CN100556730C - 混合动力汽车的直流电压控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了混合动力汽车的直流电压控制系统，包括发电机、电动机、蓄电池、控制单元，控制单元控制连接发电机、电动机，发电机、电动机与蓄电池电连接，在电动机与蓄电池之间设置有一个升高蓄电池的输出电压给电动机的升压供电电路、降低发电机的输出电压和/或将电动机作回馈制动时由汽车动能转换得到的输出电压给蓄电池的降压充电电路，控制单元控制升压供电电路、降压充电电路的开关与切换。由于采用了升压电路，所以蓄电池可以采用低电压电池组，使电池系统成本、体积均降低，达到了低成本、大批量生产的要求。且由于提升了电动机的供电升压，因此在功率相同的情况下，电机绕组用铜量大幅度减少，电动机尺寸减小，损耗降低，效率提高。

Description

混合动力汽车的直流电压控制系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车技术领域，更具体说涉及混合动力汽车的直流电压控制系统及其工作方法。

背景技术

随着石油资源的逐步减少，环境污染日趋严重，未来的汽车必须尽量减少油耗，甚至完全不使用石油，以适应逐步加大的环保压力，使用唯一以蓄电池为动力来源的汽车虽然能从根本上解决这个问题，但是这项技术还不成熟，成本仍然很高，受到蓄电池价格、充电时间和每次充电后行驶里程等方面的影响，距大规模商业应用还有一段很长的路要走。所以就目前来说，使用石油的汽车还是不能被取代的，如今唯一能做的工作是尽可能降低油耗，混合动力汽车就是降低油耗的好办法。通常设计混合动力汽车的思路是提高发动机功率，或者提高电池组电压，使汽车的输出功率和扭矩提高，但无论采用哪种方式，其燃料的使用效率都非常低，想要达到既环保，输出功率又大是很困难的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种可以通过升高蓄电池的输出电压给电动机，同时通过降低发电机的输出电压给蓄电池来提高汽车的工作效率，降低油耗的混合动力汽车的直流电压控制系统。

本发明所述的直流电压控制系统包括发电机、电动机、蓄电池、控制单元，控制单元控制连接发电机、电动机，发电机、电动机与蓄电池电连接，其特征在于：在电动机与蓄电池之间设置有一个升高蓄电池的输出电压给电动机的升压供电电路，降低发电机的输出电压和/或将电动机作回馈制动时由汽车动能转换得到的输出电压给蓄电池的降压充电电路，控制单元控制升压供电电路、降压充电电路的开关与切换。

所述的升压供电电路包括电感L、二极管D1、电容器C1、晶体管Q2，电容器C1并联于电动机及发电机的两端，电动机及发电机的负极一端连接晶体管Q2的发射极，电感L连接于蓄电池的正极与晶体管Q2的集电极之间，二极管D1的正极连接于晶体管Q2的集电极，负极连接于电动机及发电机的正极，晶体管Q2的基极连接于控制单元。通过这个升压供电电路，电容器C1的电压等于蓄电池的电压与电感L的自感电动势之和，以电容器C1上提升后的电压为电动机供电，就能够使汽车输出转矩比直接用电池为电动机供电更大。

所述的降压充电电路包括电感L、二极管D2、电容C2、晶体管Q1，电容C2并联于蓄电池的两端，电动机及发电机的正极一端连接晶体管Q1的集电极，Q1的发射极连接于晶体管Q2的集电极，二极管D2的正极连接于蓄电池的负极，二极管D2的负极连接于晶体管Q1的发射极，晶体管Q1的基极连接于控制单元。这样蓄电池的电压分别等于发电机的电压减去电感L上的电压，或等于电感L上的自感电动势。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种混合动力汽车的直流电压控制系统的工作方法，包括以下工作状态和步骤；

(1)、当车辆行驶所需要的驱动功率、转矩不大时，蓄电池直接向电动机供电为汽车提供动力；(这时汽油发动机不工作，蓄电池直接向电动机供电，蓄电池输出的电压既不升压，也不降压，也就是说，电动机升压供电电路、蓄电池降压充电电路都不工作，电动机和电源之间保持一种直通的工作状态。)

