CN107226080A - 基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统及其控制方法。该系统是在现有汽车启动系统的基础上，通过对其启动系统进行功率增强、速比可变等技术改造后，增加启停控制、能量回收、短时助力等混合动力系统的部分功能。该系统发动机启动系统、控制系统、能量管理系统、超级电容模块、传感器模组、半导体辅助空调组成。本发明不对发动机、车身等主体结构进行改动便可以实现汽车油电混合。通过本系统可以实现汽车的节能减排，使发动机获得更好的启动工况和更加柔和的瞬态工况，而且本发明针对现有汽车，受众广，社会经济效益显著。

Description

基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统及其控制 方法

技术领域

本发明涉及汽车动力系统技术领域，特别是涉及一种对汽车发动机的启动及怠速停止、能量回收、短时电动助力的微型混合动力技术。

背景技术

现代社会里，内燃汽车数量巨大，带来的环境污染问题越来越严重，而且消耗的化石燃料不可再生。目前，微型混合动力系统主要是对发动机的怠速、停止与启动状态进行控制，不能实现电动助力、能量回收等技术，而且采用的能量源为蓄电池，不具有高功率放电与快速充放电的能力；同时，在发动机停机时，空调系统会受到很大的影响。

发明内容

为了克服上述轻型混合动力系统的不足，本发明提供了一种基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统。

本发明的技术方案为：一种基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统，包括发动机系统、控制系统、能量管理系统、超级电容模组、传感器模组；控制系统分别与能量管理系统、汽车电控系统ECU以及传感器模组连接，能量管理系统还分别与发动机系统、超级电容模组、蓄电池连接，发动机系统与电控系统ECU及全车主电路相连接；

所述控制系统用于实现通过读取传感器模组和电控系统ECU的输出信号判断车辆状态和系统状态，发送信息与指令给电控系统ECU和能量管理系统，进而控制发动机的运行状态和系统的功能转换；

所述能量管理系统用于实现采集超级电容模组与蓄电池的状态信息，并将信息传递给控制系统；通过控制系统的输出信号判断并控制超级电容模组和蓄电池的充放电。

进一步，所述传感器模组由挡位、空调开关、蓄电池状态、方向盘转角、超级电容状态、制动踏板位置、加速踏板位置、离合踏板位置状态传感器组成。

进一步，还包含一套半导体辅助空调，通过能量管理系统控制半导体辅助空调的开启。

进一步，所述控制系统包括I/O、A/D接口，CAN通讯接口、中央处理单元A，信号输入和控制信号输出均由对应的I/O、A/D接口处理，系统间的通讯采用CAN接口实现。

进一步，所述能量管理系统包括各种I/O、A/D接口，CAN通讯接口、中央处理单元B、放大电路及继电器模组，信号输入和控制信号输出均由对应的I/O、A/D接口处理，系统间的通讯采用CAN接口实现。

进一步，所述发动机系统包括发动机以及与之相连的启动电机、发电机。

本发明的方法的技术方案包括以下控制过程：

冷机启动过程：发动机处于常温静止状态，当能量管理系统检测到点火信号，系统快速检测超级电容模组SOC状态、启动电机速比信息；若超级电容模组SOC值大于40％，超级电容供给启动电机能量启动发动机，否则使用蓄电池供给启动电能；

怠速及稳定行驶过程：能量管理系统检测蓄电池与超级电容模组的SOC值，SOC值低于设定值时，优先对蓄电池进行充电，其次是超级电容模组；

起步加速助力过程：能量管理系统检测超级电容模组SOC值是否大于设定的阈值40％，满足则调整合适的启动电机速比，令其与飞轮齿圈结合，开启加力模式；当超级电容模组SOC值低于设定的阈值20％、加速踏板开度小于60％与车速大于30km/h三个条件有一个或多个同时满足时结束助力；

超车加速助力过程：当控制系统检测到挡位处于次高挡或最高档且加速踏板开度大于80％时，若超级电容模组SOC值是否大于设定的阈值40％，则启动电机空转至一定转速，与飞轮接合，全功率输出，实现加速助力；当加速踏板开度小于70％或超级电容模组SOC值低于设定的阈值20％任一条件或两者都满足时结束助力；

