CN201151352Y - 一种带有能量回收功能缓速器的混合动力系统 - Google Patents

一种带有能量回收功能缓速器的混合动力系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,主要由以下几部分组成:发动机、传动装置总成、缓速器制动发电装置、驱动桥、车轮、电力变换与控制装置和广义负载。缓速器制动发电装置通过传动装置总成与发动机相连,用于启动发动机、接收汽车减速制动力矩或下坡缓速制动力矩,并把制动动能经过电动机实现发电,将制动动能转化成电能,为汽车提供了新的能量来源,延长了续驶里程,提高了汽车辅助电源供电能力,同时起到了辅助减速的作用,提高了汽车行驶的安全性和驾驶平顺性,本系统中不含动力合成装置,结构简单,在现有的汽车传动系统上改造方便,容易实现,成本低,传动效率较高。

Description

一种带有能量回收功能缓速器的混合动力系统
技术领域
本实用新型属于混合动力汽车领域,特别是一种带有能量回收功能缓速器的混合动力系统。
背景技术
随着全球汽车工业的迅速发展,传统燃油汽车排放造成的空气质量日益恶化,以及石油资源的日趋匮乏,燃油汽车面临着“环境污染”和“能源危机”的双重压力,作为消耗石油和制造环境污染大户的燃油汽车,其发展方向对能源和环境正起着决定性的作用。随着人类对可持续发展认识程度的提高,开发新的替代能源、提高能量转换效率和节约能源被认为是解决或缓解环境污染和保障能源供给的有效办法。因此,各种替代燃油汽车的低排放、低油耗的新型动力汽车相继出现,例如,纯电动汽车、替代燃料/燃气汽车、燃料电池汽车、混合动力电动汽车等。电动汽车在节能与环保方面具有无可比拟的优势,是汽车发展的终极目标。但是,由于当前电池等技术的限制,利用内燃机和电动机分别或共同驱动的混合动力汽车技术是目前和未来几年内电动汽车的一种过渡技术。与传统的燃油汽车相比,混合动力电动汽车在良好的动力性能、良好的燃油经济性和清洁环保等方面表现出明显的优势,日益受到汽车工业界的重视。
节能、环保与安全是未来汽车的三大主题,安全性对于混合动力电动汽车也非常重要。随着我国高等级公路的快速发展,汽车的行驶速度越来越快,以及相当部分山区公路的存在,对汽车制动的要求也越来越高,因而汽车高速安全性尤显重要。汽车运行在高速状态时,ABS系统很难发挥作用,若频繁减速制动,一方面影响汽车的舒适性,另一方面,容易造成的制动毂过热、制动毂和制动衬片磨损等问题,将严重威胁到汽车运行的安全性。因此,被称为“第4制动器”的辅助制动部件,即缓速器,由于在提高汽车运行安全性等方面表现出了优良的性能,得到了各国的重视。缓速器主要的优点是:能提高车辆的安全性、运行经济性、舒适性,以及能提高坡道行驶时的平均速度,有延长传动系和制动系寿命的功效,能提高汽车下长坡的平均行驶速度和增强驾驶员下长坡时安全感,显著减少制动时噪声和粉尘污染,提高汽车环保性。
但是,由于传统技术采用电涡流、液力式等制动方法,虽然实现了辅助刹车的效果,可是这部分制动动能却以各种散热方式浪费掉了,并没有对这部分能量进行回收利用。因此,考虑一种具有能量回收功能的缓速器系统的混合动力电动汽车同时兼顾汽车发展的三大主题,符合现代汽车发展的要求和趋势。
虽然近些年已经有关于混合动力的装置,均具有电动和燃油两套系统,如中国专利申请(申请号:02144747.0),也具备了能量回收的功能,但对于大型的汽车的能量回收,还没有较为成熟的方法和装置。
发明内容
针对现有混合动力电动汽车存在的缺陷和不足,本实用新型的目的在于提供一种带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,该系统具有结构简单,传动效率高,在现有的车辆传动系统上改造方便,成本低,容易实现,利用缓速器制动发电装置,可以实现汽车减速再生制动能量回收,以及汽车下坡缓速时制动能量回收,为汽车提供新的能量来源,同时起到辅助制动的作用,提高汽车行驶的安全性、环保性、运行经济性和舒适性。
为了实现上述任务,本实用新型采用的技术方案是:
一种带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,包括发动机、传动装置总成、驱动桥、车轮;所述传动装置总成为传动系统中从发动机开始到驱动桥为止所有中间环节的组成,其特征在于,还包括有缓速器制动发电装置,该缓速器制动发电装置连接有电力变换与控制装置,电力变换与控制装置连接有广义负载;
