一种混合动力车辆底盘能量可再生系统及其方法

摘要

本发明公开了一种混合动力车辆底盘能量可再生系统及其方法，属于车辆节能减排技术领域。该系统包括复合储能系统、公共母线、再生制动系统、馈能悬架系统、能耗电阻开关、能耗电阻和系统控制器。本发明利用公共母线技术，将车辆上四台馈能悬架共用一台DC-DC变换器，并网进入公共母线，同时，馈能悬架系统与再生制动系统并联在公共母线上。通过对回收的能量进行综合管理和协调控制，解决馈能悬架系统内部以及馈能悬架系统与再生制动系统之间馈能状态与耗能状态的矛盾，实现混合动力车辆底盘各子系统之间能量的共享，并将多余的能量储存起来，改善混合动力车辆的性能、降低燃油消耗、提高混合动力车辆储能系统的效率、延长蓄电池的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合动力车辆底盘能量可再生系统及其方法，属于车辆节能减排技术领域。

背景技术

伴随着经济的发展，能源与环境问题日益凸显，世界各国纷纷把节能减排技术的研发置于议事日程的首位。面对如此严峻的形势，交通能源转型势在必行，我国政府也充分认识到汽车节能减排核心技术的紧迫性和重要性，相关导向性政策法规不断出台。车辆上存在着普遍的能源浪费现象，如果能充分利用车上这部分消耗的能量，进行回收再利用，并掌握汽车相关系统的技能技术，将具有重要的现实意义。尤其对于混合动力车辆来说，因为其总功率消耗相对较低，而且对于效率的要求很严格，充分利用从汽车上回收的能量，可以减轻混合动力车辆电池的重量、降低燃油质量，提高汽车的性能。对于混合动力车辆来说，回收汽车能量有很重要的意义。

在目前已有的车辆能量回收装置和方法中，主要有两种途径：一、回收减振器所消耗的能量，实现悬架振动能量回收；二、将汽车制动或减速时的动能转化为其他形式的能量储存起来，实现再生制动。然而，在混合动力车辆整个底盘大系统中，不同系统同一时刻处于不同的工作状态，在现有技术方案中，主要是单独针对汽车的制动能量或悬架振动能量进行回收的系统和方法，尚没有对回收的汽车悬架振动能量和车轮制动能量进行综合利用与协调管理的方法，因而能量具有很强的分散性，不利于对汽车耗散的能量进行有效的回收和管理。汽车底盘是由多个子系统组成的复杂系统，各子系统之间相互关联、相互影响，随着电子技术的发展，汽车的电气化程度越来越高，利用公共母线技术将汽车底盘各部分的分散能量统一起来，解决汽车底盘多系统工作状态不同的矛盾，实现再生能源的合理利用，为未来的汽车底盘一体化技术提供了一种新的思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在汽车行驶过程中，分别对悬架的振动能量和汽车制动能量进行回收，通过对回收的能量进行综合管理和协调控制，解决馈能悬架系统内部以及馈能悬架系统与再生制动系统之间馈能状态与耗能状态的矛盾，实现混合动力车辆底盘各子系统之间能量的共享，并将多余的能量储存起来，改善混合动力车辆的性能、降低燃油消耗、提高混合动力车辆储能系统的效率、延长蓄电池的使用寿命。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：车辆上四台馈能悬架共用一台DC-DC变换器，并网接入公共母线，馈能悬架系统与再生制动系统并联在公共母线上。根据系统的性能要求，由系统控制器采用协调控制策略，实现馈能悬架系统内部、馈能悬架系统与再生制动系统之间的能量共享，协调管理各部件之间再生的能量和消耗的能量。

该种混合动力车辆底盘能量可再生技术装置包括复合储能系统、公共母线、再生制动系统、馈能悬架系统、能耗电阻开关、能耗电阻和系统控制器；其中能耗电阻开关的一端与公共母线的正极母线相连，其另一端与能耗电阻的一端相连，二能耗电阻的另一端则与公共母线的负极母线相连。 

