一种车载复合电源再生制动能量回收系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于混合动力汽车领域，具体涉及混合动力汽车的复合电源再生制动能量 回收系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着汽车工业的快速发展，能源问题和环境问题已成为全球关注的热点。在此背 景下，由高比能量蓄电池和高比功率的超级电容器组成的车载复合电源成为当今研究热门 之一。现阶段车载复合电源再生制动能量回收系统需要解决的问题主要体现在：在车辆体 积和成本的可许范围内，如何实现对再生制动能量安全、快速地回收；如何在不同条件下提 高再生制动能量回收效率。
[0003] 现有的制动能量回收系统，常用功率器件将蓄电池与车用电机连接，以及用非隔 离半桥结构的双向DC/DC变换器将超级电容器与车用电机连接；这种制动能量回收系统的 缺陷是：一是，功率器件无疑需要配备相应的控制模块，且功率器件本身存在能量损耗；二 是，双向DC/DC变换器只能对超级电容进行降压充电和升压放电，当车用电机反电势低于 超级电容端电压时无法回收制动能量。
[0004] 中国专利申请号为201210116154. 8、名称为"基于同步整流Buck-Boost双向DC/ DC变换器的复合电源控制系统"提出一种四个N沟道MOS管以及一个储能电感组成的双向 DC/DC变换器，其中四个N沟道MOS管两两组成半桥结构，储能电感分别接在两半桥结构的 中间。虽然这种结构的双向DC/DC变换器能够实现对超级电容器进行升降压充放电，使得 当电机反电动势较低时的制动能量得到利用，但对四个MOS管的控制较复杂，且功率管本 身也会产生能量损耗。中国专利申请号为201410293988. 5、名称为"一种N-PMOS开关解耦 的电动汽车复合电源及能量控制方法"提出了一种使用三个功率管组成的双向DC/DC变换 器，虽然功率管的数量得以减少，但此种结构只适用于超级电容电压等级高于蓄电池的情 况，由于超级电容电压等级高于蓄电池会带来成本的增加和汽车供能系统的安全隐患，实 际生产和实验中较少使用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是解决上述现有技术存在的问题，提供一种控制简单、成本小、能耗 小的车载复合电源再生制动能量回收系统及方法，当车用电机反电势低于超级电容端电压 时也能回收制动能量，提高再生制动能量回收效率。
[0006] 本发明一种车载复合电源再生制动能量回收系统采用的技术方案是：包括蓄电 池、超级电容器以及单片机，超级电容器与双向DC/DC变换器串联构成辅助能量源，蓄电池 与常闭继电器串联构成主要能量源，主要能量源和辅助能量源并联在永磁有刷直流电机的 输出端，用于检测制动过程中超级电容器的充电电流大小的电流传感器的输出端连接单片 机的一个输入端，单片机的另一个输入端连接用于检测制动踏板所产生的位移量的位移传 感器，单片机的输出端连接双向DC/DC变换器；所述双向DC/DC变换器由电感L、IGBT管 S1、馬、晃、二极管珥、构成，所述电感L串接在超级电容器的右侧，IGBT管馬与二 极管珥反向并联后置于电感L的右侧且与超级电容器和电感L并联；IGBT管S2与二极管 U2反向并联后置于电感L的右侧且与永磁有刷直流电机串接，IGBT管S1与二极管為反向 并联后置于电感L的左侧且与超级电容器并联。
[0007] 本发明一种车载复合电源再生制动能量回收系统的再生制动能量回收方法采用 的技术方案是：车辆正常行驶过程中继电器处于常闭状态，制动踏板动作后，常闭继电器断 开，切断蓄电池与永磁有刷直流电机的连接，永磁有刷直流电机的反电势低于超级电容器 端电压，永磁有刷直流电机通过双向DC/DC变换器向超级电容器回馈再生制动能量。
[0008] 更进一步地，本发明中的永磁有刷直流电机通过双向DC/DC变换器向超级电容器 回馈再生制动能量时，单片机输出信号控制IGBT管S1处于关断状态、IGBT管S3处于始终 导通状态、IGBT管馬以一定的占空比工作；当IGBT管晃处于导通状态时处于储能过程，永 磁有刷直流电机反电势加到电感L上，电感L电流线性增长，二极管D 1处于反向截止状态； 当IGBT管馬处于关断状态时处于释能过程，电机反电势和电感L同时向负载释放能量。
