CN107031447B - 基于弹性储能的增程式电动汽车储能结构及能量分配方法 - Google Patents

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Abstract

基于弹性储能的增程式电动汽车储能结构及能量分配方法，涉及一种电动汽车储能结构及能量分配方法。解决了现有电动汽车结构复杂且效率较低的问题。本发明采用了机械结构弹性储能器对电动汽车的制动能量进行了回收，提高了回收的效率，同时简化了制动回收的控制策略；利用弹性储能器储存的能量，通过相应的控制方法，提高了电动汽车运行的稳定性。本发明适用于电动汽车的能量分配使用。

Description

基于弹性储能的增程式电动汽车储能结构及能量分配方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车储能结构及能量分配方法。
背景技术
如今的电动汽车多采用电气结构回收制动能量，不仅成本较高，而且回收效率受到电气结构效率的影响。存在结构复杂且效率较低的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有电动汽车的续驶里程短、结构复杂且效率较低和行驶稳定性差的问题，提出了一种基于弹性储能的增程式电动汽车储能结构及能量分配方法。
本发明所述的基于弹性储能的增程式电动汽车储能结构，它包括整车控制器1、辅助功率单元、一号DC/DC转换器8、磷酸铁锂电池9、电池管理系统10、泄流装置11、二号DC/DC转换器12、逆变器13、驱动电机14、直流电机15、变速箱16、双向离合器17和弹性储能器18；
辅助功率单元包括原动机2、发电机3、AC/DC转换器4、原动机控制器5、发电机控制器6和APU控制器7；
电池管理系统10用于实时检测磷酸铁锂电池9的剩余电量值，并控制磷酸铁锂电池9的充放电；整车控制器1通过车载传感器对油门踏板、制动踏板和弹性储能器18的储能状态进行检测；
整车控制器1的电池剩余电量信号输入端连接电池管理系统10电池剩余电量信号输出端；
整车控制器1的AC/DC变换控制信号输出端连接AC/DC转换器4的开关控制信号输入端；
整车控制器1的两个直流转换控制信号输出端分别连接一号DC/DC转换器8的控制信号输入端和二号DC/DC转换器12的控制信号输入端；
整车控制器1的弹性储能器的储能状态信号检测信号输入端连接弹性储能器18的储能状态信号输出端；
整车控制器1的辅助充电控制信号输出端连接APU控制器7的开关控制信号输入端；
整车控制器1的交流直流转换控制信号输出端连接AC/DC转换器4的转换控制信号输入端；
APU控制器7的发电控制信号输出端同时连接原动机控制器5的控制信号输入端和发电机控制器6的控制信号输入端，所述原动机控制器5用于控制原动机2的开关，发电机控制器6用于控制发电机3的开关；原动机2带动发电机3发电；
发电机3的交流信号输出端连接AC/DC转换器4的信号输入端，AC/DC转换器4的信号输出端同时连接磷酸铁锂电池9充电信号端和一号DC/DC转换器8的一个信号端，一号DC/DC转换器8另一个信号端同时连接泄流装置11的信号输入端和逆变器13的信号输入端，逆变器13的信号输出端连接驱动电机14的电源信号输入端，驱动电机14的驱动信号输出端连接变速箱16的信号输入端；
磷酸铁锂电池9的放电信号输出端连接二号DC/DC转换器12的电流信号输入端，二号DC/DC转换器12的电流信号输出端连接直流电机15的驱动信号输入端，
直流电机15的输出轴通过双向离合器17的一个轴与变速箱16的输入轴传动连接；
