CN100537292C - 汽车制动能量回收缓速方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车制动能量回收缓速方法及其系统，利用汽车缓速/行器的制动能量回收发电，将缓速/行器制动发电装置串连于汽车的变速箱和第一传动轴之间，缓速/行器制动发电装置内有电动机，电动机上连接有电力变换装置，电力变换装置和广义负载相连，缓速/行器制动发电装置利用汽车产生的制动力矩拖动电动机产生电能，为车体辅助电源或广义负载供电。本发明可把汽车的制动动能转化成电能，并加以存储和利用，为车辆提供了新的能量来源，将以往未加以利用的车辆制动能量加以利用，尤其对于汽车增加辅助电源供电能力具有显著意义；系统具有结构简单、响应快、改装方便、便于安装等优点，特别适合交变动力驱动方式，可用于汽车和电动车等多种车辆。

Description

汽车制动能量回收缓速方法及其系统

技术领域

本发明涉及汽车制动缓速的方法及系统，特别是一种汽车制动能量回收缓速方法及其系统。

背景技术

电机能量回收的工作原理是把电动机作为发电机将制动力矩转换为电能，实现动能的能量回收。目前，此方法已经广泛的应用于电动自行车、电动三轮车、微型电动车、电动汽车的刹车能量回收当中，并取得了很好的效果。将车体动能转化为电能供给蓄电池或者超级电容，既达到了提供刹车制动力矩的效果，又提高了电动车的续驶里程，同时也可为车体辅助电源供电，节约了能源，具有很高的经济价值，成为了未来电动车的发展趋势。

基于对电动汽车、微型电动车能量回收技术的研究成果，产生了将这些技术应用于汽车缓速/行器辅助刹车当中的想法，由于传统的缓速/行器按照工作原理的不同可以分为电涡流式、液力式和永磁式等形式，尤其对于电涡流式缓速/行器，可能出现因产生的热量过多而烧坏的现象。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，如借鉴电动车能量回收制动技术，将其应用到缓速/行器中，利用电机将制动动能转换为电能，并通过电力变换装置将此部分能量用储能系统存储起来，以供车体辅助电源所用，既可达到刹车制动的效果，又可实现能量的回收的目的。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种汽车制动能量回收缓速方法及其系统，该方法及其系统利用汽车缓速/行器产生的制动能量回收发电，将汽车的制动能量回收并加以存储和利用。

本发明的方法及系统为汽车提供了新的能量来源。这对电动汽车而言尤为重要，可以有效提高电动汽车的续驶里程，具有显著的经济价值和社会价值。另外，在利用缓速/行器制动发电的过程中，采用适当的控制方法，可以使本系统起到提供车载辅助电源的作用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术措施：

利用汽车缓速/行器制动产生的能量回收发电，将缓速/行器制动发电装置串连于汽车的变速箱和传动轴之间，缓速/行器制动发电装置内有电动机，电动机上连接有电力变换装置，电力变换装置包括有控制模块和功率模块，功率模块上有过压保护模块；电力变换装置和广义负载相连，缓速/行器制动发电装置利用汽车产生的制动力矩拖动电动机产生电能，并加以存储和利用，其特征在于，所述的广义负载包括储能装置和耗能装置，当控制模块在储能装置中已经储满电能时，将电能在耗能装置中消耗。

该方法具体包括以下步骤：

a.缓速/行器制动装置接收汽车制动时的动能，并把该动能传递给缓速/行器制动装置中的电动机，利用电动机的发电将能量转化成电能；

b.电力变换装置接收缓速/行器制动装置中的电动机产生的电能，并对电能进行调整和变换；

c.广义负载接收经电力变换装置调整和变换后的电能，并对电能进行存储或利用。

广义负载可以包含储能装置和最终用电负载等。电力变换装置调整和变换后的电能由储能装置接收时，电力变换装置对储能装置的充电电压和电流进行控制；所述的电力变换装置调整和变换后的电能由最终用电负载接收时，电力变换装置对最终用电负载的供电电压和电流进行控制。

