CN203318182U - 基于超级电容的混合动力城市客车制动*** - Google Patents

基于超级电容的混合动力城市客车制动*** Download PDF

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李剑
张洪川
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Abstract

本实用新型涉及一种基于超级电容的混合动力城市客车制动***，其中整车控制器分别信号连接制动踏板信号开关、油门踏板信号开关、制动主缸压力传感器、挡位传感器、车速传感器、电机转速传感器、电池管理***、滑行能量回收控制旋钮、储气罐压力传感器、电机控制器、电压转化DC-AC单元、防抱死ABS***和斩波单元，电压转化DC-AC单元电路连接电动空气压缩机，其气路连接制动储气罐，储气罐压力传感器安装其上，超级电容依次通过稳压单元和整流单元电路连接电池管理***，斩波单元电路连接在稳压单元和整流单元之间。本实用新型在保证整个制动***安全性和稳定性的基础上具有能量回收功能，同时具有良好的制动力分配特性和制动脚感，适于大规模推广应用。

Description

基于超级电容的混合动力城市客车制动***
技术领域
本实用新型涉及汽车制动***技术领域，特别涉及混合动力汽车制动***技术领域，具体是指一种基于超级电容的混合动力城市客车制动***。 
背景技术
在环境问题和能源问题日益受到关注的情况下，电动汽车以自身的优势被认为是传统车辆的理想替代产品。电动汽车最突出的优点之一是能够实现制动能量的回收，即在制动时将汽车行驶惯性所产生的动能通过传动***传递给电机，电机以发电方式工作并为超级电容进行充电，实现制动能量的再生利用。一般情况下，电动汽车仅靠电机为其提供制动力远远不够，因为电机提供的制动力不仅受到电机运行速度而且还受到电池电荷状态等多方面因素影响，因此再生制动必须与机械制动***同时工作，才能满足电动汽车制动强度的要求以及制动效能的稳定。电动汽车在保证制动可靠的情况下实现制动能量回收是汽车提高燃料利用率的有效措施，对汽车的节能环保有着不可替代的作用。因此制动能量回收技术一直被世界各大知名汽车厂商所重视。丰田公司将此项技术应用在混合动力车型上有效地提高了其能量利用效率和整车的燃油经济性。福特公司将大陆公司的制动能量回收技术用在其SUV车型Escape上，同样收到了很好的效果。但对于电动城市客车来讲，以上技术复杂，实现困难。 
同时电池作为超级电容在能量回收环节同样因为电池的本身对于工作电压和电流范围都有固定的要求，并且使用寿命较短的特性，使电池作为超级电容同样存在问题。超级电容作为一种新型电容，电量远远大于普通电容，同时有着充放电快，使用寿命长等特点，是一种性能良好的超级电容。 
中国实用新型专利公布了一种基于超级电容的制动能量回收***（王若愚，马啸啸，周新宇，车庆生，基于超级电容的能量回收***，授权公告号CN 202507945U，授权公告日2012.10.13），该***对于超级电容的混合动力大巴而言具有制动能量回收作用，但是未对整车制动安全可靠性和回收电流的安全性进行考虑。而国内主要厂家对混合动力客车制动***也均都加入了制动能量回收功能，其各有优缺点。 
因此，需要提供一种基于超级电容的混合动力城市客车制动***，其结构简洁，实现容易，在保证整个制动***安全性和稳定性的基础上具有能量回收功能，同时具有良好的制动 力分配特性和制动脚感。 
实用新型内容
本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种基于超级电容的混合动力城市客车制动***，该基于超级电容的混合动力城市客车制动***设计巧妙，结构简洁，实现容易，在保证整个制动***安全性和稳定性的基础上具有能量回收功能，同时具有良好的制动力分配特性和制动脚感，适于大规模推广应用。 
