CN101758778A - 电涡流缓速器及发电/起动集成系统与控制方法 - Google Patents

电涡流缓速器及发电/起动集成系统与控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车领域中的电涡流缓速器及发电/起动集成系统与控制方法，永磁电机和电涡流缓速器设置于飞轮壳体内，输入轴穿过飞轮壳体的中心并固定电涡流缓速器和永磁电机，控制单元设于飞轮壳体外且分别连接电涡流缓速器、永磁电机、转速传感器、扭矩传感器和蓄电池。控制单元监测输入轴的转速控制电涡流缓速器线圈通电使发动机起动，采集输入轴当前转速和扭矩以及车轮轮速信号，计算PWM值并控制电涡流缓速器的通电电流大小使发动机缓速；本发明为起动系统、发电系统以及制动系统集成一体的智能化集成系统，减轻了重量；所产生的电涡流制动力矩将使发动机制动，起到能量回收的目的，延长了蓄电池使用寿命，提高了制动系统的稳定性。

Description

电涡流缓速器及发电/起动集成系统与控制方法
技术领域
本发明涉及汽车领域，尤其涉及汽车的起动系统、发电系统以及制动系统。
背景技术
传统汽车起动系统由蓄电池、点火开关、起动继电器、起动机等组成，点火开关在接通STA档位瞬间，起动继电器接通起动电路，提供大的起动力矩，蓄电池需要提供大电流给起动机转子的电枢绕组，其最大的缺点在于：当存在引起发动机不能正常起动的因素时，若驾驶员频繁的将点火开关置于STA档位，除了大量消耗蓄电池能量外，还将严重影响蓄电池的使用寿命，甚至损坏蓄电池。
传统的汽车电源系统采用交流发电机作为发电装置，由于输出功率有限，因此不能满足安装有多个电控装置和用电设备的汽车用电的需求。为此，结合汽车用电设备需要，通过有效的变压整流，得到+14V、+24V、+42V电源，以满足不同供电电压汽车电气设备的要求是汽车电源系统发展的方向。
现有的电涡流缓速器装置，大多通过制动时在制动盘产生与驱动力矩相反的电涡流制动力矩来制动汽车，这种辅助制动装置能有效地使车辆制动，然而却不能将汽车制动时的动能回收利用。
现有的车用发电/起动系统，选用异步电机时，采用42V电源系统，系统安装在发动机和变速箱之间的曲轴上；选用永磁同步电机时，采用14V和42V混合电源系统，也采用曲轴直接传动方式，工作效率在80％以上；与传统车相比，可节省20％的燃料，在30％的停顿过程中实现“零”排放。但目前的发电/起动系统的缺陷是结构复杂，存在着不能充分将发动机制动时的能量转化为电能的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现汽车起动、发电、驱动、缓速制动一体化的结构简单的电涡流缓速器及发电/起动集成系统与其控制方法，制动时的能量可回收，可降低汽车的能量消耗、延长蓄电池的使用寿命。
本集成系统采用的技术方案是：包括电涡流缓速器、永磁电机、控制单元、转速传感器和扭矩传感器，所述永磁电机和电涡流缓速器设置于飞轮壳体内，飞轮壳体固接系统的发动机缸体，输入轴穿过飞轮壳体的中心，位于飞轮壳体内的输入轴上固定电涡流缓速器和永磁电机，控制单元设于飞轮壳体外且分别连接电涡流缓速器、永磁电机、转速传感器、扭矩传感器和蓄电池。
本集成系统的控制方法采用的技术方案包括以下步骤：点火开关置于ON档，控制单元内的单片微型计算机初始化设置，监测输入轴的转速是否高于额定转速，若低于额定转速，选择开关接通逆变器模块，逆变器将蓄电池的直流电转变为交流电供给永磁电机三相绕组，永磁电机转子旋转并带动输入轴旋转，同时控制继电器通电以控制电涡流缓速器线圈通电，增大起动力矩使发动机起动；
踩下制动踏板，制动信号输入控制单元，经信号调理电路后输入单片微型计算机，采集输入轴当前转速和扭矩以及车轮轮速信号，计算PWM值，并输出控制继电器以控制电涡流缓速器的通电电流大小，通过单片微型计算机调节PWM值，电涡流缓速器产生相应的制动力矩使发动机缓速。
本发明的有益效果是：
