專利名稱：一種電動(dòng)汽車用電容充放電控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于汽車節(jié)能設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電動(dòng)汽車用的環(huán)保型驅(qū)動(dòng)控制式超級(jí)電容再生制動(dòng)能量回收和利用系統(tǒng)，特別是一種電動(dòng)汽車用電容充放電控制裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的電動(dòng)汽車在頻繁起步、爬坡和制動(dòng)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(dòng)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(shí)間一般都比較短，需求的能量并不高。對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，這就意味著要么汽車動(dòng)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(huì)損害電池的壽命；但如果使用功率比較大的超級(jí)電容，當(dāng)瞬時(shí)功率需求較大時(shí)，由超級(jí)電容提供尖峰功率，并且在制動(dòng)回饋時(shí)吸收尖峰功率，就可以減輕對(duì)電池的壓力，從而可以增加起步、加速時(shí)系統(tǒng)的功率輸出，而且可以高效地回收大功率的制動(dòng)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(dòng)汽車廣泛推廣應(yīng)用的一個(gè)重要因素之一是其續(xù)航里程短，如何充分利用電動(dòng)汽車再生制動(dòng)能量是節(jié)約能源和提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的電動(dòng)汽車上的再生制動(dòng)系統(tǒng)都是在車輛制動(dòng)時(shí)，使電機(jī)工作于發(fā)電工況，將動(dòng)能或重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能不加控制的直接回饋到蓄電池中，起動(dòng)時(shí)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(dòng)和起動(dòng)時(shí)會(huì)使蓄電池頻繁地大電流充、放電，因?yàn)檫^充過放對(duì)電池造成一定的損失，影響電池的壽命；另外，電池作為電動(dòng)車的唯一電源，在車輛加速或爬坡時(shí)，電池會(huì)大電流放電，對(duì)電池的壽命不利。超級(jí)電容是近年來研究開發(fā)出來的一種新型儲(chǔ)能器件，這種超級(jí)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(guó)內(nèi)外均有成型產(chǎn)品應(yīng)用；況且超級(jí)電容的儲(chǔ)能作用已在地鐵列車中推廣使用，本申請(qǐng)人也已在國(guó)內(nèi)獲批相關(guān)專利。與地鐵不同的是，地鐵列車只用超級(jí)電容作為再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存的單一載體，而本方案的電動(dòng)汽車再生制動(dòng)時(shí)能量?jī)?chǔ)存的載體是兩種，即蓄電池和超級(jí)電容同時(shí)起制動(dòng)能量吸收作用，超級(jí)電容具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、功率密度大、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，適合于瞬時(shí)大功率充放電的場(chǎng)合，恰好與蓄電池充電時(shí)動(dòng)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(jí)電容儲(chǔ)存電動(dòng)汽車在制動(dòng)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(jì)一種應(yīng)用于電動(dòng)汽車的，利用超級(jí)電容儲(chǔ)存電能和釋放電能，實(shí)現(xiàn)有效儲(chǔ)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(dòng)汽車上實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能節(jié)能功效。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明針對(duì)單獨(dú)由蓄電池進(jìn)行再生制動(dòng)能量回收的技術(shù)存在的缺陷和不足，設(shè)計(jì)和提供一種電動(dòng)汽車超級(jí)電容再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，在蓄電池對(duì)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存的基礎(chǔ)上增加一組用超級(jí)電容模組作為再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存的載體，超級(jí)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(chǔ)存互補(bǔ)；平時(shí)蓄電池以平均功率提供電動(dòng)汽車運(yùn)行所需大部分能源，在制動(dòng)工況時(shí)，電動(dòng)汽車再生制動(dòng)以峰值功率回饋能量通過充放電控制器存儲(chǔ)于超級(jí)電容中，在車輛起動(dòng)、加速和爬坡時(shí)，超級(jí)電容充放電控制器將超級(jí)電容模組中儲(chǔ)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(dòng)汽車電機(jī)供電，以滿足電動(dòng)汽車起動(dòng)和加速的需求。本發(fā)明涉及的電容充放電控制裝置的電路結(jié)構(gòu)包括nXm個(gè)超級(jí)電容串并聯(lián)而成的超級(jí)電容模組Cn (其中η和m為大于2的正整數(shù))、六個(gè)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(cuò)雙向(DC/DC)直流變換器；超級(jí)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(cuò)雙向DC/DC變換器的核心元件為6個(gè)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(hào)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(cuò)雙向DC/DC各重單元在同一周期內(nèi)分別交錯(cuò)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(cuò)雙向DC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)，其交錯(cuò)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(cè)母線電壓，電流傳感器SA2檢測(cè)三重交錯(cuò)雙向DC/DC變換器輸出電流，以控制輸出超級(jí)電容模組Cn的充放電運(yùn)行。