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混合动力的储能方式 [复制链接]

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目前具有代表性的用于行驶车辆的能量储存方式有以下三种:

  飞轮蓄能

  飞轮蓄能是机械蓄能的一种形式,以惯性能(动能)的方式,将能量储存在高速旋转的飞轮中。

  当车辆制动时,飞轮蓄能系统托动飞轮加速,将车身的惯性动能转化为飞轮的旋转动能。当车辆需起动或加速时,飞轮减速,释放其旋转动能给车身。

  按构成材料划分,飞轮主要有两种:金属制飞轮与超级飞轮。

  金属制飞轮以钢制飞轮为主,能量密度较低,价廉且宜于加工;而超级飞轮选用强度较高的碳素纤维材料制造,转速极高,最大可以达到78000R/Min,能量密度高,是钢制飞轮的10倍。为了减少空气阻力损耗,可以将飞轮运行于真空罩中,而目前这方面的前沿研究是飞轮轴承采用高温超导磁悬浮技术。

  真空罩内,碳纤维包裹的高速飞轮

  在设计飞轮时,既要考虑本身强度,又需注意系统的共振及稳定性,这里就不展开了。

  飞轮混合动力系统的应用实例是F1的KERS系统,在保留F1赛车原有动力总成的基础上,加装由IVT(InfinitelyVariableTransmission,无限变速器,和传统CVT相比特点在于速比变化范围极大)和真空飞轮构成的机械动能回收系统。沃尔沃正在尝试将F1上的KERS技术应用在了量产车型上,技术合作方是为F1车队提供技术支持的Torotrak与FlybridSystem公司。

  Torotrak供应的大传动比无级变速箱,与传统钢带式无级变速原理不同

  FlywheelKERS

  飞轮储能的应用领域非常广阔,除了汽车之外,还经常用于UPS(不间断电源系统);美国航母上的电磁弹射器也借助飞轮原理,提供瞬时大电流;有研究人员使用飞轮提供核聚变所需要的瞬时能源。

  液压蓄能

  液压蓄能以液压能的方式储存能量。

  系统由一个具有可逆作用的泵马达实现蓄能器中的液压能与车辆动能之间的转化,即在车辆制动时,蓄能系统将泵马达以泵的形式工作,车辆行驶的动能带动泵旋转,将高压油压入蓄能器中,实现动能到液压能的转化;在车辆起动或加速时,蓄能系统再将泵马达以马达的形式工作,高压油从蓄能器中输出,带动马达工作,实现液压能到车辆动能的转化。

  蓄能器主要有重锤式、弹簧式和充气式,其中以气体储能器使用最为广泛。该储能器是在钢制的压力容器内装有气体和油,中间以某种材料隔开,按隔离方式分为活塞式和皮囊式两种,都是利用密封气体的可压缩性原理制成。

  液压储能的能量密度比飞轮储能与蓄电池储能都小,但其在三者中,具有最大的功率密度,能在车辆起步和加速时提供给车辆所需要的大扭矩。同时,液压储能系统可较长时间储能,各个部件技术成熟,工作可靠,整个系统实现技术难度小,便于实际商业化应用。

  液压储能的应用实例包括PSA(标致雪铁龙集团)的HybridAir技术,相比油电混动,HybridAir的优点在于结构简单、成本低、可靠性高。不存在电池寿命问题,理论上可以做到整套系统与车辆同寿命,降低成本。

  而该技术的潜在缺点包括,储存能量不足导致的混合深度可能有限,另外压缩释放空气还会出现震动、噪音控制问题。

  目前这项技术尚处于研发阶段,根据雪铁龙官方给出的信息——在城市道路上节油能达到45%,在综合道路上则能达到35%。此项技术与1.2VTi发动机搭配装在雪铁龙C3上,已经能够实现2.9L的百公里油耗。而据雪铁龙的技术人员称,他们的终极目标,是要做到2.0L/百公里。如果届时量产车型能达到这样的效果,HybridAir有可能会成为混合动力中的另一大分支技术而受到更广泛的应用。

  电池储能

  油电混合是最主流的混合动力原理。系统以具有可逆作用的发电机/电动机实现电池中的电能和车辆动能的转化。

  在车辆制动时,发电机/电动机以发电机形式工作,车辆行驶的动能带动发电机将车辆动能转化为电能并储存在电池中。在车辆起动或加速时,发电机/电动机作为电动机驱动汽车。

  电池储能的功率密度低,过充电、过放电和频繁充放电都会影响寿命,不能迅速转化吸收大量能量,难以满足车辆在制动或起动时的功率需求。因此人们开发了车用超级电容,可以适应瞬间充放电和频繁充放电,循环寿命长,受低温影响小,电量检测方便,而且超级电容器的生产成本每年都在以低于10%的比例减少。

  但是超级电容也有能量密度与电池差距较大、容易漏电等缺点,无法长期储存能量,所以也有研究人员在尝试电池电容混合的电力系统,同时兼顾电容充放电迅速和电池能量密度相对较大的优点,用电容进行紧急充放电,用电池长期储存能量,电池和电容分工合作。
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