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试论新能源汽车与能量回收技术

2018-11-15侯涛徐佳

汽车与驾驶维修(维修版) 2018年9期
关键词:动力电池电动汽车驱动

侯涛、徐佳

(云南交通职业技术学院 650500)

1 新能源汽车概述

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,具有新技术、新结构的汽车。

新能源汽车主要包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车和其他新能源汽车等。近年来,纯电动汽车得益于现代电工及电子技术的突飞猛进,从技术和性能方面均得到长足发展,成为新能源汽车中的一匹黑马。其综合性能得到充分肯定,因而得到广泛重视,成为重点研究开发的项目。因此,纯电动汽车变成了新能源汽车的代名词。

1834年,美国人托马斯制造出第一辆直流电动机驱动的电动汽车,经历了180多年的悠久发展历史。但是由于电工及电子技术和汽车工业发展的制约,电动汽车研发基本上处于较低的层面,仅在某些特定范围应用,一直未能形成产业化发展。而在电动汽车之后出现的内燃机汽车,借助20世纪的科学技术和机械工业发展而飞速发展,再加上电子技术和计算机技术的应用,使得现代汽车技术性能更加炉火纯青,得到全面发展。

然而,大规模爆发式增长的现代汽车工业加剧了全球能源危机,加速了石油资源消耗,石油资源面临着枯竭的危险。因而,研发新能源汽车,寻找替代能源促进汽车工业发展成为现代汽车发展的新课题。随着电子、电工技术、计算机技术和材料科学技术的发展,新能源汽车得到了长足发展。特别是近年来各国采用新材料和新技术,使电动汽车在电池技术、电机技术和控制技术等方面得到飞速发展,车辆性能得以不断提高。尤其是新能源汽车能量回收技术的应用,取得了令人瞩目的成绩,新能源汽车节能环保的品质也更加突出[1]。

2 新能源汽车结构原理

2.1 纯电动汽车结构原理

纯电动汽车是在传统内燃机汽车基础上发展起来的,是以电力驱动作为汽车的动力。电力驱动是纯电动汽车唯一驱动方式,其基本结构原理如图1所示。

传统的燃油汽车使用汽油或柴油作为燃料,通过离合器、变速器和传动轴等动力传动机构,驱动车辆行驶。而纯电动汽车是以动力电池作为动力来源,以电动机为驱动装置,在车载控制系统的控制下,驱动车辆行驶。由于电动机驱动不同于传统内燃机驱动,且具有电子和电气设备精准灵活的控制特点,使得纯电动汽车的驱动结构和性能特性,与传统燃油汽车存在较大差异。纯电动汽车动力传动链更加紧凑与便捷,车辆控制更加高效、灵活和准确。

纯电动汽车与传统内燃机汽车主要的区别在于其动力驱动系统。纯电动汽车以车载动力电池作为动力源,而传统内燃发动机汽车是以燃油作为动力源;纯电动汽车用电动机替代内燃发动机驱动车辆行驶;纯电动汽车以高压电流作为动力系统,而传统内燃发动机汽车,除点火系统用高压低电流之外,其他电源均为低压弱电系统。纯电动汽车具有制动再生能量回馈功能。

纯电动汽车主要包括电动机、动力电池、电控系统、充电机和DC/DC等高压设备。常用电动机主要有直流电机、交流感应异步电机、永磁电机和开关磁阻电机。动力电池通常为锂离子电池。

图1 纯电动汽车基本结构原理

2.2 混合动力汽车结构原理

混合动力汽车是在内燃发动机的动力驱动平台基础上,用内燃发动机与电动机共同组成混合驱动系统(油电混合),动力耦合驱动平台取代传统单一的发动机动力驱动平台,车辆行驶中使用其中一种或多种动力源提供部分或者全部动力。混合动力驱动系统分为串联、并联或混联几种方式,混联混合动力汽车是目前混合动力汽车的发展方向。