能量回收过程：当汽车处于制动状态时，启动电机与飞轮齿圈接合，回收部分能量至超级电容模组，制动状态解除则能量回收终止；

停车等待，发动机停机控制过程：当汽车处于停车等待阶段，若发动机达到工作温度，控制系统停止发动机怠速过程，为电动起步做好准备；

二次起步过程：当制动踏板开度小于5％，启动电机结合飞轮齿圈，输出功率随着加速踏板角度的增加而增加；当发动机被拖转至大于500r/min时，控制系统控制ECU实现喷油点火；若是堵车路况，当超级电容模组SOC值低于设定的阈值40％，发动机仍未达到启动转速时，控制系统通过仪表进行声光提醒；当超级电容模组SOC值低于设定的阈值20％，发动机仍未达到启动转速时，能量管理系统停止超级电容模组的工作，控制系统提示踩下离合器。当电动启动失败时，只要检测到驾驶员踩下了离合踏板，启动电机立马高功率快速启动发动机，以保证正常行车。

本发明中，控制系统根据挡位、蓄电池SOC状态、方向盘转角、超级电容模组SOC状态、制动踏板位置、加速踏板位置、离合踏板位置、发动机温度、发动机转速、瞬时喷油量及车速等车辆信息判断车辆状态决定是否使发动机停机并控制启动电机更改不同的变速比完成发动机的启动、短时纯电动起步、短时行车助力与能量回收过程；利用超级电容能快速充放电、高功率系数及高寿命的优点使其作为第二能源，用以提供发动机的启动、纯电动起步及短时行车助力时极大的电能需求以及快速吸收能量回收时的能量，避免全车系统受到能量波动时的冲击；利用半导体辅助空调解决了夏天发动机停机等待时的空调暂停制冷的问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果是提供了现有汽车向混合动力转变的较完备技术，集发动机的启动、纯电动起步、短时行车助力与能量回收过程等混合动力系统的功能，且不对车的主体结构造成影响，最大限度的保留了汽车良好的运行状态；利用半导体辅助空调解决发动机短时停机时空调的制冷暂停的问题。

附图说明

图1为一种基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明提供了一种基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统。其特征在于：在原车发动机启动系统的基础上，替换原车启动电机(固定速比)为更高功率速比可变的启动电机，增加控制系统、能量管理系统、超级电容模组、传感器模组及半导体辅助空调；控制系统分别与能量管理系统和汽车电控系统ECU及传感器模组连接，控制系统的信号采集自发动机电控系统(ECU)、传感器模组与能量管理模组，直接控制能量管理系统，通过能量管理系统控制启动电机的状态、超级电容模组与蓄电池的充放电时机、半导体辅助空调的开启时机等；能量管理系统与启动电机、超级电容模组、蓄电池和发电机及全车主电路相连接，能量管理系统负责采集超级电容模组与蓄电池的状态信息并将信息传递给控制系统，此外，能量管理系统通过控制系统的输出信号判断并控制启动电机的状态、超级电容模组与蓄电池的充放电时机、半导体辅助空调的开启时机等。

所述传感器模组由挡位、空调开关、蓄电池状态、方向盘转角、超级电容状态、制动踏板位置、加速踏板位置、离合踏板位置等状态传感器组成。

所述控制系统包括各种I/O、A/D接口，CAN通讯接口、中央处理单元A组成，信号输入和控制信号输出均由对应的I/O、A/D接口处理，系统间的通讯采用CAN接口实现，中央处理单元A可以采用DSP或者单片机实现。

所述启动电机由电机、多级行星齿轮、微型离合器、微型制动、末端齿轮和齿轮分离机构组成。末端齿轮与飞轮齿圈通过齿轮分离机构实现接合与分离，通过控制离合器的结合与分离、制动器的接合与分离实现行星齿轮机构的速比控制。通过控制启动电机的速比实现发动机的无负载启动、低挡电动拖拽起步、低转速电动助力、可变功率能量回收等功能。

所述能量管理系统包括各种I/O、A/D接口，CAN通讯接口、中央处理单元B、放大电路及继电器模组组成，信号输入和控制信号输出均由对应的I/O、A/D接口处理，系统间的通讯采用CAN接口。能量管理系统通过控制系统的指令完成对启动电机的速比控制、电机接入控制、助力与能量回收状态转化，超级电容模组与蓄电池的充放电控制，半导体辅助空调的开启，发电机电流调配等功能。中央处理单元B可通过DSP或单片机实现。

