CN101564985B - 一种混合动力车发电贮能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力车用动力装置，包括发动机、永磁同步发电机、驱动电机及相应的冷却系统，其特征在于：所述发动机与永磁同步发电机之间通过一弹性连轴器连接，而且发动机、永磁同步发电机、驱动电机三大部件同一条轴线安装，驱动电机的输出端与一双级减速后桥的输入端相连接，其中将永磁同步发电机输出通过一发电控制器转为直流电并直接输送到一电机控制器，再通过电机控制器控制驱动电机。所述发电控制器与电机控制器之间设有大贮能电容。所述发动机、永磁同步发电机、驱动电机三大部件仅设有发动机的冷却系统。本发明具有简化了传动系统并实现了无级变速功能，大大减轻了驾驶人员的劳动强度，降低了成本与能耗，提高经济效益的优点。

Description

一种混合动力车发电贮能系统

技术领域

本发明涉及交通工具领域，具体来说是一种混合动力车发电贮能系统。

背景技术

目前国内LPG或CNG公交巴士的发动机，使用的是用大功率柴油发动机改装的发动机，普遍存在油耗高的问题。而汽油发动机的性能与燃汽发动机的要求非常相似，因此在一些小型车辆的改造中获得很好的经济效益。但对大型公交车车辆的动力要求，目前的汽油机功率明显偏小。

在混合动力车领域，用内燃机带动发电机发电后用电能的方式传送给车辆来驱动电机和车辆运行，这种方式是存在有多种，但都存在着转换效率低或成本高的问题，主要原因是发电机和贮能器的效率低。在混合动力车中为了保持较高的发动机燃油效率，发动机定速发电的方案已逐步淘汰，这是因为车辆在运行中消耗的功率变化非常大，定速发电在轻载时效率很低。而目前现有的产品中，变速发电方案分别采用了异步发电机、永磁同步发电机和同步励磁发电机，其中异步发电机和永磁同步发电机在变速工沉发电必需要配备一台同样功率大小的变流器或变频器，不仅价值不菲，同时还存在着发电机参数在大的变速状态下效率降低的问题，同时还存在变流器或变频器的效率损耗。同步励磁发电机不仅体积重量比永磁同步发电机大得多，相应效率也低得多。另外在现有的贮能部件中一般采用电池，电池在电能的存取过程中都要产生化学变化，特别是在混合动力车中作为贮能的电池组充放电电流非常大，由于电池内阻较高，电流越大转换效率越低，电池寿命也越短，这也是目前普遍存的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可提高发电机的效率，显著降低油耗和废汽排放，效率高、成本低的混合动力车发电贮能系统。该系统最明显的特点是使用了两项非常有效的节能技术：一种是能在高速和低速都能获得高效率的双速永磁同步发电机，还有能显著提高能量回收效率的超级电容贮能器，相对电池来比较优点是内阻低，电流转换效率高，使用寿命长的理想贮能部件。

本发明的目的通过以下技术方案来实现。

一种混合动力车发电贮能系统，包括动力车发动机(1)、永磁同步发电机(2)、动力车驱动电机(3)，所述永磁同步发电机设有高速绕组与低速绕组两路绕组，且分别在轻负荷低速区和重负荷高速区发电用，高速绕组与低速绕组通过一发电控制器检测当时的运行状况实行自动转换，动力车驱动电机由一电机控制器来控制调速，其特征在于：所述永磁同步发电机与发动机之间采用弹性连接，低速发电时永磁同步发电机的两组线圈为串连接法，而高速大功率发电时仅用其中一组大电流绕组；引出的输出线共六个端子，分别输出低速绕组和高速绕组的三相线圈端子，根据永磁同步电机的特性要求，高速绕组和低速绕组两組线圈是串联连接并采用Y型接法，这样做的好处是可以减少线圈内部的环流，提高发电效率。

所述高速绕组与低速绕组的自动转换设有一高低速绕组转换电路，转换电路包括一高压真空开关的一对触点或者是一高压电子开关与三相整流桥电路。

所述发电控制器为三相全桥直接整流方式的控制器，发电控制器内设有速度电压控制器、发电机转速控制模块、发电机ECU、提供信号给速度电压控制器的内电压采样比较器与速度采样比较器、控制高低速绕组转换电路转换开关的继电器控制模块及提供采样信号的比较器。