公共母线由正极母线、负极母线、功率开关管A和功率开关管B组成；其中正极母线通过功率开关管A与复合储能系统的正极相连；负极母线通过功率开关管B与复合储能系统的负极相连。

再生制动系统包括双向DC-DC变换器A、逆变器和再生制动电机；双向DC-DC变换器A为级联型Buck/Boost双向变换器，起到双向升压、降压的作用，有a、b、c、d四个接口端子，其中a、b接口端子组成母线侧，c、d接口端子组成逆变器侧；逆变器是由6个MOSFET管组成的三相半桥式逆变器，包含直流侧两个端子和交流侧三个端子，当再生制动电机以电动机模式工作时逆变器起逆变作用，当再生制动电机以发电机模式工作时逆变器起整流作用；DC-DC变换器A的端子a与公共母线的正极母线相连，端子b与公共母线的负极母线相连，端子c和d分别与逆变器的直流侧两个端子相连；逆变器的交流侧三个端子则分别与再生制动电机的三相绕组相连。

馈能悬架系统包括双向DC-DC变换器B、逆变器组和馈能悬架；双向DC-DC变换器B的结构与DC-DC变换器A相同，也包含a、b、c、d四个接口端子，a、b接口端子组成母线侧，c、d接口端子组成逆变器侧；逆变器组则由4个型号相同的逆变器组成，其中每个逆变器均是由6个MOSFET管组成的三相半桥式逆变器，包含直流侧两个端子和交流侧三个端子，实现与馈能悬架之间进行电能的双向传输；馈能悬架包括混合动力车辆的左前轮处馈能悬架（LF-RS）、右前轮处馈能悬架（RF-RS）、左后轮处馈能悬架（LR-RS）以及右后轮处馈能悬架（RR-RS）；其中逆变器组中每个逆变器的交流侧的三个端子分别与混合动力车辆底盘上四个车轮处均布的馈能悬架的三相绕组相连；逆变器组中每个逆变器的直流侧两个端子则分别与DC-DC变换器A的端子c、d相连。

系统控制器包括主控制器、再生制动系统控制器和馈能悬架系统控制器；再生制动系统控制器负责采集再生制动电机的电压、电流信号和DC-DC变换器A逆变器侧的直流电压、电流信号，并根据制动性能要求控制再生制动系统中逆变器各个开关管的通断；馈能悬架系统控制器负责采集馈能悬架各个悬架的电压、电流信号和DC-DC变换器B逆变器侧的直流电压、电流信号，并根据整车对各个车轮处悬架性能的要求控制逆变器组中各个逆变器开关管的通断；主控制器则根据再生制动系统控制器和馈能悬架系统控制器采集到的电压、电流信号进行公共母线中电能的协调控制，判断各系统的工作模式并监测公共母线的状态，控制DC-DC变换器A、DC-DC变换器B、功率开关管A、功率开关管B以及能耗电阻开关的通断，解决不同系统馈能状态和耗能状态的矛盾，并防止公共母线过载。

该种混合动力车辆底盘能量可再生技术的控制方法为：

再生制动系统控制器根据混合动力车辆的启动、加速或制动等工况要求，采集再生制动电机的电压、电流信息，控制逆变器中开关管的通断，使再生制动电机按照车辆的运行要求工作；同时，再生制动系统控制器采集DC-DC变换器A的逆变器侧的直流电压、电流信号，并传给主控制器，主控制器据此判断再生制动电机此时是从公共母线吸收电能还是向公共母线馈能；另一方面，馈能悬架系统控制器根据混合动力车辆的车身姿态要求，采集馈能悬架中各个车轮处馈能悬架的电压、电流信息，控制逆变器组中与各个车轮处悬架相对应的逆变器开关管的通断，使各个悬架满足整车的车身姿态要求；同时馈能悬架系统控制器采集DC-DC变换器B的逆变器侧的直流电压、电流信号，并传给主控制器，主控制器据此判断馈能悬架此时是从公共母线吸收电能还是向公共母线馈能。

