应用领域更加多样

　　不断孕育出新价值

　　电能再生技术开始向各种设备渗透，并已经逐步应用于电车、建筑起重机、工业车床、混合动力车、带电子加速器的自行车等使用电动机的设备以及AC-DC转换器等。各公司的研究方向主要可分为提供附加价值、优化再生控制、开发基础技术等三大类。

　　在提供附加价值方面，JR东日本、川崎重工、竹中工务等公司通过使用电能再生技术不仅达到了节能效果，还为产品带来了新的附加价值，成功实现了商品化，并准备推向实用。在优化再生控制方面，丰田汽车及三洋电机正在不断地对产品进行改善，以更有效地实现电能再生。在开发基础技术方面，为了提高电能再生效果，安川电机、EV电机系统、ETA电机工业等公司加大了基础技术的开发力度。各厂商均经过各种努力，使自己的产品更具特色。

　　提供附加价值

　　在日本山梨县，连接小渊泽站和小诸站的JR东日本小海线由于没有电力线，至今还有部分在使用内燃机车。但是，从2007年7月31日起，该线路上开始试运行混合动力火车。

　　可削减维修费用

　　这种混合动力火车将KOMATSU公司生产的直列6缸直喷式共轨柴油发动机与发电机直接相连，用2个输出为95kW的驱动电动机进行驱动，即为串联方式的混合动力火车(见图4)。混合动力火车在制动时，和普通的电力火车一样，用驱动电动机回收电能，回收的电能可对集成在车顶的锂离子充电电池进行充电。该电池的容量为15.2kWh，重量约为500kg。为了防止性能老化，电池在使用时不充满，而是将SOC(充电状态)控制在约20%~60%的范围内。

　　图4 可与电车采用相同的维修方法

　　根据JR东日本公司的试运行仿真结果显示，在小海线上，混合动力火车的燃效比普通的火车提高了10%。该公司表示，在某些路段，燃效甚至可提高20%。据介绍，在较为平坦、车站间距较短、启动/停止较为频繁的路线上，燃效的改善效果较高。

　　但是，仅靠降低燃耗，目前还无法填补蓄电装置等带来的高成本问题。该公司认为，除了有节能效果之外，新的混合动力火车在削减维修及定期检查费用等方面，也有明显的效果。

　　通过使用串联的方式，该公司开发的混合动力火车中的驱动电动机及逆变器均可使用和电车相同的产品。而且，将驱动电动机回收的电能传到蓄电装置中的转换器也直接沿用了逆变器。据JR东日本研发中心尖端铁道系统开发中心科长野元浩介绍：“除了柴油机和发电机之外，我们都采用了和电车相同的系统，因此，可以和电车采用相同的维修和定期检查。”

　　JR东日本公司拥有1万辆电车，但普通火车只有530辆，因此，使用和电车相同的维修方法更加有利。对于司机而言，该车的驾驶感觉和电车一样，更易于驾驶。与传统的火车相比，停车时感觉不到发动机的声音，行驶过程中发动机也很安静，因此受到用户广泛好评。

　　据介绍，并联方式可以提高综合的能源效率，但是，采取并联方式后需要一些机械性的器件，如将发动机的动力传输到车轮的变速器等，因此，无法采用和电车一样的维修及定期检查方法。

　　解决电车无架线问题

　　在有轨电车方面，全球都非常关注新一代的路面电车。目前，新一代路面电车主要被应用在欧美，它具有低地板，容易上下，最高速度可达50km/h等优点，是都市中的新型交通工具，并被寄予厚望。而且，路面电车不排放有害气体，给环境带来的负担较低，是解决大城市大气污染的有效措施。

　　为了显现出产品差异化，川崎重工业准备在新一代路面电车中集成蓄电装置，以引入电能再生技术。该公司正在开发集成了16个10kWh的镍氢充电电池模块的新一代路面电车SWIMO。该公司专为新一代路面电车开发了镍氢充电电池，并设计了专用车身，并准备在2007年内开始进行试运行试验。

　　与普通的新一代路面电车相比，SWIMO的主要特点为：即使没有架线，它也可以用10km的速度行驶。这主要是因为它集成了蓄电装置，可将减速时的电能回收并加以利用。在路面电车运行的城市中，由于桥梁和过街天桥较多，很难在街道上设置新的架线。如果要设置新的架线，就需要进行更改桥梁和过街天桥高度等大规模的改建工程，要投入巨大的财力。而采用正在开发的SWIMO就可以解决这个问题。