双向离合器17包括第一离合器和第二离合器，所述第一离合器设置在直流电机15与弹性储能器18的传动轴31之间，第二离合器设置在弹性储能器18的传动轴31与变速箱16的输入轴之间；
变速箱16通过差速器驱动汽车车轮转动。
基于弹性储能的增程式电动汽车能量分配方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用车载传感器实时对电动汽车的车速、油门踏板开度、制动踏板开度和车速进行采集，采用电池管理系统10分别对磷酸铁锂电池9的剩余电量进行检测，采用拉力传感器采集弹性储能器18的储能状态，并将检测结果传送给整车控制器1；
步骤二、整车控制器1根据车载传感器采集的油门踏板开度，判断油门踏板开度是否大于0，若是，则通过整车控制器1计算电动汽车所需驱动功率P，执行步骤三；否则，执行步骤十；
步骤三、整车控制器1根据电池管理系统10采集的磷酸铁锂电池9的剩余电量，判断磷酸铁锂电池9的剩余电量值是否小于磷酸铁锂电池9剩余电量的最小阀值a，若是，则执行步骤四，否则执行步骤五；a为磷酸铁锂电池9最大电量的20％；
步骤四、整车控制器1控制AC/DC转换器4开启，逆变器13关闭；辅助功率单元为磷酸铁锂电池9充电；
步骤五、整车控制器1根据步骤二计算的电动汽车所需驱动功率P，判断电动汽车所需驱动公率的变化率是否大于磷酸铁锂电池9提供的最大功率变化率，若是，则步骤六，否则执行步骤八；
步骤六、整车控制器1根据电源管理系统采集的弹性储能器18的储能状态，判断弹性储能器18的储能量是否小于自身最大储能状态的10％，若是，则执行步骤八，否则，执行步骤七；
步骤七、闭合双向离合器17磷酸铁锂电池9和弹性储能器18同时为变速箱16提供驱动能量；
步骤八、磷酸铁锂电池9通过二号DC/DC转换器12和直流电机15为弹性储能器18补充能量；
步骤九、双向离合器17与直流电机连接侧，磷酸铁锂电池9为变速箱16提供驱动能量；
步骤十、整车控制器1根据车载传感器采集的制动踏板开度，判断制动踏板开度是否大于0，若油门踏板开度大于0，则执行步骤十一，否则，返回执行步骤一；
步骤十一、整车控制器1判断磷酸铁锂电池9的剩余电量是否大于剩余电量的最大阈值b，若是，则启动泄流装置11进行泄流，否则，控制二号DC/DC转换器开启，回收制动能量为磷酸铁锂电池9进行充电，返回执行步骤一，其中，b为磷酸铁锂电池9最大电量的80％。
本发明采用了较为简单的机械结构—弹性储能器对电动汽车的制动能量进行了回收，提高了回收的效率，同时简化了制动回收的控制策略；利用弹性储能器储存的能量，通过相应的控制方法，提高了电动汽车运行的稳定性，并节约了动力电池的能量，提高了续驶里程。
附图说明
图1为本发明所述的基于弹性储能的增程式电动汽车动力系统原理框图；
图2为弹性储能箱的结构示意图；
图3为拉力传感器安装结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于弹性储能的增程式电动汽车储能结构，它包括整车控制器1、辅助功率单元、一号DC/DC转换器8、磷酸铁锂电池9、电池管理系统10、泄流装置11、二号DC/DC转换器12、逆变器13、驱动电机14、直流电机15、变速箱16、双向离合器17和弹性储能器18；
辅助功率单元包括原动机2、发电机3、AC/DC转换器4、原动机控制器5、发电机控制器6和APU控制器7；
电池管理系统10用于实时检测磷酸铁锂电池9的剩余电量值，并控制磷酸铁锂电池9的充放电；整车控制器1通过车载传感器对油门踏板、制动踏板和弹性储能器18的储能状态进行检测；
整车控制器1的电池剩余电量信号输入端连接电池管理系统10电池剩余电量信号输出端；
整车控制器1的AC/DC变换控制信号输出端连接AC/DC转换器4的开关控制信号输入端；