缓速器制动发电装置分别与发动机、传动装置总成相连接,用于启动发动机、并接收汽车刹车制动力矩或下坡缓速制动力矩,把制动力矩的动能经过缓速器制动发电装置实现发电,将制动动能转化成电能,并辅助制动;
电力变换与控制装置由控制模块和功率转换模块组成,控制模块用于采集、处理来自传感器的信号,并制定相应的控制策略,发出控制信号;功率转换模块在控制信号作用下,接收和调整缓速器制动发电装置产生的电能,实现广义负载和缓速器制动发电装置之间的能量互换;
广义负载包括储能装置和耗能装置,用于接收功率转换模块调整和变换后的电能,并对电能进行存储和利用,当储能装置充满后制动能量在耗能装置中消耗。
本实用新型带来的技术效果是:
1)缓速器制动发电装置将以往未加以利用的汽车缓速制动能量加以利用,为汽车提供了新的能量来源,延长了续驶里程,提高了汽车辅助电源的供电能力;
2)汽车在利用缓速器能量回馈制动发电的过程中,同时起到了辅助减速的作用,提高了汽车行驶的安全性和舒适性;
3)没有动力合成装置,传动系统的中间环节较少,结构简单,传动效率高,缓速器制动发电装置根据车辆的实际结构来改造安装,在现有的车辆传动系统上改造方便,成本低,容易实现;
4)汽车减速和下坡缓速两种再生制动发电是一种将动能转换为电能的发电方式,与采用普通发电机方式发电相比,具有结构简单,响应快,特别适合交变动力驱动方式。
总之,本实用新型的带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,可以提高燃油经济性,减少温室气体排放,有较佳的动力性和经济性,能提高汽车行驶安全性和舒适性,降低驾驶的疲劳,具有较高的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本实用新型的混合动力系统实施例结构示意图;其中标号分别表示:1、车轮,2、驱动桥,3、电动机,4、联轴器,5、变速箱,6、发动机,7、离合器,8、广义负载,9、电力变换与控制装置,10、传动轴。
图2为本实用新型的混合动力系统功能模块图;
图3为本实用新型的混合动力系统实施例系统构成框图;
图4为本实用新型的混合动力系统电力变换与控制装置系统框图;
图5为本实用新型的混合动力系统电力变换与控制装置控制主电路图。
下面结合附图对本实用新型的作进一步详细说明。
具体实施方式
参见附图,本实用新型的带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统主要由以下几部分组成:发动机、离合器、变速器、联轴器、传动轴、电动机、电力变换与控制装置、驱动桥和广义负载(如图1)。
发动机通过离合器与变速器机械连接,是车辆行驶的主要动力源;发动机为汽油发动机或柴油发动机或天然气发动机。
电动机作为缓速器制动发电装置,通过变速器侧联轴器与变速器输出端连接,另一端通过驱动桥侧联轴器与传动轴相连,
发动机和电动机的能量通过传动轴和驱动桥传到输出轴,最后到输出轴两端的车轮,反过来,车轮的动能能量也可以通过驱动桥和传动轴传递到电动机。
参见图3,电力变换与控制装置由控制模块和功率转换模块组成,控制主电路包括控制单元、信号调理电路、信号处理电路、保护模块(其中包含过温保护电路、过流保护电路、过压保护电路)、传感器(其中包含电压传感器、电流传感器、测速传感器和其它传感器)和功率转换电路/控制主电路。
控制主电路通过信号调理电路、控制单元、信号处理电路,用于采集、处理来自传感器的信号,制定相应的控制策略,发出控制信号,控制单元由保护模块实现保护,包括过流保护,过压保护和过温度保护;功率转换/控制主电路主要为DC/DC变换器,在控制信号作用下,接收电动机产生的电能,实现广义负载和电动机之间的能量互换;
广义负载包括储能装置和耗能装置,用于接收功率转换模块调整和变换后的电能,并对电能进行存储和利用,当储能装置充满后制动能量在耗能装置中消耗。
储能装置为蓄电池或者由蓄电池和辅助能量源组成的复合电源。蓄电池为铅酸电池或镍氢电池或锂电池或铁电池,辅助能量源为高比功率蓄电池或超级电容或者超高速飞轮。耗能装置可以为电阻性负载、电感性负载、电容性负载和它们的组合,以及各种功率器件。控制模块在储能装置已经储满电能时,控制模块断开储能装置将电能在耗能装置中消耗。
图5给出了一种电力变换与控制装置控制主电路图,控制器由六个功率器件组成:功率器件VT1和VT4、VT3和VT6、VT2和VT5分别组成驱动半桥,构成三相逆变桥,三项逆变桥的一端与蓄电池并联连接,VT1和VT4、VT3和VT6、VT2和VT5的中间分别与电机绕组和控制装置连接。
