CN203126504U - 一种使用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于混合动力汽车技术领域，具体涉及一种使用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车。其是采用并联动力总成结构形式，动力系统由电源系统、电机和发动机组成，所述的电源系统由超级电容模组和电源控制系统组成；超级电容模组通过DC/AC模块与电机相接，超级电容模组由100～200个超极电容单体串联组成，电源控制系统通过CAN总线传输信号，控制单元根据传感器不同的采集值及整车需求，为车辆提供混合动力解决方案。
Description
技术领域
本实用新型属于混合动力汽车技术领域，具体涉及一种使用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车。
背景技术
当前能源问题和环境问题日益严重，受到了全球的广泛关注，各国已将寻找新能源、提高能源利用效率、减少污染提升到关乎国家未来发展的战略性高度。其中车辆的能源利用和尾气排放也成为了一个被广泛关注的问题，在众多方案中混合动力汽车无疑是具有诸多优点的选择。
混合动力汽车具有噪声低、污染小、经济性强等优点，已经得到了广泛的应用。使用电动辅助运行的混合动力汽车一般采用蓄电池作为辅助动力，然而限于当前的技术及工艺水平，蓄电池充电时间过长，在较低温度下，蓄电池性能会大幅减弱，严重影响车辆动力性能。而且车辆启动和加速时，需要蓄电池输出一个大电流，这样会造成蓄电池的损伤，缩短了蓄电池的使用寿命。由于城市路况复杂，车辆正常行驶时会频繁的制动、加速和启动，启动和加速时蓄电池负担很重，而且刹车制动时蓄电池不能有效回收能量，制动能量都转化为热量流失，并未得到有效的利用。同时，在车辆上下坡阶段，车辆的势能变化也并未得到有效利用。
近年来超级电容的技术不断进步，已经进入了实用阶段，由于超级电容存储电能使用的是物理方法，只要内部结构没有损坏，就可以一直使用下去，使用寿命长。而且超级电容可以直接承受大电流冲击，充放电的速度也非常快，短时间内大电流充放电是蓄电池无法做到的。
实用新型内容
本实用新型提出一种应用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车，其是以超级电容作为动力系统储能元件，使用新的能源管理方案，让混合动力汽车具有能量利用率高、耐用、环保等优点。
本实用新型描述的是一种使用新型电源系统的混合动力汽车，采用并联动力总成结构形式，动力系统由电源系统、电机和发动机组成。所述的电源系统由超级电容模组和电源控制系统组成，超级电容模组通过DC/AC模块与电机相接，DC/AC模块将超级电容模组产生的直流电转换为可使电机工作的交流电，此时电机处于电动模式，或者将电机产生的交流电转换为直流电，为超级电容模组充电，此时电机处于发电模式。
所述的电机可以是开关磁阻电机，也可以是永磁同步电机。所述的超级电容模组是由100～200个超级电容单体串联组成，如常规的混合动力汽车内蓄电池一样，通过DC/AC模块与电机连接。所述的电容可以满足车辆在急加速急减速时的功率需求。超级电容使用物理方法存储电能，存储次数多，寿命长，在零下40摄氏度时也具有优秀的物理特性，可以在寒冷天气下工作。所述的发动机可以是汽油内燃机，也可以是柴油机等多种不同的发动机。
所述的电源控制系统拓扑结构如附图4，通过CAN总线传输信号，使用传感器采集当前的各种状态量，并将采集值发送到电源管理系统的控制单元进行处理，控制单元根据不同的采集值，判断超级电容电量等信息，根据整车需求，做出相应的反应，为车辆提供新的混合动力解决方案。
本实用新型使用超级电容作为电能存储，有效利用了城市中车辆频繁制动和怠速损耗的能量，以及上坡和下坡时的势能变化，降低了车辆的油耗，节能环保。
混合动力汽车的电机通过传动轴和离合器、变速箱相连，与发动机同轴驱动车轮的主减速器，一起驱动车辆行驶。
在车辆启动时由超级电容为电机提供启动电流，超级电容能提供至少三次的启动电流，增加车辆的启动稳定性。自传感器接收到车辆启动信息后，电源控制系统控制超级电容输出一个直流启动电流，电流经DC/AC模块转换为交流电为电机供电，使电机工作，从而启动车辆。
混合动力汽车动力不足时，电源控制系统控制超级电容输出稳定的直流电流，并控制DC/AC模块接通电机，经DC/AC模块转换为交流电为电机供电，使电机工作，从而增加了车辆的动力。
