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收集汽车设计中运动的能量-凯利讯半导体

已有 648 次阅读2018-3-12 10:37 |个人分类:电子技术| 汽车, 系统, 锂离子电池

 这篇文章关注的是越来越流行的动能回收系统(KERS)技术从车辆的运动中获取能量。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,具有提高燃料效率的优点,同时也支持高可靠性、汽车级的电力管理电子设备来捕获、储存和控制所产生的能量。

  从汽车系统中回收能源是下一代汽车发展的一个越来越重要的部分。这种动能的收获是通过几种不同的方式实现的,并结合了不同类型的存储和电源管理技术。

  KERS的概念,动能回收系统,从一级方程式开始,现在在更多的商用车辆中出现,作为减少燃料消耗的一种方式。在一级方程式(Formula One)中,在刹车时储存的能量可以用于飞行员,他们可以决定在特定的情况下使用它,比如通过一个按钮直接超车。

  在意大利,由磁体Marelli开发的电力系统通过电机直接连接驱动轴,当制动时,相同的轴充当发电机,将运动转化为电能。通过控制单元,电流充电锂离子电池。另一方面,在加速的情况下,当驾驶员操作功率提升时,动能从电池中取出,再通过电子控制单元,将其发送到电动发电机。这样就会向相反的方向旋转,并在传动轴上施加一个加速力来推动。这个系统可以达到每分钟4万转。

  主要的技术挑战是将一个高功率的系统安装到一个小的空间和低的重量,并在温度和振动的条件下处理极端的环境。现在,马雷利正在研制一种新版本,它将制动过程中动能回收与从热废气中回收的能量结合起来,将两者连接到与驱动轴相连的电动发电机上。

  对于一个更商业化的系统,沃尔沃开发了一个使用轻型飞轮来捕获能量的版本。英国对Flybrid技术的测试显示,一辆汽车的性能提升了80马力,同时减少了四分之一的燃料消耗。该公司与领先的KERS技术供应商之一Flybrid Automotive合作,该公司是Torotrak集团的一部分。Flybrid和Torotrak也在开发类似的技术,Torotrak在2014年收购了它的竞争对手。

  沃尔沃KERS能源回收系统图像。


  图1:由Flybrid和Torotrak开发的沃尔沃KERS能量回收系统。

  该系统是首个在前轮驱动的客车上的后桥安装飞轮系统的全面试验,是Flybrid、Volvo和瑞典政府之间的合作关系的结果。当汽车刹车时,动能被用来旋转6公斤碳纤维飞轮,速度高达每分钟6万辆。当汽车再次启动时,在旋转飞轮中储存的能量通过特殊设计的传动装置被传送回后轮,既可以提高功率,也可以减轻发动机的负荷。当制动开始时,驱动前轮的传统引擎就会被关闭,这样飞轮上的能量就可以用来加速车辆,当它再次离开的时候。当飞轮被制动所激活时,能量的储存是短暂的,这使得它在繁忙的城市交通中成为节省燃料的理想选择。

  实验的Flybrid飞轮直径为20厘米,由钢轮毂和碳纤维外壳结合而成。碳纤维车轮在真空中旋转,以减少摩擦损失。

  Flybrid碳纤维飞轮的图像。


  图2:Flybrid碳纤维飞轮。

  同样,英国工程公司GKN也在与奥迪合作开发新一代的陀螺仪飞轮混合储能系统。GKN在保持相同尺寸和质量的同时,将能量存储能力提高到4 mj和平均功率。这个系统与驱动程序并排,每一圈能提供高达4 MJ的能量,在任何时候都能储存高达750 kj的能量。在加速时,陀螺仪将能量反馈到前轴上,其产生的功率超过200千瓦。

  该技术的商业版本也在英国的公共汽车上使用,生产燃料的节省高达25%,而GKN正在扩大生产,作为在全球范围内为电池混合动力车提供可行替代方案的计划的一部分。

  其他技术使用高密度电容系统,如超级电容器或超级电容。

  印度的Matlab工程师已经开发出一种模型,该模型展示了在锂离子电池和超级电容中储存能量时,KERS是如何使用的。该模型使用Matlab的SimElectronics和Simscape工具来支持系统级设计,其中KERS的性能是三个主要组件的质量之间的复杂权衡——电池、超级电容和电动发电机,以及能源管理策略。

  Matlab仿真器的图像。


  图3:Matlab的KERS仿真。

  挑战在于KERS系统增加了质量,降低了引擎的加速度,而从刹车中储存的电能必须超过补偿。锂离子电池每单位质量的能量非常高,但单位质量的能量却很低,而超级电容的单位质量相对较低,但每单位质量的能量非常高,适合这个特殊的应用。超级电容器的温度范围扩展,例如从-40°C到+ 85°C,如1 FT0H105ZF钡镁合金或5 f BCAP0005从麦克斯韦技术,使用多层结构来提供更高的能力迅速从KERS系统提供电力,建筑技术建立的双电层电容器(EDLC)。

  这些电池和超级电容器系统需要专门的电源管理技术,它也能够承受汽车传动系统的极端环境,并尽量减少重量。这些超级电容运行在2.7伏左右,与电源管理装置相匹配。

  MAX16920电源管理集成电路集成了三种高电压降压DC-DC转换器、一个高压线性调节器和过压保护块,以减小功率控制系统的尺寸和复杂性。它运行在-40°C + 125°C的温度范围,并可以在一个紧凑,thermally-enhanced 32-pin TQFN包措施7毫米x 7毫米。

  马克西姆的MAX16920图表。


  图4:马克西姆16920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,而线性调节器最多可达150 mA。该装置的设计目的是在5.5伏到28伏之间使用输入电压,并在电压瞬变到45伏的情况下存活,使其成为汽车应用的理想选择。它还对高效率和低待机电流进行了优化,以确保储存在电池和超级电容中的大部分能量用于驱动车辆。

  KERS系统开发人员可以从电动汽车引入的电源管理技术中获益。来自德州仪器的bq76PL536ATPAPTQ1是一个可堆叠的3 - 6系列电池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);独立的电池电压和温度保护;细胞平衡;和一个精密的5 V调节器,为额外的控制电路提供电源。

  来自德州仪器的bq76PL5536A图。


  图5:来自德州仪器的bq76PL5536A可以叠加在一个KERS系统中管理多达192个锂电池。

  为了帮助KERS设计师结合他们所需要的不同技术,bq76PL536ATPAPTQ1还集成了一个电压转换和精密模数转换器系统,以测量高准确度和速度的电池电压。该系统还将按KERS的功率要求进行扩展,因为该设备可以垂直堆叠到192个单元,而无需在控制器之间添加额外的隔离组件。一个高速串行外围接口(SPI)总线在每个设备之间运行,以提供可靠的通信,在整个电池单元的堆栈。

  结论

  在电力、混合动力和常规车辆上支持新一代KERS能源收获技术的组件正在迅速得到应用。锂离子电池组、超级电容器和电源管理装置的结合使更多的能量可以以不同的方式回收。将其反馈到车辆中,减少了燃料消耗,延长了续航里程和电池寿命,并为制造商和用户提供了好处。电力管理子系统需要映射到能量收集技术,但是现在这些子系统正在向系统开发人员提供他们需要的选项。


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