專利名稱：一種電動汽車再生制動能量儲存裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于汽車節(jié)能設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電動汽車用的環(huán)保型驅(qū)動控制式超級電容再生制動能量回收和利用系統(tǒng)，特別是一種電動汽車再生制動能量儲存裝置。
技術(shù)背景現(xiàn)有的電動汽車在頻繁起步、爬坡和制動過程中，容易造成其功率需求曲線的不斷變化，在城市道路的工況下更是如此。通常，一輛高性能的電動汽車的峰值功率與平均功率之比可達(dá)16 1，但是這些峰值功率的特點(diǎn)是持續(xù)時間一般都比較短，需求的能量并不高。對于純電動汽車而言，這就意味著要么汽車動力性不足，要么電壓總線上要經(jīng)常承受大的尖峰電流，這無疑會損害電池的壽命；但如果使用功率比較大的超級電容，當(dāng)瞬時功率需求較大時，由超級電容提供尖峰功率，并且在制動回饋時吸收尖峰功率，就可以減輕對電池的壓力，從而可以增加起步、加速時系統(tǒng)的功率輸出，而且可以高效地回收大功率的制動能 量，還可以提高蓄電池的使用壽命，改善其放電性能。目前，制約電動汽車廣泛推廣應(yīng)用的一個重要因素之一是其續(xù)航里程短，如何充分利用電動汽車再生制動能量是節(jié)約能源和提高電動汽車?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵。國內(nèi)現(xiàn)有的電動汽車上的再生制動系統(tǒng)都是在車輛制動時，使電機(jī)工作于發(fā)電工況，將動能或重力勢能轉(zhuǎn)化為電能不加控制的直接回饋到蓄電池中，起動時再由蓄電池大電流放電加以利用。這種技術(shù)方案的主要缺點(diǎn)是車輛頻繁制動和起動時會使蓄電池頻繁地大電流充、放電，因為過充過放對電池造成一定的損失，影響電池的壽命；另外，電池作為電動車的唯一電源，在車輛加速或爬坡時，電池會大電流放電，對電池的壽命不利。超級電容是近年來研究開發(fā)出來的一種新型儲能器件，這種超級電容的電容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，目前可達(dá)到幾千甚至數(shù)萬法拉，國內(nèi)外均有成型產(chǎn)品應(yīng)用；況且超級電容的儲能作用已在地鐵列車中推廣使用，本申請人也已在國內(nèi)獲批相關(guān)專利。與地鐵不同的是，地鐵列車只用超級電容作為再生制動能量儲存的單一載體，而本方案的電動汽車再生制動時能量儲存的載體是兩種，即蓄電池和超級電容同時起制動能量吸收作用，超級電容具有動態(tài)響應(yīng)好、功率密度大、壽命長等特點(diǎn)，適合于瞬時大功率充放電的場合，恰好與蓄電池充電時動態(tài)響應(yīng)差、要求恒流恒壓等特點(diǎn)形成互補(bǔ)；所以，探討一種利用超級電容儲存電動汽車在制動過程中的能量并有效地再利用是很有前景的技術(shù)方案。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計一種應(yīng)用于電動汽車的，利用超級電容儲存電能和釋放電能，實(shí)現(xiàn)有效儲存和放電供電的系統(tǒng)技術(shù)方案，其裝置采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理和器件組合而成，可以裝配于現(xiàn)有的電動汽車上實(shí)現(xiàn)儲能節(jié)能功效。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型針對單獨(dú)由蓄電池進(jìn)行再生制動能量回收的技術(shù)存在的缺陷和不足，設(shè)計和提供一種電動汽車超級電容再生制動能量儲存系統(tǒng)，在蓄電池對電動汽車再生制動能量儲存的基礎(chǔ)上增加一組用超級電容模組作為再生制動能量儲存的載體，超級電容模組及其充放電控制系統(tǒng)與蓄電池形成能量供給和儲存互補(bǔ)；平時蓄電池以平均功率提供電動汽車運(yùn)行所需大部分能源，在制動工況時，電動汽車再生制動以峰值功率回饋能量通過充放電控制器存儲于超級電容中，在車輛起動、加速和爬坡時，超級電容充放電控制器將超級電容模組中儲存的能量以瞬間高能量大電流的形式釋放出來，與蓄電池并聯(lián)向電動汽車電機(jī)供電，以滿足電動汽車起動和加速的需求。