CN103448545A - 基于轮轴发电机的车用能量回收及利用方法 - Google Patents

Abstract

一种基于轮轴发电机的车用能量回收及利用方法，其特征是采用由普通汽车离合器至车轮传动系轴驱动的双电压汽车发电机取代原由发动机直接驱动的发电机，在智能系统的控制下利用汽车刹车、滑行的动能发电，充分回收能量，并由超级电容、低压电瓶和高压蓄电池组分别储存回收电能供车辆电器使用，同时对车辆提供电制动功能，减少刹车装置的损耗。本发明具有简单易行，节能效果好，能提高汽车舒适度的优点。

Description

基于轮轴发电机的车用能量回收及利用方法

技术领域

本发明涉及一种车辆技术，尤其是一种通过能量回收来减少燃油车辆油耗及电动汽车耗电的方法，具体地说是一种基于轮轴发电机的车用能量回收及利用方法。 

背景技术

传统动力汽车在给现代社会带来交通便捷和经济发达、市井繁华的同时，也带来了日益加剧的能源浪费、石油紧缺、环境污染等严重的社会问题。近年来，电动汽车因其节能环保受到各国政府的重视，但因电池的价格、重量以及有限的电池能量对其速度和续驶里程的限制，影响了电动车的快速推广，使得目前传统汽车发展仍然势头不减，大量的汽车废气污染、PM2.5超标等形成众多城市的雾霾天气，严重危害人们健康。 

一般传统汽车的12V或24V供电系统是由发动机通过皮带直接带动汽车发电机，给车上电器提供电能同时给电瓶充电。现在的电动汽车、混合动力车使用或间断使用电动机驱动，但在车辆刹车、减速滑行或下坡时通过电路转换及控制将主驱电动机转变为发电机，利用汽车的惯性动能发电，给电动车的电池组充电，使这部分本来费弃的能量得以回收储存并再利用于驱动车辆。而目前的传统汽车是靠发动机驱动，基本上还没有成熟实用的能量回收功能，目前对汽车的能量回收利用已在混合动力和纯电动车上实现，而传统汽车的能量回收方案主要有液压能、空气能及高速飞轮等几种储能方法，但都存在体积大、成本高，实用性差等缺陷，至今未能投入实际使用，而通过电能回收、蓄电池储能无疑是最简便实用的方法，传统汽车上本来就有给12/24V电瓶充电和供电的发电机，只要加以改动，加上超级电容和智能控制系统，就可以低成本较方便地实现能量回收利用。 

另一方面，现有的汽车电器增加越来越多，如发动机点火控制系统、车载视频音响、安全防盗、遥控、门窗及前舱盖行李厢盖电动化、ABS等需要耗用更多的电能，车辆不得不采用更大容量的发动机，消耗更多燃油来驱动发电，还有一些空调压缩机、空压机泵、水泵、燃油泵、液压泵、风扇等也依靠发动机驱动，使汽车发动机的功率不断加大。相对于电动汽车来说，数量庞大的传统汽车功耗大、效率低，又白白浪费了刹车、滑行、下坡时可以回收的能量，使整个社会的燃油消耗和污染排放越演越烈。 

综上所述，目前对汽车的能量回收利用主要在混合动力和纯电动车上实现，需要将主驱动电机转变为发电机并在控制器的控制下回收部分能量。而传统燃油汽车的能量回收目前还在方案阶段，因成本高、体积大、实施困难的缺陷，目前还没有实用的能量回收装置问世。 

发明内容

本发明的目的是针对现有的燃油汽车一方面用电设备数量增加，用电量增加，另一方面又浪费大量的动能在制动过程中，发明一种能减少传统燃油汽车能耗和污染的基于轮轴发电机的车用能量回收及利用方法。它结合了传统汽车的能量回收及原有发动机辅机采用电驱动取代发动机驱动的双重节能方案及控制系统。 

本发明的技术方案是： 

一种基于轮轴发电机的车用能量回收及利用方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，将原来由发动机直接驱动的发电机改为由汽车离合器后的传动系轮轴驱动，既减轻了发动机的负荷，保留了发动机驱动发电的功能，又实现了刹车滑行时由轮轴带动发电机继续工作发电，对动能能量进行回收；