本發(fā)明將超級(jí)電容充放電控制裝置的DC/DC變換器設(shè)計(jì)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(jià)是增大了電流紋波，而采用多重化交錯(cuò)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的目的，有利于制動(dòng)、起動(dòng)調(diào)峰功能的實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明采用的三重交錯(cuò)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(gè)基本半橋?qū)ㄟ^時(shí)間依次或錯(cuò)1/3周期，且在每個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)間相同，因此電感電流也依次互錯(cuò)1/3周期，繼而減小總電流的紋波。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容充放電控制包括下列步驟(I)、先接通超級(jí)電容充放電控制器的電源，使其進(jìn)入待運(yùn)行狀態(tài)；(2)、對(duì)超級(jí)電容充放電控制器進(jìn)行自動(dòng)初檢，使各執(zhí)行部件進(jìn)入備檢測(cè)狀態(tài)；(3)、對(duì)超級(jí)電容充放電控制器進(jìn)行初始化；(4)、分別檢測(cè)并記錄電纜母線電壓U和超級(jí)電容模組的電壓Uc ;分別檢測(cè)超級(jí)電容模組放電起始母線電壓Ux和充電起始母線電壓Us ;分別檢測(cè)超級(jí)電容模組的最低電壓Ucx和最高電壓Ucs ；(5)、分別分組比較步驟⑷中測(cè)得的各電壓值，即比較U、Uc與Ux、Ucx ;U、Uc與Us、Ucs ；(6)如U彡Ux和Uc彡Ucx,對(duì)超級(jí)電容模組的電流、電壓進(jìn)行雙環(huán)比例積分(PI)控制，使超級(jí)電容充放電控制電路下半橋獨(dú)立工作，從而使超級(jí)電容模組放電；、
(7)如果U彡Us和Uc彡Ucs，對(duì)超級(jí)電容模組的電流、電壓進(jìn)行雙環(huán)比例積分(PI)控制，使超級(jí)電容充放電控制電路上半橋獨(dú)立工作，從而使超級(jí)電容模組充電；(8)反復(fù)步驟(3)、(4)、(5)、(6)和(7)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容模組的充電和放電控制。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)一是由超級(jí)電容存儲(chǔ)電動(dòng)車再生制動(dòng)回饋能量，避免頻繁充、放電對(duì)電動(dòng)汽車電源的不利影響，由于超級(jí)電容使用壽命大于蓄電池，電動(dòng)車電源系統(tǒng)的壽命得到提高；二是在車輛加速和爬坡時(shí)，超級(jí)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(jí)電容功率密度大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，車輛加速時(shí)可以很大的放電電流協(xié)助主電源供電，電動(dòng)汽車的加速性能得以改善；四是不需對(duì)原電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)在原理和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改動(dòng)，把原控制系統(tǒng)所用的部分傳感器輸出信號(hào)連接充放電控制器，即可實(shí)施技術(shù)改進(jìn)。


圖I為本發(fā)明涉及的充放電控制器電路結(jié)構(gòu)原理框圖。圖2為本發(fā)明涉及的三重交錯(cuò)雙向變換器結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)充放電控制的工作流程示意框圖。圖4為本發(fā)明被控裝置的主體結(jié)構(gòu)原理示意框圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(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(dòng)控制器2、電動(dòng)機(jī)3、超級(jí)電容充放電控制器4、超級(jí)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?jī)?chǔ)存裝置；Cn為超級(jí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)好的特點(diǎn)。當(dāng)超級(jí)電容模組滿充電時(shí)Rn作為吸收電阻，當(dāng)超級(jí)電容模組需要維護(hù)時(shí)Rn作釋能電阻；驅(qū)動(dòng)控制器工作時(shí)通過電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)超級(jí)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(duì)每相電流的PI調(diào)節(jié)以可控方式對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，降低了紋波避免對(duì)超級(jí)電容模組的損害，每個(gè)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(gè)單元發(fā)生故障時(shí)整個(gè)變換器癱瘓；Ux為超級(jí)電容模組放電起始母線電壓，Ucx為超級(jí)電容模組最低電壓，Us為超級(jí)電容模組充電起始母線電壓，Ucs為超級(jí)電容模組的最高電壓；每個(gè)超級(jí)電容模組都配有均壓模塊、電壓檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊，并帶有CAN總線通訊接口，超級(jí)電容充放電控制器實(shí)時(shí)對(duì)每個(gè)模塊的電壓和溫度進(jìn)行巡檢，當(dāng)出現(xiàn)過溫、過壓時(shí)報(bào)警并進(jìn)行保護(hù)。