为了实现上述目的，本实用新型的基于超级电容的混合动力城市客车制动***，其特点是，包括制动踏板信号开关、油门踏板信号开关、制动主缸压力传感器、挡位传感器、车速传感器、电机转速传感器、电池管理***、滑行能量回收控制旋钮、整车控制器、电机控制器、电压转化DC-AC单元、防抱死ABS***、电动空气压缩机、制动储气罐、储气罐压力传感器、超级电容、整流单元、稳压单元和斩波单元，所述制动踏板信号开关、所述油门踏板信号开关、所述制动主缸压力传感器、所述挡位传感器、所述车速传感器、所述电机转速传感器、所述电池管理***、所述滑行能量回收控制旋钮和所述储气罐压力传感器分别信号连接所述整车控制器，所述整车控制器分别信号连接所述电机控制器、所述电压转化DC-AC单元、所述防抱死ABS***和所述斩波单元，所述电压转化DC-AC单元电路连接所述电动空气压缩机，所述电动空气压缩机气路连接所述制动储气罐，所述储气罐压力传感器安装在所述制动储气罐上，所述超级电容依次通过所述稳压单元和所述整流单元电路连接所述电池管理***，所述斩波单元电路连接在所述稳压单元和所述整流单元之间。 
较佳地，所述整流单元由整流桥和电解电容组成，所述电池管理***通过所述整流桥连接所述电解电容，所述电解电容电路连接所述稳压单元，所述斩波单元电路连接在所述电解电容和所述整流单元之间。 
较佳地，所述稳压单元是DC-DC稳压电源。 
较佳地，所述斩波单元由制动踏板信号接收器和直流斩波控制器组成，所述整车控制器信号连接所述制动踏板信号接收器，所述制动踏板信号接收器电路连接所述直流斩波控制器，所述直流斩波控制器电路连接在所述稳压单元和所述整流单元之间。 
本实用新型的有益效果具体在于：本实用新型的基于超级电容的混合动力城市客车制动***包括制动踏板信号开关、油门踏板信号开关、制动主缸压力传感器、挡位传感器、车速传感器、电机转速传感器、电池管理***、滑行能量回收控制旋钮、整车控制器、电机控制器、电压转化DC-AC单元、防抱死ABS***、电动空气压缩机、制动储气罐、储气罐压力 传感器、超级电容、整流单元、稳压单元和斩波单元，所述制动踏板信号开关、所述油门踏板信号开关、所述制动主缸压力传感器、所述挡位传感器、所述车速传感器、所述电机转速传感器、所述电池管理***、所述滑行能量回收控制旋钮和所述储气罐压力传感器分别信号连接所述整车控制器，所述整车控制器分别信号连接所述电机控制器、所述电压转化DC-AC单元、所述防抱死ABS***和所述斩波单元，所述电压转化DC-AC单元电路连接所述电动空气压缩机，所述电动空气压缩机气路连接所述制动储气罐，所述储气罐压力传感器安装在所述制动储气罐上，所述超级电容依次通过所述稳压单元和所述整流单元电路连接所述电池管理***，所述斩波单元电路连接在所述稳压单元和所述整流单元之间，从而整车控制器通过CAN总线实时采集的信息综合判断应采取的制动方式，在保证车辆制动安全性和可靠性的前提下最大限度的回收电能，降低能量损耗，减小刹车片的磨损。同时采用超级电容作为储能单元，可有效避免因为电池本身特性，对电制动时回收电流的电压和最大允许充电电流的限制，也可以快充快放，使用寿命长；加入整流单元，稳压单元和斩波单元，保证电制动时的充电安全性；加入滑行模式的电制动方式降低了驾驶员频踩刹车踏板的疲惫感，设计巧妙，结构简洁，实现容易，在保证整个制动***安全性和稳定性的基础上具有能量回收功能，同时具有良好的制动力分配特性和制动脚感，适于大规模推广应用。 
附图说明
图1是本实用新型的一具体实施例的连接结构示意图。 
图2是图1所示的具体实施例的控制原理示意图。 
图3是图1所示的具体实施例在滑行模式下根据滑行制动回收旋钮的位置控制电机的一种方法。 
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。 
