电动汽车及其控制系统

1.一种电动汽车，包括通过电讯号连接的动力电源、电动机和控制系统，其特征在于：
所述动力电源为电池和超级电容构成的复合电源，
所述控制系统包括电源管控系统、电动机驱动系统、信号采集及处理系统和核心控制系统，各部分电讯号连接；
所述核心控制系统采集、分析处理所述信号采集及处理系统发出的数据，发出信号驱动所述电动机驱动系统工作，发出控制指令给电源管控系统确定复合电源的供电模式，同时判断是否工作于馈能模式；
所述核心控制系统具有电动机状态识别模块、自诊断模块、速度智能调节模块和保护模块四个模块中任一个或任意组合；
所述电动机状态识别模块根据电动机运行的反馈参数，判别电动车运行的工况，以实时地控制驱动器的工作模式，并判断所述控制系统是否工作于馈能模式，同时向电源管控系统发出控制信号；电源管控系统根据该控制信号，确定动力电源供电模式；
所述自诊断模块在电动汽车电源接通后，对电池电压、超级电容电压、主驱动电路和开关量信号进行检测与分析，判断所述控制系统能否正常工作，并给出信号显示；
所述速度智能调节模块将模糊控制器和传统的PID控制器结合起来，并且对模糊控制器进行优化，使控制器根据电动机的实际工况进行调整，提高所述控制系统对不确定因素的适应性；
所述保护模块针对驱动器和电动机进行过压保护、过流保护、逻辑保护以及功率保护，同时对复合电源进行欠压保护、过压保护以及功率保护。
2.如权利要求1所述的电动汽车，其特征在于：所述动力电源在车辆启动时由超级电容供电，正常行驶时由电池供电。
3.如权利要求1所述的电动汽车，其特征在于：所述电源管控系统具有电源模式转换模块、主控模块、电压采集模块、温度采集模块、电流测量模块及显示模块；
所述电动机驱动系统为基于多模式无源无损软开关技术的驱动系统，包括控制器、电动机转速检测模块、驱动器电压检测模块和电流检测模块；
所述信号采集及处理系统是对电动汽车在行驶过程中不断地检测电动机的转速信号、位置信号、驱动器的输出电压信号、输出电流信号，频率信号，并对信号进行前端处理，并将处理的信号经AD模块和总线接口传至所述核心控制系统。
4.用于如权利要求1所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：所述控制系统包括电源管控系统、电动机驱动系统、信号采集及处理系统和核心控制系统，各部分通过电讯号连接；
所述核心控制系统采集、分析处理所述信号采集及处理系统发出的数据，发出信号驱动所述电动机驱动系统工作，发出控制指令给电源管控系统确定复合电源的供电模式，同时判断是否工作于馈能模式；
所述核心控制系统具有电动机状态识别模块，所述电动机状态识别模块根据电动机运行的反馈参数，判别电动车运行的工况，以实时地控制驱动器的工作模式，并判断所述控制系统是否工作于馈能模式，同时向电源管控系统发出控制信号；电源管控系统根据该控制信号，确定动力电源供电模式。
5.如权利要求4所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：所述核心控制系统还具有自诊断模块，所述自诊断模块在电动汽车电源接通后，对动力电源、主驱动电路和开关量信号进行检测与分析，判断所述控制系统能否正常工作，并给出信号显示。
6.如权利要求4所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：所述核心控制系统还具有速度智能调节模块，所述速度智能调节模块将模糊控制器和传统的PID控制器结合起来，并且对模糊控制器进行优化，使控制器根据电动机的实际工况进行调整，提高所述控制系统对不确定因素的适应性。
7.如权利要求6所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：所述速度智能调节模块检测到复合电源总能量计算出最佳行使速度，正常运行时，控制以该最佳行驶速度行使；
起动时，不对速度进行控制；
