汽车惯性动能回收再利用装置的设计仿真

王金星，刘利强，皇凡辉

（内蒙古工业大学 电力学院，内蒙古 呼和浩特 010080）

汽车惯性动能回收再利用装置的设计仿真

王金星，刘利强，皇凡辉

（内蒙古工业大学 电力学院，内蒙古 呼和浩特 010080）

针对目前汽车减速时所产生的惯性动能利用率偏低的问题，通过了设计一种用于普通汽车的惯性动能回收再利用装置的方法，以超级电容和蓄电池并举的方式储存能量，将该能量的一部分用于起动加速助力，一部分用于车载电器供电；结合搭建的该新型惯性动能回收再利用装置模型仿真试验，绘制出了减速过程中该装置电压电流的输入和输出波形，得出该装置可简便、有效地回收普通汽车惯性动能，进而提高汽车能量利用率的结论。

汽车；惯性动能；回收再利用；超级电容

随着生产力的发展和人民生活质量的不断提高，世界汽车保有量持续高速增涨。同时不可避免的出现了能源短缺，大气污染等一系列世界性难题[1]。在这种情况下，对汽车减速时所产生的惯性动能的回收再利用就成为了汽车节能技术的研究热点。

当前汽车的惯性动能主要以摩擦生热的形式消耗掉了，没有得到回收利用。有关实验表明，在存在较频繁的制动与启动的城市工况运行条件下，有效地回收惯性动能，可以使汽车的油耗降低10%～30%，并显著改善汽车的制动性能和起动性能[2-3]。

本文设计了一种可用于普通汽车的惯性动能回收再利用装置，以超级电容和蓄电池共同作为储能容器，并将回收能量的一部分实时提供给车载电器，另一部分用于车辆的起动加速助力，提高惯性动能利用率，有效降低油耗。

1 惯性动能回收再利用装置的工作原理

1.1 回收再利用装置结构

该装置由传动齿轮、电机、整流器、逆变器、超级电容、蓄电池、电缆线等组成，其结构图如图1所示。因蓄电池难以实现短时间、大功率、高效率充电，而超级电容器恰好可以弥补这一缺陷，故装置中采用超级电容和蓄电池并举的方式储存能量[4]。

图1 汽车惯性动能回收再利用装置结构图Fig.1 The structure diagram of car’s inertia kinetic energy recycling device

图1中有：1.永磁同步电机2.整流器、逆变器3.超级电容4蓄电池 5.齿轮（备注：发电机、电动机可为同一个电机ISG）

1.2 回收再利用装置工作过程

1.2.1 刹车制动过程

1）将车轮的刹车片适当改装,成为有齿轮的刹车片，再通过齿轮来连接一个可移动的连接齿轮，通过该齿轮放大力矩。

2)再通过移动齿轮连接到固定电机的转动轴，转动轴转动，生成感应电动势发电。

3）把电机的出线端引到整流器，将发出的交流电整流成直流电。

4）把直流电引出到超级电容和蓄电池，将电能暂时储存起来。

1.2.2 起动加速过程

1)起动加速，触发控制器动作。

2)由控制器发出指令，接通超级电容的输出端到逆变器，将直流逆变成交流电。

3)将交流电送至电动机。

4)电动机的转轴带动齿轮旋转，将转动的力矩先传送到移动连接齿轮，再传送到刹车片上的齿轮。

5)刹车片的齿轮力矩传送给外轮胎的摩擦力矩，产生起动辅助动力，汽车加速。

1.2.3 车载电器供电过程

储存于蓄电池中的电能直接向车载空调、音乐播放器、照明设备等供电，减少这些设备对发动机的依赖，降低油耗。

1.3 能量回收效率分析

1.3.1 能量回收实例计算

下面以普通车型丰田凯美瑞2014款--骏瑞--2.0S耀动版为例进行计算，汽车的整备质量为1 470 kg。一般车上有2人（含司机），质量为130 kg，共计1 600 kg。假如轿车正常行驶的速度是54 km/h(15 m/s),有路障时减速到18 km/h（5 m/s）那么因刹车损耗的动能

