Maximising Regenerative Energy Return from Dynamo-Motor Traction Drives in Solar PV-Powered Electric Vehicles for Long-Haul Operation with Strong Stability
本论文确立了虽然太阳能电动汽车的发电机-电动机驱动由于热力学限制无法在孤立状态下实现完全的能量中性，但一种结合了优化再生策略与虚拟阻尼控制的综合设计方法可以显著降低能量消耗并确保系统稳定性，从而将一个原本不可行的长途任务转化为一个可行的任务。
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重型运输业通往更清洁未来的道路上铺设着一个艰难的悖论：电动卡车需要巨大的电池来承载重物并进行长途行驶，但这些电池增加的重量又会减少卡车能够运载的货物量。为了解决这个问题，工程师们将目光投向了两种随车移动的免费能源：通过车顶太阳能电池板捕捉的阳光，以及卡车自身的动能（当车辆减速或下坡时可以回收）。这种回收运动能的过程被称为再生制动。它的原理是通过反转电动机，使其不再是推动轮子，而是由轮子推动电机，将车辆的动量转化为电能并储存在电池中。这个想法简单且极具吸引力：如果一辆卡车能够捕捉到足够多的自身浪费的能量和足够的阳光，它最终或许可以实现无需插电即可永久行驶。
然而，物理定律对能量回收的程度设定了严格的限制。每当能量发生形式转换时——从电池转移到轮子，或从轮子回到电池——都会有一小部分能量以热量的形式流失。由于这些不可避免的损耗，一台机器不可能仅仅通过从电池取能、驱动车辆，然后又将完全相同数量的能量存回电池。为了使数学计算成立，必须有一个外部能源来填补这一缺口。这正是决定货运未来的关键问题：通过太阳能和再生制动的结合，卡车实际能回收多少其消耗的能量？大西洋国际大学（Atlantic International University）及其他几家机构的研究人员开展的一项新研究调查了这一精确问题，他们超越了充满希望的说法，旨在找出支配物理可能性的硬性数据。
研究人员建立了一个详细的计算机模型，模拟一辆重量为3500公斤的重型电动卡车，设计用于在阿拉伯联合酋长国的丘陵路段行驶450公里。他们为这辆虚拟卡车配备了一个覆盖12.4平方米车顶的太阳能阵列，以及一个既能作为驱动器又能作为发电机的强力电动机。随后，团队模拟了一整天的驾驶过程，追踪了卡车为前进而从电池中提取的每一焦耳能量，以及它成功存回电池的每一焦耳能量。他们发现，虽然卡车确实可以回收能量，但回收量远小于其消耗的能量。在450公里的旅程中，卡车需要146.8千瓦时的能量来克服空气阻力、滚动摩擦和坡度。太阳能电池板贡献了14.4千瓦时，而再生制动系统（在下坡和制动期间捕捉能量）仅返回了8.3千瓦时。
当研究人员将太阳能和再生制动的贡献相加时，卡车仅回收了其消耗能量的15.5%。这意味着对于卡车消耗的每100个单位能量，它只能回收大约15个单位。该研究明确排除了一个流行但违背物理定律的概念：即连接在驱动轴上的电机可以通过循环利用自身的能量来使车辆无限期持续运行。研究人员证明，如果电机试图在车辆匀速巡航时产生动力，它实际上会迫使主电机更加努力工作，从而比没有发电机时更快地消耗电池。只有当车辆正在释放原本会以热量形式浪费掉的能量（例如在下坡时）时，再生才会起作用。即便如此，该系统也并非完美；由于齿轮、电机和电池充电过程中的损耗，只有约75%的在轮端捕捉到的能量能最终回到电池中。
尽管回收百分比较低，但结果表明这些系统并非毫无用处。如果没有太阳能电池板和再生制动，卡车到达目的地时电池电量将几乎耗尽，降至会损害电池长期健康水平的状态。在开启回收系统的情况下，卡车到达目的地时仍保留了足够的电量，处于安全且可运行的状态。太阳能采集与能量回收的结合，将卡车每公里所需的总能量降低了10.4%。这一微小的提升，是让一次行程从“如果不中途充电就无法完成”变为“可以在单次运行中完成”的关键区别。
研究还观察了卡车载电系统的电气稳定性。由于电动机需要抽取恒定的功率来维持速度，这可能会在电路中产生一种危险的不稳定性，类似于重负荷会导致输电线路闪烁或失效。研究人员发现，如果没有特殊的控制系统，当电机高负荷工作时，卡车的电气网络会变得不稳定并可能失效。通过添加一种“虚拟阻尼机制”——一种在软件中起作用的数学调整，类似于电流的“减震器”——他们成功稳定了系统，确保其能够应对各种驾驶条件而不失控。
最后，研究人员探讨了卡车要达到“能量中性”（即返回的能量等于消耗的能量）需要满足什么条件。他们的计算显示，这在理论上是可能的，但仅在不符合商业卡车实际应用条件的条件下才能实现。要在使用当前太阳能电池板尺寸的情况下达到这种平衡，卡车必须以仅10.8公里的时速缓慢爬行，这将使长途运输变成长达数日的旅程。或者，若要在每小时80公里的正常高速行驶，卡车需要一个面积为91平方米的太阳能车顶，这比实际车辆的面积大了七倍多。该研究得出结论：虽然自给自足的电动卡车对于长途货运而言并非现实目标，但太阳能和再生制动的结合提供了重要的现实益处：它们扩展了续航里程，使得长途旅行变得可行，无需中间充电站，从而将一个理论上的不可能变成了实际的工程收益。
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