分析为了使这种装置能尽快得到开发,利用,使之转化为企业和社会效益,笔者在此初步设计了一套基本系统,其原理结构图如图1所示,能量转换装置代替了原来的缓速器,仍安装在变速箱后面的位置,能量转换装置经DC/DC双向变换器与超级电容系统(UCMS)fH连,系统控制单元图1超级电容能量回收装置原理4.1制动能量回收过程汽车制动时,能量回收装置的系统控制单元检测制动踏板信号,当制动踏板刚被踩下,而车轮制动器还未动作前,先接通能量回收装置,使能量回收装置的能量转换器(发电机

16、/电动机)作为发电机工作,将机械能转化为电能,经DC/DC双向变换器,将电能储存人超级电容系统,如制动能量回收装置的制动力使车辆减速度达到减速要求,则驾驶员不再向下踩制动踏板,此时只有制动能量回收装置起作用,当制动能量回收装置的制动力不足时,驾驶员则进一步踩下制动踏板,此时制动能量回收装置与机械制动器共同作用,同时系统控制单元检测速度信号,当速度信号低于5km时,系统控制单元停止能量回收.4.2回收能量释放过程当汽车起步或加速需要较大的驱动力时,系第1期朱军:关于汽车制动缓速器实现能量回收方式的探讨71统控制单元检测油门踏板和速度信号状况,如需要提供辅助动力,则系统控制单元将使能量转换装置转变

17、为电动机驱动传动轴.根据汽车行驶工况,回收能量释放过程可以分为起步过程和加速过程.f1)起步过程:汽车起步时,系统控制单元检测到油门刚被踏下,而车速低于10km,而同时检测超级电容的电量,如果电量少于限定值,则辅助系统不动作;如电量高于限定值,则控制系统控制DC/DC双向变换器,向能量转换装置释放电能,使能量转换装置作为电动机与发动机一起驱动车辆起动,当系统控制单元监测到超级电容电量少于某限定值时,则中止辅助动作,此时南发动机驱动汽车起动.(2)加速过程:汽车在行驶过程中,系统控制单元检测油门踏板被踩到某个区间,同时检测车速变化情况(加速度),当加速度达到一定值时,系统控制单元先检测超级电容器

18、情况,如果电量少于限定值,则辅助系统不动作,如电量高于限定值,则控制DC/DC双向变换器向能量转换装置供应电能,使能量转换装置作为电动机与发动机一起驱动车辆加速,当系统控制单元监测到超级电容电量少于某限定值时,则中止辅助动作,此时由发动机驱动汽车加速.5结束语利用超级电容器作为储能装置,将制动缓速与制动能量回收相结合,是一种投人少,效益高的方式,不但可以达到原缓速器的性能,减少制动系的负荷,提高安全性,还能对制动能量进行回收和利用,从而降低了发动机的燃油消耗,减少了废气排放.按本文理论计算,装用此种装置后,对于一个拥有500辆车的中型公交公司,年节约燃油将达216万L,相当于减少518.124万的二氧化碳排放量,因此效果将是十分明显的.参考文献:1孙逢春.电动汽车M】.北京:北京理丁大学f"版社,1997.2余志生.汽车理论M.北京:机械r业出版社,2008.3崔淑海,张丁帆,宋立伟,等.超级电容电动车动力性能研究【JJ.微电机,2005(4).4熊奇,唐冬汉.超级电容器在混合电动车上的研究进展.中山大学