本實(shí)用新型裝置的主體結(jié)構(gòu)由蓄電池、驅(qū)動控制器、電動機(jī)、超級電容模組和超級電容充放電控制器通過電纜母線電連通組合而成，超級電容模組儲存電動汽車再生制動回饋能量，在電動汽車起動和加速時與蓄電池并聯(lián)給電動機(jī)供電；超級電容充放電控制器分別與超級電容模組、蓄電池和驅(qū)動控制器相互電連接；超級電容充放電控制器與超級電容模組電連通實(shí)現(xiàn)控制充放電過程；驅(qū)動控制器與電動機(jī)電連通實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的控制運(yùn)行；超級電容充放電控制器與驅(qū)動控制器、蓄電池之間采用電纜母線電連通；通過控制超級電容模組的電流實(shí)現(xiàn)蓄電池與超級電容模組的功率分配，使蓄電池功率輸出保持相對恒定和平滑；超級電容模組實(shí)現(xiàn)功率調(diào)峰功能，提供汽車運(yùn)行需求功率減去蓄電池功率的剩余功率，并回收電動汽車的部分制動能量為之調(diào)峰；保證蓄電池與超級電容模組在各自的安全電壓范圍內(nèi)交互工作；超級電容充放電控制器以超級電容模組電流和電壓作為控制目標(biāo)，具有 較高的功率密度和電動能量傳輸?shù)膭討B(tài)響應(yīng)，能瞬時吸收電動汽車制動回饋尖峰能量，在電動汽車加速或爬坡時協(xié)助蓄電池向電動機(jī)供電；超級電容充放電控制器分別與超級電容模組、蓄電池和驅(qū)動控制器相互電連接；在超級電容充放電控制器的電路中設(shè)有超級電容電壓、電流傳感器和母線電壓、電流傳感器，傳感器取得的信號通過接口電路輸入給微處理器，通過微處理器經(jīng)比例積分(PI)運(yùn)算產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號來控制充放電控制器，以有效控制超級電容模組的充放電；超級電容充放電控制器的功能結(jié)構(gòu)還包括控制電路板和三重交錯雙向DC/DC變換器，控制電路板通過接口電路與蓄電池的電壓傳感器、電流傳感器、電機(jī)的電壓傳感器和電流傳感器、超級電容模組的電壓傳感器和電流傳感器、油門踏板驅(qū)動電位器和剎車踏板制動電位器相互電信息連接；控制電路板上設(shè)置有微處理器，微處理器采用單片機(jī)和DSP組成，微處理器通過濾波電路采集電壓和電流信號、加速踏板和制動踏板信號；微處理器輸出的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號經(jīng)過光電隔離器件及驅(qū)動電路控制雙向直流變換器(DC/DC)的每個功率器件的動作。本實(shí)用新型所述的電動機(jī)包括直流電動機(jī)或交流電動機(jī)；所述的三重交錯雙向(DC/DC)直流變換器的功率器件采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT);所述蓄電池為電動汽車的主電源，包括鉛酸蓄電池或鋰離子電池或鎳氫蓄電池。本實(shí)用新型涉及的電容充放電控制電路結(jié)構(gòu)包括n X m個超級電容串并聯(lián)而成的超級電容模組Cn (其中n和m為大于2的正整數(shù))、六個電流傳感器SA1-SA6、電壓傳感器SVl和SV2、釋放電阻Rn、開關(guān)KM1、濾波電容CO和一組三重交錯雙向(DC/DC)直流變換器；超級電容模組Cn的上端串聯(lián)電流傳感器SAl后與下端并聯(lián)接有電壓傳感器SVl ;開關(guān)KMl與電流傳感器SA6和釋放電阻Rn串聯(lián)后與電壓傳感器SVl并聯(lián)；三重交錯雙向DC/DC變換器的核心元件為6個控制開關(guān)管(IGBT) S1-S6，其中第一重為控制開關(guān)管(IGBT)Sl與S2連接點(diǎn)與串聯(lián)的電感LI、電流傳感器SA3連接后并接于電壓傳感器SVl上端組成；第二重為控制開關(guān)管S3與S4連接點(diǎn)與串聯(lián)的電感L2、電流傳感器SA4連接號并接于電壓傳感器SVl上端組成；第三重為控制開關(guān)管S5與S6連接點(diǎn)與串聯(lián)的電感L3、電流傳感器SA5連接后并接于電壓傳感器SVl上端組成；三重交錯雙向DC/DC各重單元在同一周期內(nèi)分別交錯工作，工作相位差為120度；S1與S2工作在0-120度，S3與S4工作在120-240度，S5與S6工作在240-360度，合成組成三重交錯雙向DC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)，其交錯工作的并聯(lián)正向升壓輸出端接有濾波電容CO，用于降低輸出紋波；電壓傳感器SV2檢測母線電壓，電流傳感器SA2檢測三重交錯雙向DC/DC變換器輸出電流，以控制輸出超級電容模組Cn的充放電運(yùn)行。本實(shí)用新型將超級電容充放電控制器的DC/DC變換器設(shè)計在非連續(xù)導(dǎo)通(DCM)模式，變換器所用的電感線圈的電感量減小，其代價是增大了電流紋波，而采用多重化交錯結(jié)構(gòu)則減小了電流紋波，擬補(bǔ)了這一不足，并達(dá)到了其增加動態(tài)響應(yīng)的目的，有利于制動、起動調(diào)峰功能的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型采用的三重交錯式雙向DC/DC變換器是基于典型半橋式雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的；三個基本半橋?qū)ㄟ^時間依次或錯1/3周期，且在每個周期導(dǎo)通時間相同，因此 電感電流也依次互錯1/3周期，繼而減小總電流的紋波。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)一是由超級電容存儲電動車再生制動回饋能量，避免頻繁充、放電對電動汽車電源的不利影響，由于超級電容使用壽命大于蓄電池，電動車電源系統(tǒng)的壽命得到提高；二是在車輛加速和爬坡時，超級電容協(xié)助主電源向電機(jī)提供峰值能量，使蓄電池的放電電流下降，從而使蓄電池的壽命提高；三是超級電容功率密度大、動態(tài)響應(yīng)好，車輛加速時可以很大的放電電流協(xié)助主電源供電，電動汽車的加速性能得以改善；四是不需對原電動汽車控制系統(tǒng)在原理和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改動，把原控制系統(tǒng)所用的部分傳感器輸出信號連接充放電控制器，即可實(shí)施技術(shù)改進(jìn)。

圖I為本實(shí)用新型裝置的主體結(jié)構(gòu)原理示意框圖。圖2為本實(shí)用新型涉及的充放電控制器電路結(jié)構(gòu)原理框圖。圖3為本實(shí)用新型涉及的三重交錯雙向變換器結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖4為本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)充放電控制的工作流程示意框圖。圖5為本實(shí)用新型涉及的超級電容模組串并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖作進(jìn)一步說明。實(shí)施例本實(shí)施例包括蓄電池I、驅(qū)動控制器2、電動機(jī)3、超級電容充放電控制器4、超級電容模組5和電纜母線6，各部件按電學(xué)原理相互電信息連通構(gòu)成能量儲存裝置；Cn為超級電容模組，SAl SA6為電流傳感器，SVl SV2為電壓傳感器，Rn為釋能電阻，通過多重化結(jié)構(gòu)克服電流紋波大的缺陷，獲得了功率密度高動態(tài)響應(yīng)好的特點(diǎn)。