本實(shí)施例在原電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)超級(jí)電容再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置，該裝置由超級(jí)電容模組及其充放電控制器為主體組合構(gòu)成，三重交錯(cuò)雙向DC/DC變換器及其輔助的電感和電流傳感器組成超級(jí)電容充放電控制器的主體；超級(jí)電容模組由若干個(gè)超級(jí)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(dòng)機(jī)的額定電壓確定每組串聯(lián)的超級(jí)電容單體個(gè)數(shù)，根據(jù)需要存儲(chǔ)的能量多少配置并聯(lián)超級(jí)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(jí)電容電壓傳感器、超級(jí)電容電流傳感器、油門踏板驅(qū)動(dòng)電位器和剎車踏板制動(dòng)電位器相連接；雙向直流(DC/DC)變換器采用三重交錯(cuò)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(hào)、加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)；DSP輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過光電隔離器件及驅(qū)動(dòng)控制器電路控制雙向直流(DC/DC)變換器每個(gè)功率器件的動(dòng)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(jí)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(jí)電容充放電控制器的雙向直流(DC/DC)變換器設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，有利于制動(dòng)、起動(dòng)調(diào)峰功能的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例采用的三重交錯(cuò)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(shí)間依次或錯(cuò)1/3周期，且在每個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)間相同，電感電流依次互錯(cuò)1/3周期，以減小總電流紋波。本實(shí)施例的超級(jí)電容模組放電時(shí)，即電動(dòng)汽車起動(dòng)、加速工況時(shí)為正向升壓運(yùn)行，此時(shí)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(jí)電容儲(chǔ)存的能量經(jīng)升壓流向汽車電壓母線；超級(jí)電容模組充電時(shí)，即再生制動(dòng)工況為反向降壓運(yùn)行，此時(shí)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(shí)再生制動(dòng)能量經(jīng)降壓流向超級(jí)電容為其充電；為了使三重交錯(cuò)雙向結(jié)構(gòu)變換器的每個(gè)基本單元?jiǎng)討B(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(gè)電壓外環(huán)保證系統(tǒng)的整體穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)汽車用電容充放電控制裝置，其特征在于電容充放電控制裝置的電路結(jié)構(gòu)包括nXm個(gè)超級(jí)電容串并聯(lián)而成的超級(jí)電容模組Cn，其中η和m為大于2的正整數(shù)，六個(gè)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(cuò)雙向直流變換器；超級(jí)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(cuò)雙向DC/DC變換器的核心元件為6個(gè)控制開關(guān)管S1-S6，其中第一重為控制開關(guān)管SI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(hào)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(cuò)雙向DC/DC各重單元在同一周期內(nèi)分別交錯(cuò)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(cuò)雙向DC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)，其交錯(cuò)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(cè)母線電壓，電流傳感器SA2檢測(cè)三重交錯(cuò)雙向DC/DC變換器輸出電流，以控制輸出超級(jí)電容模組Cn的充放電運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電動(dòng)汽車用電容充放電控制裝置，其特征在于將電容充放電控制裝置的DC/DC變換器設(shè)計(jì)在非連續(xù)導(dǎo)通模式，變換器所用的電感線圈的電感量減小，其代價(jià)是增大了電流紋波，而采用多重化交錯(cuò)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的目的，有利于制動(dòng)、起動(dòng)調(diào)峰功能的實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電動(dòng)汽車用電容充放電控制裝置，其特征在于采用的三重交錯(cuò)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(gè)基本半橋?qū)ㄟ^時(shí)間依次或錯(cuò)1/3周期，且在每個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)間相同，因此電感電流也依次互錯(cuò)1/3周期，繼而減小總電流的紋波。
全文摘要
本發(fā)明屬于汽車節(jié)能設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電動(dòng)汽車用電容充放電控制裝置，超級(jí)電容模組上端串聯(lián)電流傳感器后與下端并聯(lián)接有電壓傳感器；開關(guān)與電流傳感器和釋放電阻與電壓傳感器并聯(lián)；三重交錯(cuò)雙向DC/DC變換器的核心元件為6個(gè)控制開關(guān)管，合成組成三重交錯(cuò)雙向DC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)，其交錯(cuò)工作的并聯(lián)正向升壓輸出端接有濾波電容，用于降低輸出紋波；電壓傳感器檢測(cè)母線電壓，電流傳感器檢測(cè)三重交錯(cuò)雙向DC/DC變換器輸出電流，以控制輸出超級(jí)電容模組的充放電運(yùn)行；其電路結(jié)構(gòu)合理，使用安全可靠，壽命長(zhǎng)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102624056SQ20121008619
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)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(zhǎng)勤, 李廷勇 申請(qǐng)人:青島易特優(yōu)電子有限公司