王怡澄

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動(dòng)能轉(zhuǎn)換在新能源汽車節(jié)能驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

王怡澄

（鐵一中濱河學(xué)校，陜西 西安 710000）

近年來(lái)，為緩解環(huán)境污染，新能源在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛使用，其中新能源汽車的發(fā)展最為矚目。新能源汽車中主要污染最小的就是純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，而這一驅(qū)動(dòng)技術(shù)中回收汽車制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能技術(shù)就是一種非常有效的方法。重點(diǎn)探究了物理學(xué)中的動(dòng)能回收、節(jié)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域中如何應(yīng)用。簡(jiǎn)要介紹了新能源汽車的概念以及節(jié)能驅(qū)動(dòng)的原理，在此基礎(chǔ)上分析了汽車在節(jié)能驅(qū)動(dòng)過(guò)程中涉及到的物理動(dòng)能轉(zhuǎn)換，重點(diǎn)分析了動(dòng)能轉(zhuǎn)換是如何在新能源汽車節(jié)能驅(qū)動(dòng)中被應(yīng)用的。

節(jié)能驅(qū)動(dòng)；動(dòng)能原理；新能源汽車；物理學(xué)

近年來(lái)，隨著世界原油價(jià)格的大幅度調(diào)增，節(jié)能環(huán)保問(wèn)題再次成為人們關(guān)注的一個(gè)重要話題。目前，汽車已成為我們?nèi)粘Ｉ钜约俺鲂兄胁豢苫蛉钡闹匾煌ǔ鲂泄ぞ?，但目前汽車大多使用傳統(tǒng)的油耗材，在燃料消耗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣污染物，不僅耗能量大，還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，這也是目前汽車發(fā)展面臨的一個(gè)非常突出的問(wèn)題。以往，我們通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)運(yùn)行效率、減少阻礙等來(lái)解決汽車的能耗問(wèn)題，現(xiàn)在隨著新能源電動(dòng)汽車的研發(fā)和推進(jìn)，制動(dòng)能量也被廣泛提及，這一方法目前并未被廣泛開(kāi)發(fā)使用，但是其涉及到的能量轉(zhuǎn)換在節(jié)能汽車的使用以及操作中已經(jīng)起著非常重要的作用。特別是對(duì)于在市區(qū)頻繁發(fā)動(dòng)、?？康墓财噥?lái)說(shuō)，利用轉(zhuǎn)換動(dòng)能進(jìn)行液驅(qū)混合驅(qū)動(dòng)會(huì)發(fā)揮著巨大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換再生再利用，可以充分回收車輛制動(dòng)能量并將回收的動(dòng)能用于汽車的起動(dòng)和加速，在行駛過(guò)程中可以提高車輛的動(dòng)力性能，在降低油耗減少污染的前提下，可以延長(zhǎng)剎車裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

1 新能源汽車的概念和節(jié)能驅(qū)動(dòng)的原則

對(duì)于當(dāng)前主要研發(fā)以及市面上主要投入使用的新能源汽車來(lái)說(shuō)，主要使用的都是純電動(dòng)汽車，而對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，主要驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行的力是機(jī)械力，機(jī)械力指其能量主要來(lái)源于單一能量的輸出，目前驅(qū)動(dòng)汽車的機(jī)械力主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械力和電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械力兩種力。其他形式的機(jī)械力還有飛輪、液壓等可以驅(qū)動(dòng)汽車前行，但是由于成本以及使用問(wèn)題，其估計(jì)無(wú)法被廣泛投入市面作為商品來(lái)使用。對(duì)于新能源電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，它的主要功能與普通汽車功能幾乎沒(méi)有區(qū)別，但在性能方面，主要是在加速和換擋方面，新能源電動(dòng)汽車要比普通汽車性能優(yōu)良許多。