當(dāng)超級電容模組滿充電時Rn作為吸收電阻，當(dāng)超級電容模組需要維護(hù)時Rn作釋能電阻；驅(qū)動控制器工作時通過電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)超級電容模組的輸出電壓穩(wěn)定在負(fù)載范圍內(nèi)，提高調(diào)峰穩(wěn)定性能，通過對每相電流的PI調(diào)節(jié)以可控方式對超級電容進(jìn)行充電，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，降低了紋波避免對超級電容模組的損害，每個基本單元變換器擁有獨(dú)立的脈沖寬度調(diào)制(PWM)發(fā)生模塊，避免某個單元發(fā)生故障時整個變換器癱瘓；Ux為超級電容模組放電起始母線電壓，Ucx為超級電容模組最低電壓，Us為超級電容模組充電起始母線電壓，Ucs為超級電容模組的最高電壓；每個超級電容模組都配有均壓模塊、電壓檢測模塊、溫度檢測模塊，并帶有CAN總線通訊接口，超級電容充放電控制器實(shí)時對每個模塊的電壓和溫度進(jìn)行巡檢，當(dāng)出現(xiàn)過溫、過壓時報警并進(jìn)行保護(hù)。本實(shí)施例在原電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)超級電容再生制動能量儲存裝置，該裝置由超級電容模組及其充放電控制器為主體組合構(gòu)成，三重交錯雙向DC/DC變換器及其輔助的電感和電流傳感器組成超級電容充放電控制器的主體；超級電容模組由若干個超級電容單體串聯(lián)成一組，再將若干組并聯(lián)再加上電阻均壓系統(tǒng)而形成模塊；根據(jù)電動機(jī)的額定電壓確定每組串聯(lián)的超級電容單體個數(shù)，根據(jù)需要存儲的能量多少配置并聯(lián)超級電容的組數(shù)；在充放電控制器內(nèi)設(shè)置有控制電路板和雙向直流(DC/DC)變換器；控制電路板通過接口電路和主電源電壓傳感器、主電源電流傳感器、電機(jī)電壓傳感器、電機(jī)電流傳感器、超級電容電壓傳感器、超級電容電流傳感器、油門踏板驅(qū)動電位器和剎車踏板制動電位 器相連接；雙向直流(DC/DC)變換器采用三重交錯boost和buck電路組成的雙向、升降壓電路；控制電路板上設(shè)置有微處理器，微處理器采用DSP，通過濾波電路采集電壓和電流信號、加速踏板和制動踏板信號；DSP輸出的PWM信號經(jīng)過光電隔離器件及驅(qū)動控制器電路控制雙向直流(DC/DC)變換器每個功率器件的動作；濾波電路采用典型的由運(yùn)算放大器搭建的濾波電路；光電隔離電路由光耦實(shí)現(xiàn)；超級電容充放電控制器所需各種電平由主電源的蓄電池上取電，經(jīng)過普通DC/DC開關(guān)電源提供。本實(shí)施例將超級電容充放電控制器的雙向直流(DC/DC)變換器設(shè)計為非連續(xù)導(dǎo)通(DCM)模式，因變換器所用的電感量小而增大了電流紋波，采用多重化結(jié)構(gòu)減少電流紋波，而增加了其動態(tài)響應(yīng)能力，有利于制動、起動調(diào)峰功能的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例采用的三重交錯式雙向DC/DC變換器基于典型半橋式雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；半橋?qū)〞r間依次或錯1/3周期，且在每個周期導(dǎo)通時間相同，電感電流依次互錯1/3周期，以減小總電流紋波。