一種混合動力車發電貯能系統的製作方法

2023-10-10 20:38:59

專利名稱：一種混合動力車發電貯能系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及交通工具領域，具體來說是一種混合動力車發電貯能 系統。
背景技術：
目前國內LPG或CNG公交巴士的發動機，使用的是用大功率柴油發動 機改裝的發動機，普遍存在油耗高的問題.而汽油發動機的性能與燃汽發 動機的要求非常相似，因此在一些小型車輛的改造中獲得很好的經濟效 益。但對大型公交車車輛的動力要求，目前的汽油機功率明顯偏小。
在混合動力車領域，用內燃機帶動發電機發電後用電能的方式傳送 給車輛來驅動電機和車輛運行，這種方式是存在有多種，但都存在著轉 換效率低或成本高的問題，主要原因是發電機和貯能器的效率低。在混 合動力車中為了保持較高的發動機燃油效率，發動機定速發電的方案已 逐步淘汰，這是因為車輛在運行中消耗的功率變化非常大，定速發電在輕 載時效率很低。而目前現有的產品中，變速發電方案分別採用了異步發 電機、永磁同步發電機和同步勵磁發電機，其中異步發電機和永磁同步 發電機在變速工況發電必需要配備一臺同樣功率大小的變流器或變頻器， 不僅價值不菲，同時還存在著發電機參數在大的變速狀態下效率降低的 問題，同時還存在變流器或變頻器的效率損耗。同步勵磁發電機不僅體 積重量比永磁同步發電機大得多，相應效率也低得多。另外在現有的貯能 部件中一般採用電池，電池在電能的存取過程中都要產生化學變化，特 別是在混合動力車中作為貯能的電池組充放電電流非常大，由於電池內 阻較高，電流越大轉換效率越低，電池壽命也越短，這也是目前普遍存的 問題。

實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種可提高發電機的效率，顯著降低油耗 和廢汽排放，效率高、成本低的混合動力車發電貯能系統。該系統最明 顯的特點是使用了兩項非常有效的節能技術:一種是能在高速和低速都能獲得高效率的雙速永磁同步發電機，還有能顯著提高能量回收效率的 超級電容貯能器，相對電池來比較優點是內阻低，電流轉換效率高，使用 壽命長的理想貯能部件。
本實用新型的目的通過以下技術方案來實現。 一種混合動力車發電貯能系統，包括動力車發動機l、永磁同步發電
機2、動力車驅動電機3，其特徵在於所述永磁同步發電機設有高速繞 組與低速繞組兩路繞組，且分別在輕負荷低速區和重負荷高速區發電用， 高速繞組與低速繞組通過一發電控制器檢測當時的運行狀況實行自動轉 換，動力車驅動電機3由一電機控制器6來控制。
所述發電控制器4與電機控制器6之間設有大功率小容量的超級電 容貯能器5，該貯能電容用來貯存車輛減速和制動時回收的慣性能，來自 發電機2的電能大部分不經貯能電容5而直接經電機控制器6來驅動動 力車驅動電機，以減少電能在充放電過程中的損失。
所述永磁同步發電機採用"Y"型接法，低速發電時永磁同步發電機 的兩組線圈為串連接法，引出的輸出線共6個端子，分別輸出低速繞組和 高速繞組的三相線圈端子。
所述高速繞組與低速繞組的自動轉換設有一高低速繞組轉換電路， 轉換電路包括一高壓真空開關的一對觸點或一高壓電子開關與三相整流 橋電路。
所述發電控制器為一直接整流方式的控制器，內設有速度電壓控制 器、發電機轉速控制模塊、發電機ECU、提供信號給速度電壓控制器的內 電壓採樣比較器與速度採樣比較器、控制高低速繞組轉換電路轉換開關 的繼電器控制模塊及提供採樣信號的比較器。