1、本发明取消了传统的原发动机飞轮，采用与原发动机飞轮有相同转动惯量的永磁电机转子，将电涡流缓速器、永磁电机安装于飞轮壳体内部，通过给永磁电机三相定子输入电流、电涡流缓速输入一定方向的电流，实现起动功能；通过正常起动后的发动机带动永磁转子旋转，使永磁电机三相定子产生交变电压来发电；将起动系统、发电系统以及制动系统集成一体，是一种智能化集成系统，减轻了整车重量。
2、控制单元根据不同传感器输送的信号，通过对永磁电机电路的切换实现起动和发电功能，通过智能识别制动信号控制电涡流缓速器工作，实现了缓速制动。电涡流缓速器由定子感应环和转子线圈组成，当制动信号出现时，控制单元将控制转子线圈通电，所产生的电涡流制动力矩将使发动机制动，发动机制动时的一部分能量将由永磁电机转为电能提供给蓄电池和用电设备，起到能量回收的目的。
3、本发明减少了汽车能量消耗，延长了蓄电池使用寿命，提高了制动系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明电涡流缓速器及发电/起动集成化系统的结构图；
图2是图1的A-A向视图；
图3是图1中永磁电机22的放大结构图；
图4是图1中控制单元21的放大结构图；
图5是本发明的起动控制流程图；
图6是图5的起动控制框图；
图7是本发明缓速控制流程；
图8是图7的缓速控制框图；
图中：1.飞轮壳体；2.连接螺栓；3.输入轴；4.电涡流缓速器风扇；5.定子感应环；6.电涡流缓速器；7.电涡流缓速器线圈；8.永磁电机三相定子；9.永磁电机转子；10.永磁电机风扇；11.扭矩传感器；12.转速传感器；13.穿心螺栓；14.连接螺母；15.永磁电机机壳；16.三相绕组；17.定子铁芯；18.转子磁轭；19.永久磁铁；20.轴承；21.控制单元；22.永磁电机。
具体实施方式
如图1，本发明主要由电涡流缓速器6、永磁电机22、控制单元21、转速传感器12、扭矩传感器11等组成。本发明取消了传统发动机的飞轮，直接将永磁电机22和电涡流缓速器6设置于飞轮壳体1内。输入轴3穿过飞轮壳体1的中心、电涡流缓速器6和永磁电机22。在飞轮壳体1内的输入轴3上固定安装电涡流缓速器6和永磁电机22，即输入轴3为电涡流缓速器6和永磁电机22的中轴，在飞轮壳体1外的输入轴3上安装转速传感器12和扭矩传感器11。电涡流缓速器6主要包括电涡流缓速器风扇4，电涡流缓速器定子感应环5以及电涡流缓速器线圈7等部件。电涡流缓速器6上的定子感应环5为磁性材料，定子感应环5通过轴承支撑在输入轴3上，当电涡流缓速器线圈7通电时，定子感应环5将反作用力作用于电涡流缓速器线圈7上，从而增大起动力矩或产生制动效果。控制单元21设于飞轮壳体1外，且控制单元21分别连接电涡流缓速器6、永磁电机22、转速传感器12、扭矩传感器11和蓄电池。
如图1和图2所示，飞轮壳体1用连接螺栓2在周向与系统的发动机缸体紧固连接，用穿心螺栓13及其相配的连接螺母14周向将飞轮壳体1、电涡流缓速器6以及永磁电机22连接为一体。
如图1和图3所示，永磁电机22主要包括永磁电机机壳15、永磁电机三相定子8、永磁电机转子9、轴承20以及永磁电机风扇10。永磁电机三相定子8由三相绕组16和定子铁芯17组成，永磁电机转子9由转子磁轭18和永久磁铁19组成，永磁电机机壳15通过轴承20支撑在输入轴3上，永久磁铁19及转子磁轭18与输入轴3过渡配合，因此，永久磁铁19及转子磁轭18旋转时将带动输入轴3旋转，反之，永久磁铁19及转子磁轭18制动时将带动输入轴3停止旋转。永磁电机转子9具有与飞轮壳体1相当的转动惯量，并可通过下式进行计算：
J M = T D 2 4 J L α 2
其中：TD-电机发出的最大转矩，N.m；JL-发动机曲轴的旋转惯量，kg.m2；α-曲轴旋转最大角加速度(radls2)
