CN106985653B - 车辆复合能源供给***及方法、复合能源汽车 - Google Patents

车辆复合能源供给***及方法、复合能源汽车 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车辆复合能源供给***及方法，该***包括：太阳能电池模块、蓄电池模块、输入转换模块、DC‑AC逆变器、牵引电机、飞轮模块、以及控制模块；在车辆运行时，由飞轮模块向车辆提供驱动功率；控制模块获取车辆运行状态、飞轮模块的输出参数、太阳能电池模块及蓄电池模块的剩余电量，根据输出参数确定飞轮模块所能提供的最大功率，并在飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率时，控制输入转换模块将太阳能电池模块和/或蓄电池模块输出的直流电接入DC‑AC逆变器；DC‑AC逆变器将所述直流电转换成交流电驱动牵引电机。本发明可以降低车辆对环境产生的污染，提高能源使用效率，增加车辆续驶里程。

Description

车辆复合能源供给***及方法、复合能源汽车
技术领域
本发明涉及车辆能源领域，具体涉及一种车辆复合能源供给***及方法、复合能源汽车。
背景技术
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括四大类型，即混合动力电动汽车、纯电动汽车(包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车、其他新能源(如电容器、飞轮等高效储能器)汽车等。
目前，制约电动汽车广泛应用的一个重要因素是其续驶里程短，而再生制动是节约能源、提高电动汽车续驶里程的关键，具有显著的经济价值和社会效益。另外，太阳能是最清洁能源之一，在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展，汽车利用太阳能作为动力不会污染环境，相比传统热机驱动的汽车，可以做到真正的零排放。因此，如何合理、有效地使用这些能源成为了业界广泛关注的一个问题。
发明内容
本发明一方面提供一种车辆复合能源供给***及方法，以降低车辆对环境产生的污染，提高能源使用效率，延长蓄电池使用寿命，增加车辆续驶里程。
本发明另一方面提供一种复合能源汽车，以减少汽车的总排放量，节能环保，增加车辆续驶里程。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种车辆复合能源供给***，包括：太阳能电池模块、蓄电池模块、输入转换模块、DC-AC逆变器、牵引电机、飞轮模块、以及控制模块；所述太阳能电池模块的输出端、所述蓄电池模块的输出端通过所述输入转换模块连接DC-AC逆变器的直流端，所述DC-AC逆变器的交流端连接所述牵引电机；所述控制模块分别与所述输入转换模块和所述飞轮模块信号连接；
在车辆运行时，由所述飞轮模块向车辆提供驱动功率；所述控制模块获取车辆运行状态、所述飞轮模块的输出参数、太阳能电池模块及蓄电池模块的剩余电量，根据所述输出参数确定所述飞轮模块所能提供的最大功率，并在所述飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率时，控制所述输入转换模块将所述太阳能电池模块和/或所述蓄电池模块输出的直流电接入所述DC-AC逆变器；所述DC-AC逆变器将所述直流电转换成交流电驱动所述牵引电机。
优选地，所述控制模块根据所述太阳能电池模块及蓄电池模块的剩余电量确定所述太阳能电池模块及蓄电池模块所能提供的最大功率，并且在所述飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率时，如果所述太阳能电池模块所能提供的最大功率大于或等于车辆所需驱动功率与飞轮模块所能提供的最大功率的差值，则控制所述输入转换模块将所述太阳能电池模块输出的直流电接入所述DC-AC逆变器；否则，控制所述输入转换模块将所述太阳能电池模块和所述蓄电池模块输出的直流电接入所述DC-AC逆变器。
优选地，在车辆处于制动状态或者减速或者下坡状态时，所述控制模块利用电机回馈发电能量优先控制为所述飞轮模块充电，在所述飞轮模块充满后，再通过所述输入转换模块给所述蓄电池模块充电。
优选地，所述太阳能电池模块的输出端还通过所述输入转换模块连接所述蓄电池模块。
优选地，所述飞轮模块包括：飞轮、飞轮电机、以及电力电子变换装置；
