CN106904082B - 一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，属于增程式电动汽车增程动力系统技术领域。包括发动机、双凸极直流发电机、发电驱动单元、发电/系统控制单元。本发明采用增程式电动汽车上的动力电池作为双凸极发电机的励磁源，简化了发电机的结构，而内置了发电机控制功能的发电/系统控制单元，具备反拖启动发动机和发电量主动控制能力，使得整个辅助电源结构紧凑，在简化系统结构提高可靠性的基础上降低成本。本发明还公开了用于对动力装置的转速进行调节并根据负载和车速的变化管理辅助电源的工作噪声和振动的控制方法，实现发电、噪声、效率、排放全局优化，同时停机散热控制方法大大延长了电源工作寿命。

Description

一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源

技术领域

本发明涉及一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源、可根据设计需要实现电动汽车边走边为电池充电、为电机直接供电或同时给电池充电和为电机直接供电，属于增程式电动汽车增程动力系统技术领域。

背景技术

增程式电动汽车的核心技术是车载增程发电系统。一个专门设计的增程发电系统需要具备体积小、系统集成度高、工作噪音低、燃油效率高、排放符合国家标准等特点。传统的增程式电动车(如美国通用的沃蓝达或广汽的传琪)的增程发电系统功率较大，基本能够匹配驱动电机的额定功率。其优点是综合续驶里程可以不受限制，当动力电池亏电时，系统工作在串混状态。其缺点是大功率增程发电系统的体积大、成本高，汽车空间有限，体积大是其致命缺点，不仅导致整车机械集成难度大，更会导致整车成本较高，不利于商业化推广。

专利号是ZL201110245988.4的发明专利，公开了一种车载增程发电系统技术。该技术使得一种低成本且高效率的车载发电系统可以直接安装到纯电动汽车上，允许将动力电池容量减少到市内交通行驶里程所需最小容量，从而大大降低整车成本，同时使得整车的续驶里程不受电池容量的限制。但是由于其发电机自带独立励磁机导致励磁结构和对应的控制电路以及发电机尺寸增大，导致增程发电系统可靠性大大降低，且系统尺寸较大，不利于在空间有限的汽车上安装，也因此很少被采用。

专利号是ZL200610038539.1的发明专利，公开了一种数码发电机组技术，是一种体积小集成度高的可移动式常规交流发电机，采用小型汽油发动机为动力，可以作为家用电器或照明使用，在停电情况下提供稳定而可靠的动力。但是，这种简单的交流发电机组不具备发电功率的主动调节和自适应控制能力，同时交流电源也不能直接用于给电池充电，不能满足电动汽车需要的发电控制要求，燃油效率及排放水均达不到汽车要求，也不能与汽车动力电池进行接口。

公开号是CN101672219的发明专利，公开了一种变频发电机组，包括多极发电机、输出端与多极发电机输入端相连的发动机以及输入端与多极发电机输出端相连的AA式变频转换器，其特征在于，所述发动机的输出端与多极发电机的输入端之间安装有增速器，通过在发动机的输出端安装增速器来提高发动机转速，增大了发电机频率，以此进一步降低了AA式变频转换器输出电压的波形失真度，使得AA式变频转换器能够在本发明中得以有效使用。但是该发明不能满足电动汽车需要的直流发电和主动动态控制要求，且其燃油效率和排放水平不适合与汽车应用。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明主要目的是提供一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源。该辅助电源可以根据功率大小和尺寸大小形成一个系列产品，都具有相同的通讯及电气接口、相同的控制策略，根据电动车综合续驶里程的具体需求和车上可用空间的大小可以选择不同功率的单一辅助电源，或者选择多个辅助电源并行工作。对于电池容量衰减后续行驶里程急剧减少的纯电动车，更可以选择后装一套小功率辅助电源，可有效延长电动车的使用寿命。

为实现上述目的，本发明公开的技术方案是：一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，包括发动机系统、双凸极发电机、发电和系统控制单元、发电驱动单元、和远程通讯GPS模块，所述发动机系统包括发动机、发动机控制器、散热器、消音器和空滤；