控制器采用模拟控制器、数字控制器或模拟数字混合控制器;
所述的模拟控制器包括分立元件构成的模拟控制器和可编程模拟器件构成的控制器;
数字控制器包括微处理器、单片机、ARM、DSP、CPLD或FPGA。
传感器采用电压传感器、电流传感器、霍尔传感器和机械传感器其中之一。
DC/DC变换器采用的电路是Buck、Boost、Cuk、Forward和Flyback其中之一及其它们组合而成的电路。
功率器件采用功率晶体管GTR、金属-氧化物-半导体型场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT或门极关断晶闸管GTO。
广义负载包括储能装置和耗能装置,其中储能装置为蓄电池、车载辅助电源、超级电容或飞轮,所述耗能装置为电阻性负载、电感性负载、电容性负载其中之一或它们的组合,或者是各种功率器件。
本实用新型的工作原理如下:
1)发动机通过离合器与变速器相连,变速器输出轴通过联轴器与缓速器制动发电装置连接,缓速器制动发电装置经联轴器、传动轴及驱动桥,再经过输出轴到车轮,实现汽车动能的正向和反向传递。
2)电力变换与控制装置的控制模块通过传感器采集来自储能装置、电机、功率器件的电压、电流、温度、转速、故障等信号,经信号调理电路箝位、滤波、放大等处理后进入控制单元转换,这些信息经控制单元相应的控制算法或控制策略计算或决策后,发出控制信号,经信号处理电路隔离、放大等处理后作用于功率转换模块中相应的控制对象,控制能量流动的方向和大小。
3)在电力变换与控制装置的作用下,本实用新型的混合动力系统可以有以下几种运行模式:
a.发动机驱动运行模式
发动机单独输出驱动转矩到连接车轮的输出轴,驱动车辆运行,缓速器装置的电动机在控制模块的作用下停止工作而空转,或发动机运行在高效区时,电动机处于发电状态。
b.纯电驱动运行模式
离合器断开,缓速器装置的电动机向车辆提供运行所需动能,驱动车辆运行,实现零排放,避免了倒拖发动机引起的能量消耗。驱动电机的能量来源于储能装置。
c.发动机和电动机混合驱动运行模式
发动机输出转矩的同时,缓速器装置的电动机也输出转矩,共同驱动车辆运行。驱动电机的能量来源于储能装置。
d.减速再生制动模式
在车辆减速制动时,离合器分离,发动机停止工作,车辆所具有的动能通过传动装置传到缓速器装置的电动机,使其工作于发电方式,经控制模块的作用向储能装置充电。由于所述离合器分离,避免了对发动机倒拖引起的回馈能量损失。
e.下坡缓速制动能量回馈模式
在车辆下坡缓速制动时,缓速器制动装置工作,车辆所具有的动能通过传动装置传到缓速器装置的电动机,使其工作于发电方式,经控制模块向储能装置充电,同时,所述离合器分离,发动机停止工作,只通过缓速器装置进行缓速制动,或者,离合器接通,通过缓速器装置与发动机联合制动。
虽然本实例已描述了本实用新型的混合动力系统,其中,缓速器装置位于汽车变速器和传动轴之间,用于将汽车制动能量转换为电能,但应理解,利用缓速器经电动机实现能量的回收,缓速器装置的安装位置可不限于变速器和传动轴之间,缓速器装置也可以安装于变速器或主减速器上,甚至可以通过其他的传动系统与传动轴相连,也可以将缓速器装置的缓速制动装置与电动机分开安装,可以与传动系统的传动轴同轴安装,也可以通过齿轮、传动带、传动链、液压装置单独或组合连接。
需要说明的是,上述实施例是较佳的例子,本实用新型并不限于上述实施例,本领域普通技术人员按照上述技术原理对上述实施例进行修改和变形均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,包括发动机、传动装置总成、驱动桥、车轮;所述传动装置总成为传动系统中从发动机开始到驱动桥为止所有中间环节的组成,其特征在于,还包括有缓速器制动发电装置,该缓速器制动发电装置连接有电力变换与控制装置,电力变换与控制装置连接有广义负载;
缓速器制动发电装置分别与发动机、传动装置总成相连接,用于启动发动机、并接收汽车刹车制动力矩或下坡缓速制动力矩,把制动力矩的动能经过缓速器制动发电装置实现发电,将制动动能转化成电能,并辅助制动;
电力变换与控制装置由控制模块和功率转换模块组成,控制模块用于采集、处理来自传感器的信号,并制定相应的控制策略,发出控制信号;功率转换模块在控制信号作用下,接收和调整缓速器制动发电装置产生的电能,实现广义负载和缓速器制动发电装置之间的能量互换;
