CN111619372A - 一种用于电动汽车的微型燃气轮机增程器控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于电动汽车的微型燃气轮机增程器控制装置，包括微型燃气轮机、燃料箱、燃料泵、流量控制装置、高速电机、共轴、排气温度传感器、转速传感器、功率转换单元PCU、动力电池、电池充放电装置、电子控制单元ECU；所要解决的技术问题是利用该控制装置控制高速电机以电动模式启动微型燃气轮机，当微型燃气轮机以额定工况运行时，该控制装置控制高速电机以发电模式运行并为动力电池充电，当动力电池充满时(电池端电压高于设定的充电终止电压)，该控制装置控制微型燃气轮机停止工作；本发明的重要意义是利用启动/发电一体化高速电机控制微型燃气轮机的启停，实现不停车充电，达到延长电动汽车续驶里程的目的。

Description

一种用于电动汽车的微型燃气轮机增程器控制装置
技术领域
本发明提供一种用于电动汽车的微型燃气轮机增程器控制装置，涉及增程器控制技术，具体涉及一种微型燃气轮机增程器控制装置，属于电动汽车增程器控制技术领域。
背景技术
增程式电动汽车是为了解决当前技术条件下纯电动汽车续驶里程不能满足人们出行需要的一种可行方案。增程式电动汽车以动力电池(如铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等)为主要能源，以增程器为辅助并配备一个小型发动机作为增程器。增程式电动汽车有两种驱动模式：纯电驱动模式和增程驱动模式。增程式电动汽车通常以纯电驱动模式行驶，行驶中当动力电池能量不足时切换为增程驱动模式，启动增程器发电，产生的电能用于动力电池充电。
通常，增程器是一个发电机组，由发动机、发电机和控制装置组成，主要功能是为动力电池充电。目前，增程器发动机主要采用往复活塞式发动机，它具有技术成熟、成本低廉等突出优势，但结构复杂、排放高、体积和重量大等缺点也阻碍了其推广应用。微型燃气轮机具有燃料多样、排放洁净的优点，且结构简单免维护、质量轻，有利于汽车的轻量化，符合电动汽车增程器的要求。
本发明公开一种微型燃气轮机增程器技术方案,具体涉及一种微型燃气轮机增程器控制装置，当电动汽车动力电池电量不足时，启动增程器为动力电池充电以延长电动汽车续驶里程。
经文献检索发现，中国国家知识产权专利局于2019年8月9日公开了一项公开号为CN110103731A，名称为“一种适用于电动汽车的微燃机增程器”的专利申请。该申请提出一种适用于电动汽车的微型燃气轮机增程器***结构，该微型燃气轮机增程器用于给车辆动力***提供电能，可同时给驱动电机供电和动力电池充电，但没有涉及微型燃气轮机增程器的控制方法和控制原理。另外，经文献检索尚未发现针对电动汽车微型燃气轮机增程器的控制装置相关专利。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电动汽车微型燃气轮机增程器控制装置，以实现当动力电池能量不足时成功启动微型燃气轮机增程器为动力电池充电，达到延长电动汽车续驶里程的目的。具体地，设计基于动力电池端电压信号的微型燃气轮机增程器控制装置，实现当行驶中动力电池端电压低于设定的放电终止电压时，启动微型燃气轮机增程器并稳定工作为动力电池充电。
本发明所涉及的技术方案是一种基于动力电池端电压信号的微型燃气轮机增程器控制装置，该控制装置与车载电子控制单元ECU以及动力电池连接，主要包括微型燃气轮机、燃料箱、燃料泵、流量控制装置、高速电机、共轴、排气温度传感器、转速传感器、功率转换单元PCU、动力电池、电池充放电装置、电子控制单元ECU。其特征在于：所述微型燃气轮机为功率10kW～30kW的燃气轮机，采用单轴式结构；所述燃料箱、燃料泵和流量控制装置为微型燃气轮机燃油供给***的现有技术主要部件，其中流量控制装置具备返回通道，该返回通道用于使不需要的燃料返回燃料箱；所述高速电机为所述微型燃气轮机增程器的专用电机，最高转速不低于每分钟10万转，属于启动/发电一体化高速电机，与所述微型燃气轮机同轴；所述共轴为所述高速电机和微型燃气轮机的公共转轴；所述排气温度传感器为现有技术的温度传感器，测温上限不低于1200℃，位于微型燃气轮机尾气出口，用于获得微型燃气轮机排气温度并输出温度信号；所述转速传感器为包括但不限于磁电式转速传感器、霍尔式转速传感器等现有技术的非接触式转速传感器，位于所述共轴径向外侧，用于监测共轴的转速并输出信号；所述功率转换单元PCU具有两个功能，一是驱动高速电机拖动微型燃气轮机启动，二是将高速电机所发电能整流调压后供给动力电池充电，因此功率转换单元PCU的一端连接高速电机电枢三相绕组，另一端通过电池充放电装置与动力电池连接；所述动力电池和电池充放电装置均为现有技术的电动汽车部件，动力电池为电动汽车主要能源；所述电池充放电装置由充电连接器和放电连接器组成，用于控制动力电池的充、放电；所述电子控制单元ECU内部预设有所述电动汽车用微型燃气轮机增程器控制装置主要参数，通过CAN总线与燃料泵、流量控制装置、排气温度传感器、转速传感器、功率转换单元PCU以及动力电池连接，并具有不少于10个I/O端口，用于接收信号和发送控制指令。