该种混合动力车辆底盘能量可再生技术的具体控制步骤为：

当馈能悬架向公共母线馈能时，则主控制器控制DC-DC变换器B的开关管使电能（升压或降压）流向公共母线，此时判断再生制动电机的能耗模式，若再生制动电机也向公共母线馈能，则主控制器控制DC-DC变换器A的开关管使电能（升压或降压）也流向公共母线，且回馈的总的电能经由功率开关管A和功率开关管B上反并联的二极管给复合储能系统充电；若此时再生制动电机从公共母线吸收能量能，则主控制器控制DC-DC变换器A的开关管使电能（升压或降压）流向再生制动电机，并判断馈能悬架产生的能量是否足够提供给再生制动电机，若足够，则多余的电能经由功率开关管A和功率开关管B上反并联的二极管给复合储能系统充电；若不足够，则由主控制器使功率开关管A和功率开关管B导通，由复合储能系统提供不足的电能部分；

当馈能悬架从公共母线吸收能量时，则主控制器控制DC-DC变换器B的开关管使电能（升压或降压）流向馈能悬架，此时判断再生制动电机的能耗模式，若再生制动电机也从公共母线吸收能量，则由主控制器（610）控制DC-DC变换器A的开关管使电能（升压或降压）流向再生制动电机，并使功率开关管A和功率开关管B导通，由复合储能系统给再生制动电机和馈能悬架供电；若此时再生制动电机向公共母线馈能，则主控制器控制DC-DC变换器A的开关管使电能（升压或降压）流向公共母线，并判断再生制动电机产生的能量是否足够提供给馈能悬架，若足够，则多余的电能经由功率开关管A和功率开关管B上反并联的二极管给复合储能系统充电；若不足够，则由主控制器使功率开关管A和功率开关管B导通，由复合储能系统提供不足的电能部分；

当公共母线上的电能超过复合储能系统的负荷时，则主控制器控制能耗电阻开关闭合，将多余的电能通过能耗电阻以热能的形式耗散掉。 

本发明主要有以下几个优点：

（1）实现对汽车底盘的制动能量和悬架振动能量的回收，提高了混合动力车辆的燃油经济性， 减轻了复合储能系统的负荷，延长了电池的寿命。

（2）由于混合动力车辆的制动系统与悬架系统以及悬架系统内部的各台悬架在同一时刻处于不同的工作模式，即有的处于馈能状态，有的处于耗能状态，利用公共母线技术，将处于馈能状态的系统产生的电能被母线上其他需要电能的系统使用，并将多余的能量储存至复合储能系统，实现了再生能源的合理利用。

（3）采用公共母线技术，使得混合动力车辆底盘的电子设备系统结构紧凑，并减少了设备的占用空间，降低了系统的成本。

附图说明

图1是发明实施例的原理图；

图2是DC-DC变换器的拓扑结构图；

图3是逆变器的拓扑结构图；

图4是系统控制器的控制方法框图。

图中：100、复合储能系统；200、公共母线；210、正极母线；220、负极母线；230、功率开关管A；240、功率开关管A；300、再生制动系统；310、DC-DC变换器A；320、逆变器；330、再生制动电机；400、馈能悬架系统；410、 DC-DC变换器B；420、逆变器组；430、馈能悬架；431、左前轮处馈能悬架；432、右前轮处馈能悬架；433、左后轮处馈能悬架；434、右后轮处馈能悬架；510、能耗电阻开关；520、能耗电阻；600、系统控制器；610、再生制动系统控制器；620、馈能悬架系统控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示为本发明实施例的原理图。公共母线200包括正极母线210、负极母线220、功率开关管A230、功率开关管B240；正极母线210通过功率开关管A230与复合储能系统100的正极相连；负极母线220通过功率开关管B240与复合储能系统100的负极相连。再生制动系统300通过DC-DC变换器A310的母线侧端子A与正极母线210相连，通过DC-DC变换器A310的母线侧端子B与负极母线220相连。馈能悬架系统400通过DC-DC变换器B410的母线侧端子A与正极母线210相连，通过DC-DC变换器B410的母线侧端子B与负极母线220相连。能耗电阻开关510一端与公共母线200的正极母线210相连，另一端与能耗电阻520的一端相连，能耗电阻520的另一端与公共母线200的负极母线220相连。