混合动力汽车在电控系统的作用下,能够通过其智能控制系统自动优选及切换内燃发动机和动力电机驱动模式。使得混合动力汽车能够发挥内燃发动机在中、高速工作时耗能少、驱动效率高、经济性能好及尾气污染物排放低的工作性能,电动机在低速运行状态下能够输出高功率和大扭矩的性能,从而达到节能环保的功效。混合动力驱动系统同样具有制动能量回收攻能。

3 新能源汽车的能量回收技术

新能源汽车的制动系统与传统燃油汽车制动系统不同,其功能除了对车辆产生制动作用外,还具有能量回收的功能。新能源汽车的节能技术除了节约燃油资源外,主要是通过制动能量回收系统来实现的。制动能量回收技术是现代新能源汽车的重要特性,也是一项区别于传统内燃机汽车的新技术。对于新能源汽车提高能源利用率、增强车辆的续航能力都具有十分重要的意义。

随着新能源汽车技术的发展和控制技术的进步,电动汽车制动能量回收技术应运而生。研究表明,车辆在使用过程中有大约20%的驱动能量在制动过程中损失掉。车辆制动能量回收系统能够回收车辆在制动时释放出的多余能量,并通过发电机将其转化为电能,在充电控制系统作用下对动力电池充电,使车辆行驶过程中不断补充动力电池的电量。

动力电池是电动汽车的关键部件,动力电池储存能量的多少,直接决定着电动汽车续驶里程的多少。制动能量回收系统,相当于增加了动力电池的容量,可有效增加车辆的行驶里程。通过试验证明,新能源汽车采用制动能量回收技术,可提高车辆动力能源10%~20%的利用率,有效延长了车辆的续航里程。

3.1 制动能量回收系统结构原理

新能源汽车制动系统由机械制动系统和再生制动系统2部分组成。机械制动系统和传统汽车基本相同,再生制动系统可以利用驱动电机和控制电路,实现发电机的发电功能,使制动减速时的能量回馈给动力电池,从而得到再生利用(图2)。

图2 制动能量回收系统

当踩下制动踏板后,电动泵使制动液增压产生所需的制动力,制动控制与电机控制协同工作,产生车辆的再生制动力矩和车轮上的液压制动力矩。再生制动控制系统回收再生制动能量并回馈到动力电池中。机械制动机构、ABS及控制阀的作用与传统燃油车相同,作用是产生最大的制动力。

再生制动系统原理是在制动时,将汽车行驶的惯性能量通过传动系统传递给驱动电机,驱动电机以发电机工作方式运行,驱动电机转子轴,通过电磁感应转变为电能,经过逆变器的反向二极管回馈到直流侧,为动力电池充电,实现能量的再生利用。与此同时,驱动电机电磁感应力矩又可通过传动系统对驱动轮施加反向扭矩,从而对车辆产生制动。

3.2 制动能量回收控制策略

制动过程中,制动能量回收系统的制动控制器(ECU),通过检测传感器信号识别出驾驶员的制动意图及所期望的制动强度,并从整车控制器(VCU)接收车速及蓄电池荷电状态(SOC)等信息。再生制动控制策略会根据当前的电动机状态、动力电池状态和车辆状态计算出最佳的再生制动力和摩擦制动力,根据分配得到的摩擦制动力调节液压控制单元。将分配得到的再生制动力信息发送给驱动电机控制器(MCU)从而进行调整控制。制动力分配是制动能量回收控制策略中最为核心的技术,制动力分配直接关系到汽车制动能量回收和制动效能。因此,制动力分配既要保证汽车的制动效能还要尽可能多地回收制动能量[2]。

制动系统中的能量回收功能与制动系统中ABS功能形成互锁,在能量回收时,ABS制动功能不能正常工作。当制动中车速低于设定值时,ABS自动开启工作状态,能量回收功能关闭,确保车辆行驶安全。

4 结束语

新能源汽车是现代科技发展的产物,采用电力驱动或混合驱动,可减少能源消耗。能量回收技术的应用,更凸显了新能源汽车节能环保的特性。随着新能源汽车技术不断发展,全球能源消耗过度问题将得到改善,节能环保的新能源汽车将迎来美好的明天。

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