CN102126439B - 电动汽车能量回收系统 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车能量回收系统，由作为驱动的永磁电动机(6)发电制动，既有能量回收功能，又能产生电磁制动力，由永磁电动机(6)，控制器(9)，三相可控全桥整流滤波电路(4)，逆变器(3)，发电式永磁电机(2)，三相全桥整流电路(1)等组成，控制器(9)控制永磁电动机(6)旋转工作，驱动车辆行驶，控制能量回收系统工作，产生含脉冲成份的直流电为动力电池(10)充电，增加续驶里程，产生电磁制动力，实现驱动轮制动，延长制动片的使用寿命，并具有电磁ABS的功能。

Description

电动汽车能量回收系统

技术领域

本发明涉及电动汽车的能量回收系统，尤其涉及永磁电机发电制动的能量回收系统。

背景技术

申请号为200920126290.9、实用新型名称为“电动汽车能量回收利用装置”的专利公开一种具有交、直流输出功能的汽油发电机组。包括发动机、定转子、空滤器、消声器、燃油箱及控制面板，燃油箱通过支撑板支撑在定转子的后托架上，在所述支撑板上安装有直流插座、整流桥和直流过流保护器。该汽油发电机组解决了其控制面板上电气元件位置布置拥挤的状况，使控制面板上电气元件位置能够得以合理布置，有利于电气元件的散热，杜绝了由于控制面板上电气元件位置的拥挤所存在的安全隐患。

申请号为200820010686.2、实用新型名称为“电动汽车制动能量回收系统”的专利公开了一种电动汽车制动能量回收系统，包括：能量转化单元、整流单元、稳压单元、斩波单元及储能单元；所述能量转化单元的输出端口接整流单元的输入端口；所述整流单元的输出端口接稳压单元的输入端口；所述稳压单元的输出端口接储能单元的输入端口；所述斩波单元的输出端口接稳压单元的输出端口；所述能量转化单元将汽车制动的机械能量转化为三相交流电能；所述整流单元将三相交流电能转换成可利用的直流电能并加以滤波；所述稳压单元将整流后的电压进行调节；所述储能单元将稳压电源输出的电能储存在超级电容中以补充汽车启动过程中大电流的放电。本实用新型结构简单，能量转换效率高，通用性强。

现已公开的专利技术中汽车制动时的机械能量转化为电能，储存在超级电容中以补充汽车启动过程中大电流的放电，没有直接为动力电池充电。本发明的电动汽车能量回收系统，把制动时的机械能量转化为电能、为动力电池充电并实现制动效果，通过能量的回收，补充了动力电池的容量，增加了电动汽车的续驶里程。

发明内容

本发明的目的是，本发明的电动汽车能量回收系统，把电动汽车制动时的机械能量转化为电能、为动力电池充电，并产生制动力，使车辆减速或制动，既达到了电动汽车制动效果，又实现了能量回收的功能，增加了电动汽车的续驶里程；回收的电量，具有脉冲直流的成份，有利于动力电池的充电，增加动力电池的使用寿命；机械能量转化为电能时，产生的制动力，使驱动轮减速行驶，所述的制动力，随着车辆行驶速度的降低而减小，不会使驱动轮抱死，具有电磁ABS的功能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电动汽车能量回收系统，由永磁电动机(6)，控制器(9)，三相可控全桥整流滤波电路(4)，逆变器(3)，发电式永磁电机(2)，三相全桥整流电路(1)等组成，控制器(9)的控制信号在1.0V-3.5V的范围内时，控制永磁电动机(6)旋转工作，驱动车辆行驶，所述的控制信号低于1.0V时，控制能量回收系统工作，产生电能为动力电池(10)充电，增加续驶里程，产生电磁制动力，实现驱动轮制动，延长制动片的使用寿命，并具有电磁ABS的功能，其特征在于：所述的电动汽车能量回收系统，控制器(9)通过导线连接，控制永磁电动机(6)工作，永磁电动机(6)连接到三相可控全桥整流滤波电路(4)，控制器(9)通过反馈触发控制信号端(16)连接控制三相可控全桥整流滤波电路(4)工作，把永磁电动机(6)发出的三相交流电整流滤波成直流电，把所述的直流电通过三相可控全桥整流滤波电路(4)的输送到逆变器(3)，动力蓄电池(10)通过反馈信号端连接逆变器(3)，控制逆变器(3)的输出频率，逆变器(3)连接到发电式永磁电机(2)，控制发电式永磁电机(2)旋转工作并产生三相交流电，通过所述的能量回收系统，转变成为动力蓄电池(10)充电的直流电。

