CN109177749A - 增程式电动客车三能源动力系统及能量管理方法 - Google Patents

Abstract

增程式电动客车三能源动力系统及能量管理方法。目前电动客车的技术瓶颈在于动力电池，电动车大多使用锂电池，一辆电池成本和同级别的传统客车成本差不多，电量不能满足要求，续航里程短。本发明组成包括：增程器（1）、太阳能光伏系统（6），增程器包括发动机（3），发动机通过连接轴与发电机（2）连接，发电机通过导线与发电机控制器（10）连接，发电机控制器分别与整车控制器（13）、电机控制器（12）、动力电池（9）、超级电容系统（5）连接，动力电池分别与太阳能光伏系统中的光伏控制器（8）、整车控制器、超级电容系统连接，光伏控制器通过导线分别与太阳能板（7）、整车控制器连接。本发明用于增程式电动客车三能源动力系统。

Description

增程式电动客车三能源动力系统及能量管理方法

技术领域：

本发明涉及电动汽车的能量管理，具体涉及一种增程式电动客车三能源动力系统及能量管理方法。

背景技术：

在公共交通领域，传统燃油客车在给人类生活带来极大便利的同时，也带来了严重的环境污染和能源危机，当今汽车工业势必向着低噪声、零排放、综合利用能源的方向发展，而电动客车则是解决这些问题的重要途径；目前电动客车的技术瓶颈主要还在于动力电池，现在电动车大多使用的是锂电池，缺点一是成本很高，一辆所使用的电池成本和原来同级别的传统客车成本差不多；二是电量不能满足现代客车的使用要求，续航里程短，充电配套设施还不完善。

发明内容：

本发明的目的是提供一种增程式电动客车三能源动力系统，利用电网、燃油和太阳能三能源实现较长的续驶里程，采用三能源增程技术能够提高车辆燃油经济性和节油效率，降低运行成本，延长动力电池系统的寿命，增强增程式电动客车市场竞争力。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种增程式电动客车三能源动力系统，其组成包括：增程器、太阳能光伏系统，所述的增程器包括发动机，所述的发动机通过连接轴与发电机连接，所述的发电机通过导线与发电机控制器连接，所述的发电机控制器分别与整车控制器、电机控制器、动力电池、超级电容系统连接，所述的动力电池分别与所述的太阳能光伏系统中的光伏控制器、所述的整车控制器、所述的超级电容系统连接，所述的光伏控制器通过导线分别与太阳能板、所述的整车控制器连接。

所述的增程式电动客车三能源动力系统，所述的电机控制器分别与所述的整车控制器、驱动电机连接，所述的驱动电机通过传动轴与驱动轮连接，所述的发动机通过管路与燃油箱连接，所述的动力电池分别与所述的电机控制器、所述的发电机控制器连接。

一种增程式电动客车三能源动力系统及能量管理方法，该方法包括如下步骤：首先是将增程器、太阳能光伏系统、超级电容系统与动力电池并联，其中增程器为动力电池及超级电容系统充电，同时太阳能光伏系统也为动力电池及超级电容系统充电；正常情况下，动力电池为整车提供动力能源；急加速时，超级电容系统可为驱动电机提供瞬时能量；太阳能光伏系统长期为动力电池、超级电容系统充电；

当电池电量不足时，增程器开始工作，由发动机带动发电机发电，将燃油化学能转化为电能，并通过高压回路为动力电池、超级电容系统充电，同时为驱动电机提供电能；整个系统工作环节均由整车控制器的三能源动力集成单元控制软件在后台自动控制，不需要驾驶员人为的操作；

动力电池一般布置在电动客车车底左右两侧，与车厢实现防火及隔热隔离，可以在动力电池状态异常时，确保车上乘客有足够的安全空间，增程器主要布置在车厢后部，整车控制器、超级电容系统、光伏控制器均安装在高压设备仓，发动机、发电机以及相关的冷却系统等辅助设备均安装在发动机仓，太阳能板安装在车顶，整体布局符合传统燃油车的布置方式，高压设备仓与旅客乘坐空间同样实现隔离，以保证乘客的安全；

整车控制器是增程式电动客车的核心控制部件，它采集加速踏板信号、刹车踏板信号、档位等信号，并做出相应判断，控制下层各控制器的动作，驱动汽车正常行驶，作为客车的指挥管理中心，整车控制器主要功能包括：驱动力矩控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN总线监控和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视等，起着控制车辆运行的作用。

有益效果：

1.本发明的增程式电动客车三能源动力系统其能源主要来自电网、燃油和太阳能，其中动力系统包括增程器、电池系统、超级电容系统、驱动电机、电机控制器以及太阳能光伏系统，高效、稳定、可靠的三能源动力集成单元可以提高车辆的燃油经济性和节油效率，降低运行成本，延长动力电池系统的寿命，增强增程式电动客车市场竞争力。

本发明的采用三能源增程技术的电动客车其优点是具有较长的续驶里程，夜间利用电网即充电桩为动力电池充电，仅凭纯电模式也能驾驶上百公里路程，由于动力源为电动机，且系统配备超级电容系统，可弥补电池瞬时放电能力不足的缺陷，使客车具备较强的起步及加速性能。

