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研究生:林武鍵
論文名稱:電動車輛飛輪儲能機構之研製
論文名稱(外文):Design and Construction of Flywheel Mechanism for Braking Kinetic Energy Regeneration in Electric Vehicles
指導教授:黃榮文
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:89
中文關鍵詞:再生煞車系統飛輪機構旋轉動能
外文關鍵詞:Regenerative Braking SystemFlywheel MechanismRotating Kinetic Energy
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  有效率的使用儲存於電池的能量以便增加電動車輛的續航力,是當今一項重要的研究課題。本研究嘗試設計一煞車動能再回收的飛輪儲能機構,它能夠將煞車過程中電動車輛動能轉換為電能,而回收儲存於飛輪上及電池中。
  由於電動車輛在煞車的過程中,驅動馬達回收動能而輸出的電能,其電壓及頻率的變動範圍是很大的。然而,回充至電池的電壓則必須限制在額定可接受的範圍內,才不致於對電池造成損害。因此本論文研究的目的,是希望設計一高效率、高使用頻率範圍、及操作穩定的煞車動能再回收的飛輪儲能機構。經由設計與製作之後完成了實驗的飛輪儲能機構,同時完成其等效電路及理論公式推導,最後並進行實驗驗證及量測。實驗結果顯示飛輪儲能機構能夠順利的將煞車動能轉換為旋轉動能及電能儲存起來,但是其轉換效率尚偏低,有更進一步改善的空間。
Efficient use of stored battery energy is one of the most important issues in increasing the cruising range of electric vehicles. Therefore, a flywheel mechanism for braking kinetic energy regenerative system is constructed in this thesis to transfer the kinetic energy of electric vehicles into electrical energy of the battery to achieve this goal.
In general, the voltage and frequency induced during the regenerative braking period vary dramatically, while the recharging voltage to the battery must be limited and stable. Thus, a high efficiency, wide frequency range, and stable regenerative braking system is required. A flywheel mechanism is designed and fabricated, the equivalent electric circuits introduced, the theoretical governing equations derived, and some experiments and measurements conducted. The experimental results show that the regenerative braking of the flywheel system can transfer the kinetic energy of the vehicle into rotating kinetic energy and into electrical energy successfully, but the efficiency is lower than expected.
摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
表目錄 VII
圖目錄 VIII
符號說明 XI
第一章 緒論 1
1-1 研究動機與背景 1
1-2 研究目的與內容 2
1-3 研究方法與步驟 3
1-4 研究架構與論文內容 5
第二章 電動車及動能回收方法簡介7
2-1 各類電動車簡介 7
2-1-1 動力系統分類 7
2-1-2 驅動馬達分析比較8
2-2 動能回收方法簡介 10
2-2-1 電能回充電池法 10
2-2-2 電能回充超級電容法11
2-2-3 油壓蓄壓儲能 12
2-2-4 超高速飛輪儲能法 13
第三章 本研究之飛輪機構儲能理念15
3-1 能量輸出及回收系統架構15
3-2 飛輪機構操作模式 17
3-2-1 電池能量輸出 17