(2)、当汽车需要电动机提供较大的输出功率或输出转矩时，控制单元控制升压供电电路开始工作，提升电动机的工作电源电压，所提升后的电压等于升压供电电路所产生的自感电动势和蓄电池输出电压之和；

(3)、当汽车制动时，控制单元控制降压充电电路工作，把汽车运动中保持的动能通过发电机转化电能作为蓄电池充电电源，此电源电压由降压电路降压后为蓄电池充电；

(4)、当车辆一定的高速匀速行驶时，降压充电电路启动，把发电机发出的电能降压后向蓄电池充电。这时如果蓄电池亏电，则按正常工作模式，如果蓄电池已充满，则降压充电电路为蓄电池浮充电。

所述的工作方法还包括以下步骤：当需要给蓄电池充电时，先关闭升压供电电路，待升压供电电路的电感L中蓄积的能量释放完毕后，再打开降压充电控制电路。这样以防止在电路工作状态转换瞬间，由于线圈电压突变，在其两端产生一个功率很大，电压极高的自感电动势，把相关部分的绝缘击穿，同时可能造成操作人员的人身伤害事故。

所述的工作方法还包括以下步骤：当需要蓄电池提供电动机的工作电源时，先关闭降压充电电路，待降压充电电路中的电感蓄积的能量释放完毕后，再打开升压供电电路，把蓄电池电压提升后所产生的高电压供电动机工作。这样可以防止在电路工作状态转换瞬间，由于线圈电压突变，在其两端产生一个功率很大，电压极高的自感电动势，把相关部分的绝缘击穿，同时可能造成操作人员的人身伤害事故。

所述的升压供电电路由电感L、二极管D1、电容器C1、晶体管Q2组成时，启动升压供电电路后，控制单元间断地控制晶体管Q2的导通，在Q2导通期间，电池给电感L充电，在Q2截止期间，电感L的自感电动势与电池电压之和经二极管D1送出，从而实现升压。这样使电感L重复自感电动势的产生、降低、产生过程。如此往复，就使得蓄电池电压被提升，以电容器C1上提升后的电压为电动机供电，就能够使汽车输出转矩比直接用电池为电动机供电更大。

所述的降压充电电路由电感L、二极管D2、电容C2、晶体管Q1组成时，启动降压充电电路后，控制单元间断地控制晶体管Q1的导通，在Q1导通期间，电源给电感L和蓄电池充电，在Q1截止期间，Q1产生自感电动势由二极管D2续流后给电池充电。由于电感L的存在，在Q1导通期间，电感阻抗的存在使输出电压减小，在Q1截止期间，电感蓄积的能量持续为负载供电，当电感放电完毕，电源通过Q1的导通为电感、蓄电池充电，这样就实现了既使得输出电压降低，且可以维持输出电压基本保持不变。这样电动机给电感L、蓄电池充电，电感L的自感电动势给蓄电池充电的过程循环进行。如此往复，蓄电池得以持续充电。

本发明由于提升了电动机的供电升压，因此在功率相同的情况下，电机绕组用铜量大幅度减少，电动机尺寸减小，损耗降低，效率提高。同时绕组电流大大减小，既能够在电机控制器中使用电流较小、成本低的开关管，也可以大大减小连接电动机的电缆截面积。同样能减少线路损耗，提高工作效率。并且由于采用了降压工作电路从而使发电机在可以直接对电动机供电的情况下，也可以在蓄电池亏电、汽车制动时对蓄电池充电。从而可以提高混合动力汽车的工作效率，降低油耗。另外由于采用了升压电路，所以蓄电池可以采用低电压电池组，使电池系统成本、体积均降低，达到了低成本、大批量生产的要求。

本系统具有如下优点：

1、高性能、低成本

首先，由于采用了低电压电池组，使电池系统成本、体积均降低，达到了低成本、大批量生产的要求。其次，由于提升了电动机的供电升压，因此在功率相同的情况下，电机绕组用铜量大幅度减少，电动机尺寸减小，损耗降低，效率提高。另外，由于提高了电动机的电源电压，因此相同功率情况下，绕组电流大大减小，既能够在电机控制器中使用电流较小、成本低的开关管，也可以大大减小连接电动机的电缆截面积。同样能减少线路损耗，提高工作效率。