所述电力电子变换装置与所述牵引电机连接，用于从所述牵引电机输入电能，以驱动所述飞轮电机带动所述飞轮旋转；并在所述牵引电机需要能量时，将所述飞轮带动所述飞轮电机旋转产生的能量转换成所述牵引电机所需的电能。
优选地，所述电力电子变换装置为双向逆变器。
优选地，所述***还包括：速度传感器、动力输出轴；
所述动力输出轴用于将所述牵引电机输出的动力传递到车辆的驱动轮；所述电机的输出轴通过传动装置与所述动力输出轴连接，所述飞轮模块设置在所述动力输出轴上；
所述速度传感器用于获取所述飞轮模块的转速，并将所述转速传送给所述控制模块；
所述控制模块根据所述转速确定所述飞轮模块所能提供的最大功率。
一种车辆复合能源供给方法，所述复合能源包括：太阳能电池、蓄电池、以及飞轮模块；所述方法包括：
在车辆运行时，由所述飞轮模块向车辆提供驱动功率；
获取车辆运行状态、所述飞轮模块的输出参数、太阳能电池及蓄电池的剩余电量；
根据所述输出参数确定所述飞轮模块所能提供的最大功率；
如果所述飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率，则控制所述太阳能电池和/或蓄电池向车辆提供驱动功率。
优选地，在车辆处于制动状态或者减速或者下坡状态时，利用电机回馈发电能量优先为所述飞轮模块充电，在所述飞轮模块充满后，再给所述蓄电池充电。
一种复合能源汽车，包括前面所述的车辆复合能源供给***。
本发明实施例提供的车辆复合能源供给***及方法，综合利用多种能源驱动车辆，具体地，利用飞轮储能元件的优点，在车辆运行时，由飞轮模块向车辆提供驱动功率，在所述飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率时，由太阳能电池和/或蓄电池作为能量补充，从而可以有效降低车辆有害物的排放，提升车辆续驶里程。另外，由于飞轮储能元件具有高功率输出、能量转换效率高、无过充过放问题等优点，因此，不仅对于汽车在启动、加速、爬坡时的大功率输出需求均能较好地满足，改善汽车的动力性和经济性民，而且可以减缓蓄电池的充放电电流，延长蓄电池使用寿命。
具有该车辆复合能源供给***的复合能源汽车可以明显减少汽车的总排放量，节约能量，提升汽车续驶里程。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明车辆复合能源供给***的原理框图；
图2是本发明车辆复合能源供给***的一种具体结构示意图；
图3是本发明车辆复合能源供给***的另一种具体结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
飞轮作为一种新兴的储能元件，由于其高效、节能、使用寿命长以及无环境污染等优点，开始引起人们的重视。与其它储能技术相比，飞轮作为电池储能具有高比能量、高比功率、高效率、无污染、适用范围广、无噪声、长寿命、维护简单、可实现连续工作、可进行模块化设计制造等优点，非常适合应用于瞬时大功率、充放电频繁的场合。另外，由于利用太阳能作为动力不会污染环境，而且太阳能也是“取之不尽，用之不竭”的能源。
因此本发明提供一种车辆复合能源供给***及方法，将飞轮储能元件作为优先选择的能源为车辆提供驱动力，另外考虑到搭载在汽车上的太阳能电池由于汽车的高速行驶，其位置不断变化，从而导致其输出功率具有不稳定性，因此将蓄电池作为太阳能的补充能源，综合利用多种能源为车辆提供驱动，在飞轮储能元件所能提供的最大功率不能满足车辆所需驱动功率的情况下，不足的部分再由太阳能电池及蓄电池进行补充，从而大大降低车辆有害物的排放，提升车辆续驶里程。
如图1所示，是本发明车辆复合能源供给***的原理框图。
该***包括：太阳能电池模块11、蓄电池模块12、输入转换模块14、DC-AC逆变器15、牵引电机10、飞轮模块13、以及控制模块16。其中，太阳能电池模块11的输出端、蓄电池模块的输出端12通过输入转换模块14连接DC-AC逆变器15的直流端，DC-AC逆变器15的交流端连接牵引电机10。控制模块16分别与输入转换模块14和飞轮模块13信号连接。
上述太阳能电池模块11、蓄电池模块12向牵引电机10输出电能，各自的输出由输入转换模块14来控制。
在实际应用中，飞轮模块13可以采用不同形式的输出方式，比如向牵引电机10输出电能，或者直接向车辆的驱动轮输出机械能。当然不同形式输出的飞轮模块13，其具体结构也会有所不同，将在后面举例说明。