如图1和图4所示，控制单元21内部包括单片微型计算机、模数转换器、信号调理电路、放大电路、报警电路、变压整流、选择开关、逆变器和继电器等。其中的报警电路模块在电涡流缓速器6及发电/起动集成系统出现故障时，由控制单元21控制故障指示灯常亮。永磁电机22的发电与起动功能由控制单元21控制选择开关来实现。当选择开关线圈不通电时，永磁电机三相定子8与控制单元21内的逆变器相连，起到起动系统的功能；当选择开关线圈通电时，永磁电机三相定子8与变压整流模块相连，经变压整流后输出14V、24V以及42V电源供不同功率的用电设备使用。
如图1-4所示，控制单元21的1号端子与蓄电池“+”级相连，2号端子接收点火开关STA档位提供的STA信号，3号端子接收安装于车轮处的轮速传感器信号，4号端子连接扭矩传感器11的信号线，5号端子连接转速传感器12的信号线，6号端子接收安装于制动踏板处的制动开关发送的制动信号，7号端子与8号端子连接电涡流缓速器线圈7的输入输出线，9号端子、10号端子及11号端子输出变压整流后可供用电设备使用的+14V、+24V、+42V。永磁电机22的三相绕组16的三根输出线与控制单元21内的选择开关三个输入端相连。
控制单元21内的单片微型计算机的1号引脚接收经信号调理后的STA信号，2号引脚输出控制选择开关通断信号，3号引脚输出控制继电器通断信号以控制电涡流缓速器6的通电电压大小，4号引脚和5号引脚连接电涡流缓速器6电流的输入输出线，7号引脚接收经过信号调理电路后的车轮轮速信号。
以下结合图5、图6、图7和图8具体描述本系统的起动、发电、驱动、缓速控制方法。
如图5，图1所示的系统起动时，点火开关置于ON档，控制单元21内单片微型计算机将进行初始化设置，并启动A/D采集及转速采集。在单片微型计算机监测到起动信号出现时，系统将进一步监测输入轴3的转速是否高于额定转速n。若低于额定转速n，则单片微型计算机使2号引脚断电，选择开关接通逆变器模块，逆变器将蓄电池的直流电转变为交流电供给永磁电机三相绕组16，永磁电机转子9旋转并带动输入轴3旋转；同时控制继电器通电，电流由单片微型计算机的4号引脚输出，5号引脚输入，电涡流缓速器线圈7通电，增大起动力矩，发动机起动。若高于额定转速n，则单片微型计算机根据扭矩传感器11输入信号判断输入轴3的输出力矩是否低于起动阻力矩T门限(正常起动后，发动机输入轴阻力矩减小)。若输入轴3输出力矩高于T门限，则说明起动未完成，控制单元21将控制继电器闭合，给电涡流缓速器6通电，通电电流方向由单片微型计算机的4号引脚流出，5号引脚流回，增大起动力矩。同时，永磁电机三相绕组16由逆变器供电，永磁电机转子9旋转，进一步增大起动力矩。若输入轴3输出力矩低于T门限，则说明已完成起动，单片微型计算机将控制切断继电器电路和接通选择开关线圈电路。若发动机停止工作时，单片微型计算机检测到输入轴转速为0，则将切断2号引脚、3号引脚、4号引脚和5号引脚的电流输出。
如图6，扭矩传感器11和转速传感器12的反馈电压Uf与控制单元21的输出电压Ui的差值ΔU将控制永磁电机转子9输出的扭矩T。起动开始时，阻力矩最大，此时ΔU最大，永磁电机三相绕组16通电电流最大，永磁电机转子9输出大扭矩，同时电涡流缓速器6通过大电流，起动扭矩最大。随着发动机曲轴转速的升高，ΔU＝Uf-Ui减小，永磁电机转子9及电涡流缓速器6输出扭矩不断减小，若ΔU为0，则说明起动完成。
如图7，驾驶员踩下制动踏板，则制动信号将从控制单元21的6号端子进入，经调理后输入到单片微型计算机内。单片微型计算机执行中断服务程序。通过采集输入轴3当前转速和扭矩以及车轮轮速信号，计算PWM的值，并通过输出控制继电器以控制电涡流缓速器6的通电电流大小，此时通电电流方向与起动时的电流方向相反，由5号引脚，4号引脚输入，通过单片微型计算机调节PWM值，电涡流缓速器6将能产生相应的制动力矩使发动机缓速，制动过程中，永磁电机转子9一直转动，因此将有一部分能量转为电能，并不消耗蓄电池的能量。若制动不存在即制动结束，则系统将中断返回至断点处，继续执行主程序。
