基于双向DC/DC的电动车复合能源增程系统

摘要

本发明公开了一种基于双向DC/DC的电动车复合能源增程系统。本发明主要包括以下几个模块：内燃发电模块、超级电容模块、蓄电池模块、整车能量管理模块。内燃发电模块和超级电容模块分别通过各自双向DC/DC电压调制后与蓄电池并联，再一起供给整车驱动电机电能所需，整车能量管理模块则负责复合增程系统中能量流向管理。本发明将内燃发电模块通过双向DC/DC并入电动车能源系统。利用双向DC/DC的变电压特性调整ISG起动电机的输入电压，实现内燃发电模块中内燃机的高转速启动，有利于降低起动过程排放。

权利要求

1.基于双向DC/DC的电动车复合能源增程系统，包括内燃发电模块、超级电容模块、蓄电池模块、整车能量管理模块，其特征在于：内燃发电模块和超级电容模块分别通过各自双向DC/DC电压调制后与蓄电池并联，再一起供给整车驱动电机电能所需，整车能量管理模块则负责复合增程系统中能量流向管理；

所述的内燃发电模块包括内燃机、ISG电机、双向DC/DC和检流模块；内燃机和ISG电机共轴机械相连，ISG电机输入/输出端子经双向DC/DC与超级电容模块和蓄电池模块并联，连接驱动电机控制器，检流模块检测内燃发电模块输入输出电流；内燃发电模块的功能是在蓄电池亏电状态下能够自起动，并根据当前驱动电机负载和蓄电池充电负载实时调整功率，并在该功率经济工况下运行，是增程模式下车辆行驶主要能源；

所述的超级电容模块包括超级电容、双向DC/DC和第一检压检流模块；超级电容通过双向DC/DC与内燃发电模块和蓄电池模块并联，连接驱动电机控制器，第一检压检流模块检测超级电容储能水平和充放电电流；超级电容模块用于实现制动能量高效回收和非制动时蓄电池反充、驱动电机供电；

所述的蓄电池模块包括蓄电池、充电开关和第二检压检流模块；蓄电池通过充电开关与内燃发电模块和超级电容模块并联，连接驱动电机控制器，第二检压检流模块检测蓄电池储能水平和充放电电流；蓄电池提供了纯电动模式下车辆行驶的主要能源；

所述的整车能量管理模块包括整车控制器；整车控制器接收驱动电机控制器刹车信号，接收检流模块、第一检压检流模块和第二检压检流模块信号，接收内燃发电模块状态信号；通过计算后产生对内燃发电模块的双向DC/DC和超级电容模块的双向DC/DC、充电开关的控制信号，控制ISG电机启动，控制内燃机负荷。

说明书

基于双向DC/DC的电动车复合能源增程系统

技术领域

[0001] 本发明主要涉及一种基于双向DC/DC的电动车复合能源增程系统，主要用于延长电动车续航里程，高效回收电动车刹车过程中的制动能量，增程模式下保持内燃发动机处于经济运行状态。

背景技术

[0002] 目前电动车受到广大消费者的欢迎，但是传统电动车存在电池容量不足，续航里程短等问题，面对较长距离和大负荷行驶时，存在压力。针对电动车市场的城市充电设施建设仍处于试点阶段，且目前的电池水平一次充电时间仍较长。通过在电动车上匹配增程系统，能在保证车辆续航里程的基础上，最大限度保留纯电动车节能减排优势。现有的电动车增程系统一般采用内燃发电系统和蓄电池耦合方式，增程模式下利用内燃发电直接供车辆用电和蓄电池充电所需。尽管结构简单，但传统单一内燃发电增程系统内燃机工况（包括转速和负荷）无法根据电气和充电负载变化灵活调整以满足经济运行需要；直连系统蓄电池充电不便控制，影响蓄电池安全和寿命。蓄电池充放电功率有限，不利于制动能量的高效回收。设计和开发一种兼顾续航里程、高效充放电管理和制动能量回收的复合能源增程系统对于进一步改善目前电动车的实用性和节能减排具有重要意义。

发明内容

[0003] 本发明针对纯电动车续航里程短、传统内燃发电增程系统效率低和无法高效制动能量回收等问题，提出了一种基于双向DC/DC调整的融合内燃发电、超级电容和蓄电池的电动车负荷能源增程系统，可在保证增程式电动车续航里程的同时，保证高效的能量管理。包括：利用超级电容回收制动能量，并在非制动期间供给整车和蓄电池充电；利用内燃发电系统在蓄电池亏电状态下供应整车电气需求并给蓄电池充电，保证续航里程；利用双向DC/DC模块实时调整内燃发电系统的运行工况，保证燃料能量转换的高效性；利用双向DC/DC模块实时调整超级电容的储能水平，为制动能量的高效回收和释放提供条件。

