CN101879867A - 并联式车辆电储能再生制动系统及能量回收利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及并联式车辆电储能再生制动系统及能量回收利用方法，主要包括电机、超级电容组和蓄电池、谐波齿轮减速机构、转矩合成装置、电子控制单元、谐波齿轮减速机构控制器、电机控制器和超级电容控制器。该能量回收利用方法的车辆具有两套制动系统：现有车辆的制动系统和并联式电储能再生制动系统；其特点是车辆制动时根据车速、制动深度、蓄电池能量值，所述的两套制动系统单独或同时在车辆上运行。车辆制动时；由并联式电储能再生制动系来回收能量；可由发动机与电机同时或单独驱动车辆。它将车辆制动过程中耗散的机械能转换为电能，并回收再利用，可节省燃油，降低排放，降低制动噪声，以及改善制动安全性和提高制动系统使用寿命。

Description

并联式车辆电储能再生制动系统及能量回收利用方法

技术领域

本发明属于车辆工程技术领域，特别涉及一种并联式车辆电储能再生制动系统及能量回收利用方法。

背景技术

现在面临城市建设步伐不断加快的进程、环保要求不断升高的压力，在国际石油价格居高不下并持续攀升的大环境下，研究车辆(特别是大量的城市公交车辆)的节能减排技术、开发新型节能减排产品，是建设节约型社会、环境友好型城市的一项具有重大战略意义的研究课题。城市公共交通车辆整日穿行于大、小街道，具有频繁进站停靠、等候交通信号、道路运营不畅、频繁制动等运行特点，其所造成的排放污染、噪声污染、热污染等更甚于其它社会车辆。因此开展针对城市公交车辆的新型节能、减排技术研究，具有更为现实的必要性和重要的实用价值。

目前，车辆再生制动系统制动能量的存储方式主要有液压储能、飞轮储能和电储能三种形式。国内关于车辆再生制动研究和相关文献报道较多，但是针对此领域研究的技术途径，绝大多数都集中在利用液压能的模式进行能量储存的研究方面。如海南大学提出的液压储能再生装置的并联结构，在没有改变汽车的传动结构的情况下，并联了液压传动系统。又如北京理工大学提出的液压蓄能式公交车能量回收与再利用的辅助结构。以及江苏大学在分析模拟试验台驱动力模拟系统、制动力模拟系统、惯量模拟系统的基础上，提出了一种新型电储能式车辆再生制动模拟试验台设计方案。仅仅是模拟试验台的设计方案和设计思路，与公交车辆的工程应用性研究具有一定的差距。

另外北京汽车工业控股有限责任公司申请的专利“一种车辆用的具有制动回收电能的电动变速传动装置”，该发明虽然在车辆上有制动回收电能的电动变速传动装置，将电动变速传动装置安装在车辆上，替代车辆原有的传统变速器、离合器、发电机和起动电机，可实现油/电混合动力功能、自动无级变速功能和能量回收功能。但是需要改变车辆的原有动力传动方式。

发明内容

本发明的目的是针对现行公交车辆，在不改变其原有动力传动路线的情况下，提供一套附加在车辆传动系统上，将车辆制动过程中耗散的机械能转换为电能，并回收再利用，可节省燃油，降低排放，降低制动噪声，以及改善制动安全性和提高制动系统使用寿命的并联式车辆电储能再生制动系统RBS(Regenerative Braking System)及能量回收利用方法，。

为实现上述目的本发明的技术方案是：

并联式车辆电储能再生制动系统，包括电机、超级电容组和蓄电池，其特征是：还包括谐波齿轮减速机构、转矩合成装置、电子控制单元、谐波齿轮减速机构控制器、电机控制器和超级电容控制器；所述谐波齿轮减速机构与车辆的传动系统连接，所述转矩合成装置与谐波齿轮减速机构相连，所述电动机与转矩合成装置相连接；所述超级电容组与发电机相连，并与蓄电池相连接；所述电子控制单元与谐波齿轮减速机构控制器控制谐波齿轮减速机构与主减速器中的锥齿轮的啮合与分离，所述电子控制单元与电机控制器控制电动机处于发电机状态或处于电动机状态，所述电子控制单元与超级电容控制器控制超级电容组处于充电状态或处于放电状态。

