應(yīng)用于車輛運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)能回收系統(tǒng)得設(shè)計(jì)

本文著眼于越來(lái)越流行的動(dòng)能回收系統(tǒng)（KERS）技術(shù)，以從車輛運(yùn)動(dòng)中獲取能量。它著眼于不同類型的技術(shù)，從飛輪到雙層電容器和超級(jí)電容器，具有燃料效率的優(yōu)勢(shì)，以及必要的高可靠性支持，汽車級(jí)電源管理電子設(shè)備，用于捕獲，存儲(chǔ)和控制產(chǎn)生的能量。

從汽車系統(tǒng)中回收能源是下一代汽車發(fā)展中越來(lái)越重要的一部分。這種動(dòng)能的收獲正以幾種不同的方式實(shí)現(xiàn)，并與不同類型的存儲(chǔ)和電源管理技術(shù)相結(jié)合。

KERS的概念，動(dòng)能回收系統(tǒng)，從一級(jí)方程式開(kāi)始，現(xiàn)在是作為減少燃料消耗的一種方式，在更多的商用車輛中出現(xiàn)。在一級(jí)方程式中，制動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)的能量可供飛行員使用，飛行員可以決定在特定情況下重復(fù)使用，例如通過(guò)按鈕直接超車時(shí)加速。

Magneti Marelli在意大利開(kāi)發(fā)的電氣系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)直接連接到驅(qū)動(dòng)軸，因此在制動(dòng)時(shí)，同一軸充當(dāng)發(fā)電機(jī)，將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能。通過(guò)控制單元，電流為鋰離子電池充電。另一方面，在加速時(shí)，當(dāng)飛行員操作動(dòng)力提升時(shí)，從電池獲取動(dòng)能，并且再次通過(guò)電子控制單元將其發(fā)送到電動(dòng)發(fā)電機(jī)。然后，它沿相反方向旋轉(zhuǎn)，并在驅(qū)動(dòng)軸上施加加速力以提供增壓。該系統(tǒng)每分鐘最高可達(dá)40,000轉(zhuǎn)。

主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是將大功率系統(tǒng)安裝在狹小的空間內(nèi)，重量輕，并應(yīng)對(duì)極端環(huán)境的溫度和振動(dòng)。 Magneti Marelli正在開(kāi)發(fā)一種名為ERS的新版本，它將制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能恢復(fù)與從熱廢氣中回收的能量恢復(fù)相結(jié)合，將兩者連接到連接到驅(qū)動(dòng)軸的電動(dòng)發(fā)電機(jī)。

對(duì)于更商業(yè)化的系統(tǒng)，沃爾沃開(kāi)發(fā)了一個(gè)使用輕型飛輪捕捉能量的版本。英國(guó)對(duì)Flybrid技術(shù)的測(cè)試顯示，汽車性能提高了80馬力，同時(shí)將燃油消耗降低了四分之一。該公司與領(lǐng)先的KERS技術(shù)供應(yīng)商Flybrid Automotive合作，后者是Torotrak集團(tuán)的一部分。 Flybrid和Torotrak正在開(kāi)發(fā)類似的技術(shù)，Torotrak在2014年收購(gòu)了其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

圖1：由Flybrid和Torotrak開(kāi)發(fā)的沃爾沃KERS能量回收系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是前輪驅(qū)動(dòng)乘用車中后橋安裝飛輪系統(tǒng)的首次全面試驗(yàn)，是Flybrid，沃爾沃和瑞典政府合作的結(jié)果。當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，動(dòng)能用于旋轉(zhuǎn)6千克碳纖維飛輪，速度高達(dá)每分鐘60,000轉(zhuǎn)。當(dāng)汽車再次開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，存儲(chǔ)在旋轉(zhuǎn)飛輪中的能量通過(guò)專門設(shè)計(jì)的變速器傳遞回后輪，并且可以增加動(dòng)力或減少發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。一旦制動(dòng)開(kāi)始，驅(qū)動(dòng)前輪的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)關(guān)閉，這樣當(dāng)飛機(jī)再次離開(kāi)時(shí)，飛輪中的能量可用于加速車輛。由于飛輪通過(guò)制動(dòng)激活，因此能量?jī)?chǔ)存很短，因此非常適合在繁忙的城市交通中節(jié)省燃料。

實(shí)驗(yàn)性的Flybrid飛輪直徑為20厘米，由一個(gè)組合而成鋼轂和碳纖維外殼。碳纖維輪在真空中旋轉(zhuǎn)，以最大限度地減少摩擦損失。

圖2：Flybrid碳纖維飛輪。

以類似的方式，英國(guó)工程公司GKN一直在與奧迪合作開(kāi)發(fā)新一代Gyrodrive飛輪混合動(dòng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)。 GKN將儲(chǔ)能容量提高到4 MJ和平均額定功率，同時(shí)保持相同的尺寸和質(zhì)量。該系統(tǒng)位于駕駛員旁邊，每圈可提供高達(dá)4 MJ的能量，可隨時(shí)存儲(chǔ)多達(dá)750 K焦耳。在加速時(shí)，Gyrodrive將能量輸送回前軸，在那里產(chǎn)生超過(guò)200kW的功率。