所述双凸极发电机与发动机输出端进行直接动力连接，用于产生直流电流，为增程式电动汽车动力电池充电或直接供给增程式电动汽车驱动电机系统；

所述发电和系统控制单元，对发动机的转速进行控制，同时对发电机的直流输出电流进行连续调节，可以识别增程式电动汽车的车速、实际电力负载，识别动力电池的电压、充放电电流和温度，确定不同的发电控制模式；所述发电驱动单元与发电和系统控制单元和双凸极发电机系统同时连接，采用动力电池输出的直流动力作为发电机的励磁源，调节发电机的励磁；

所述远程通讯GPS模块与发电和系统控制单元连接，具有无线远程通讯和管理功能、支持无线定位和遥控开关功能、支持远程控制软件升级和参数的显示与修改。

优选的，所述发动机为天然气类发动机、燃油类发动机或者醇醚类发动机。

优选的，所述发电驱动单元以电动汽车本身动力电池的动力作为励磁源输入，不需要额外增加励磁机及其配套设备，并通过IGBT的开关来调节发电机励磁电流从而实现发电电流的调节，同时测量实际励磁电流并将其反馈给发电和系统控制单元。

优选的，所述发电和系统控制单元将发动机的启动、发电控制与发电系统管理集成于一个控制器，提高了系统集成度，同时简化了系统结构。

优选的，所述发动机的控制线束与发电和系统控制单元线束集成到一体，提高了系统集成度，同时简化了系统结构。

优选的，所述发动机散发出的热量，通过发动机水冷循环系统与车内空调加热系统的藕合可以直接用于增程式电动汽车低温环境使用时整车室内加热，节省电力加热消耗的能量。

优选的，所述系统控制与管理模块与远程通讯与GPS模块通过RS232接口进行通讯连接，包括接收远程控制指令如静音充电指令、系统启动/停机指令、系统锁定指令等，可更新软件下载和上传系统工作参数，输出系统监视状态参数如实际充电电压、充电电流、充电时间、充电电量、油位量、累计充电时间、累计充电电量、错误代码等。支持手机app监控充电状态，包括充电累计时间、累计充电能量、油量信息、充电异常报警功能。支持通过手机app进行预约租赁、远程查错和丢失后电源锁定功能。

优选的，所述发电和系统控制单元根据整车实际耗电率及不同车速通过CAN总线通讯控制发动机控制器，改变发动机转速从而调整工作噪声，通过CAN总线通讯接收并根据动力电池的温度来改变发电控制模式以达到保护动力电池并延长其工作寿命的目的。

优选的，所述发电和系统控制单元具有两种控制模式，包括待机模式和工作模式。

在待机模式下，远程通讯与GPS模块处于待机接收远程控制指令状态，而控制与管理单元处于省电工作模式。只有在汽车电门锁位置处于RUN位置时，系统才全部供电，允许发电及充电，处于工作模式。

优选的，所述发电和系统控制单元对应高、中、低三级车速分别控制发动机转速和发电电流，高车速对应高噪音，中车速对应低噪音，低车速对应静音。

优选的，所述发电和系统控制单元在整车耗电率分别低于50％,20％时分别控制发电电流降为半电流、零电流，实现新能源车高载荷工作时允许噪音增大、中载荷低噪音、小载荷静音工作的控制策略。

优选的，所述发电和系统控制单元实时监视发动机的温度，如果发动机工作在高温状态，则在停机前控制发动机供电电源延长供电，使得发动机在怠速状态下继续工作一段时间，直至发动机温度降到安全水平。

优选的，车载直流辅助电源可通过外接一个油箱进行供油或气，发电和系统控制单元可以实时监视油量，并通过CAN总线通讯报告整车控制器。可通过燃料加注口添加燃料并在控制面板上显示燃料状态。

在发明中，发电机的电力输出接受发电和控制单元通过发电驱动单元进行调节后可直接给动力电池进行充电、或者给驱动电机直接供电以减轻动力电池的负担、或者同时和动力电池充电及给驱动电机供电。实际发电电量取决于三级车速和三级负载耗电率，以达到既最大限度满足整车补电需求同时又能够有效管理噪声，提高整车驾驶乘用舒适度要求。