所述的电子控制单元由开关量测量模块、开关量控制模块、模拟采集模块和主控制模块组成，并通过总线CAN将各个模块相连，传递控制采集数据和控制信号。

所述的主控制模块的输入信号有采集测量信号和控制信号，采集测量信号有模拟量信号和开关量信号，其中：

●模拟量信号：车轮转速、蓄电池电压、制动踏板位置和油门位置；

●开关量信号：空挡和倒档；

●控制信号：回收能量、释放能量、启动车辆、起机和停机；

所述回收能量控制信号是通过谐波齿轮控制器控制谐波齿轮与主减速啮合，电机控制器控制电机处于发电机状态，能量回收；

所述释放能量控制信号是通过谐波齿轮控制器控制谐波齿轮与主减速器分离，电机控制器控制电机处于电动机状态，再由相应控制实现谐波齿轮啮合，能量释放；

所述起机和停机控制信号是由电机控制器控制电机为电动机驱动的启动和停止；

所述的并联式车辆电储能再生制动系统的能量回收利用方法，该能量回收利用方法的车辆具有两套制动系统：现有车辆的制动系统和并联式电储能再生制动系统；其特征是：车辆制动时根据车速、制动深度、蓄电池能量值，所述的两套制动系统单独或同时在车辆上运行，其中：

●车辆轻度制动时；由并联式电储能再生制动系来回收能量；

●车辆中度制动时：需要分配现有车辆的制动系统的摩擦制动力与并联式电储能再生制动系统的再生制动力的大小，同时进行安全制动和能量回收。

所述的并联式车辆电储能再生制动系统的能量回收利用方法，其特征是依据车辆运行状态，该能量回收利用方法具体是：

●在车辆启动时：首先由蓄能电池组通过并联式电储能再生制动系统单独驱动车辆，

然后当车辆具有了一定初速度后再启动发动机；或者由发动机和蓄能电池组同时一起驱动车辆；

●在车辆正常行驶时：发动机单独驱动车辆；

●在车辆加速时：发动机与电机一起同时驱动车辆；

●在车辆减速/制动时：并联式电储能再生制动系统工作，机械惯性能量通过电机发电转化为电能，回收和储存到蓄能电池组；

●在车辆起步、加速、上坡时：蓄能电池组释放电能，发动机与电机一起同时驱动车辆；

●若在蓄能电池组能量足够的条件下，车辆低速行驶时由电机单独驱动车辆。

本发明的有益效果是：

1、该并联式电储能再生制动系统与传统动力系统相对独立，是一套附加设备，它可以实现单独驱动，也可以与传统动力系统共同驱动车辆行驶，由电子控制单元决定车辆的驱动模式，无需对原公交车辆进行重新设计和制造。实现车辆制动过程中耗散的机械惯性能量的回收和再利用。

2、该并联式电储能再生制动系统针对城市公交车辆而开发，将有效节省车辆频繁制动过程中消耗油量的60％以上。

3、该并联式电储能再生制动系统具有节约能源、降低环境污染；同时可减轻车辆制动系统的磨损、减少车辆噪声。

本发明可推广应用于各种车辆上，对于频繁起步/制动的城市公交、出租车等车辆其应用效果会更好。

附图说明

图1为本发明的并联式电储能再生制动系统的接口位置示意图。

图2为本发明并联式电储能再生制动系统的组成。

图3为本发明并联式电储能再生制动系统的信号流和控制流。

图4为本发明并联式电储能再生制动系统的电子控制单元原理图。

图5为本发明并联式电储能再生制动系统的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一、本发明的并联式电储能再生制动系统的组成

图1所示，本发明的并联式电储能再生制动系统的接口位置。现有车辆发动机1的动力从发动机传出，经离合器2、变速器3、万向联轴器4、传动轴5、主减速器6和差速器7传到半轴9，最终将发动机的动力传递到车轮。本发明正是基于对车辆的这条动力传递路线的研究，考虑到主减速器(公交车辆的后桥壳体8内)的被动锥齿轮具有很大的闲置利用空间，可开发再利用。

本发明的并联式电储能再生制动系统10，对于公交车辆大型车辆，是从传动系统中主减速器的位置引入的，并将并联式电储能再生制动系统附加在车辆上；而对于前驱动的小型车辆，同样，也是从传动系统中主减速器这个位置引入将并联式电储能再生制动系统附加在车辆上的。

图2所示，并联式电储能再生制动系统的各组成部分。并联式车辆电储能再生制动系统包括电机、超级电容组和蓄电池、谐波齿轮减速机构、转矩合成装置、电子控制单元、谐波齿轮减速机构控制器、电机控制器和超级电容控制器；所述谐波齿轮减速机构与车辆传动系统的主减速器连接，所述转矩合成装置与谐波齿轮减速机构相连，所述电机与转矩合成装置相连接；所述超级电容组与电机相连，并与蓄电池相连接；所述电子控制单元(ECU)与谐波齿轮减速机构控制器控制谐波齿轮减速机构与主减速器中的锥齿轮的啮合与分离，所述电子控制单元(ECU)与电机控制器控制电机处于发电机状态或处于电动机状态，所述电子控制单元(ECU)与超级电容控制器控制超级电容组处于充电状态或处于放电状态。谐波齿轮减速机构减速器由谐波齿轮减速机构控制器控制，决定它与锥齿轮的啮合与分离；谐波齿轮减速机构减速器直接带动电机发电，电机另有电机控制器控制；由超级电容组搜集瞬时能量；在考虑到电容的充电能力有限，需要把收集到的电能引入蓄电池进行储存。