在该***中，在车辆运行时，由飞轮模块13向车辆提供驱动功率；控制模块16获取车辆运行状态、飞轮模块13的输出参数(比如电流、电压、转速等)、太阳能电池模块11及蓄电池模块12的剩余电量，根据飞轮模块13的输出参数确定飞轮模块13所能提供的最大功率，并在飞轮模块13输出的最大功率小于车辆所需驱动功率时，控制输入转换模块14将太阳能电池模块11和/或蓄电池模块12输出的直流电接入DC-AC逆变器15；DC-AC逆变器15将所述直流电转换成交流电驱动牵引电机10。
在该***中，控制模块16可以根据太阳能电池模块11及蓄电池模块12的剩余电量确定太阳能电池模块11及蓄电池模块12所能提供的最大功率。太阳能电池模块11及蓄电池模块12的剩余电量均由各自的电量管理***实时统计，并通过CAN总线将这些信息实时反馈给控制模块16。
在飞轮模块13输出的最大功率小于车辆所需驱动功率时，如果太阳能电池模块11所能提供的最大功率大于或等于车辆所需驱动功率与飞轮模块13所能提供的最大功率的差值，则控制模块16控制输入转换模块14将太阳能电池模块11输出的直流电接入DC-AC逆变器15；否则，控制输入转换模块14将太阳能电池模块11和蓄电池模块12输出的直流电接入DC-AC逆变器15。当然，在蓄电池模块12所能提供的最大功率大于或等于车辆所需驱动功率与飞轮模块13所能提供的最大功率的差值时，控制模块16也可以控制输入转换模块14只将蓄电池模块12输出的直流电接入DC-AC逆变器15，对此本发明实施例不做限定。
本发明实施例提供的车辆复合能源供给***，综合利用多种能源驱动车辆，具体地，利用飞轮储能元件的优点，在车辆运行时，由飞轮模块向车辆提供驱动功率，在所述飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率时，由太阳能电池和/或蓄电池作为能量补充，从而可以有效降低车辆有害物的排放，提升车辆续驶里程。
另外，本发明实施例提供的车辆多能源供给***，还可以根据车辆不同运行状态的特点，对其能源供给进行合理的配置，尽最大可能发挥不同能源各自的优势，比如，在车辆启动、加速、爬坡时，瞬时需要大电流，此时由飞轮模块13、太阳能电池模块11和蓄电池模块12一起提供驱动能量；在匀速行驶时，考虑到长时放电的需求，可以由太阳能电池模块11和蓄电池模块12一起提供驱动能量，飞轮模块13可以释放能量，也可以不用释放能量。由于飞轮储能元件具有高功率输出、能量转换效率高、无过充过放问题等优点，因此，不仅对于汽车在启动、加速、爬坡时的大功率输出需求均能较好地满足，改善汽车的动力性和经济性能，而且可以减缓蓄电池的充放电电流，延长蓄电池使用寿命。
进一步地，在车辆处于制动状态或者减速或者下坡状态时，此时牵引电机处于再生制动状态，控制模块16利用电机回馈发电能量优先控制为飞轮模块13充电，在飞轮模块13充满后，再通过输入转换模块14给蓄电池模块12充电。
需要说明的是，在充电过程中，控制模块16需要实时监测飞轮模块13的输出参数，根据所述输出参数确定飞轮模块13是否充满(比如飞轮模块13的电量是否达到上限值，或者飞轮模块13的转速是否达到最大)。如果制动时间较长，而飞轮模块13充满时仍未停止制动，此时控制模块16触发输入转换模块14接通蓄电池模块12的输入端，使蓄电池模块12继续吸收多余的制动能量，在蓄电池模块12的电量也达到其允许的上限值后，启动机械制动模式。机制制动模式的启动可以由本发明***中的控制模块16触发，也可以由车辆中其它控制模块触发，或者由所述其它控制模块及本***中的控制模块16相配合来触发，对此本发明实施例不做限定。
在实际应用中，上述蓄电池模块12还可以由外置充电器为其充电，比如，牵引电机停止运转，同时蓄电池模块电量不足需要进行充电处理时，由外置的充电电源为其充电。另外，在本发明***另一实施例中，还可以将太阳能电池模块11的输出端通过所述输入转换模块14连接蓄电池模块12，以便在满足设定条件下，由太阳能电池模块11为蓄电池模块12充电，比如，在阳光充足的环境下，牵引电机停止运转或者匀速运行状态，可以将太阳能电池多余的能量补充给蓄电池模块12。当然，在蓄电池模块12连接外置充电电源情况下，也可以由外置充电电源及太阳能电池模块11共同为蓄电池模块充电。
需要说明的是，在实际应用中，车辆运行状态及各能源输出模块的功率监测可以全部由控制模块16来完成，也可以将这些功能分散到车辆的不同控制模块来完成，比如，由整车控制器来监测车辆运行状态，由电池管理模块监测各能源输出模块的功率，整车控制器、电池管理模块分别与控制模块16通过CAN总线通信，从而使控制模块16通过CAN总线报文获得相应的信息。