根据所述的电动汽车能量回收系统，其特征在于：所述的能量回收系统工作，产生电能，永磁电动机发电而产生电磁制动力。

根据所述的电动汽车能量回收系统，其特征在于：所述的能量回收系统工作，是在车辆制动时，永磁电动机发电并产生电磁制动力，并以不超过30A的电流为动力蓄电池充电。

根据所述的电动汽车能量回收系统，其特征在于：所述的能量回收系统工作，是在车辆紧急制动时，永磁电动机发电，产生为动力蓄电池充电的大电流，产生占总制动力约为21％的电磁制动力，减小了制动片的磨损。

根据所述的电动汽车能量回收系统，其特征在于：所述的能量回收系统，永磁电动机发电、整流滤波、逆变、发电、整流转变成为动力蓄电池充电的直流电。

根据所述的电动汽车能量回收系统，其特征在于：所述的直流电，是经过三相全桥整流电路整流出来的直流电，所述的直流电含有交流纹波成份，具有脉冲直流电功能，有利于动力电池的充电，增加动力电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的工作示意图；

图2为三相可控全桥整流滤波电路图。

附图中：1、三相全桥整流电路；2、发电式永磁电机；3、逆变器；4、三相可控全桥整流滤波电路；5、三相线；6、永磁电动机；7、传动轴；8、车辆驱动轮；9、控制器；10、动力蓄电池；11、负极搭铁接地端；12、三相整流全桥；13、电容滤波电路；14、三相可控全桥整流滤波电路输出端正极；15、三相可控全桥整流滤波电路输出端负极；16、触发控制信号端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明的电动汽车能量回收系统，如附图1、图2所示，其中包括：永磁电动机6、三相线5、三相可控全桥整流滤波电路4、逆变器3、发电式永磁电机2、三相全桥整流电路1、控制器9、动力蓄电池10、负极搭铁接地端11、传动轴7、车辆驱动轮8、三相整流全桥12、电容滤波电路13、三相可控全桥整流滤波电路输出端正极14、三相可控全桥整流滤波电路输出端负极15、反馈触发控制信号端16。

装配关系：

永磁电动机6的主轴连接传动轴7的一端，传动轴7的另一端连接车辆驱动轮8，永磁电动机6通过导线连接控制器9，控制器9通过导线连接到动力蓄电池10的正负接线柱上，永磁电动机6通过三相线5连接到三相可控全桥整流滤波电路4的输入端，三相可控全桥整流滤波电路4与控制器9通过反馈触发控制信号端16连接，三相可控全桥整流滤波电路输出端正极14和三相可控全桥整流滤波电路输出端负极15通过导线连接到逆变器3的输入端的正负极上，逆变器3的反馈信号端连接动力蓄电池10的正接线柱，逆变器3输出三相脉冲交流电，逆变器3输出端通过导线连接到发电式永磁电机2的输入端，发电式永磁电机2的输出端通过导线连接到三相全桥整流电路1的输入端，三相全桥整流电路1的输出端通过导线连接到动力蓄电池10的正负接线柱上。