混合动力汽车行驶状态下，电机和传动轴的连接断开。且始终保持超级电容的电能在总容量的1/3以上，这样可以保证超级电容具有正常启动车辆的能量，也有足够容量存储回收的电能。如果超级电容电量不足，电源控制系统中的传感器将电容数据传送给控制单元，进而使电机和传动轴连接，发动机通过传动轴带动电机运转发电，电能通过DC/AC模块转换后存储到超级电容内。当超级电容内电能达到总容量的2/3以上时，电源控制系统传感器将采集的数据传送给控制单元，进而控制超级电容将存储的电能驱动电机或者经超级电容保护电路释放掉，直至超级电容内电量降低到总容量的2/3以下，以保护超级电容。
混合动力汽车的发动机启动后一直保持工作状态，车辆短时间停车时，发动机持续低速转动，使用变速器脱离传动轴和主减速器的联系，发动机通过传动轴带动电机运转，电机转子受力在磁场中旋转，此时电机发电，产生的电流通过DC/AC模块转换为直流电存储到超级电容中。长时间停车，传感器采集的数据返回给整车控制器后，整车才会控制发动机停止工作。
车辆制动时，离合器断开发动机与传动轴的联系，电源控制系统控制超级电容停止供电模式，主减速器通过传动轴带动电机转动，电机处于发电模式，电能传输到超级电容处存储，电机发电，使机械能转化为电能，机械能减少，转速降低，从而实现车辆制动。在车辆上坡时，超级电容为电机供电，为发动机提供助力；在车辆下坡时，电机如上所述可以起到制动作用并发电，将电能存储至超级电容。
本实用新型的优越性：在城市路况中，车辆频繁的启动和制动，由于超级电容具有非常快的充放电速度，可以承担瞬时峰值充放电负荷。而且超级电容具有优秀的物理特性，其充放电效率在99％左右，循环次数可达数十万次，从而提高了整个动力系统的能量利用效率和使用寿命。较之使用蓄电池的混合动力汽车，使用超级电容做为辅助动力的混合动力汽车通过使用独特的能源管理模式，可以更加有效的回收制动能量，并可以为车辆提供可靠的启动电流，既延长了车辆动力系统的使用寿命，也提高了能量利用效率，而且减少了车辆发动机启动次数，保护了车辆其他部件。其能量回收率可达15％～30％。
附图说明
图1：使用超级电容做电能存储部件的整车控制原理图；
图2：超级电容与DC\AC模块连接电路图；
图3：超级电容充放电电路；
图4：电源控制系统拓扑结构示意图。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述。
实施例1
如图1所示，本实用新型所述的超级电容电源系统在混合动力汽车上的应用结构有：超级电容1、DC/AC模块2、发动机3、离合器4、电机5、变速器6。其中超级电容1由150个超级电容单体（如美国Maxwell公司生产的2.7V、3000F超级电容单体）串联组成模组的规格为405V、20F。DC/AC模块2电路图如附图2所示。发动机3采用汽油内燃机，也可以使用柴油机等内燃机。电机5为开关磁阻电机（如北京中纺锐力机电有限公司生产的型号为DT336D31S的开关磁阻电机）。
其连接关系为：超级电容1连接DC/AC模块2，DC/AC模块2连接电机5，发动机3通过离合器4带动传动轴转动，传动轴连接电机5的转子，传动轴通过变速器6连接车轮的主减速器。
混合动力汽车静止时，电机处于电动机模式，超级电容1存储有足够启动电机5的能量，车辆启动时，电源控制系统控制超级电容1放电来启动电机5，电机5运转后通过传动轴和离合器4带动发动机3运转，车辆启动。
车辆行驶过程中，发动机3处于工作状态，通过离合器4带动传动轴转动，传动轴通过变速器连接主减速器，带动车轮旋转，使混合动力汽车行驶。车辆行驶时，电机处于电动机模式，电源控制系统判定发动机3动力不足时，由超级电容1释放电能，让电机运转辅助混合动力汽车行驶；电源控制系统判定超级电容1能量不足时，由发动机3通过离合器4和传动轴带动电机5运行，电机5处于发电机模式，电机5转子受力在磁场中旋转，此时电机5发电，产生的电流通过DC/AC模块2转换为直流电存储到超级电容1中。
车辆短时间停止时，变速器脱离传动轴和主减速器的联系，发动机3处于工作状态，持续低速运转，通过传动轴带动电机5运行，电机5处于发电机模式，电机5转子受力在磁场中旋转，此时电机5发电，产生的电流通过DC/AC模块2转换为直流电存储到超级电容1中。若长时间停车，传感器采集的数据返回给控制芯片后，控制系统才会控制发动机停止工作。
车辆制动时，离合器断开发动机和传动轴的联系，电机5处于发电机模式，传动轴受到阻力至转速降为零，其中的能量由电机5发电，通过DC/AC模块2传递到超级电容1存储，留待下次车辆启动时利用。
车辆爬坡时，电源控制系统控制超级电容1加大放电电流，电机5为电动机，为发动机3提供助力。车辆下坡时，电机5变为发电机产生电能，电流通过DC/AC模块2传递到超级电容1存储，这样也可以起到制动作用，并且将能量作为电能存储起来，待需要时使用。