进一步地，所述功率转换单元PCU由充电电路和启动电路组成，所述充电电路用于动力电池充电，由AC/DC转换器、DC/DC转换器组成；所述AC/DC转换器、DC/DC转换器为专门设计计算的微型燃气轮机增程器控制装置转换器，另外DC/DC转换器具有栅极G1、G2、G3、G4，用于控制DC/DC转换器的输出；所述启动电路启动微型燃气轮机，为三相桥式逆变电路；所述启动电路具有栅极G5、G6、G7、G8、G9、G10，用于控制启动电路的输出。
进一步地，所述充电电路中AC/DC转换器的作用是整流稳压，其AC输入端与高速电机电枢三相绕组相连，DC输出端连接DC/DC转换器的DC输入端；DC/DC转换器的作用是直流调压，栅极G1、G2、G3、G4分别与电子控制单元ECU的端口I/O 1、I/O 2、I/O 3、I/O 4连接，经由栅极G1、G2、G3、G4输入控制DC/DC电压变换的驱动信号，DC/DC转换器的DC输出端接入电池充电连接器，电池充电连接器与动力电池的正极和负极连接；所述启动电路的作用是将动力电池输出的直流电转换为可变频率的用于驱动高速电机实现启动以及变速操作的交流电，启动电路的DC输入端经放电连接器与动力电池的正极和负极连接，AC输出端连接高速电机电枢三相绕组，栅极G5、G6、G7、G8、G9、G10分别与电子控制单元ECU的端口I/O 5、I/O 6、I/O 7、I/O 8、I/O 9、I/O 10连接，经由栅极G5、G6、G7、G8、G9、G10输入控制启动电路的驱动信号。
进一步地，电动汽车以纯电驱动模式行驶，电子控制单元ECU实时监测动力电池端电压V，当动力电池的端电压V高于设定的放电终止电压Vmin时，电动汽车保持纯电驱动模式，当动力电池的端电压V低于设定的放电终止电压Vmin时，电动汽车切换为增程驱动模式；电动汽车切换为增程驱动模式行驶时，执行如下操作：(1)启动电路工作，高速电机拖动微型燃气轮机加速；(2)电子控制单元ECU判断微型燃气轮机的转速N是否高于预先设定的点火转速N1，N1为微型燃气轮机内喷射的燃料能够着火并燃烧的转速，若N≥N1，微型燃气轮机着火，开始启动过程，若N<N1，高速电机继续拖动微型燃气轮机加速至N1；(3)电子控制单元ECU判断微型燃气轮机的转速N是否达到预先设定的额定转速N2，若N≥N2，充电电路工作，微型燃气轮机以额定转速N2运转，汽车以增程驱动模式行驶，动力电池开始充电，若N<N2，微型燃气轮机继续加速至N2；(4)充电过程中，电子控制单元ECU监测动力电池的端电压V，若动力电池的端电压V低于设定的充电终止电压Vmax，继续充电至V>Vmax，若动力电池的端电压V高于设定的充电终止电压Vmax，微型燃气轮机增程器停止工作，电动汽车切换为纯电驱动模式行驶。
本发明产生的有益效果是：(1)本发明公开的微型燃气轮机增程器控制装置集成了微型燃气轮机增程器的启停控制功能和动力电池的充电功能，能够实现不停车充电，可延长电动汽车续驶里程；(2)本发明公开的微型燃气轮机增程器控制装置基于动力电池端电压信号实现汽车驱动模式的切换，动力电池端电压信号可直接获取，较基于SOC信号实现汽车驱动模式切换的响应更快；(3)电子控制单元中预设了由实验研究得到的电动汽车增程驱动模式下动力电池充放电范围，有利于减小充放电损耗并提高动力电池使用寿命。
附图说明
图1为本发明的控制装置结构示意图；
图2为本发明的功率转换单元和电池充放电装置结构示意图；
上述附图中的各标记意义如下：
1-微型燃气轮机 2-燃料箱 3-燃料泵 4-流量控制装置 5-高速电机 6-共轴 7-排气温度传感器 8-转速传感器 9-功率转换单元PCU 9-1-充电电路 9-1-1-AC/DC转换器9-1-2-DC/DC转换器 9-2-启动电路 10-动力电池 11-电池充放电装置 11-1-充电连接器11-2-放电连接器 12-电子控制单元ECU