　　缩小受电设备的体积

　　竹中工务店和小川制作所于2007年4月开发出了可兼用电气双层电容器和商用电源的建筑用固定式塔式起重机，并于2007年7月起在东京进行试运行试验。

　　在用起重机将吊起的货物放下的过程中，用电动机回收的电能对电气双层电容器充电，并将其用于起重机的起吊及旋转操作。通过这种方式，起重机的能源效率可提高7%左右。而且，使用电气双层电容器中存储的电能时可降低商用电源的最大功率，有利于实现受电设备的小型化。在此次开发的塔式起重机的受电设备中，原本需要53kW的地方可降低为24kW(见图5)。

　　图5 可实现受电设备的小型化

　　据竹中工务店生产本部机械技术部长坪田章介绍：“如果能够缩小塔式起重机的受电设备，那么，在对建筑中使用的设备进行规划时，就能有更多的选择。”对于建筑公司而言，要根据建筑现场来选择使用不同的起重机。比如，与移动式塔式起重机相比，固定式起重机的输出功率较高，在一次性搬运重物方面的效率较高。但由于受电设备较大，固定式起重机需要有大功率用电环境和较大的放置面积，否则就很难使用。

　　此次的塔式起重机中共使用了3个电动机，包括：起吊的电动机、调整吊臂起伏的电动机和旋转吊臂的电动机。

　　电气双层电容器由日本Chemi-Con公司生产，最大存储能量为4MJ。充放电在满充电25%~90%的范围内进行。据坪田介绍：“使用电气双层电容器的理由是，它比锂离子充电电池的安全性高，更容易控制。”

　　优化再生控制

　　丰田汽车公司的混合动力车所使用的控制方法被称为“拍肩膀式控制”。

　　普锐斯的制动控制系统是同时采用了两个制动的“再生协调制动”：一个是在电动机减速时回收电能的再生制动，另一个是用电子控制油压量的机械制动(ECB)。系统中由再生制动将回收的电能对镍氢充电电池进行充电。

　　再生协调制动控制主要由两个电子控制单元(ECU)负责，包括控制机械制动的“制动ECU”和控制基于电动机的再生制动的“丰田混合动力系统ECU(THS-ECU)”。

　　拍肩膀式控制是指，在必要的制动力中，依靠THS-ECU的再生制动所产生的制动力，对制动ECU的机械制动力进行调整的控制方法。制动ECU就像是被THS-ECU拍了一下肩膀，由THS-ECU通知其所需要的控制量，因此被称为拍肩膀式控制。

　　实现最佳的电能再生控制

　　混合动力车的最大卖点就是燃效高。为了提高燃效，就要尽量多使用再生制动。因此，为了使两个ECU的协调控制更加简单，便产生了拍肩膀式控制方法。

　　具体而言，制动ECU先根据制动踏板的踩踏量，计算出驾驶员所要求的刹车转矩值，再将该转矩值发送给THS-ECU。然后，THS-ECU将该转矩值当作再生制动转矩的目标值，产生再生制动转矩。与此同时，THS-ECU将产生的再生制动转矩发送给制动ECU。制动ECU计算出驾驶员要求的转矩值和再生制动产生的转矩值的差，决定机械制动转矩的目标值，并产生机械制动转矩。

　　在拍肩膀式控制中，需要最大限度地使用基于THS-ECU的再生制动，使其优先于机械制动。将再生制动和机械制动产生的制动力进行比较，可以发现，两个制动力的比例会随着电动机的特性发生变化。电动机转矩在低速区变大，在高速区变小。因此，车速较低时，再生制动的比例较大;车速较高时，机械制动的比例较大。但当车要停止时，所有的制动力都是基于机械制动的。

　　消除制动时的异样感

　　混合动力车的制动系统不仅需要提高燃效。在汽车行驶过程中，制动系统是会极大影响驾驶感觉的系统，很多驾驶员都非常重视汽车在刹车时的感觉。

　　混合动力车中使用了两个制动，为了不让驾驶员有异样的感觉，需要将制动控制进行细分，让人感觉只有一个制动。在拍肩膀式控制中，用机械制动调整最终的制动量。该公司开发出能以高分辨率、高应答性进行控制的电磁阀门，并将其作为控制机械制动中油量及汽油流向的调节器。使用该电磁阀门，可对机械制动产生的制动力进行细致的调整，使两个制动的衔接非常流畅，在刹车时不会让人产生异样的感觉。