其次，采用双电压发电机和耐大电流充电的高压蓄电池组，并在蓄电池充电回路上增加超级电容，使汽车在高速或低速刹车滑行时都能充分地回收、储存能量；

第三，将原发动机直接驱动的辅机更换为电驱动辅机并由高压发电机和高压蓄电池在智能控制下供电运转，进一步降低发动机负荷、充分利用回收的电能工作；

第四，采用基于CAN总线通信的能量回收控制系统随时监测低压电瓶及高压蓄电池的电压及充、用电数据，给出双电压发电机所需的励磁电流以调节发电机输出的电压和电流，同时根据电瓶电压情况和电制动力矩限制的需要对励磁电流给以反馈和节制，实现对车辆传动系机械强度和电瓶蓄电池组充电安全的保护。

所述的轮机辅机包括空调压缩机、液压泵、燃油泵及水箱散热风扇。 

控制系统给出双电压发电机所需的励磁电流以调节发电机输出的电压和电流时，如发动机带动车辆正常行驶时则发电机励磁电流为尽可能小或零，以尽量不用或少用发动机功耗，而在车辆处于刹车或滑行状态时，励磁电流增大以求能量回收最充分。 

所述的驱动双电压发电机轮轴为车轮轴或传动轴系的任何旋转轴，传动方式是皮带或齿轮传动。 

所述的双电压汽车发电机的定子绕组采用双线并绕或中间抽头方式实现双电压输出，分别经三相整流输出低压12/24V输出和110/220V高压输出。 

所述控制系统通过CAN总线检测车辆的车速、高低压电瓶的电压和充、用电数据、发电机励磁电流数据，经计算给出发动机工作或停止、车辆刹车滑行时状态所需要的发电机励磁电流，以减少发动机的功耗、最大程度回收能量及防止电制动过载。 

本发明的有益效果： 

本发明简单易行，对现有车辆的改动少，花费低，仅在把辅机全部改为电驱动时的改动量才较大，不过对新研制的汽车难度并不大。运用本发明并适当增加电瓶容量，回收能量及充电可以保证电瓶电量充足，司机不再需要在汽车停车状态启动发动机怠速充电和空调工作，因而本发明还适应部分国家已经实行、我国即将推行的停车不允许发动机运转的节能环保法规，经济效益和社会意义十分重大。

附图说明

    图1是本发明双电压汽车发电机原理图。 

    图2是本发明实施例中所列举的电动压缩机自动控制原理图。 

    图3是本发明的能量回收系统原理图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

    如图1-3所示。 

一种基于轮轴发电机的车用能量回收及利用方法，采用由普通汽车离合器至车轮传动系轴驱动的双电压汽车发电机取代原由发动机直接驱动的发电机，在智能系统的控制下利用汽车刹车、滑行的动能发电，充分回收能量，并由超级电容、低压电瓶和高压蓄电池组分别储存回收电能供车辆电器使用，同时对车辆提供电制动功能，减少刹车装置的损耗。 

详述如下： 

本发明把原由发动机经皮带直接带动的发电机，改用大功率双电压发电机并改动安装位置，改由车辆离合器到车轮传动系的轴来带动运转，简称轮轴发电机。这样，当发动机运转离合器挂档车辆移动时，发电机还是由发动机的动力驱动发电的，但当发动机熄火，只要汽车还在动，车轮在转，原来仅靠发动机运转才能发电的发电机却仍然可以运转发电，这样，在汽车刹车、减速滑行或下坡时的动能就可以通过轮轴发电机回收，利用来给汽车蓄电池充电，可以比电动汽车更方便地实现对这部分能量的回收。在控制系统的智能控制下，轮轴发电机在利用汽车滑行或下坡的动能发电的同时还具有再生制动作用，还会对轮轴产生一定的制动力矩，对汽车施加电制动，使车辆平稳减速或匀速下坡，达到既可以回收能量，减少汽车燃油消耗，又可以降低刹车装置磨损消耗的效果。

