CN107097654B - 电动汽车机电复合储能系统及能量控制方法 - Google Patents

电动汽车机电复合储能系统及能量控制方法 Download PDF

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Abstract

电动汽车机电复合储能系统及能量控制方法，属于电动汽车能量回收与控制技术领域。解决了现有电动汽车制动能量回收的效率低的问题。本发明以涡簧为主要储能元件，将电动汽车运行过程中减速或者刹车的动能转化为机械能储存起来，当电动汽车需要加速或者是爬坡时，再由储能机构将机械能量释放出来，通过选择不同的工作模式将储存的机械能量转化为电能或者机械能驱动电动汽车。本发明适用于电动汽车储能及能量控制使用。

Description

电动汽车机电复合储能系统及能量控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车能量回收与控制技术领域。
背景技术
电动汽车在制动能量回收的过程中传统车辆以单一的电池作为能量回收单元，而电动汽车的制动瞬间其电压和电流形成尖峰对电池安全性造成影响，而且电池长期处于过充和过放其使用寿命会大大降低。
发明内容
本发明是为了解决现有电动汽车电池长期处于过充和过放状态造成电池寿命短的问题，提出了一种电动汽车机电复合储能系统及能量控制方法。
本发明所述的电动汽车机电复合储能系统，它包括一号DC/AC变换器1、驱动电机2、一号离合器3、一号传动齿轮4、二号传动齿轮5、弹性储能器、变速箱8、三号传动齿轮9、四号传动齿轮11、五号传动齿轮12、发电机13、二号DC/AC变换器14、电池15、整车控制器16和电机控制器17；
弹性储能器包括箱体、二号离合器6、涡簧储能机构7、拉力传感器18、三号离合器10和储能主轴19；
整车控制器16的拉力信号输入端连接拉力传感器18的信号输出端，所述拉力传感器18安装在涡簧储能机构7的外端，用于采集涡簧储能机构7的拉力状态；
整车控制器16的驱动电机控制信号输出端连接一号离合器3的断开或闭合控制信号输入端；
整车控制器16的涡簧储能控制信号输出端连接二号离合器6的断开或闭合控制信号输入端；
整车控制器16的涡簧控制信号输出端连接三号离合器10的断开或闭合控制信号输入端；
整车控制器16的驱动电机控制输出端连接电机控制器17的控制信号输入端，电机控制器17的控制信号输出端连接驱动电机2的控制信号输入端；
电池15的电量信号输出端连接整车控制器16的电池电量信号输入端；
电池15的充放电信号端同时连接一号DC/AC变换器1的直流信号端和二号DC/AC变换器14的直流信号端，一号DC/AC变换器1的交流信号端连接发电机13的电流信号输出端，发电机13的输入轴通过三号传动齿轮9、五号传动齿轮12和四号传动齿轮11与弹性储能器的主轴的一端传动连接，所述弹性储能器的主轴的一端通过三号传动齿轮9、四号传动齿轮11和传动轴与变速箱8的输入轴传动连接；
二号离合器6、涡簧储能机构7、拉力传感器18和三号离合器10均设置在箱体内，储能主轴19的两端穿过箱体相对的两个侧壁，涡簧储能机构7套设在储能主轴19上，二号离合器6和三号离合器10均与储能主轴19同轴连接，且二号离合器6和三号离合器10分别位于涡簧储能机构7的两侧；
储能主轴19的另一端与二号传动齿轮5传动轴连接，二号传动齿轮5的齿部与一号传动齿轮4的齿部啮合，一号传动齿轮4的传动轴与驱动电机2的输入轴传动连接，驱动电机2的输入轴上还设有一号离合器3；
变速箱8带动车轮主轴20转动，所述车轮主轴20带动车轮21旋转。