起动正常后，加速/减速时根据具体运行工况决定模糊控制器和传统的PID控制器的参数，提高所述控制系统对不确定因素的适应性。
8.如权利要求4所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：所述核心控制系统还具有保护模块，所述保护模块针对驱动器和电动机进行过压保护、过流保护、逻辑保护以及功率保护，同时对复合电源进行欠压保护、过压保护以及功率保护。
9.如权利要求4所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：所述电源管控系统具有电源模式转换模块、主控模块、电压采集模块、温度采集模块、电流测量模块及显示模块；
所述电源模式转换模块包括控制芯片、电池检测模块和超级电容检测模块；控制芯片获取电池检测模块和超级电容检测模块的检测数据，结合电动机运行工况，实时控制电源供电模式；
所述电源管控系统通过主控模块获取电压采集模块、温度采集模块和电流测量模块的数据信息，并将上述数据信息通过显示模块予以显示，形成一种分布式模块化的电源管控网络，对动力电源进行过压/欠压、过流/短路、低温/高温的保护和双电源管理。
10.如权利要求4所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：所述电动机驱动系统为基于多模式无源无损软开关技术的驱动系统，包括控制器、电动机转速检测模块、驱动器电压检测模块和电流检测模块。

电动汽车及其控制系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于电动汽车领域，涉及一种电动汽车及其电动机控制系统，尤其涉及动力电源为复合电源的电动汽车以及基于该复合电源的数字化直流无刷电动机控制系统。\n背景技术\n[0002] 随着我国经济的发展，汽车的产销量和保有量都保持着高速稳定的发展态势。有专家指出，按照现在的发展速度，我国的燃油生产将面临更大的压力，能源供应及环境的压力正在成为汽车行业发展的制约因素。我国汽车产业的未来，必然要走发展更清洁更节能之路。电动汽车以清洁的、可再生的能源为动力，必将成为汽车大家庭中的重要成员。\n[0003] 目前电动汽车的动力电池包括锂电池和超级电容。其中锂电池成本较低。超级电容的储存电能是靠静电引力作用来实现，在高度多孔状电极与束缚态电解质的接触表面所特定的双电层来实现储能，因此超级电容储存的能量是同规格普通铝电容的2000倍，是锂电池比功率的10倍。超级电容器在比能量和比功率两个性能参数上位于电池和传统电容之间，循环寿命和充放电效率都远高于电池。\n[0004] 基于电池作为动力的电动汽车特点：锂离子等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案，并且已经在很多领域中广泛使用。但是化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，使用寿命较短，并且受温度影响较大，同时大电流会直接影响这些电池的寿命；在考虑寿命的情况下，电池的充电时间过长，影响了其大规模使用。因此，对于要求长寿命、高可靠性的电动汽车用电源系统来说，这些基于化学反应的电池就显出种种不足。\n[0005] 基于超级电容器作为动力的电动汽车特点：超级电容器的原理并非新技术，常见的超级电容器大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、阻抗低、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。超级电容器能提供快速的能量释放，满足高功率需求，因此在那些要求高可靠性而对能量要求不高的场合中，超级电容器得到广泛的应用。\n[0006] 作为电动汽车动力源，不仅要求高可靠性、高功率，而且对能量的要求极高，结合上述两者的特点，采用电池／超级电容器的混合系统，可以极大的提高系统的可靠性和性价比。