3-2-2 煞車動能回收 19
3-2-3 回收能量再輸出 20
3-3感應發電機特性與控制方式之比較21
3-3-1 感應發電機之特性 21
3-3-2感應發電機的種類與應用控制方式23
第四章 實驗系統細部設計分析26
4-1 實驗系統組件參數確定26
4-1-1 實驗車輛規格 26
4-1-2 電力轉換功率 28
4-1-3 系統硬體規格參數 32
4-1-4 換檔變速設計 37
4-2 轉子繞線設計 38
4-2-1 兩相八極的繞線方 38
4-2-2 雙向激磁模式 41
4-2-3 輸出激磁控制電路 43
4-2-4 回收儲能控制電路 44
4-2-5 儲能輸出控制電路 48
4-3 定子繞線設計 49
4-3-1 三相八極的繞線方式49
4-3-2 二、四、八極激磁變化模式52
4-3-3 輸出控制電路 53
4-3-4 回收儲能控制電路 54
4-4 驅動馬達 56
4-4-1 三相四極的繞線方式56
4-4-2 出力及煞車之控制電路57
4-4-3 臨界電容值之決定 59
第五章 系統整合及模擬測試結果討論61
5-1 機構性能量測 61
5-1-1 等效電路參數量測方式61
5-1-2 等效電路參數值計算結果68
5-1-3 飛輪機構功率及轉矩的獲得70
5-1-4 系統功率圓線圖之動態特性討論76
5-2 操作模式模擬驗證 80
第六章 結論與未來研究方向84
6-1 結論 84
6-2 未來研究方向 85
參考文獻 87
表目錄
表2.1 電動車用驅動馬達的種類 9
表2.2 驅動馬達的特徵比較表 10
表4.1 車輛的規格表 26
表4.2 CNS3105 行車型態時序表 29
表4.3 蓄電池規格 33
表4.4 轉動慣量. 34
表5.1 電阻量測儀表指示值 62
表5.2 開路試驗儀錶指示值 63
表5.3 短路試驗儀錶指示值 64
表5.4 堵轉試驗儀錶指示值 65
表5.5 無載旋轉損試驗儀錶指示值 67
表5.6 電池能量輸出等效電路參數值 69
表5.7 煞車動能回收等效電路參數值 69
表5.8 一檔(高速)模擬測試結果表 82
表5.9 一檔(中速)模擬測試結果表 82
表5.10 二檔(低速)模擬測試結果表 82
圖目錄
圖1.1 研究步驟流程圖 4
圖1.2 能量回收飛輪機構研究架構 5
圖2.1 三種混和型電動車動力系統示意圖 8
圖2.2 直流分激馬達的出力激磁及煞車回收電路圖 11
圖2.3 燃料電池電動車輸出力分擔曲線圖 12
圖2.4 油壓蓄壓方式之能量回收系統構成圖 13
圖3.1 飛輪機構硬體剖面圖 15
圖3.2 能量的輸出與回收流程路徑方塊圖 16
圖3.3 系統操作架構圖 17
圖3.4 能量輸出及回收系統線路示意簡圖 18
圖3.5 電池能量輸出等效電路圖 18
圖3.6 再簡化之電池能量輸出等效電路圖 19
圖3.7 煞車動能回收等效電路圖 20
圖3.8 回收能量再輸出等效電路圖 21
圖3.9 繞線式感應發電機負載控制架構圖 24
圖4.1 CNS3105 行車型態時序圖 29
圖4.2 飛輪機構剖面尺寸圖 36
圖4.3 鐵芯電磁特性曲線圖 37
圖4.4 預設之變速換檔曲線 38
圖4.5 轉子繞線示意圖 39
圖4.6 定子繞線示意圖 39
圖4.7 雙繞線單向激磁 42
圖4.8 單繞線雙向激磁 42
圖4.9 A3985 IC 應用接線及控制步進表圖 43
圖4.10 電池能量輸出激磁迴路及繞組磁場示意圖 44
圖4.11 能量回充(一檔高速)迴路及繞組磁場示意圖 45
圖4.12 能量回充(一檔中速)迴路及繞組磁場示意圖 46
圖4.13 能量回充(二檔低速)迴路及繞組磁場示意圖 47
圖4.14 能量回充(三檔末速)迴路及繞組磁場示意圖 48
圖4.15 儲能輸出迴路及繞組磁場示意圖 49
圖4.16 定子繞組接線變換迴路及磁場形成示意圖 49
圖4.17 電池能量輸出定子繞組控制迴路及磁場示意圖 54
圖4.18 能量回充(一檔)定子繞組控制迴路及磁場示意圖 55
圖4.19 能量回充(二檔)定子繞組控制迴路及磁場示意圖 55
圖4.20 能量回充(三檔)定子繞組控制迴路及磁場示意圖 56
圖4.21 驅動馬達轉換發電機自激控制電路 58
圖4.22 無載下驅動馬達發電自激現象示意圖 59
圖4.23 感應發電機無載每相等效電路 60
圖5.1 直流電阻試驗示意圖 61
圖5.2 開路試驗接線及等效電路 63
圖5.3 短路試驗接線及等效電路 64
圖5.4 堵轉試驗接線及等效電路 65
圖5.5 無載旋轉損試驗接線及等效電路 67
圖5.6 驅動馬達之Vg / f pu 對Xm 的線性近似圖 68
圖5.7 系統輸出功率損耗流程圖 72
圖5.8 系統輸入功率損耗流程圖 76
圖5.9 系統輸出功率圓線圖 78
圖5.10 交流馬達變頻器 80
圖5.11 變頻器輸出減速V/ƒ 曲線圖 81
圖5.12 飛輪機構實體圖 81
圖5.13 重新繪製的變速換檔曲線圖 83
圖5.12 未來研究方向可行之架構圖 86
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