2、节能降耗

在汽车起步，低速行驶时，如果使用汽油发动机来驱动汽车，则明显超过高速行驶时的耗油量，这时采用电动机来驱动汽车行驶是非常适宜的，当汽车以高速行驶、制动、下坡时，可将发动机的能量、车辆制动时的动能转换为电能来给蓄电池充电，这样就达到了充分节约石油能源的目的，大大降低了能耗，满足了环保的要求。

附图说明

图1为本发明的实施例中的直流电压控制系统电路示意图。

下面参照附图对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例中的直流电压控制系统包括发电机、电动机、蓄电池、控制单元，电感L、二极管D1、电容器C1、晶体管Q2、二极管D2、电容C2、晶体管Q1，电感L、二极管D1、电容器C1、晶体管Q2组成升压供电电路，电感L、二极管D2、电容C2、晶体管Q1组成降压充电电路。连接关系为：电容器C1并联于电动机及发电机的两端，电动机及发电机的负极一端连接晶体管Q2的发射极，电感L连接于蓄电池的正极与晶体管Q2的集电极之间，二极管D1的正极连接于晶体管Q2的集电极，负极连接于电动机及发电机的正极；电容C2并联于蓄电池的两端，电动机及发电机的正极一端连接晶体管Q1的集电极，Q1的发射极连接于晶体管Q2的集电极，二极管D2的正极连接于蓄电池的负极，二极管D2的负极连接于晶体管Q1的发射极，晶体管Q1、晶体管Q2的基极连接于控制单元。

实施例中的系统的工作方法，包括以下工作状态和步骤：

1、在当需要的能量、转矩不大时，由蓄电池为汽车提供动力，汽油发动机不工作，电动机的电源电压和蓄电池输出电压相等，升压供电电路、降压充电电路均不工作；

2、当需要较大的力量时，控制单元打开升压供电电路工作，控制单元间断地控制晶体管Q2的导通，电动机的电源电压等于升压电路的电压和蓄电池输出电压之和。

当蓄电池亏电、汽车制动时，控制单元打开降压充电电路，同时关闭升压供电电路，控制单元间断地控制晶体管Q1的导通。

实施例中的系统的设计思想和电路工作原理：

由于发电机直接给电动机供电，因此，发电机的输出电压与电动机的两端电压相等，而如果通过升高蓄电池的输出电压给电动机，电动机两端的电压就等于蓄电池的电压与提升的电压之和。所以，发电机的输出电压也等于蓄电池的电压与提升的电压之和，发电机的输出电压高于蓄电池的电压，不能直接给蓄电池充电，必须经过降压电路降压后才能给蓄电池充电。因此本系统的设计就必须包括升压供电电路、降压充电电路，并包括以下工作状态：

1、以蓄电池提供动力，此时电路工作于降压或非降压两种工作模式。

(1)当需要的能量、转矩不大时，由蓄电池为汽车提供动力，汽油发动机不工作，此时蓄电池的电能通过滤波电感L、二极管D1给汽车电动机供电，电感L、电容器C1、电容器C2为电源的π型滤波电路，此时电动机的电源电压和蓄电池输出电压相等，升压电路不工作；

(2)当需要较大的力量时，则电感L、二极管D1、电容器C1、晶体管Q2共同将蓄电池的电压提升，电容C1上的电压为提升后的电压，此时C1上的电压高于电池电压，而且负载越重，电压越高，以这样的高电压作为汽车电动机的电源，则电动机的驱动力量更大。如果此力量仍然不足以驱动汽车，则在电子设备的控制下，汽车发动机点火，在汽车发动机和电动机的共同驱动下，车辆得以正常行驶，由于此时电动机参与对汽车的驱动，相对于只能以汽、柴油为动力来源的汽车来说，减轻了发动机的负担，达到节能、降低油耗的目的。