所述永磁同步發電機的低高速繞組與低速繞組分別經ZL1和ZL2三 相整流輸出，當發動機工作在低轉速時，高速繞組由於線圈匝數少感應電 壓低，因此ZL2沒有電流輸出。低速繞組匝數較多而且是與高速繞組串 連在一起，因此能輸出足夠高的電壓經ZL1整流後輸出電說先給超級電容 貯能充電，使貯能器的電壓達到圖4所示的數值，為車輛首次起步加速 貯備能量，需要特別說明的是:貯能電容器只是車輛每天首次起步時需要 補充較多的電量，正常運行後很少需要通過發電機來補充電量，電能的補 充主要是通過回收車輛減速式制動的慣性動能。ZL1輸出僅供車輛低速小功率運行時發電用；當車輛進入加速重負荷工況,發電控制器通過對車速 和負荷的設定值即採樣腳踏控制器驅動轉矩的給定值，控制發動機的油 門給定值增大，同時斷開高壓真空開關，隔斷ZL1輸出的高電壓，發動機 的轉速迅速升高至高轉速區，此時ZL2的電壓值升高，高速繞組輸出大的 電流並直接輸送給電機控制器的變頻器部分，給電機提供大的驅動電流。 其過程發電控制器對貯能電容電壓、車速不斷採樣，並通過控制電路形 成的負反饋來調整發動機轉速，維持貯能電容上的電壓值符合圖4的曲 線變化。
所述發電控制器可實現整流和預充電路。 所述發電控制器可通過檢測車速來控制驅動電機的驅動功率。 所述動力車發動機為小功率的發動機。 本實用新型與現有技術相比具有以下優點。
1、 本實用新型永磁同步發電機為雙速永磁同步發電機，兩組線圈輸 出，分別在發動機低轉速小功率區和高轉速大功率區工作，使發動機在兩 個不同的區域都工作在高效率區，提高了發電機的效率，顯著降低了油 耗和廢汽排放，由於具有可自由轉換的低轉速小功率繞組和高轉速大功 率繞組，其效率比一個繞組的變速發電永磁同步電機為高，燃油效率的提 高對混合動力車具有重大意義，因此本實用新型具有效率高成本低的優 點。發電機三相輸出繞組的轉換隻需一對觸點的高壓真空開關或者是一 個IGBT模塊組成的電子開關,結構簡單可靠,整流效率遠高於用變流器或
變頻器。
2、 發動機使用小功率的發動機，不僅降低了發動機成本，更重要的是 大幅降低了發動機的燃料消耗和噪音，根據試驗樣車長時間的運行試驗， 燃料節省率超過30%,經濟效益明顯。
3、 用超級電容做貯能器，具有低內阻高功率的特性，在電流的充放 電過程中主要是電荷移動的物理反應，由於內阻低充放電效率比電池高， 因此在本實用新型用超級電容做貯能器有明顯的優勢；相對電池來比較， 提高了貯能器的能量回收效率和加速時的輸出功率，顯著減少了貯能器 的體積和重量，同時貯能電容的壽命也比電池更長，因此具有明顯經濟效
益o
4、 發電控制器由於是直接整流方式,成本比用變流器或變頻器低得多。


圖1為本實用新型混合動力車發電貯能系統示意圖2為本實用新型混合動力車發電貯能系統永磁同步發電和電機驅動方 框圖3為本實用新型混合動力車發電貯能系統之驅動功率與車速特性曲線 圖4為本實用新型混合動力車發電貯能系統之貯能電容電壓與車速的變 化曲線圖5為本實用新型混合動力車發電貯能系統之小功率發動機特性曲線本 實用新型也適用於其他型號和不同特性曲線的發動機。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型混合動力車發電貯能系統作進一步詳細 描述。
