李紅 儲江偉? 袁善坤

(1.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040;2.上海汽車變速器有限公司控制系統(tǒng)科，上海201807)

在市區(qū)道路運行工況中，汽車制動消耗的能量約占總能量的30%～40%，復(fù)合制動系統(tǒng)將部分動能以電化學(xué)形式儲存，對提高汽車能量經(jīng)濟性意義重大［1-2］。在幾種典型的儲能方式中，飛輪儲能的高效率、高瞬時功率、快速響應(yīng)及長循環(huán)壽命等優(yōu)點，使其成為最具發(fā)展前途的短時儲能技術(shù)之一［3-5］。

2013年，沃爾沃公司對其用于汽車的飛輪動能回收系統(tǒng) (Flywheel KERS)進行測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能減少25%的油耗［6-7］;文獻 ［8］提出一種用于內(nèi)燃機汽車的飛輪混合動力總成(PSFHV)，將無級變速器 (CVT)和3個行星齒輪排與飛輪集成，提高了整車燃油經(jīng)濟性和加速性能，但在空間布置方面較困難;文獻 ［9］提出了一種可應(yīng)用于傳統(tǒng)汽車的飛輪式汽車制動能量回收系統(tǒng)，在NEDC(新歐洲行駛工況)循環(huán)工況下，該系統(tǒng)能夠回收的制動能量約為10%;?？菩履茉垂咀灾鏖_發(fā)了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的“電動式”飛輪混動系統(tǒng)——循環(huán)型動能推進系統(tǒng)，標準工況下可實現(xiàn)節(jié)能30%～50%，整車加速性能提高50% ～100%［10］;文獻 ［11］中，埃因霍芬理工大學(xué)開發(fā)的零慣性動力系統(tǒng)可以有效避免車輛加速時由發(fā)動機慣性導(dǎo)致的加速阻力，但無法實現(xiàn)能量的實時回收;博洛尼亞大學(xué)研制了一種搭載AMT(自動離合手動變速器)的飛輪混合動力系統(tǒng)［12］，如圖1所示，該系統(tǒng)中飛輪通過CVT及離合器與自動變速器輸入軸相連，可實現(xiàn)制動能量回收和發(fā)動機負載點切換，但離合器的使用在增加系統(tǒng)工作自由度的同時造成了系統(tǒng)沖擊。文中基于轉(zhuǎn)差離合器零摩擦、無沖擊、調(diào)速范圍廣的性能，提出了一種新型飛輪儲能結(jié)構(gòu)——電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)，定量評估了制動過程中飛輪儲能裝置的能量回收效率及其影響因素，并搭建模擬運行試驗平臺進行驗證分析，為飛輪儲能技術(shù)的車用化提供了應(yīng)用理論依據(jù)。

圖1 搭載AMT的飛輪混合動力系統(tǒng)Fig.1 Flywheel hybrid system with AMT

1 電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 結(jié)構(gòu)與特點

電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。汽車常規(guī)傳動系統(tǒng)與飛輪儲能裝置并聯(lián)。本傳動方案采用兩級齒輪裝置，以提高儲能飛輪轉(zhuǎn)速。電磁轉(zhuǎn)差離合器布置在驅(qū)動橋和儲能飛輪箱之間，其主動部分是由鐵磁材料制成的圓筒，也稱電樞;從動部分磁極由裝有勵磁繞組的鐵磁材料制成，直流電源通過電刷與集電環(huán)接通，集電環(huán)通過引線接于磁極繞組［13-14］。儲能飛輪箱通過二級齒輪副 (Z3、Z4)與電磁轉(zhuǎn)差離合器的磁極部分連接，電樞通過一級齒輪副 (Z1、Z2)與主減速器連接。

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of flywheel energy storage system

電磁轉(zhuǎn)差離合器主、從動部分間無機械接觸，當(dāng)磁極繞組中無勵磁電流時，電樞感應(yīng)電動勢為零，此時動力切斷。與普通的摩擦式離合器相比，其在動力傳遞或切斷的同時，可實現(xiàn)無沖擊零摩擦，也稱之為無接觸離合器。改變勵磁強弱可控制磁極軸轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)飛輪箱和主減速器間的無級調(diào)速，調(diào)速范圍可達10∶1。