升压供电电路的电路工作原理：

如图1所示，升压过程中，晶体管Q1基极始终不加任何控制信号，因此Q1始终截止，对电路不起任何作用。升压开始后，首先晶体管Q2因基极得到控制电压而导通，这样其集电极和发射极接通，由于二极管D1的隔离，电容器C1两端电压不受Q2影响，而与此同时，作为Q2导通后的结果，从蓄电池来的电压就给电感L充电，充电过程中电感L两端的电压极性是1端为负、2端为正，在充电未结束时，取消Q2基极的控制电压，则Q2立即截止，这就使得流过电感L的充电电流减小，根据电感线圈有阻碍所流过电流变化的特点，这样电感L两端必然会产生一个1脚为正、2脚为负的自感电动势，试图促使流过其中的电流增加。显然电感L两端的电压恰好和汽车蓄电池中的电压构成串联关系，因此电感线圈1脚对地电压即为电感线圈L的自感电动势和蓄电池电压之和，用二极管D1将电感线圈1脚对地电压引出，加到电容器C1上，由C1储能、滤波，于是就得到了比汽车蓄电池电压高得多的直流电压，随着电感线圈L中存储能量的不断释放，其自感电动势很快下降，当降低到一定程度，又一次重复上述过程，如此往复，就使得蓄电池电压被提升，以电容器C1上提升后的电压为电动机供电，就能够使汽车输出转矩比直接用电池为电动机供电更大。

2、当蓄电池亏电时，电池充电电路打开，工作于降压工作方式。另外在汽车制动时，电池充电电路也打开，同时关闭升压供电电路，一边将汽车的动能转换为电能，给蓄电池充电，充分利用能量，同时也起到制动的作用。降压电路和电池充电电流是有联系的，输出电压的大小由充电电流进行调节。

降压充电电路的电路工作原理如下：

如图1所示，降压过程中，晶体管Q2基极始终不加任何控制信号，因此Q2始终截止，对电路不起任何作用，二极管D1加的是反相电压，因此也停止工作，参与工作的元件为晶体管Q1、二极管D2、电感L、电容C2。降压开始后，首先晶体管Q1因基极得到控制电压而导通，这样其集电极和发射极接通，将汽车发电机的输出高电压，或者因汽车制动，电动机作发电运行时所产生的高电压送往电感线圈1脚，因此产生了给电感L、蓄电池充电的充电电流，电感L充电电压的极性是1脚为正、2脚为负，充电以后，充电电流逐步增加，当充电电流达到最大值时，晶体管Q1截止，使得电感线圈L的充电电流减小，同样根据电感线圈的特点，其必然产生1脚为负、2脚为正的自感电动势，在Q1截止瞬间，L的自感电动势变得非常大，当超过电池电压，由于存在二极管D2，建立了一个电流回路，因此电感L的自感电动势就给蓄电池充电，随着电感L中能量的不断释放，这个充电电流不断减小，当电流小到一定程度，又一次重复上述过程，如此往复，蓄电池得以持续充电。

下面详细介绍电路的组成元件及选用原则：

电容器C1是一种高压铝电解电容器，根据发电机输出电压以及升压电路输出电压情况加以选择，按下式选择电容器的电压值：

C1电容耐压值＝实际最大承受电压/0.8；

电容器C2是一种高压铝电解电容器，根据蓄电池最大电压选择，按下式计算：

C2电容耐压值＝电池最大电压/0.8；

晶体管Q1、Q2是一种绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，选用原则如下：

1、耐压等于电路中最大电压的1倍以上；

2、电流＝5P/U(式中：P-转换总功率，U-电路最高电压)

储能电感L：在升压电路不工作时，负载电流全部流过其中，因此其导线截面积必须能够承受这个电流，另外在升、降压时，电感要能够存储足够的能量，否则无法实现相应功能。关于电感的设计，已经有很多经典的设计方法，都适合本电感器的设计，故这里不再重复。

Q1、Q2控制信号是一种脉宽调制信号(PWM)，Q1、Q2必须有互斥关系，即Q1截止后Q2才能工作，而Q2截止以后Q1才能工作。

Claims (8)