整车控制器1的两个直流转换控制信号输出端分别连接一号DC/DC转换器8的控制信号输入端和二号DC/DC转换器12的控制信号输入端；
整车控制器1的弹性储能器的储能状态信号检测信号输入端连接弹性储能器18的储能状态信号输出端；
整车控制器1的辅助充电控制信号输出端连接APU控制器7的开关控制信号输入端；
整车控制器1的交流直流转换控制信号输出端连接AC/DC转换器4的转换控制信号输入端；
APU控制器7的发电控制信号输出端同时连接原动机控制器5的控制信号输入端和发电机控制器6的控制信号输入端，所述原动机控制器5用于控制原动机2的开关，发电机控制器6用于控制发电机3的开关；原动机2带动发电机3发电；
发电机3的交流信号输出端连接AC/DC转换器4的信号输入端，AC/DC转换器4的信号输出端同时连接磷酸铁锂电池9充电信号端和一号DC/DC转换器8的一个信号端，一号DC/DC转换器8另一个信号端同时连接泄流装置11的信号输入端和逆变器13的信号输入端，逆变器13的信号输出端连接驱动电机14的电源信号输入端，驱动电机14的驱动信号输出端连接变速箱16的信号输入端；
磷酸铁锂电池9的放电信号输出端连接二号DC/DC转换器12的电流信号输入端，二号DC/DC转换器12的电流信号输出端连接直流电机15的驱动信号输入端，
直流电机15的输出轴通过双向离合器17的一个轴与变速箱16的输入轴传动连接；
双向离合器17包括第一离合器和第二离合器，所述第一离合器设置在直流电机15与弹性储能器18的传动轴31之间，第二离合器设置在弹性储能器18的传动轴31与变速箱16的输入轴之间；
变速箱16通过差速器驱动汽车车轮转动。
具体实施方式二、结合图2和图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基于弹性储能的增程式电动汽车储能结构的进一步说明，弹性储能器18包括传动轴31、储能涡簧32、制动器33、箱体34和拉力传感器35；
传动轴31横向穿过箱体34的侧壁，储能涡簧32、制动器33和拉力传感器35均设置在箱体34内，储能涡簧32和制动器33均套设在传动轴31的外侧，拉力传感器35的内端与传动轴31的侧壁固定连接，拉力传感器35固定在储能涡簧32的外端，且储能涡簧32和制动器33不接触。
具体实施方式三、本实施方式所述基于弹性储能的增程式电动汽车能量分配方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用车载传感器实时对电动汽车的车速、油门踏板开度、制动踏板开度和车速进行采集，采用电池管理系统10对磷酸铁锂电池9的剩余电量进行检测，采用拉力传感器采集弹性储能器18的储能状态，并将检测结果传送给整车控制器1；
步骤二、整车控制器1根据车载传感器采集的油门踏板开度，判断油门踏板开度是否大于0，若是，则通过整车控制器1计算电动汽车所需驱动功率P，执行步骤三；否则，执行步骤十；
步骤三、整车控制器1根据电池管理系统10采集的磷酸铁锂电池9的剩余电量，判断磷酸铁锂电池9的剩余电量值是否小于磷酸铁锂电池9剩余电量的最小阈值a，若是，则执行步骤四，否则执行步骤五；a为磷酸铁锂电池9最大电量的20％；
步骤四、整车控制器1控制AC/DC转换器4开启，逆变器13关闭；辅助功率单元为磷酸铁锂电池9充电；
步骤五、整车控制器1根据步骤二计算的电动汽车所需驱动功率P，判断电动汽车所需驱动功率的变化率是否大于磷酸铁锂电池9提供的最大功率变化率，若是，则执行步骤六，否则执行步骤八；
步骤六、整车控制器1根据电源管理系统采集的弹性储能器18的储能状态，判断弹性储能器18的储能量是否小于自身最大储能状态的10％，若是，则执行步骤八，否则，执行步骤七；