1.2 能量轉(zhuǎn)換原理

結(jié)合圖2所示結(jié)構(gòu)，電磁耦合式飛輪儲能裝置的工作狀態(tài)如下。

(1)無能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)。勵磁繞組中無電流通過時，電樞中無渦流和感應(yīng)電動勢，電磁轉(zhuǎn)差離合器斷開，儲能飛輪裝置與整車無能量交換。

(2)能量回收狀態(tài)。在制動狀態(tài)下，勵磁繞組通電時，汽車動能經(jīng)驅(qū)動橋、一級齒輪副、電樞、磁極、二級齒輪副，儲存于飛輪箱中。

(3)能量釋放狀態(tài)。勵磁繞組通電時，旋轉(zhuǎn)的高速飛輪將動能經(jīng)二級齒輪副、磁極、電樞、一級齒輪副、驅(qū)動橋釋放到車輪上，可實現(xiàn)與汽車主動力源的混合驅(qū)動行駛。

2 電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)傳動特性及控制器設(shè)計

2.1 電磁耦合式飛輪儲能裝置傳動特性

2.1.1 電磁轉(zhuǎn)差離合器模型

將磁極部分電路簡化后，電磁轉(zhuǎn)差離合器輸出轉(zhuǎn)速等效電路，如圖3所示［15］。其中，nwh為車輪轉(zhuǎn)速，磁極等效電路的各物理量之間關(guān)系如下:

式中:Up0為磁極的瞬時電壓;Rp為磁極回路的總電阻;Ip為磁極回路的總電流;Lp為磁極總電感;Ef為磁極反電動勢;Ke為電動勢常數(shù);φ為磁通量;磁極軸轉(zhuǎn)速n=nsfwZ3/Z4，為儲能飛輪轉(zhuǎn)速nsfw與二級齒輪副齒數(shù)比的乘積。

電磁傳遞轉(zhuǎn)矩Te及作用在飛輪上的力學(xué)方程為

圖3 電磁轉(zhuǎn)差離合器等效電路Fig.3 Equivalent circuit of ESC

式中:Km為轉(zhuǎn)矩常數(shù);Id為磁極電流;Tf為飛輪折算到磁極軸上的負載轉(zhuǎn)矩;GD2為系統(tǒng)飛輪矩;B為電機粘性摩擦系數(shù)。

2.1.2 電磁耦合飛輪系統(tǒng)傳遞函數(shù)

在零初始條件下，對式 (1)中的電壓方程取拉普拉斯變換，得到電壓與電流間的傳遞函數(shù):

若將飛輪負載轉(zhuǎn)矩Tf折算為負載電流Ipf，忽略電機粘性摩擦力的影響，則由式 (2)可寫為

式中，tm為等效機電時間常數(shù)，經(jīng)拉普拉斯變換后得反電動勢Ef與電流之間的傳遞函數(shù):

2.2 雙閉環(huán)控制器設(shè)計

2.2.1 飛輪儲能裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)

電磁耦合式飛輪儲能裝置控制器的實質(zhì)是通過對磁極勵磁電流的調(diào)控實現(xiàn)磁極軸轉(zhuǎn)速的快速響應(yīng)。電磁耦合式飛輪儲能裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示［15］。轉(zhuǎn)差離合器靜止時，突加轉(zhuǎn)速環(huán)給定電壓U*n，轉(zhuǎn)速環(huán)偏差 ΔUn=U*n，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)下磁極電流Id迅速增大，電磁傳遞轉(zhuǎn)矩Te大于飛輪負載轉(zhuǎn)矩Tf時，轉(zhuǎn)差離合器開始啟動。隨磁極電流Id增大，電流環(huán)給定電壓信號Ui迅速上升，電流環(huán)偏差ΔUi輸入電流調(diào)節(jié)器 (ACR)，在ASR輸出限幅狀態(tài)下實現(xiàn)快速啟動。轉(zhuǎn)差離合器主動部分轉(zhuǎn)速變化時，從動部分可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的快速響應(yīng)，提高飛輪儲能的響應(yīng)速率。

圖4 電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Dynamic structure of electromagnetic coupling flywheel energy storage system