折合成标准煤约为5.5 g。如果再算上汽油的燃烧热能利用效率，一次停车和启动车，消耗的能量将更大。

1.3.2 汽车性能的改善

1)每千米可节省燃料约10%～30%，降低了汽车使用成本;

2)废气的排放量减少了10%～30%;

3)汽车加速离开车站时的噪音降低;

4)发动机、传动部件和摩擦制动部件的工作时间减少,从而降低了损耗，避免刹车制动系统的过早磨损;

5)使起动加速操作简单，减少频繁换挡的烦恼，改善车辆行驶安全性。

2 汽车惯性动能回收再利用装置仿真

2.1 回收再利用装置原理图

现代的汽车性能卓越、舒适、电气自动化，惯性动能的回收再利用对汽车本身来说意义重大。但是，每一次的回收再利用都需要机械装置、控制装置、电气设备、动力设备、储能设备等的完美配合。与本惯性动能回收再利用装置相关联的设备关系图如图2所示。

图2 惯性动能回收再利用系统设备关系图Fig.2 The relationship diagram of car’s inertial kinetic energy recycling device

当汽车处于加速状态时，则电机（ISG）起电动机的作用，加速踏板处的加速传感器将加速信号分别传递给电机控制器系统和车轮处的电磁离合器，引起整流/逆变装置发出触发脉冲信号（逆变状态），同时车轮处齿轮电磁咬合，ISG内闭合回路中的定子电流产生电动力，驱动车轮旋转。

当汽车制动减速时，电机（ISG）起发电机的作用，刹车传感器将减速信号分别传递给电机控制器系统和电磁离合器，不在给予整流/逆变装置发出触发脉冲信号（整流状态），车轮处齿轮电磁咬合，ISG内闭合回路中的定子端口产生感应电动势，经整流供电给蓄电池和车载电器。

当汽车处于近似匀速状态时，电磁离合器断开，惯性动能回收再利用装置不工作。

2.2 惯性动能的收集

在汽车的减速过程中，将引起发电机的转轴转速减小，发电机的机端输出电压

其中E为发电机的输出电压，N为砸数，K为常系数 (约为1.1-1.25)，f为频率，（f=pn/60），p为极对数，n为转速，Φ为磁通量[5]。

刹车减速的过程中，转速n在减小，频率f也在减小，因此输出电压将有较大减小。假设减速为匀减速，则同步发电机机械输入（Mechanical input）的转子转速为匀减速，输出电压仿真波形如图3所示。

图3 发电机输出电压波形Fig.3 The voltage waveform of generator out

2.3 惯性动能的储存

由发电机输出电压波形分析可知，需采用不可控整流装置，即由电力二极管组成的不控整流电路。可以采用三相、单相交流发电机或直流发电机，这里以三相举例。整流电路采用三相桥式不控整流电路，整流时，所有IGBT无触发信号[6]，原理图如图4所示。

图4 三相整流储能电路原理图Fig.4 The principle diagram of three-phase rectifier and storage circuit

交流发电机输出端电流和电压的仿真电路图如图5所示。

图5 三相整流储能电路仿真图Fig.5 The simulation diagram of three-phase rectifier and storage circuit

整流后直流输出端电流和电压的仿真波形图如图6所示。

图6 交流发电机的输出端电压或电流Fig.6 The output voltage or current of AC generator

由图可知，在既定电路参数情况下，转子在1.7 s降为零。同时，在1.7 s输出的电压也降为零，电流也发生明显衰减。这正是人们日常汽车使用过程中的制动时间，根据仿真结果可知，每次制动可以利用约1.5 s的时间用于发电整流储能。