　　根据路面状况进行再生控制

　　和普锐斯一样，通过推行再生制动控制来提高产品竞争力的，是三洋电机带电子加速器的自行车ENAKURU。在日本，带电子加速器的自行车的销售量约为30万台，近几年，该领域仍保持着增长的趋势。该公司生活家电本部销售企划主任植树茂弘介绍说：“虽然ENAKURU的价格比其他公司的产品略高，但销售量的增长率已经超过了市场的增长率。”据植树茂弘分析，其主要原因在于，通过电能的回收及再利用，不仅可以增加持续行驶的距离，而且在行驶过程中也可享受充电的乐趣。

　　在ENAKURU中，通过集成在前轮旋转轴上的控制电路，就可利用再生制动产生的电能对镍氢充电电池进行充电。制动系统也集成了普通的机械制动，据植树茂弘介绍，平时主要使用机械制动，再生制动起辅助作用。电动机控制的主要特征在于可根据行驶状况及路况自动切换控制(见图7)。平均每次充电后，可持续行驶的距离能提高约26%。该公司从2007年7月推出的SPE系列开始采用该技术。过去均采用手动方式，骑自行车的人只需要轻轻一按制动控制杆，就可以将电动机切换成再生制动控制。

　　图6 混合动力车普锐斯的制动系统

　　图7 根据路面状况切换自动控制的节能电动自行车

　　该公司并没有对以往车型的微控制器及存储器等硬件结构进行修改，而仅仅是通过更改算法，实现了此次的电动机控制。控制的类型主要分为4种：自行车发动时，在规定的上限值之前都可以使用电动机产生的驱动力;在平坦的路面上，尽量不使用电力，以减小驱动力;在上坡时，根据坡度调整驱动力;下坡时，根据坡度来调整再生制动产生的制动力。

　　为了有区分地使用这些控制，产品中使用了测定脚踏板踏力的转矩传感器和测定电动机旋转数的霍尔芯片，将传感器和霍尔芯片的输出与事先存储在存储器内的条件分布进行比较，即可推断出行驶状况及路面的坡度。比如，当脚踏板的踏力从0开始急增时，就判断自行车正在发动，并用电动机产生与脚踏板所需转矩相同程度的驱动力;当脚踏板所需转矩较小，而电动机旋转数较高时，就判断出自行车正在下坡，并根据行驶速度调整再生制动力。这样，通过细致地切换控制，即可延长行驶距离。

　　获得最大的再生电能

　　三洋电机在此控制的基础上，又在如何能获得最大的再生电能的问题上进行了研究。结果，该公司在通过开关元件的开/关操作，将电动机的再生制动产生的交流电转换成直流电，再传给电池进行回收的这一系列流程中，又增加了一个新的步骤。

　　该步骤是，通过切换开关元件，将再生制动产生的交流电先存储到电动机的电感中，再进行升压，升压后再次切换开关元件，对镍氢充电电池进行充电(见图8a)。这样，可以根据开关元件的开/关时间(占空比)改变升压时间和充电时间的比例，以调整再生电流量(见图8b)。再生电流量会根据行驶速度的不同而发生变化，但是，通过新步骤调整再生电流量，就总是能获得最大的再生电流量。具体而言，就是通过把串联电阻上测得的电流进行反馈，以改变占空比。

　　图8 在电动自行车中可得到较大再生电流的控制方法

　　增大占空比，会使升压时间变长，再生电流量增加。但是，如果占空比过大，那么，对电池充电的时间变短，再生电流量又会降低。因此，要对占空比进行适当控制，使其不进入到再生电流量降低的区域。但是，受该公司使用的镍氢充电电池性能的影响，再生电流量的上限值为6A。因此，车速大时要缩小占空比，使其不超过6A。在这里，如果镍氢充电电池总是处于充满电的状态，无论再生电流量多大，都无法充电，这样就会进入再生制动无法工作的失效状态。在ENAKURU中，考虑到电池的安全性，当SOC(充电状态)达90%以上时，再生制动控制将会在工作1分钟后被停止。

　　据该公司生活家电本部电动自行车开发科科长数原寿宏介绍，今后的研究方向将主要是考虑如何能够改用锂离子充电电池。在该公司的再生控制中，由于可以通过改变占空比来产生脉冲状的再生电流，因此，确保充电时的安全性是目前的主要研究课题。