所述永磁同步发电机的低速绕组与高速绕组分别经ZL1和ZL2三相整流输出，当发动机工作在低转速时，此时ZL2的输出电压低于贮能电容的电压，因此没有电流输出，经ZL1整流后的输出电压给贮能电容充电，ZL1的输出仅供车辆低速小功率运行时发电用；当车辆进入加速重负荷工况，发电控制器通过对车速和负荷的设定值及采样加速踏板的电压给定值，控制发动机的油门电压值增大，同时断开高压真空开关，隔断ZL1的直流输出电压值，发动机的转速迅速升高至高转速区，此时ZL2的输出电压值升高，输出大的电流并直接输送给电机控制器的变频器部分，电流的大小由发电控制器对贮能电容电压、车速不断采样，并通过控制电路形成的负反馈来调整发动机转速。

所述发电控制器可通过检测车速和贮能电容的电压值来控制驱动电机的驱动功率。

本发明与现有技术相比具有以下优点。

1、本发明永磁同步发电机为双速永磁同步发电机，两组线圈输出，分别在发动机低转速小功率区和高转速大功率区工作，使发动机在两个不同的区域都工作在高效率区，提高了发电机的效率，显著降低了油耗和废汽排放，由于具有可自由转换的低转速小功率绕组和高转速大功率绕组，其效率比一个绕组的变速发电永磁同步电机为高，燃油效率的提高对混合动力车具有重大意义，因此本发明具有效率高成本低的优点。发电机三相输出绕组的转换只需一对触点的高压真空开关或者是一个IGBT模块组成的电子开关，结构简单可靠，整流效率远高于用变流器或变频器。

2、发动机使用小功率的发动机，不仅降低了发动机成本，更重要的是大幅降低了发动机的燃料消耗和噪音，根据试验样车长时间的运行试验，燃料节省率超过30％，经济效益明显。

3、用超级电容做贮能器，具有低内阻高功率的特性，在电流的充放电过程中主要是电荷移动的物理反应，由于内阻低充放电效率比电池高，因此在本发明用超级电容做贮能器有明显的优势；相对电池来比较，提高了贮能器的能量回收效率和加速时的输出功率，显著减少了贮能器的体积和重量，同时贮能电容的寿命也比电池更长，因此具有明显经济效益。

4、发电控制器由于是直接整流方式，成本比用变流器或变频器低得多。

附图说明

图1为本发明混合动力车发电贮能系统示意图；

图2为本发明混合动力车发电贮能系统永磁同步发电和电机驱动方框图；

图3为本发明混合动力车发电贮能系统之驱动功率与车速特性曲线图；

图4为本发明混合动力车发电贮能系统之贮能电容电压与车速的变化曲线图；

图5为本发明混合动力车发电贮能系统之小功率发动机特性曲线本发明也适用于其他型号和不同特性曲线的发动机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明混合动力车发电贮能系统作进一步详细描述。

如图1、图2所示，本发明混合动力车发电贮能系统：包括动力车发动机1、永磁同步发电机2、动力车驱动电机3，永磁同步发电机2设有高速绕组与低速绕组两路绕组，且分别在轻负荷低速区和重负荷高速区发电用，高速绕组与低速绕组通过一发电控制器4检测当时的运行状况实行自动转换。动力车驱动电机3由电机控制器6控制，在发电控制器4与电机控制器6之间设有大功率小容量的贮能电容5，贮能电容5用来贮存车辆减速和制动时回收的惯性动能。来自发电机2的电能大部分不经贮能电容而直接经电机控制器6来驱动动力车驱动电机3，以减少电能在充放电过程中的损失。其中永磁同步发电机2的低速绕组和高速串连连接并采用“Y”型接法。低速发电时永磁同步发电机2的两组线圈为串连接法，引出的输出线共6个端子，分别输出低速绕组和高速绕组的三相线圈端子。高速绕组与低速绕组的自动转换设有一高低速绕组转换电路，转换电路包括一高压真空开关的一对触点或一高压电子开关与三相整流桥电路。动力车发动机1可以是小功率的燃汽发动机或其他燃料发动机。

其中发电控制器的功能可实现了以下功能：

其一整流和预充电路：贮能电容在首次使用或完全放电后的电压接近零伏，因为电容的内阻极低，对发电机相当于负载短路，因此需要对电容进行首次预充电，方法是用市电交流电源通过电容C限流，再经ZL3整流后给贮能电容器充电。在平时车辆每天的行驶中，是不需要进行预充的，因为贮能电容的自放电很低，每天首次发动车辆时电压都会保持在电机控制器的正常工作范围，除非车辆要维修需长时间停放电压才会低至电机控制器的正常工作电压值以下，这时才需要通过市电预充电。

