车载电磁耦合飞轮储能系统的特性

李 红，储江伟，孙术发，李宏刚

（东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

理论上汽车制动过程中除去空气阻力和道路阻力消耗的能量外均可回收利用，电机再生制动技术作为混合动力汽车主流制动技术可将部分汽车动能转化为电化学能，但此过程中影响能量利用效率的因素较多[1-4]。电机的能量转化效率成为制约电机再生制动系统回收效率的最大因素，因此，在回收过程中如何在保护电池循环寿命的同时提高能量回收效率成为一个需要高度重视的问题[5-7]。电机再生制动技术的能量转化过程遵循机械能-电磁能-电化学能-电磁能-机械能的形式，在能量转变过程存在效率损失。特别是汽车制动时间较短时，储能速度受电池电极“活性物质”化学反应速度的影响，能量回收效率更低。

在几种典型的储能装置中，飞轮储能的高瞬时功率、高效率、长循环寿命及响应快速等特点，使其成为发展前途较好的储能技术之一[8-9]。文中基于电磁耦合器无冲击及飞轮储能的高效率特性设计了一种电磁耦合式飞轮能量回收系统，该系统可将汽车制动减速过程中大部分动能直接转化为机械能，储能速度不受电池电极“活性物质”化学反应速度影响，同时电池参与回收的能量较少，有利于延长电池的循环寿命。

1 两种制动能量回收系统结构对比

1.1 结构原理

电机再生制动能量回收系统结构如图1(a)所示，永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)通过第一级齿轮副与差速器机械连接。电磁耦合式飞轮能量回收系统结构如图1(b)所示，电磁耦合器替代了永磁同步电机，布置在飞轮和车轮之间。电磁耦合器包括三个能量转换端口，两个机械端口[图1(b)中5-1、5-2]和一个电气端口[图1(b)中5-3]。汽车减速时，车轮经半轴、差速器、第一级齿轮传动副、电磁耦合器及第二级齿轮副增速后带动飞轮旋转，将汽车减速初始时刻的部分动能储存于飞轮中。

1.2 能量转换过程分析

汽车减速工况下，图1(a)能量回收系统中车轮动能与电池间能量转换过程为动能-电磁能-电化学能。加速时，电池的电化学能转换为电机的电磁能，电磁力驱动转子旋转，输出动能。此过程中电池作为储能的唯一装置，全程参与能量转换。

图1(b)能量回收系统可将车轮的大部分机械能直接储存于飞轮中，加减速工况下能量转换过程如图2、3所示，其中ωi为磁极轴角速度；ωo为电枢轴角速度。

图2 加速工况下能量转换过程Fig.2 Energy conversion process under accelerated conditions

图3 减速工况下能量转换过程Fig.3 Energy conversion process under deceleration conditions

汽车加速工况下，电磁耦合器飞轮侧转速高于车轮侧转速(ωi>ωo)，飞轮动能除直接驱动车轮外，部分动能经电磁耦合器转换为电能给电池充电，此时电磁耦合器相当于发电机；飞轮侧转速低于车轮侧转速(ωi<ωo)，电磁耦合器相当于电动机；飞轮侧转速等于车轮侧转速(ωi=ωo)，电磁耦合器与电池间无能量转换，飞轮的动能直接传递给车轮。

汽车减速工况下，飞轮侧转速低于车轮侧转速(ωi<ωo)，车轮部分动能直接储存于飞轮中，部分动能经耦合器转换为电能给电池充电，此时电磁耦合器相当于发电机；飞轮侧转速高于车轮侧转速(ωi>ωo)，此时电磁耦合器相当于电动机；飞轮侧转速等于车轮侧转速(ωi=ωo)，电磁耦合器与电池间无能量转换，车轮的动能直接传递给飞轮。

2 计算模型建立

交流电机定子绕组固定，通入的交流电使磁场旋转。电磁耦合器工作原理与交流电动机类似，虽然耦合器的磁场由直流电产生，但电枢可以旋转[10-11]。图4为电磁耦合器的电枢、磁极在dq轴上的坐标系。