请参见图1所示，本实用新型的基于超级电容的混合动力城市客车制动***包括制动踏板信号开关、油门踏板信号开关、制动主缸压力传感器、挡位传感器、车速传感器、电机转速传感器、电池管理***、滑行能量回收控制旋钮、整车控制器、电机控制器、电压转化DC-AC单元、防抱死ABS***、电动空气压缩机、制动储气罐、储气罐压力传感器、超级电容、整流单元、稳压单元和斩波单元，所述制动踏板信号开关、所述油门踏板信号开关、所述制动主缸压力传感器、所述挡位传感器、所述车速传感器、所述电机转速传感器、所述电池管理***、所述滑行能量回收控制旋钮和所述储气罐压力传感器分别信号连接所述整车控制器， 所述整车控制器分别信号连接所述电机控制器、所述电压转化DC-AC单元、所述防抱死ABS***和所述斩波单元，所述电压转化DC-AC单元电路连接所述电动空气压缩机，所述电动空气压缩机气路连接所述制动储气罐，所述储气罐压力传感器安装在所述制动储气罐上，所述超级电容依次通过所述稳压单元和所述整流单元电路连接所述电池管理***，所述斩波单元电路连接在所述稳压单元和所述整流单元之间。 
其中整车控制器是核心单元，其检测制动踏板信号、油门踏板信号、制动主缸压力值、车速信号、电池管理***BMS所检测的储能单元（超级电容）电压、电量SOC数据、最大允许充电电流、最大允许充电电量，经逻辑计算后并与电机控制器、电压转化DC-AC单元进行通信，发送信息状态指令及控制指令。 
制动踏板信号开关检测制动踏板信号，此信号发送给整车控制器，油门踏板信号开关检测油门踏板，并反馈给整车控制器，制动主缸压力传感器通过检测制动主缸压力值，将此值传输给整车控制器，防抱死ABS***在整车控制器通过计算总制动力需求大于地面允许的最大制动力情况下启动。 
电机控制器是电动汽车的控制部件，接收整车控制器的指令控制电机驱动或制动发电，并将电机的状态信息反馈给整车控制器。 
电压转化DC-AC单元由整车控制器控制，当制动储气罐压力小于0.6MPa或超级电容电量满足充电上限时，电压转化DC-AC单元工作，将制动回收电流转化为交流电给电动空气压缩机打气，制动储气罐是指专门用于车辆制动***储存气体的设备，同时起到稳定***压力的作用，根据制动储气罐承受压力分为高压储气罐，低压储气罐，常压储气罐，在电动城市客车上制动储气罐的容量大小根据整车参数和制动需求进行匹配，制动储气罐的最大压力为0.8-0.85MPa，制动***有效制动压力设定为0.6-0.8MPa。 
整流单元由整流桥和电解电容组成，其作用是将电制动时能量回收的电流整流成直流电源并加以滤波。稳压单元由宽范围的DC-DC稳压电源组成，其作用是将整流后的电压调节到高于超级电容电压的1.2倍。斩波单元由直流斩波控制器和整车控制器采集的制动踏板开关信号构成，其作用是不仅能起调压的作用(开关电源)，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 
滑行能量回收控制旋钮安装在仪表盘下侧，其内部结构原理为一滑动变阻器，类似于风扇挡位开关，分为3级，其控制方法为：1、制动踏板信号为未开启；2、油门踏板信号为0；3、挡位信号为D挡；4、车速信号为车速v＞10km/h时，整车控制器检测判定为当前运行模式为滑行模式，驾驶员可根据路况及制动需求自行调节滑行能量回收控制旋钮。此时电机的 控制方法根据滑行能量回收控制旋钮的位置采用基速以下恒扭矩，基速以上恒功率的控制方法。 
如图2所示为本实用新型的基于超级电容的混合动力城市客车制动***的控制原理示意图，其制动效果主要有三种制动策略进行实施，分别是电制动，机械制动，以及电制动与机械制动共同制动，其控制策略如下： 
1、传统机械制动：整车控制器首先检测行驶挡位信号及车速信号，R、N挡下或者D挡车速小于Vmin＝10km/h时，整车控制器不发送电制动控制信息，车辆依靠传统机械制动机构进行制动。 
2、电制动能量回收：整车控制器检测挡位信号为D挡，同时车速大于10km/h，当制动踏板信号为ON时，通过检测制动主缸压力值，当制动主缸压力值小于车轮抱死且ABS启动时的制动主缸压力时，混合动力城市客车进入电制动能量回收模式：此时整车控制器检测通过总线发送的电机转速信息和电池管理***发送的电池电压和最大允许充电电流信息以及车速信息计算电动扭矩。整车控制器通过电机控制器控制电机反拖发电进行能量回收，回收的能量通过电池管理***储存在储能单元例如电池中。 
