电动车超级电容辅助电源系统

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技术领域\n本发明属于电动车驱动控制技术领域，涉及一种以超级电容作为辅助电源 的电动车驱动系统。\n背景技术\n制约电动车广泛应用的一个重要因素是其续驶里程短，而再生制动是节约 能源、提高电动汽车续驶里程的关键，具有显著的经济价值和社会效益，目前 在国内外的很多试验车上已经实现。现有电动车上的再生制动都是在车辆制动 时，使电机工作于发电机工况，将动能或重力势能转化为电能回馈并储存在蓄 电池中。    \n这种方案的主要缺点是车辆频繁制动时会使蓄电池频繁地充、放电，会对 电池造成一定的损失，影响电池的寿命。另外，电池作为电动车的唯一电源， 在车辆加速或者爬坡的时候，电池将会大电流放电，对电池的寿命也是不利的。\n超级电容(ultracapacitor)是指近年研究开发出来的一种新型电容，这 种电容的超级电容量远远大于普通电容，通常可达到几千甚至数万法拉，目前 国内外均有生产。和蓄电池相比，超级电容具有功率密度大、寿命长等特点， 非常适合应用于瞬时功率大、充放电频繁的场合。随着科技的发展，超级电容 的价格将进一步降低，性能将进一步提高，在电动车领域将会有更广阔的应用 前景。\n发明内容\n针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种电动 车超级电容辅助电源系统，在电动车蓄电池主电源的基础上增加一个辅助电源， 即超级电容模组及调压器。主电源提供电动车运行所需大部分能源，电动车再 生制动回馈能量通过调压器存储于超级电容中，在车辆加速和爬坡时，调压器 将超级电容中储存的能量释放出来，和主电源并联向电机供电。\n为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种电动车超级电容辅助 电源系统，其特征在于，超级电容辅助电源系统按以下方法构建：\n1)首先在电动车上设置一个超级电容模组，用于吸收电动车再生制动回馈 能量，以及车辆加速或爬坡时协助主电源向电机供电；\n2)设置一调压器，分别与超级电容模组和原电动车的主电源与电机驱动控 制器相连接；\n3)在原电动车控制系统的电路基础上，增设超级电容电压和电流传感器， 还需增设用于控制调压器的脉宽调制控制信号，使微处理器能同时控制主电源 和超级电容的充放电；\n上述调压器包括，一机壳，机壳内设置有控制电路板、DC/DC变换器；控制 电路板通过接口电路和主电源电压传感器、主电源电流传感器、电机电压传感 器、电机电流传感器、超级电容电压传感器、超级电容电流传感器、油门踏板 驱动电位器和刹车踏板制动电位器相连接；\n控制电路板上设置有微处理器，微处理器可采用单片机、DSP等器件，微处 理器通过滤波电路采集电压、电流信号、加速踏板和制动踏板信号；微处理器 输出的PWM信号经过光电隔离器件及驱动电路控制DC/DC变换器每个功率器件 的动作；DC/DC变换器部分可采用多种已广泛使用的电路，例如布斯特(boost) 变换器、布克(buck)变换器、库克(cuk)变换器及其组合而成的各种变换器。\n本发明的电动车超级电容辅助电源系统，具有以下明显优点：\n1)由超级电容存储电动车再生制动回馈能量，避免了频繁充、放电对电动 车主电源的不利影响，由于超级电容使用寿命远远大于蓄电池，因此电动车电 源系统的寿命得到提高；\n2)在车辆加速和爬坡时，超级电容协助主电源向电机提供一部分能量，使 主电源的放电电流有很大下降，从而使主电源的寿命得到提高；\n3)由于超级电容功率密度大的特点，车辆加速时可以以很大的放电电流协 助主电源供电，因此电动车的加速性能有所改善。\n4)本系统不需对原电动车控制系统在原理和结构上进行大的改动，只需把 原控制系统所用的部分传感器输出信号接入调压器中，可以很方便地实施技术 改造。\n5)本系统使用广泛，可以用于电动汽车，进一步可扩展应用至电动自行车、 电动三轮车等电动车辆。\n附图说明\n图1是本发明系统结构图；\n图2是本发明电路框图；\n图3是实施例中调压器DC/DC变换器电路原理图；\n图4是实施例中电动车驱动时电流方向示意图；\n图5是实施例中电动车制动时电流方向示意图。