上述太阳能电池模块11可以包括：太阳能电池和太阳能电池电压转换电路(图中未示)，所述太阳能电池的输出端连接所述太阳能电池电压转换电路的输入端，所述太阳能电池电压转换电路的输出端作为所述太阳能电池模块的输出端，即所述太阳能电池电压转换电路串联在太阳能电池11和输出控制模块14之间。其中，所述太阳能电池可以设置在汽车的顶部或者四周，可以更好地吸收太阳光，提高太阳能的利用率。
上述蓄电池模块12可以包括蓄电池和蓄电池电压转换电路(图中未示)，所述蓄电池的输出端连接所述蓄电池电压转换电路的输入端，所述蓄电池电压转换电路的输出端作为所述蓄电池模块的输出端，即所述太阳能电池电压转换电路串联在太阳能电池11和输出控制模块14之间。
所述太阳能电池电压转换电路为单向DC-DC转换器，蓄电池电压转换电路为双向DC-DC转换器。
另外，需要说明的是，在实际应用中，控制模块16可以根据蓄电池和太阳能电池剩余电量的多少来控制其输出功率的大小，比如，在其剩余电量高于20％时，可满功率输出；当剩余电量低于20％时，按最大功率的50％降功率输出；当剩余电量低于10％时，停止输出。具体的功率输出控制可以采用现有的一些技术实现，对此本发明实施例不做限定。
前面提到，在实际应用中，飞轮模块13可以采用不同形式的输出方式，对此下面举例说明。
如图2所示，是本发明车辆复合能源供给***的一种具体结构示意图。
在该实施例中，所述飞轮模块11包括：飞轮131、飞轮电机132、以及电力电子变换装置133。其中，电力电子变换装置133与牵引电机10连接，用于从牵引电机10输入电能，以驱动飞轮电机132带动飞轮131旋转；并在牵引电机10需要能量时，将飞轮131带动飞轮电机132旋转产生的能量转换成牵引电机10所需的电能。所述电力电子变换装置133为双向逆变器。
如图3所示，是本发明车辆复合能源供给***的另一种具体结构示意图。
在该实施例中，所述***还包括动力输出轴21，所述动力输出轴21用于将牵引电机10输出的动力传递到车辆的驱动轮22；所述飞轮模块13设置在动力输出轴21上。具体地，牵引电机10的输出轴可以通过传动装置与动力输出轴21连接，驱动轮22可以是前轮(即前驱动)，也可以是后轮(即后驱动)。所述飞轮模块13可以是由动力输出轴21带动旋转的飞轮。
另外，在该实施例中，所述***还包括速度传感器23，所述速度传感器23用于获取飞轮模块13的转速，并将所述转速传送给控制模块16。相应地，控制模块16根据所述转速确定飞轮模块13所能提供的最大功率。，所述速度传感器23具体可以设置在所述飞轮模块13的机架上。
本发明车辆复合能源供给***，将飞轮储能元件应用于电动汽车领域，并辅以太阳能及蓄电池，根据车辆的运行状态合理地分配能量的输出，从而可以有效降低车辆有害物的排放，提升车辆续驶里程，减缓蓄电池的充放电电流，延长蓄电池使用寿命。
本发明实施例的车辆多能源供给***可以应用于各种不同类型的车辆中，具有该车辆复合能源供给***的复合能源汽车可以明显减少汽车的总排放量，节约能量，提升汽车续驶里程。
相应地，本发明还提供一种车辆复合能源供给方法，所述复合能源包括：太阳能电池、蓄电池、以及飞轮模块；所述方法包括：
在车辆运行时，由所述飞轮模块向车辆提供驱动功率；
获取车辆运行状态、所述飞轮模块的输出参数、太阳能电池及蓄电池的剩余电量；
根据所述输出参数确定所述飞轮模块所能提供的最大功率；
如果所述飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率，则控制所述太阳能电池和/或蓄电池向车辆提供驱动功率。比如，如果太阳能电池所能提供的最大功率大于或等于车辆所需驱动功率与飞轮模块所能提供的最大功率的差值，则控制太阳能电池向车辆提供驱动功率，否则控制太阳能电池和蓄电池共同向车辆提供驱动功率。
另外，在车辆处于制动状态或者减速或者下坡状态时，利用电机回馈发电能量优先为所述飞轮模块充电，在所述飞轮模块充满后，再给所述蓄电池充电。