对于纯电动汽车使用来说，需要更多的是能够满足出行需求且同时没有里程焦虑。车载直流发电辅助电源技术可以满足使用者出行需求的同时消除里程焦虑。本发明所提供的辅助电源一般发电功率是整车驱动电机额定功率的30～40％，可有效延长电动车综合续驶里程至满足出行需求，可以实现随车充电，不再依赖于充电桩建设：同时其体积小成本低，整车机械集成简单，既可支持主机厂前装又可支持后市场后装。

本发明的有益效果还包括：任何采用辅助电源开发的增程式纯电动汽车都可以以较低的成本和更加灵活的安装方式实现，有效消除里程焦虑因而允许最大限度的使用动力电池充电电量，驾驶员可以根据实际续驶里程的需求决定何时提前手动开启辅助电源进行补电，或者可选择由辅助电源系统自动控制发电系统的起停。由于辅助电源补电，动力电池的负荷大大减轻，还可以有效延长动力电池的使用寿命，特别是在低温或过载情况下可以有效减少对动力电池的伤害；该辅助电源可以根据功率大小和尺寸大小形成一个系列产品，根据电动车综合续驶里程的具体需求和车上可用空间的大小选择不同功率的单一辅助电源，或者选择多个辅助电源并行工作：所述发电和系统控制单元将发动机的启动、发电控制与发电系统管理集成于一个控制器、将发动机线束与电源系统线束集成到一体，显著提高了系统集成度，同时简化了系统结构；发电驱动单元以电动汽车本身动力电池的动力作为励磁源输入，不需要额外增加励磁机及其配套设备，进一步缩小了电源体积。

附图说明

图1是本发明机械结构示意图。

图2是本发明控制与管理单元的的电路原理框图。

图3是本发明的主控制软件流程图。

其中：3、发电/系统控制单元；4、电机控制器；5、动力电池；6、整车控制器；7、发电驱动单元；8、远程通讯与GPS模块；9、发动机；10、发动机控制器；11、散热器；12、消音器；13、空滤；14、系统控制器；15、双凸极发电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施案例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参考图1、图2和图3，本发明实施例包括：

实施例1：一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，包括发动机9，发动机控制器10、散热器11、消音器12、空滤13、系统控制器14、和发电机15。

所述系统控制器14包括发电和系统控制单元3、发电驱动单元7和远程通讯与GPS模块8；

所述系统控制器14与双凸极发电机15直接连接，并分别通过两条CAN总线与发动机控制器10及整车控制器6相连，用于对双凸极发电机15的输出动力进行调节，输出可以直接为动力电池5充电或直接输出给电机控制器4的直流电流和直流电压，并且自动识别电动汽车的车速和整车耗电率，确定不同的发电控制模式，优化发电电量与发电噪声；

本实施例中，所述发电和系统控制单元3和远程通讯与GPS模块8通过RS232进行通讯连接，包括接收远程控制指令如系统启动/停机指令、系统锁定指令等，可更新软件下载和上传系统工作参数，输出系统监视状态参数如实际充电电压、充电电流、充电时间、充电电量、油位量、累计充电时间、累计充电电量、错误代码等。

本实施例中，所述发动机为汽油发电机。

实施例2：本实施例与实施例1的不同之处在于，所述双凸极发电机15接受来自发电驱动单元7的励磁控制，其发电输出直接连接在直流动力总线上，并通过直流动力总线同时与动力电池5和电机控制器4的动力端连接，并将发电电流和直流电压反馈回发电和系统控制单元3。

本实施例中双凸极发电机巧的三相高频动力输出经整流后直接输出直流电流，而发电电压由动力电池5决定。

本实施例中，发动机与发电机之间采用联轴器柔性连接，以降低振动传导。

实施例3：本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中所述发动机9与发动机控制器10直接连接，其12V供电经过发电和系统控制单元3开关控制前来自与电动车12V常电供电，在发动机9温度较高时并且进入停机操作时，发电和系统控制单元3可以延时切断发动机控制器10的电源，使得发动机9可以继续怠速运行直至温度减低到设定的范围。

