專利名稱：具有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動(dòng)車的蓄電池保護(hù)裝置，特別是一種具有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制裝置和方法。本發(fā)明可以提高電動(dòng)車的起動(dòng)、加速性能，延長(zhǎng)電動(dòng)車行駛里程。
背景技術(shù)：
電動(dòng)車因?yàn)楣?jié)能、無(wú)污染，成為當(dāng)今人們喜歡的交通工具，其市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)廠商也在不斷增加，在城市幾乎達(dá)到了普及的地步。電動(dòng)車在使用過(guò)程中，蓄電池屬于易耗件，直接關(guān)系到用戶的使用費(fèi)用，正常使用蓄電池的充放電循環(huán)可達(dá)300次以上，而實(shí)際使用過(guò)程中往往發(fā)現(xiàn)蓄電池的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)充放電循環(huán)次數(shù)，蓄電池的使用壽命業(yè)已成為電動(dòng)車行業(yè)的瓶頸。
影響電動(dòng)車蓄電池壽命的因素主要有過(guò)充電，大電流放電，過(guò)放電等原因。由直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流公式TK:TOI可知在勵(lì)磁一定時(shí)轉(zhuǎn)矩與電流成正比，在電動(dòng)車起動(dòng)，載重，爬坡等情況下往往需要大的轉(zhuǎn)矩，大電流放電就不可避免。而一般的12Ah鉛酸電池最大放電電流為1C即12A，而電動(dòng)車選用膠體電池，所以最大放電電流更小。這樣電動(dòng)車的加速性能和電池壽命就形成了一對(duì)矛盾。目前的電動(dòng)車控制中為了提高加速性能、爬坡能力及載荷水平，往往使控制器的限流電流放寬至大于14A(甚至大于20A)，性能是提高了，但對(duì)蓄電池的傷害也增加了，當(dāng)然這些問(wèn)題在用戶使用初期是覺(jué)察不到的，往往在使用一段時(shí)間后才能反映出來(lái)。因?yàn)椋脩羰褂脮r(shí)，每一次加速，每一次爬坡都是對(duì)蓄電池的一次傷害?，F(xiàn)在有一種將超級(jí)電容并連在電池兩端的保護(hù)電池的方法，在電動(dòng)車起動(dòng)瞬間對(duì)電池有一定的保護(hù)作用，但是其維持的時(shí)間很短，不能做到對(duì)電池持續(xù)有效的保護(hù)，對(duì)超級(jí)電容的容量利用很少。超級(jí)電容的應(yīng)用給我們解決電動(dòng)車的加速性能和電池大電流放電的問(wèn)題提供了一個(gè)方法。如何充分運(yùn)用好超級(jí)電容的大容量，提高電動(dòng)車的加速性能的同時(shí)也延長(zhǎng)蓄電池的壽命是一個(gè)急待解決的問(wèn)題。目前市場(chǎng)上還沒(méi)有相應(yīng)的產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制裝置和方法，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)DC/DC能量雙向流動(dòng)，并且能實(shí)現(xiàn)電池端和超級(jí)電容端的電能轉(zhuǎn)換等功能，用于保護(hù)電動(dòng)車的蓄電池，提高電動(dòng)車的加速性能，延長(zhǎng)電動(dòng)車行駛里程。本發(fā)明運(yùn)行可靠、成本低、適用面廣。
本發(fā)明提供的一種具有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制裝置主要包括l)超級(jí)電容適配器的功率電路，如圖3所示，用于實(shí)現(xiàn)蓄電池對(duì)超級(jí)電容的充電和超級(jí)電容對(duì)蓄電池的放電。超級(jí)電容正極帶有快速放電用的二極管與蓄電池正極連接，用于
3確保電池端因放電而電壓低于超級(jí)電容時(shí)，超級(jí)電容不經(jīng)過(guò)電感立即直接向電池補(bǔ)充電能。
2) 超級(jí)電容適配器的驅(qū)動(dòng)控制電路，如圖4所示，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)上橋臂充電功率開(kāi)關(guān)器
件n和下橋臂放電功率開(kāi)關(guān)器件is的驅(qū)動(dòng)控制。上下橋臂控制信號(hào)是互鎖形式，使得上
下橋臂在任何情況下都不會(huì)直通。分別接地和高電平的第一電阻22和第二電阻23，用于確保不接CPU時(shí)，上下橋臂觸發(fā)信號(hào)在禁止?fàn)顟B(tài)。所述的超級(jí)電容的驅(qū)動(dòng)控制電路可以使用BL8003或IR2103等集成觸發(fā)器件，或分立元件構(gòu)成的自舉觸發(fā)電路。
3) 超級(jí)電容適配器的控制器，如圖2所示，用于采集電容電壓、電流等各種信號(hào)，輸出PWM、上下橋臂輸出允許等控制信號(hào)。
本發(fā)明的超級(jí)電容適配器有兩種形式 一種是嵌入到電動(dòng)車控制器中，成為帶有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制器，如圖l (a)所示；另一種是獨(dú)立的超級(jí)電容適配器，如圖l(b)所示。