电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：

1)力矩传递过程，将制动产生的制动力矩传递给缓速/行器制动装置中的电动机，拖动电动机发电产生电能；

2)DC/DC变换过程，对步骤1)产生的电能进行电压和电流变换，在变压过程中当缓行产生的电压过高时，对电压进行降压处理。

所述的电力变换装置由功率模块和控制模块组成；功率模块用于调整和转换电动机产生的电能，并将电能用于广义负载；控制模块通过对功率模块的功率元件进行控制，使制动回收能量转化成电能，并为广义负载存储和利用。

控制模块在广义负载储能装置已经储满电能时，自动切换到耗能电路中，释放剩余部分制动动能。

实现上述方法的系统，其特征在于，该系统包括：

一个置于汽车变速箱和传动轴之间的缓速/行器制动装置，该缓速/行器制动装置中装有电动机，用于接收汽车制动时的动能，利用电动机的发电将能量转化成电能；

一个电力变换装置，由功率模块和控制模块组成，功率模块用于调整和转换电动机产生的电能，并将电能用于广义负载；控制模块通过对功率模块的功率元件进行控制，将制动回收能量转化成电能，并为广义负载存储和利用；

一个广义负载，用于存储和利用电力变换装置调整后的电能；

缓速/行器制动装置中的电动机与电力变换装置连接；电力变换装置与广义负载相连。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)为车辆提供了新的能量来源，将以往未加以利用的车辆制动能量加以利用，尤其对于汽车增加辅助电源供电能力具有显著意义；

2)由于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、响应快的优点，特别适合交变动力驱动方式。

3)由于缓速/行器改装方便，便于安装和对现有缓速/行器制动系统进行改造；

4)本系统应用广泛，可用于汽车和电动车等多种车辆。

5)在缓速/行器制动的过程中，采用适当的控制方法，可以使本系统在辅助减速的同时起到发电的作用。

附图说明

图1是本发明系统结构图；

图2是缓速/行器制动装置安装示意图，其中标号分别为：1、变速箱，2、万向节，3、缓速/行器制动装置，4、第一传动轴，5、第二传动轴，6、支撑座；

图3是实施例中电力变换装置中功率模块的电路原理图(以永磁无刷电动机为例)；

图4是实施例中电力变换装置的控制原理图。

以下结合附图和发明人给出的实施例，对本发明作进一步的详细描述。

具体实施方式

参见图1～2，依照本发明的技术方案，本实施例的技术路线是：

缓速/行器制动装置串连于汽车的变速箱和传动轴之间，缓速/行器制动装置中装有电动机，电动机上连接有电力变换装置，电力变换装置包括有控制模块和功率模块，功率模块上有过压保护模块；电力变换装置和广义负载相连，缓速/行器制动装置利用汽车产生的制动力矩拖动电动机产生电能，并加以存储和利用。具体制动能量回收缓速的方法包括以下步骤：