图3所示，并联式电储能再生制动系统的信号流和控制流。电子控制单元是该系统中的最重要的单元，电子控制单元与谐波齿轮减速机构控制器、电机控制器、超级电容控制器等相互协调，实现并联式电储能再生制动系统的控制。

电子控制单元(ECU)的输入信号有制动踏板位置信号、蓄电池电压信号、轮速传感器的信号和离合器状态信号。所述的输入信号传给电子控制单元，由电子控制单元综合判定各输入信号，及超级电容、电机、谐波齿轮减速机构、蓄电池和防抱死系统ABS的工作状态，并进行总体控制处理。

车辆的制动系统由制动踏板、制动力控制器、防抱死系统ABS、刹车盘和摩檫片装置等组成，其制动力控制器用来控制制动力在前轮、后轮上的分配，并进行制动力控制器与ABS防抱死系统互相协调。

图4所示，并联式电储能再生制动系统的电子控制单元原理图。电子控制单元由开关量测量模块、开关量控制模块、模拟采集模块和主控制模块组成，并通过总线CAN将各个模块相连，传递控制采集数据和控制信号。

本发明具体实施例，主控制模块选用单片机型号为89C52，选用总线CAN型号为SJA1000，由独立总线CAN组成的总线CAN智能节点，主控制模块的输入信号有采集测量信号和控制信号。电子控制单元采集测量信号有模拟量信号和开关量信号，其中：

●模拟量信号：车轮转速、蓄电池电压、制动踏板位置和油门位置。

开关量信号：空挡和倒档。

●控制信号：回收能量、释放能量、启动车辆、起机和停机。

●这些采集测量信号使用电机控制器11和谐波齿轮控制器12、制动踏板位置传感器13和油门位置传感器，及蓄电池电压传感器14、离合器状态传感器15、轮速传感器16。

所述回收能量控制信号是通过谐波齿轮控制器控制谐波齿轮与主减速啮合，电机控制器控制电机处于发电机状态，实现能量回收；所述释放能量控制信号是通过谐波齿轮控制器控制谐波齿轮与主减速器分离，电机控制器控制电机处于电动机状态，再由相应控制实现谐波齿轮啮合，实现能量释放；所述起机和停机控制信号是由电机控制器控制电机为电动机驱动的启动和停止。

以上所述的各种控制将根据各控制对象的优先级不同，使用总线CAN的智能节点与拨号开关ID，设置成不同的地址进行分级实时控制。

本发明所需用到的有关元器件，如：电机、超级电容、单片机、谐波齿轮减速器等都已经有可供选用的成熟产品或技术，为本发明的工程实现提供了保障。

二、本发明的并联式电储能再生制动系统的控制和工作原理

使用本发明的车辆具有两套制动系统：现有车辆的制动系统和并联式电储能再生制动系统。车辆制动时根据车速、制动深度、蓄能量值，所述的两套制动系统单独或同时在车辆上应用，并在保证安全性的条件下回收尽可能多的能量。其中：

(1)车辆轻度制动时；由并联式电储能再生制动系来回收能量；

(2)车辆中度制动时：需要分配现有车辆的制动系统的摩擦制动力与并联式电储能再生制动系统的再生制动力的大小，同时实现安全制动和能量的充分回收。

使用本发明的并联式电储能再生制动系统的能量回收利用方法优化细分如下：

(1)在车辆启动时：首先由蓄电池通过并联式电储能再生制动系统单独驱动车辆，然后当车辆具有了一定初速度后再启动发动机；或者由发动机和蓄电池同时一起驱动车辆，以改善发动机工作状况，可节省燃料和减少有害尾气排放。

(2)在车辆正常行驶时：发动机单独驱动车辆。

(3)在车辆加速时：发动机与电机一起同时驱动车辆，可提高车辆的加速性能。

(4)、在车辆减速/制动时：主减速的锥齿轮带动谐波齿轮减速机构，并联式电储能再生制动系统工作，机械惯性能量通过电机发电转化为电能，回收和储存到蓄电池。

(5)、在车辆起步、加速、上坡时：蓄电池释放电能，发动机与电机一起同时驱动车辆。若在蓄电池能量足够的条件下，车辆低速行驶时由电机单独驱动车辆。

图5所示，并联式电储能再生制动系统的控制流程图。当驾驶员踩下制动踏板时，由并联式电储能再生制动系统的电子控制单元根据车速、制动踏板力等控制参量控制电机运行发电，实时收集车辆制动过程中耗散的惯性能量，将机械惯性能量通过电机发电转化为电能，回收和储存到蓄电池。在车辆起步、正常行驶、进站前关闭发动机运行时，由并联式电储能再生制动系统的电子控制单元控制蓄电池输出电能，电机驱动车辆行驶。

