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CN101311024A - 一种电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统 - Google Patents

一种电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统 Download PDF

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CN101311024A CNA2008100180988A CN200810018098A CN101311024A CN 101311024 A CN101311024 A CN 101311024A CN A2008100180988 A CNA2008100180988 A CN A2008100180988A CN 200810018098 A CN200810018098 A CN 200810018098A CN 101311024 A CN101311024 A CN 101311024A
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曹秉刚
曹建波
续慧
李军伟
许�鹏
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Abstract

一种电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统，包括电动机以及与电动机相连接的动力蓄电池组和超级电容，动力蓄电池组经电池切换装置与电机驱动控制装置相连，超级电容经双向DC/DC变换器与电机驱动控制装置相连，电机驱动控制装置的另一端与电动机相连。本发明采用控制系统对电机进行控制，除了电机驱动功能外，在车辆刹车和滑行时，使电动机工作于再生制动状态，对制动损失能量进行回收并采用智能复合控制方法存储在超级电容和蓄电池中。提高了回收能量效率，延长了电动车续驶里程，又改善电动车的启动、加速、爬坡的性能，还可以避免蓄电池大电流充放电，提高蓄电池的使用寿命，并且可提高制动力矩，改善制动系统的可靠性。

Description

一种电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统
技术领域
本发明属于电动车驱动与再生制动控制技术领域，特别涉及一种电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统。
背景技术
目前，电动摩托车驱动系统由蓄电池、电机及其控制系统组成，利用车辆配备的专用充电器对蓄电池进行充电，蓄电池采用免维护铅酸电池或镍氢电池等。当车辆行驶一定距离，且蓄电池电压下降到一定的下限值时，此时必须给蓄电池充电。由于铅酸电池或镍氢电池的能量密度不高，所以车辆一次充电行驶里程较低，多则50km-70km，少则20km-30km。
发明内容
本发明的目的在于针对目前电动摩托车一次充电行驶里程较低，以及车辆刹车及滑行时能量损失的现状，提供一种能够提高电动摩托车一次充电行驶里程，并节省能源，保护蓄电池，延长蓄电池使用寿命，提高电动摩托车整车动力性能的电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括电动机以及与电动机相连接的动力蓄电池组和超级电容，动力蓄电池组经电池切换装置与电机驱动控制装置相连，超级电容经双向DC/DC变换器与电机驱动控制装置相连，电机驱动控制装置的另一端与电动机相连。
本发明的DC/DC变换器由两个功率器件组成半桥结构，变换器第一功率器件T7和变换器第二功率器件T8的中间连接有一电感L；电池切换装置是MOSFET管或继电器；动力蓄电池组为铅酸蓄电池、锂离子电池或镍氢蓄电池；超级电容是由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的水系或者非水系的双电层电容；电动机为永磁无刷直流电机，电机驱动控制装置由六个功率器件MOSFET管组成三相逆变桥，第一、第二功率器件T1和T2、第三、第四功率器件T3和T4、第五、第六功率器件T5和T6分别组成驱动半桥，构成三相逆变桥，第一、第二功率器件T1和T2、第三、第四功率器件T3和T4、第五、第六功率器件T5和T6的中间分别与电动机的三相绕组A、B、C连接，三相逆变桥的另一端则分别经切换装置与动力蓄电池组连接，经电感L和DC/DC变换器与超级电容连接；电动机为永磁有刷直流电机，电机驱动控制装置是由两个功率器件MOSFET管组成半桥结构，第一功率器件T1和第二功率器件T2的中间与电动机连接，半桥的另一端则分别经切换装置与动力蓄电池组连接，经电感L和DC/DC变换器与超级电容连接。
本发明在车辆刹车和滑行时，由电机控制驱动装置使电机工作于再生制动状态，并把再生制动所产生的电能回馈并储存在蓄电池和超级电容中，既实现了能量回馈，又能同时发挥蓄电池和超级电容各自的优点，以提高电动车的能量回收效率、瞬时性能和延长电池的使用寿命。在电动车起步加速时，提供车辆所需的高功率，避免了蓄电池的大电流放电，延长了蓄电池的寿命。在能量回收再生制动时，先对超级电容进行充电，解决蓄电池无法快速有效充电的问题，以充分回收利用制动发电的能量，对节约能源很有意义。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是电动摩托车工作于正常行驶工况时的系统原理图，蓄电池单独驱动电机，并给超级电容充电，能量流向如图中箭头所示；
图3是电动摩托车工作于启动/加速/爬坡行驶工况时的系统原理图，蓄电池和超级电容一起驱动电机，能量流向如图中箭头所示；