据统计，在典型城市工况，因道路拥堵多，汽车的刹车、滑行较为频繁，可回收的制动能量约占驱动总能量的48.3%~59%；而在部分山城或坡道起伏较多的地区，汽车上下坡较多，回收的机会和能量会更大。汽车原有的供电电瓶可能不能完全吸收较大、较频繁的回收电量，本发明将一般使用14/24V电瓶G1（按柴油、汽油或车辆大小不同，常用的两种电瓶电压之一）的汽车发电机改为功率较大的双电压发电机（可产生14/24V和110V左右两种电压，见图1）并增加超级电容C1、C2和一组高压（镍氢或锂电）蓄电池G2，同时给高低压超级电容及两组电池充电，如图3。 

    双电压汽车发电机具有带抽头的双定子绕组，可以同时发出高低两种电压，经三相整流后12或24V可以给汽车电瓶充电，高压绕组可以按要求订制，用于电动辅机的驱动。双电压发电机适合用于汽车的能量回收，由调节器调节发电机的励磁，可以保证一个电压的稳定，另一个电压会随基准电压输出电流的情况发生变化。而汽车需要保证12/24V电压稳定，另一组高电压用于电动辅机的驱动，为了稳定地充电和供电，高压经系统控制器控制供电电压和充电电流的稳定，而新型的电动辅机一般都有控制器的调节作用，对电压变动的适应性也较强，如图2。控制系统的作用是保证无论车子在高速还是低速状态滑行，都能尽可能地充分回收能量和两组电瓶的安全可靠的蓄能充电。此外，本发明还将汽车上原来由发动机直接驱动的空调压缩机、空气压缩机、水泵、液压泵、燃油泵、水箱散热风扇等辅机改为节能可控型的电动压缩机、电动空压机，电动的液压泵、燃油泵、水泵和电子风扇等电动辅机，充分利用能量回收时发电机输出和电瓶回收的电能。例如，电动压缩机使用节能效果好的永磁同步电机和控制器及温控调速控制器（见图2），可以根据车内温度变频调节压缩机的转速，达到高效节能的制冷或制热效果，原来使用的传统压缩因发动机转速越高制冷量越大且转速不能调节，只能启停控制，不仅舒适度差，而且耗能也大。电动压缩机与其相比，不仅效率和舒适度明显提高，还进一步减少了发动机的功耗及排污。其他辅机改为电动以后，通过系统控制器同样可以达到类似的效果。这样，既减少了发动机的消耗和污染排放，又可以充分利用回收的能量。在一般汽车上推广本发明的回收方法，预计可以减少燃料消耗10%~40%左右。 

通过能量回收CAN总线通信的控制系统可以针对不同的车辆行驶条件和高低两组电瓶的电压及充电电流数据，对双电压发电机的励磁进行控制。一般情况下，在汽车正常行驶，发动机运转时根据电瓶电压的高低控制轮轴发电机的励磁电流尽可能小，电瓶电压足够满时甚至可以为零，使发动机在充电机上的动力消耗尽可能低，在发动机熄火，汽车滑行或下坡状态时则将励磁电流增大，轮轴发电机处于最大回收汽车动能的高发电状态，给车辆供电并给超级电容及两组电瓶充电，同时还为车辆提供一定的电制动功能（发动机消耗汽车动能发电，使汽车减速，司机可以视情况辅加必要的常规制动），当滑行和下坡较频繁，能量回收可能过多过急、两个电瓶可能有过充时，则短时减小励磁电流，控制能量回收的程度使电瓶充电电流不致过大，保护电瓶安全，在高、低压电池上分别并联的超级电容，可以更加充分安全地辅助吸收电能。高速发电形成大的浪涌电流可以由超级电容吸收蓄存，再由超级电容缓慢向蓄电池释放充电。控制系统通过对电瓶电压和充电电流的检测，保证低压电瓶随时充满电，满足汽车启动、车辆辅机及车上电器用电的需要以及保证高低压电瓶的安全充电。因空调压缩机一般一年中仅工作5个月左右，其余时间回收的能量可能有富余，还可设置DC/AC逆变器，将110V高压直流逆变为220V交流，向车载的冰箱、微波炉或电热器具等提供电源，进一步提高汽车的使用性和舒适性。而电动压缩机的机理，本身就是由控制器将高压直流变换为交流输出驱动装有永磁电动机的压缩机运转，因此，可以在不用空调时将控制器转变为50Hz逆变器提供220V交流电源。（能量回收系统的电路图见图3）本发明可使轿车、大客、公交、卡车等传统汽车或摩托车等发动机的能耗污染大大降低，还可以考虑在系统设计时降低车辆发动机的功率配置。 