步骤七、闭合双向离合器17，磷酸铁锂电池9和弹性储能器18同时为变速箱16提供驱动能量；
步骤八、磷酸铁锂电池9通过二号DC/DC转换器12和直流电机15为弹性储能器18补充能量；
步骤九、双向离合器17与直流电机连接，磷酸铁锂电池9为变速箱16提供驱动能量；
步骤十、整车控制器1根据车载传感器采集的制动踏板开度，判断制动踏板开度是否大于0，若制动踏板开度大于0，则执行步骤十一，否则，返回执行步骤一；
步骤十一、整车控制器1判断磷酸铁锂电池9的剩余电量是否大于剩余电量的最大阈值b，若是，则启动泄流装置11进行泄流，否则，控制双向二号DC/DC转换器开启，回收制动能量为磷酸铁锂电池9进行充电，返回执行步骤一，其中，b为磷酸铁锂电池9最大电量的80％。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式三所述的基于弹性储能的增程式电动汽车能量分配方法的进一步说明，步骤二中所述的电动汽车所需驱动功率P，通过公式：
Tqd＝Tqdmaxα
P＝Tqdω
计算获得，式中，Tqd为电机目标驱动转矩，Tqdmax为电机最大驱动转矩，α为油门踏板开度，ω为电机实际转速即车速值。

Claims (4)

1.基于弹性储能的增程式电动汽车储能结构，其特征在于，它包括整车控制器(1)、辅助功率单元、一号DC/DC转换器(8)、磷酸铁锂电池(9)、电池管理系统(10)、泄流装置(11)、二号DC/DC转换器(12)、逆变器(13)、驱动电机(14)、直流电机(15)、变速箱(16)、双向离合器(17)和弹性储能器(18)；
辅助功率单元包括原动机(2)、发电机(3)、AC/DC转换器(4)、原动机控制器(5)、发电机控制器(6)和APU控制器(7)；
电池管理系统(10)用于实时检测磷酸铁锂电池(9)的剩余电量值，并控制磷酸铁锂电池(9)的充放电；整车控制器(1)通过车载传感器对油门踏板、制动踏板和弹性储能器(18)的储能状态进行检测；
整车控制器(1)的电池剩余电量信号输入端连接电池管理系统(10)电池剩余电量信号输出端；
整车控制器(1)的AC/DC变换控制信号输出端连接AC/DC转换器(4)的开关控制信号输入端；
整车控制器(1)的两个直流转换控制信号输出端分别连接一号DC/DC转换器(8)的控制信号输入端和二号DC/DC转换器(12)的控制信号输入端；
整车控制器(1)的弹性储能器的储能状态信号检测信号输入端连接弹性储能器(18)的储能状态信号输出端；
整车控制器(1)的辅助充电控制信号输出端连接APU控制器(7)的开关控制信号输入端；
整车控制器(1)的交流直流转换控制信号输出端连接AC/DC转换器(4)的转换控制信号输入端；
APU控制器(7)的发电控制信号输出端同时连接原动机控制器(5)的控制信号输入端和发电机控制器(6)的控制信号输入端，所述原动机控制器(5)用于控制原动机(2)的开关，发电机控制器(6)用于控制发电机(3)的开关；原动机(2)带动发电机(3)发电；
发电机(3)的交流信号输出端连接AC/DC转换器(4)的信号输入端，AC/DC转换器(4)的信号输出端同时连接磷酸铁锂电池(9)充电信号端和一号DC/DC转换器(8)的一个信号端，一号DC/DC转换器(8)的另一个信号端同时连接泄流装置(11)的信号输入端和逆变器(13)的信号输入端，逆变器(13)的信号输出端连接驱动电机(14)的电源信号输入端，驱动电机(14)的驱动信号输出端连接变速箱(16)的信号输入端；
磷酸铁锂电池(9)的放电信号输出端连接二号DC/DC转换器(12)的电流信号输入端，二号DC/DC转换器(12)的电流信号输出端连接直流电机(15)的驱动信号输入端，