如圖l、圖2所示，本實用新型混合動力車發電貯能系統:包括動力 車發動機1、永磁同步發電機2、動力車驅動電機3，永磁同步發電機2 設有高速繞組與低速繞組兩路繞組，且分別在輕負荷低速區和重負荷高 速區發電用，高速繞組與低速繞組通過一發電控制器4檢測當時的運行 狀況實行自動轉換。動力車驅動電機3由電機控制器6控制，在發電控 制器4與電機控制器6之間設有大功率小容量的貯能電容5，貯能電容5 用來貯存車輛減速和制動時回收的慣性動能。來自發電機2的電能大部 分不經貯能電容而直接經電機控制器6來驅動動力車驅動電機3,以減少 電能在充放電過程中的損失。其中永磁同步發電機2的低速繞組和高速 串連連接並採用"Y"型接法。低速發電時永磁同步發電機2的兩組線圈 為串連接法，引出的輸出線共6個端子，分別輸出低速繞組和高速繞組的 三相線圈端子。高速繞組與低速繞組的自動轉換設有一高低速繞組轉換 電路，轉換電路包括一高壓真空開關的一對觸點或一高壓電子開關與三 相整流橋電路。動力車發動機1可以是小功率的燃汽發動機或其他燃料 發動機。
其中發電控制器的功能可實現了以下功能其一整流和預充電路貯能電容在首次使用或完全放電後的電壓接 近零伏，因為電容的內阻極低，對發電機相當於負載短路，因此需要對電 容進行首次預充電，方法是用市電交流電源通過電容C限流，再經ZL3整 流後給貯能電容器充電。在平時車輛每天的行駛中，是不需要進行預充的， 因為貯能電容的自放電很低，每天首次發動車輛時電壓都會保持在電機 控制器的正常工作範圍，除非車輛要維修需長時間停放電壓才會低至電 機控制器的正常工作電壓值以下，這時才需要通過市電預充電。
其二可通過檢測車速來控制驅動電機的驅動功率。如圖3，為了保障 低速起動時的大扭矩，電機的驅動功率在0-22km/h段呈線性上升趨勢並 在電機的基頻點達到峰值，然後隨著車速上升而遂漸下降，直至與發電 機輸出功率相接近，這樣做的好處是有效地利用了貯能電容貯存的能量， 與圖4的jJC能電容電壓與車速的變化曲線圖配合，可以獲得很好的控制效 果和電量控制精度。發動機高速發電時ZL1會輸出超過電容器額定工作 電壓數倍的直流電壓，但由於高壓真空開關呈斷開狀態，因此不會有電流 輸出。車輛在下坡，停車,制動等不需要功率的情況下，ECU控制發動機進 入怠速狀態,維持最低的燃油消耗。根據上述原理，發動機和發電機無論 是空載、輕載或重載時，始終運行在效率較高的工況。
其中永磁同步發電機2有兩個串連的繞組，其中高速繞組電流大，低 速繞組電流小，其原理是低速時兩個繞組串連連接提高輸出電壓，高 速時僅用大電流的高速繞組，此時低速繞組雖然產生更高的電壓，由於Kl 真空開關的斷開而隔離過高的電壓。
永磁同步發電機的效率較其他類型的發電機高，但用在變速發電的 場合就必需採用變頻控制逆變技術將交流電流轉換成直流，這顯然增加 了系統的成本，同時相對比本文直接用三相全橋整流電路，也降低了發電 轉換效率。本文是根據內燃機的萬有曲線選擇兩個工作點， 一個是車輛低 負荷區的低速區,這時發電機繞組是串聯起來的，使發電機在低轉速仍然 能夠輸出足夠高的電壓給驅動系統使用。車輛在加速過程中消耗的功率 明顯增加，這時高壓真空開關Kl將ZL1輸出斷開，ECU控制發動機提速至 高速區，輸出大的電流給驅動電機。合理地選擇低速和高速區，可明顯提 高燃油的經濟性。
