CN111674396A - 一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统，其特征在于可以根据不同的汽车运行工况，控制复合储能系统运行于不同的工作模式，可以同时满足汽车对储能系统的高功率密度、高能量密度、高能量转换效率和长使用寿命的要求。车辆起步工况下，借助基于无级变速式飞轮高功率密度优势，能够降低动力电池的放电电流，延长动力电池系统的使用寿命；中高驱动需求功率下，复合储能系统工作于双能源供给模式，借助基于无级变速式飞轮高功率密度优势，不仅可满足整车功率需求，而且可防止动力电池大电流放电，延长其使用寿命，并提高系统工作效率；低驱动需求功率下，基于无级变速式飞轮不参与整车驱动，整车控制器同时控制动力电池输出的电能经电动机转化为机械能后，将满足整车驱动后剩下的一部分机械能传递给飞轮，以控制基于无级变速式飞轮运行于高效状态；紧急制动工况下，借助基于无级变速式飞轮瞬时高功率回馈优势，可回馈比常规单一动力电池储能系统更多的制动能量，提高整车能量利用效率，还可以可防止动力电池大电流充电，延长其使用寿命。

Description

一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统
技术领域
本发明涉及复合储能系统，特别是一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统。
背景技术
在电动汽车中，储能系统对车辆的总效率有很大的影响。电动汽车要求储能系统在短时间内能够回收和释放大量功率，这就要求储能系统具有比较高的功率密度。另外，因为车用储能系统不能太重，所以还应要求储能系统具有比较高的能量密度。动力电池是一种比较常见的车用储能系统，它包括铅酸蓄电池，镍氢电池，锂聚合物电池等不同的种类，其中最有应用前景的是锂聚合物电池，其优点是储能容量大，具有相对较高的能量密度，对环境造成的污染比较小。不过，采用单一动力电池作为电动汽车储能系统的技术方案存在如下不足之处：动力电池的功率密度较低，短时间内充放电电流不能过大，在负载突变的驱动工况下，单一动力电池系统由于需要短时间内大电流放电，会影响车载能源系统的工作效率和使用寿命。另一种车用储能系统是基于无级变速式飞轮储能系统，因为重量和成本的问题，飞轮只能作为电动汽车上的辅助能源系统，其储能容量较小，能量密度偏低，持续能量释放或回馈的能力较差。不过基于无级变速式飞轮储能系统具有高功率密度、高能量转换效率等优势，可实现瞬时大功率输出或在紧急制动时短时间内回收大量能量，是一种理想的功率型储能部件。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明提供一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统。由于基于无级变速式飞轮储能系统具有很大的功率密度优势，所以将其设计为车辆辅助能源系统，凭借飞轮瞬时大功率输出的优势，一方面可以有效降低负载突变的驱动工况下动力电池的瞬时放电电流，提升车载能源系统的工作效率，解决常规单一动力电池储能系统的能量利用效率与使用寿命偏低的问题；另一方面，在车辆紧急制动的工况下，可回馈比常规单一动力电池储能系统更多的能量，延长动力电池储能系统的使用寿命，进一步提高车辆能量综合利用效率。
本发明技术方案是：提供一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统，包括：CAN总线、整车控制器、动力电池及其管理系统、飞轮、离合器、无级变速器。
上述部件的具体作用为：
（1）CAN总线，设计用于实现各控制单元间的信号传输；
（2）整车控制器，设计用于采集离合器、动力电池管理系统的状态信号，并依据内置的控制策略，向上述各子控制单元输出相关控制指令；
（3）动力电池为主能量源，设计用于为车辆提供驱动能量，并回收制动时车辆回馈的再生制动能量；
（4）动力电池管理系统，设计用于监测并向整车控制器发送动力电池运行状态，接收并执行整车控制器输出的控制指令；
（5）基于无级变速式飞轮为辅助能量源，设计用于为车辆提供短时驱动能量，并回收车辆回馈的再生制动能量；
（6）离合器，设计用于控制是否切断飞轮与车辆传动系统之间的能量传递，接收并执行整车控制器输出的控制指令；
（7）无级变速器，设计用于凭借其传动比变化范围较大的特性，实现飞轮转速与驱动轴转速的匹配，大功率和大扭矩输入，输出以及平稳传动。
本发明的优点在于：