由并联式电储能再生制动系统的电子控制单元通过采集测量模块将采集测量信号发到总线CAN上，主控制模块采用中断接受数据，及时响应司机的操控，主控制模块运行主控制模块的软件，并及时将处理结果再次发回到总线CAN上，控制模块中断接受命令控制能量回收和释放，控制起机和停机。

主控制模块的软件包括三部分组成：CAN总线通讯部分、再生制动能量管理部分、车辆行驶状态显示部分。车辆行驶状态用液晶显示屏显示车速、档位和刹车、油门、离合等运行状况，及蓄电池电能量值等。主控制模块采用从CAN总线上获取数据与定期查询各采集测量信号的数据相结合的方式，还能控制各模块是否发送，发送的间隔以及软件复位。该主控制模块的软件可灵活控制。

所述再生制动能量管理部分是主控制模块的软件的核心，其功能是对车的运行状态进行判断，然后确定是否能量回收，是否起机与停机。若车辆油门踏板踩下，当蓄电池电能量值不低于释放最低限定时，则进行能量的释放；若车辆刹车踏板踩下，当蓄电池电能量值不高于充满的最高限定时，则进行能量回收存储。

Claims (5)

1.一种并联式车辆电储能再生制动系统，包括电机、超级电容组和蓄电池，其特征是：还包括谐波齿轮减速机构、转矩合成装置、电子控制单元、谐波齿轮减速机构控制器、电机控制器和超级电容控制器；所述谐波齿轮减速机构与车辆的传动系统连接，所述转矩合成装置与谐波齿轮减速机构相连，所述电动机与转矩合成装置相连接；所述超级电容组与发电机相连，并与蓄电池相连接；所述电子控制单元与谐波齿轮减速机构控制器控制谐波齿轮减速机构与主减速器中的锥齿轮的啮合与分离，所述电子控制单元与电机控制器控制电动机处于发电机状态或处于电动机状态，所述电子控制单元与超级电容控制器控制超级电容组处于充电状态或处于放电状态。

2.根据权利要求1所述的并联式车辆电储能再生制动系统，其特征是：所述的电子控制单元由开关量测量模块、开关量控制模块、模拟采集模块和主控制模块组成，并通过总线CAN将各个模块相连，传递控制采集数据和控制信号。

3.根据权利要求2所述的并联式车辆电储能再生制动系统，其特征是：所述的主控制模块的输入信号有采集测量信号和控制信号，采集测量信号有模拟量信号和开关量信号，其中：

●模拟量信号：车轮转速、蓄电池电压、制动踏板位置和油门位置；

●开关量信号：空挡和倒档；

●控制信号：回收能量、释放能量、启动车辆、起机和停机；

所述回收能量控制信号是通过谐波齿轮控制器控制谐波齿轮与主减速啮合，电机控制器控制电机处于发电机状态，能量回收；

所述释放能量控制信号是通过谐波齿轮控制器控制谐波齿轮与主减速器分离，电机控制器控制电机处于电动机状态，再由相应控制实现谐波齿轮啮合，能量释放；

所述起机和停机控制信号是由电机控制器控制电机为电动机驱动的启动和停止。

4.一种根据权利要求1所述的并联式车辆电储能再生制动系统的能量回收利用方法，该能量回收利用方法的车辆具有两套制动系统：现有车辆的制动系统和并联式电储能再生制动系统；其特征是：车辆制动时根据车速、制动深度、蓄电池能量值，所述的两套制动系统单独或同时在车辆上运行，其中：

●车辆轻度制动时；由并联式电储能再生制动系来回收能量；

●车辆中度制动时：需要分配现有车辆的制动系统的摩擦制动力与并联式电储能再生制动系统的再生制动力的大小，同时进行安全制动和能量回收。

5.根据权利要求1所述的并联式车辆电储能再生制动系统的能量回收利用方法，其特征是依据车辆运行状态，该能量回收利用方法具体是：

●在车辆启动时：首先由蓄能电池组通过并联式电储能再生制动系统单独驱动车辆，然后当车辆具有了一定初速度后再启动发动机；或者由发动机和蓄能电池组同时一起驱动车辆；

●在车辆正常行驶时：发动机单独驱动车辆；

●在车辆加速时：发动机与电机一起同时驱动车辆；

●在车辆减速/制动时：并联式电储能再生制动系统工作，机械惯性能量通过电机发电转化为电能，回收和储存到蓄能电池组；

●在车辆起步、加速、上坡时：蓄能电池组释放电能，发动机与电机一起同时驱动车辆；

●若在蓄能电池组能量足够的条件下，车辆低速行驶时由电机单独驱动车辆。

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