然而目前尚无实用高效的这种复合电源供电的电动汽车电动机控制系统。\n[0007] 研究在复合电源供电的情况下，直流无刷电动机控制系统的效率提升技术，提高电动汽车电动机的运行效率对延长车辆的一次充电续驶里程有明显重要的意义。\n[0008] 同时，由于提高运行效率有两种途径, 其一是提高电动汽车牵引驱动状态时的效率, 其二是回收电动汽车处于制动状态时制动能量。因而研制有效的制动状态时制动能量的快速交换技术是电动汽车技术发展的一个重要方向。\n发明内容\n[0009] 本发明为了解决现有电动汽车电动机控制系统中采用单电源动力存在的上述不足以及电动机运行效率尚待提高的问题，而提出一种电动汽车及其控制系统。\n[0010] 本发明是通过以下方案实现的：\n[0011] 上述的电动汽车，包括通过电讯号连接的动力电源、电动机和控制系统，所述动力电源为电池和超级电容构成的复合电源，所述控制系统包括电源管控系统、电动机驱动系统、信号采集及处理系统和核心控制系统，各部分通过电讯号连接；所述核心控制系统采集、分析处理所述信号采集与处理系统发出的数据，发出信号驱动电动机驱动系统工作，发出控制指令给电源管控系统确定复合电源的供电模式，同时判断是否工作于馈能模式；所述核心控制系统具有电动机状态识别模块、自诊断模块、速度智能调节模块和保护模块四个模块中任一个或任意组合；所述电动机状态识别模块根据电动机运行的反馈参数，判别电动车运行的工况，以实时地控制驱动器的工作模式，并判断系统是否工作于馈能模式，同时向电源管控系统发出控制信号；电源管控系统根据该控制信号，确定动力电源供电模式；\n所述自诊断模块在电动汽车电源接通后，对电池电压、电容电压、主驱动电路和开关量等信号进行检测与分析，判断系统能否正常工作，并给出信号显示；所述速度智能调节模块将模糊控制器和传统的PID控制器结合起来，并且对模糊控制器进行优化，使控制器根据电动机的实际工况进行调整，提高系统对不确定因素的适应性；所述保护模块针对驱动器和电动机进行过压保护、过流保护、逻辑保护以及功率保护，同时对复合动力电源进行欠压保护、过压保护以及功率保护。\n[0012] 所述的电动汽车，其中：所述动力电源在车辆启动时由超级电容供电，正常行驶时由电池供电。\n[0013] 所述的电动汽车，其中：所述电源管控系统具有电源模式转换模块、主控模块、电压采集模块、温度采集模块、电流测量模块及显示模块；所述电动机驱动系统为基于多模式无源无损软开关技术的驱动系统，包括控制器、电动机转速检测模块、驱动器电压检测模块和电流检测模块；所述信号采集与处理系统是对电动汽车在行驶过程中不断地检测电动机的转速信号、位置信号、驱动器的输出电压信号、输出电流信号，频率信号，并对信号进行前端处理，并将处理的信号经AD模块和总线接口传至所述核心控制系统。\n[0014] 上述的电动汽车的控制系统，包括电源管控系统、电动机驱动系统、信号采集及处理系统和核心控制系统，各部分通过电讯号连接；所述核心控制系统采集、分析处理所述信号采集与处理系统发出的数据，发出信号驱动电动机驱动系统工作，发出控制指令给电源管控系统确定复合电源的供电模式，同时判断是否工作于馈能模式；所述核心控制系统具有电动机状态识别模块，所述电动机状态识别模块根据电动机运行的反馈参数，判别电动车运行的工况，以实时地控制驱动器的工作模式，并判断系统是否工作于馈能模式，同时向电源管控系统发出控制信号；电源管控系统根据该控制信号，确定动力电源供电模式。\n[0015] 所述的电动汽车的控制系统，其中：所述核心控制系统还具有自诊断模块，所述自诊断模块在电动汽车电源接通后，对电池电压、电容电压、主驱动电路和开关量等信号进行检测与分析，判断系统能否正常工作，并给出信号显示。\n[0016] 所述的电动汽车的控制系统，其中：所述核心控制系统还具有速度智能调节模块所述速度智能调节模块将模糊控制器和传统的PID控制器结合起来，并且对模糊控制器进行优化，使控制器根据电动机的实际工况进行调整，提高系统对不确定因素的适应性。