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電動研習(xí)社:動能回收的那些小門道

2021-12-20 17:31:09 作者:問答叫獸
動能回收的幾種案例

純電動汽車如何提高電池壽命?為了解決這個問題,廠商們已經(jīng)將純電動汽車武裝到了牙齒,比如不斷改進(jìn)動力電池技術(shù),不斷降低風(fēng)阻,甚至對輪圈采用了所謂的“低風(fēng)阻輪圈”。就提高電池壽命而言,其實還有一項技術(shù)是我們不能忽視的,那就是動能回收。除了讓純電動汽車行駛之外,它還會獲得與燃油車完全不同的感覺。你知道它過去的生活和它給我們帶來的好處嗎?

● F1還配備動能回收系統(tǒng)。

在講純電動汽車動能回收之前,我們先來看三種能量回收的例子。它們本質(zhì)上不同于純電動汽車,應(yīng)用不同的技術(shù)原理和邏輯,達(dá)到不同的效果和目的,但都是“回收本來會浪費的能量”的方案。比如2021年,F(xiàn)1推出了“機械飛輪動能回收系統(tǒng)”,目的是通過技術(shù)儲存能量。當(dāng)車輛需要更多動力時,能量會在短時間內(nèi)釋放出來,這與如今新能源汽車所使用的動能回收系統(tǒng)不同。

機械飛輪動能回收系統(tǒng)原理簡單。一般來說,我們可以把飛輪理解為一種儲能裝置,類似于兒童玩具回力車的彈簧。當(dāng)車輛制動可以回收動能時,動能通過無級變速器傳遞給飛輪,飛輪通過高速旋轉(zhuǎn)積累能量。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,系統(tǒng)還需要無級變速器、齒輪組等多個部件作為輔助。這種添加過程和系統(tǒng)權(quán)重不是白來的嗎?有必要通過提高飛輪的轉(zhuǎn)速來增加儲存的動能。比如Flybrid公司開發(fā)的機械飛輪,最大轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到了6萬r/min左右,顯然無法與發(fā)動機和車輪的轉(zhuǎn)速相匹配。因此,需要“無級變速器”來傳遞動能。

此外,為了達(dá)到不浪費發(fā)動機動能和釋放動能的目的,與無級變速箱連接的傳動軸上還裝有軸側(cè)離合器。當(dāng)不需要回收動能時,離合器斷開,飛輪不回收動能;當(dāng)飛輪節(jié)省的動能需要釋放時,離合器接合,飛輪端的動能通過齒輪與主變速箱輸出端的發(fā)動機動力匯合,再將動力傳遞給驅(qū)動輪。

我們可以發(fā)現(xiàn)這個系統(tǒng)中沒有馬達(dá)或電池。這是因為F1必須考慮汽車的重量,所以機械飛輪儲存的能量是有限的,釋放動能的時間往往不到10秒。這適合賽車短時間內(nèi)的動力提升,但不適合民用車。

●使用動能回收的混合動力汽車示例

F1的機械飛輪不能儲存太多能量,但新能源車本身需要配備電池組。這不就是回收動能的地方嗎?包括純電動汽車和混合動力汽車,電池組已經(jīng)成為動能的目的地。混合動力車型有發(fā)動機,可以回收發(fā)動機的動能,比如豐田的THS混合動力系統(tǒng)。避免動能浪費,提高車輛能效,也意味著降低能耗。因此,新能源汽車的經(jīng)濟性能離不開能量回收技術(shù)的幫助。

大致來說,豐田THS系統(tǒng)的E-CVT變速箱包括MG1發(fā)電機和MG2驅(qū)動電機。當(dāng)發(fā)動機有多余動力或怠速但不需要動力輸出時,動能由MG1轉(zhuǎn)化為電能,然后傳遞給電池組。當(dāng)車輛需要動力輸出時,用MG2作為驅(qū)動電機,輔助發(fā)動機輸出動力;此外,MG1還有一個額外的調(diào)速功能,使發(fā)動機盡可能在經(jīng)濟范圍內(nèi)工作,這與動能回收無關(guān),就不說了。

●增加一種“奇妙動能回收”

無論是機械飛輪動能回收還是發(fā)動機動能回收,都是回收“驅(qū)動部分”的能量。其實廣義來說,動能回收系統(tǒng)還包括吸收車身顛簸的形式,稱為“車身液壓動能回收系統(tǒng)”。

車輛顛簸時,車身上下運動也有動能。原則上,車身的液壓動能回收將這種動能回收并轉(zhuǎn)化為電能或其他能量來驅(qū)動車輛。一般來說,這種動能回收系統(tǒng)配有活塞式液壓泵,車身的上下運動會將液壓油泵入儲能罐。必要時,帶壓液壓油可帶動發(fā)電機發(fā)電,從而達(dá)到動能回收再利用的效果。