2 汽車驅(qū)動(dòng)過(guò)程中涉及到的動(dòng)能轉(zhuǎn)換

在汽車制動(dòng)或減速的過(guò)程中，汽車的一部分動(dòng)能會(huì)被能量回收系統(tǒng)吸收并儲(chǔ)存，并且當(dāng)汽車開(kāi)始加速時(shí)會(huì)將儲(chǔ)存的能量一并釋放，從而就會(huì)形成驅(qū)動(dòng)汽車行駛的動(dòng)力。一方面，該方法可以將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，然后再循環(huán)并再利用轉(zhuǎn)換的能量，這一過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)能量的再利用，達(dá)到節(jié)省能量的目的，而不是簡(jiǎn)單將汽車的動(dòng)能浪費(fèi)為熱能，比如機(jī)械摩擦制動(dòng)的時(shí)候從物理層面上看就僅僅只是將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，而不能把能量轉(zhuǎn)換并利用；另一方面，能量的回收再利用會(huì)在一定程度上減小機(jī)械摩擦制動(dòng)器的磨損，并且可以增加汽車摩擦制動(dòng)器的壽命。

在汽車行駛期間產(chǎn)生的制動(dòng)能量分為可回收能量和不可回收能量。不可回收的能源主要是汽車消耗的能量?？苫謴?fù)的能量主要是驅(qū)動(dòng)軸上的制動(dòng)能量，制動(dòng)后可以回收。同時(shí)，根據(jù)能量的不同轉(zhuǎn)換的形式，制動(dòng)能量回收方法又可分為超級(jí)電容儲(chǔ)能、飛輪能量存儲(chǔ)、電池能量存儲(chǔ)和液壓能量存儲(chǔ)等四種回收方式，而能量密度和功率密度兩個(gè)指標(biāo)又是評(píng)價(jià)儲(chǔ)能性能是否良好的重要指標(biāo)，如果能量密度高，則說(shuō)明電池能量轉(zhuǎn)換的效率比較高，這四種方式在儲(chǔ)能方式和性能上都不同。

飛輪能量存儲(chǔ)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成飛輪的動(dòng)能，轉(zhuǎn)換方式最為直接，轉(zhuǎn)換率也相對(duì)較高。電池能量存儲(chǔ)是通過(guò)發(fā)電機(jī)裝置將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，能量轉(zhuǎn)換率最高可達(dá)30％，但由于其組件小，安裝方便，體積小，可靠性高，因此在高鐵、動(dòng)車上被廣泛使用。

本文主要從物理角度的動(dòng)能轉(zhuǎn)換來(lái)探討汽車的節(jié)能驅(qū)動(dòng)，因此對(duì)電池存儲(chǔ)不作過(guò)多說(shuō)明。液壓節(jié)能制動(dòng)器通過(guò)能量轉(zhuǎn)換元件泵/馬達(dá)將電動(dòng)車輛操作的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成能量，并將壓力能量存儲(chǔ)在蓄能器中，但是利用率相對(duì)較低，由于蓄能器可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存液壓能量，目前廣泛使用高能量存儲(chǔ)密度和高功率密度。

3 動(dòng)能在節(jié)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)中的具體應(yīng)用

3.1 驅(qū)動(dòng)輪上的變量泵/馬達(dá)

對(duì)于新能源電動(dòng)車輛，無(wú)論是扭轉(zhuǎn)還是制動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)輪上的可變泵/馬達(dá)的排量來(lái)控制車輛的驅(qū)動(dòng)扭矩和制動(dòng)扭矩。當(dāng)車輛加速或保持恒定速度、行駛阻力在行駛期間增加時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪上的可變泵/馬達(dá)作為馬達(dá)運(yùn)行。可以消耗能量，此時(shí)蓄能器和連接到飛輪的可變泵/馬達(dá)充當(dāng)泵，通過(guò)加油給系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)給；在汽車制動(dòng)減速或即將停止之前，驅(qū)動(dòng)輪上的可變泵/馬達(dá)充當(dāng)泵。系統(tǒng)的油壓迅速上升，導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力轉(zhuǎn)換為飛輪的動(dòng)能。同時(shí)，蓄能器的能量也增加，因此可以在汽車加速時(shí)使用。

3.2 與飛輪相連的變量泵/馬達(dá)

