CN105569939A - 公路长下坡车辆制动能量回收装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种车辆制动能量回收装置。该车辆制动能量回收装置包括：摩擦滚轮，被放置在下坡道路的路面上的沟槽中以便与在路面上行驶的车辆车轮保持接触；以及能量转换装置，被配置来将摩擦滚轮的转动能量转换为电能。通过摩擦滚轮为行驶车辆提供减速摩擦力，并且通过能量转换装置将行驶车辆的势能变化量部分转化为电能，可以避免行驶车辆的运行速度增加，避免车辆制动时制动器的发热并且相应地可以避免制动器发热导致的制动失灵，同时可以提高能量利用率。

Description

公路长下坡车辆制动能量回收装置

技术领域

本发明涉及车辆制动能量回收，并且更具体地涉及一种公路长下坡车辆制动能量回收装置。

背景技术

我国地域辽阔，有约60％的国土是丘陵、山地和高原，在我国已建成通车的公路有不少穿越这些地区。这些地区地形起伏和地势落差大，需要采用连续升坡或连续降坡的方法克服高差，下坡时不少公路有连续长下坡路段。这些连续长下坡路段的平均坡度大于3％，并且坡长一般超过4km。

运输车辆在这些长下坡路段行驶过程中，其势能将转化为机械能，重力驱动车辆加速，必须采用制动器等制动装置抵消重力作用，保障车辆以安全的速度行驶。在车辆下坡持续制动过程中，大量的势能在车辆制动毂内转化为热量，使制动毂升温，如果制动时间过长、要转化的势能过大，都会引起制动毂温度过高，导致制动失灵，造成追尾、冲出公路等车毁人亡的重特大交通事故。

运输车辆，特别是载重货车在连续长下坡路段行驶过程中，由于制动失灵等原因导致的特大、重大交通事故时有发生，是重大恶性交通事故的发生率最高的路段，已引起全社会的广泛关注。在这些交通事故中，车辆制动失效是直接原因，长时间制动容易使车辆制动毂和轮胎的温度迅速上升，制动毂温度接近700摄氏度，容易引起制动失效。

因此，需要一种在现有线路条件和车辆制动方式都不变的前提下在公路长下坡路段避免车辆制动失效的装置。

发明内容

考虑到上述问题而做出了本发明。本发明提供了一种车辆制动能量回收装置，包括：摩擦滚轮，被放置在下坡道路的路面上的沟槽中以便与在路面上行驶的车辆车轮保持接触；以及能量转换装置，被配置来将摩擦滚轮的转动能量转换为电能。

根据本发明实施例，所述能量转换装置包括升速齿轮和发电机，所述升速齿轮包括低速齿轮和高速齿轮，所述低速齿轮和所述高速齿轮彼此啮合，所述低速齿轮与所述摩擦滚轮同轴连接，所述高速齿轮与发电机同轴连接。

根据本发明实施例，所述车辆制动能量回收装置还包括：并网逆变器，其输入端连接所述发电机的输出端，并且被配置来将所述能量转换装置产生的电能变换至预定电压幅度预定频率的三相交流电；以及升压变压器，其输入端连接并网逆变器的输出端，其输出端连接电网，并且被配置来将所述并网逆变器产生的预定电压幅度预定频率的三相交流电变换至电网电压的幅度和频率。

根据本发明实施例，所述摩擦滚轮和能量转换装置布置在所述沟槽中，所述摩擦滚轮布置在所述沟槽的上部，所述能量转换装置布置在所述沟槽的下部；所述并网逆变器和升压变压器远离所述摩擦滚轮和能量转换装置布置。

根据本发明实施例，在下坡道路的路面上布置多个沟槽，每个沟槽间隔10米，在每个沟槽中布置一个摩擦圆滚轮和能量转换装置，并且摩擦圆滚轮的半径为0.5米。

根据本发明实施例的车辆制动能量回收装置，通过在连续下坡路段上布置摩擦滚轮和发电机，可以为行驶车辆提供减速摩擦力，避免行驶车辆的运行速度增加，将行驶车辆的势能变化量部分转化为电能，不仅可以避免车辆制动时制动器的发热并且相应地可以避免制动器发热导致的制动失灵，同时可以提高能量利用率。