电动扭矩值根据当前车辆运行状况下的车速V、电机转速n、制动主缸压力值P、电池电压等来计算电机扭矩限值Tge。具体包括以下步骤：第一个限值是整车控制器根据当前制动主缸压力值P、车速V、液压制动力F得出制动能量回收电制动扭矩值To；第二个限值是由电池管理***实时发送的当前状态超级电容允许充电电流值Ilimit，驱动电机当前转速和超级电容电压U得出驱动电机制动扭矩限值Tlimit＝U×Ilimit×9.55/n；第三个限值是根据驱动电机的制动象限外特性在当前电机转速下可施加的最大扭矩值Tm；最后得出电机制动扭矩限值Tge＝Min(To,Tlimit,Tm)。 
3、电制动能量给制动储气罐供气：如果步骤2中此时整车控制器检测到储能单元超级电容电量为允许最大上限值，整车控制器控制制动回收电流通过电压转化DC-AC单元使电动空气压缩机工作，给制动储气罐供气。 
4、紧急制动：如果步骤2中，整车控制器检测挡位信号为D挡，同时车速大于10km/h，当制动踏板信号为ON时，整车控制器根据轴荷和车轴附着系数计算制动所需的总制动力，然后根据地面附着系数和车辆总质量计算地面允许的最大制动力。如果总制动力大于或等于地面允许的最大制动力，则判断为紧急制动，此时电制动模式退出，车辆完全有传统制动加ABS防抱死制动方式进行制动。 
5、如果步骤2中，也就是整车控制器检测挡位信号为D挡，同时车速大于10km/h，当 制动踏板信号为ON时，同时制动主缸压力值为T≥Tmax电制动控制条件下最大压力上限值（车轮抱死且ABS启动时的制动主缸压力）时，电制动能量回收模式退出，电动汽车完全按照机械制动加ABS制动方式进行制动。 
6、电制动加机械制动：如果步骤2中整车控制器采集的踏板开关信号，制动主缸压力值和车速信号未满足步骤5中程序条件，此时制动需求也不满足步骤4中紧急制动的程序条件，且电制动不足以满足当前制动主缸压力值所对应的驾驶员制动需求，采用电制动优先原则，根据制动需求，电制动和机械制动配合工作。当此时根据车速和制动主缸压力值采用模糊算法计算出的电制动力小于根据车轴轴荷和车轴附着系数计算出的总制动力，且上述两种制动力均小于地面允许的最大制动力时，此时采取电制动加机械制动方式进行制动。 
7、滑行模式下的电制动：当***同时满足1、制动踏板信号为未开启；2、油门踏板信号为0；3、挡位信号为D挡；4、车速信号为车速v＞10km/h时，整车控制器检测判定为当前运行模式为滑行模式，滑行模式下驾驶员可根据路况及驾驶习惯自行调节所述滑行能量回收控制旋钮，***默认下进行电制动能量回收模式。滑行模式下电制动***电机的控制方法根据所述滑行能量回收控制旋钮的位置采用基速以下恒扭矩，基速以上恒功率的控制方法。 
根据P＝U×Imax×1.732×cos∮中设定的电池所能承受的最大电流Imax确定电机制动回收的最大功率Pmax，根据Pmax＝T×N/9550和Vmax＝0.377×N×r/ig×i0 中计算的电机制动扭矩限值Tge确定基速N和车速V2。 
如图3所示：其中图中横轴表示电机转速，纵轴表示此时的电制动扭矩值，V1＝10km/h，V2为基于确定基速N而设定的车速值Vmax，Tmax为当前滑行状态控制旋钮三个位置所设定的电制动扭矩限值，其中Tmax3＝Tge。 
1.当车速V大于设定速度V2时，采用恒功率的控制方法，电制动扭矩值T随转速r的增加而降低。 
2.当车速小于设定速度V2时，采用恒扭矩的控制方法，电制动扭矩值T为Tge。 
3.滑行状态控制旋钮的三个位置代表三个等级：一级时电制动扭矩值根据电机转速按照图中OA1B1进行控制；二级时电制动扭矩值根据电机转速按照图中OA2B2进行控制；三级时电制动扭矩值根据电机转速按照图中OA3B3进行控制。 
通过采取以上措施和方法，本实用新型可实现以下技术效果： 
（1）整个***结构简单，对传统制动***改动小，可靠性高，成本低。能够满足车辆制动性能要求，同时具有一定的制动感觉。 
（2）在满足制动性能要求的前提下尽量多地回收能量。 