本发明实施例提供的车辆复合能源供给方法，综合利用多种能源驱动车辆，具体地，利用飞轮储能元件的优点，在车辆运行时，由飞轮模块向车辆提供驱动功率，在所述飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率时，由太阳能电池和/或蓄电池作为能量补充，从而可以有效降低车辆有害物的排放，提升车辆续驶里程。另外，由于飞轮储能元件具有高功率输出、能量转换效率高、无过充过放问题等优点，因此，不仅对于汽车在启动、加速、爬坡时的大功率输出需求均能较好地满足，改善汽车的动力性和经济性民，而且可以减缓蓄电池的充放电电流，延长蓄电池使用寿命。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及***；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种车辆复合能源供给***，其特征在于，包括：太阳能电池模块、蓄电池模块、输入转换模块、DC-AC逆变器、牵引电机、飞轮模块、以及控制模块；所述太阳能电池模块的输出端、所述蓄电池模块的输出端通过所述输入转换模块连接DC-AC逆变器的直流端，所述DC-AC逆变器的交流端连接所述牵引电机；所述控制模块分别与所述输入转换模块和所述飞轮模块信号连接；
在车辆运行时，由所述飞轮模块向车辆提供驱动功率；所述控制模块获取车辆运行状态、所述飞轮模块的输出参数、太阳能电池模块及蓄电池模块的剩余电量，根据所述输出参数确定所述飞轮模块所能提供的最大功率，并在所述飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率时，控制所述输入转换模块将所述太阳能电池模块和/或所述蓄电池模块输出的直流电接入所述DC-AC逆变器；所述DC-AC逆变器将所述直流电转换成交流电驱动所述牵引电机。
2.根据权利要求 1所述的***，其特征在于，所述控制模块根据所述太阳能电池模块及蓄电池模块的剩余电量确定所述太阳能电池模块及蓄电池模块所能提供的最大功率，并且在所述飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率时，如果所述太阳能电池模块所能提供的最大功率大于或等于车辆所需驱动功率与飞轮模块所能提供的最大功率的差值，则控制所述输入转换模块将所述太阳能电池模块输出的直流电接入所述DC-AC逆变器；否则，控制所述输入转换模块将所述太阳能电池模块和所述蓄电池模块输出的直流电接入所述DC-AC逆变器。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，在车辆处于制动状态或者减速或者下坡状态时，所述控制模块利用电机回馈发电能量优先控制为所述飞轮模块充电，在所述飞轮模块充满后，再通过所述输入转换模块给所述蓄电池模块充电。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述太阳能电池模块的输出端还通过所述输入转换模块连接所述蓄电池模块。
5.根据权利要求 1至4任一项所述的***，其特征在于，所述飞轮模块包括：飞轮、飞轮电机、以及电力电子变换装置；
所述电力电子变换装置与所述牵引电机连接，用于从所述牵引电机输入电能，以驱动所述飞轮电机带动所述飞轮旋转；并在所述牵引电机需要能量时，将所述飞轮带动所述飞轮电机旋转产生的能量转换成所述牵引电机所需的电能。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述电力电子变换装置为双向逆变器。
7.根据权利要求 1至4任一项所述的***，其特征在于，所述***还包括：速度传感器、动力输出轴；
所述动力输出轴用于将所述牵引电机输出的动力传递到车辆的驱动轮；所述电机的输出轴通过传动装置与所述动力输出轴连接，所述飞轮模块设置在所述动力输出轴上；
所述速度传感器用于获取所述飞轮模块的转速，并将所述转速传送给所述控制模块；
所述控制模块根据所述转速确定所述飞轮模块所能提供的最大功率。
8.一种车辆复合能源供给方法，其特征在于，所述复合能源包括：太阳能电池、蓄电池、以及飞轮模块；所述方法包括：
在车辆运行时，由所述飞轮模块向车辆提供驱动功率；
获取车辆运行状态、所述飞轮模块的输出参数、太阳能电池及蓄电池的剩余电量；
根据所述输出参数确定所述飞轮模块所能提供的最大功率；
如果所述飞轮模块输出的最大功率小于车辆所需驱动功率，则控制所述太阳能电池和/或蓄电池向车辆提供驱动功率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
在车辆处于制动状态或者减速或者下坡状态时，利用电机回馈发电能量优先为所述飞轮模块充电，在所述飞轮模块充满后，再给所述蓄电池充电。
10.一种复合能源汽车，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的车辆复合能源供给***。
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