　　开发基础技术进行支持

　　电能再生技术的普及也推动了基础技术的研发工作。

　　为了能将动能更有效地转化为电能，最重要的是在各装置间的顺/逆方向产生顺畅的电流。为了达到更好的控制性，很多设备都没有使用直流电机，而是使用交流电机。但是，从事电动汽车及铁路车辆研究的东京大学生产技术研究所教授堀洋一则认为：“交流电的再生比直流电更困难。让交流电按顺/逆方向流动时，需要按照交流—直流—交流的顺序转换电能。因此，同样的电路需要两个转换器，很难提高效率。”

　　堀洋一教授还表示：“为了让两个转换器之间的电流平滑，还需要配备电容器。”这个问题也不能忽视。平滑电容器主要使用高容量的电解电容器。在设计电路时，电解电容器是要在安全性和可靠性上格外留意的元件。电解电容器是决定设备寿命的主要原因，而且也是妨碍设备小型化的主要原因。

　　以驱动和电能再生为前提的转换器

　　为了解决该问题，安川电机公司没有使用平滑电容器，而是开发出驱动/再生电能时效率均能达到96%的高效电动机驱动设备Varispeed AC。该设备使用了矩阵变频技术，可以从交流电源直接输出频率和电压不同的交流电(见图9)。

　　图9 提高了电能再生效率的电动机驱动装置

　　由于可以从交流直接转换成交流，因此不需要平滑电容器。与以往的PWM转换器相比，该设备的转换效率提高了5%左右，同时还便于维修。该公司准备将该转换器用于再生电能较大的钢铁加工生产线。随着效率的提高，能带来漏电流较小、能控制谐波等优势。

　　矩阵变频器用9个双向开关替换了以往设置的2个PWM转换器。双向开关具备开/关、顺/逆方向电压的功能。通过使用交流电对该开关进行开/关操作，可直接输出不同电压及频率的三相交流。

　　实现矩阵变频器的方法主要有两种：一种是将开关元件和二极管进行组合，另一种是使用具有逆向耐压性的逆阻型开关元件。安川电机主要使用第二种方法，所使用的开关元件是富士电机生产的逆阻型IGBT。

　　今后，开关元件将从使用硅的IGBT向使用SiC的元件转移。据安川电机的山本介绍：“今后产品的开关频率将比现在更高，因此，将更难解决噪声问题。”

　　提高电能再生效率的电动机

　　电动机本身的技术开发也在不断发展。针对电动汽车及新一代路面电车等应用领域，EV电机系统公司开发了基于电能再生技术的同步电动机—Kaisei电动机。

　　该公司通过在电动机驱动部分不是采取定电压而是使用定电流驱动的电路，不仅可以使控制更加简单，提高电能再生效率，而且还可实现电动机的轻型化。该公司开发的样机输出功率为55kW，质量仅为12kg。

　　电动机的定子使用了钕磁石，通过切换4相电流进行驱动。驱动电流不是使用正弦波，而是使用矩形波。感测电动机旋转的传感器解算器的输出信号本身是矩形波，因此，可以将其作为电动机的控制信号反馈给电动机，不需要复杂的运算。再生控制也非常简单，只是将矩形波的相位翻转180度，就可以作为再生制动，产生制动力。

　　在Kaisei电动机中，所有的驱动电路都使用定电流电路。在电动机控制中，通常情况下，会使用将蓄电装置产生的输出电压恒定化的稳压电路。电动机产生的再生电能的电压比蓄电装置的电压低时，必须升压后再对蓄电装置进行充电。但是能升压的电压也有下限，想更高效地用低速行驶的电动汽车产生的再生电能进行充电，是非常困难的。而在此次的开发品中，所有的驱动电路均由定电流电路构成，电路比较复杂，但是不用升压就能对蓄电装置充电，因此可提高电能再生效率。

　　对效率和价格的执着

　　使用电动机将动能转化为电能进行回收再利用的方法各有不同，在ETA电机工业公司开发的300W无风扇开关电源BBS300中，采用了将电路在开/关时产生的浪涌电压存储到电容器中，再进行利用的方法。该产品效率比以往提高了1%~2%，成本也得到了降低。

　　图10 通过将电能存储到电容器中来提高效率的电源电路

　　在该电源电路中，有一个和元件并联连接的保护电路，称为“缓冲电路”(见图10)。其目的在于保护元件，避免其受到过大的电压、主电流以及电压急剧变化带来的影响。用缓冲电路控制浪涌电压后，电流被存储在用于再生的电容器中。当对开关元件进行开/关操作时，再生电容器会产生电位差，存储在电容器中的电流就可被电源回收再利用。

　　[NIKKEI ELECTRONICS 2008. Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.] (邱石译)

*博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。