如图8所示，缓速信号u输入给控制单元21后，控制单元21将控制发动机缓速。继电器的通断频率受转速传感器12反馈信号uf1与扭矩传感器11反馈信号uf2之和与控制单元21控制目标转速电压ui之差Δu控制。若汽车缓速，则uf1、uf2减小，Δu减小，继电器通断频率减小，输出电流I减小，电涡流缓速器6制动力矩减小，从而使发动机转速n，车轮角速度ω进一步减小。当发动机转速n，车轮角速度ω达到目标转速时，Δu＝0，继电器断开，达到目标转速。制动过程中，若缓速信号消失，则控制单元21将中止缓速控制。

Claims (5)

1.一种电涡流缓速器及发电/起动集成系统，包括电涡流缓速器(6)、永磁电机(22)、控制单元(21)、转速传感器(12)和扭矩传感器(11)，其特征是；所述永磁电机(22)和电涡流缓速器(6)设置于飞轮壳体(1)内，飞轮壳体(1)固接系统的发动机缸体，输入轴(3)穿过飞轮壳体(1)的中心，位于飞轮壳体(1)内的输入轴(3)上固定电涡流缓速器(6)和永磁电机(22)，控制单元(21)设于飞轮壳体(1)外且分别连接电涡流缓速器(6)、永磁电机(22)、转速传感器(12)、扭矩传感器(11)和蓄电池。
2.根据权利要求1所述的电涡流缓速器及发电/起动集成系统，其特征是；所述电涡流缓速器(6)包括定子感应环(5)与电涡流缓速器线圈(7)，定子感应环(5)固定连接输入轴(3)；所述永磁电机(22)包括永磁电机三相定子(8)和永磁电机转子(9)，永磁电机三相定子(8)由三相绕组(16)和定子铁芯(17)组成，永磁电机转子(9)由转子磁轭(18)和永久磁铁(19)组成，永久磁铁(19)及转子磁轭(18)与输入轴(3)过渡配合。
3.根据权利要求2所述的电涡流缓速器及发电/起动集成系统，其特征是；所述控制单元(21)包括单片微型计算机、模数转换器、信号调理电路、放大电路、报警电路、变压整流、选择开关、继电器和逆变器，选择开关与所述三相绕组(16)相连，选择开关的线圈不通电时永磁电机三相定子(8)与逆变器相连起动系统；选择开关的线圈通电时永磁电机三相定子(8)与变压整流模块相连；所述单片微型计算机的1号引脚接收经信号调理后的STA信号，2号引脚输出控制选择开关通断信号，3号引脚输出控制继电器通断信号以控制电涡流缓速器(6)的通电电压大小，4号引脚和5号引脚连接电涡流缓速器(6)电流的输入输出线，7号引脚接收经信号调理电路后的车轮轮速信号。
4.一种电涡流缓速器及发电/起动集成系统的控制方法，其特征是包括如下步骤；
1)点火开关置于ON档，控制单元(21)内的单片微型计算机初始化设置，监测输入轴(3)的转速是否高于额定转速，若低于额定转速，选择开关接通逆变器模块，逆变器将蓄电池的直流电转变为交流电供给永磁电机三相绕组(16)，永磁电机转子(9)旋转并带动输入轴(3)旋转，同时控制继电器通电以控制电涡流缓速器线圈(7)通电，增大起动力矩使发动机起动；
2)踩下制动踏板，制动信号输入控制单元(21)，经信号调理电路后输入单片微型计算机，采集输入轴(3)当前转速和扭矩以及车轮轮速信号，计算PWM值，并输出控制继电器以控制电涡流缓速器(6)的通电电流大小，通过单片微型计算机调节PWM值，电涡流缓速器(6)产生相应的制动力矩使发动机缓速。
5.根据权利要求4所述的电涡流缓速器及发电/起动集成系统的控制方法，其特征是；步骤1)中，若监测输入轴(3)的转速高于额定转速，单片微型计算机根据扭矩传感器(11)输入信号判断输入轴(3)的输出力矩是否低于起动阻力矩门限，若高于起动阻力矩门限，则起动未完成，控制单元(21)控制继电器闭合使电涡流缓速器(6)通电增大起动力矩，同时永磁电机三相绕组(16)由逆变器供电使永磁电机转子(9)旋转进一步增大起动力矩，若输入轴(3)输出力矩低于起动阻力矩门限，则已完成起动。
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