CN106965683B - 带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统及其能量分配方法 - Google Patents

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Abstract

带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统及其能量分配方法，属于汽车驱动与控制技术领域。解决了现有电动汽车仅采用电池供电不仅供电时间短且电池长期处于充放电过程造成电池的使用寿命严重缩短的问题与涡簧式储能装置功能过程中存在能量密度低的问题。本发明系统处于输入功率状态时，根据涡簧发电机构主轴旋转位置a优先的将再生制动能量为涡簧发电机构充能。在系统处于输出功率状态时，锂离子电池组优选地提供设定的阈值功率Pthr，当涡簧发电机构主轴旋转位置a小于设定涡簧发电机构主轴旋转阈值位置athr时，锂离子电池组同时要满足需求功率Pdem和为涡簧发电机构充能的充能功率Pch。本发明适用于电动汽车复合储能及能量分配使用。

Description

带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统及其能量分配 方法
技术领域
本发明属于汽车驱动与控制技术领域。
背景技术
电动汽车对环境的影响较小，有着很好的发展前景。以电池作为单一能量源的传统电动汽车中，为满足客车不同运行工况下的功率和能量需求，电池长期处于过充或过放，因此其寿命大大缩短。另外，当前广泛应用在电动汽车行业里的锂离子电池的价格还比较昂贵，能量密度不够大。在电池技术上的种种限制驱使从事电动汽车行业的研究人员转向研究其他储能装置与电池储能相结合的混合储能结构。
涡簧式储能装置主要是利用涡簧在受载条件下产生弹性势能并将其储存起来的原理，其具有较高的功率密度，较长的使用寿命，但是其能量密度较低。
发明内容
本发明是为了解决现有电动汽车仅采用电池供电不仅供电时间短且电池长期处于充放电过程造成电池的使用寿命严重缩短的问题与涡簧式储能装置功能过程中存在能量密度低的问题，提出了一种带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统及其能量分配方法。
本发明所述的带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统，它包括锂离子电池组1、DC/DC变换器2、双向逆变器3、驱动电机4、电压传感器5、涡簧发电机构6、AC/DC整流器7和系统控制器8；
锂离子电池组1的充放电信号端连接DC/DC变换器2的一个电流信号输入输出端，DC/DC变换器2的另一个电流信号输入输出端同时连接双向逆变器3的直流信号端和AC/DC整流器7的直流信号端，双向逆变器3的交流信号端与驱动电机4的驱动信号输入端连接；AC/DC整流器7的交流信号端连接涡簧发电机构6交流信号输出端；
系统控制器8的直流交流转换控制信号输出端经CAN总线与双向逆变器3的转换控制信号输入端连接；
系统控制器8的交流直流转换控制信号输出端经CAN总线与AC/DC整流器7的转换控制信号输入端连接；
系统控制器8的直流变换控制信号输出端经CAN总线与DC/DC变换器2的转换控制信号输入端连接；
电压传感器5用于采集锂离子电池组1的电压信号，电压传感器5采集的电压信号输出端经CAN总线连接系统控制器8的电池电压采集信号输入端；
涡簧发电机构6的储能信号输出端连接系统控制器8的涡簧发电机构的储能信号输入端；
涡簧发电机构6包括发电机61、变速箱62、棘轮机构63、涡簧储能器64和位置传感器65；
涡簧储能器64的传动轴与变速箱62的输入轴同轴连接，变速箱62带动发电机61发电，发电机61的交流信号输出端连接AC/DC整流器7的交流信号端；
棘轮机构63套设在涡簧储能器64的传动轴上，且位于涡簧储能器64与变速箱62之间；棘轮机构63通过控制棘爪控制涡簧发电机构的轴的旋转位；
位置传感器65用于采集涡簧储能器64的传动轴的旋转位置；位置传感器65的信号输出端为涡簧发电机构6的储能信号输出端。
进一步地，涡簧储能器64包括箱体641、传动轴642和涡簧本体643；涡簧本体643设置在箱体641内，涡簧本体643的外端与箱体641的内壁固定连接；涡簧本体643套设在传动轴642的外侧，且涡簧本体643的内端与传动轴642侧壁固定连接。
