本文著眼于越來越流行的動能回收系統(tǒng)（KERS）技術(shù)，以從車輛運動中獲取能量。它著眼于不同類型的技術(shù)，從飛輪到雙層電容器和超級電容器，具有燃料效率的優(yōu)勢，以及必要的高可靠性支持，汽車級電源管理電子設(shè)備，用于捕獲，存儲和控制產(chǎn)生的能量。

從汽車系統(tǒng)中回收能源是下一代汽車發(fā)展中越來越重要的一部分。這種動能的收獲正以幾種不同的方式實現(xiàn)，并與不同類型的存儲和電源管理技術(shù)相結(jié)合。

KERS的概念，動能回收系統(tǒng)，從一級方程式開始，現(xiàn)在是作為減少燃料消耗的一種方式，在更多的商用車輛中出現(xiàn)。在一級方程式中，制動時存儲的能量可供飛行員使用，飛行員可以決定在特定情況下重復(fù)使用，例如通過按鈕直接超車時加速。

Magneti Marelli在意大利開發(fā)的電氣系統(tǒng)通過電機直接連接到驅(qū)動軸，因此在制動時，同一軸充當(dāng)發(fā)電機，將運動轉(zhuǎn)換為電能。通過控制單元，電流為鋰離子電池充電。另一方面，在加速時，當(dāng)飛行員操作動力提升時，從電池獲取動能，并且再次通過電子控制單元將其發(fā)送到電動發(fā)電機。然后，它沿相反方向旋轉(zhuǎn)，并在驅(qū)動軸上施加加速力以提供增壓。該系統(tǒng)每分鐘最高可達40,000轉(zhuǎn)。

主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是將大功率系統(tǒng)安裝在狹小的空間內(nèi)，重量輕，并應(yīng)對極端環(huán)境的溫度和振動。 Magneti Marelli正在開發(fā)一種名為ERS的新版本，它將制動過程中的動能恢復(fù)與從熱廢氣中回收的能量恢復(fù)相結(jié)合，將兩者連接到連接到驅(qū)動軸的電動發(fā)電機。

對于更商業(yè)化的系統(tǒng)，沃爾沃開發(fā)了一個使用輕型飛輪捕捉能量的版本。英國對Flybrid技術(shù)的測試顯示，汽車性能提高了80馬力，同時將燃油消耗降低了四分之一。該公司與領(lǐng)先的KERS技術(shù)供應(yīng)商Flybrid Automotive合作，后者是Torotrak集團的一部分。 Flybrid和Torotrak正在開發(fā)類似的技術(shù)，Torotrak在2014年收購了其競爭對手。

圖1：由Flybrid和Torotrak開發(fā)的沃爾沃KERS能量回收系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是前輪驅(qū)動乘用車中后橋安裝飛輪系統(tǒng)的首次全面試驗，是Flybrid，沃爾沃和瑞典政府合作的結(jié)果。當(dāng)汽車制動時，動能用于旋轉(zhuǎn)6千克碳纖維飛輪，速度高達每分鐘60,000轉(zhuǎn)。當(dāng)汽車再次開始移動時，存儲在旋轉(zhuǎn)飛輪中的能量通過專門設(shè)計的變速器傳遞回后輪，并且可以增加動力或減少發(fā)動機的負荷。一旦制動開始，驅(qū)動前輪的傳統(tǒng)發(fā)動機就會關(guān)閉，這樣當(dāng)飛機再次離開時，飛輪中的能量可用于加速車輛。由于飛輪通過制動激活，因此能量儲存很短，因此非常適合在繁忙的城市交通中節(jié)省燃料。

實驗性的Flybrid飛輪直徑為20厘米，由一個組合而成鋼轂和碳纖維外殼。碳纖維輪在真空中旋轉(zhuǎn)，以最大限度地減少摩擦損失。

圖2：Flybrid碳纖維飛輪。

以類似的方式，英國工程公司GKN一直在與奧迪合作開發(fā)新一代Gyrodrive飛輪混合動力儲能系統(tǒng)。 GKN將儲能容量提高到4 MJ和平均額定功率，同時保持相同的尺寸和質(zhì)量。該系統(tǒng)位于駕駛員旁邊，每圈可提供高達4 MJ的能量，可隨時存儲多達750 K焦耳。在加速時，Gyrodrive將能量輸送回前軸，在那里產(chǎn)生超過200kW的功率。