本实施例所述的发动机9根据来自CAN总线通讯的转速命令通过电子风门进行自动的转速变换和稳定控制，同时通过CAN总线通讯发布发动机温度、转速、燃油耗率和错误代码等。

实施例4：本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中是一个整体集成模块，参考图1，可以整体安装和拆卸；在整车空间布局受限制缺乏大块空间但是有多个小空间情况下也可以在一辆车上同时安装多个整体集成模块并行工作，利用小空间实现总体大功率发电能力的同时，也提高了整车的运行可靠性，即使一个模块出现故障，其他模块仍可继续工作，确保整车性能所受影响降到最低。

所述车载直流辅助电源模块中内置减振结构，方便整车集成机械安装和设计。

实施例5：本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中所述发动机9为天然气发动机或甲醇发动机，在兼容多种燃料或替代燃料的同时降低运营成本，更加能够减少废气排放。

实施例6：本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中所述发电驱动单元7,分别与所述发电和系统控制单元3及双凸极发电机15连接，以动力电池5的动力输出作为励磁源，接受来自发电和系统控制单元3的励磁控制，可根据整车的动力需求直接动态主动调节发电电流或者发电电压，因此发电机不再需要内部配置独立的励磁机及复杂的励磁机控制电路，并且由于动力电池5的良好稳定性更使得励磁性能更加平稳。

实施例7：本实施例与实施例1的不同之处在于，系统管理有两种控制模式，包括在无须发电状态下进入待机模式降低耗电和在启动条件满足时进入工作模式开始发电。在待机模式下远程通讯与GPS模块8处于待机接收远程控制指令状态，而发电和系统控制单元3处于省电工作模式。只有在电门锁位置处于RUN位置时，系统才全部供电，允许系统发电，处于工作模式。

在工作模式下，发电和系统控制单元3时刻监视直流总线电压和电流的正确性，如果检测外部直流动力线极性接反或短路(无电压)，则确定接线错误，发出出错代码并停止工作。在正常工作开始时，发电和系统控制单元3首先进行系统初始化操作，包括设置目标发电电流、发电启动和停止SoC(电池充电量)、噪音管理车速、耗电率台阶等。

发电过程是一个闭环控制过程，分别由发电电流外环和励磁电流内环控制组成，以目标发电电流为控制目标，随着直流总线电压变化和负载的变化，快速调节实际发电电流。

如上所述，本发明提供的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其小型化高度集成特征使得任何纯电动汽车可以在开发过程中选择前装，或留出相应的安装空间和连接接口允许用户在购车过程中选择加装，有效的解决纯电动车里程焦虑问题，对于己经使用多年的纯电动车，也可以选择后装加装一个小型的车载直流辅助电源，可随车在行使中给动力电池充电而不必寻找充电站或在充电站排队等候充电。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

参考图3，本发明主控软件的工作流程是：首先，电动汽车开始启动，当汽车电门锁处于ACC位置时，系统管理模块处于待机模式，此时，远程通讯与GPS模块处于待机接收远程控制指令状态，控制与管理单元处于省电工作模式，等待远程通讯；当汽车电门锁处于RUN位置时，系统全部供电。

第二，在系统全部供电时，如手动长按辅助电源启动/关闭开关，为禁止辅助电源启动，进入强制纯电运行模式：如手动短按辅助电源启动/关闭开关，发电机反拖，启动发动机的控制，启动成功；如未按辅助电源启动/关闭开关，启动条件(包括电池充电状态低和电池温度低等条件)满足时，发电机反拖启动发动机控制，启动成功。

第三，发电和系统控制单元3在整车耗电率低于20％时，控制发电电流降为零电流，停止发电：发电和系统控制单元3在整车耗电率低于50％时，控制发电电流降为半电流，半功率发电；发电和系统控制单元3在整车耗电率大于50％时，额定功率发电。

第四，发电和系统控制单元3在整车车速低于25公里/小时，控制发动机为怠速状态；在整车车速高于35公里/小时，且低于45公里/小时，控制发动机为低转速状态；在整车车速高于60公里/小时，发动机处于额定转速状态。