帶有壓力補(bǔ)償裝置和電動(dòng)機(jī)的飛輪主要用于控制系統(tǒng)的工作壓力保持恒定值。當(dāng)系統(tǒng)的液壓能量被作為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪上的可變泵或者馬達(dá)用來(lái)消耗的時(shí)候，系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力會(huì)迅速下降。此時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量可以為系統(tǒng)持續(xù)供電，并且連接到飛輪的可變泵與馬達(dá)也可作為泵來(lái)工作，并且為系統(tǒng)提供所需的加壓油，使油壓保持在一定范圍內(nèi)，保障正常運(yùn)行；當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪上的可變泵/馬達(dá)作為泵回收液壓能量時(shí)，系統(tǒng)壓力將增加，并且連接到飛輪的可變泵/馬達(dá)將作為馬達(dá)運(yùn)行，加速飛輪的轉(zhuǎn)速并存儲(chǔ)系統(tǒng)恢復(fù)的能量。因此，飛輪可變泵/馬達(dá)用作CPS中的恒壓電源。另外，為了提高飛輪的能量利用率，避免了系統(tǒng)不必要的能量消耗。在飛輪與其可變泵/馬達(dá)之間可以通過(guò)添加離合器來(lái)減少不必要的能耗，在恢復(fù)車輛的動(dòng)能時(shí)可以直接連離合器。當(dāng)系統(tǒng)的液壓能量波動(dòng)較小且系統(tǒng)壓力基本恒定時(shí)，離合器應(yīng)脫開(kāi)，蓄能器可調(diào)節(jié)系統(tǒng)管道的壓力能量。

3.3 與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的變量泵/馬達(dá)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)可以遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)輪的扭矩和速度，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以在最適宜、相對(duì)不那么重要的工作點(diǎn)來(lái)運(yùn)行。因此，由連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的可變泵/馬達(dá)產(chǎn)生的液壓能量主要完成一些補(bǔ)充工作，由于能量裝置和飛輪提供的能量不能夠完全驅(qū)動(dòng)，因此需要與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接的馬達(dá)來(lái)進(jìn)行一些相關(guān)的補(bǔ)充完善工作。

3.4 節(jié)能驅(qū)動(dòng)主要實(shí)施方案

節(jié)能驅(qū)動(dòng)主要實(shí)施方案如下：①保持司機(jī)原駕駛習(xí)慣及汽車運(yùn)動(dòng)規(guī)律。它主要包括新能源電動(dòng)汽車的啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程的操作習(xí)慣以及汽車在此過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。②適當(dāng)?shù)哪芰炕厥諒?qiáng)度。能量回收的大小直接影響車輛制動(dòng)能量回收的效率和回收成本。如果接收強(qiáng)度太小，則汽車的動(dòng)能不能完全再循環(huán)，成本高，影響其經(jīng)濟(jì)性。因此，能量回收系統(tǒng)必須根據(jù)汽車的實(shí)際運(yùn)行速度，確定制動(dòng)減速度的設(shè)計(jì)。③能量存儲(chǔ)與釋放控制信號(hào)。汽車動(dòng)能的恢復(fù)和釋放隨著駕駛員控制汽車的制動(dòng)和起動(dòng)條件而變化。它應(yīng)該是敏感的，同時(shí)不要分散駕駛員的能量，以免引起不良反應(yīng)。因此，能量回收系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)與機(jī)車啟動(dòng)和制動(dòng)裝置相結(jié)合。④防止能量回收裝置吸收發(fā)動(dòng)機(jī)能量。當(dāng)汽車正常運(yùn)行時(shí)，能量回收裝置與汽車傳動(dòng)系統(tǒng)分離，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)到系統(tǒng)，輸入能量，造成能量的浪費(fèi)。⑤輔助汽車啟動(dòng)與起步。汽車在啟動(dòng)時(shí)需要很大的扭矩，消耗大量燃料，并隨著環(huán)境溫度而降低，能耗也增加。能量回收系統(tǒng)存儲(chǔ)機(jī)車減速和制動(dòng)過(guò)程的能量，該能量在汽車啟動(dòng)時(shí)釋放。能量輔助汽車的一部分啟動(dòng)，可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)能耗和培訓(xùn)運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)改善發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

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2095－6835（2019）03－0156－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.156

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