广义负载包括储能装置和耗能装置,用于接收功率转换模块调整和变换后的电能,并对电能进行存储和利用,当储能装置充满后制动能量在耗能装置中消耗。
2.如权利要求1所述的带有能量回收功能缓速器系统的新型混合动力系统,其特征在于:
所述的传动装置总成用于实现发动机与缓速器制动发电装置输出动力到经驱动桥到车轮的正向或反向传递;缓速器制动发电装置位于传动装置总成组成环节上的任意位置;缓速器制动发电装置整体与传动系统串行连接,或将制动装置与发电装置分开与传动系统串行连接;
所述缓速器制动发电装置为电动机,或者是制动装置和电动机的组合;制动装置为电涡流制动或永磁制动或液力制动装置单独或它们的组合;
所述发动机为汽油发动机或柴油发动机或天然气发动机。
3.如权利要求1所述的带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,其特征在于,所述电动机和发电装置为永磁无刷直流电机或永磁有刷直流电机或永磁交流同步电机或异步电机或开关磁阻电机单独或它们的组合。
4.如权利要求1或2所述的带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,其特征在于,所述缓速器制动发电装置包括机械式、液压式、气动式、微机电式机构以及它们的各种组合。
5.如权利要求2所述的带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,其特征在于,所述缓速器制动发电装置的整体形式或分离形式,通过齿轮、传动带、传动链、液压装置单独或组合后与传动系统并行连接。
6.如权利要求1所述的带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,其特征在于,所述电力变换与控制装置的功率转换模块为DC/DC变换器构成的控制主电路,DC/DC变换器和发电装置连接,用于调整发电装置控制主电路输出的电压和电流;功率开关器件在DC/DC变换器中,用来执行控制信号传达的指令;
所述DC/DC变换器采用的电路是Buck、Boost、Cuk、Forward和Flyback其中之一及其它们组合而成的电路;功率器件采用功率晶体管GTR、金属-氧化物-半导体型场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT或门极关断晶闸管GTO。
7.如权利要求1中所述的带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,其特征在于,所述电力变换与控制装置的控制模块包括:传感器、滤波电路、控制器和光电隔离电路,传感器置于缓速器制动发电装置、电力变换与控制装置的功率转换模块和广义负载上,用于获得微处理器所需的信号;控制器通过滤波电路与测速传感器相连,以获得传感器得到的信号,并输出控制信号;控制信号经光电隔离电路,送至功率转换模块的功率开关器件控制端;传感器采用电压传感器、电流传感器、霍尔传感器和机械传感器其中之一。
8.如权利要求1所述的带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,其特征在于,所述的电力变换与控制装置的控制模块依据传感器信号对发电、充电或供电过程,以及剩余部分能量释放进行控制,控制模块以将尽可能多的制动回馈能量转化为电能为目的进行控制,控制模块的控制信号作用于功率转换模块的功率器件,实现对电机能量发电的控制,控制模块在储能装置已经储满电能时,断开发电回路或将电能在耗能负载中消耗。
9.如权利要求8所述的带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,其特征在于,所述控制模块中的控制器采用模拟控制器、数字控制器或模拟数字混合控制器;
所述的模拟控制器包括分立元件构成的模拟控制器和可编程模拟器件构成的控制器;
所述数字控制器包括微处理器、单片机、ARM、DSP、CPLD或FPGA。
10.如权利要求1中所述的带有能量回收功能缓速器系统的混合动力系统,其特征在于,所述的广义负载包括储能装置和耗能装置,其中储能装置为蓄电池、车载辅助电源、超级电容或飞轮;耗能装置为电阻性负载、电感性负载、电容性负载其中之一或它们的组合,或者是各种功率器件;
所述蓄电池为铅酸电池或镍氢电池或锂电池或铁电池。
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