所述速度智能调节模块检测到复合动力电源总能量计算出最佳行使速度，正常运行时，控制系统以该最佳行驶速度行使；起动时，不对速度进行控制；起动正常后，加速/减速时根据具体运行工况决定模糊控制器和传统的PID控制器的参数，提高系统对不确定因素的适应性。 \n[0017] 所述的电动汽车的控制系统，其中：所述核心控制系统还具有保护模块，所述保护模块针对驱动器和电动机进行过压保护、过流保护、逻辑保护以及功率保护，同时对复合动力电源进行欠压保护、过压保护以及功率保护。\n[0018] 所述的电动汽车的控制系统，其中：所述电源管控系统具有电源模式转换模块、主控模块、电压采集模块、温度采集模块、电流测量模块及显示模块；所述电源模式转换模块包括控制芯片、电池检测模块和超级电容检测模块；控制芯片获取电池检测模块和超级电容检测模块的检测数据，结合电动机运行工况，实时控制电源供电模式；所述电源管控系统通过主控模块获取电压采集模块、温度采集模块和电流测量模块的数据信息，并将上述数据信息通过显示模块予以显示，形成一种分布式模块化的电源管控网络，对动力电源进行过压/欠压、过流/短路、低温/高温的保护和双电源管理。\n[0019] 所述的电动汽车的控制系统，其中：所述电动机驱动系统为基于多模式无源无损软开关技术的驱动系统，包括控制器、电动机转速检测模块、驱动器电压检测模块和电流检测模块。\n[0020] 本发明的电动汽车除了具有传统纯电动汽车的“电代油”和“零排放”主要优点外，由于采用复合电源及与之相匹配的控制系统，具有成本适中，可灵活选择超级电容或电池或二者同时进行供电，能够发挥出电池电源和超级电容器各自长处，提高了复合电源的利用效率，延长了使用寿命，增加了电动汽车的续驶里程。\n[0021] 基于上述复合电源的电动汽车控制系统同时具有速度智能调节，完善的保护功能与自诊断功能，保障了电动汽车的长期连续运行的稳定性和可靠性，直接提升了电动汽车的关键性的性能指标，使一次充电的续驶里程大为提高，降低了电动汽车的使用成本，积极推动了电动汽车的产业化进程，也为大幅度提高我国纯电动汽车的整体创新能力和国际竞争力起到积极的促进作用。该系统应能适用于各种用于不同型号、不同功率的电动汽车，通过更换部分零件和设定部分参数可以满足各种电动汽车的电控要求，并确保该系统控制精度高，适应好，效率高。\n附图说明\n[0022] 图1是本发明的电动汽车的结构框图；\n[0023] 图2为本发明的电动汽车的复合电源的原理图；\n[0024] 图3为本发明的电动汽车的控制系统的电源管控系统原理框图；\n[0025] 图4为本发明的电动汽车的控制系统的电动机驱动系统原理框图；\n[0026] 图5为本发明的电动汽车的控制系统的核心控制系统原理框图。\n具体实施方式\n[0027] 如图1、图2所示，本发明的电动汽车包括通过电讯号连接的动力电源1、电动机2及控制系统3。\n[0028] 其中动力电源1为电池与超级电容组成的复合电源。\n[0029] 控制系统3包括电源控制系统31、电动机驱动系统32、信号采集及处理系统33和核心控制系统34，各部分通过电讯号连接。\n[0030] 如图3所示，电源管控系统31具有电源模式转换模块311、主控模块312、电压采集模块313、温度采集模块314、电流测量模块315及显示模块316构成，通过CAN总线相互通讯。\n[0031] 电源模式转换模块311包括通过电讯号连接的控制芯片3111、电池检测模块3112和超级电容检测模块3113；控制芯片3111获取电池检测模块3112和超级电容检测模块\n3113的检测数据，结合电动机2运行工况，实时控制电源供电模式，进行电池单独供电、超级电容单独供电和电池与超级电容共同供电三种模式的切换：在电动机需要提供瞬时大功率时，比如起动，由电容供电；待进入正常工作模式时，由电池供电。通过上述三种模式的转换以保证复合电源1的电压均衡，减小内部环流，提高电源的效率。