1、本发明通过设计一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统，一方面可充分利用动力电池能量密度相对较大的优势，保证电动汽车的续驶里程；另一方面，可充分利用基于无级变速式飞轮功率密度大的优势，降低电动汽车对动力电池的功率要求，进而有效控制负载突变工况下动力电池放电电流的变化幅度，控制动力电池工作在高效率区间，进一步延长电动汽车的续驶里程。
2、本发明通过设计一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统，借助基于无级变速式飞轮瞬时大功率回馈优势，在车辆紧急制动的工况下，可回馈比常规单一动力电池储能系统更多的能量，提高车辆的能量利用效率。
3、本发明通过设计一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统，借助基于无级变速式飞轮瞬时大功率释放优势，能够降低大负荷驱动工况下动力电池的放电电流，提高动力电池系统安全性能，并延长动力电池系统使用寿命。
4、本发明通过设计一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统，凭借离合器灵活控制是否切断飞轮与车辆传动系统之间能量传递的优势以及无级变速器传动比变化范围较大的特性，可实现对飞轮能量状态的实时调节，实现基于无级变速式飞轮的高效工作。
附图说明
图1为基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统平面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1为基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统平面结构示意图，包括：CAN总线、整车控制器、动力电池及其管理系统、飞轮、离合器、无级变速器。
整车控制器通过CAN总线实时采集车辆、动力电池、离合器，基于无级变速式飞轮以及车辆动力系统状态信号，为内置控制策略输入因素。进一步，整车控制器依据内置控制策略，确定动力电池、基于无级变速式飞轮储能系统的工作模式，并向动力电池、基于无级变速式飞轮储能系统输出相关控制指令。具体可分为以下工作模式：
（1）起步工况下，整车控制器根据车辆的油门踏板开度及开度变化率计算车辆起步加速需求功率。如果整车起步加速需求功率大于基于无级变速式飞轮的最大允许输出功率，整车控制器控制基于无级变速式飞轮与动力电池共同运行于功率输出模式，此时，基于无级变速式飞轮为主功率输出单元，满足车辆加速需求，动力电池为辅助功率输出单元；如果整车起步加速需求功率小于基于无级变速式飞轮的最大允许输出功率并且大于动力电池的最大允许输出功率，整车控制器控制基于无级变速式飞轮运行于功率输出模式，满足车辆加速需求，动力电池不参与整车驱动；如果整车起步加速需求功率小于动力电池的最大允许输出功率，整车控制器控制动力电池运行于功率输出模式，满足车辆加速需求，基于无级变速式飞轮不参与整车驱动。
（2）匀速行驶或车速变化很小的稳态驱动工况下，车辆需求的驱动功率变化幅度很小，整车控制器控制动力电池运行于功率输出模式，此时，基于无级变速式飞轮不参与整车驱动，动力电池输出整车驱动需求的功率；此外，整车控制器同时控制动力电池输出的电能经电动机转化为机械能后，将满足整车驱动后剩下的一部分机械能传递给飞轮，以控制基于无级变速式飞轮运行于高效状态。
（3）急加速工况下，车辆需求的驱动功率较大，如果基于无级变速式飞轮的最大允许输出功率大于整车加速需求功率，整车控制器控制基于无级变速式飞轮参与整车加速驱动，控制动力电池不参与整车加速驱动，而是将输出的电能通过电动机转化为机械能后，将产生的机械能全部传递给飞轮，满足飞轮的能量需求，以控制基于无级变速式飞轮运行于高效状态；如果基于无级变速式飞轮的最大允许输出功率小于整车加速需求功率，整车控制器控制动力电池和基于无级变速式飞轮共同运行于功率输出模式，基于无级变速式飞轮以最大允许输出功率参与整车驱动，不足部分由动力电池弥补。