双向DC-DC变换器A310为级联型Buck/Boost双向变换器，起到双向升压、降压的作用，有a、b、c、d四个接口端子，其中a、b接口端子组成母线侧，c、d接口端子组成逆变器侧。逆变器320包含直流侧两个端子和交流侧三个端子，在再生制动电机330以电动机模式工作时起DC-AC逆变作用，以发电机模式工作时起AC-DC整流作用。 DC-DC变换器A310的端子a与正极母线210相连，端子b与负极母线220相连，端子c和d分别与逆变器320的直流侧两个端子相连；逆变器320的交流侧三个端子分别与再生制动电机（330）的三相绕组相连。双向DC-DC变换器B410的结构与DC-DC变换器A310相同，也包含由a、b接口端子组成的母线侧，由c、d接口端子组成的逆变器侧。逆变器组420由4个型号相同的逆变器组成，均是由6个MOSFET管组成的三相半桥式逆变器，包含直流侧两个端子和交流侧三个端子，实现与馈能悬架430之间进行电能的双向传输。馈能悬架430包括混合动力车辆的左前轮处馈能悬架（LF-RS）、右前轮处馈能悬架（RF-RS）、左后轮处馈能悬架（LR-RS）以及右后轮处馈能悬架（RR-RS）。逆变器组420中每个逆变器交流侧的三个端子分别与混合动力车辆底盘上四个车轮处均布的馈能悬架的三相绕组相连，直流侧的两个端子分别与DC-DC变换器A310的端子c、d相连。

系统控制器600包括主控制器610、再生制动系统控制器620和馈能悬架系统控制器630。各个控制器通过采样信号与控制信号实现与系统各个部件的连接。其中再生制动系统控制器620负责再生制动系统300工作模式的控制，馈能悬架系统控制器630负责馈能悬架系统400工作模式的控制。主控制器610根据再生制动系统控制器620和馈能悬架系统控制器630采集到电路信号，判断各系统的工作模式并监测公共母线的状态，控制DC-DC变换器A310、DC-DC变换器B410、功率开关管A230、功率开关管B240以及能耗电阻开关510的通断。

如图2所示为级联型Buck/Boost双向DC-DC变换器结构图。双向DC-DC变换器A310和双向DC-DC变换器B410均采用该种结构，其由4个MOSFET开关管（VT1、VT2、VT3、VT4）和一个电感构成，实现电能双向传输时的升压和降压作用。当再生制动电机330或者馈能悬架430从公共母线200吸收电能时（即电能由母线侧流向逆变器侧），若保持VT1和VT4导通，VT2关断，令VT3斩波，则可实现由公共母线200输入的升压；若保持VT2和VT3关断，VT4导通，令VT1斩波，则可实现由公共母线200输入的降压。当再生制动电机330或者馈能悬架430向公共母线200馈能时（即电能由逆变器侧流向母线侧），若保持VT2和VT3关断，VT1导通，令VT4斩波，则可实现再生制动电机330或馈能悬架430馈能输入时的降压；若保持VT1和VT4导通，VT3导通，令VT2斩波，则可实现再生制动电机330或馈能悬架430馈能输入时的升压。主控制器610通过控制双向DC-DC变换器A310和双向DC-DC变换器B410中四个MOSFET开关管的通断方式实现馈能状态和耗能状态的升压、降压，从而使系统各部件均能正常工作。图中箭头所示的方向分别表示变换器逆变器侧的直流电压和直流电流的正方向。

如图3为逆变器320和逆变器组420中各个逆变器的拓扑结构图。所选用的逆变器为三相桥式结构，由V1~V6共6个门极关断功率开关管组成，包括直流侧两个接口端子和交流侧的三个接口端子。当系统馈能时，三相交流电通过V1~V6上6个反并联的二极管实现AC-DC的整流，输往公共母线200；当系统消耗电能时，通过主控制器610控制V1~V6的开关管的导通与闭合，根据系统的性能要求和功耗要求，以某个功率转换电能，实现DC-AC的逆变。