高低速繞組的轉換:發電控制器通過檢測當時的運行狀況，自動轉換高低速繞組。具體實施的方法是永磁同步發電機的高低壓繞組分制經ZL1 和ZL2三相整流輸出，當發動機工作在低轉速時，由於ZL1的輸出電壓低 於貯能電容上的電壓，因此ZL1沒有電流輸出，而發電機低速繞組是與高 速繞組串聯的，因此經ZL1整流後的輸出電壓足夠對貯能電容充電.由於 低速繞組的額定電流較小，因此ZL1輸出僅供車輛低速小功率運行時發電 用.而當車輛進入加速重負荷工況，由於電流消耗增大導致貯能電容上的 電壓值下降，經發電控制器內ECU通過對車速和負荷設定值即採樣腳踏控 制器驅動轉矩的給定值，控制發動機的油門給定值增大，伺時關斷K1高壓 真空開關，發動機的轉速迅速升高至高轉速區，此時ZL2的電壓值升高，輸 出大的電流並直接輸送給電機控制器的變頻器部分。電流的大小由ECU 對電容電壓、車速不斷採樣，並通過控制電路形成的負反饋來調整發動 機轉速，維持電容上的電壓值的變化。
如圖4，貯能電容電壓與車速的變化曲線圖，其工作原理是車速越高 時貯能電容電壓應越低，原因是車速越高車輛貯存的動能越多，因此貯 能電容需要釋放更多的能量才能在車輛制動時更有效地回收能量，如下 式
車輛回收動能(W.HX/2GV2/3600 *K 貯能電容能量(W. H) (=1/2C (Vh2 -VI2) /3600
其中Vh為最貯能電容高電壓，VI為貯能電容最低電壓，K為動能轉 化為電能的轉換係數，根據大量的實際試驗，K為0. 6-0. 65之間。
如圖5是一臺典型的小功率發動機的萬有曲線圖，從它的轉速和扭矩 曲線來看,燃油的消耗率是在160Nm的區域最低，相對來說該區域排放也 比較低，但是普通車輛在運行中是不可能維持工作在這理想的區域。在本 文中，我們設計的雙速發電機，車輛低速或勻速小功率運行時，發動機工 作在低速最佳經濟負荷區，不同型號和性能的發動機會有不同的速度範 圍；車輛在加速和消耗較大功率時，發動機迅速增速至高速大功率區，與 此同時圖2中的高壓真空開關或電子開關Kl斷開，發電機輸出電流經L2 繞組輸出大功率的直流電。
本實用新型與普通的串聯模式另一不同之處是採用了效率非常高的 貯能電容來貯存電機再生制動時產生的電能；在標準的城市工況模式,有 50%左右的能量消耗在車輛加速的動能上，普通的公交車是在制動時將這部分能量通過制動系統轉為熱量消耗了，而一般的混合動力車也是用各 種電池來貯存電機回收的電能，但由於電池是依靠化學反應來忙存電量， 存在著內阻高，效率低和使用壽命短的問題，採用高性能的貯能電容徹底 解決了這一問題。
本實用新型的工作原理
1、 車輛發動並處於停車狀態
這時發動機先怠速運行即維持發動機最低穩定運轉的轉速， 一般在 700-800轉/分鐘，待發動機預熱後(，其中信號取自水箱溫度傳感器，發動 機增速至最經濟的低速區發電，發電機輸出電流對貯能電容預充電，直至 電壓上升至貯能電容可以承受的電壓上限值時發動機轉入怠速狀態，充 電結束，貯能電容己貯備足夠的能量給車輛加速時用。
2、 車輛起步加速 車輛起步加速時發動機將根據電機控制器的檢測信號來改變發動機
的轉速，電機控制器檢測和運算當時的貯能電容電量值和車速及駕駛員 對油門電壓的指令值，自動調整發動機的轉速，在急加速及電容器貯存的 電量相對應的車速來比較偏低時，發動機將增速至高速大功率區，此時發 電機輸出大的電流，發動機是按最大功率時的經濟轉速區運行，驅動電機 同時從發電機和貯能電容獲得電能，因此完全能滿足車輛的加速功率。
3、 勻速運行
車速達到預定值後，加速過程結束，這時由於能量的消耗顯著減少， 發電控制器將控制發動機進入低速區運行，發電機輸出相對較小的電功 率；發電控制器的調節作用，令發電機完全可以滿足城市公交車在低速或 高速運行的能量消耗.