汽车在高速行驶转为刹车或滑行时，因车速快，发电机输出电压会很高，充电电流也会很大，而在车速很低滑行时输出电压又会很低。为了实现能量既安全又充分回收，超级电容和高压电池组可以发挥重要作用，110V高压电池组宜选用可以承受大充电电流的镍氢电池，在系统控制下，做到安全充分地回收，而在车辆进入低速阶段滑行时，发电机输出电压低，可以多给12/24V低压电瓶充电，发电机输出电压会很高时，主要由高压超级电容吸储能量，再逐步给高压电瓶充电；当车辆速度很低时，发电机输出的直流电压分别不足以给高低压电瓶充电，可以通过图3中的DC/DC转换器将不足以给高压电瓶G2充电的电容C2 (或必要时将高压电池）中的电能在系统控制器的控制下给低压电瓶G1充电，从而不断吸收电压越来越低的电能，使能量得到充分回收，低压电池组得到足够的电量补充，在发电机电压较高且高压电瓶需要充电补充时则关断DC/DC转换器，满足高压电池组的需要。 

凡普通燃油汽车采用轮毂发电机或另增加轮轴传动系发电机回收能量的等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明的保护范围。 

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。 

Claims (6)

1.一种基于轮轴发电机的车用能量回收及利用方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，将原来由发动机直接驱动的发电机改为由汽车离合器后的传动系轮轴驱动，既减轻了发动机的负荷，保留了发动机驱动发电的功能，又实现了刹车滑行时由轮轴带动发电机继续工作发电，对动能能量进行回收；

其次，采用双电压发电机和耐大电流充电的高压蓄电池组，并在蓄电池充电回路上增加超级电容，使汽车在高速或低速刹车滑行时都能充分地回收、储存能量；

第三，将原发动机直接驱动的辅机更换为电驱动辅机并由高压发电机和高压蓄电池在智能控制下供电运转，进一步降低发动机负荷、充分利用回收的电能工作；

第四，采用基于CAN总线通信的能量回收控制系统随时监测低压电瓶及高压蓄电池的电压及充、用电数据，给出双电压发电机所需的励磁电流以调节发电机输出的电压和电流，同时根据电瓶电压情况和电制动力矩限制的需要对励磁电流给以反馈和节制，实现对车辆传动系机械强度和电瓶蓄电池组充电安全的保护。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的轮机辅机包括空调压缩机、液压泵、燃油泵及水箱散热风扇。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征控制系统给出双电压发电机所需的励磁电流以调节发电机输出的电压和电流时，如发动机带动车辆正常行驶时则发电机励磁电流为尽可能小或零，以尽量不用或少用发动机功耗，而在车辆处于刹车或滑行状态时，励磁电流增大以求能量回收最充分。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的驱动双电压发电机轮轴为车轮轴或传动轴系的任何旋转轴，传动方式是皮带或齿轮传动。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的双电压汽车发电机的定子绕组采用双线并绕或中间抽头方式实现双电压输出，分别经三相整流输出低压12/24V输出和110/220V高压输出。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述控制系统通过CAN总线检测车辆的车速、高低压电瓶的电压和充、用电数据、发电机励磁电流数据，经计算给出发动机工作或停止、车辆刹车滑行时状态所需要的发电机励磁电流，以减少发动机的功耗、最大程度回收能量及防止电制动过载。

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