1、一种混合动力汽车的直流电压控制系统，包括发电机、电动机、蓄电池、控制单元，控制单元控制连接发电机、电动机，发电机、电动机与蓄电池电连接，其特征在于：在电动机与蓄电池之间设置有升高蓄电池的输出电压给电动机的升压供电电路，降低发电机的输出电压和/或将电动机作回馈制动时由汽车动能转换得到的输出电压给蓄电池的降压充电电路，控制单元控制升压供电电路、降压充电电路的开关与切换，所述控制单元用于：

(1)、当车辆行驶所需要的驱动功率、转矩不大时，控制单元控制蓄电池直接向电动机供电为汽车提供动力；

(2)、当汽车需要电动机提供较大的输出功率或输出转矩时，控制单元控制升压供电电路开始工作，提升电动机的工作电源电压，所提升后的电压等于升压供电电路所产生的自感电动势和蓄电池输出电压之和；

(3)、当汽车制动时，控制单元控制降压充电电路工作，把汽车运动中保持的动能通过发电机转化电能作为蓄电池充电电源，此电源电压由降压充电电路降压后为蓄电池充电；

(4)、当车辆一定的高速匀速行驶时，控制单元控制降压充电电路启动，把发电机发出的电能降压后向蓄电池充电。

2、根据权利要求1所述的直流电压控制系统，其特征在于：所述的升压供电电路包括电感L、二极管D1、电容器C1、晶体管Q2，电容器C1并联于电动机及发电机的两端，电动机及发电机的负极一端连接晶体管Q2的发射极，电感L连接于蓄电池的正极与晶体管Q2的集电极之间，二极管D1的正极连接于晶体管Q2的集电极，负极连接于电动机及发电机的正极，晶体管Q2的基极连接于控制单元。

3、根据权利要求2所述的直流电压控制系统，其特征在于：所述的降压充电电路包括电感L、二极管D2、电容C2、晶体管Q1，电容C2并联于蓄电池的两端，电动机及发电机的正极一端连接晶体管Q1的集电极，Q1的发射极连接于晶体管Q2的集电极，二极管D2的正极连接于蓄电池的负极，二极管D2的负极连接于晶体管Q1的发射极，晶体管Q1的基极连接于控制单元。

4、混合动力汽车的直流电压控制系统的工作方法，包括以下工作状态和步骤：

(1)、当车辆行驶所需要的驱动功率、转矩不大时，蓄电池直接向电动机供电为汽车提供动力；

(2)、当汽车需要电动机提供较大的输出功率或输出转矩时，控制单元控制升压供电电路开始工作，提升电动机的工作电源电压，所提升后的电压等于升压供电电路所产生的自感电动势和蓄电池输出电压之和；

(3)、当汽车制动时，控制单元控制降压充电电路工作，把汽车运动中保持的动能通过发电机转化电能作为蓄电池充电电源，此电源电压由降压充电电路降压后为蓄电池充电；

(4)、当车辆一定的高速匀速行驶时，降压充电电路启动，把发电机发出的电能降压后向蓄电池充电。

5、根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：所述的工作方法还包括以下步骤，当需要给蓄电池充电时，先关闭升压供电电路，待升压供电电路中的电感蓄积的能量释放完毕后，再打开降压充电控制电路。

6、根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：所述的工作方法还包括以下步骤，当需要蓄电池提供电动机的工作电源时，先关闭降压充电电路，待降压供电电路中的电感蓄积的能量释放完毕后，再打开升压供电电路，把蓄电池电压提升后所产生的高电压供电动机工作。

7、根据权利要求4或6所述的工作方法，其特征在于：所述的升压供电电路由电感L、二极管D1、电容器C1、晶体管Q2组成时，启动升压供电电路后，控制单元间断地控制晶体管Q2的导通，在Q2导通期间，电池给电感L充电，在Q2截止期间，电感L的自感电动势与电池电压之和经二极管D1送出，从而实现升压。

8、根据权利要求4或5所述的工作方法，其特征在于：所述的降压充电电路由电感L、二极管D2、电容C2、晶体管Q1组成时，启动降压充电电路后，控制单元间断地控制晶体管Q1的导通，在Q1导通期间，电源给电感L和蓄电池充电，在Q1截止期间，Q1产生自感电动势由二极管D2续流后给电池充电。

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