应用于车辆运动中的动能回收系统得设计

本文着眼于越来越流行的动能回收系统（KERS）技术，以从车辆运动中获取能量。它着眼于不同类型的技术，从飞轮到双层电容器和超级电容器，具有燃料效率的优势，以及必要的高可靠性支持，汽车级电源管理电子设备，用于捕获，存储和控制产生的能量。

从汽车系统中回收能源是下一代汽车发展中越来越重要的一部分。这种动能的收获正以几种不同的方式实现，并与不同类型的存储和电源管理技术相结合。

KERS的概念，动能回收系统，从一级方程式开始，现在是作为减少燃料消耗的一种方式，在更多的商用车辆中出现。在一级方程式中，制动时存储的能量可供飞行员使用，飞行员可以决定在特定情况下重复使用，例如通过按钮直接超车时加速。

Magneti Marelli在意大利开发的电气系统通过电机直接连接到驱动轴，因此在制动时，同一轴充当发电机，将运动转换为电能。通过控制单元，电流为锂离子电池充电。另一方面，在加速时，当飞行员操作动力提升时，从电池获取动能，并且再次通过电子控制单元将其发送到电动发电机。然后，它沿相反方向旋转，并在驱动轴上施加加速力以提供增压。该系统每分钟最高可达40,000转。

主要的技术挑战是将大功率系统安装在狭小的空间内，重量轻，并应对极端环境的温度和振动。 Magneti Marelli正在开发一种名为ERS的新版本，它将制动过程中的动能恢复与从热废气中回收的能量恢复相结合，将两者连接到连接到驱动轴的电动发电机。

对于更商业化的系统，沃尔沃开发了一个使用轻型飞轮捕捉能量的版本。英国对Flybrid技术的测试显示，汽车性能提高了80马力，同时将燃油消耗降低了四分之一。该公司与领先的KERS技术供应商Flybrid Automotive合作，后者是Torotrak集团的一部分。 Flybrid和Torotrak正在开发类似的技术，Torotrak在2014年收购了其竞争对手。

图1：由Flybrid和Torotrak开发的沃尔沃KERS能量回收系统。

该系统是前轮驱动乘用车中后桥安装飞轮系统的首次全面试验，是Flybrid，沃尔沃和瑞典政府合作的结果。当汽车制动时，动能用于旋转6千克碳纤维飞轮，速度高达每分钟60,000转。当汽车再次开始移动时，存储在旋转飞轮中的能量通过专门设计的变速器传递回后轮，并且可以增加动力或减少发动机的负荷。一旦制动开始，驱动前轮的传统发动机就会关闭，这样当飞机再次离开时，飞轮中的能量可用于加速车辆。由于飞轮通过制动激活，因此能量储存很短，因此非常适合在繁忙的城市交通中节省燃料。

实验性的Flybrid飞轮直径为20厘米，由一个组合而成钢毂和碳纤维外壳。碳纤维轮在真空中旋转，以最大限度地减少摩擦损失。

图2：Flybrid碳纤维飞轮。

以类似的方式，英国工程公司GKN一直在与奥迪合作开发新一代Gyrodrive飞轮混合动力储能系统。 GKN将储能容量提高到4 MJ和平均额定功率，同时保持相同的尺寸和质量。该系统位于驾驶员旁边，每圈可提供高达4 MJ的能量，可随时存储多达750 K焦耳。在加速时，Gyrodrive将能量输送回前轴，在那里产生超过200kW的功率。

该技术的商业版本也在英国的公共汽车上使用，节省了燃料。 GKN正在扩大产量，作为计划在全球范围内提供该技术作为电池混合动力的可行替代品的计划的一部分。

其他技术使用高密度电容器系统，如超级电容器或超级电容器。

印度的Matlab工程师开发了一个模型，显示当制动能量存储在锂离子电池和超级电容器中时如何使用KERS。该模型使用Matlab的SimElectronics和Simscape工具来支持系统级设计，其中KERS性能是三个主要组件（电池，超级电容器和电动发电机）以及能源管理策略之间复杂的权衡。

图3：Matlab KERS仿真。

挑战在于KERS系统增加了质量，减少了由于发动机和来自制动的储存电能必须大于补偿。锂离子电池每单位质量的能量非常高，但每单位质量的功率很低，而超级电容器每单位质量的能量相对较低，但每单位质量的功率非常高，适合这种特殊应用。具有扩展温度范围的超级电容器，例如-40°C至+ 85°C，例如来自Kemet的1F FT0H105ZF或来自Maxwell Technologies的5F BCAP0005，使用多层结构，以提供更高的容量来提供来自KERS系统迅速建立在已建立的双电层电容器（EDLC）技术的基础上。

这些电池和超级电容器KERS系统需要专门的电源管理技术，该技术还能够承受汽车传动系统的极端环境并最大限度地减轻重量。这些超级电容器的工作电压约为2.7 V，与电源管理器件相匹配。

Maxim Integrated的MAX16920电源管理IC集成了三个高压降压DC-DC转换器，一个高压线性稳压器和一个过压保护模块，以减小功率控制的尺寸和复杂性系统。它工作在-40°C至+ 125°C温度范围，采用紧凑型，耐热增强型32引脚TQFN封装，尺寸为7 mm x 7 mm。

图4：Maxim的MAX16920为KERS系统提供DC-DC转换器。

三个降压转换器提供150 mA，600 mA和1.5 A，而线性稳压器具有高达150毫安。该器件的输入电压介于5.5 V至28 V之间，可承受45 V的瞬态电压，非常适合汽车应用。它还针对高效率和低待机电流进行了优化，以确保存储在电池和超级电容器中的尽可能多的能量用于为车辆提供动力。

KERS系统开发人员可以从电动汽车引入的电源管理技术中受益。德州仪器（TI）的bq76PL536ATPAPTQ1是一款可堆叠的三至六节串联锂离子电池组保护器和模拟前端（AFE）。这包括管理电池的关键要素：精密模数转换器（ADC）;独立电池电压和温度保护;细胞平衡;和一个精密的5 V稳压器，为附加控制电路提供电源。

图5：德州仪器的bq76PL5536A可堆叠在一起进行管理KERS系统中的192个锂电池。

为了帮助KERS设计人员结合他们所需的不同技术，bq76PL536ATPAPTQ1还集成了电压转换和精密模数转换器系统，可以高精度测量电池电压和速度。该系统还将根据KERS的功率要求进行扩展，因为该设备可以垂直堆叠以监控多达192个单元，而控制器之间无需额外的隔离组件。每个器件之间都有一个高速串行外设接口（SPI）总线，以便在整个电池组中提供可靠的通信。

结论

支持新一代KERS能源的组件 - 电动，混合动力和传统车辆的采伐技术正在迅速普及。锂离子电池组，超级电容器和电源管理设备的组合使得能够以不同方式回收更多能量。将其送回车辆可降低燃料消耗，延长范围和电池寿命，并为制造商和用户提供优势。电源管理子系统需要映射到能量收集技术，但现在这些已经出现，为系统开发人员提供了所需的选项。