附图说明

通过参考附图描述根据本发明实施例，本发明实施例的各种特征和优点将更明显，并且也更容易被理解，在附图中：

图1是示出了车辆在下坡路段行驶时的受力分析示意图；

图2示出了根据本发明实施例的车辆制动能量回收装置的示意性框图；

图3示出了根据本发明实施例的车辆制动能量回收装置的示意性安装图；以及

图4示出了根据本发明实施例的车辆制动能量回收装置的另一示意性框图。

具体实现方式

下面将参考附图来描述根据本发明实施例的管理多个终端设备的方法、在多个终端设备之间进行任务自动迁移的方法、以及实现所述方法的管理服务器。

图1示出了车辆在下坡路段行驶时的受力分析示意图。

如图1所示，一辆总重量为m的车辆在一条坡度角为α度的笔直路线上下坡行驶，其中线路坡度可以被定义为i＝tanα。

在图1中，车辆受力共有：与水平面垂直的重力mg、与行驶路面垂直的路面支撑力f_z、与行驶速度方向一致的牵引力f_q、与行驶速度方向相反的摩擦力f_m和风阻力f_v。由于车辆行驶速度较低，可忽略风阻力的作用，根据牛顿定律，可列出车辆的运动方程为：

mgsin(α)+f_q-f_m＝ma式(1)

其中，a为车辆的行驶加速度。

如图1所示，车辆沿行驶速度方向的行驶距离为s，其行驶起点和终点速度分别为v₁和v₂。根据功率守恒定律，在该路段上，沿行驶速度方向的合成力作的功为(mgsinα+f_q-f_m)s，其应等于车辆机械能的增量也即：

$(mgsin\mathrm{\α}+f_q-f_m)s=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}_2^2-\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}_1^2$ 式(2)

为了保证车辆制动安全，一般有：v₂≤v₁，假设车辆匀速下坡，也即：v₂＝v₁，另外，认为下坡时车辆牵引力保持为0，即：f_q＝0，由式(1)可得：mgsinα＝f_m，即车辆重力沿运动方向的分量等于摩擦力。车辆重力在行驶过程中做的功为s×mgsinα＝h×mg，其等于车辆的势能变化量。由式(2)可知，车辆重力在行驶过程中做的功也等于摩擦力所做的功：s×f_m，这些能量绝大部分将被制动器吸收，转化为热量。

以一段6.6公里长下坡路段为例，其平均坡度为i＝3.56％，则坡度角为α＝tan^-1(i)＝2.04度。假设一辆总重量为10吨的车辆，沿该坡道起点匀速下坡至终点，行使距离为s＝6.6公里，则制动能量为s×mgsinα＝6600×10000×9.8×sin(2.04)＝2.302×10⁷焦耳，相当于6.4度电(kWh)(1度电等于3.6×10⁶焦耳)。

据统计，八达岭高速公路进京方向的日均交通流量为14万辆，既有数量众多的2吨以下的小轿车，又有大量的最大载重超过10吨的大货车(超载时有时达20吨以上)，如按照每辆车平均3吨来计算，该路段每辆车的平均制动能量为1.92度电，按日均交通流量为14万辆计算，则每日的总制动能量为26.88万度电，每年(365天)的总制动能量为9811.2万度电，近1亿度电，数量极为可观。目前，这些能量主要通过制动器转化为热量，白白浪费掉了，十分可惜。更为严重的是，这些制动能量是导致重特大交通事故的主要诱因。

针对目前公路长下坡路段车辆制动能量巨大、被白白浪费且可能会导致重大交通故的严峻情况，发明人提出了一种公路长下坡车辆制动能量回收与利用装置。

图2示出了根据本发明实施例的车辆制动能量回收装置的示意性框图，根据本发明实施例的车辆制动能量回收装置安装在公路长下坡路段上。

如图2所示，根据本发明实施例的车辆制动能量回收装置包括摩擦滚轮和能量转换装置。

摩擦滚轮被放置在下坡道路的路面上的沟槽中以便与在路面上行驶的车辆车轮保持接触。在连续下坡道路的路面上每隔一段距离挖一沟槽，将摩擦滚轮放置在沟槽上部，并让圆滚轮顶部尽量露出路面，使其与路面行驶车辆车轮保持足够的接触面积。在路面摩擦滚轮与车辆车轮接触时，车辆车轮转动带动路面摩擦滚轮转动。例如，所述摩擦滚轮可以是摩擦圆滚轮。

能量转换装置被配置来将摩擦圆滚轮的转动能量转换为电能。

作为示例，所述能量转换装置包括升速齿轮和发电机，所述升速齿轮包括低速齿轮和高速齿轮，所述低速齿轮和所述高速齿轮彼此啮合，如图3所示。所述升速齿轮中的低速齿轮与所述摩擦滚轮同轴连接，所述升速齿轮中的高速齿轮与发电机同轴连接，低速齿轮和高速齿轮之间具有升速比。该发电机可以为中速发电机。

摩擦圆滚轮的半径为r，车辆行驶速度v(km/h)与滚动轮的转速n(转/分)之间的关系为：

$n=v\frac{60}{2\mathrm{\π}r}\frac{1000}{3600}=v\frac{100}{2\mathrm{\π}r\×60}.$

假设摩擦圆滚轮的半径为r＝0.5米，车辆以50～90km/h速度匀速行驶，则对应的摩擦圆滚轮的转速为265.39～477.71转/分。假设升速齿轮中的低速齿轮和高速齿轮所提供的升速比设定为1∶6，对应的发电机的转速可以为1592.34～2866.26转/分。