第六，如再次手动短按辅助电源启动/关闭开关，辅助电源关闭；如手动未按辅助电源启动/关闭开关，发电和系统控制单元3对动力电池的温度进行监控，如动力电池的温度处于预设低温(如0℃)状态下，发电功率跟随整车实际动力需求进行发电；如动力电池的温度处于非低温状态下，辅助电源为恒转速恒功率发电。

第七，系统继续运行，如满足停机条件(包括电池充电状态高于预设水平和电池温度高于预设值)，发电和系统控制单元3实时监视发动机的温度，如果发动机工作在高温状态(如温度>95℃)，则在停机前控制发动机供电电源延长供电，使得发动机在怠速状态下继续工作一段时间，一般为60秒，直至发动机温度降到安全水平，如果发动机工作在非高温状态，辅助电源直接停机。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：包括发动机系统、双凸极发电机、发电和系统控制单元、发电驱动单元、和远程通讯GPS模块，所述发动机系统包括发动机、发动机控制器、散热器、消音器和空滤；所述双凸极发电机与发动机输出端进行直接动力连接，用于产生直流电流，为增程式电动汽车动力电池充电或直接供给增程式电动汽车驱动电机系统；所述发电和系统控制单元，对发动机的转速进行控制，同时对发电机的直流输出电流进行连续调节，可以识别增程式电动汽车的车速、实际电力负载，识别动力电池的电压、充放电电流和温度，确定不同的发电控制模式；所述发电驱动单元与发电和系统控制单元和双凸极发电机系统同时连接，采用动力电池输出的直流动力作为发电机的励磁源，调节发电机的励磁；

所述远程通讯GPS模块与发电和系统控制单元连接，具有无线远程通讯和管理功能、支持无线定位和遥控开关功能、支持远程控制软件升级和参数的显示与修改。

2.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：所述发动机包括天然气发动机、燃油类发动机或者醇醚类发动机。

3.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：所述发电驱动单元以动力电池的动力作为励磁源输入，通过IGBT的开关来调节发电机励磁电流从而实现发电电流的调节，同时测量实际励磁电流并将其反馈给发电和系统控制单元。

4.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：所述发电和系统控制单元将发动机的启动、发电控制与发电系统管理集成于一个控制器，提高了系统集成度，同时简化了系统结构。

5.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：所述发动机的控制线束与发电和系统控制单元的线束集成到一体，提高了系统集成度，同时简化了系统结构。

6.根据权利要求4所述的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：所述发电和系统控制单元与远程通讯GPS模块通过RS232接口和CAN总线进行通讯连接，包括接收远程控制指令，所述远程控制指令包括静音充电指令、系统启动/停机指令、系统锁定指令，可更新软件固件下载，上传发电和系统控制单元的工作参数，输出系统监视状态参数；所述系统监视状态参数包括实际充电电压、充电电流、充电时间、充电电量、油位量、累计充电时间、累计充电电量、错误代码。

7.根据权利要求4所述的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：所述发电和系统控制单元根据整车实际耗电率及不同车速通过CAN通讯控制发动机控制器改变发动机转速从而调整工作噪声，并通过CAN通讯接受并根据动力电池的温度来改变发电控制模式。

8.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：所述发电和系统控制单元具有两种控制模式，包括待机模式和发电模式，所述待机模式为，远程通讯GPS模块处于关闭状态，发电和系统控制单元处于低电耗的工作模式，所述发电模式为，远程通讯GPS模块处于待机接收远程控制指令状态，等待数据传输命令的工作模式。

9.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：所述发电和系统控制单元对应高、中、低三级车速分别控制发动机转速和发电电流，高车速对应高噪音，中车速对应低噪音，低车速对应静音。

10.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：所述发电和系统控制单元在整车耗电率分别低于50%，20%时分别控制发电电流降为半电流、零电流，实现新能源车高载荷工作时允许噪音增大、中载荷低噪音、小载荷静音工作的控制策略。

11.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车用车载直流辅助电源，其特征在于：所述发电和系统控制单元实时监视发动机的温度，如果发动机工作在高温状态，所述高温状态为温度大于95℃的状态，则在停机前控制发动机供电电源延长供电，使得发动机在怠速状态下继续工作一段时间，直至发动机温度降到安全水平。