一、 基本原理:
节能汽车动力技术的实质,就是将电驱动系统(电机,电机功率控制器,与电池)作为发动机的辅助动力结合到汽车动力结构中,实现下列三大节能效果:
发动机效率点运行,及其功率和尺寸的缩减;
低速、怠速时发动机停机,全电动模式;
动能的刹车回收储存,及加速时释放。
丰田Prius的深度混合动力系统HSD实现上述三大节能效果比较成功,但受量产低成本的镍氢电池的功率制约,刹车功率仅有不足30千瓦通过一台驱动电机和控制器进入镍氢电池,剩余动能被机械刹车消耗,浪费了总装机超过100千瓦的双电机容量。另一方面,其车辆加速的辅助动力性能也受到电池组的输出功率限制。
下表:各典型驾驶路况及其可回收动能的总量比较:
典型驾驶路况速度数据 |
EPA75 Urban |
Austr. Urban |
ECE-15 |
Japan1015 |
New York City | |
驱动能量(KJ) |
总量 |
4000 |
6480 |
3478 |
1675 |
998 |
/公里 |
377 |
606 |
437 |
402 |
519 | |
刹车动能(KJ) |
总量 |
1934 |
4195 |
953 |
888 |
878 |
/公里 |
182 |
392 |
120 |
213 |
461 | |
刹车动能在总驱动能量中的占比(%) |
48.3 |
64.7 |
27.5 |
53.0 |
88.8 |
从上表可以看出,可回收的车辆动能占所需的总驱动能量很大的比重,由此充分显示了车辆动能回收的重要性。而飞轮混动系统由于其大功率、高效率的功率吸收能力,几乎完全可以避免机械刹车的使用,充分回收动能,从而大大改进了日系混合动力系统的弱点。
通过对各典型驾驶路况的速度数据为基准的均值仿真,以及0到100公里加速的仿真,可以看出,海科的飞轮混动系统在使用相同功率的电驱动零部件时(为方便量化指标的生成,并和已有的汽车动力系统进行比较,特选择适用于丰田Prius相同功率的发动机、双电机、双功率控制器来作为飞轮辅助动力系统所配套的整车动力系统的具体零部件配置),动力性能与油耗指标明显优于丰田Prius(见下表)。此外,在示范系统使用同样容量的低成本镍氢电池的前提下,电池需承担的大功率放电次数大大减少,延长了电池寿命。
下表:使用海科的飞轮混动系统的车辆与日系车的加速性能和油耗对比:
车型或技术方案 |
丰田Prius |
丰田Camry-H |
丰田Highlander |
海科的飞轮混动系统 |
0-100km 加速用时(s) |
11 |
9 |
7.5 |
<8 |
油耗(mpg) |
50 |
40 |
29 |
40 |
可否四驱 |
否 |
否 |
是 |
是 |
二、海科"电动式"飞轮混动系统的技术优势:
1,与“储能式”飞轮混动系统相比,海科的“电动式”飞轮混动系统通过行星齿轮机构以机械耦合的方式直接进行动能传输,不需要动能-电能-化学能的四重转换,刹车动能利用效率高;而调速电机进行辅助功率和能量管理,这样就将电力传动系统的容量要求大大降低。
2,与“机械式”飞轮混动系统相比,海科使用的是机电一体化的控制系统,以电机通过行星齿轮调速机构取代了“机械式”的CVT调速机构,可以通过电机随时补充飞轮能量,飞轮运行不需真空装置;
相比CVT控制的非线形,采用电机的矢量控制可以达到很好的动态控制,实现理想的平顺性和一致性;而使用行星齿轮机构可以有效解决高扭矩连接问题;
3,海科的飞轮限速25,000rpm,大大低于其它车载飞轮动力系统;半径设计保守,离心强度超过其它产品的两倍;高强度保护罩、飞轮失效保护装置、抵消陀螺效应的结构设计;
4,适用于多种汽车动力结构,即可无缝集成到电动汽车和多种形式的混合动力汽车,也可适用于轿车和重型商用车,还可作为子系统融入到改装车的原有动力系统中。
三、核心技术:
海科新能源的核心技术,集中体现在机械集成、电气集成、系统控制三个方面,在现有新能源汽车动力技术上实现突破性创新。为此,海科新能源拥有并正在申报多项专利,形成了完整的IP体系。
下表:海科核心技术人员作为专利权人的有关飞轮混动技术的部分专利内容
专利号 |
专利名称 |
专利范围 |
专利权人名称 |
GB2405129 |
Kinetic energy storage system |
英国 |
Chris Ellis |
PCT/GB2007/001786 |
CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION DEVICE |
全世界 |
Chris Ellis |
US 5931249 |
Kinetic energy storage system |
美国 |
Chris Ellis |
US Patent Application No. 60/826,010 |
Integrated Flywheel-Assisted Hybrid Electric Drive Systems |
美国 |
廖越峰 |
US Patent Application No. 60/826,016 |
Flywheel-Assisted Hybrid Transmission with Neutralized Gyroscopic Effect |
美国 |
廖越峰 |
核心技术 |
核心技术内容 |
专利内容 |
动力拓扑结构创新(结构创新)
|
将飞轮控制电机与汽车传动系统,以创新的结构通过行星齿轮连接起来,再用创新的控制方法实现新颖的电混合无极变速,将飞轮功率以控制电机额定功率的2到3倍输入输出。实现了飞轮与汽车传动系统间大于50%的直接功率传递,将昂贵的飞轮控制电机及控制器的额定功率、重量、体积和成本减半之余,系统的动力系能不减反增,能量转化效率也大大提高。 |
“电动式”飞轮混动系统的总体结构和原理 |
系统动力控制技术创新(技术创新) |
飞轮系统能量转化效率的****化;
飞轮与电池系统储能状态的优化保持,及辅助动力稳定性的维持;
系统辅助动力输出控制、以及与发动机的出功分配等等一系列动力优化的控制策略创新。 |
系统控制类:“电动式”飞轮混动系统的系统控制策略和装置。
电气集成类:电磁离合器配飞轮;超速离合器配飞轮;飞轮失效保护装置。 |
高速飞轮与行星齿轮技术创新(工艺创新) |
特殊的行星排和飞轮设计等 |
机械集成类:单行星排,机械飞轮储能装置;双行星排,机械飞轮储能装置;双行星轮;飞轮到齿轮花键套;新的油封装配形式;飞溅式和离心式强制结合的特殊润滑结构及高速油封的应用;膨胀腔问题解决方案。 |
灵活集成到各种新能源汽车动力结构中的创新(应用创新) |
将重度混合动力或纯电动汽车动力结构中本来就需要的大功率驱动电机作为转化飞轮功率的一个环节。同时由于飞轮的大功率输出能力,使车辆在低速状态下加速时,无需启动发动机,避免了其在低速区间不节能地运行,使发动机仅在达到高效率的高速工作点时再启动。此项功能绕过了制约我国深度混合动力发展的发动机复杂控制技术的瓶颈,绕过了日系车深度混合动力拓扑专利壁垒。 |
“电动式”飞轮混动系统的总体结构和原理 |
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