图4 电磁耦合器的dq轴坐标系(Δθ为磁极和电枢坐标系位置差)Fig.4 Electromagnetic coupler dq axis

2.1 磁链方程

式中，ψd、ψq为电枢绕组在d、q轴的磁链分量；Ld、Lq为电枢绕组在d、q轴上的自感分量；if为磁极绕组电流；Lm为磁极、电枢绕组互感；id、iq为电枢绕组在d、q轴上的电流分量。

2.2 电压方程

式中，ud、uq为电枢绕组在d、q轴上的电压分量；R为电枢绕组的电阻；ωi为磁极轴机械角速度；ωo为电枢轴机械角速度；p为磁极对数。

2.3 电磁转矩

式中，Te为电磁转矩。

2.4 机械方程

式中，B为摩擦系数；J为磁极轴及负载折算到磁极轴的惯性常数；TL为负载转矩。

3 系统能量回收特性仿真

3.1 电机再生制动能量回收系统

制动能量回收过程中，高速旋转飞轮的动态特性直接影响着储能系统的工作性能，为着重分析图1中两种能量回收系统中电池参与能量回收过程的程度，文中设定PMSM和电磁耦合器的额定参数相同，且暂时不考虑储能飞轮旋转过程中由于磁轴承性能因素产生的影响，利用Simulink软件建立了系统模型。汽车减速-巡航过程中，永磁同步电机和电磁耦合器工作在额定扭矩下，获得较大的电机制动力矩，模型参数如表1所示。

表1 实例参数Table 1 Case study parameters

对于电机再生制动能量回收系统，图5、6模拟了汽车以30 km/h初速度减速至21 km/h巡航时该系统的能量转换过程。汽车减速初始时刻车轮转速为250 r/min，10.2 s后车轮速度降低至175 r/min，此过程中电池SOC值由70%增加到70.32%，电池开路电压由113.605 V增加到113.621 V，该过程中电池回收了8.78 kJ能量。

图5 PMSM电机转速曲线Fig.5 PMSM rotor speed curve

图6 电池SOC值曲线Fig.6 SOC curve of battery

3.2 电磁耦合式飞轮能量回收系统

对于电磁耦合式飞轮能量回收系统，图7、8模拟了汽车以30 km/h初速度减速至21 km/h巡航时该系统的能量转换过程。

图7 电磁耦合器机械端口转速Fig.7 Electromagnetic coupler mechanical port speed

图8 电磁耦合器机械端口功率Fig.8 Electromagnetic coupler mechanical port power

减速初始时刻电枢轴转速为1000 r/min(车轮转速250 r/min)，10.2 s后降低至700 r/min(车轮转速175 r/min)，磁极轴转速增加至679 r/min，飞轮回收了23.47 kJ能量，约为电池再生制动能量回收系统中电池回收能量的2.67倍。此过程中，电枢轴的输入功率Po由1.04 kW降低至0.73 kW，输出功率Pi由0.26 kW增加至0.71 kW。为定量说明电磁耦合式飞轮能量回收系统中电池能量转换量，定义电磁耦合器输入能量Ein、电磁耦合器输出能量Eout如下

由图8可知，Ein=E1+E2=9.027 kJ，Eout=E2=5.049 kJ，汽车减速-巡航过程中电池可回收的最大能量E1为3.978 kJ，约为电池再生制动能量回收系统中电池回收能量的0.45倍，即文中提出的电磁耦合式飞轮能量回收系统可以将55.93%的汽车动能直接储存于飞轮中，44.07%的能量经电磁耦合器电气端口储存于电池中。

4 电磁耦合式飞轮能量回收系统特性试验

4.1 模拟试验台

根据图1(b)搭建电磁耦合式飞轮能量回收系统运行试验台，并选配相应的储能飞轮、惯性飞轮、驱动电机、电磁耦合器、转矩传感器和转速传感器数据采集系统，运行试验台原理及实物图如图9(a)、(b)所示。

