基于飞轮储能的电动汽车传动系统耦合特性分析文献综述

文献综述

本课题研究的现状及发展趋势：

1.研究现状

最早的电动汽车主要采用的都是机械式传动系统，结构类似于传统的内燃机汽车，以电动机取代发动机，配备的驱动电机一般具有较小的转矩与较高的转速等特点，而配备的变速器大多结构较为复杂^[1]。但由于其零部件多、在传动效率方面受到比较大的限制，无法在性能上满足电动汽车的设计需求。混合动力电动车被认为是目前解决汽车节能和环保问题的有效途径之一。其传动系统直接影响动力合成与分解性能、再生制动性能、工作模式完善程度和切换的灵活性与平顺性以及整车的控制策略等，对混合动力汽车动力性和燃油经济性有很大影响^[2]。目前，世界各国科研机构和相关厂商纷纷提出自己的混合动力传动方案，如丰田公司的 THS方案，本田公司的IMA方案和通用公司的TWO-MODE 混合动力系统等。美国罗森汽车公司（Rosen motor）1993 年开始研究混合动力汽车，采用功率仅为 30KW 的涡轮发动机和飞轮储能系统共同驱动汽车。飞轮可以储存1kWh的能量，并于1997年进行了道路试验，将该系统装在土星汽车上后，汽车从静止加速到100km/h只须6秒，即使长期被搁置不用，飞轮也可以在涡轮发动机的带动下，2分钟内恢复其工作转速^[3]。

飞轮蓄能利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机械能储存起来，在需要时飞轮带动发电机发电^[4]。飞轮储能装置主要包括三个核心器件：飞轮、电机和电力电子装置，它最基本的工作原理是可以将外界输送过来的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，而空闲运转的时候要求损耗非常小^[5]。

飞轮储能系统用于电力调峰具有储能、释能速度快，效率高，同时不受地理环境影响的优点。当用电低谷时，将产生的多余电力用于驱动飞轮储能；当用电高峰时，飞轮带动发电机运行，通过电力电力设备将机械能转化为与电网匹配的电能^[6]。2008年，美国Beacon Power公司在马萨诸塞州的 Tyngsboro 建设的一座5MW飞轮储能调峰、调频电厂投入商业使用，电厂总效率达到85%，该系统响应时间为 4s，相比较于需要5min响应时间的传统发电机调节来说优势很明显。针对车载飞轮电池在不同工况下振动及磁悬浮轴承非线性和本质不稳定性的特点，开发了基于单神经元的 PID控制软件，利用单神经元的自学习能力并通过加权系数自适应地对 PID 各控制参数进行调整，使得控制器的输出为 PID各控制参数的非线性组合，克服了单一 PID 控制参数无法满足系统动态性能需要及控制参数整定困难的缺点^[7]。通过仿真分析和飞轮转子系统的高速运行试验，对比研究了不完全微分 PID策略和单神经元自适应 PID策略的控制效果。研究结果表明，与不完全微分 PID 策略相比，单神经元自适应 PID策略具有无超调、鲁棒性好、调节时间短等优点，飞轮转子系统具有更好的动态性能。对于纯电动汽车传动系统传动比的优化设计，目前基本原则为：尽量提高经济性的同时，保证动力性。同原燃油汽车的设计标准一致，只是电动汽车要结合电机的特性，满足一定的动力性要求^[8]。从目前学者和研究机构对传动比优化的成果来看，传动比优化过程所建立的函数大多为单目标函数或者双目标函数，利用单目标函数很容易顾此失彼，双目标函数相对理想，故文中分别在动力和经济两方面对电动汽车传动系统传动比进行优化，最后结合Matlab软件进行编程和仿真，对优化后的传动系统传动比进行汽车性能方面的验算。重点研究某匹配两挡机械自动变速器（2AMT）的小型纯电动车电驱动传动系存在的扭转振动问题。传动系统包括驱动电机、双速变速器总成、主减速器差速器总成、半轴和车轮，根据其传动链建立了完整的扭转振动力学模型。为了详细讨论驱动电机的电磁转矩激励对整个传动系的影响，驱动电机采用空间矢量模型^[9]。在 MATLAB/Simulink 中，将传动系统振动模型转换成系统仿真模型，并分别研究了驱动电机的电磁转矩控制参数和轮胎刚度对整个传动系统振动的影响^[11-14]。通过匹配分析，该小型纯电动汽车传动系的扭转振动得到了优化^[15,16]。Michael等人采用鲁棒自适应控制策略，保证旋翼直升机传动系统的复合材料转子超临界转速稳定运行^[17]。Magnus Hedlund等人将PID控制与LQ（linearquadratic）控制器相结合，使转子平稳越过两阶临界转速，并有效抑制了转子的振动^[18]。

2.发展趋势

由于原油储量的不断减少和汽车尾气排放对环境污染的日益严重，能量储存和再利用技术已成为一个世界性问题。随着家用汽车的快速普及，汽车节能和减排问题变得越来越重要。

目前，世界各国的科学家都在不断努力寻找清洁、无污目前，世界各国的科学家都在不断努力寻找清洁、无污染的燃油发动机的替代物，包括铅酸电池、镍镉电池、超级电容、储能飞轮等。其中铅酸电池已开始被应用在电动汽车上作为动力系统，但由于其储能密度低、对环境有污染等缺点，不能满足节能和节。当汽车下坡和制动减速时，回收多余的能量，利用高速旋转飞轮转子存储；当汽车上坡、启动和加速时，飞轮释放能量辅助发动机对车辆驱动，从而在提高车辆性能的同时减少能源浪费。对应同等级别的汽车，安装飞轮储能系统后，可以采用相对小的发动机来提供动力，实现节能和减排的目的。

国家工业和信息化部发布《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》时，特别将高效储能器作为解决新能源途径之一写入了规则，作为高效储能器的代表，飞轮储能在汽车上应用有着巨大潜力。