电动汽车机电复合储能系统的能量控制方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用拉力传感器18采集涡簧储能机构7的拉力，采用车载传感器采集电动汽车的油门踏板开度、制动踏板开度和车速信号，整车控制器16采集电池15的剩余电量；
步骤二、整车控制器16根据车载传感器采集电动汽车的油门踏板开度和制动踏板开度判断电动汽车是处于驱动状态还是制动状态，当电动汽车是处于驱动状态时，整车控制器16控制涡簧储能机构7释放能量，执行步骤七，当电动汽车是处于减速/刹车状态时，执行步骤三；
步骤三、整车控制器16判断电池15的剩余电量是否大于电池最大电量的90％,若是，则执行步骤四；否则执行步骤五；
步骤四、整车控制器16控制一号离合器3闭合，变速箱8回收电动汽车的制动能量为弹性储能器补充机械能；执行步骤六；
步骤五、电池15通过驱动电机2经过一号DC/AC变换器1接收变速箱8回收的电动汽车的制动能量直至达到电池的最大电量，整车控制器16控制一号离合器3闭合，变速箱8回收电动汽车的制动能量为弹性储能器补充机械能；直至弹性储能器的涡簧储能机构7的能量存满；
步骤六、整车控制器16根据拉力传感器18采集的拉力判断弹性储能器的存储的涡簧储能机构7的能量是否存满，若是，返回执行步骤一，否则，返回执行步骤四；
步骤七、整车控制器16根据车速信号判断电动汽车是否处于加速状态，若是，整车控制器16根据电动汽车油门踏板开度和速度信号计算电动汽车需求的总功率，整车控制器(3)根据拉力传感器18采集的涡簧储能机构7的拉力判断弹性储能器的能量是否大于额定储能的20％，当弹性储能器的能量大于额定储能的20％时，由弹性储能器和电池15共同提供电动汽车需求的总功率，当弹性储能器的能量小于或等于额定储能的20％时，整车控制器(3)控制三号离合器10脱开，弹性储能器停止能量释放，电池15单独提供电动汽车需求的总功率；否则，执行步骤八；
步骤八、整车控制器16判断电池15的剩余电量是否大于电池最大电量的90％,若是，则返回执行步骤七；否则执行步骤九；
步骤九、整车控制器16控制三号离合器10闭合，通过发电机13为电池15充电，直至电池15充满电，返回执行步骤八。
本发明提出的弹性储能系统，以涡簧为主要储能元件，将电动汽车运行过程中减速或者刹车的动能转化为机械能储存起来，当电动汽车需要加速或者是爬坡时，再由储能机构将机械能量释放出来，通过选择不同的工作模式将储存的机械能量转化为电能或者机械能驱动电动汽车。本发明采用的机械储能机构成本较低，技术完善，对环境污染小，而且机械结构的稳定性好，能量转换效率高，可以适应不同新能源汽车构型。
附图说明
图1为本发明所述的电动汽车机-电复合储能系统的原理框图；
图2为棘轮机构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的电动汽车机电复合储能系统，它包括一号DC/AC变换器1、驱动电机2、一号离合器3、一号传动齿轮4、二号传动齿轮5、弹性储能器、变速箱8、三号传动齿轮9、四号传动齿轮11、五号传动齿轮12、发电机13、二号DC/AC变换器14、电池15、整车控制器16和电机控制器17；
弹性储能器包括箱体、二号离合器6、涡簧储能机构7、拉力传感器18、三号离合器10和储能主轴19；
整车控制器16的拉力信号输入端连接拉力传感器18的信号输出端，所述拉力传感器18安装在涡簧储能机构7的外端，用于采集涡簧储能机构7的拉力状态；
整车控制器16的驱动电机控制信号输出端连接一号离合器3的断开或闭合控制信号输入端；
整车控制器16的涡簧储能控制信号输出端连接二号离合器6的断开或闭合控制信号输入端；
整车控制器16的涡簧控制信号输出端连接三号离合器10的断开或闭合控制信号输入端；
整车控制器16的驱动电机控制输出端连接电机控制器17的控制信号输入端，电机控制器17的控制信号输出端连接驱动电机2的控制信号输入端；