a.缓速/行器制动发电装置接收汽车刹车制动力矩，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；

b.电力变换装置接收缓速/行器发电装置产生的电能，并对电能进行调整和变换；

c.广义负载接收电力变换装置调整和变换后的电能，并对电能进行存储或利用。

电力变换装置的控制模块发出指令，电力变换装置的功率模块接收并执行指令，对电能的产生、存储和利用加以控制。

其中，控制模块依据传感器信号对发电、充电或供电过程进行控制。

其中，控制模块以将尽可能多的制动回收能量转化为电能为目的进行控制。

其中，控制模块的控制信号作用于功率模块的功率器件，实现对缓速/行器制动能量发电的控制。

其中，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用电负载中消耗。

其中，在广义负载包含储能装置的情况下，电力变换装置对储能装置的充电电压和电流进行控制。

其中，在广义负载包含最终用电负载的情况下，电力变换装置对最终用电负载的供电电压和电流进行控制。

其中，电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：

传动轴拖动电机发电，电机经过控制主电路实现DC/DC变换过程，对变换过程产生的直流电进行电压和电流变换。变压过程，当缓行产生的电压过高时，对电压进行降压处理。

本发明的汽车缓速/行器制动能量回收缓速系统，是通过缓速/行器将汽车制动能量转换成电能并供广义负载使用，包括：

一个置于主变速器和传动轴之间的缓速/行器制动发电装置，该发电装置与汽车主传动轴相联，用于将制动回收能量转换为电能；

一个电力变换装置，由功率模块和控制模块组成，其中功率模块用于调整和转换缓速/行器制动发电装置产生的电能，并将电能送于广义负载中；控制模块通过对功率模块的功率元件进行控制，使尽可能多的制动能量转化成电能，并为广义负载存储和利用；

一个广义负载，用于存储和利用电力变换装置调整后的电能；

缓速/行器制动发电装置与电力变换装置连接；电力变换装置再与广义负载相连。

所述的广义负载为储能装置和最终用电负载，所述储能装置为各种蓄电池、车载辅助电源、超级电容或飞轮其中之一，所述最终用电负载为电阻性负载、电感性负载、电容性负载其中之一或它们的组合。

上述缓速/行器制动发电装置是将原产品中缓速/行器制动装置进行改装，用电动机代替原来的缓速/行器，传动轴带动电动机转动，电机将制动动能转化为电能，电力变换电路将电机产生的电能通过功率管控制主电路调制，回收能量到储能装置，当能量存储满后，剩余部分能量将通过散热电路释放掉。

缓速/行器制动发电装置中包括电动机、传动轴和霍尔元件；电动机轴与传动轴相连，制动力矩经传动轴传递给电动机，电动机可以为各种直流电机、交流电机、轮毂电机等，电动机在力矩作用下高速运转，在电力变换装置调制作用下，将电动机作为发电机输出电能。

根据电机端电压公式：

$U_e=r_d\×i_d+l_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}+e_d---\left(1\right)$

U_e＝U_b+i_b×r_b           (2)

其中U_b是电池电压e_d是电机反电动势，其值与电机的转速成正比，当电机反电动势超过电机端电压时，此时，电池端电压将低于电机线电压，通过主电路调制，可对蓄电池充电。U_e为电机线电压，i_b为充电电流，r_b为蓄电池内阻，r_d电机绕组等效内阻，i_d为通过线圈电流，l_d为线圈绕组电感。

电力变换装置包括功率模块和控制模块。电力变换装置的功率模块为DC/DC变换器，用于调整电动机作发电机时控制主电路输出的电压和电流；DC/DC变换器中有功率开关器件，用来执行控制信号传达的指令；控制模块包括：检测车速用测速传感器、滤波电路、控制器和光电隔离电路，测速传感器置于缓速/行器制动装置上，用于获得微处理器所需的信号；控制器通过滤波电路与传感器相连，用于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，送至功率模块的功率开关器件的控制端。测速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。

控制器采用模拟控制器、数字控制器和模拟数字混合控制器其中的一种，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；数字控制器包括单片机、ARM、DSP、CPLD或FPGA其中的一种。

图2给出了缓速/行器制动发电装置安装示意图，缓速/行器制动发电装置3设置在万向节2与第一传动轴4之间，缓速/行器制动发电装置3内设有电动机，万向节2与变速箱1连接，缓速/行器制动发电装置3另一端与万向节2连接，支撑座6与缓速/行器制动发电装置3连接。

图3给出了实施例中电力变换装置的控制主电路。该电路由无刷直流电动机、功率开关器件组成，功率开关器件采用IGBT IPM智能功率模块，模块内含有IGBT必需的驱动和保护电路，也可以采用MOSFET作为功率器件，控制电路在电动机作发电机作用时，采用两两导通的调制方式，下管做PWM调制，实现升压斩波电路，并向储能装置充电，储能装置为铅酸蓄电池或者车载辅助电源。