[0009] 本发明的有益效果是： 1.本发明利用超级电容器比功率大的物理特性对再生制动能量进行快速回收，利用继 电器和双向DC/DC变换器增大永磁有刷直流电机再生制动能量回收的电压范围，在制动过 程中通过常闭继电器将蓄电池与永磁有刷直流电机断开，可以令永磁有刷直流电机在更大 的制动电压范围内对超级电容充电。
[0010] 2.本发明中的常闭型直流电磁继电器耗能极低，无需控制芯片，直接使用单片机 电源为线圈供电，使用方便。
[0011] 3.本发明中的三功率管组成的双向DC/DC变换器通过控制有限的功率器件，能够 充分利用制动过程中永磁有刷直流电机反电势低于超级电容端电压时的制动能量。
[0012] 4.本发明中的再生制动能量回收系统结构及控制简单易行，有效提高再生制动能 量回收效率，延长蓄电池使用寿命及车辆续驶里程。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明一种车载复合电源制动能量回收系统的结构框图； 图2是图1中车载复合电源模块的电路结构图； 图3是制动过程中电机反电势高于超级电容端电压时双向DC/DC变换器工作电路原理 图； 图4是制动过程中电机反电势低于超级电容端电压时双向DC/DC变换器工作电路原理 图。
[0014] 图中：1.蓄电池；2.超级电容器；3.双向DC/DC变换器；4.继电器；5.永磁有刷 直流电机；6.制动踏板；7.电流传感器；8.位移传感器；9.单片机。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0016] 本发明提供的一种车载复合电源再生制动能量回收系统如图1所示，包括：蓄电 池1、超级电容器2、双向DC/DC变换器3(即图1中的DC/DC模块)、继电器4、永磁有刷直流 电机5、位移传感器8和单片机9。永磁有刷直流电机5的输出端分别连接双向DC/DC变换 器3和继电器4,超级电容器2与双向DC/DC变换器3串联构成辅助能量源，蓄电池1与继 电器4串联构成主要能量源，主要能量源和辅助能量源并联在永磁有刷直流电机5的输出 端，两路能量源并联可同时或单独向永磁有刷直流电机5供电。用于检测制动过程中超级 电容器2的充电电流大小电流传感器7的输出端连接单片机9的一个输入端，单片机9的 另一个输入端连接用于检测制动踏板6所产生的位移量的位移传感器8,单片机9的输出端 连接双向DC/DC变换器3,双向DC/DC变换器3为三功率管结构。
[0017] 蓄电池1为铅酸电池或镍氢电池或锂离子电池，具有能量密度高、循环使用寿命 短、功率密度相对较低的特点，蓄电池1通过继电器4为永磁有刷直流电机5供能；超级电 容器2为双电层电容器，具有功率密度高、相对能量密度低、快速充放电等特点；超级电容 器2电压等级低于蓄电池1电压；继电器4为常闭继电器，车辆正常行驶过程中处于常闭状 态，当接收到制动踏板6动作的信号后继电器4动作，切断蓄电池1与永磁有刷直流电机5 的连接，使永磁有刷直流电机5能够在反电势低于超级电容器2端电压的情况下对超级电 容器2充电。电流传感器7将检测到的制动过程中超级电容器2的充电电流转化为电信号 传送至单片机9中；位移传感器8用于检测制动踏板6是否产生位移量来判断驾驶员的制 动意图，并将制动踏板6的位移量转化为电信号传送至单片机9中；单片机9接收来自位移 传感器8和电流传感器7的电信号，根据电机参数和汽车参数将位移传感器8的电信号转 换为超级电容器2参考充电电流值，通过C语言编程实现PI控制，输出PWM脉冲控制双向 DC/DC变换器3。
[0018] 制动过程中，电流传感器7检测超级电容器2充电电流，并将电信号传送至单片机 9 ;位移传感器8检测制动踏板6的位移量，将电信号传送至单片机9。制动踏板6动作后， 常闭继电器4断开，永磁有刷直流电机5优先通过双向DC/DC变换器3向超级电容器2回 馈再生制动能量；当超级电容器2的SOC达到90%左右，常闭继电器4恢复闭合状态，永磁 电机5开始向蓄电池1回馈能量。制动开始时回馈电流较大，优先向超级电容器2回馈制 动能量可以避免蓄电池1受到大电流冲击，同时超级电容器2能为下一次的汽车启动或加 速提供瞬时大功率。
[0019] 图2为本发明所提车载复合电源结构，图中，UC表示超级电容器2，Batt表示蓄电 池1 ;黾是蓄电池1的