电池15的电量信号输出端连接整车控制器16的电池电量信号输入端；
电池15的充放电信号端同时连接一号DC/AC变换器1的直流信号端和二号DC/AC变换器14的直流信号端，一号DC/AC变换器1的交流信号端连接发电机13的电流信号输出端，发电机13的输入轴通过三号传动齿轮9、五号传动齿轮12和四号传动齿轮11与弹性储能器的主轴的一端传动连接，所述弹性储能器的主轴的一端通过三号传动齿轮9、四号传动齿轮11和传动轴与变速箱8的输入轴传动连接；
二号离合器6、涡簧储能机构7、拉力传感器18和三号离合器10均设置在箱体内，储能主轴19的两端穿过箱体相对的两个侧壁，涡簧储能机构7套设在储能主轴19上，二号离合器6和三号离合器10均与储能主轴19同轴连接，且二号离合器6和三号离合器10分别位于涡簧储能机构7的两侧；
储能主轴19的另一端与二号传动齿轮5传动轴连接，二号传动齿轮5的齿部与一号传动齿轮4的齿部啮合，一号传动齿轮4的传动轴与驱动电机2的输入轴传动连接，驱动电机2的输入轴上还设有一号离合器3；
变速箱8带动车轮主轴20转动，所述车轮主轴20带动车轮21旋转。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的电动汽车机电复合储能系统的进一步说明，所述两个棘轮机构分别设置在二号离合器6与涡簧储能机构7之间和涡簧储能机构7与三号离合器10之间。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的电动汽车机电复合储能系统的进一步说明，棘轮机构包括一号棘爪转轴21、涡簧弹性片22、一号棘爪23、二号棘爪转轴24、二号棘爪25、弹性片主轴26、一号棘爪离合器27和二号棘爪离合器28；
一号棘爪转轴21和二号棘爪转轴24分别固定二号棘爪25的一端和一号棘爪23的一端；一号棘爪23的另一端和二号棘爪25另一端分别卡接在涡簧弹性片22外围的锯齿内，涡簧弹性片22套接在弹性片主轴26的外侧；一号棘爪23与二号棘爪25以弹性片主轴26的中心为对称中心成中心对称；
一号棘爪离合器27的执行机构和二号棘爪离合器28的执行机构分别贴设在二号棘爪25与一号棘爪23的外侧，用于带动一号棘爪23和二号棘爪25分别沿二号棘爪转轴24和一号棘爪转轴21旋转。
具体实施方式四、本实施方式所述电动汽车机电复合储能系统的能量控制方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用拉力传感器18采集涡簧储能机构7的拉力，采用车载传感器采集电动汽车的油门踏板开度、制动踏板开度和车速信号，整车控制器16采集电池15的剩余电量；
步骤二、整车控制器16根据车载传感器采集电动汽车的油门踏板开度和制动踏板开度判断电动汽车是处于驱动状态还是减速/刹车状态，当电动汽车是处于驱动状态时，整车控制器16控制涡簧储能机构7释放能量，执行步骤七，当电动汽车是处于减速/刹车状态时，执行步骤三；
步骤三、整车控制器16判断电池15的剩余电量是否大于电池最大电量的90％,若是，则执行步骤四；否则执行步骤五；
步骤四、整车控制器16控制一号离合器3闭合，变速箱8回收电动汽车的制动能量为弹性储能器补充机械能；执行步骤六；
步骤五、电池15通过驱动电机2经过一号DC/AC变换器1接收变速箱8回收的电动汽车的制动能量直至达到电池的最大电量，整车控制器16控制一号离合器3闭合，变速箱8回收电动汽车的制动能量为弹性储能器补充机械能；直至弹性储能器的涡簧储能机构7的能量存满；
步骤六、整车控制器16根据拉力传感器18采集的拉力判断弹性储能器的存储的涡簧储能机构7的能量是否存满，若是，返回执行步骤一，否则，返回执行步骤四；