本發(fā)明提供的具有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制的方法包括的步驟
1) 使超級(jí)電容適配器保持工作在降壓"充電狀態(tài)"，即通過(guò)對(duì)上橋臂的通斷控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流和超級(jí)電容電壓的調(diào)節(jié)。超級(jí)電容和電池的電壓相等時(shí)上橋臂幾乎始終導(dǎo)通，進(jìn)入"連接狀態(tài)"。當(dāng)電池增加負(fù)載導(dǎo)致其電壓下降時(shí)，適配器仍處于連接狀態(tài)，電容的電能迅速通過(guò)上橋臂MOSFET器件17或17的反并聯(lián)二極管及二極管16流向電池，以減小電池壓降。
2) 當(dāng)電池電壓或超級(jí)電容電壓下降到限定電壓以下或瞬間壓降大于3V時(shí)，進(jìn)入升壓狀態(tài)，上橋臂MOSFET關(guān)斷，下橋臂MOSFET工作。當(dāng)電容電壓下降到30~37V,或當(dāng)電池負(fù)載減輕，放電電流減小到100mA以內(nèi)時(shí)，返回充電狀態(tài)。
3) 當(dāng)電池電壓因制動(dòng)回饋升高時(shí)，進(jìn)入回饋充電狀態(tài)，但需限制超級(jí)電容的電壓在額定電壓以內(nèi)。
上橋臂功率器件需要持續(xù)的供電。供電方法是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間下橋臂短時(shí)導(dǎo)通一次，給上橋臂自舉電容，此期間上橋臂功率MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)或者帶死區(qū)的互補(bǔ)工作狀態(tài)。
本發(fā)明能夠持續(xù)的保護(hù)電動(dòng)車的蓄電池,使其放電電流一直維持在較小的安全范圍以內(nèi)，從而能夠有效的延長(zhǎng)電池的使用壽命，同時(shí)能夠明顯改善電動(dòng)車的加速性能,延長(zhǎng)單次充電的行駛里程。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低，不僅僅可以用在電動(dòng)車中，也可以用在任何蓄電池供電系統(tǒng)當(dāng)中，可以有效的穩(wěn)定蓄電池的端電壓，從而增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。


圖1帶有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制器結(jié)構(gòu)圖。圖2超級(jí)電容適配器的控制器框圖。
4圖3超級(jí)電容適配器的功率電路原理圖。
圖4超級(jí)電容適配器的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路原理圖。
圖5.1超級(jí)電容適配器的程序流程圖。
圖5.2超級(jí)電容適配器的充電流程圖。
圖5.3超級(jí)電容適配器的升壓流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明是一種連接蓄電池1和超級(jí)電容2的雙向DC/DC裝置5,下稱超級(jí)電容適配器5或簡(jiǎn)稱適配器5，或者是嵌入有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制器3，可以實(shí)現(xiàn)控制蓄電池對(duì)超級(jí)電容的充電，蓄電池1和超級(jí)電容2 —起放電，超級(jí)電容2側(cè)升壓為電池l側(cè)供電等功能。
一、狀態(tài)遷移控制
本適配器裝置的工作狀態(tài)可分為四種充電狀態(tài)，連接狀態(tài)，升壓狀態(tài)，回饋制動(dòng)狀態(tài)。本適配器裝置采用獨(dú)立的MCU單片機(jī)作為主控芯片，或與電動(dòng)車控制器共用同一個(gè)MCU控制芯片，根據(jù)電池充放電電流9， 10、超級(jí)電容充放電電流7， 8、驅(qū)動(dòng)制動(dòng)操作狀態(tài)ll， 12的不同，對(duì)上述狀態(tài)的遷移進(jìn)行控制，并通過(guò)上下橋臂允許信號(hào)13， 14和PWM信號(hào)15對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件17， 18進(jìn)行控制。以額定電壓為48V，最大限流為16A的電動(dòng)車控制器，加入60V4F的超級(jí)電容為例，對(duì)上述各個(gè)狀態(tài)的控制情況描述如下
1、 充電狀態(tài)
蓄電池1對(duì)超級(jí)電容2的充電采用近似恒流充電的控制策略?？紤]到既要滿足充電的快速性又不能影響電池的正常工作，將電池1對(duì)超級(jí)電容2的放電電流限制在3A以內(nèi)。電動(dòng)車正常運(yùn)行的電流大概在5 6A,在此狀態(tài)下電池1總的放電電流9為8 9A,這樣電池的放電電流9在0.7C 0.8C之間不會(huì)對(duì)電池1造成傷害。
恒流充電的控制是通過(guò)A/D采樣獲得超級(jí)電容2的充電電流7，用PI控制方法，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)15的占空比，控制上橋臂17的導(dǎo)通關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