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，为本发明的控制装置结构示意图；用于电动汽车的微型燃气轮机增程器控制装置包括微型燃气轮机(1)、燃料箱(2)、燃料泵(3)、流量控制装置(4)、高速电机(5)、共轴(6)、排气温度传感器(7)、转速传感器(8)、功率转换单元PCU(9)、动力电池(10)、电池充放电装置(11)、电子控制单元ECU(12)等。
如图2所示，为本发明的功率转换单元和电池充放电装置结构示意图，包括充电电路(9-1)、启动电路(9-2)、电池充放电装置(11)；所述充电电路(9-1)包括AC/DC转换器(9-1-1)、DC/DC转换器(9-1-2)，所述AC/DC转换器(9-1-1)是整流稳压电路，其AC输入端与高速电机(5)的三相绕组相连，DC输出端连接DC/DC转换器(9-1-2)的DC输入端，所述DC/DC转换器(9-1-2)是直流调压电路，其DC输出端经由充电连接器(11-1)与动力电池(10)的正、负极相连，DC/DC转换器(9-1-2)的栅极G1、G2、G3、G4与电子控制单元ECU(12)连接，栅极G1、G2、G3、G4输入控制DC/DC转换器(9-1-2)的驱动信号；所述启动电路(9-2)是三相桥式逆变电路；所述电池充放电装置(11)包括充电连接器(11-1)和放电连接器(11-2)，分别用于充、放电时接通电路，所述充电连接器(11-1)一端与充电电路(9-1)连接，另一端与动力电池(10)的正、负极连接；所述放电连接器(11-2)一端与启动电路(9-2)连接，另一端与动力电池(10)的正、负极连接；动力电池(10)的正、负极经由放电连接器(11-2)与启动电路(9-2)的DC输入端连接，启动电路(9-2)的AC输出端连接高速电机(5)的电枢三相绕组；启动电路(9-2)的栅极G5、G6、G7、G8、G9、G10与电子控制单元ECU(12)连接，栅极G5、G6、G7、G8、G9、G10输入控制启动电路(9-2)的驱动信号。
如图1所示，具体实施时，电动汽车以纯电驱动模式行驶时，所述电子控制单元ECU(12)实时监测所述动力电池(10)的端电压V，并与预先设定的放电终止电压Vmin和充电终止电压Vmax进行比较；当所述动力电池(10)的端电压V低于放电终止电压Vmin时，所述功率转换单元PCU(9)中的启动电路(9-2)工作并启动高速电机(5)，所述高速电机(5)以电动机模式运行并拖动所述微型燃气轮机(1)转动，所述电子控制单元ECU(12)监测所述转速传感器(8)的转速信号N，当转速信号N达到预先设定的微型燃气轮机(1)的启动转速N1时，所述电子控制单元ECU(12)输出控制信号并通过CAN总线控制所述燃料泵(2)工作，燃料由燃料箱(2)经燃料泵(3)和流量控制装置(4)供给微型燃气轮机(1)，所述微型燃气轮机(1)着火运转，其转速N逐渐升高；同时，电子控制单元ECU(12)监测排气温度传感器(7)的排气温度信号，并按照预先设定的供油量随排气温度变化关系调节流量控制装置(4)的开度以调节供油量，当所述电子控制单元ECU(12)监测到转速传感器(8)的转速信号N大于预先设定的微型燃气轮机(1)的额定转速N2时，所述功率转换单元PCU(9)中的启动电路(9-2)停止工作并切换为充电电路(9-1)工作，此时所述高速电机(5)转变为发电机模式，微型燃气轮机(1)以额定转速N2运转并带动高速电机(5)发电，高速电机(5)输出的电能经充电电路(9-1)为动力电池(10)充电，即汽车以增程驱动模式行驶；当电子控制单元ECU(12)监测到动力电池(10)的端电压V高于充电终止电压Vmax时，电子控制单元ECU(12)输出控制信号经CAN总线控制燃料泵(3)和流量控制装置(4)停止工作，微型燃气轮机(1)停止工作，功率转换单元PCU(9)中的充电电路(9-1)停止工作，电动汽车切换为纯电驱动模式行驶；依次循环。
如图2所示，具体实施时，当电子控制单元ECU(12)监测到所述动力电池(10)的端电压V低于放电终止电压Vmin时，所述电子控制单元ECU(12)的端口I/O 5、I/O 6、I/O 7、I/O8、I/O 9、I/O 10输出脉冲信号并控制所述启动电路(9-2)工作，此时所述动力电池(10)输出直流电经放电连接器(11-2)接入启动电路(9-2)的DC输入端，所述启动电路(9-2)的AC输出端输出频率可调的三相交流电，使所述高速电机(5)产生旋转磁场并按照设定转速运转，进一步启动微型燃气轮机(1)；当微型燃气轮机(1)启动并带动高速电机(5)发电时，高速电机(5)输出交流电，电子控制单元ECU(12)控制充电电路(9-1)工作，所述充电电路(9-1)接收由高速电机(5)输出的交流电，由所述AC/DC转换器(9-1-1)把交流电整流为直流电并由其DC端口输出，所述DC/DC转换器(9-1-2)对接收的直流电调压后由DC端口输出，为所述动力电池(10)充电；当电子控制单元ECU(12)监测到所述动力电池(10)的电压V高于充电终止电压Vmax时，所述电子控制单元ECU(12)切断启动电路(9-2)的输入信号，所述启动电路(9-2)停止工作；依次循环。