其二可通过检测车速来控制驱动电机的驱动功率。如图3，为了保障低速起动时的大扭矩，电机的驱动功率在0-22km/h段呈线性上升趋势并在电机的基频点达到峰值，然后随着车速上升而遂渐下降，直至与发电机输出功率相接近，这样做的好处是有效地利用了贮能电容贮存的能量，与图4的贮能电容电压与车速的变化曲线图配合，可以获得很好的控制效果和电量控制精度。发动机高速发电时ZL1会输出超过电容器额定工作电压数倍的直流电压，但由于高压真空开关呈断开状态，因此不会有电流输出。车辆在下坡，停车，制动等不需要功率的情况下，ECU控制发动机进入怠速状态，维持最低的燃油消耗。根据上述原理，发动机和发电机无论是空载、轻载或重载时，始终运行在效率较高的工况。

其中永磁同步发电机2有两个串连的绕组，其中高速绕组电流大，低速绕组电流小，其原理是：低速时两个绕组串连连接提高输出电压，高速时仅用大电流的高速绕组，此时低速绕组虽然产生更高的电压，由于K1真空开关的断开而隔离过高的电压。

永磁同步发电机的效率较其他类型的发电机高，但用在变速发电的场合就必需采用变频控制逆变技术将交流电流转换成直流，这显然增加了系统的成本，同时相对比本文直接用三相全桥整流电路，也降低了发电转换效率。本文是根据内燃机的万有曲线选择两个工作点，一个是车辆低负荷区的低速区，这时发电机绕组是串联起来的，使发电机在低转速仍然能够输出足够高的电压给驱动系统使用。车辆在加速过程中消耗的功率明显增加，这时高压真空开关K1将ZL1输出断开，ECU控制发动机提速至高速区，输出大的电流给驱动电机。合理地选择低速和高速区，可明显提高燃油的经济性。

高低速绕组的转换：发电控制器通过检测当时的运行状况，自动转换高低速绕组。具体实施的方法是永磁同步发电机的高低压绕组分制经ZL1和ZL2三相整流输出，当发动机工作在低转速时，由于ZL1的输出电压低于贮能电容上的电压，因此ZL1没有电流输出，而发电机低速绕组是与高速绕组串联的，因此经ZL1整流后的输出电压足够对贮能电容充电.由于低速绕组的额定电流较小，因此ZL1输出仅供车辆低速小功率运行时发电用.而当车辆进入加速重负荷工况，由于电流消耗增大导致贮能电容上的电压值下降，经发电控制器内ECU通过对车速和负荷设定值即采样脚踏控制器驱动转矩的给定值，控制发动机的油门给定值增大，同时关断K1高压真空开关，发动机的转速迅速升高至高转速区，此时ZL2的电压值升高，输出大的电流并直接输送给电机控制器的变频器部分。电流的大小由ECU对电容电压、车速不断采样，并通过控制电路形成的负反馈来调整发动机转速，维持电容上的电压值的变化。

如图4，贮能电容电压与车速的变化曲线图，其工作原理是车速越高时贮能电容电压应越低，原因是车速越高车辆贮存的动能越多，因此贮能电容需要释放更多的能量才能在车辆制动时更有效地回收能量，如下式：

车辆回收动能(W.H)＝1/2GV²/3600*K

贮能电容能量(W.H)(＝1/2C(Vh²-Vl²)/3600

其中Vh为最贮能电容高电压，Vl为贮能电容最低电压，K为动能转化为电能的转换系数，根据大量的实际试验，K为0.6-0.65之间。

如图5是一台典型的小功率发动机的万有曲线图，从它的转速和扭矩曲线来看，燃油的消耗率是在160Nm的区域最低，相对来说该区域排放也比较低，但是普通车辆在运行中是不可能维持工作在这理想的区域。在本文中，我们设计的双速发电机，车辆低速或匀速小功率运行时，发动机工作在低速最佳经济负荷区，不同型号和性能的发动机会有不同的速度范围；车辆在加速和消耗较大功率时，发动机迅速增速至高速大功率区，与此同时图2中的高压真空开关或电子开关K1断开，发电机输出电流经L2绕组输出大功率的直流电。

本发明与普通的串联模式另一不同之处是采用了效率非常高的贮能电容来贮存电机再生制动时产生的电能；在标准的城市工况模式，有50％左右的能量消耗在车辆加速的动能上，普通的公交车是在制动时将这部分能量通过制动系统转为热量消耗了，而一般的混合动力车也是用各种电池来贮存电机回收的电能，但由于电池是依靠化学反应来贮存电量，存在着内阻高，效率低和使用寿命短的问题，采用高性能的贮能电容彻底解决了这一问题。