假設(shè)初始電容電量為0,則充電時(shí)間需要4F*48V2/(48V*3A)/2=32s。此為最初始狀態(tài)，電容2第一次裝配時(shí)，裝配以后的工作過(guò)程中電容2都是有電的。實(shí)際工作狀態(tài)電容2端電壓與電池1端相近。假設(shè)電容2的最低電壓，即升壓狀態(tài)結(jié)束時(shí)的超級(jí)電容電壓，為37V，則充電時(shí)間<11￥*4 /3八=14.33。
充電狀態(tài)結(jié)束時(shí)，PWM信號(hào)15的占空比將趨于100%，進(jìn)入近似連接狀態(tài)。充電與連接狀態(tài)沒(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別，因此連接狀態(tài)是充電結(jié)束狀態(tài)。
2、 連接狀態(tài)
通過(guò)控制功率MOSFET器件17， 18，使電容2端與電池1端連接，與電池1 一起為電動(dòng)車提供能量。電容2有利于維持電池1電壓27穩(wěn)定，使電池1端電壓27毛刺減小。適配器5始終確保電容充電電流7不超過(guò)設(shè)定值。此狀態(tài)允許電壓在允許范圍內(nèi)有小的波動(dòng)，電動(dòng)車在正常行駛狀態(tài)。但當(dāng)電動(dòng)車的負(fù)載加大，導(dǎo)致電池l的電壓降低時(shí)，電容2將自動(dòng)通過(guò)二極管16和上橋臂功率器件17的反向二極管進(jìn)入放電狀態(tài)，當(dāng)電壓降落大于3V，或電池端電壓低于46V時(shí)進(jìn)入升壓狀態(tài)。
3、 升壓狀態(tài)
當(dāng)電壓降落大于3V或電池端電壓27低于46V時(shí)升壓狀態(tài)啟動(dòng)，努力維持電池電壓27在48V以上。升壓狀態(tài)終止條件為以下五點(diǎn)之一(1)超級(jí)電容電壓26低于37V， (2)超級(jí)電容放電電流8小于某設(shè)定值時(shí)，(3) PWM信號(hào)15占空比接近100%時(shí)，(4)電池電壓27由低壓恢復(fù)到某設(shè)定值以上時(shí)，(5)在進(jìn)入升壓狀態(tài)后15s以上時(shí)。升壓狀態(tài)結(jié)束，回到充電/連接狀態(tài)。上述設(shè)定值由單片機(jī)根據(jù)具體電壓情況實(shí)時(shí)計(jì)算得到。
此狀態(tài)的控制是通過(guò)A/D采樣獲得電池端電壓27，用PI控制方法，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)15的占空比，控制下橋臂18的導(dǎo)通關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
4、 回饋充電狀態(tài)
當(dāng)電池電壓27因制動(dòng)回饋升高時(shí)，由于超級(jí)電容2與電池1保持連接狀態(tài)，電容2自然地進(jìn)入回饋充電狀態(tài)，充電電流7幅值限制可適度放寬至額定充電電流的150%，但需限制超級(jí)電容的電壓在額定電壓以內(nèi)。
由于電動(dòng)車在行駛過(guò)程中電池1電量是不斷消耗的，電池1端電壓27會(huì)不斷降低，這樣就不能采用一個(gè)固定的值來(lái)作為狀態(tài)遷移的標(biāo)準(zhǔn)。控制器6采用在連接狀態(tài)下，多次采樣求平均值的方法，來(lái)獲得電動(dòng)車正常運(yùn)行的實(shí)時(shí)電壓作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)。
二、 功率器件的驅(qū)動(dòng)控制
在功率MOSPET管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中采用具有互鎖功能的驅(qū)動(dòng)芯片24或用分立元件的自舉驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。上下橋臂由上下橋臂輸出允許信號(hào)13， 14，和一路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)15經(jīng)過(guò)PNP三極管20， 21實(shí)現(xiàn)上下橋臂17， 18的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的分離。
獨(dú)立的適配器5的電源與電動(dòng)車控制器4的電源一樣受鑰匙開(kāi)關(guān)控制。帶有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制器3中，適配器5使用電動(dòng)車控制器4的電源。
三、 節(jié)能策略
為了減小適配器的耗電量，保證適配器的工作可靠性，采用開(kāi)關(guān)電源供電。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用下橋臂定時(shí)開(kāi)通為上橋臂自舉電容充電的控制方法較費(fèi)電。由于充電過(guò)程很短可以忽略不計(jì)，但在連接狀態(tài)下定時(shí)導(dǎo)通耗電量就相當(dāng)可觀了。所以采用進(jìn)入連接狀態(tài)后關(guān)斷下橋臂，當(dāng)需要升壓時(shí)再啟動(dòng)下橋臂的方法，以減小由于下橋臂導(dǎo)通所造成的耗電。與電池的連接由快速放電二極管和MOSPET管自帶的二極管共同實(shí)現(xiàn)。此過(guò)程叫做節(jié)能模式。
權(quán)利要求