直流电机(15)的输出轴通过双向离合器(17)的一个轴与变速箱(16)的输入轴传动连接；
双向离合器(17)包括第一离合器和第二离合器，所述第一离合器设置在直流电机(15)与弹性储能器(18)的传动轴(31)之间，第二离合器设置在弹性储能器(18)的传动轴(31)与变速箱(16)的输入轴之间；
变速箱(16)通过差速器驱动汽车车轮转动。
2.根据权利要求1所述的基于弹性储能的增程式电动汽车储能结构，其特征在于，弹性储能器(18)包括传动轴(31)、储能涡簧(32)、制动器(33)、箱体(34)和拉力传感器(35)；
传动轴(31)横向穿过箱体(34)的侧壁，储能涡簧(32)、制动器(33)和拉力传感器(35)均设置在箱体(34)内，储能涡簧(32)和制动器(33)均套设在传动轴(31)的外侧，拉力传感器(35)的内端与传动轴(31)的侧壁固定连接，拉力传感器(35)固定在储能涡簧(32)的外端，且储能涡簧(32)和制动器(33)不接触。
3.基于弹性储能的增程式电动汽车能量分配方法，其特征在于，该方法的具体步骤为:
步骤一、采用车载传感器实时对电动汽车的车速、油门踏板开度、制动踏板开度和车速进行采集，采用电池管理系统(10)对磷酸铁锂电池(9)的剩余电量进行检测，采用拉力传感器采集弹性储能器(18)的储能状态，并将检测结果传送给整车控制器(1)；
步骤二、整车控制器(1)根据车载传感器采集的油门踏板开度，判断油门踏板开度是否大于0，若是，则通过整车控制器(1)计算电动汽车所需驱动功率P，执行步骤三；否则，执行步骤十；
步骤三、整车控制器(1)根据电池管理系统(10)采集的磷酸铁锂电池(9)的剩余电量，判断磷酸铁锂电池(9)的剩余电量值是否小于磷酸铁锂电池(9)剩余电量的最小阈值a，若是，则执行步骤四，否则执行步骤五；a为磷酸铁锂电池(9)最大电量的20％；
步骤四、整车控制器(1)控制AC/DC转换器(4)开启，逆变器(13)关闭；辅助功率单元为磷酸铁锂电池(9)充电；
步骤五、整车控制器(1)根据步骤二计算的电动汽车所需驱动功率P，判断电动汽车所需驱动功率的变化率是否大于磷酸铁锂电池(9)提供的最大功率变化率，若是，则执行步骤六，否则执行步骤八；
步骤六、整车控制器(1)根据电源管理系统采集的弹性储能器(18)的储能状态，判断弹性储能器(18)的储能量是否小于自身最大储能状态的10％，若是，则执行步骤八，否则，执行步骤七；
步骤七、闭合双向离合器(17)，磷酸铁锂电池(9)和弹性储能器(18)同时为变速箱(16)提供驱动能量；
步骤八、磷酸铁锂电池(9)通过二号DC/DC转换器(12)和直流电机(15)为弹性储能器(18)补充能量；
步骤九、双向离合器(17)与直流电机连接，磷酸铁锂电池(9)为变速箱(16)提供驱动能量；
步骤十、整车控制器(1)根据车载传感器采集的制动踏板开度，判断制动踏板开度是否大于0，若制动踏板开度大于0，则执行步骤十一，否则，返回执行步骤一；
步骤十一、整车控制器(1)判断磷酸铁锂电池(9)的剩余电量是否大于剩余电量的最大阈值b，若是，则启动泄流装置(11)进行泄流，否则，控制二号DC/DC转换器开启，回收制动能量为磷酸铁锂电池(9)进行充电，返回执行步骤一，其中，b为磷酸铁锂电池(9)最大电量的80％。
4.根据权利要求3所述的基于弹性储能的增程式电动汽车能量分配方法，其特征在于，步骤二中所述的电动汽车所需驱动功率P，通过公式：
Tqd＝Tqdmaxα
P＝Tqdω
计算获得，式中，Tqd为电机目标驱动转矩，Tqdmax为电机最大驱动转矩，α为油门踏板开度，ω为电机实际转速即车速值。
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