如图4所示为发明实施例的控制方法。在汽车行驶过程中，再生制动系统控制器620采集再生制动电机330的电压、电流信息，根据混合动力车辆的启动、加速或制动等工况要求，控制逆变器320中6个开关管的通断，使再生制动电机330按照车辆的运行要求工作；同时，再生制动系统控制器620采集DC-DC变换器A310的逆变器侧的直流电压、电流信号，并传给主控制器610，主控制器610根据该电压U_DC、电流信号I_DC，判断再生制动电机330此时是从公共母线200吸收电能还是向公共母线200馈能。馈能悬架系统控制器630根据混合动力车辆的车身姿态要求，采集馈能悬架430中各个车轮处馈能悬架的电压、电流信息，控制逆变器组420中与各个车轮处悬架相对应的逆变器中6个功率开关管的通断，使各个悬架满足整车的车身姿态要求；同时馈能悬架系统控制器630采集DC-DC变换器B410的逆变器侧的直流电压、电流信号，并传给主控制器610，主控制器610根据该电压U_DC、电流信号I_DC，判断馈能悬架430此时是从公共母线200吸收电能还是向公共母线200馈能。

当DC-DC变换器B410的逆变器侧的直流电压、电流信号满足P=U_DC*I_DC<0时，表明此时馈能悬架430向公共母线200馈能，则主控制器610控制DC-DC变换器B410的开关管使电能以升压或降压的方式流向公共母线200。若此时再生制动电机330处于制动状态，则DC-DC变换器A310的逆变器侧的直流电压、电流信号满足P=U_DC*I_DC<0，主控制器610控制DC-DC变换器A310的开关管使电能以升压或降压的方式也流向公共母线200，且回馈的总的电能经由功率开关管A230和功率开关管B240上反并联的二极管给复合储能系统100充电；若此时再生制动电机330处于启动或加速状态，则DC-DC变换器A310的逆变器侧的直流电压、电流信号满足P=U_DC*I_DC>0，主控制器610控制DC-DC变换器A310的开关管使电能以升压或降压的方式流向再生制动电机330，并判断馈能悬架430产生的能量是否足够提供给再生制动电机330，若足够，则多余的电能经由功率开关管A230和功率开关管B240上反并联的二极管给复合储能系统100充电；若不足够，则由主控制器610使功率开关管A230和功率开关管B240导通，由复合储能系统100提供不足的电能部分。

当DC-DC变换器B410的逆变器侧的直流电压、电流信号满足P=U_DC*I_DC>0时，表明馈能悬架430此时需要从公共母线200吸收电能，则主控制器610控制DC-DC变换器B410的开关管使电能以升压或降压的方式流向馈能悬架430。若此时再生制动电机330处于启动或加速状态，则DC-DC变换器A310的逆变器侧的直流电压、电流信号满足P=U_DC*I_DC>0，主控制器610控制DC-DC变换器A310的开关管使电能以升压或降压的方式流向再生制动电机330，并使功率开关管A230和功率开关管B240导通，由复合储能系统100给再生制动电机330和馈能悬架430供电；若此时再生制动电机330处于制动状态，则DC-DC变换器A310的逆变器侧的直流电压、电流信号满足P=U_DC*I_DC<0，主控制器610控制DC-DC变换器A310的开关管使电能以升压或降压的方式也流向公共母线200，并判断再生制动电机330产生的能量是否足够提供给馈能悬架430，若足够，则多余的电能经由功率开关管A230和功率开关管B240上反并联的二极管给复合储能系统100充电；若不足够，则由主控制器610使功率开关管A230和功率开关管B240导通，由复合储能系统100提供不足的电能部分。

当主控制器610判断公共母线200上的电能超过复合储能系统100的负荷时，则主控制器610控制能耗电阻开关510闭合，将多余的电能通过能耗电阻520以热能的形式耗散掉。

通过系统控制器600对复合储能系统100、再生制动系统300和馈能悬架系统400工作模式的判别和电路状态的监测，实现对混合动力车辆底盘能量的有效回收和合理利用，并使各系统的性能均能满足整车的性能要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。