本发明的工作原理：

1、车辆发动并处于停车状态：

这时发动机先怠速运行即维持发动机最低稳定运转的转速，一般在700-800转/分钟，待发动机预热后(，其中信号取自水箱温度传感器，发动机增速至最经济的低速区发电，发电机输出电流对贮能电容预充电，直至电压上升至贮能电容可以承受的电压上限值时发动机转入怠速状态，充电结束，贮能电容已贮备足够的能量给车辆加速时用。

2、车辆起步加速：

车辆起步加速时发动机将根据电机控制器的检测信号来改变发动机的转速，电机控制器检测和运算当时的贮能电容电量值和车速及驾驶员对油门电压的指令值，自动调整发动机的转速，在急加速及电容器贮存的电量相对应的车速来比较偏低时，发动机将增速至高速大功率区，此时发电机输出大的电流，发动机是按最大功率时的经济转速区运行，驱动电机同时从发电机和贮能电容获得电能，因此完全能满足车辆的加速功率。

3、匀速运行：

车速达到预定值后，加速过程结束，这时由于能量的消耗显著减少，发电控制器将控制发动机进入低速区运行，发电机输出相对较小的电功率；发电控制器的调节作用，令发电机完全可以满足城市公交车在低速或高速运行的能量消耗.

4、减速运行：

车辆遇到障碍或即将到站需要减速运行时，驾驶员会完全松开脚踏油门，这时电机控制器将控制发动机怠速运行，车辆呈滑行状态。

5、减速制动：

减速制动和紧急制动是有区别的，减速制动的目的是控制车辆从较高的车辆减速到较低的车速，或者是希望用较小的制动力使车辆运行一段距离后再慢慢停下来，因此电机控制器可以通过制动踏板的并关检测到这个信号，即时控制发动机进入怠速状态，发电机没有电流输出，电机控制器令电机由驱动状态转为发电状态，车辆的惯性能即通过电机和电机控制器转为直流电流贮存在贮能电容器内，为下一次起步加速提供能量贮备。

6、紧急制动：

车辆运行前方遇有危险性障碍时，驾驶员迅速踩下制动踏板，这时电制动和机械式气制动同时发挥作用，车辆可以迅速停下来，安全性比普通车辆的单一机械式气制动效果更好也更安全。

无论车辆运行在何种工况，发动机的转速和发电机的输出功率，是由发电控制器通过同时检测包括贮能电容器电压、发电机电流、车速和驾驶员对油门的指令值来控制；电脑的精确运算控制比人工操控油门效果要好得多，这主要是通过控制发动机的工作曲线尽量维持在低油耗和低排放区，从而达到节能减排的环保效果。

Claims (4)

1.一种混合动力车发电贮能系统，包括动力车发动机(1)、永磁同步发电机(2)、动力车驱动电机(3)，所述永磁同步发电机设有高速绕组与低速绕组两路绕组，且分别在重负荷高速区和轻负荷低速区发电用，高速绕组与低速绕组通过一发电控制器检测当时的运行状况实行自动转换，动力车驱动电机由一电机控制器来控制调速；所述发电控制器与电机控制器之间设有大功率小容量的超级电容贮能器，该贮能器用来贮存车辆减速和制动时回收的惯性能，来自发电机(2)的三相交流电能经ZL1或ZL2整流转换成直流电，绝大部分电流不经由超级电容而直接经电机控制器来驱动动力车的驱动电机，以减少电能在充放电过程中的损失，其特征在于：所述永磁同步发电机与发动机之间采用弹性连接，低速发电时永磁同步发电机的高、低绕组为串连接法，而高速大功率发电时仅用其中输出大电流的高速绕组；引出的输出线共六个端子，分别输出低速绕组和高速绕组的三相线圈端子，根据永磁同步电机的特性要求，高速绕组和低速绕组两组线圈是串联连接并采用Y型接法，这样做的好处是可以减少线圈内部的环流，提高发电效率。

2.根据权利要求1所述的混合动力车发电贮能系统，其特征在于：所述高速绕组与低速绕组的自动转换设有一高低速绕组转换电路，转换电路包括一高压真空开关的一对触点或者是一高压电子开关与三相整流桥电路。

3.根据权利要求2所述的混合动力车发电贮能系统，其特征在于：所述发电控制器为三相全桥直接整流方式的控制器，发电控制器内设有速度电压控制器、发电机转速控制模块、发电机ECU、提供信号给速度电压控制器的内电压采样比较器与速度采样比较器、控制高低速绕组转换电路转换开关的继电器控制模块及提供采样信号的比较器。

4.根据权利要求3所述的混合动力车发电贮能系统，其特征在于：所述发电控制器通过检测车速和贮能电容的电压值来控制驱动电机的驱动功率。 

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