步骤七、整车控制器16根据车速信号判断电动汽车是否处于加速状态，若是，整车控制器16根据电动汽车油门踏板开度和速度信号计算电动汽车需求的总功率，整车控制器16根据拉力传感器18采集的涡簧储能机构7的拉力判断弹性储能器的能量是否大于额定储能的20％，当弹性储能器的能量大于额定储能的20％时，由弹性储能器和电池15共同提供电动汽车需求的总功率，当弹性储能器的能量小于或等于额定储能的20％时，整车控制器16控制三号离合器10脱开，弹性储能器停止能量释放，电池15单独提供电动汽车需求的总功率；否则，执行步骤八；
步骤八、整车控制器16判断电池15的剩余电量是否大于电池最大电量的90％,若是，则返回执行步骤七；否则执行步骤九；
步骤九、整车控制器16控制三号离合器10闭合，通过发电机13为电池15充电，直至电池15充满电，返回执行步骤八。
本发明的具有弹性储能机构的纯电动动力系统，在电动汽车制动能量回收结构系统基础上增加了弹性储能机构，按照本发明的控制方法进行切换，可以有效的回收动力系统在刹车或减速阶段的制动能量；此外，采用基于经验的控制方法对驱动/制动阶段能量分配，能够有效的利用汽车减速/制动阶段的能量。同时本发明的汽车系统完全具备现有电动汽车动力的优点。所以本发明具备广阔的市场前景。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.电动汽车机电复合储能系统，其特征在于，它包括一号DC/AC变换器(1)、驱动电机(2)、一号离合器(3)、一号传动齿轮(4)、二号传动齿轮(5)、弹性储能器、变速箱(8)、三号传动齿轮(9)、四号传动齿轮(11)、五号传动齿轮(12)、发电机(13)、二号DC/AC变换器(14)、电池(15)、整车控制器(16)和电机控制器(17)；
弹性储能器包括箱体、二号离合器(6)、涡簧储能机构(7)、拉力传感器(18)、三号离合器(10)和储能主轴(19)；
整车控制器(16)的拉力信号输入端连接拉力传感器(18)的信号输出端，所述拉力传感器(18)安装在涡簧储能机构(7)的外端，用于采集涡簧储能机构(7)的拉力状态；
整车控制器(16)的驱动电机控制信号输出端连接一号离合器(3)的断开或闭合控制信号输入端；
整车控制器(16)的涡簧储能控制信号输出端连接二号离合器(6)的断开或闭合控制信号输入端；
整车控制器(16)的涡簧控制信号输出端连接三号离合器(10)的断开或闭合控制信号输入端；
整车控制器(16)的驱动电机控制输出端连接电机控制器(17)的控制信号输入端，电机控制器(17)的控制信号输出端连接驱动电机(2)的控制信号输入端；
电池(15)的电量信号输出端连接整车控制器(16)的电池电量信号输入端；
电池(15)的充放电信号端同时连接一号DC/AC变换器(1)的直流信号端和二号DC/AC变换器(14)的直流信号端，一号DC/AC变换器(1)的交流信号端连接发电机(13)的电流信号输出端，发电机(13)的输入轴通过三号传动齿轮(9)、五号传动齿轮(12)和四号传动齿轮(11)与弹性储能器的主轴的一端传动连接，所述弹性储能器的主轴的一端通过三号传动齿轮(9)、四号传动齿轮(11)和传动轴与变速箱(8)的输入轴传动连接；
二号离合器(6)、涡簧储能机构(7)、拉力传感器(18)和三号离合器(10)均设置在箱体内，储能主轴(19)的两端穿过箱体相对的两个侧壁，涡簧储能机构(7)套设在储能主轴(19)上，二号离合器(6)和三号离合器(10)均与储能主轴(19)同轴连接，且二号离合器(6)和三号离合器(10)分别位于涡簧储能机构(7)的两侧；
储能主轴(19)的另一端与二号传动齿轮(5)传动轴连接，二号传动齿轮(5)的齿部与一号传动齿轮(4)的齿部啮合，一号传动齿轮(4)的传动轴与驱动电机(2)的输入轴传动连接，驱动电机(2)的输入轴上还设有一号离合器(3)；