2.2.2 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計

為實現(xiàn)系統(tǒng)無靜差調(diào)速，在加快系統(tǒng)響應(yīng)的同時消除轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)偏差，電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均采用比例積分型;為減小紋波和高頻信號對給定和反饋信號的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，轉(zhuǎn)速、電流反饋后串聯(lián)了濾波器［16］。PI調(diào)節(jié)器、濾波器的傳遞函數(shù)分別為式中:KP為調(diào)節(jié)器放大倍數(shù);1為調(diào)節(jié)器過渡時間常數(shù);to為濾波時間常數(shù)。

2.2.3 電力電子變換器

電力電子變換器在系統(tǒng)中起滯后作用，為了簡化，指數(shù)項用泰勒級數(shù)展開，將電力電子變換器近似看成一階的慣性環(huán)節(jié)［16］，其傳遞函數(shù)可以寫成:

式中，Ks為變流器放大系數(shù)。

3 汽車再生制動過程能量回收性能的仿真分析

3.1 能量轉(zhuǎn)化平衡方程

汽車再生制動狀態(tài)下，電磁耦合器磁極與電樞同步時，離合器中無感應(yīng)電流和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，飛輪系統(tǒng)與車輛無能量流轉(zhuǎn)化，此時電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)中飛輪與車輛運動狀態(tài)滿足以下公式:

式中:ωwh(·)為車輪制動角速度;αwh(·)為車輪制動減速度;t為時間;t0為制動初始時刻;t1為飛輪儲能結(jié)束時刻;αsfw(·)為儲能飛輪加速度;nsfw(·)為飛輪轉(zhuǎn)速;Jsfw為儲能飛輪轉(zhuǎn)動慣量;Jwh為車輪轉(zhuǎn)動慣量;i1=i0Z2/Z1，i2=Z3/Z4;i0為主減速器速比;Te(·)為電磁傳遞轉(zhuǎn)矩。

由式 (8)可知:

飛輪的能量回收效率η:

式中:Ek為汽車制動時的動能;Esfw為儲能飛輪回收能量。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動慣量Jwh、傳動比i1和i2、汽車質(zhì)量m及車輪滾動半徑r確定時，儲能結(jié)束時飛輪的轉(zhuǎn)速與車輪制動角速度ωwh(t0)、儲能飛輪轉(zhuǎn)動慣量Jsfw有關(guān)，飛輪箱的能量回收效率η與Jsfw有關(guān)。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 仿真參數(shù)

為了定量驗證電磁耦合式飛輪儲能裝置的回收效率及其影響因素，基于Simulink軟件對飛輪儲能系統(tǒng)進行仿真分析，其模型包括電磁耦合式飛輪儲能裝置、液壓制動系統(tǒng)及整車控制裝置。在滿足制動安全的前提下，為提高能量回收效率，驅(qū)動輪采用飛輪與液壓并聯(lián)制動，從動輪采用液壓制動。電磁轉(zhuǎn)差離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的大小取決于勵磁電流和轉(zhuǎn)速差。改變圖4中轉(zhuǎn)速環(huán)給定電壓U*n，通過雙閉環(huán)控制器實現(xiàn)磁極軸轉(zhuǎn)速的快速響應(yīng)。當(dāng)電樞軸與磁極軸等速時，飛輪儲能裝置停止儲能，制動力由液壓系統(tǒng)提供，整車參數(shù)如表1所示［15］。

3.2.2 車輪角速度

當(dāng)制動初速度為 30、50、70、90、110及130km/h，轉(zhuǎn)差離合器轉(zhuǎn)速給定電壓一定時，儲能飛輪的轉(zhuǎn)速變化如圖5所示。初速度v0為30 km/h時，儲能飛輪的峰值轉(zhuǎn)速nmax，sfw為625r/min，初速度 v0為130km/h時，nmax，sfw為2687r/min，當(dāng)汽車制動初速度提高4.3倍時，儲能飛輪的能量回收量提高18.5倍。由式 (10)可知，電磁耦合式飛輪系統(tǒng)的能量回收效率與汽車初速度大小無關(guān)，為全面反映該變化規(guī)律，以20km/h為間隔增加汽車制動初速度，完成30～130 km/h的仿真分析，系統(tǒng)的能量回收效率如表2所示［15］。由表2可知能量回收效率均約保持在24.3%。