4、 減速運行
車輛遇到障礙或即將到站需要減速運行時，駕駛員會完全鬆開腳踏 油門，這時電機控制器將控制發動機怠速運行，車輛呈滑行狀態。
5、 減速制動
減速制動和緊急制動是有區別的，減速制動的目的是控制車輛從較 高的車輛減速到較低的車速，或者是希望用較小的制動力使車輛運行一 段距離後再慢慢停下來，因此電機控制器可以通過制動踏板的並關檢測 到這個信號，即時控制發動機進入怠速狀態，發電機沒有電流輸出，電機控制器令電機由驅動狀態轉為發電狀態，車輛的慣性能即通過電機和電 機控制器轉為直流電流貯存在貯能電容器內，為下一次起步加速提供能 量貯備。
6、緊急制動
車輛運行前方遇有危險性障礙時，駕駛員迅速踩下制動踏板，這時電制動 和機械式氣制動同時發揮作用，車輛可以迅速停下來，安全性比普通車輛 的單一機械式氣制動效果更好也更安全。
無論車輛運行在何種工況，發動機的轉速和發電機的輸出功率，是由 發電控制器通過同時檢測包括貯能電容器電壓、發電機電流、車速和駕 駛員對油門的指令值來控制；電腦的精確運算控制比人工操控油門效果 要好得多，這主要是通過控制發動機的工作曲線儘量維持在低油耗和低 排放區，從而達到節能減排的環保效果。
權利要求1、一種混合動力車發電貯能系統，包括動力車發動機、永磁同步發電機、動力車驅動電機，其特徵在於所述永磁同步發電機設有高速繞組與低速繞組兩路繞組，且分別在輕負荷低速區和重負荷高速區發電用，高速繞組與低速繞組通過一發電控制器檢測當時的運行狀況實行自動轉換，動力車驅動電機由一電機控制器來控制調速。
2、 根據權利要求1所述的混合動力車發電貯能系統，其特徵在於所 述發電控制器與電機控制器之間設有大功率小容量用來貯存車輛減速和 制動時回收的慣性能的貯能電容。
3、 根據權利要求2所述的混合動力車發電貯能系統，其特徵在於所述永磁同步發電機與發動機之間採用彈性連接，永磁同步發電機的兩 組線圈在低速發電時為串連接法而在高速大功率發電時僅用其中一組大 電流繞組，永磁同步發電機引出的輸出線共6個端子,分別輸出到低速繞 組和高速繞組的三相線圈端子，高速繞組和低速繞組兩組線圈是串聯連 接並採用Y型接法。
4、 根據權利要求3所述的混合動力車發電貯能系統，其特徵在於所 述高速繞組與低速繞組的自動轉換設有一高低速繞組轉換電路，轉換電 路包括一高壓真空開關的一對觸點或者是一高壓電子開關與三相整流橋 電路。
5、 根據權利要求4所述的混合動力車發電貯能系統，其特徵在於所述發:電控制器:為三相全橋直接整流方式的控制器，發電控制器內設有速度電壓控制器、發電機轉速控制模塊、發電機ECU、提供信號給速度電壓 控制器的內電壓採樣比較器與速度採樣比較器、控制高低速繞組轉換電 路轉換開關的繼電器控制模塊及提供採樣信號的比較器。
6、 根據權利要求1所述的混合動力車發電貯能系統，其特徵在於所 述動力車發動機為小功率的發動機。
專利摘要本實用新型公開了一種混合動力車用動力裝置，包括發動機、永磁同步發電機、驅動電機及相應的冷卻系統，其特徵在於所述發動機與永磁同步發電機之間通過一彈性連軸器連接，而且發動機、永磁同步發電機、驅動電機三大部件同一條軸線安裝，驅動電機的輸出端與一雙級減速後橋的輸入端相連接，其中將永磁同步發電機輸出通過一發電控制器轉為直流電並直接輸送到一電機控制器，再通過電機控制器控制驅動電機。所述發電控制器與電機控制器之間設有大貯能電容。所述發動機、永磁同步發電機、驅動電機三大部件僅設有發動機的冷卻系統。本實用新型具有簡化了傳動系統並實現了無級變速功能，大大減輕了駕駛人員的勞動強度，降低了成本與能耗，提高經濟效益的優點。
文檔編號B60L11/00GK201300744SQ20082004990
公開日2009年9月2日 申請日期2008年6月30日 優先權日2008年6月30日
發明者羅治輝 申請人:羅治輝