图4给出了实施例中电力变换装置的控制原理图，控制模块由电流电压传感器、滤波电路、微处理器、霍尔传感器、驱动逻辑控制电路、光电隔离电路组成。微处理器采用MICROCHIP公司单片机芯片PIC16F73。电压传感器、电流传感器均采用模拟控制电路实现，电流电压传感器用来采集DC/DC变换器输出端的电压和电流信号，经滤波电路处理，送至单片机的A/D端口进行数据采集，采集结果经单片机处理后，以PWM的形式输出控制信号。PWM信号经由驱动器逻辑控制电路，送至功率开关器件的驱动电路，对功率管的开关状态进行控制。信号采集和控制周期为1ms；PWM调制频率为20KHz。滤波器采用典型的由运算放大器搭建的滤波电路，光电隔离电路由光电耦合器实现。控制模块所需的各种电平从车载的蓄电池取电，或经过普通DC/DC开关电源提供。

本发明的具体工作原理是：

汽车制动运行过程中，制动力矩经传动轴传递给缓速/行器制动发电装置的电动机，使电动机高速运转，控制模块通过对控制主电路的脉宽调制，实现升压斩波对蓄电池充电，当占空比增大，功率管导通时间增长，即充电时间增长时，通过PI或者变结构控制算法，可以让电池两端的充电电压维持在某一设定值，而该设定值可以通过试验或自适应算法加以设定。设定该值的原则是使更多的制动回收能量转化为电能，并通过测量蓄电池充电电压和充电电流进行监测，当蓄电池已充满时，控制器停止对蓄电池进行充电，并将其余部分制动能量释放到散热电路中。

当汽车正常驱动过程中，功率开关器件全部处于关闭状态，此时电机不回收能量。

虽然已经参照实例讨论了用于汽车制动能量回收缓速系统，但应理解，汽车制动能量回收缓速系统的构造细节和各部件与元件的配置不限于实施例中所述情形，因而在没有背离本发明权利要求范围可以作出的各种改变和变形。

例如，电力变换装置的功率模块DC/DC变换器和相关接口电路和必要的变压装置。

例如，电力变换装置的功率器件采用各种广泛使用的器件，包括但不限于功率晶体管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和门极关断晶闸管GTO。

例如，储能装置包括多种已广泛采用的储能装置，如各种蓄电池或超级电容或飞轮。

例如，电力变换装置的控制模块所采用电路，包括但不限于模拟电路、数字电路，其中数字电路包括但不限于单片机、DSP、CPLD或FPGA。

例如，电力变换装置的控制模块依据传感器的信号进行控制计算。所用传感器包括电压传感器、电流传感器，也包括在某些应用中采用的机械传感器。

虽然已经展示并描述了本实例的汽车制动能量回收缓速系统，其中，缓速/行器制动发电装置置于汽车主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/行器经电动机实现能量的回收，缓速/行器制动发电装置的安装位置可不限于变速器和传动轴之间。缓速/行器制动发电装置也可安装于传动轴的其它位置。

虽然以上文已参照特定的实施例和本发明的例子描述了本发明，但本发明不限于以上描述的实例和例子。按照本发明的技术原理，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发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种汽车制动能量回收缓速方法，利用汽车缓速/行器制动产生的能量回收发电，将缓速/行器制动发电装置串连于汽车的变速箱和传动轴之间，缓速/行器制动发电装置内有电动机，电动机上连接有电力变换装置，电力变换装置包括有控制模块和功率模块，功率模块上有过压保护模块；电力变换装置和广义负载相连，所述的广义负载包括储能装置和耗能装置，缓速/行器制动发电装置利用汽车产生的制动力矩拖动电动机产生电能，并加以存储和利用，当储能装置已经储满电能时，剩余电能在耗能装置中消耗。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的缓速/行器制动装置能量回收发电包括以下步骤：

a.缓速/行器制动发电装置中的电动机接收汽车制动时的动能，并把该动能转化成电能；

b.电力变换装置接收缓速/行器制动发电装置中的电动机产生的电能，并对电能进行调整和变换；

c.广义负载接收经电力变换装置调整和变换后的电能，并对电能进行存储或利用；所述的广义负载包括储能装置和耗能装置，当储能装置已经储满电能时，剩余电能在耗能装置中消耗；