該技術(shù)的商業(yè)版本也在英國(guó)的公共汽車上使用，節(jié)省了燃料。 GKN正在擴(kuò)大產(chǎn)量，作為計(jì)劃在全球范圍內(nèi)提供該技術(shù)作為電池混合動(dòng)力的可行替代品的計(jì)劃的一部分。

其他技術(shù)使用高密度電容器系統(tǒng)，如超級(jí)電容器或超級(jí)電容器。

印度的Matlab工程師開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型，顯示當(dāng)制動(dòng)能量存儲(chǔ)在鋰離子電池和超級(jí)電容器中時(shí)如何使用KERS。該模型使用Matlab的SimElectronics和Simscape工具來(lái)支持系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，其中KERS性能是三個(gè)主要組件（電池，超級(jí)電容器和電動(dòng)發(fā)電機(jī)）以及能源管理策略之間復(fù)雜的權(quán)衡。

圖3：Matlab KERS仿真。

挑戰(zhàn)在于KERS系統(tǒng)增加了質(zhì)量，減少了由于發(fā)動(dòng)機(jī)和來(lái)自制動(dòng)的儲(chǔ)存電能必須大于補(bǔ)償。鋰離子電池每單位質(zhì)量的能量非常高，但每單位質(zhì)量的功率很低，而超級(jí)電容器每單位質(zhì)量的能量相對(duì)較低，但每單位質(zhì)量的功率非常高，適合這種特殊應(yīng)用。具有擴(kuò)展溫度范圍的超級(jí)電容器，例如-40°C至+ 85°C，例如來(lái)自Kemet的1F FT0H105ZF或來(lái)自Maxwell Technologies的5F BCAP0005，使用多層結(jié)構(gòu)，以提供更高的容量來(lái)提供來(lái)自KERS系統(tǒng)迅速建立在已建立的雙電層電容器（EDLC）技術(shù)的基礎(chǔ)上。

這些電池和超級(jí)電容器KERS系統(tǒng)需要專門的電源管理技術(shù)，該技術(shù)還能夠承受汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的極端環(huán)境并最大限度地減輕重量。這些超級(jí)電容器的工作電壓約為2.7 V，與電源管理器件相匹配。

Maxim Integrated的MAX16920電源管理IC集成了三個(gè)高壓降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，一個(gè)高壓線性穩(wěn)壓器和一個(gè)過(guò)壓保護(hù)模塊，以減小功率控制的尺寸和復(fù)雜性系統(tǒng)。它工作在-40°C至+ 125°C溫度范圍，采用緊湊型，耐熱增強(qiáng)型32引腳TQFN封裝，尺寸為7 mm x 7 mm。

圖4：Maxim的MAX16920為KERS系統(tǒng)提供DC-DC轉(zhuǎn)換器。

三個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器提供150 mA，600 mA和1.5 A，而線性穩(wěn)壓器具有高達(dá)150毫安。該器件的輸入電壓介于5.5 V至28 V之間，可承受45 V的瞬態(tài)電壓，非常適合汽車應(yīng)用。它還針對(duì)高效率和低待機(jī)電流進(jìn)行了優(yōu)化，以確保存儲(chǔ)在電池和超級(jí)電容器中的盡可能多的能量用于為車輛提供動(dòng)力。

KERS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員可以從電動(dòng)汽車引入的電源管理技術(shù)中受益。德州儀器（TI）的bq76PL536ATPAPTQ1是一款可堆疊的三至六節(jié)串聯(lián)鋰離子電池組保護(hù)器和模擬前端（AFE）。這包括管理電池的關(guān)鍵要素：精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）;獨(dú)立電池電壓和溫度保護(hù);細(xì)胞平衡;和一個(gè)精密的5 V穩(wěn)壓器，為附加控制電路提供電源。

圖5：德州儀器的bq76PL5536A可堆疊在一起進(jìn)行管理KERS系統(tǒng)中的192個(gè)鋰電池。

為了幫助KERS設(shè)計(jì)人員結(jié)合他們所需的不同技術(shù)，bq76PL536ATPAPTQ1還集成了電壓轉(zhuǎn)換和精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，可以高精度測(cè)量電池電壓和速度。該系統(tǒng)還將根據(jù)KERS的功率要求進(jìn)行擴(kuò)展，因?yàn)樵撛O(shè)備可以垂直堆疊以監(jiān)控多達(dá)192個(gè)單元，而控制器之間無(wú)需額外的隔離組件。每個(gè)器件之間都有一個(gè)高速串行外設(shè)接口（SPI）總線，以便在整個(gè)電池組中提供可靠的通信。

結(jié)論

支持新一代KERS能源的組件 - 電動(dòng)，混合動(dòng)力和傳統(tǒng)車輛的采伐技術(shù)正在迅速普及。鋰離子電池組，超級(jí)電容器和電源管理設(shè)備的組合使得能夠以不同方式回收更多能量。將其送回車輛可降低燃料消耗，延長(zhǎng)范圍和電池壽命，并為制造商和用戶提供優(yōu)勢(shì)。電源管理子系統(tǒng)需要映射到能量收集技術(shù)，但現(xiàn)在這些已經(jīng)出現(xiàn)，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員提供了所需的選項(xiàng)。