三相全桥整流电路1：选用三相全桥整流模块，没有滤波电路。

发电式永磁电机2：所述的电机，是永磁无刷直流电动机，是永磁同步电机，在定子槽内，绕有三相发电线圈，当所述的电机旋转时，三相发电线圈就发出三相交流电。

逆变器3：是发电式永磁电机2的变频调速器及控制器，具有使发电式永磁电机2工作在他控式变频调速和自控式变频调速二种工作模式的功能，在所述的电机起步或失步或调速时，具有他控式变频调速功能，使所述的电机工作在永磁无刷直流电动机模式，在所述的电机稳定速度工作时，具有自控式变频调速功能，使所述的电机工作在永磁同步电动机模式。由附图1可知，逆变器3与动力蓄电池10通过反馈线连接，以动力蓄电池10的充电电流及动力蓄电池10的端电压为反馈信号，并以发电式永磁电机2的转子的位置作为控制信号，共同控制逆变器3的输出频率，再由逆变器3的输出频率控制发电式永磁电机2的转速，最终控制三相全桥整流电路1的输出电压，所述的输出电压就是充电电压，充电电压的数值决定了充电电流的大小，通过反馈控制，得到理想的充电电流，满足电池的充电要求。

三相可控全桥整流滤波电路4：可控全桥的控制端通过反馈触发控制信号端16连接到控制器9上，控制器9输入端的控制信号是1.0V-3.5V的直流电压信号，当所述的直流电压信号为1.0V-3.5V时，控制器9控制永磁电动机6旋转工作，当所述的直流电压信号低于1.0V时，控制器9通过反馈信号线连接反馈触发控制信号端16控制三相可控全桥整流滤波电路4工作，当所述的直流电压信号不低于1.0V时，三相可控全桥整流滤波电路4处于截止状态，不工作，当所述的直流电压信号高于3.5V时，控制器9处飞车保护状态，使永磁电动机6不工作。

永磁电动机6：是永磁无刷直流电动机，由控制器9控制工作，在受力旋转时，可以发出三相交流电。控制器9具有刹车断电功能。

本发明的优点效果：

本发明的电动汽车能量回收系统，把电动汽车的制动能量转化为电能、为动力电池充电，并产生电磁制动力，使车辆减速或制动，既达到了电动汽车制动效果，又实现了能量回收的功能，增加了电动汽车的续驶里程；回收的电能，具有脉冲直流的成份输出，在充电的过程中，有利于电池电压的恢复，达到充满电的效果，并延长动力电池的使用寿命；所述的车辆减速，是控制器没有得到刹车信号，只是控制信号的电压低于1.0V，不控制永磁电动机旋转工作而是控制三相可控全桥整流滤波电路接收永磁电动机所发出的电能，产生制动力，所述的车辆减速，是车辆在正常行驶时的减速行驶，所述的车辆减速，是车辆在下坡时的减速行驶，所述的减速或制动，都是通过永磁电动机发电并产生电磁制动力，给驱动轮一个制动力，使车辆减速或制动，把这一过程可以统称为制动，所述的制动，是通过所产生的电磁制动力，使车轮减速，没有使车轮出现抱死现象，具有制动的电磁ABS功能。所述的制动，通过了机械能量转换为电能而产生的电磁制动力，达到制动的效果，减少了由于机械制动而使制动片磨损的程度，延长了机械制动摩擦片的寿命，所述的制动，是使车辆减速行驶或紧急制动过程，所述的制动，当车速越快，产生的电磁制动力越大，当车速降低到较小值时，本发明的能量回收系统就不进行能量转换或转换的作用微弱而不起作用了，机械制动起主要作用或独立作用，因此，在车速较高时，在制动过程中，本发明的能量回收系统，因为能量转换而产生的电磁制动力是主要的，在车速较低时，机械制动起主要作用，当车速降至一定值时，机械制动起独立作用，所述的紧急制动，是控制器获得刹车信号，控制器处于刹车断电状态。

本发明的设计原理如下：

1、能量转换

本发明的电动汽车能量回收系统，所用的电动汽车采用双电机前轮直接驱动模式，电动汽车的整备质量约是1000kg，总重量约为G＝1200kg，风阻系数(含迎风面积)约为f₁＝0.345，驱动轮半径约为r＝0.26m，滚动阻力系数约为f＝0.016。配备的磷酸铁锂电池的规格是：96V150Ah，标称电压为U＝96V，重量约为G₁＝200kg，驱动电机是永磁无刷直流电机，单电机的额定功率约为5.5kw，双电机的总额定功率约为P＝11kw，电机的转矩系数约为K_M＝0.9，在数值上电机的电动势常数为