控制芯片3111采用DSP 控制芯片，优选专门用于数字信号处理的TMS320F28027。\n[0032] 该管控系统31通过主控模块312获取电压采集模块313、温度采集模块314和电流测量模块315的数据信息，并将上述数据信息通过显示模块316予以显示，形成一种分布式模块化的电源管控网络，并对动力电源1进行过压/欠压、过流/短路、低温/高温的保护；根据动力电源1的内部反应机理精确测量复合电源的剩余容量，根据工况实时的对电池容量进行控制，即自动地进行双电源管理，特别是电池的过度充放电保护、热平衡和电池的工作环境的管理，在保证电池寿命的情况下，提高电源的工作效率。\n[0033] 如图4所示，电动机驱动系统32为基于多模式无源无损软开关技术的驱动系统，包括通过电讯号连接的控制器321、电动机转速检测模块322、驱动器电压检测模块323和电流检测模块324。控制器321获取电动机转速检测模块322、驱动器电压检测模块323和电流检测模块324的检测数据，并进行分析和判断，在车辆加速或者匀速行驶时在DC-DC和DC-AC中使用无源无损软开关技术，制动过程中在DC-DC中使用无源无损软开关技术。\n[0034] 信号采集与处理系统33主要是对电动汽车在行驶过程中不断地检测电动机的转速信号、位置信号、驱动器的输出电压信号、输出电流信号，频率信号，并对信号进行前端处理，然后将处理的信号经AD模块和总线接口传至核心控制系统34。\n[0035] 核心控制系统34获得信号采集与处理系统33的信号，进行判断与识别，并合理有效的发出脉冲信号和控制指令。如图5所示，核心控制系统34包括电动机状态识别模块\n341、自诊断模块342、速度智能调节模块343和保护模块344。\n[0036] 电动机状态识别模块341根据电动机2运行的反馈参数如转速信号、位置信号和开关量等，判别电动车运行的起动、正常运行、制动等不同工况，以实时地控制驱动器的工作模式，并判断系统是否工作于馈能模式，同时向电源管控系统31发出控制信号；电源管控31系统根据该控制信号，确定动力电源1工作模式为电池单独供电、超级电容单独供电或者是电池+电容混合供电。\n[0037] 自诊断模块342在电动汽车电源接通后，对电池电压、电容电压、主驱动电路和开关量等信号进行检测与分析，判断系统能否正常工作，并给出信号显示，例如：正常运行绿灯亮，不正常红灯亮，同时给出故障代码。\n[0038] 速度智能调节模块343将模糊控制器和传统的PID控制器结合起来，并且对模糊控制器进行优化，使控制器可以根据电动机的实际工况进行调整，提高系统对不确定因素的适应性。\n[0039] 保护模块344针对驱动器和电动机进行过压保护、过流保护、逻辑保护以及功率保护，同时对复合动力电源1进行欠压保护、过压保护以及功率保护。\n[0040] 核心控制系统34的控制原理如下：\n[0041] 电动机状态识别原理：\n[0042] 起动时系统给核心控制系统34给出起动信号(开关量)，电动机状态识别模块\n341检测到此信号，分析识别出电动机2处于起动状态；检测到速度信号和加速度信号，并对信号进行分析，判断是处于电动状态还是制动状态；紧急制动时，电动机状态识别模块\n341检测到紧急制动信号(开关量)，分析识别出电动机处于紧急制动状态。\n[0043] 自诊断原理，包括充电状态下自诊断和通电开始运行前自诊断：\n[0044] 充电状态下自诊断：自诊断模块342检测各块电池电压和各串联电容电压、电池的充电电流以及环境温度，当各电池/电容电压满足Umin＜Ui＜Umax，给出正常信号，同时当Ui=UN，系统充电完成；当电池的充电电流满足Ii=IN，给出正常信号；当温度检测信号满足Tmin＜T＜Tmax，给出正常信号；否则显示系统故障。\n[0045] 通电开始运行前自诊断：自诊断模块342检测各电池/电容电压、环境温度，根据电压量显示此时电源的能量级别，根据环境温度显示此时运行环境的提示，如果不满足要求给出故障信号，同时系统闭锁，待故障排除后方可启动；与此同时检测关键的硬件电路，判断是否有开路或者短路故障。