（3）加入整流单元、稳压单元、斩波单元保证电制动能量回收的充电安全性。 
（4）根据驱动电机的发电工作特性和输出能力，采取相应的控制手段保证电制动***的稳定性和驾驶安全性。 
（5）设置滑行能量回收控制旋钮，根据工况设定电制动效果，降低驾驶员由于频踩刹车踏板而产生的驾驶疲惫感。 
（6）在储能单元超级电容电量达到充电上限时，通过整车控制器通信使电制动所产生的电能经过电压转化DC-AC单元转换后给电动空气压缩机工作，降低在城市拥挤工况下，电动空气压缩机频繁工作对电能的损耗。 
（7）低速状态下尽可能的以电制动方式对电动汽车制动，减小能量损耗以及传统机械制动对刹车片的磨损。 
（8）整车控制器根据车速信息，制动主缸信息等按照不同的运行情况智能控制电机反拖产生电制动，传统机械制动部分产生机械制动，ABS开启防抱死制动***，当电制动***或机械制动部分出现问题时可智能切换，保证整个制动***的安全可靠性。 
因此，本实用新型的基于超级电容的混合动力城市客车制动***及其控制方法在保证整个制动***安全性和稳定性的基础上具有能量回收功能，同时具有良好的制动力分配特性和制动脚感。加入滑行模式下滑行能量回收控制旋钮，驾驶员可根据交通工况自行设计滑行描述电制动发电机值和电制动能量回收效果，大大的降低了在城市拥挤工况下车辆走走停停，驾驶员频踩刹车的疲惫感。同时加入整流单元、稳压单元、斩波单元保证电制动能量回收的充电安全性。在超级电容电量达到最大限值时，电制动所产生的电能通过电压转化DC-AC单元连接电动空气压缩机，使其给制动储气罐打气，降低频踩刹车后电动空气压缩机频繁性工作对电能的损耗。 
综上，本实用新型的基于超级电容的混合动力城市客车制动***设计巧妙，结构简洁，实现容易，在保证整个制动***安全性和稳定性的基础上具有能量回收功能，同时具有良好的制动力分配特性和制动脚感，适于大规模推广应用。 
在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。 

Claims (4)

1.一种基于超级电容的混合动力城市客车制动***，其特征在于，包括制动踏板信号开关、油门踏板信号开关、制动主缸压力传感器、挡位传感器、车速传感器、电机转速传感器、电池管理***、滑行能量回收控制旋钮、整车控制器、电机控制器、电压转化DC-AC单元、防抱死ABS***、电动空气压缩机、制动储气罐、储气罐压力传感器、超级电容、整流单元、稳压单元和斩波单元，所述制动踏板信号开关、所述油门踏板信号开关、所述制动主缸压力传感器、所述挡位传感器、所述车速传感器、所述电机转速传感器、所述电池管理***、所述滑行能量回收控制旋钮和所述储气罐压力传感器分别信号连接所述整车控制器，所述整车控制器分别信号连接所述电机控制器、所述电压转化DC-AC单元、所述防抱死ABS***和所述斩波单元，所述电压转化DC-AC单元电路连接所述电动空气压缩机，所述电动空气压缩机气路连接所述制动储气罐，所述储气罐压力传感器安装在所述制动储气罐上，所述超级电容依次通过所述稳压单元和所述整流单元电路连接所述电池管理***，所述斩波单元电路连接在所述稳压单元和所述整流单元之间。 
2.根据权利要求1所述的基于超级电容的混合动力城市客车制动***，其特征在于，所述整流单元由整流桥和电解电容组成，所述电池管理***通过所述整流桥连接所述电解电容，所述电解电容电路连接所述稳压单元，所述斩波单元电路连接在所述电解电容和所述整流单元之间。 
3.根据权利要求1所述的基于超级电容的混合动力城市客车制动***，其特征在于，所述稳压单元是DC-DC稳压电源。 
4.根据权利要求1所述的基于超级电容的混合动力城市客车制动***，其特征在于，所述斩波单元由制动踏板信号接收器和直流斩波控制器组成，所述整车控制器信号连接所述制动踏板信号接收器，所述制动踏板信号接收器电路连接所述直流斩波控制器，所述直流斩波控制器电路连接在所述稳压单元和所述整流单元之间。 
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