车辆的最大平均行驶速度约为V_T＝80km/h，滑转率约为δ＝10％，可得滑转效率约为η_δ＝90％，电机转速约为驱动电机的角速度约为ω₁＝94rad/s，反电动势约为E＝K_E·ω₁＝84.6V，效率约为η₁＝E/U＝88.1％，则总效率约为η＝η₁*η_δ＝79.3％，滚动阻力约为N₁＝fgG＝188N，风阻约为

其中g是重力加速度，总阻力

双电机输出功率约为

驱动转矩约为M＝(N₁+N_f)*r/η_δ＝103.5N.m，电流

电机的等效电阻约为 $R=\frac{U-E}{I_1}=0.1\mathrm{\Ω}.$

当车辆低速行驶时，时速低于V₂＝10km/h时，风阻为0，总阻力约为N_Z10＝188N，电机的输出功率约为 $P_{10}=N_{z10}*\frac{V_2}{3.6}/({\mathrm{\η}}_1*{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\δ}}*1000)=1.4\mathrm{kW}.$

驱动转矩约为M₁₀＝N_Z*r/η_δ＝54.3N.m，电流 $I_{10}=\frac{M_{10}}{K_M}=60.3A.$

经整流滤波、变频、驱动电机发电、整流输出，其能量回收系统效率约为η₃＝60％。

P₁＝10kw对应的充电功率约为P_C0＝η₃*P₁＝6kw，

P₁₀＝1.4kw对应的充电功率约为P_C10＝η₃*P₁₀＝0.84kw；

本发明所用的电动汽车所选用的动力电池是96V150Ah的磷酸铁锂电池，电池充电时的最高电压和最低电压国家规定是额定电压的115％-125％，而从保护电池的角度，充电电压的最高值约是122.5％，这样对于96V电池组来说，充电电压的取值是V_c＝110.4V-117.6V，这里取V_c＝112V。

96V磷酸铁锂电池，欠压值为84V，最低工作启动电压约为V_q＝87V。

充电电压的范围是87V-112V。在P_C0＝6kw的充电电压下，充电电流约为：

$I_{\mathrm{mc}1}=\frac{P_{c0}}{V_c}=53.6A;I_{\mathrm{mc}2}=\frac{P_{c0}}{V_q}=69A.$

充电电压的范围是87V-112V。在P_c10＝0.84kw的充电电压下，充电电流约为：

$I_{c1}=\frac{P_L}{V_c}=7.5A;I_{c2}=\frac{P_L}{V_q}=10A.$

随着车辆行驶速度的降低，充电电流也降低。

2、电磁制动

在车辆制动或紧急制动过程中，滑移率约为δ₁＝20％为最佳，当车速约为V_T＝80km/h，驱动轮的转速与永磁电动机6的转速是相同的，其转速约为：

$n_{80}=\frac{30\·V_T}{3.6\·\mathrm{\π}\·r}=816.2\mathrm{rpm},$

永磁电动机的角速度约为ω₈₀＝85.5rad/s，

则感应电动势约为E₈₀＝K_E*ω₈₀＝75.2V，

对t＝1s时间段进行分析：

初速度v₀＝V_T/3.6＝22.2m/s，1s后的速度v_t＝v₀/(1+20％)＝18.5m/s，

减加速度 $a_{80}=\frac{v_t-v_0}{t}=-3.7m/S^2,$

总阻力约为N₈₀＝ma₈₀＝4444.4N，

风阻约为N_f＝170.4N，滚动阻力约为N₁＝fgG＝188N，

制动力约为F₈₀＝N₈₀-N_f-N₁＝4086.8N，

因为，P₁＝10kw，则额定电流I₁＝115A，电流一般电机都有2.5倍的过载能力，所以，最大电流约为287A，而本发明所选用的控制器9的限流值为125A，双控制器控制双电机，所以电机的最大电流约为I₈₀＝250A。

