幹貨+科普:混合動力的儲能方式有哪些

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本文作者袁嘯宇,北京理工大學車輛工程專業,關註智能汽車領域。

上篇《幹貨+科普:什麼是混合動力技術》談及瞭混合動力汽車的意義,作為續篇,本文將介紹制動能量回收的幾種典型能量存儲方式,為各位讀者梳理一下該類技術的發展現狀。

目前具有代表性的用於行駛車輛的能量儲存方式有以下三種:

飛輪蓄能

飛輪蓄能是機械蓄能的一種形式,以慣性能(動能)的方式,將能量儲存在高速旋轉的飛輪中。

當車輛制動時,飛輪蓄能系統托動飛輪加速,將車身的慣性動能轉化為飛輪的旋轉動能。當車輛需起動或加速時,飛輪減速,釋放其旋轉動能給車身。

按構成材料劃分,飛輪主要有兩種:金屬制飛輪與超級飛輪

金屬制飛輪以鋼制飛輪為主,能量密度較低,價廉且宜於加工;而超級飛輪選用強度較高的碳素纖維材料制造,轉速極高,最大可以達到 78 000R/Min,能量密度高,是鋼制飛輪的 10 倍。為瞭減少空氣阻力損耗,可以將飛輪運行於真空罩中,而目前這方面的前沿研究是飛輪軸承采用高溫超導磁懸浮技術。高速飛輪

真空罩內,碳纖維包裹的高速飛輪

在設計飛輪時,既要考慮本身強度,又需註意系統的共振及穩定性,這裡就不展開瞭。

飛輪混合動力系統的應用實例是 F1 的 KERS 系統,在保留 F1 賽車原有動力總成的基礎上,加裝由 IVT(Infinitely Variable Transmission,無限變速器,和傳統 CVT 相比特點在於速比變化范圍極大)和真空飛輪構成的機械動能回收系統。沃爾沃正在嘗試將 F1上的KERS技術應用在瞭量產車型上,技術合作方是為 F1 車隊提供技術支持的 Torotrak 與 Flybrid System 公司。

Flybrid動能回收CVT - 副本

Torotrak 供應的大傳動比無級變速箱,與傳統鋼帶式無級變速原理不同

 

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Flywheel KERS

飛輪儲能的應用領域非常廣闊,除瞭汽車之外,還經常用於 UPS (不間斷電源系統) ;美國航母上的電磁彈射器也借助飛輪原理,提供瞬時大電流;有研究人員使用飛輪提供核聚變所需要的瞬時能源。

液壓蓄能

液壓蓄能以液壓能的方式儲存能量。

系統由一個具有可逆作用的泵馬達實現蓄能器中的液壓能與車輛動能之間的轉化,即在車輛制動時,蓄能系統將泵馬達以泵的形式工作,車輛行駛的動能帶動泵旋轉,將高壓油壓入蓄能器中,實現動能到液壓能的轉化;在車輛起動或加速時,蓄能系統再將泵馬達以馬達的形式工作,高壓油從蓄能器中輸出,帶動馬達工作,實現液壓能到車輛動能的轉化。

蓄能器主要有重錘式、彈簧式和充氣式,其中以氣體儲能器使用最為廣泛。該儲能器是在鋼制的壓力容器內裝有氣體和油,中間以某種材料隔開,按隔離方式分為活塞式和皮囊式兩種,都是利用密封氣體的可壓縮性原理制成。

液壓儲能的能量密度比飛輪儲能與蓄電池儲能都小,但其在三者中,具有最大的功率密度,能在車輛起步和加速時提供給車輛所需要的大扭矩。同時,液壓儲能系統可較長時間儲能,各個部件技術成熟,工作可靠,整個系統實現技術難度小,便於實際商業化應用。

液壓儲能的應用實例包括 PSA(標致雪鐵龍集團)的Hybrid Air技術,相比油電混動,Hybrid Air 的優點在於結構簡單、成本低、可靠性高。不存在電池壽命問題,理論上可以做到整套系統與車輛同壽命,降低成本。

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Hybird Air

而該技術的潛在缺點包括,儲存能量不足導致的混合深度可能有限,另外壓縮釋放空氣還會出現震動、噪音控制問題。

目前這項技術尚處於研發階段,根據雪鐵龍官方給出的信息——在城市道路上節油能達到 45%,在綜合道路上則能達到 35%。此項技術與 1.2VTi 發動機搭配裝在雪鐵龍 C3 上,已經能夠實現 2.9L 的百公裡油耗。而據雪鐵龍的技術人員稱,他們的終極目標,是要做到 2.0L/ 百公裡。如果屆時量產車型能達到這樣的效果,Hybrid Air 有可能會成為混合動力中的另一大分支技術而受到更廣泛的應用。

電池儲能

油電混合是最主流的混合動力原理。系統以具有可逆作用的發電機/電動機實現電池中的電能和車輛動能的轉化。

在車輛制動時,發電機/電動機以發電機形式工作,車輛行駛的動能帶動發電機將車輛動能轉化為電能並儲存在電池中。在車輛起動或加速時,發電機/電動機作為電動機驅動汽車。

電池儲能的功率密度低,過充電、過放電和頻繁充放電都會影響壽命,不能迅速轉化吸收大量能量,難以滿足車輛在制動或起動時的功率需求。因此人們開發瞭車用超級電容,可以適應瞬間充放電和頻繁充放電,循環壽命長,受低溫影響小,電量檢測方便,而且超級電容器的生產成本每年都在以低於 10% 的比例減少。

但是超級電容也有能量密度與電池差距較大、容易漏電等缺點,無法長期儲存能量,所以也有研究人員在嘗試電池電容混合的電力系統,同時兼顧電容充放電迅速和電池能量密度相對較大的優點,用電容進行緊急充放電,用電池長期儲存能量,電池和電容分工合作。

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