变速箱(8)带动车轮主轴(20)转动，所述车轮主轴(20)带动车轮(21)旋转。
2.根据权利要求1所述的电动汽车机电复合储能系统，其特征在于，它还包括两个棘轮机构，所述两个棘轮机构分别设置在二号离合器(6)与涡簧储能机构(7)之间和涡簧储能机构(7)与三号离合器(10)之间。
3.根据权利要求2所述的电动汽车机电复合储能系统，其特征在于，棘轮机构包括一号棘爪转轴(21)、涡簧弹性片(22)、一号棘爪(23)、二号棘爪转轴(24)、二号棘爪(25)、弹性片主轴(26)、一号棘爪离合器(27)和二号棘爪离合器(28)；
一号棘爪转轴(21)和二号棘爪转轴(24)分别固定二号棘爪(25)的一端和一号棘爪(23)的一端；一号棘爪(23)的另一端和二号棘爪(25)另一端分别卡接在涡簧弹性片(22)外围的锯齿内，涡簧弹性片(22)套接在弹性片主轴(26)的外侧；一号棘爪(23)与二号棘爪(25)以弹性片主轴(26)的中心为对称中心成中心对称；
一号棘爪离合器(27)的执行机构和二号棘爪离合器(28)的执行机构分别贴设在二号棘爪(25)与一号棘爪(23)的外侧，用于带动一号棘爪(23)和二号棘爪(25)分别沿二号棘爪转轴(24)和一号棘爪转轴(21)旋转。
4.电动汽车机电复合储能系统的能量控制方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用拉力传感器(18)采集涡簧储能机构(7)的拉力，采用车载传感器采集电动汽车的油门踏板开度、制动踏板开度和车速信号，整车控制器(16)采集电池(15)的剩余电量；
步骤二、整车控制器(16)根据车载传感器采集电动汽车的油门踏板开度和制动踏板开度判断电动汽车是处于驱动状态还是减速/刹车状态，当电动汽车是处于驱动状态时，整车控制器(16)控制涡簧储能机构(7)释放能量，执行步骤七，当电动汽车是处于减速/刹车状态时，执行步骤三；
步骤三、整车控制器(16)判断电池(15)的剩余电量是否大于电池最大电量的90％,若是，则执行步骤四；否则执行步骤五；
步骤四、整车控制器(16)控制一号离合器(3)闭合，变速箱(8)回收电动汽车的制动能量为弹性储能器补充机械能；执行步骤六；
步骤五、电池(15)通过驱动电机(2)经过一号DC/AC变换器(1)接收变速箱(8)回收的电动汽车的制动能量直至达到电池的最大电量，整车控制器(16)控制一号离合器(3)闭合，变速箱(8)回收电动汽车的制动能量为弹性储能器补充机械能；直至弹性储能器的涡簧储能机构(7)的能量存满；
步骤六、整车控制器(16)根据拉力传感器(18)采集的拉力判断弹性储能器的存储的涡簧储能机构(7)的能量是否存满，若是，返回执行步骤一，否则，返回执行步骤四；
步骤七、整车控制器(16)根据车速信号判断电动汽车是否处于加速状态，若是，整车控制器(16)根据电动汽车油门踏板开度和速度信号计算电动汽车需求的总功率，整车控制器(16)根据拉力传感器(18)采集的涡簧储能机构(7)的拉力判断弹性储能器的能量是否大于额定储能的20％，当弹性储能器的能量大于额定储能的20％时，由弹性储能器和电池(15)共同提供电动汽车需求的总功率，当弹性储能器的能量小于或等于额定储能的20％时，整车控制器(16)控制三号离合器(10)脱开，弹性储能器停止能量释放，电池(15)单独提供电动汽车需求的总功率；否则，执行步骤八；
步骤八、整车控制器(16)判断电池(15)的剩余电量是否大于电池最大电量的90％,若是，则返回执行步骤七；否则执行步骤九；
步骤九、整车控制器(16)控制三号离合器(10)闭合，通过发电机(13)为电池(15)充电，直至电池(15)充满电，返回执行步骤八。
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