仍以八达岭高速公路进京方向6.6km下坡路段为例，该下坡路段每日的总制动能量为26.88万度电，如果每10米安装一套制动能量回收装置(或者一套摩擦圆滚轮和能量转换装置)，整个下坡段共安装660套。按照每日50％的制动能量被制动能量回收装置转化为电能并回收，则被回收的电能为13.44万度，每一套制动能量回收装置平均转化203.64度电，每套装置的平均功率为：

$\tilde{p}=\frac{203.64}{24}=8.48kW.$

在此情况下，进一步考虑到过载和极端情况，可以将发电机的额定参数选为30kW、3000转/分。

如图4所示，根据本发明实施例的车辆制动能量回收装置除了包括路面摩擦圆滚轮、升速齿轮和发电机之外，还包括并网逆变器和升压变压器。

发电机的输出端与并网逆变器的输入端连接，并网逆变器的输出端与升压变压器的输入端连接，升压变压器的输出端与电网连接。升压变压器的输入端为升压变压器的原边，升压变压器的输出端为升压变压器的副边。

根据本发明实施例，升速齿轮和发电机可以均放置在沟槽内，并网逆变器和升压变压器可以放置在公路旁的建筑物内。

车辆在下坡路段行驶时，在其前轮与摩擦圆滚轮开始接触到后轮脱离接触这段时间内，车轮驱动摩擦圆滚转动，并由升速齿轮升速，驱动中速发电机发电。然后，并网逆变器将发电机发出的交流电变换成幅值和频率都恒定的三相交流电，并通过升压变压器接入电网。

仍以北京八达岭高速公路进京方向下坡段为例，该路段则每年的总制动能量为9811.2万度电，按照50％转化电能计算，约为4905.6万度电。仅北京八达岭高速公路进京方向下坡路段制动能量转化的电能就可满足北京市至少1.7万户家庭一年的用电需求。

根据本发明实施例的车辆制动能量回收装置，通过在连续下坡路段上布置摩擦滚轮，可以为行驶车辆提供减速摩擦力，避免行驶车辆的运行速度增加；通过布置能量转换装置可以将车辆在下坡时的势能变化量部分转换为电能，避免了车辆制动时制动器的发热，避免了制动器发热导致的制动失灵；通过布置并网逆变器和升压变压器，可以提高能量利用率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种车辆制动能量回收装置，包括：

摩擦滚轮，被放置在下坡道路的路面上的沟槽中以便与在路面上行驶的车辆车轮保持接触；以及

能量转换装置，被配置来将摩擦滚轮的转动能量转换为电能。

2.如权利要求1所述的车辆制动能量回收装置，其中，所述能量转换装置包括升速齿轮和发电机，

所述升速齿轮包括低速齿轮和高速齿轮，所述低速齿轮和所述高速齿轮彼此啮合，所述低速齿轮与所述摩擦滚轮同轴连接，所述高速齿轮与发电机同轴连接。

3.如权利要求1所述的车辆制动能量回收装置，还包括：

并网逆变器，其输入端连接所述发电机的输出端，并且被配置来将所述能量转换装置产生的电能变换至预定电压幅度预定频率的三相交流电；以及

升压变压器，其输入端连接并网逆变器的输出端，其输出端连接电网，并且被配置来将所述并网逆变器产生的预定电压幅度预定频率的三相交流电变换至电网电压的幅度和频率。

4.如权利要求1所述的车辆制动能量回收装置，其中，所述摩擦滚轮是摩擦圆滚轮。

5.如权利要求2所述的车辆制动能量回收装置，其中，所述低速齿轮和所述高速齿轮所提供的升速比为1∶6。

6.如权利要求2所述的车辆制动能量回收装置，其中，所述发电机为中速发电机。

7.如权利要求3所述的车辆制动能量回收装置，其中，

所述摩擦滚轮和能量转换装置布置在所述沟槽中，所述摩擦滚轮布置在所述沟槽的上部，所述能量转换装置布置在所述沟槽的下部；

所述并网逆变器和升压变压器远离所述摩擦滚轮和能量转换装置布置。

8.如权利要求3所述的车辆制动能量回收装置，其中，

升压变压器的输入端为升压变压器的原边，升压变压器的输出端为升压变压器的副边。

9.如权利要求4所述的车辆制动能量回收装置，其中，

在下坡道路的路面上布置多个沟槽，每个沟槽间隔10米，在每个沟槽中布置一个摩擦圆滚轮和能量转换装置，并且摩擦圆滚轮的半径为0.5米。