发电输出功率约为P_m80＝E₈₀·I₈₀＝18.8kw，

等效阻抗约为 $R_2=\frac{E_{80}}{I_{80}}=0.3\mathrm{\Ω},$

最大转矩约为M₈₀＝K_M·I₈₀＝225N.m，

电磁制动力约为F₂＝M₈₀/r＝865.4N，

电磁制动力占总制动力的 ${\mathrm{\φ}}_{80}=\frac{F_2}{F_{80}}=21.2\%.$

充电的输出功率约为P₈₀＝η₃·P_m80＝11.3kw，

当取V_c＝112V时，则充电电流约为：

I_C80＝P₂/V_c＝100.8A。

当车速约为V_T60＝60km/h，永磁电动机6的转速约为：

$n_{60}=\frac{30\·V_{T60}}{3.6\·\mathrm{\π}\·r}=612.1\mathrm{rpm},$

永磁电动机的角速度约为ω₆₀＝64.1rad/s，

则感应电动势约为E₆₀＝K_E*ω₆₀＝57.7V，

输出电大电流约为 $I_{60}=\frac{E_{60}}{R_2}=191.8A,$

对t＝1s时间段进行分析：

初速度v₀₀＝V_T/3.6＝16.7m/s，1s后的速度v_t0＝v₀₀/(1+20％)＝13.4m/s，

减加速度 $a_{60}=\frac{v_{t0}-v_{00}}{t}=-2.8m/S^2,$

总阻力约为N₆₀＝ma₆₀＝3333.3N，

风阻约为 $N_{f60}=f_1{\left(\frac{V_{T60}}{3.6}\right)}^2=0.0258*V_{T60m}^2=95.8N,$

滚动阻力约为N₁＝fgG＝188N，

制动力约为F_z60＝N₆₀-N_f60-N₁＝3049.5N，

电磁转矩约为M₆₀＝K_M·I₆₀＝172.6N.m，

电磁制动力约为F₆₀＝M₆₀/r＝664N，

电磁制动力占总制动力的 ${\mathrm{\φ}}_{60}=\frac{F_{60}}{F_{z60}}=21.8\%.$

发电输出功率约为P_m60＝E₆₀·I₆₀＝11.1kw

充电输出功率约为P₆₀＝η₃·P_m60＝6.6kw，

则充电电流约为：

I_C60＝P₆₀/V_c＝59.3A。

在车辆制动或紧急制动过程中，电磁制动力占总制动力约为21％，凭借发电产生电磁制动力，减少了刹车制动片的磨损，延长了刹车制动片的使用寿命。

在车辆制动或紧急制动过程中，最大充电电流约为100.8A，因为，本发明所用的电动汽车所选用的动力电池是96V150Ah的磷酸铁锂电池，充电电流是0.67C，满足充电要求。

3、脉冲充电、增加续驶里程

本发明所用的电动汽车所选用的动力电池是96V150Ah的磷酸铁锂电池，充电电压的取值是V_c＝110.4V-117.6V。蓄电池在恒流充电阶段，充电电流值约为0.2C，C是电池的容量，所以，对于150Ah的蓄电池在恒流充电阶段，理想充电电流约为I_c＝30A。

当车速约为V_T＝80km/h时，充电的有功功率约为P₃＝I_c·V_c＝3.3-3.5kw，取值为P₃＝3.4kw，

永磁电动机发电输出功率约为P₁₁＝P₃/η₃＝5.7kw，

发电输出电流约为 $I_2=\frac{P_{11}}{E_2}=75A,$

制动转矩约为M₃＝I₂·K_M＝67.8N.m，

电磁制动力约为F₃＝M₃/r＝260.1N，

风阻约为N_f＝170.4N，

滚动阻力约为N₁＝fgG＝188N，

总阻力约为N_Z2＝F₃+N_f+N₁＝618.5N，

减加速约为 $a_2=-\frac{N_{Z2}}{G}=-0.515m/S^2,$

初速度约为 $v_{01}=\frac{V_T}{3.6}=22.22m/s,$

1s后的速度约为v_t1s＝v₀₁+a₂t＝21.7m/s，

滑移率约为 ${\mathrm{\δ}}_2=\frac{v_{01}-v_{t1s}}{v_{t1s}}=2.35\%.$

本发明的电动汽车能量回收系统，动力电池的端电压与充电电流通过反馈触发控制信号端16连接到逆变器3的控制端，控制逆变器3的输出频率，控制发电式永磁电机2的转速，最终控制三相全桥整流电路1的输出电压，决定充电电流的大小，通过反馈控制，使得充电电流约为I_c＝30A，满足电池的充电要求。