表1 整車模型參數(shù)Table 1 Vehicle model parameters

圖5 儲能飛輪轉(zhuǎn)速變化情況Fig.5 Change of energy storage flywheel speed

表2 飛輪儲能系統(tǒng)能量回收效率Table 2 Energy recovery efficiency of flywheel energy storage system

3.2.3 飛輪轉(zhuǎn)動慣量

制動初速度v0為80 km/h，電磁傳遞轉(zhuǎn)矩為800N·m時，不同飛輪轉(zhuǎn)動慣量下，電磁耦合式飛輪儲能裝置的能量回收效率如圖6所示。由圖6可知;Jsfw=3 kg·m2時，η =12.9%;Jsfw=6 kg·m2時，η=24.1%。飛輪的轉(zhuǎn)動慣量與其質(zhì)量和形狀密切相關(guān)，若能在一定質(zhì)量下改變飛輪形狀提高其轉(zhuǎn)動慣量，則可提高能量回收效率。

圖6 不同飛輪轉(zhuǎn)動慣量下的能量回收效率Fig.6 Recovery efficiency under flywheel moment of inertia

3.2.4 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速特性

為定量說明電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)中轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速特性，給定不同電壓U*n下磁極軸的轉(zhuǎn)速變化，如圖7所示。

圖7 電磁轉(zhuǎn)差離合器的調(diào)速特性Fig.7 Speed regulation of electromagnetic slip clutch

當(dāng)給定電壓U*n分別以0.3和0.5 V的電壓差從0V遞增到1.5V時，磁極軸的轉(zhuǎn)速均由0 r/min增加到123 r/min，但后者遞增速率更快。當(dāng)該系統(tǒng)中車輛初始制動動能一定時，通過改變轉(zhuǎn)差離合器轉(zhuǎn)速給定電壓U*n來滿足系統(tǒng)不同的能量狀態(tài)需求。若電壓U*n為0V，磁極軸輸出轉(zhuǎn)速約為0r/min時，系統(tǒng)處于無能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

4 飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換特性試驗

4.1 試驗臺架

根據(jù)圖2搭建電磁耦合式飛輪儲能裝置模擬運行試驗臺，選配相應(yīng)的驅(qū)動電機、慣性飛輪、電磁轉(zhuǎn)差離合器、轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、儲能飛輪箱及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 模擬運行試驗平臺Fig.8 Simulated running test platform

由于V帶傳動可降低沖擊，防止試驗臺過載破壞，且制造、安裝及維修方便，故儲能飛輪箱與電磁轉(zhuǎn)差離合器、電磁轉(zhuǎn)差離合器與慣性飛輪均采用V帶傳動，其傳動比分別為1.35和1.28。慣性飛輪及儲能飛輪參數(shù)如表3所示。

表3 飛輪參數(shù)Table 3 Flywheel parameters

試驗中用慣性飛輪模擬汽車運行狀態(tài)下的動能，驅(qū)動電機驅(qū)動慣性飛輪加速至某一指定轉(zhuǎn)速后斷電，慣性飛輪經(jīng)第一級V帶、轉(zhuǎn)差離合器及第二級V帶帶動儲能飛輪轉(zhuǎn)動，分別進行無轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)試驗。①無轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)差離合器給定某一指定勵磁電流，通過變頻器控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，斷電后模擬汽車不同初速度制動時的狀態(tài)。②有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。驅(qū)動電機驅(qū)動慣性飛輪加速至某一指定轉(zhuǎn)速后斷電，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差離合器勵磁電流模擬轉(zhuǎn)差離合器不同速比下的能量回收狀態(tài)。

4.2 能量轉(zhuǎn)化特性分析

4.2.1 速度分析

為監(jiān)測不同制動初速度下電磁耦合式飛輪儲能裝置的能量回收情況，在轉(zhuǎn)差離合器給定電壓一定時，驅(qū)動電機驅(qū)動慣性飛輪分別加速至257、684和856r/min，分別模擬初速度為30、80和100km/h的飛輪儲能情況，由于儲能飛輪某時刻能量與其轉(zhuǎn)速平方成正比，故試驗中采用轉(zhuǎn)速信號定量判別其能量變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 不同制動初速度下的能量回收情況Fig.9 Energy recovery at different initial braking speeds

