CN103507655B - 一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统，该系统包括由蓄电池、电机子系统、超级电容、双向降压变换器组成，其中电机子系统包括电机和电机控制器。汽车制动时，该汽车起停系统可回收再生制动能量；当电机又可作为起动机运行时，即BSG模式，电机控制器可双向输出电能，依靠电机子系统起动发动机，超级电容的电能流向电机子系统，电机控制器工作于逆变状态，电机处于电动运行模式输出机械能。该系统由超级电容承担起动发动机时所需的大电流放电功能，无需蓄电池大电流放电可大大延长蓄电池寿命，另外蓄电池没有大电流放电状态且电压更加稳定、响应时间更快。

Description

一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统
技术领域
本发明涉及制动能量回收，涉及一种汽车复合储能起停系统，尤其涉及一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统。
背景技术
近年来，随着汽车保有量的快速增加，能源和环境也在承受越来越大的压力。传统汽车发动机（内燃机）起动慢，难以实现怠速停机，因此在怠速期间造成油耗增加及尾气排放。为优化汽车起动、制动性能和缓解汽车废气污染对环境的压力，一些汽车生产制造厂家开始对汽车起停系统进行研发，其采用的主要技术方法是通过加大起动电机转矩来提升发动机起动速度（达到几百毫秒水平），进而实现汽车在怠速等工况下发动机停机功能以降低短时停车的油耗和排放，同时通过优化发电机效率进一步降低汽车发动机油耗。
然而，现有起停系统依然存在以下不足：多次起动发动机造成蓄电池频繁大电流放电，严重影响其寿命，使得普通蓄电池难以满足实际应用要求而使用锂离子电池等高端电池造成系统成本过高；现有系统不能有效回收及利用车辆制动时的动能，造成制动能量浪费。为解决上述问题本发明提出一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统，该发明无需蓄电池大电流放电，同时可延长蓄电池寿命、电压更加稳定且响应时间更快。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统。本发明采用的超级电容和蓄电池复合储能系统包括：蓄电池、电机子系统、超级电容、双向降压变换器，其中电机子系统包括电机和电机控制器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统，该系统的蓄电池与双向降压变换器第一端口连接，双向降压变换器第二端口同时与超级电容和电机子系统连接，电机子系统中的电机为交流电机，电机与电机控制器的交流端连接，电机控制器的直流端与双向降压变换器的第二端口连接；当起停系统正常工作时，超级电容电压Vcap可高于或低于蓄电池电压Vbat，二者差值为X即Vcap=Vbat±X；双向降压变换器具有由第一端口到第二端口方向的降压能力和由第二端口到第一端口方向的降压能力，但在任一时刻不能双向同时降压工作；双向降压变换器的双向降压范围不同，由第一端口到第二端口方向降压时第二端口的输出电压范围为0～Vbat，由第二端口到第一端口方向降压时第一端口的输出电压为Vbat；双向降压变换器还可工作于非降压模式，此时第一端口电压Vbat和第二端口电压Vcap不会相互影响，两个端口之间无能量交换。
电机通过皮带与发动机连接并经电机控制器输出电能；超级电容初次使用或长时间静置后的初始电压很低，需对其预充电；当蓄电池储能不足时，超级电容通过双向降压变换器为其正常充电；当超级电容储能不足时，由电机子系统直接为其正常充电；汽车制动时，该汽车起停系统可回收再生制动能量；当电机又可作为起动机运行时，即BSG模式，电机控制器可双向输出电能，依靠电机子系统起动发动机，超级电容的电能流向电机子系统，电机控制器工作于逆变状态，电机处于电动运行模式输出机械能，该过程中，双向降压变换器工作于非降压模式；当电机仅作为发电机运行时，在系统结构基础上可另外增加一台起动机，起动机同时与超级电容、双向降压变换器的第二端口及电机子系统连接，依靠起动机起动发动机，超级电容为起动机提供电能，双向降压变换器工作于非降压模式。
与传统汽车起停系统相比，本发明具有以下优点：
1、由超级电容承担起动发动机时所需的大电流放电功能，无需蓄电池大电流放电，可大大延长蓄电池寿命。
2、蓄电池没有大电流放电状态，其电压更加稳定，有利于为车载敏感负载供电。
3、超级电容可为车载高动态响应需求负载快速供电，避免端口加装功率变换器造成几百毫秒的动态响应时间延迟，超级电容电压工作范围宽，便于大量电能的快速存储与释放，可有效实现再生制动储能；另外所需双向降压变换器容量较小，因而所用电容数量很少系统成本较低。
附图说明
图1为可回收制动能量的汽车复合储能起停系统结构图。
图2为超级电容预充电能量示意图。
图3为蓄电池正常充电能量示意图。
图4为超级电容正常充电能量示意图。
图5为再生制动过程能量示意图。
图6为BSG起动发动机能量示意图。
图7为起动机起动发动机能量示意图。
图中：1、蓄电池2、电机子系统3、超级电容4、双向降压变换器5、电机6、电机控制器7、起动机
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示为可回收制动能量的汽车复合储能起停系统结构图。该复合储能起停系统包括蓄电池1、电机子系统2、超级电容3、双向降压变换器4组成，电机子系统2包括电机5和电机控制器6，蓄电池1与双向降压变换器4的第一端口连接，双向降压变换器4的第二端口同时与超级电容3和电机子系统2连接，电机子系统2中的电机5为交流电机，电机5与电机控制器6的交流端连接，电机控制器6的直流端与双向降压变换器4的第二端口连接。当起停系统正常工作时，超级电容3的电压Vcap可高于或低于蓄电池1的电压Vbat，二者差值为X即Vcap=Vbat±X，比如应用12V蓄电池1，则超级电容3的电压可在10V～16V之间。双向降压变换器4具有由第一端口到第二端口方向的降压能力和由第二端口到第一端口方向的降压能力，但在任一时刻不能双向同时降压工作。双向降压变换器4的双向降压范围不同，由第一端口到第二端口方向降压时第一端口的输入电压为Vbat，第二端口的输出电压范围为0～Vbat；由第二端口到第一端口方向降压时，第一端口的输入电压为Vcap，第一端口的输出电压为Vbat。双向降压变换器4还可工作于非降压模式，此时第一端口电压Vbat和第二端口电压Vcap不会相互影响，两个端口之间无能量交换。
如图2所示为超级电容预充电能量示意图，电机5是通过皮带与发动机连接，经电机控制器6输出电能，超级电容3预充电时，蓄电池1经双向降压变换器4为超级电容3充电，双向降压变换器4工作于由第一端口到第二端口方向的降压状态，Vcap逐渐增加直至接近Vbat。电机子系统2与超级电容3之间无能量交换，电机子系统2与蓄电池1之间也无能量交换。
如图3所示为蓄电池正常充电能量示意图，当蓄电池1储能不足时，超级电容3通过双向降压变换器4为其正常充电。此时双向降压变换器4工作于第二端口到第一端口方向的降压状态，电机子系统2与蓄电池1之间无能量交换，电机子系统2和超级电容3之间也无能量交换。
如图4所示为超级电容正常充电能量示意图，当超级电容3储能不足时，由电机子系统2直接为其正常充电。此时电机5工作于发电状态，电机控制器6工作于整流状态，双向降压变换器4工作于非降压模式。
如图5所示为再生制动过程能量示意图，汽车制动时可回收再生制动能量，此时电机5速度急剧降低，控制其工作于再生制动状态。当Vcap<Vbat时，电机子系统2发出的电能直接送至超级电容3，与超级电容3正常充电过程的能量流向相同；当Vcap>Vbat，电机子系统2发出的电能一部分送至超级电容3存储，另一部分通过双向降压变换器4为蓄电池1充电，双向降压变换器4工作于由第二端口到第一端口方向的降压状态。
如图6所示为BSG起动发动机能量示意图，实现发动机起动，当电机5又可作为起动机运行时，电机控制器6可双向传递电能。依靠电机子系统2起动发动机，超级电容3的电能流向电机子系统2，电机控制器6工作于逆变状态，电机5处于电动运行模式。该过程中，双向降压变换器4工作于非降压模式，允许起动后Vcap<Vbat。
如图7所示为起动机起动发动机能量示意图，为实现发动机起动本发明也可以在上述复合储能起停系统结构基础上，另外增加一台起动机7，起动机7同时与超级电容3、双向降压变换器4的第二端口及电机子系统2连接，依靠起动机7起动发动机；超级电容3为起动机7提供电能，起动机7工作在电动状态，双向降压变换器4工作于非降压模式并允许起动完成后Vcap<Vbat，在该结构下除了发动机起动过程外，起动机7与其它部件之间均无能量交换。