工作原理：

控制系统根据挡位、蓄电池SOC状态、方向盘转角、超级电容模组SOC状态、制动踏板位置、加速踏板位置、离合踏板位置、发动机温度、发动机转速、瞬时喷油量及车速等车辆信息判断车辆状态决定是否使发动机停机并控制启动电机更改不同的变速比完成发动机的启动、纯电动起步、短时行车助力与能量回收等过程；利用超级电容能快速充放电、高功率系数及高寿命的优点使其作为第二能源，用以提供发动机的启动、纯电动起步及短时行车助力时极大的电能需求以及吸收能量回收时的能量，避免全车系统受到能量波动时的冲击；利用半导体辅助空调解决了发动机停机等待时的空调停止制冷的问题。

系统的工作过程：

冷机启动过程：汽车处于停车状态，档位处于空挡。驾驶员插入钥匙，当能量管理系统检测到点火信号，快速检测超级电容模组SOC状态、启动电机速比等信息。若超级电容模组SOC值大于设定阈值40％时，启用超级电容模组进行大功率输出，否则启用蓄电池作为能量源。接着调整启动电机至合适的减速比，以1-1.5kw的功率启动发动机。

怠速及稳定行驶过程：能量管理系统检测蓄电池与超级电容模组的SOC值，当蓄电池SOC值低于设定的阈值80％时优先对蓄电池充电直到蓄电池SOC值大于设定的阈值80％时才对超级电容模组充电。一旦发动机不再处于稳定状态，系统不对超级电容模组进行充电，但依旧会完成蓄电池的充电过程。

起步加速助力过程：当检测到车速低于10km/h时，加速踏板开度大于70％，控制系统根据发动机转速、挡位、车速等信息发送指令至能量管理系统，能量管理系统检测超级电容模组SOC值是否大于设定的阈值40％，若大于则根据控制系统发送的指令计算启动电机介入所需的速比并控制行星机构使启动电机与飞轮结合，结合后开启助力。当超级电容模组SOC值低于设定的阈值20％、加速踏板开度小于60％与车速大于30km/h三个条件有一个或多个同时满足时结束助力，释放行星机构。

超车加速助力，当控制系统检测到挡位处于次高挡或最高档且加速踏板开度大于80％时，控制系统发送相应的发动机转速、挡位、车速等信息给能量管理系统，能量管理系统首先检测超级电容模组SOC值是否大于设定的阈值40％，若满足条件则计算启动电机所需的转速和速比，首先先让启动电机自转至规定值，行星机构锁定，完成与飞轮的接合，同时启动电机全功率输出，实现加速助力。当加速踏板开度小于70％或超级电容模组SOC值低于设定的阈值20％任一条件或两者都满足时结束助力，释放行星机构。

能量回收过程：当检测到加速踏板开度低于5％或制动踏板开度大于5％，车速大于30km/h时，控制系统发送能量回收指令，根据制动踏板是否大于设定的阈值30％决定启用高强度能量回收还是低强度回收。启动电机速比由能量管理系统根据控制系统发出的发动机转速、车速以及回收强度等级计算得出。选定速比后进行锁定行星机构，接合启动电机和飞轮，回收的能量用于超级电容模组的充电。若超级电容模组的SOC值大于预设的值100％，且蓄电池SOC值大于设定的阈值95％，则不进行能量回收。当离合器踏板开度大于30％时，启动电机切换至最高强度回收发动机能量。

停车等待，发动机停机控制过程：当汽车车速为0km/h、制动踏板开度大于20％、离合器踏板开度大于70％、方向盘转角小于90度、超级电容模组SOC值大于设定的阈值80％时，控制系统中断ECU的喷油信号，发动机停机。此时可以将挡位置于一挡，松开离合器，准备电动起步。

二次起步过程：当制动踏板开度小于5％，控制系统控制能量管理系统改变启动电机速比，使其以最大的减速比接合在飞轮上，当加速踏板开度的不断增大，启动电机的输出功率也不断增大，当发动机转速拖转至大于500r/min时，控制系统控制ECU实现喷油点火；若是堵车路况，当超级电容模组SOC值低于设定的阈值40％，发动机仍未达到启动转速时，控制系统通过仪表进行声光提醒；当超级电容模组SOC值低于设定的阈值20％，发动机仍未达到启动转速时，能量管理系统停止超级电容模组的工作，控制系统提示踩下离合器。当电动启动失败时，只要检测到驾驶员踩下了离合踏板，启动电机立马高功率快速启动发动机，以保证正常行车。同时，当发动机启动后，检测到离合踏板开度大于30％，车速低于10km/h则会执行能量回收过程，快速充满超级电容模组。当超级电容模组SOC值大于设置的90％时，发动机熄火，启动电机继续拖转发动机及整车，重复同样的过程直到车速大于10km/h。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统，其特征在于：包括发动机系统、控制系统、能量管理系统、超级电容模组、传感器模组；控制系统分别与能量管理系统、汽车电控系统ECU以及传感器模组连接，能量管理系统还分别与发动机系统、超级电容模组、蓄电池连接，发动机系统与电控系统ECU及全车主电路相连接；