\n[0046] 速度智能调节原理：\n[0047] 速度智能调节模块343在检测到复合动力电源1的总能量的基础上，计算出最佳行使速度，正常运行时，控制系统以此速度行使；\n[0048] 起动时，进入起动工作模式，此时不对速度进行控制；\n[0049] 起动正常后，加速/减速时根据具体运行工况来决定模糊控制器和传统的PID控制器的参数，提高系统对不确定因素的适应性。\n[0050] 保护原理：\n[0051] 复合电源模式下，主要的保护对象为复合动力电源1、驱动器以及电动机2，保护模块344在\n[0052] 当电池/电容电压低于最低电压，给出欠压报警信号，同时停止功率输出；\n[0053] 当电池/电容电压高于最高电压，给出过压报警信号，同时停止功率输入；\n[0054] 当环境温度小于电源最低温度，给出低温报警信号，启动制热装置；\n[0055] 当环境温度大于电源最高温度，给出超温报警信号，启动制冷装置；\n[0056] 当电动机绕组电流超过最大电流，给出过流信号，同时进入电流调节环节；\n[0057] 当电动机绕组电流超过最大电流且电压很小时，给出短路信号，同时进入短路保护工作模式；\n[0058] 当驱动器输出功率大于时，控制模式调节环节。\n[0059] 本发明电动汽车的控制系统工作过程如下：\n[0060] 按下起动按钮后，电源管控系统31控制动力电源1进入起动模式，同时核心控制系统34对整个系统进行自检，确认系统无异常后进入起动模式并发出正常运行信号，运行指示灯亮；\n[0061] 起动过程完成后，核心控制系统34进入正常工作模式，并发出正常脉冲信号给电动机驱动系统32驱动功率变换器正常工作，信号采集与处理系统33对电动机2的位置信号、速度信号、电压电流信号进行检测和前端处理，并发送至核心控制系统34，核心控制系统34通过处理和分析，判断系统的工作模式为保护工作模式、正常工作模式或者馈能工作模式；\n[0062] 进入保护工作模式时，首先识别电动机状态，并由智能调节速度或者进入安全工作模式；\n[0063] 进入或退出馈能模式时，核心控制系统34对电源管控系统31发出控制指令使动力电源1进入或退出储能模式。能量回馈状态下：紧急制动时制动能量对超级电容进行充电，并同时由电压采集模块313对动力电源进行电压检测，当该超级电容电压高于电池时，由该电容对电池充电；正常制动时电动机的制动能量给电池充电，充电过程中电压采集模块313和电流测量模块315检测电压和充电电流，并控制充电电流于适宜值。\n[0064] 本发明的电动汽车采用电池和超级电容构成的复合电源，成本适中，可根据电动机运行的不同工况灵活选择超级电容或电池或二者同时进行供电，能够发挥出电池电源和超级电容器各自长处，提高了复合电源的利用效率，延长了电池的寿命，增加了电动汽车的续驶里程。\n[0065] 本发明的与上述复合动力电源相匹配的控制系统具有以下特点：\n[0066] 电动汽车在行驶过程中不断的检测电动机的转速信号、驱动器的输出电压/电流信号以及位置信号，根据检测到的数据分析和判断运行工况，并且实时调节电源和驱动器的工作状态；\n[0067] 制动状态时能够实现制动能量的快速交换；\n[0068] 同时具有速度智能调节，完善的保护功能与自诊断功能。\n[0069] 该控制系统适用于不同型号、不同功率的电动汽车。使用该控制系统的电动汽车能够在各种复杂工况下可靠地提高电动机的运行效率，长期连续运行稳定，性能可靠，直接提升电动汽车的一次充电的续驶里程，降低电动汽车的使用成本，积极推动了电动汽车的产业化进程，也为大幅度提高我国纯电动汽车的整体创新能力和国际竞争力起到积极的促进作用。\n[0070] 非因此局限本发明的保护范围，故举凡运用本发明说明书及图示内容所为的等效技术变化，均包含于本发明的保护范围内。