1、一種具有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制裝置，其特征在于它主要包括1)超級(jí)電容適配器的功率電路，用于實(shí)現(xiàn)蓄電池對(duì)超級(jí)電容的充電和超級(jí)電容對(duì)蓄電池的放電；超級(jí)電容正極帶有快速放電用的二極管與蓄電池正極連接，用于確保電池端因放電而電壓低于超級(jí)電容時(shí)，超級(jí)電容不經(jīng)過(guò)電感立即直接向電池補(bǔ)充電能；2)超級(jí)電容適配器的驅(qū)動(dòng)控制電路，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)上橋臂充電功率開(kāi)關(guān)器件和下橋臂放電功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制；上下橋臂控制信號(hào)是互鎖形式，使得上下橋臂在任何情況下都不會(huì)直通；分別接地和高電平的第一電阻和第二電阻，用于確保不接CPU時(shí)，上下橋臂觸發(fā)信號(hào)在禁止?fàn)顟B(tài)。3)超級(jí)電容適配器的控制器，用于采集電容電壓、電流各種信號(hào)，輸出PWM、上下橋臂輸出允許的控制信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于所述的超級(jí)電容適配器有兩種形式 嵌入到電動(dòng)車控制器中，成為帶有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制器，或是獨(dú)立的超級(jí)電容 適配器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制裝置，其特征在于所述的獨(dú)立的適配器的電源與電動(dòng)車 控制器的電源一樣受鑰匙開(kāi)關(guān)控制。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制裝置，其特征在于所述的帶有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車 控制器中，超級(jí)電容適配器使用電動(dòng)車控制器的電源。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于所述的超級(jí)電容的驅(qū)動(dòng)控制電路使用 BL8003或IR2103集成觸發(fā)器件，或者是分立元件構(gòu)成的自舉觸發(fā)電路。
6、 權(quán)利要求1所述的具有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車的控制方法，其特征在于包括的步驟1) 使超級(jí)電容適配器保持工作在降壓"充電狀態(tài)"，即通過(guò)對(duì)上橋臂的通斷控制， 實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流和超級(jí)電容電壓的調(diào)節(jié)，超級(jí)電容和電池的電壓相等時(shí)上橋臂幾乎始終導(dǎo) 通，進(jìn)入"連接狀態(tài)"；當(dāng)電池增加負(fù)載導(dǎo)致其電壓下降時(shí)，適配器仍處于連接狀態(tài)，電 容的電能迅速通過(guò)二極管及上橋臂MOSFET器件的反并聯(lián)二極管流向電池，以減小電池 壓降；2) 當(dāng)電池電壓或超級(jí)電容電壓下降到限定電壓以下或瞬間壓降大于3V時(shí)，進(jìn)入升 壓狀態(tài)，上橋臂MOSFET關(guān)斷，下橋臂MOSFET工作；當(dāng)電容電壓下降到30~37V，或 當(dāng)電池負(fù)載減輕，放電電流減小到100mA以內(nèi)時(shí)，返回充電狀態(tài)；3) 當(dāng)電池電壓因制動(dòng)回饋升高時(shí)，進(jìn)入回饋充電狀態(tài)，但需限制超級(jí)電容的電壓在 額定電壓以內(nèi)；4) 上橋臂功率器件需要持續(xù)的供電，供電方法是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間下橋臂短時(shí)導(dǎo)通一次， 給上橋臂自舉電容，此期間上橋臂功率MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)或者帶死區(qū)的互補(bǔ)工作狀 態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有超級(jí)電容適配器的電動(dòng)車控制裝置和方法。它包括用于實(shí)現(xiàn)蓄電池對(duì)超級(jí)電容的充電和超級(jí)電容對(duì)蓄電池的放電的超級(jí)電容適配器的功率電路、超級(jí)電容適配器的驅(qū)動(dòng)控制電路和用于采集電容電壓、電流各種信號(hào)，輸出PWM、上下橋臂輸出允許的控制信號(hào)的超級(jí)電容適配器的控制器。本發(fā)明可以提高電動(dòng)車的起動(dòng)、加速性能，延長(zhǎng)電動(dòng)車行駛里程，運(yùn)行可靠、成本低、適用面廣。
文檔編號(hào)B60L11/18GK101492016SQ20091006768
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日
發(fā)明者輝 冀, 孫鶴旭, 李練兵, 趙治國(guó) 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)