[0004] 本发明解决技术问题所采取的技术手段：

[0005] 本发明包括内燃发电模块、超级电容模块、蓄电池模块、整车能量管理模块，其特征在于：内燃发电模块和超级电容模块分别通过各自双向DC/DC电压调制后与蓄电池并联，再一起供给整车驱动电机电能所需，整车能量管理模块则负责复合增程系统中能量流向管理。

[0006] 所述的内燃发电模块包括内燃机、ISG电机、双向DC/DC和检流模块。内燃机和ISG电机共轴机械相连，ISG电机输入/输出端子经双向DC/DC与超级电容模块和蓄电池模块并联，连接驱动电机控制器，检流模块检测内燃发电模块输入输出电流。内燃发电模块的功能是在蓄电池亏电状态下能够自起动，并根据当前驱动电机负载和蓄电池充电负载实时调整功率，并在该功率经济工况下运行，是增程模式下车辆行驶主要能源。

[0007] 所述的超级电容模块包括超级电容、双向DC/DC和第一检压检流模块。超级电容通过双向DC/DC与内燃发电模块和蓄电池模块并联，连接驱动电机控制器，第一检压检流模块检测超级电容储能水平和充放电电流。超级电容模块用于实现制动能量高效回收和非制动时蓄电池反充、驱动电机供电。

[0008] 所述的蓄电池模块包括蓄电池、充电开关和第二检压检流模块。蓄电池通过充电开关与内燃发电模块和超级电容模块并联，连接驱动电机控制器，第二检压检流模块检测蓄电池储能水平和充放电电流。蓄电池提供了纯电动模式下车辆行驶的主要能源。

[0009] 所述的整车能量管理模块包括整车控制器。整车控制器接收驱动电机控制器刹车信号，接收检流模块、第一检压检流模块和第二检压检流模块信号，接收内燃发电模块状态信号；通过计算后产生对双向DC/DC、充电开关的控制信号，控制ISG电机启动，控制内燃机负荷。整车能量管理模块负责符合增程系统中能量流向高效管理。

[0010] 本发明的有益效果：

[0011] 1. 将内燃发电模块通过双向DC/DC并入电动车能源系统。利用双向DC/DC的变电压特性调整ISG起动电机的输入电压，实现内燃发电模块中内燃机的高转速启动，有利于降低起动过程排放。

[0012] 2. 将内燃发电模块通过双向DC/DC并入电动车能源系统。利用双向DC/DC的变电压特性实时调整内燃发电模块输出需求功率下的实际运行工况，有利于提高电动车增程模式下的燃油经济性。

[0013] 3. 将超级电容通过双向DC/DC并入电动车能源系统。利用超级电容充电快、循环寿命长等特性可以高效回收和储存驱动电机控制器和轮毂电机转换的制动能量。

[0014] 4. 将超级电容通过双向DC/DC并入电动车能源系统。利用超级电容允许大功率放电的特性，通过双向DC/DC释放超级电容中的制动能量，适当缓解急加速和爬坡等大功率工况时的蓄电池放电负担，富余能量可给蓄电池充电，高效利用制动能量。

附图说明

[0015] 图1 复合能源增程系统结构示意图。

[0016] 图2 纯电动模式能量流向示意图。

[0017] 图3 内燃发电起动能量流向示意图。

[0018] 图4 增程模式能量流向示意图。

[0019] 图5 制动能量回收能量流向示意图。

[0020] 图6 制动能量释放能量流向示意图。

具体实施方式

[0021] 以下结合附图对本发明作进一步说明。

[0022] 如图1所示，本发明所述基于双向DC/DC的电动车负荷能源增程系统主要包括以下几个模块：内燃发电模块、超级电容模块、蓄电池模块、整车能量管理模块。内燃发电模块和超级电容模块分别通过各自双向DC/DC电压调制后与蓄电池并联，再一起供给整车驱动电机电能所需，整车能量管理模块则负责复合增程系统中能量流向管理。

[0023] 所述的内燃发电模块包括内燃机1、ISG电机2、双向DC/DC 16和相应检流模块15。内燃机和ISG电机共轴机械相连，ISG输入/输出端子经双向DC/DC与超级电容模块和蓄电池模块并联，连接驱动电机控制器，检流模块检测内燃发电模块输入输出电流。内燃发电模块的功能是在蓄电池亏电状态下能够自起动，并根据当前驱动电机负载和蓄电池充电负载实时调整功率，并在该功率经济工况下运行，是增程模式下车辆行驶主要能源。