进一步地，驱动电机4和发电机61均采用发电机与电动机一体机实现。
带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统的能量分配方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、设定启动涡簧发电机构6的阈值功率为Pthr，设定涡簧发电机构6传动轴旋转阈值位置athr；
步骤二、采用车载传感器采集汽车的油门踏板开度信号和车速信号，采用系统控制器8判断油门踏板开度大于是否0，若是，计算汽车的需求功率Pdem，获取涡簧储能器传动轴的旋转位置a，执行步骤三，否则执行步骤四；
步骤三、对涡簧发电机构6的阈值功率为Pthr和汽车的需求功率Pdem进行比较，对涡簧储能器传动轴的旋转位置a和涡簧发电机构主轴旋转阈值位置athr进行比较：
当Pdem＞Pthr，且a≥athr时，系统控制器8控制DC/DC变换器2对锂离子电池组1输出电流进行转换，锂离子电池组1为驱动电机4提供功率Pthr，系统控制器8控制AC/DC整流器7对涡簧发电机构6输出的电流进行转换，涡簧发电机构6为驱动电机4提供功率Pdem-Pthr；
当Pdem＞Pthr，且a＜athr时，系统控制器8控制DC/DC变换器2对锂离子电池组1输出电流进行转换，锂离子电池组1为驱动电机4提供功率Pdem，同时系统控制器8控制AC/DC整流器7为涡簧发电机构6提供充能功率Pch；
当Pdem≤Pthr，且a≥athr时，系统控制器8控制DC/DC变换器2对锂离子电池组1输出电流进行转换，锂离子电池组1为驱动电机4提供功率Pdem，通过控制棘轮机构63的棘爪控制涡簧发电机构的传动轴停止旋转，涡簧发电机构6不输出功率；
当Pdem≤Pthr，且a＜athr时，系统控制器8控制DC/DC变换器2对锂离子电池组1输出电流进行转换，锂离子电池组1为驱动电机4提供功率Pdem，同时系统控制器8控制AC/DC整流器7为涡簧发电机构6提供充能功率Pch；
步骤四、对涡簧储能器传动轴的旋转位置a和涡簧存储满能量的传动轴旋转位置a0进行比较：
当a＜a0时，驱动电机4回收汽车的制动能量，通过双向逆变器3和AC/DC整流器7为涡簧发电机构6补充能量；
当a＝a0时，驱动电机4回收汽车的制动能量，通过双向逆变器3和DC/DC变换器2为锂离子电池组充电。
与现有技术相比较，在本发明提供的车用复合储能系统的能量管理方法中，系统处于输入功率状态时，根据涡簧发电机构主轴旋转位置a优先的将再生制动能量为涡簧发电机构充能。在系统处于输出功率状态时，锂离子电池组优选地提供设定的阈值功率Pthr，当涡簧发电机构主轴旋转位置a小于设定涡簧发电机构主轴旋转阈值位置athr时，锂离子电池组同时要满足需求功率Pdem和为涡簧发电机构充能的充能功率Pch。
本发明实现了较高能量密度和较长使用寿命的涡簧发电机构与较低能量密度的锂离子电池组互补，形成了并联构型的复合储能结构。把汽车制动和减速时消耗掉的动能转换成涡簧的弹性势能，再由涡簧释放弹性势能，与锂离子电池组共同提供的电能驱动汽车运动。
附图说明
图1为本发明所述的带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统的原理框图；
图2为具体实施方式一所述的涡簧发电机构结构示意图；
图3为具体实施方式二所述的涡簧储能器的结构示意图；
图4为具体实施方式一所述的棘轮机构的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式所述的带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统，
它包括锂离子电池组1、DC/DC变换器2、双向逆变器3、驱动电机4、电压传感器5、涡簧发电机构6、AC/DC整流器7和系统控制器8；
锂离子电池组1的电源信号输出端连接DC/DC变换器2的电流信号输入端，DC/DC变换器2的电流信号输出端同时连接双向逆变器3的直流信号端和AC/DC整流器7的直流信号端，双向逆变器3的交流信号端与驱动电机4的驱动信号输入端连接；AC/DC整流器7的交流信号端连接涡簧发电机构6交流信号输出端；
系统控制器8的直流交流转换控制信号输出端经CAN总线与双向逆变器3的转换控制信号输入端连接；
系统控制器8的交流直流转换控制信号输出端经CAN总线与AC/DC整流器7的转换控制信号输入端连接；