Claims (4)

1.一种用于电动汽车的微型燃气轮机增程器控制装置，包括微型燃气轮机(1)、燃料箱(2)、燃料泵(3)、流量控制装置(4)、高速电机(5)、共轴(6)、排气温度传感器(7)、转速传感器(8)、功率转换单元PCU(9)、动力电池(10)、电池充放电装置(11)、电子控制单元ECU(12)；其特征在于：所述微型燃气轮机为功率10kW～30kW的燃气轮机，采用单轴式结构；所述燃料箱(2)、燃料泵(3)和流量控制装置(4)为所述微型燃气轮机(1)燃油供给***的现有技术主要部件，其中流量控制装置(4)具有回油通道；所述高速电机(5)为所述微型燃气轮机增程器的专用电机，最高转速不低于每分钟10万转，属于启动/发电一体化高速电机，与所述微型燃气轮机(1)同轴；所述共轴(6)为高速电机(5)和微型燃气轮机(1)的公共转轴；所述排气温度传感器(7)为现有技术的温度传感器，位于微型燃气轮机(1)尾气出口，用于监测微型燃气轮机(1)的排气温度并输出温度信号；所述转速传感器(8)为包括但不限于磁电式转速传感器、霍尔式转速传感器等现有技术的非接触式转速传感器，位于所述共轴(6)径向外侧，用于监测共轴(6)的转速并输出信号；所述功率转换单元PCU(9)具有两个功能，一是驱动高速电机(5)拖动微型燃气轮机(1)启动，二是将高速电机(5)所发电能整流调压；所述动力电池(10)为电动汽车主要能源；所述电池充放电装置(11)控制动力电池(10)的充电和放电；所述电子控制单元ECU(12)为所述微型燃气轮机增程式电动汽车的电子控制装置，具有不少于10个I/O端口，用于接收信号和发送控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的微型燃气轮机增程器控制装置，其特征在于：所述功率转换单元PCU(9)包括充电电路(9-1)和启动电路(9-2)，所述充电电路(9-1)为动力电池(10)充电，由AC/DC转换器(9-1-1)和DC/DC转换器(9-1-2)组成，所述启动电路(9-2)启动微型燃气轮机(1)，具有栅极G5、G6、G7、G8、G9、G10，为三相桥式逆变电路；所述AC/DC转换器(9-1-1)、DC/DC转换器(9-1-2)为专门设计计算的微型燃气轮机增程器控制装置转换器，DC/DC转换器具有栅极G1、G2、G3、G4；所述功率转换单元PCU(9)的一端与高速电机(5)连接，另一端与电池充放电装置(11)连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的微型燃气轮机增程器控制装置，其特征在于：所述电池充放电装置(11)包括充电连接器(11-1)和放电连接器(11-2)，用于控制动力电池(10)的充电和放电；所述充电连接器(11-1)一端与充电电路(9-1)连接，另一端与动力电池(10)连接，所述放电连接器(11-2)一端与启动电路(9-2)连接，另一端与动力电池(10)连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的微型燃气轮机增程器控制装置，其特征在于：所述电子控制单元ECU(12)内部预设有所述电动汽车用微型燃气轮机增程器控制装置主要参数，包括启动转速N1、额定转速N2、充电终止电压Vmax和放电终止电压Vmin以及其它控制参数；电子控制单元ECU(12)通过CAN总线与燃料泵(3)、流量控制装置(4)、排气温度传感器(7)、转速传感器(8)、功率转换单元PCU(9)以及动力电池(10)进行信号传递，控制微型燃气轮机增程器的启停。
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姬芬竹等: "电动汽车微型燃气轮机增程器性能仿真与起动控制的研究", 《汽车工程》 *

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