2.4 惯性动能的再利用

电能的逆变原理图如图4，六只IGBT分别以相位相差60度的脉冲予以触发，为三相电压型桥式逆变电路，纵向换流。

直流电源逆变成交流电动机的输入端电流和电压的仿真电路如图7所示，波形如图8所示。

图7 直流逆变三相交流仿真电路Fig.7 The three-phase AC simulation circuit by DC inverter

如果在逆变后的电路上加装适当的三相滤波装置后，将会滤掉高次谐波，得到较为理想的三相正弦波，从而作为驱动能源带动电动机旋转，促使汽车完成加速过程。

上述仿真结果表明：惯性动能回收再利用装置合理可行，且效率较高。

3 结论

本文设计了一种用于普通汽车惯性动能回收再利用装置。该装置包括惯性能量收集、储存和再利用三个部分，以超级电容和蓄电池作为储能容器，克服了蓄电池难以实现短时间、大功率、高效率充电的弊端，并将存储能量一部分用于车载电器供电，一部分用于起动加速助力，有效提高了惯性动能利用率，一定程度上降低了汽车油耗。

通过用CAD软件绘制出了本装置的结构图和原理图，并用MATLAB的SIMULINK模块搭建装置的电气仿真平台，测出电机(ISG)输出电压和电流，画出了功率随时间的变化曲线。仿真电路模型的发电时间为1.7 s,实际可利用时间约1.5 s，但是在现实汽车中该装置的发电时间是有行驶速度和加速度的大小决定的，跟随汽车加速或者减速过程时间的长短而变化，使汽车的惯性动能利用率有较大提高。仿真实验数据验证了该设计方案，可以有效回收及再利用汽车惯性动能。

图8 逆变三相负载侧三相交流电压仿真波形Fig.8 The simulation waveform of three-phase AC voltage in three-phase inverter load side

[l]鄢琼伟,陈 浩.GDP与能源消费之间的关系研究[J].中国人口·资源与环境，2011（7）：13-19. YAN Qiong-wei,CHEN Hao.Study on the relationship between GDP and the energy consumption[J].China population· resources and environment,2011(7):13-19.

[2]赵昌霞.车辆减速和轻载状态下制动能量利用的研究[D].西安：长安大学，2011.

[3]江王林，王瑞敏.电动汽车制动过程受力分析及制动能量回收策略研究[J].汽车实用技术，2012（3）：5-7. JIANG Wang-lin,WANG Rui-min.Electrical vehicle braking process and analysis of braking energy recovery strategy of [J].Automobile technology,2012(3):5-7.

[4]闫晓金，潘 艳，宁 武，等.超级电容-蓄电池复合电源结构选型与设计[J].电力电子技术，2010（5）：75-77 YAN Xiao-jin,PAN Yan,NING Wu,et al.Design and analysis of the structure of ultracapacitor/battery hybrid system[J].Power Electronics,2010（5）：75-77.

[5]张广溢，郭前岗.电机学[M].3版.重庆：重庆大学出版社，2012.

[6]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京：机械工业出版，2009.

Design and simulation on recycling unit of car's inertial kinetic energy

WANG Jin-xing,LIU Li-qiang,HUANG Fan-hui
（College of Electric Power,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010080，China）

In order to improve the utilization rate of inertial kinetic energy generated by the car when it decelerated,through the design of a vehicle inertial energy recycling device,both the super capacitors and batteries are used to save energy.One section of the energy was used for acceleration and the other section for the electrical appliances.Combined with the model simulation test about inertial energy recycling device of car,we draw out the input and output waveforms of device voltage and current in the process of slowing down.Simulation results indicate that the equipment can be recover inertial kinetic energy of general automobiles simply and effectively,and further improve vehicle energy efficiency.

Inertial kinetic energy;recycling;super capacitors

TNO2

A

1674-6236（2015）07-0130-04

2014-08-06 稿件编号：201408027

王金星(1991—)，男，河南周口人。研究方向：电气工程及其自动化。