該技術(shù)的商業(yè)版本也在英國的公共汽車上使用，節(jié)省了燃料。 GKN正在擴大產(chǎn)量，作為計劃在全球范圍內(nèi)提供該技術(shù)作為電池混合動力的可行替代品的計劃的一部分。

其他技術(shù)使用高密度電容器系統(tǒng)，如超級電容器或超級電容器。

印度的Matlab工程師開發(fā)了一個模型，顯示當(dāng)制動能量存儲在鋰離子電池和超級電容器中時如何使用KERS。該模型使用Matlab的SimElectronics和Simscape工具來支持系統(tǒng)級設(shè)計，其中KERS性能是三個主要組件（電池，超級電容器和電動發(fā)電機）以及能源管理策略之間復(fù)雜的權(quán)衡。

圖3：Matlab KERS仿真。

挑戰(zhàn)在于KERS系統(tǒng)增加了質(zhì)量，減少了由于發(fā)動機和來自制動的儲存電能必須大于補償。鋰離子電池每單位質(zhì)量的能量非常高，但每單位質(zhì)量的功率很低，而超級電容器每單位質(zhì)量的能量相對較低，但每單位質(zhì)量的功率非常高，適合這種特殊應(yīng)用。具有擴展溫度范圍的超級電容器，例如-40°C至+ 85°C，例如來自Kemet的1F FT0H105ZF或來自Maxwell Technologies的5F BCAP0005，使用多層結(jié)構(gòu)，以提供更高的容量來提供來自KERS系統(tǒng)迅速建立在已建立的雙電層電容器（EDLC）技術(shù)的基礎(chǔ)上。

這些電池和超級電容器KERS系統(tǒng)需要專門的電源管理技術(shù)，該技術(shù)還能夠承受汽車傳動系統(tǒng)的極端環(huán)境并最大限度地減輕重量。這些超級電容器的工作電壓約為2.7 V，與電源管理器件相匹配。

Maxim Integrated的MAX16920電源管理IC集成了三個高壓降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，一個高壓線性穩(wěn)壓器和一個過壓保護模塊，以減小功率控制的尺寸和復(fù)雜性系統(tǒng)。它工作在-40°C至+ 125°C溫度范圍，采用緊湊型，耐熱增強型32引腳TQFN封裝，尺寸為7 mm x 7 mm。

圖4：Maxim的MAX16920為KERS系統(tǒng)提供DC-DC轉(zhuǎn)換器。

三個降壓轉(zhuǎn)換器提供150 mA，600 mA和1.5 A，而線性穩(wěn)壓器具有高達150毫安。該器件的輸入電壓介于5.5 V至28 V之間，可承受45 V的瞬態(tài)電壓，非常適合汽車應(yīng)用。它還針對高效率和低待機電流進行了優(yōu)化，以確保存儲在電池和超級電容器中的盡可能多的能量用于為車輛提供動力。

KERS系統(tǒng)開發(fā)人員可以從電動汽車引入的電源管理技術(shù)中受益。德州儀器（TI）的bq76PL536ATPAPTQ1是一款可堆疊的三至六節(jié)串聯(lián)鋰離子電池組保護器和模擬前端（AFE）。這包括管理電池的關(guān)鍵要素：精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）;獨立電池電壓和溫度保護;細胞平衡;和一個精密的5 V穩(wěn)壓器，為附加控制電路提供電源。

圖5：德州儀器的bq76PL5536A可堆疊在一起進行管理KERS系統(tǒng)中的192個鋰電池。

為了幫助KERS設(shè)計人員結(jié)合他們所需的不同技術(shù)，bq76PL536ATPAPTQ1還集成了電壓轉(zhuǎn)換和精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，可以高精度測量電池電壓和速度。該系統(tǒng)還將根據(jù)KERS的功率要求進行擴展，因為該設(shè)備可以垂直堆疊以監(jiān)控多達192個單元，而控制器之間無需額外的隔離組件。每個器件之間都有一個高速串行外設(shè)接口（SPI）總線，以便在整個電池組中提供可靠的通信。

結(jié)論

支持新一代KERS能源的組件 - 電動，混合動力和傳統(tǒng)車輛的采伐技術(shù)正在迅速普及。鋰離子電池組，超級電容器和電源管理設(shè)備的組合使得能夠以不同方式回收更多能量。將其送回車輛可降低燃料消耗，延長范圍和電池壽命，并為制造商和用戶提供優(yōu)勢。電源管理子系統(tǒng)需要映射到能量收集技術(shù)，但現(xiàn)在這些已經(jīng)出現(xiàn)，為系統(tǒng)開發(fā)人員提供了所需的選項。