系统控制器8的直流变换控制信号输出端经CAN总线与DC/DC变换器2的转换控制信号输入端连接；
电压传感器5用于采集锂离子电池组1的电压信号，电压传感器5采集的电压信号输出端经CAN总线连接系统控制器8的电池电压采集信号输入端；
涡簧发电机构6的储能信号输出端连接系统控制器8的涡簧发电机构的储能信号输入端；
涡簧发电机构6包括发电机61、变速箱62、棘轮机构63涡簧储能器64和位置传感器65；
涡簧储能器64的传动轴与变速箱62的输入轴同轴连接，变速箱62带动发电机61发电，发电机61的交流信号输出端连接AC/DC整流器7的交流信号端；
棘轮机构63套设在涡簧储能器64的传动轴上，且位于涡簧储能器64与变速箱62之间；棘轮机构63通过控制棘爪控制涡簧发电机构的传动轴的旋转位；
位置传感器65用于采集涡簧储能器64传动轴的旋转位置；位置传感器65的信号输出端为涡簧发电机构6的储能信号输出端。
具体实施方式二、结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统的进一步说明，涡簧储能器64包括箱体641、传动轴642和涡簧本体643；涡簧本体643设置在箱体641内，涡簧本体643的外端与箱体641的内壁固定连接；涡簧本体643套设在传动轴642的外侧，且涡簧本体643的内端与传动轴642侧壁固定连接。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统的进一步说明，驱动电机4和发电机61均采用发电机与电动机一体机实现。
具体实施方式四、本实施方式所述的带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统的能量分配方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、设定启动涡簧发电机构6的阈值功率为Pthr，设定涡簧发电机构6传动轴旋转阈值位置athr；
步骤二、采用车载传感器采集汽车的油门踏板开度信号和车速信号，采用系统控制器8判断油门踏板开度大于是否0，若是，计算汽车的需求功率Pdem，获取涡簧储能器传动轴的旋转位置a，执行步骤三，否则执行步骤四；
步骤三、对涡簧发电机构6的阈值功率为Pthr和汽车的需求功率Pdem进行比较，对涡簧储能器传动轴的旋转位置a和涡簧发电机构主轴旋转阈值位置athr进行比较：
当Pdem＞Pthr，且a≥athr时，系统控制器8控制DC/DC变换器2对锂离子电池组1输出电流进行转换，锂离子电池组1为驱动电机4提供功率Pthr，系统控制器8控制AC/DC整流器7对涡簧发电机构6输出的电流进行转换，涡簧发电机构6为驱动电机4提供功率Pdem-Pthr；
当Pdem＞Pthr，且a＜athr时，系统控制器8控制DC/DC变换器2对锂离子电池组1输出电流进行转换，锂离子电池组1为驱动电机4提供功率Pdem，同时系统控制器8控制AC/DC整流器7为涡簧发电机构6提供充能功率Pch；
当Pdem≤Pthr，且a≥athr时，系统控制器8控制DC/DC变换器2对锂离子电池组1输出电流进行转换，锂离子电池组1为驱动电机4提供功率Pdem，通过控制棘轮机构63的棘爪控制涡簧发电机构的传动轴停止旋转，涡簧发电机构6不输出功率；
当Pdem≤Pthr，且a＜athr时，系统控制器8控制DC/DC变换器2对锂离子电池组1输出电流进行转换，锂离子电池组1为驱动电机4提供功率Pdem，同时系统控制器8控制AC/DC整流器7为涡簧发电机构6提供充能功率Pch；
步骤四、对涡簧储能器传动轴的旋转位置a和涡簧存储满能量的传动轴旋转位置a0进行比较：
当a＜a0时，驱动电机4回收汽车的制动能量，通过双向逆变器3和AC/DC整流器7为涡簧发电机构6补充能量；
当a＝a0时，驱动电机4回收汽车的制动能量，通过双向逆变器3和DC/DC变换器2为锂离子电池组充电。
本发明所述的锂离子电池组为LiFePO4电池组，所述LiFePO4电池组由LiFePO4电池单体构成，可以包括一个或多个电池单体，当包括多个电池单体时，根据需要输出的功率要求，可采取串联、并联、混联形式连接。
涡簧发电机构由安装在其内部的平面涡卷弹簧单体构成，根据需要输出的功率要求，可以内置一个或多个涡卷弹簧单体，当内置多个平面涡卷弹簧单体时，可采取不同的内置装配方式；在涡簧发电机构的输出轴上装配有棘轮机构，通过控制棘爪来达到控制涡簧发电机构主轴旋转位置a的目的。