Claims (5)

1.一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统，其特征在于：该系统包括蓄电池(1)、电机(5)和电机控制器(6)组成的电机子系统(2)、超级电容(3)、双向降压变换器(4)；蓄电池(1)与双向降压变换器(4)的第一端口连接；双向降压变换器(4)的第二端口同时与超级电容(3)和电机子系统(2)连接；电机子系统(2)中的电机(5)为交流电机，电机(5)与电机控制器(6)的交流端连接；电机控制器(6)直流端与双向降压变换器(4)第二端口连接；电机(5)通过皮带与发动机连接经电机控制器(6)输出电能；
超级电容(3)电压Vcap可高于或低于蓄电池(1)电压Vbat，二者差值为X即Vcap＝Vbat±X；双向降压变换器(4)具有由第一端口到第二端口方向的降压能力和由第二端口到第一端口方向的降压能力，任一时刻不能双向同时降压工作；双向降压变换器(4)的双向降压范围不同，第二端口输出为0～Vbat，第一端口输出为Vbat；双向降压变换器(4)可工作于非降压模式，第一端口电压Vbat和第二端口电压Vcap不会相互影响，两个端口之间无能量交换。
2.根据权利要求1所述的一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统，其特征在于：蓄电池(1)可通过双向降压变换器(4)为超级电容(3)预充电；超级电容(3)可通过双向降压变换器(4)为蓄电池(1)正常充电；电机子系统(2)可直接为超级电容(3)正常充电。
3.根据权利要求1所述的一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统，其特征在于：当Vcap<Vbat时，电机子系统(2)发出的电能直接送至超级电容(3)；当Vcap>Vbat时，电机子系统(2)发出的电能一部分送至超级电容(3)存储，另一部分通过双向降压变换器(4)为蓄电池(1)充电。
4.根据权利要求1所述的一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统，其特征在于：当电机(5)作为起动机运行时，依靠电机子系统(2)起动发动机，超级电容(3)的电能流向电机子系统(2)，双向降压变换器(4)工作于非降压模式，起动后允许Vcap<Vbat。
5.根据权利要求1所述的一种可回收制动能量的汽车复合储能起停系统，其特征在于：当电机(5)仅作为发电机运行时，在系统结构基础上可另外增加一台起动机(7)；起动机(7)同时与超级电容(3)、双向降压变换器(4)的第二端口及电机子系统(2)连接；依靠起动机(7)起动发动机，超级电容(3)为起动机(7)提供电能；双向降压变换器(4)工作于非降压模式；起动后允许Vcap<Vbat；在该结构中除了发动机起动过程外，起动机(7)与其它部件之间均无能量交换。
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