本實(shí)施例的超級電容模組放電時，即電動汽車起動、加速工況時為正向升壓運(yùn)行，此時下半橋控制開關(guān)管S2、S4和S6處于斬波狀態(tài)，為主開關(guān)，上半橋控制開關(guān)管SI、S3和S5分別與同臂下半橋控制開關(guān)管互補(bǔ)，為輔助開關(guān)，超級電容儲存的能量經(jīng)升壓流向汽車電壓母線；超級電容模組充電時，即再生制動工況為反向降壓運(yùn)行，此時上半橋開關(guān)控制管S1、S3和S5處于斬波狀態(tài)，為主開關(guān)，下半橋開關(guān)控制管S2、S4和S6與分別同臂上半橋開關(guān)控制管互補(bǔ)，為輔助開關(guān)，此時再生制動能量經(jīng)降壓流向超級電容為其充電；為了使三重交錯雙向結(jié)構(gòu)變換器的每個基本單元動態(tài)響應(yīng)好，分別加設(shè)電流內(nèi)環(huán)負(fù)反饋，經(jīng)比例積分(PD調(diào)節(jié)后控制各基本單元變換器擁有獨(dú)立的脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊，共用一個電壓外環(huán)保證系統(tǒng)的整體穩(wěn)定。
權(quán)利要求1.ー種電動汽車再生制動能量儲存裝置，其特征在于主體結(jié)構(gòu)由蓄電池、驅(qū)動控制器、電動機(jī)、超級電容模組和超級電容充放電控制器通過電纜母線電連通組合而成，超級電容充放電控制器分別與超級電容模組、蓄電池和驅(qū)動控制器相互電連接；超級電容充放電控制器與超級電容模組電連通實(shí)現(xiàn)控制充放電過程；驅(qū)動控制器與電動機(jī)電連通實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的控制運(yùn)行；超級電容充放電控制器與驅(qū)動控制器、蓄電池之間采用電纜母線電連通；超級電容充放電控制器分別與超級電容模組、蓄電池和驅(qū)動控制器相互電連接；在超級電容充放電控制器的電路中設(shè)有超級電容電壓、電流傳感器和母線電壓、電流傳感器，傳感器取得的信號通過接ロ電路輸入給微處理器，通過微處理器經(jīng)比例積分運(yùn)算產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號控制充放電控制器；超級電容充放電控制器的功能結(jié)構(gòu)還包括控制電路板和三重交錯雙向DC/DC變換器，控制電路板通過接ロ電路與蓄電池的電壓傳感器、電流傳感器、電機(jī)的電壓傳感器和電流傳感器、超級電容模組的電壓傳感器和電流傳感器、油門踏板驅(qū)動電位器和剎車踏板制動電位器相互電信息連接；控制電路板上設(shè)置有微處理器，微處理器采用單片機(jī)和DSP組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電動汽車再生制動能量儲存裝置，其特征在于所述的電動機(jī)包括直流電動機(jī)或交流電動機(jī)；所述的三重交錯雙向直流變換器的功率器件采用絕緣柵雙極型晶體管；所述蓄電池包括鉛酸蓄電池或鋰離子電池或鎳氫蓄電池。
專利摘要本實(shí)用新型屬于汽車節(jié)能設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電動汽車再生制動能量儲存裝置，超級電容充放電控制器分別與超級電容模組、蓄電池和驅(qū)動控制器相互電連接；超級電容充放電控制器與超級電容模組電連通實(shí)現(xiàn)控制充放電過程；驅(qū)動控制器與電動機(jī)電連通實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的控制運(yùn)行；超級電容充放電控制器與驅(qū)動控制器、蓄電池之間采用電纜母線電連通；通過控制超級電容模組的電流實(shí)現(xiàn)蓄電池與超級電容模組的功率分配，使蓄電池功率輸出保持相對恒定和平滑；超級電由超級電容存儲電動車再生制動回饋能量，避免頻繁充、放電對電動汽車電源的不利影響，使用壽命長，超級電容功率密度大、動態(tài)響應(yīng)好。
文檔編號B60L7/16GK202507946SQ20122012570
公開日2012年10月31日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者徐長勤, 李廷勇 申請人:青島易特優(yōu)電子有限公司