位置传感器可以用于检测所述涡簧储能器的主轴旋转位置，并传输到所述系统控制器中。所述电压传感器可以检测所述LiFePO4电池组的电压，并传输到所述系统控制器中。
系统控制器根据所述涡簧发电机构的主轴旋转位置和所述LiFePO4电池组的电压来分配所述涡簧发电机构和所述LiFePO4电池组的目标输出功率，并且在系统处于输入和输出功率状态时，为DC/DC变换器和AC/DC整流器提供驱动信号。系统控制器作用在涡簧发电机构和所述LiFePO4电池上的控制信号应分别下达给DC/DC变换器和AC/DC整流器，当为涡簧发电机构充能能量时，系统控制器产生相对输出功率时反向的三相交流电，使发电机反转，达到为涡簧储能器充能的目的。
根据电动汽车的运行状态，判断复合储能系统的功率流动方向。具体的，当汽车处于驱动状态时，所述复合储能系统就处于功率输出状态，当汽车处于制动或者减速状态时，所述复合储能系统就处于功率输入状态。
当Pdem＞Pthr，且a≥athr时，功率流动方向为：LiFePO4电池组-DC/DC变换器-DC/AC逆变器-驱动电机、涡簧储能器-变速箱-发电机-AC/DC整流器-DC/AC逆变器-驱动电机；
当Pdem＞Pthr，且a＜athr时，功率流动方向为：LiFePO4电池组-DC/DC变换器-DC/AC逆变器-驱动电机、LiFePO4电池组-DC/DC变换器-DC/AC整流器-发电机-变速箱-涡簧储能箱。
当Pdem≤Pthr，且a≥athr时，功率流动方向为：LiFePO4电池组-DC/DC变换器-DC/AC逆变器-驱动电机；
当Pdem≤Pthr，且a＜athr时，功率流动方向：LiFePO4电池组-DC/DC变换器-DC/AC逆变器-驱动电机、LiFePO4电池组-DC/DC变换器-DC/AC整流器-发电机-变速箱-涡簧储能箱。
涡簧储能器的主轴旋转位置a是指实时监测到的所述涡簧储能器的主轴旋转位置。所述涡簧储能器存储满能量的主轴旋转位置a0为涡簧储能器存满弹性势能时的主轴旋转位置。所述涡簧发电机构的主轴旋转阈值位置athr相对于涡簧存储满能量的主轴旋转位置a0的比值athr:a0＝0.4:1。
整车需求功率Pdem是指实时检测到的驱动车辆按照需求运行的所需要的功率。启动涡簧发电机构的阈值功率为Pthr时某个确定的功率值，其值要小于所述涡簧发电机构和LiFePO4电池组的最大输出功率，优选地，所述启动涡簧发电机构的阈值功率Pthr与所述簧储能机构的最大输出功率Pvs_max的比值为Pthr:Pvs_max＝0.3:1。
当制动踏板开度大于0，a＜a0时，功率流动方向为：驱动电机-DC/AC逆变器-AC/DC整流器-发电机-变速器-涡簧储能器；当制动踏板开度大于0，a＝a0时，复合储能系统的功率流动方向为：驱动电机-DC/AC逆变器-DC/DC变换器-LiFePO4电池组。
本发明提出的新型电动汽车复合储能装置和能量分配方法，可以将LiFePO4电池组和涡簧发电机构结合起来，利用涡簧发电机构功率密度大、使用寿命长的优点来弥补电池的缺点，延长电池的使用寿命，同时把汽车制动时消耗掉的动能转化为了涡簧的弹性势能保存起来，在需求功率较大时与电池一起提供功率驱动汽车，达到节约能源的目的。

Claims (3)

1.带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统的能量分配方法，该方法基于带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统实现，基于带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统包括锂离子电池组(1)、DC/DC变换器(2)、双向逆变器(3)、驱动电机(4)、电压传感器(5)、涡簧发电机构(6)、AC/DC整流器(7)和系统控制器(8)；
锂离子电池组(1)的电源信号输出端连接DC/DC变换器(2)的电流信号输入端，DC/DC变换器(2)的电流信号输出端同时连接双向逆变器(3)的直流信号端和AC/DC整流器(7)的直流信号端，双向逆变器(3)的交流信号端与驱动电机(4)的驱动信号输入端连接；AC/DC整流器(7)的交流信号端连接涡簧发电机构(6)交流信号输出端；
系统控制器(8)的直流交流转换控制信号输出端经CAN总线与双向逆变器(3)的转换控制信号输入端连接；
系统控制器(8)的交流直流转换控制信号输出端经CAN总线与AC/DC整流器(7)的转换控制信号输入端连接；