這種回收動能的方式不是空洞誘導(dǎo)風(fēng)。事實上,在2021年前后,奧迪發(fā)布了一款名為機電旋轉(zhuǎn)減震器的底盤懸架系統(tǒng),用機電旋轉(zhuǎn)減震器取代了傳統(tǒng)的液壓減震器。奧迪對該系統(tǒng)進(jìn)行了測試,在高速公路、鄉(xiāng)村公路、紐伯格林賽道三種不同路況下,其能量回收功率約為3-613W。

電動車的動能回收

●純電動汽車的動能回收

純電動汽車沒有混合動力發(fā)動機,所以它的動能回收是通過電機實現(xiàn)的,而純電動汽車配備了更大容量的動力電池,動力電池自然成為“動能的歸宿”。目前,大多數(shù)純電動汽車使用的動能回收系統(tǒng)被稱為“電池-電機動能回收系統(tǒng)”。顧名思義,就是依靠電池和電機來達(dá)到回收動能的目的。

我們都知道電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的過程,這就是所謂的電磁。當(dāng)兩個磁場通電時,產(chǎn)生互斥或吸引力,從而實現(xiàn)電機的運行。同時,電動機可以充當(dāng)發(fā)電機。相反,它是電磁感應(yīng)和機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。

當(dāng)駕駛員松開油門踏板時,電機不需要工作,開始充當(dāng)發(fā)電機。此時,車輛的機械能被發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能,并充入電池組。發(fā)電機工作時,兩個磁場也產(chǎn)生一定的扭矩,與電機輸出的力相反,從而實現(xiàn)“電機反拖”和車輛的減速效果。

順便說一句,動能回收系統(tǒng)的主要功能是減少動能的浪費,提高續(xù)航里程。此外,由于能使車輛減速,也降低了使用機械制動器的頻率,在一定程度上保護(hù)了制動系統(tǒng)。在民用車輛中,這可能意義不大,但利用電機反向拖動的原理,在“巨無霸”NTE330中也起到了不可或缺的作用,因為傳統(tǒng)的機械制動器無法承受如此大的車輛重量帶來的慣性,而電機反向拖動則可以。

上面我們說過,電機“減阻”實現(xiàn)了車輛減速的效果。動能回收強時,車輛減速明顯,滑行距離小,此時動能回收效果最強。相反,車輛滑行距離長,動能回收效果弱。通過調(diào)節(jié)電機通電線圈的電流,也調(diào)節(jié)了電機的反向阻力,實現(xiàn)了動能回收力的分級。

一般來說,動能回收有利于提高車輛的續(xù)航性能,但如果我們更認(rèn)真地考慮,可能就不是這樣了。畢竟動能回收效率不可能達(dá)到100%,也就是說如果頻繁使用“動能回收+再次啟動”,車輛會浪費更多的能量。雖然這很難通過實際測試準(zhǔn)確證明,但理論上是有原因的,對吧?

基于以上結(jié)論,對于平均駕駛水平的駕駛員來說,在擁堵路段可以更多地使用高強度動能回收,因為擁堵條件下的制動和啟動可能更容易判斷,而在暢通路段我們可能會更多地使用低強度動能回收,因為在這種工況下,一般只需要減速,而不需要很大的速度變化甚至制動。

當(dāng)然,以上說法也是有理論依據(jù)的。日常用車,我們不用太糾結(jié)。更多的情況下,我們可以根據(jù)自己的駕駛習(xí)慣來調(diào)整動能回收。此外,在車輛的調(diào)整中,動能回收系統(tǒng)和機械制動系統(tǒng)之間通常會有巧妙的配合。比如駕駛員不需要大力剎車,此時可能只有動能回收干預(yù)。當(dāng)車輛需要更大的制動力時,動能回收將滿載,并涉及機械制動,這就是為什么很多車輛的制動踏板踩下時,動能回收的功率會達(dá)到峰值。

即使是純電車用戶,相信很多人也不習(xí)慣動能回收帶來的駕駛感受,因為目前部分車型的動能回收介入過程并不順暢,產(chǎn)生的制動力有點讓人摸不著頭腦。個人認(rèn)為對于喜歡使用這個功能的司機來說,喜歡它帶來的輕松駕駛體驗是一個不可忽視的因素。

如果你從來沒有接觸過動能回收,我建議你多嘗試一些中低強度的動能回收模式,逐漸習(xí)慣少用機械制動的感覺。也許當(dāng)你想到“這個東西真的救了你的右腳”然后去高強度動能回收的時候,你就會愛上這種感覺。當(dāng)然,這是針對動能回收和調(diào)整好的車輛。如果系統(tǒng)突兀,力度不線性,邏輯混亂,真的不能讓你喜歡。我們在選車時可以嘗試“動能回收”作為參考項目。

總結(jié):

我相信,即使純電動汽車的續(xù)航水平在不斷提升,廠商依然不會放棄動能回收系統(tǒng)的開發(fā),因為損失的能量本不該浪費,但也是浪費了,但話又說回來,它只有經(jīng)過調(diào)整才能吸引用戶,相反,用戶離它只能越來越遠(yuǎn)??傊?,從駕駛舒適性和續(xù)航能力兩個方面來說,我個人建議大家多嘗試動能回收,說不定這能成為你的最愛。

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