\n具体实施方式\n以下结合附图和发明人给出的实例，对本发明作进一步的详细描述。\n参见图1～5，依照本发明的技术方案，本实施例的技术路线是：在原电动 车驱动控制系统基础上，增设一个超级电容辅助电源系统，该辅助电源系统由 超级电容模组和调压器组成。超级电容模组是指由若干个超级电容单体串联成 一组，再将若干组并联而形成的模块。根据电机额定电压确定每组串联的超级 电容单体个数，根据需要存储的能量多少配置并联超级电容的组数。\n调压器包括，一机壳，机壳内设置有控制电路板以及DC/DC变换器。控制 电路板通过接口电路和主电源电压传感器、主电源电流传感器、电机电压传感 器、电机电流传感器、超级电容电压传感器、超级电容电流传感器、油门踏板 驱动电位器和刹车踏板制动电位器相连接；DC/DC变换器部分采用由boost和 buck电路组成的双向、升降压电路，如图4所示。\n控制电路板上设置有微处理器，微处理器采用DSP，通过滤波电路采集电压、 电流信号、加速踏板和制动踏板信号；DSP输出的PWM信号经过光电隔离器件及 驱动电路控制DC/DC变换器每个功率器件的动作；滤波电路采用典型的由运算 放大器搭建的滤波电路：光电隔离电路由光耦实现；控制器所需各种电平由主 电源上取电，经过普通DC/DC开关电源来提供。\n功率器件T1、T2、T3、T4组成双向、升降压变换器电路，其中T1、T2与 超级电容模组相连，T3、T4分别与主电源的正、负极相连。四个功率器件在每 一时刻仅有一只处于PWM工作状态，其中，T1工作时形成驱动降压变换器，T4 工作时形成驱动升压变换器，T2工作时形成制动升压变换器，T3工作时形成制 动降压变换器。调压器控制电路板微处理器根据采集到的超级电容模组电压、 主电源电压，以及车辆驾驶模式控制DC/DC变换器处于上述四种工作状态之一， 实现车辆再生制动能量向超级电容模组的储存，或者使超级电容模组协助主电 源向电机供电。\n电动车电机为永磁有刷直流电机，20KW，额定电压120V；也可以采用普通 直流电机或永磁无刷直流电机或永磁同步电机或开关磁阻电机或异步电机。\n主电源由10节200AH铅酸蓄电池串联组成；当然也可以采用锂离子电池或 镍氢蓄电池。\n超级电容模组为额定电压180v，储能90wh(100只1.8v/1000F超级电容单 体串联成一组，两组并联而成)；变换器功率器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT 及其相应的驱动电路；当然功率器件还可以采用功率晶体管GTR或金属-氧化 物-半导体型场效应晶体管MOSFET或门极关断晶闸管GTO。\n所用微处理器采用TI公司TMS320LF2407DSP；电压传感器采用电流型200V 电压传感器；电流传感器采用电流型200A电流传感器。PWM调制频率为20KHz； 信号采集和控制周期取1ms；采用PI控制算法。\n本发明的具体工作原理是：\n电动车加速或爬坡，且超级电容模组电压高于120v时，T2、T3、T4关断， T1工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的驱动降压变换，超级电容模组协 助主电源向电机供电。\n电动车加速或爬坡，且超级电容模组电压低于120v时，T1导通，T2、T3 关断，T4工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的驱动升压变换，超级电容 模组协助主电源向电机供电。\n电动车再生制动时，且超级电容模组电压低于120v时，T1、T2、T4关断， T3工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的制动降压变换，电动车再生制动 回馈能量通过DC/DC变换器存储于超级电容模组中。\n电动车再生制动时，且超级电容模组电压高于120v时，T3导通，T1、T4 关断，T2工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的制动升压变换，电动车再 生制动回馈能量通过DC/DC变换器存储于超级电容模组中。