所述的电力变换装置由功率模块和控制模块组成；功率模块用于调整和转换电动机产生的电能，并将电能用于广义负载；控制模块通过对功率模块的功率元件进行控制，使制动回收能量转化成电能，并为广义负载存储和利用。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电力变换装置调整和变换后的电能由储能装置接收时，电力变换装置对储能装管的充电电压和电流进行控制；所述的电力变换装置调整和变换后的电能由耗能装置接收时，电力变换装置对耗能装置的供电电压和电流进行控制。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：

1)力矩传递过程，将制动产生的制动力矩传递给缓速/行器制动发电装置中的电动机，拖动电机发电产生电能；

2)DC/DC变换过程，对步骤1)产生的电能进行电压和电流变换，在变压过程中当缓行产生的电压过高时，对电压进行降压处理。

5.一种汽车制动能量回收缓速系统，其特征在于，该系统包括：

一个置于汽车变速箱和传动轴之间的缓速/行器制动发电装置，该缓速/行器制动发电装置中装有电动机，用于接收汽车制动时的动能，并利用电动机的发电将能量转化成电能；

一个电力变换装置，由功率模块和控制模块组成，功率模块用于调整和转换电动机产生的电能，并将电能用于广义负载；控制模块通过对功率模块的功率元件进行控制，将制动回收能量转化成电能，并为广义负载存储和利用；

一个广义负载，用于存储和利用电力变换装置调整后的电能；所述的广义负载包括储能装置和耗能装置；

电动机与电力变换装置连接；电力变换装置与广义负载相连，电力变换装置调整和变换后的电能由广义负载接收时，电力变换装置对广义负载的供电电压和电流进行控制，当储能装置已经储满电能时，剩余电能在耗能装置中消耗。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的缓速/行器制动发电装置包括电动机、传动轴和霍尔元件；电动机轴与传动轴相连，制动力矩通过传动轴传递给电动机，电动机在力矩作用下高速运转，在电力变换装置调制作用下，将电动机作为发电机输出电能。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述储能装置为各种蓄电池、车载辅助电源、超级电容或飞轮其中之一，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。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的缓速/行器制动发电装置机构为机械式、液压式、气动式、微机电式结构之一或者它们的各种组合结构。

9.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的缓速/行器制动发电装置中的电动机为各种直流电机、交流电机或轮毂电机。

10.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电力变换装置的功率模块为DC/DC变换器，电动机轴与传动轴相连，用于将传动轴产生的力矩转换成电动机动能；DC/DC变换器和电动机连接，用于调整电动机作发电机时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。

11.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电力变换装置的控制模块包括：检测车速用测速传感器、滤波电路、控制器和光电隔离电路，测速传感器置于缓速/行器制动发电装置上，用于获得微处理器所需的信号；控制器通过滤波电路与传感器相连，用于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，送至功率模块的功率开关器件的控制端。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述的控制器采用模拟控制器、数字控制器和模拟数字混合控制器其中的一种，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；数字控制器包括单片机、ARM、DSP、CPLD和FPGA其中的一种；

所述测速传感器采用电压传感器、电流传感器、霍尔传感器或机械传感器其中之一；

所述的功率开关器件采用功率晶体管GTR、金属一氧化物一半导体型场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT和门极关断晶闸管GT0其中之一。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述的DC/DC变换器可以采用Buck、Boost、Cuk、Forward和Flyback电路其中之一或其组合。

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