电动车辆再生制动及能源系统综合实验装置

1.电动车辆再生制动及能源系统综合实验装置，其特征在于：该装置包括：功率输出部分、电能驱动部分、集成控制部分；其中：
A、功率输出部分：电机(1)、转速转矩传感器(2)、转动惯量(3)、磁粉制动器(4)依次通过联轴器(5)同轴机械连接；
B、电能驱动部分：包括有超级电容组(6)、DC/DC转换器(7)、蓄电池组(8)、电机控制器(9)，其有如下连接形式：
1)蓄电池组(8)与超级电容组(6)直接并联连接，后与电机控制器(9)连接；
2)超级电容组(6)与DC/DC转换器(7)串联连接，再与蓄电池组(8)并联连接，后与电机控制器(9)连接；
3)蓄电池组(8)与DC/DC转换器(7)串联连接，再与超级电容组(6)并联连接，后与电机控制器(9)连接；
4)双DC/DC转换器：超级电容组(6)和蓄电池组(8)分别与一个DC/DC转换器(7)串联连接，后两者并联连接，最后与电机控制器(9)连接；
C、集成控制部分：包括有转速转矩频率测量控制仪(10)、张力控制器(11)、总监控系统(12)、控制器局域网CAN总线(13)，其与功率输出部分和电能驱动部分的连接关系如下：
张力控制器(11)与磁粉制动器(4)连接，转速转矩传感器(2)与转速转矩频率测量控制仪(10)连接，电机控制器(9)与电机(1)连接，最后总监控系统(12)通过控制器局域网CAN总线(13)与DC/DC转换器(7)并联后分别与张力控制器(11)、转速转矩频率测量控制仪(10)和电机控制器(9)连接。
2.如权利要求1所述的电动车辆再生制动及能源系统综合实验装置，其特征在于，功率输出部分中，同轴依次连接电机(1)、转速转矩传感器(2)、转动惯量(3)、磁粉制动器(4)。
3.如权利要求1所述的电动车辆再生制动及能源系统综合实验装置，其特征在于，所述的总监控系统(12)、张力控制器(11)、电机控制器(9)、转速转矩频率测量控制仪(10)可采用单片机、DSP；所述的DC/DC转换器(7)采用buck-boost升降压电路。

电动车辆再生制动及能源系统综合实验装置 \n技术领域\n[0001] 本发明涉及电动车辆领域，尤其涉及一种动力电池与超级电容混合驱动并且具有制动能量回收功能的实验装置。 \n背景技术\n[0002] 当今，电动车的研发与应用已成为改善城市环境污染和降低能源依赖度的有效途径之一。但传统的蓄电池为动力的电动车，受蓄电池比功率小、工作温度范围小、充放电寿命短等因素制约，很难满足广大的市场需要。超级电容是近年来出现的一种新型储能元件，具有长寿命、比功率大、质量轻、工作温度范围宽及环保等特点。如果能够将两者结合，在为电动车提供电能时发挥各自的优点，将会更好地满足实际需求。超级电容器和蓄电池混合动力电动车是一种技术优化方案，是当前新能源汽车重要发展方向。 \n[0003] 超级电容具有能够快速充放电的特性，针对城市工况行驶时，经常遇到红灯、堵车、频繁起动、制动、停车等情况，超级电容如果能有效地可以把制动、减速所消耗的能量回收用于汽车起动、加速，将可以减少能源浪费，提高能源使用效率。电池电容混合驱动系统中要克服超级电容有比能量低、蓄电池有比功率低等缺点，且对于控制器的设计、系统各部件之间的参数匹配要求较高，各个主要部件、子系统之间的相互作用和影响复杂，如何对各部件加以有效的控制，是需要解决和不断完善的。本实验新型就是针对上述问题所提出的一种新的实验解决方案。 \n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于由此提供一个包含电动车辆再生制动及动力电池与超级电容混合驱动的综合实验装置。该实验装置可以研究如何对电池与超级电容混合驱动系统进行有效控制达到更高的能源利用率。也可以利用该实验装置模拟电动车减速制动时动能转化为电能过程，研究如何最大效率地回收电动车辆再生制动能量。 \n[0005] 为了能够实现以上目的，本发明采用如下技术方案： \n[0006] 电动车辆再生制动及能源系统综合实验装置，其特征在于包括：功率输出部分、电能驱动部分、集成控制部分；其中： \n[0007] A、功率输出部分：电机1、转速转矩传感器2、转动惯量3、磁粉制动器4依次通过联轴器5同轴机械连接； \n[0008] B、电能驱动部分：包括有超级电容组6、DC/DC转换器7、蓄电池组(8)、电机控制器\n9，其有如下连接形式： \n[0009] 1)蓄电池组8与超级电容组6直接并联连接，后与电机控制器9连接； [0010] 2)超级电容组6与DC/DC转换器7串联连接，再与蓄电池组8并联连接，后与电 机控制器9连接； \n[0011] 3)蓄电池组8与DC/DC转换器7串联连接，再与超级电容组6并联连接，后与电机控制器9连接； \n[0012] 4)双DC/DC转换器：超级电容组6和蓄电池组8分别与一个DC/DC转换器7串联连接，后两者并联连接，最后与电机控制器9连接； \n[0013] C、集成控制部分：包括有转速转矩频率测量控制仪10、张力控制器11、总监控系统12、控制器局域网CAN总线13，其与功率输出部分和电能驱动部分的连接关系如下：张力控制器11与磁粉制动器4连接，转速转矩传感器2与转速转矩频率测量控制仪10连接，电机控制器9与电机1连接，最后总监控系统12通过控制器局域网CAN总线13与DC/DC转换器7并联后分别与张力控制器11、转速转矩频率测量控制仪10和电机控制器9连接。 [0014] 功率输出部分中，同轴依次连接电机1、转速转矩传感器2、转动惯量3、磁粉制动器4根据不同的实验要求连接或断开。 \n[0015] 所述的总监控系统12、张力控制器11、电机控制器9、转速转矩频率测量控制仪10可采用单片机、DSP；所述的DC/DC转换器7采用buck-boost升降压电路。 [0016] 所述的电机1具有电磁制动功能，既能作为电动机提供转速转矩，也能作为发电机回收动能并输送存储到能源驱动部分中。 \n[0017] 本实验新型中：能源驱动部分主要由蓄电池组8和超级电容组6组成，根据实验要求，通过DC/DC转换器7和总监控系统12的控制，蓄电池组和超级电容组可单独或共同为电机1提供电能。电机1用于模拟实验电动车上电机的输出功率，与转速转矩传感器2连接后，可由转速转矩传感器2测出电机1的转速转矩并输送到总监控系统12供实验分析。转动惯量3用于模拟实验电动车的惯量，惯量大小可根据实验要求，通过增大或减小模拟惯量相应尺寸进行修改。磁粉制动器4与转动惯量3连接，用于模拟电动车机械制动过程，磁粉制动器4的制动转矩由张力控制器11决定。总监控系统12分别通过CAN总线13分别连接DC/DC转换器7、转速转矩传感器2和张力控制器11，根据不同实验采用的控制策略，向DC/DC转换器7、转速转矩传感器2和张力控制器11发送相应的指令，对各控制对象进行监测与控制，可以控制并优化在能源驱动部分不同的连接模式下和不同控制策略对功率输出部分提供电能的效率，也可以实验和优化在再生制动过程中不同控制策略下动能转换为电能的效率。 \n[0018] 本发明可取得如下有益效果： \n[0019] (1)具有再生制动功能，可以有效地将制动时消耗在机械系统上的部分能量进行回收，与电机1结合，将动能转化为电能储存到能源驱动部分中的蓄电池组8和超级电容组\n6中。可以实验、分析在制动过程中，机械制动与电磁制动的分配问题，以及能源驱动部分电能存储的效率问题。 \n[0020] (2)综合实验装置由蓄电池组8和超级电容组6向电机1提供电能，根据实验要求，既可以分别对蓄电池组8、超级电容组6的性能进行试验检测，也可以对电池-电容混合驱 动系统中蓄电池组8和超级电容组6中的各种连接模式和功率分配控制策略进行试验和优化。 \n[0021] (3)本实验装置，安装方便，结构紧凑简单，在此基础上仍有拓展型，提供增强功能的空间，使实验更加成熟。 \n附图说明\n[0022] 图1电动车辆再生制动及能源系统综合实验装置的第一结构示意图； [0023] 图2电动车辆再生制动及能源系统综合实验装置的第二结构示意图； [0024] 图3电动车辆再生制动及能源系统综合实验装置的第三结构示意图； [0025] 图4电动车辆再生制动及能源系统综合实验装置的第四结构示意图； [0026] 图中：1-电机，2-转速转矩传感器，3-转动惯量，4-磁粉制动器，5-联轴器，6-超级电容组，7--DC/DC转换器，8-蓄电池组，9-电机控制器，10-转速转矩频率测量控制仪，\n11-张力控制器，12-总监控系统，13-CAN总线。 \n具体实施方式：\n[0027] 下面结合附图对本发明做进一步说明： \n[0028] 根据实验装置的功能分类，可将本实验装置分解为三大部分： [0029] 1、功率输出部分：如图1所示，电机1、转速转矩传感器2、转动惯量3、磁粉制动器\n4依次通过联轴器5同轴机械连接，电机1、转速转矩传感器2、磁粉制动器4均固定在综合实验系统台架上，转动惯量3两端由支架支撑。 \n[0030] 2、电能驱动部分可根据实验要求有多种结构形式： \n[0031] (1)蓄电池组8与超级电容组6直接并联连接，后与电机控制器9连接，如图1所示； \n[0032] (2)超级电容组6与DC/DC转换器7连接串联连接，再与蓄电池组8并联连接，后与电机控制器9连接，如图2所示； \n[0033] (3)蓄电池组8与DC/DC转换器7串联连接，再与超级电容组6并联连接，后与电机控制器9连接，如图3所示； \n[0034] (4)双DC/DC转换器：超级电容组6和蓄电池组8分别与一个DC/DC转换器7串联连接，后两者并联连接，最后与电机控制器9连接，如图4所示。 \n[0035] 3、集成控制部分连接及与功率输出部分和电能驱动部分总连接：张力控制器11与磁粉制动器4连接，转速转矩传感器2与转速转矩频率测量控制仪10连接，电机控制器\n9与电机1连接，最后总监控系统12通过CAN总线分别与张力控制器11、转速转矩频率测量控制仪10和电机控制器9连接。 \n[0036] 具体工作原理如下： \n[0037] 1、能源驱动系统实验： \n[0038] (1)蓄电池组驱动系统：断开超级电容组6与电机控制器9连接，将蓄电池组8直接与电机控制器9连接，单独为电机1提供能源。此布置方案通过总监控系统12对电机控制器9、转速转矩频率测量控制仪10、张力控制器11的控制及信号采集，可以对蓄电池组8的工作性能进行试验及分析，并优化控制策略。 \n[0039] (2)超级电容组驱动系统：断开蓄电池组8与电机控制器9连接，将超级电容组6直接与电机控制器9连接，单独为电机1提供能源。此布置方案通过总监控系统12对电机控制器9、转速转矩频率测量控制仪10、张力控制器11的控制及信号采集，可以对超级电容组6的工作性能特性进行试验及分析，并优化控制策略。 \n[0040] (3)蓄电池-超级电容混合驱动系统：蓄电池组1和超级电容组3与电机控制器9连接根据实验要求有四种不同的方式。第一种，蓄电池组8与超级电容组6直接并联连接，后与电机控制器9连接；第二种，超级电容组6与DC/DC转换器7串联连接，再与蓄电池组\n8并联连接，后与电机控制器9连接；第三种，蓄电池组8与DC/DC转换器7串联连接，再与超级电容组6并联连接，后与电机控制器9连接；第四种，超级电容组6和蓄电池组8分别与一个DC/DC转换器7串联连接，后两者并联连接，最后与电机控制器9连接。四种方式均可为电机1提供电能。此种布置方案可以根据不同的实验要求，通过总监控系统12对电机控制器9、转速转矩频率测量控制仪10、张力控制器11的控制及信号采集，对四种连接模式进行试验分析，并优化控制策略。 \n[0041] 2、电机性能实验： \n[0042] 断开转速转矩传感器2与转动惯量3之间的连接，使电机1空转；或断开磁粉制动器4与转速转矩传感器2之间的连接，使电机1带动转动惯量3转动。此方案通过总监控系统12对电机控制器9、转速转矩频率测量控制仪10的控制和信号采集，可以对电机1在不同能源驱动模式下的性能进行测试和分析。 \n[0043] 3、再生制动实验： \n[0044] 根据不同试验要求，总监控系统12通过控制张力控制器11，张力控制器11通过改变磁粉制动器4制动转矩模拟实验电动车的机械制动效果，总监控系统12通过控制电机控制器9，使电机1的工作状态变为发电机状态。电机1通过电机控制器9可与不同的能源驱动模式连接，制动后电动车模拟惯量的动能会转化成电能存储到能源驱动系统内。此布置方案通过总监控系统12对电机控制器9、转速转矩频率测量控制仪10、张力控制器11的控制和信号采集，可以对不同的电机、磁粉制动器、电能回收控制策略进行实验分析和优化。 [0045] 4、总监控系统优化试验： \n[0046] 根据不同的实验要求，总监控系统12通过CAN总线13连接电机控制器9、转速转矩频 率测量控制仪10、张力控制器11模拟和控制不同的实验情况，对总监控系统12的控制过程进行实验及优化，以求达到更高的峰值功率、能源利用率和再生制动回收效率。