系统控制器(8)的直流变换控制信号输出端经CAN总线与DC/DC变换器(2)的转换控制信号输入端连接；
电压传感器(5)用于采集锂离子电池组(1)的电压信号，电压传感器(5)采集的电压信号输出端经CAN总线连接系统控制器(8)的电池电压采集信号输入端；
涡簧发电机构(6)的储能信号输出端连接系统控制器(8)的涡簧发电机构的储能信号输入端；
涡簧发电机构(6)包括发电机(61)、变速箱(62)、棘轮机构(63)、涡簧储能器(64)和位置传感器(65)；
涡簧储能器(64)的传动轴与变速箱(62)的输入轴同轴连接，变速箱(62)带动发电机(61)发电，发电机(61)的交流信号输出端连接AC/DC整流器(7)的交流信号端；
棘轮机构(63)套设在涡簧储能器(64)的传动轴上，且位于涡簧储能器(64)与变速箱(62)之间；棘轮机构(63)通过控制棘爪控制涡簧发电机构的传动轴的旋转位；
位置传感器(65)用于采集涡簧储能器(64)传动轴的旋转位置；位置传感器(65)的信号输出端为涡簧发电机构(6)的储能信号输出端；
其特征在于，带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统的能量分配方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、设定启动涡簧发电机构(6)的阈值功率为Pthr，设定涡簧发电机构(6)传动轴旋转阈值位置athr；
步骤二、采用车载传感器采集汽车的油门踏板开度信号和车速信号，采用系统控制器(8)判断油门踏板开度大于是否0，若是，计算汽车的需求功率Pdem，获取涡簧储能器传动轴的旋转位置a，执行步骤三，否则执行步骤四；
步骤三、对涡簧发电机构(6)的阈值功率为Pthr和汽车的需求功率Pdem进行比较，对涡簧储能器传动轴的旋转位置a和涡簧发电机构主轴旋转阈值位置athr进行比较：
当Pdem＞Pthr，且a≥athr时，系统控制器(8)控制DC/DC变换器(2)对锂离子电池组(1)输出电流进行转换，锂离子电池组(1)为驱动电机(4)提供功率Pthr，系统控制器(8)控制AC/DC整流器(7)对涡簧发电机构(6)输出的电流进行转换，涡簧发电机构(6)为驱动电机(4)提供功率Pdem-Pthr；
当Pdem＞Pthr，且a＜athr时，系统控制器(8)控制DC/DC变换器(2)对锂离子电池组(1)输出电流进行转换，锂离子电池组(1)为驱动电机(4)提供功率Pdem，同时系统控制器(8)控制AC/DC整流器(7)为涡簧发电机构(6)提供充能功率Pch；
当Pdem≤Pthr，且a≥athr时，系统控制器(8)控制DC/DC变换器(2)对锂离子电池组(1)输出电流进行转换，锂离子电池组(1)为驱动电机(4)提供功率Pdem，通过控制棘轮机构(63)的棘爪控制涡簧发电机构的传动轴停止旋转，涡簧发电机构(6)不输出功率；
当Pdem≤Pthr，且a＜athr时，系统控制器(8)控制DC/DC变换器(2)对锂离子电池组(1)输出电流进行转换，锂离子电池组(1)为驱动电机(4)提供功率Pdem，同时系统控制器(8)控制AC/DC整流器(7)为涡簧发电机构(6)提供充能功率Pch；
步骤四、对涡簧储能器传动轴的旋转位置a和涡簧存储满能量的传动轴旋转位置a0进行比较：
当a＜a0时，驱动电机(4)回收汽车的制动能量，通过双向逆变器(3)和AC/DC整流器(7)为涡簧发电机构(6)补充能量；
当a＝a0时，驱动电机(4)回收汽车的制动能量，通过双向逆变器(3)和DC/DC变换器(2)为锂离子电池组充电。
2.根据权利要求1所述的带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统的能量分配方法，其特征在于，涡簧储能器(64)包括箱体(641)、传动轴(642)和涡簧本体(643)；涡簧本体(643)设置在箱体(641)内，涡簧本体(643)的外端与箱体(641)的内壁固定连接；涡簧本体(643)套设在传动轴(642)的外侧，且涡簧本体(643)的内端与传动轴(642)侧壁固定连接。
3.根据权利要求1所述的带有涡簧发电机构的电动汽车复合储能系统的能量分配方法，其特征在于，驱动电机(4)和发电机(61)均采用发电机与电动机一体机实现。
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