（4）制动工况下，整车控制器根据车辆的制动踏板开度及开度变化率计算车辆制动需求功率。如果整车制动需求功率大于基于无级变速式飞轮的最大允许回馈功率与动力电池的最大允许回馈功率之和，整车控制器控制基于无级变速器飞轮与动力电池共同运行于功率回馈模式，基于无级变速式飞轮为再生制动功率的主功率回馈单元，动力电池为辅助功率回馈单元，再生制动功率不足之处由机械制动单元补充；如果整车制动需求功率小于基于无级变速式飞轮的最大允许回馈功率与动力电池的最大允许回馈功率之和，并且大于基于无级变速式飞轮的最大允许回馈功率，整车控制器控制基于无级变速式飞轮与动力电池共同运行于功率回馈模式，基于无级变速式飞轮为再生制动功率的主功率回馈单元，再生制动功率不足之处动力电池补充；如果整车制动需求功率小于基于无级变速式飞轮的最大允许回馈功率并且大于动力电池的最大允许回馈功率，整车控制器控制基于无级变速式飞轮运行于功率回馈模式，动力电池不参与整车再生制动；如果整车制动需求功率小于动力电池的最大允许回馈功率，整车控制器控制动力电池运行于功率回馈模式，基于无级变速式飞轮不参与整车再生制动。

Claims (1)

1.一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统，其特征在于可以根据不同的汽车运行工况，控制复合储能系统运行于不同的工作模式，可以同时满足汽车对储能系统的高功率密度、高能量密度、高能量转换效率和长使用寿命的要求，具体特征为：
（1）一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合储能系统包括CAN总线、整车控制器、动力电池及其管理系统、飞轮、离合器、无级变速器，所述飞轮串联所述离合器，所述离合器串联所述无级变速器，所述动力电池串联车辆动力系统，所述飞轮、离合器与无级变速器的整体与所述动力电池并联；
（2）起步工况下，整车控制器根据车辆的油门踏板开度及开度变化率计算车辆起步加速需求功率，如果整车起步加速需求功率大于基于无级变速式飞轮的最大允许输出功率，整车控制器控制基于无级变速式飞轮与动力电池共同运行于功率输出模式，此时，基于无级变速式飞轮为主功率输出单元，满足车辆加速需求，动力电池为辅助功率输出单元；如果整车起步加速需求功率小于基于无级变速器式飞轮的最大允许输出功率并且大于动力电池的最大允许输出功率，整车控制器控制基于无级变速式飞轮运行于功率输出模式，满足车辆加速需求，动力电池不参与整车驱动；如果整车起步加速需求功率小于动力电池的最大允许输出功率，整车控制器控制动力电池运行于功率输出模式，满足车辆加速需求，基于无级变速式飞轮不参与整车驱动；
（3）匀速行驶或车速变化很小的稳态驱动工况下，车辆需求的驱动功率变化幅度很小，整车控制器控制动力电池运行于功率输出模式，此时，基于无级变速式飞轮不参与整车驱动，动力电池输出整车驱动需求的功率；此外，整车控制器同时控制动力电池输出的电能经电动机转化为机械能后，将满足整车驱动后剩下的一部分械机能传递给飞轮，以控制基于无级变速式飞轮运行于高效状态；
（4）急加速工况下，车辆需求的驱动功率较大，如果基于无级变速式飞轮的最大允许输出功率大于整车加速需求功率，整车控制器控制基于无级变速式飞轮参与整车加速驱动，控制动力电池不参与整车加速驱动，而是将输出的电能通过电动机转化为机械能后，将产生的机械能全部传递给飞轮，满足飞轮的能量需求，以控制基于无级变速式飞轮运行于高效状态；如果基于无级变速式飞轮的最大允许输出功率小于整车加速需求功率，整车控制器控制动力电池和基于无级变速式飞轮共同运行于功率输出模式，基于无级变速式飞轮以最大允许输出功率参与整车驱动，不足部分由动力电池弥补；
（5）制动工况下，整车控制器根据车辆的制动踏板开度及开度变化率计算车辆制动需求功率，如果整车制动需求功率大于基于无级变速器式飞轮的最大允许回馈功率与动力电池的最大允许回馈功率之和，整车控制器控制基于无级变速式飞轮与动力电池共同运行于功率回馈模式，基于无级变速式飞轮为再生制动功率的主功率回馈单元，动力电池为辅助功率回馈单元，再生制动功率不足之处由机械制动单元补充；如果整车制动需求功率小于基于无级变速式飞轮的最大允许回馈功率与动力电池的最大允许回馈功率之和，并且大于基于无级变速式飞轮的最大允许回馈功率，整车控制器控制基于无级变速式飞轮与动力电池共同运行于功率回馈模式，基于无级变速式飞轮为再生制动功率的主功率回馈单元，再生制动功率不足之处动力电池补充；如果整车制动需求功率小于基于无级变速式飞轮的最大允许回馈功率并且大于动力电池的最大允许回馈功率，整车控制器控制基于无级变速式飞轮运行于功率回馈模式，动力电池不参与整车再生制动；如果整车制动需求功率小于动力电池的最大允许回馈功率，整车控制器控制动力电池运行于功率回馈模式，基于无级变速式飞轮不参与整车再生制动。
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