[0024] 所述的超级电容模块包括超级电容4、双向DC/DC 14和相应检压检流模块3、12。超级电容通过双向DC/DC与内燃发电模块和蓄电池模块并联，连接驱动电机控制器，检压检流模块检测超级电容储能水平和充放电电流。超级电容模块用于实现制动能量高效回收和非制动时蓄电池反充、驱动电机供电。

[0025] 所述的蓄电池模块包括蓄电池5、充电开关10和相应检压检流模块6、9。蓄电池通过充电开关与内燃发电模块和超级电容模块并联，连接驱动电机控制器，检压检流检测蓄电池储能水平和充放电电流。蓄电池提供了纯电动模式下车辆行驶的主要能源。

[0026] 所述的整车能量管理模块包括整车控制器13，各检流、检压电路，双向DC/DC控制电路和内燃发电控制电路及相应执行器（附图不详细标出）。整车控制器接收驱动电机控制器7刹车信号，接收各检流、检压电路信号，接收内燃发电模块状态信号；通过计算后产生对双向DC/DC、蓄电池充电开关的控制信号，控制ISG电机启动，控制内燃机负荷。整车能量管理模块负责符合增程系统中能量流向高效管理。

[0027] 本发明所述基于双向DC/DC的电动车复合能源增程系统主要存在以下几种工况：纯电动模式，内燃发电起动，增程模式、制动能量回收和制动能量释放。

[0028] 如图1和图2所示，在纯电动模式下，电动车动力由蓄电池5提供，蓄电池5经过驱动电机控制器7，对轮毂电机8供电，维持整车运行。同时，检压模块6检测蓄电池5电压，检流模块9检测工作电流，将这两种信号反馈给整车控制器13，供其计算蓄电池5 SOC值。

[0029] 如图1和图3所示，当检测到蓄电池5工作在亏电状态下时，整车控制器控制内燃发电模块（包括内燃机1和ISG电机2）起动。此时，蓄电池5同时给内燃发电模块的ISG电机2和驱动电机控制器7供电。整车控制器13通过调整双向DC/DC模块16变压比升高ISG电机2输入电压。同时整车控制器13通过读取ISG电机2霍尔相位信号产生相应的PWM控制信号经过三相驱动和逆变电路（图中未画出）控制ISG电机2工作，调整内燃机1电子风门开度，将内燃机1带到较高转速，实现内燃发电模块的快速高速起动。

[0030] 如图1和图4所示，当内燃发电模块中内燃机1起动完成，整车控制器13将ISG电机2切换到发电状态，整个系统进入增程模式。根据检流模块9、15和检压模块6，整车控制器13实时计算当前蓄电池5SOC值，并通过内部算法确定轮毂电机8与其驱动控制器7所需功率以及蓄电池5充电功率。整车控制器13通过调整内燃发电模块内燃机1的电子风门开度使ISG电机2发电功率达到所需水平。为提高内燃发电模块能量转换效率，整车控制器13再通过调整双向DC/DC模块16变压比，降低ISG电机2输出电压，增大ISG电机2输出电流，使内燃机1在给定功率下的最低比油耗点工作（经济运行线附近）。该工况下，内燃发电模块输出电能通过双向DC/DC模块16将能量传输到驱动电机控制器7驱动轮毂电机8。如有功率剩余，开启蓄电池5端的充电回路11对其进行充电。

[0031] 如图1和图5所示，当电动车处于制动状态时，整车控制器13检测到来自驱动电机控制器7的刹车信号，打开超级电容4端的双向DC/DC变换器14，并调整其变压比，提高超级电容4充电电压，尽可能回收通过驱动电机控制器7和轮毂电机8转化的制动能量，储存在超级电容4中，提高制动能量回收率。

[0032] 如图1和图6所示，当电动车处于非制动状态时，整车控制器13实时监测超级电容4两端电压，调整双向DC/DC转换器14的输出变压比，降低超级电容4的放电电压，尽可能将超级电容4储能水平降低到最低。超级电容4通过双向DC/DC14输出的电能可供应驱动电机控制器7驱动轮毂电机8，缓解蓄电池5大功率放电损耗。如有功率剩余，开启蓄电池5端的充电回路11对其进行充电。非制动状态下超级电容4较低的储能水平可为下一次高效率制动能量回收做铺垫。