本发明采用的太阳能光伏系统长期为动力电池充电，可有效减少增程器启动的频率，在电池电量消耗殆尽后，可以依靠增程器发电，为动力电池、超级电容充电同时为驱动电机提供电能，依靠太阳能光伏系统及增程器发电，增程式电动客车完全可以行驶和传统客车一样的里程。

本发明的增程式电动客车是一种能纯电行驶的插电式混合动力客车，具有结构简单、节油效率高、电池需求量小等优点，是非常适合城市路况的一种车型，主要应用于启动功率大、平均功率小、频繁启停的运行场合。

本发明的增程式电动客车由于电池容量较小，减轻了车身重量，提高了燃油经济性，同时，电池电量小又意味着发生故障时，其危害程度也较小；系统无离合器和变速箱，结构简单可靠，便于维修和维护，降低了公交公司的运行费用。

本发明增程式电动客车现有技术条件下能实现 50%以上的节油率；不需要充电、换电的周转电池，投入较低；夜间充电使用电网“谷电”即采用充电桩充电，成本低且能做到电力资源的充分利用。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是发电系统功率输出控制原理图之一。

附图3是发电系统功率输出控制原理图之二。

具体实施方式：

实施例1：

一种增程式电动客车三能源动力系统，其组成包括：增程器1、太阳能光伏系统6，所述的增程器包括发动机3，所述的发动机通过连接轴与发电机2连接，所述的发电机通过导线与发电机控制器10连接，所述的发电机控制器分别与整车控制器13、电机控制器12、动力电池9、超级电容系统5连接，所述的动力电池分别与所述的太阳能光伏系统中的光伏控制器8、所述的整车控制器、所述的超级电容系统连接，所述的光伏控制器通过导线分别与太阳能板7、所述的整车控制器连接。

实施例2：

根据实施例1所述的增程式电动客车三能源动力系统，所述的电机控制器分别与所述的整车控制器、驱动电机11连接，所述的驱动电机通过传动轴与驱动轮14连接，所述的发动机通过管路与燃油箱4连接，所述的动力电池分别与所述的电机控制器、所述的发电机控制器连接。

实施例3：

一种利用实施例1-2所述的增程式电动客车三能源动力系统的能量管理方法，本方法是：首先是将增程器、太阳能光伏系统、超级电容系统与动力电池并联，其中增程器为动力电池及超级电容系统充电，同时太阳能光伏系统也为动力电池及超级电容系统充电；正常情况下，动力电池为整车提供动力能源；急加速时，超级电容系统可为驱动电机提供瞬时能量；太阳能光伏系统长期为动力电池、超级电容系统充电；

当电池电量不足时，增程器开始工作，由发动机带动发电机发电，将燃油化学能转化为电能，并通过高压回路为动力电池、超级电容系统充电，同时为驱动电机提供电能；整个系统工作环节均由整车控制器的三能源动力集成单元控制软件在后台自动控制，不需要驾驶员人为的操作；

动力电池一般布置在电动客车车底左右两侧，与车厢实现防火及隔热隔离，可以在动力电池状态异常时，确保车上乘客有足够的安全空间，增程器主要布置在车厢后部，整车控制器、超级电容系统、光伏控制器均安装在高压设备仓，发动机、发电机以及相关的冷却系统等辅助设备均安装在发动机仓，太阳能板安装在车顶，整体布局符合传统燃油车的布置方式，高压设备仓与旅客乘坐空间同样实现隔离，以保证乘客的安全；

整车控制器是增程式电动客车的核心控制部件，它采集加速踏板信号、刹车踏板信号、档位等信号，并做出相应判断，控制下层各控制器的动作，驱动汽车正常行驶，作为客车的指挥管理中心，整车控制器主要功能包括：驱动力矩控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN总线监控和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视等，起着控制车辆运行的作用；

所述的增程式电动客车三能源动力系统其能源主要来自电网、燃油和太阳能，动力系统包括增程器(发动机、燃油箱、发电机及发电机控制器)、电池系统、超级电容系统、驱动电机、电机控制器以及太阳能光伏系统，(太阳能板、光伏控制器)、整车控制器、电机控制器及驱动电机等部分；

具体控制方式：

系统采用基于模型预测控制的功率输出控制策略，通过预判驾驶员的驾驶意图、综合考虑当前动力电池的情况以及车载发电系统的高效发电区域，利用车速、油门信号、刹车信号、电池荷电状态(SOC)、电池荷电状态变化值(△SOC)等参数建立数学模型，通过预判车辆用电需求及当前动力电池的动态性能，智能的调整发电功率，实现对动力电池及超级电容系统大倍率放电及大电流脉冲充电的控制，降低动力电池的发热量，提高动力电池的使用寿命，降低动力电池的使用成本。具体能量管理方法如下：