图9 电磁耦合式飞轮能量回收系统运行试验台Fig.9 ECFESS test platform

4.2 惯性飞轮模拟器

鉴于惯性飞轮模拟法具有结构简单且有利于提高试验台稳定性的特点[12]，文中采用惯性飞轮模拟法模拟汽车动态工况下的初始动能。由于V带传动可缓冲吸振、防止试验台部件过载破坏且安装方便，故驱动电机与惯性飞轮、储能飞轮与电磁耦合器、电磁耦合器与惯性飞轮均采用V带传动，其传动比分别为1.25、1.35和1.28，试验台各部件参数如表2所示。

表2 实验参数Table 2 Experimental parameters

4.3 试验过程

试验中用变频器控制驱动电机状态，驱动电机参数如表3所示。变频器采用远程通信方式，计算机控制器通过通讯协议RS485控制电机的启动、加速、减速、正反转、停止等运行状态，进而控制惯性飞轮的工作状态。以某一固定频率驱动电机带动惯性飞轮旋转，惯性飞轮到达某一指定转速后电机断电，模拟汽车以某一车速减速时的初始能量。惯性飞轮经第一级V带、电磁耦合器、第二级V带将汽车动能直接储存于储能飞轮中，电磁耦合器参数如表3所示。

表3 电机参数Table 3 Motor parameters

4.4 能量回收特性分析

图10 电磁耦合器机械端口转速Fig.10 Electromagnetic coupler mechanical port speed

图11 电磁耦合器机械端口功率Fig.11 Electromagnetic coupler mechanical port power

图10、11模拟了运行试验台上汽车减速-巡航工况下电磁耦合式飞轮能量回收系统的能量转换情况，减速初始时刻电枢轴转速为702 r/min，5.72 s后降至481 r/min，此过程中磁极轴转速增加至480 r/min，电磁耦合器输入能量Ein=E1+E2、电磁耦合器输出能量Eout=E2。为定量说明减速-巡航过程中电磁耦合器输入功率Po、输出功率Pi和滑差功率Ps，表4给出了电磁耦合器机械端口的功率转化情况。

表4 电磁耦合器功率特性Table 4 Electromagnetic coupler power character

表4表明，转差功率Ps均小于电枢轴输入功率，磁极轴输出功率由0.05 kW增大至1.26 kW，电磁耦合器电气端口处理的转差功率由1.80 kW减少至0.01 kW，转差功率占电枢轴输入功率的比例由0.973倍减少至0.01倍。此过程中，电磁耦合器的输入能量Ein为8.93 kJ，输出能量Eout为4.81 kJ，电池需要处理的最大能量为4.12 kJ。在汽车同等减速-巡航工况下，电机再生制动能量回收系统需要将转子轴输入的8.93 kJ转换为电化学能储存于电池中，约为电磁耦合式飞轮能量回收系统中电池回收能量的2.17倍。根据试验数据变化规律可知，电磁耦合器电气端口传输的转差功率远小于机械端口传输的功率，电池与电磁耦合器间只完成转差功率转换，电池参与能量转换程度较低。

5 结 论

（1）对比分析了电机再生制动能量回收系统及电磁耦合式飞轮能量回收系统的结构特点，着重分析了后者在减速、加速工况下的能量转换过程。

（2）建立了两种系统的Simulink模型，车速由30 km/h降至21 km/h巡航过程中，电磁耦合式飞轮能量回收系统可将55.93%的汽车动能直接储存于飞轮中，44.07%的能量经电磁耦合器电气端口储存于电池中；同时电磁耦合式飞轮能量回收系统中电池回收的能量约为电机再生制动能量回收系统的0.45倍。

（3）搭建了电磁耦合式飞轮能量回收系统的运行试验平台，试验结果表明电磁耦合器电气端口传输的转差功率远小于机械端口传输的功率，电池与电磁耦合器间只完成转差功率转换，电池参与能量转换程度较低。