隨著制動時間的延長，儲能飛輪的速度特性曲線nsfw(t)與慣性飛輪的速度特性曲線nifw(t)相交，交點分別為B、D、F。EO表征儲能飛輪在O點的初始能態(tài)，EB、ED、EF表征儲能飛輪能量回收結(jié)束時點B、D、F的能態(tài)，由圖9分析可知EF＞ED＞EB，即制動初速度越大，儲能飛輪回收總能量越多。

為全面反映飛輪儲能裝置的能量回收情況，以10km/h為間隔增加慣性飛輪轉(zhuǎn)速，模擬汽車制動初速度為30～100 km/h的運行情況，系統(tǒng)的能量回收效率如表4所示［15］。

表4 不同制動初速度下的能量回收效率Table 4 Energy recovery efficiency at different initial braking speeds

由表4可知，模擬運行試驗平臺測得的飛輪儲能回收效率比仿真值略大，這是由于試驗中忽略了汽車制動過程中車輪輪胎能量損失、從動輪地面制動力、空氣阻力、傳動系摩擦力對能量回收效率的影響。不同制動初速度下飛輪儲能裝置的能量回收效率穩(wěn)定在30.22%～36.73%之間。為定量說明回收效率的波動量，定義相對正偏差、相對負偏差，其與最大回收效率ηmax、最小回收效率ηmin及均值ˉη滿足關(guān)系:

試驗中不同車速下飛輪儲能裝置能量回收效率相對正偏差為9.23%，相對負偏差為10.12%，即不同的制動初速度下飛輪儲能裝置能量回收效率穩(wěn)定在33.6%，從而驗證了Simulink模型中電磁耦合式飛輪儲能裝置及控制器的合理性。

4.2.2 轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速分析

驅(qū)動電機驅(qū)動慣性飛輪加速至684 r/min，模擬整車減速瞬時具有的動能，隨后驅(qū)動電機立即斷電，慣性飛輪轉(zhuǎn)速降低，忽略汽車制動時受到的空氣阻力、滾動阻力、坡度阻力等因素的影響，驗證轉(zhuǎn)差離合器的調(diào)速特性對飛輪回收能量的影響。試驗中，轉(zhuǎn)差離合器給定勵磁電流較小時，其速比較大;給定勵磁電流較大時，其速比較小;給定可變勵磁電流時，實現(xiàn)變速比調(diào)速。為定性分析轉(zhuǎn)差離合器的調(diào)速特性，定義大速比、小速比及變速比3種調(diào)速方式。電磁轉(zhuǎn)差離合器在不同速比時，儲能飛輪的能量實時回收情況如圖10所示。

圖10 不同調(diào)速比下的能量回收情況Fig.10 Energy recovery under different speed ratios

由于初始時刻慣性飛輪轉(zhuǎn)速均為684 r/min，即初始時刻電磁耦合式飛輪儲能裝置的動能Ek相同。EP表征慣性飛輪P點的初始能態(tài)，El(l=Q、R、S)表征儲能飛輪能量回收結(jié)束時Q、R、S點的能態(tài)，儲能飛輪能量回收量Esfw=EP-El。由圖10分析可知，EQ＞ER＞ES，故變速比、大速比、小速比情況下的儲能飛輪能量回收量 Esfw，變速比＞Esfw，大速比＞ Esfw，小速比。由式 (10)可知，儲能飛輪的能量回收效率滿足 η變速比＞η大速比＞η小速比，即轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速時能量回收效率最大。

5 結(jié)論

基于轉(zhuǎn)差離合器零摩擦、無沖擊及可調(diào)速的優(yōu)點，提出了一種新型飛輪儲能結(jié)構(gòu)-電磁耦合式飛輪儲能系統(tǒng)，并設(shè)計轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制器，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)差離合器從動部分的快速響應(yīng)?；赟imulink軟件對飛輪儲能系統(tǒng)進行仿真分析，最后搭建了電磁耦合式飛輪儲能裝置模擬運行試驗臺，主要得到以下結(jié)論:

(1)仿真中制動初速度由30km/h增到130km/h時，飛輪儲能系統(tǒng)能量回收效率均約保持在24.3%。飛輪轉(zhuǎn)動慣量Jsfw為6kg·m2時，能量回收效率η可達到24.1%。

(2)運行試驗臺分析表明，不同制動初速度下飛輪儲能裝置的能量回收效率穩(wěn)定在33.6%;電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速時，能量回收效率最高。