所述控制系统用于实现通过读取传感器模组和电控系统ECU的输出信号判断车辆状态和系统状态，发送信息与指令给电控系统ECU和能量管理系统，进而控制发动机的运行状态和系统的功能转换；

所述能量管理系统用于实现采集超级电容模组与蓄电池的状态信息，并将信息传递给控制系统；通过控制系统的输出信号判断并控制超级电容模组和蓄电池的充放电。

2.根据权利要求1所述的基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统，其特征在于：所述传感器模组由挡位、空调开关、蓄电池状态、方向盘转角、超级电容状态、制动踏板位置、加速踏板位置、离合踏板位置状态传感器组成。

3.根据权利要求1所述的基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统，其特征在于：还包含一套半导体辅助空调，通过能量管理系统控制半导体辅助空调的开启。

4.根据权利要求1所述的基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统，其特征在于，所述控制系统包括I/O、A/D接口，CAN通讯接口、中央处理单元A，信号输入和控制信号输出均由对应的I/O、A/D接口处理，系统间的通讯采用CAN接口实现。

5.根据权利要求1所述的基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统，其特征在于，所述能量管理系统包括各种I/O、A/D接口，CAN通讯接口、中央处理单元B、放大电路及继电器模组，信号输入和控制信号输出均由对应的I/O、A/D接口处理，系统间的通讯采用CAN接口实现。

6.根据权利要求1所述的基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统，其特征在于，所述发动机系统包括发动机以及与之相连的启动电机、发电机。

7.根据权利要求1所述的基于超级电容及汽车启动电机的短时混合动力系统的控制方法，其特征在于，包括以下控制过程：

冷机启动过程：发动机处于常温静止状态，当能量管理系统检测到点火信号，系统快速检测超级电容模组SOC状态、启动电机速比信息；若超级电容模组SOC值大于40％，超级电容供给启动电机能量启动发动机，否则使用蓄电池供给启动电能；

怠速及稳定行驶过程：能量管理系统检测蓄电池与超级电容模组的SOC值，SOC值低于设定值时，优先对蓄电池进行充电，其次是超级电容模组；

起步加速助力过程：能量管理系统检测超级电容模组SOC值是否大于设定的阈值40％，满足则调整合适的启动电机速比，令其与飞轮齿圈结合，开启加力模式；当超级电容模组SOC值低于设定的阈值20％、加速踏板开度小于60％与车速大于30km/h三个条件有一个或多个同时满足时结束助力；

超车加速助力过程：当控制系统检测到挡位处于次高挡或最高档且加速踏板开度大于80％时，若超级电容模组SOC值是否大于设定的阈值40％，则启动电机空转至一定转速，与飞轮接合，全功率输出，实现加速助力；当加速踏板开度小于70％或超级电容模组SOC值低于设定的阈值20％任一条件或两者都满足时结束助力；

能量回收过程：当汽车处于制动状态时，启动电机与飞轮齿圈接合，回收部分能量至超级电容模组，制动状态解除则能量回收终止；

停车等待，发动机停机控制过程：当汽车处于停车等待阶段，若发动机达到工作温度，控制系统停止发动机怠速过程，为电动起步做好准备；

二次起步过程：当制动踏板开度小于5％，启动电机结合飞轮齿圈，输出功率随着加速踏板角度的增加而增加；当发动机被拖转至大于500r/min时，控制系统控制ECU实现喷油点火；若是堵车路况，当超级电容模组SOC值低于设定的阈值40％，发动机仍未达到启动转速时，控制系统通过仪表进行声光提醒；当超级电容模组SOC值低于设定的阈值20％，发动机仍未达到启动转速时，能量管理系统停止超级电容模组的工作，控制系统提示踩下离合器。当电动启动失败时，只要检测到驾驶员踩下了离合踏板，启动电机立马高功率快速启动发动机，以保证正常行车。