（1）常规发电控制策略

将发电系统的发电功率设置在一定范围内（P_min ~ P_max之间），在规定的发电功率范围内，发电系统的发电功率可快速调整，正常情况下，发电系统的发电功率默认为中间值P_m =( P_min +P_max)/2 。

（2）上下班高峰期及空调启动条件下发电控制策略

夏天开空调、早晚上下班高峰期车辆大负荷载重等情况会导致动力电池的平均用电量增加，通过加大发电量，可以降低动力电池的使用强度，用电高峰期时发电系统功率输出控制原理如附图2所示；

1) 通过获取的SOC值，计算一个周期内(5分钟)SOC值的变化值△SOC；

2) 如果△SOC大于限定值A₁，说明动力电池放电量需求大，需要增加发电功率，发电功率增加量跟随△SOC，发电功率P=P_m+△SOC*δ(δ为发电增量系数)，并持续保持当前发电状态15分钟后，返回步骤1；

3) 如△SOC小于限定值A₂(△SOC为负数)，说明动力电池放电量需求小，需要降低发电功率输出，发电功率减少量跟随△SOC，发电功率P=P_m+△SOC* β (β为发电减量系数)，并持续保持当前发电状态15分钟后，返回步骤1；

4) 如△SOC介于A₁与A₂之间，维持常规发电控制策略中的默认功率值P_m；

5) 如发电过程中电池SOC大于90%，车载发电系统将停止工作，等待下次的启动命令。

（3）车辆起步过程中发电策略

车辆起步加速时，动力电池的放电功率是平均放电功率的多倍，在起步时超级电容系统介入同时加大发电系统的发电功率来平整动力电池的放电倍率；而车辆刹车减速时，由于能量回收，发电系统需要降低发电功率。参见附图3所示；

1) 发电系统启动时，正常条件下，发电功率为P_m；

2)整车控制器实时采集SOC、总电流、刹车信号、油门信号、车速、档位信号、手刹信号等信息；

3) 通过刹车信号、档位信号、油门信号及车速，可以判断出车辆即将处于起步加速阶段，此时将发电功率瞬时调整至P_max，同时超级电容系统放电；

4) 当油门开度大于二分之一且车速低于30km/h时，整车控制器判断车辆在加速且电池功率需求大，则将发电功率瞬时调整至P_max；

5) 当车辆处于较高车速时(如>45km/h)或油门值小于分三之一开度时，发电系统的发电功率降低至默认值P_m；

6) 当刹车开度大于五分之一时，整车控制器判断车辆处于减速状态，发电系统的发电功率降低至P_min。

Claims (3)

1.一种增程式电动客车三能源动力系统，其组成包括：增程器、太阳能光伏系统，其特征是：所述的增程器包括发动机，所述的发动机通过连接轴与发电机连接，所述的发电机通过导线与发电机控制器连接，所述的发电机控制器分别与整车控制器、电机控制器、动力电池、超级电容系统连接，所述的动力电池分别与所述的太阳能光伏系统中的光伏控制器、所述的整车控制器、所述的超级电容系统连接，所述的光伏控制器通过导线分别与太阳能板、所述的整车控制器连接。

2.根据权利要求1所述的增程式电动客车三能源动力系统，其特征是：所述的电机控制器分别与所述的整车控制器、驱动电机连接，所述的驱动电机通过传动轴与驱动轮连接，所述的发动机通过管路与燃油箱连接，所述的动力电池分别与所述的电机控制器、所述的发电机控制器连接。

3.一种利用权利要求1-2之一所述的增程式电动客车三能源动力系统的能量管理方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

首先是将增程器、太阳能光伏系统、超级电容系统与动力电池并联，其中增程器为动力电池及超级电容系统充电，同时太阳能光伏系统也为动力电池及超级电容系统充电；正常情况下，动力电池为整车提供动力能源；急加速时，超级电容系统可为驱动电机提供瞬时能量；太阳能光伏系统长期为动力电池、超级电容系统充电；

当电池电量不足时，增程器开始工作，由发动机带动发电机发电，将燃油化学能转化为电能，并通过高压回路为动力电池、超级电容系统充电，同时为驱动电机提供电能；整个系统工作环节均由整车控制器的三能源动力集成单元控制软件在后台自动控制，不需要驾驶员人为的操作；

动力电池一般布置在电动客车车底左右两侧，与车厢实现防火及隔热隔离，可以在动力电池状态异常时，确保车上乘客有足够的安全空间，增程器主要布置在车厢后部，整车控制器、超级电容系统、光伏控制器均安装在高压设备仓，发动机、发电机以及相关的冷却系统等辅助设备均安装在发动机仓，太阳能板安装在车顶，整体布局符合传统燃油车的布置方式，高压设备仓与旅客乘坐空间同样实现隔离，以保证乘客的安全；

整车控制器是增程式电动客车的核心控制部件，它采集加速踏板信号、刹车踏板信号、档位等信号，并做出相应判断，控制下层各控制器的动作，驱动汽车正常行驶，作为客车的指挥管理中心，整车控制器主要功能包括：驱动力矩控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN总线监控和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视等，起着控制车辆运行的作用。