在整个车辆运行的过程中超级电容在不断的充放电，其充放电电路如图3所示，超级电容由冲击电容8和放电电阻10对其进行保护，三者并联；当超级电容回馈的电能瞬间过大时将电量转移到冲击电容上，实现对超级电容的保护；当超级电容中的电量过多，且不能利用的情况下，闭合开关9，使多余电量由放电电阻释放掉，保护超级电容。
在混合动力汽车上使用时，满足整车能量及功率需求的前提下，超级电容的重量及体积都较传统的镍氢电池减少了1/2，在混合动力汽车上使用后，超级电容的寿命是镍氢电池的2倍，其能量回收率可达15％～30％。
以上所述，仅为本实用新型的优选实施例，并不能以此限定本实用新型的实施范围，凡依本实用新型权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应属于本实用新型覆盖的保护范围。
Claims (6)
1.一种使用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车，其特征在于：采用并联动力总成结构形式，动力系统由电源系统、电机和发动机组成，所述的电源系统由超级电容模组和电源控制系统组成；超级电容模组通过DC/AC模块与电机相接，超级电容模组由100～200个超极电容单体串联组成，电源控制系统通过CAN总线传输信号，控制单元根据传感器不同的采集值及整车需求，为车辆提供混合动力解决方案。
2.如权利要求1所述的一种使用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车，其特征在于：在车辆启动时，超级电容通过DC/AC模块连接电机，来自超级电容的电流经DC/AC模块转换为交流电后为电机提供启动电流，使电机工作，从而启动车辆；车辆短时间停车时，发动机低速转动，使用变速器脱离传动轴和主减速器的连接，发动机通过传动轴带动电机运转，此时电机发电，产生的电流通过DC/AC模块转换为直流电存储到超级电容中。
3.如权利要求1所述的一种使用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车，其特征在于：车辆在运行状态时，当超级电容的电能不足总容量的1/3时，发动机通过传动轴带动电机运转发电，电能通过DC/AC模块转换后存储到超级电容内；当超级电容的电能达到总容量的2/3以上时，电源控制系统控制超级电容将存储的电能驱动电机或者经超级电容保护电路释放，直至超级电容内电量降低到总容量的2/3以下。
4.如权利要求1所述的一种使用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车，其特征在于：当车辆制动时，离合器断开发动机与传动轴的联系，电源控制系统控制超级电容模组停止供电，主减速器通过传动轴带动电机转动，电机处于发电模式，电能传输到超级电容处存储；电机发电，使机械能转化为电能，机械能减少，转速降低，从而实现车辆制动。
5.如权利要求1所述的一种使用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车，其特征在于：所述的电机为开关磁阻电机或为永磁同步电机。
6.如权利要求1所述的一种使用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车，其特征在于：所述的发动机是汽油内燃机或柴油内燃机。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN103101428A (zh) * | 2013-03-01 | 2013-05-15 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种使用超级电容辅助动力系统的混合动力汽车 |
| CN109305027A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-02-05 | 王德恒 | 一种电力驱动的混合动力电动车 |
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2013
- 2013-03-01 CN CN2013200932488U patent/CN203126504U/zh not_active Expired - Lifetime
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