在平路行驶，达到约I_c＝30A的充电电流时，滑移率约为δ₂＝2.35％，在把机械能量转化为电能的过程中，产生了电磁制动力，使车辆减速或制动，既达到了减速的要求，又满足了充电的条件，实现了能量回收的功能，增加了电动汽车的续驶里程。凭借发电而产生电磁制动力，使车轮减速，而不出现抱死情况，实现了ABS的目的，具有了电磁ABS的功能。

本发明的电动汽车能量回收系统的输出端所输出的电能，只通过三相桥式整流而产生直流电，没有经过滤波电路进行滤波，所述的直流电中包含有交流纹波成份，所述的交流纹波成份与直流成份叠加而成的直流电，具有脉冲直流电的功能，在充电时有利于电池电压的恢复，有利于动力电池的充电，能使动力电池充满电，增加动力电池的使用寿命，降低了动力电池的使用费用。

Claims (6)

1.一种电动汽车能量回收系统，包括永磁电动机(6)，控制器(9)，三相可控全桥整流滤波电路(4)，逆变器(3)，发电式永磁电机(2)，三相全桥整流电路(1)；控制器(9)的控制信号在1.0V-3.5V的范围内时，控制永磁电动机(6)旋转工作，驱动车辆行驶，所述的控制信号低于1.0V时，控制能量回收系统工作，产生电能为动力电池(10)充电，增加续驶里程，产生电磁制动力，实现驱动轮制动，延长制动片的使用寿命，并具有电磁ABS的功能，其特征在于：所述的电动汽车能量回收系统，控制器(9)通过导线连接，控制永磁电动机(6)工作，永磁电动机(6)连接到三相可控全桥整流滤波电路(4)，控制器(9)通过反馈触发控制信号端(16)连接控制三相可控全桥整流滤波电路(4)工作，永磁电动机(6)，由控制器(9)控制工作，在受力旋转时，可以发出三相交流电，三相可控全桥整流滤波电路(4)，把永磁电动机(6)发出的三相交流电整流滤波成直流电，把所述的直流电通过三相可控全桥整流滤波电路(4)的输送到逆变器(3)，动力蓄电池(10)通过反馈信号端连接逆变器(3)，控制逆变器(3)的输出频率，逆变器(3)连接到发电式永磁电机(2)，控制发电式永磁电机(2)旋转工作并产生三相交流电，通过所述的能量回收系统，转变成为动力蓄电池(10)充电的直流电。

2.根据权利要求1所述的电动汽车能量回收系统，其特征在于：所述的能量回收系统工作，产生电能，永磁电动机发电而产生电磁制动力。

3.根据权利要求1所述的电动汽车能量回收系统，其特征在于：所述的能量回收系统工作，是在车辆制动时，永磁电动机发电并产生电磁制动力，并以不超过30A的电流为动力蓄电池充电。

4.根据权利要求1所述的电动汽车能量回收系统，其特征在于：所述的能量回收系统工作，是在车辆紧急制动时，永磁电动机发电，产生为动力蓄电池充电的大电流，产生占总制动力约为21％的电磁制动力，减小了制动片的磨损。

5.根据权利要求1所述的电动汽车能量回收系统，其特征在于：所述的能量回收系统，永磁电动机发电、整流滤波、逆变、发电、整流转变成为动力蓄电池充电的直流电。

6.根据权利要求5所述的电动汽车能量回收系统，其特征在于：所述的直流电，是经过三相全桥整流电路整流出来的直流电，所述的直流电含有交流纹波成份，具有脉冲直流电功能，有利于动力电池的充电，增加动力电池的使用寿命。

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