图4是电动摩托车工作于能量再生充电状态时的系统原理图，此时电机再生制动产生的回馈电能优先存储于超级电容中，实现对超级电容的能量再生充电，能量流向如图中箭头所示；
图5是电动摩托车工作于能量再生充电状态，当超级电容充满时的系统原理图，此时电机再生制动产生的回馈电能存储于蓄电池中，实现对蓄电池的能量再生充电，能量流向如图中箭头所示；
图6是超级电容与蓄电池复合电源电动摩托车主电路结构；
图7是电动摩托车工作于正常行驶工况时的电流流向；
图8是电动摩托车工作于启动/加速/爬坡行驶工况时的电流流向；
图9和图10是电动摩托车工作于能量再生充电状态时的电流流向；
图11和图12是电动摩托车工作于能量再生充电状态，当超级电容充满时的电流流向。
图13至图16是基于有刷直流电机的电动摩托车工作于能量再生充电状态时的电流流向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
参见图1，本发明包括电动机4以及与电动机4相连接的动力蓄电池组1和超级电容6，动力蓄电池组1经电池切换装置2与电机驱动控制装置3相连，超级电容6经双向DC/DC变换器5与电机驱动控制装置3相连，电机驱动控制装置3的另一端与电动机4相连。动力蓄电池组1采用铅酸蓄电池、锂离子电池或镍氢蓄电池，超级电容6是由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的水系或者非水系的双电层电容，电池切换装置2是MOSFET管或继电器，DC/DC变换器5由两个功率器件组成半桥结构，变换器第一功率器件T7和变换器第二功率器件T8的中间连接有一电感L。
本发明通过一个双向DC/DC变换器来对超级电容进行辅助控制，用它来连接超级电容和动力蓄电池，组成复合电源拓扑结构，在复合电源同电机之间设置有驱动控制器。参见图2，在正常行驶工况时，动力蓄电池单独驱动电机，并给超级电容充电；参见图3，启动/加速/爬坡行驶工况时，蓄电池和超级电容一起驱动电机；参见图4，5，再生制动过程中，优先对超级电容充电；当超级电容充满后，再对蓄电池充电。在驱动时，采用速度和电流综合的控制策略管理复合电源系统，既能对电池起到保护作用，延长电池的使用寿命，又能提高整车的动力性能；在能量回馈时，对复合电源中的动力蓄电池充电时采用恒电流的策略，对超级电容充电时采用恒功率的策略，也就是对再生制动过程中超级电容的充电功率进行控制，在超级电容电压低的时候采用大电流充电，当电容电压上升时，充电电流指令值下降，兼顾能量回收与系统器件保护。
参见图6，本发明采用的电动机4为永磁无刷直流电机，电机驱动控制装置3由六个功率器件MOSFET管组成三相逆变桥，第一、第二功率器件T1和T2、第三、第四功率器件T3和T4、第五、第六功率器件T5和T6分别组成驱动半桥，构成三相逆变桥，第一、第二功率器件T1和T2、第三、第四功率器件T3和T4、第五、第六功率器件T5和T6的中间分别与电动机的三相绕组A、B、C连接，三相逆变桥的另一端则分别经切换装置2与动力蓄电池组1连接，经电感L和DC/DC变换器5与超级电容6连接。
电动摩托车在正常行驶工况的时候，如图7所示，驱动电路正常工作，由蓄电池输出驱动，调节第一、第三和第五功率器件T1、T3或T5实现电机的Buck降压驱动，而双向DC/DC变换器工作于类似于标准Boost升压电路的状态，调节功率器件T8的开关动作，利用电感L的升压作用，形成升压斩波，使蓄电池电压在低于超级电容电压的情况下也能向超级电容充电。
电动摩托车在启动/加速/爬坡行驶工况的时候，如图8所示，驱动电路正常工作，由蓄电池和超级电容共同输出驱动，调节功率器件T7的开关动作，实现超级电容降压，调节功率器件T1、T3或T5的开关动作，实现电机的Buck降压驱动。
电动摩托车需要制动的场合主要有两种：将车速从高速降到低速，以及下坡时限速。
在制动时，当超级电容没充满时，如图9和图10所示，双向DC/DC变换器工作于类似标准Boost升压电路的状态，调节功率器件T8的开关动作，利用电感L的升压作用，形成升压斩波，使电机绕组反电动势在低于超级电容端电压的情况下仍能向超级电容充电，而由于电机绕组反电动势低于蓄电池端电压，又没有升压电路，此时不向蓄电池充电，根据电机转速调节功率器件T8导通和关断时间的比值，达到调整充电电压的目的。
在制动时，当超级电容充满后，如图11和图12所示，控制系统的驱动电路工作于类似标准Boost升压电路的状态，调节驱动部分的功率器件T2、T4或T6的开关动作，利用电机自带电感的升压作用，形成升压斩波，此时超级电容已经充满，所以只能向蓄电池充电，根据电机转速调节功率器件T2、T4或T6导通和关断时间的比值，达到调整充电电压的目的。
本发明对现有电动摩托车驱动系统在硬件上不作大的改动。
车辆正常行驶时，电机工作于驱动方式，蓄电池提供电机运行所需电能，并向超级电容充电，电流方向如图7所示；
车辆在启动/加速/爬坡行驶时，电机工作于驱动方式，蓄电池和超级电容提供电机运行所需电能，电流方向如图8所示；
车辆刹车时，控制器使电机工作于再生制动状态，并优先将电机再生制动所产生的电能回馈并储存在超级电容中，实现对超级电容的短时充电，电流方向如图9和图10所示；
车辆刹车时，控制器使电机工作于再生制动状态，当超级电容充满后，将电机再生制动所产生电能回馈并储存在蓄电池中，实现对蓄电池的短时充电，电流方向如图11和图12所示。
以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是这些实施例是一些较佳的例子，本发明不限于这些实施例。
实施例1：
对于电机采用永磁无刷直流电机，动力蓄电池采用铅酸蓄电池，超级电容采用水系双电层超级电容，驱动控制器功率器件采用MOSFET的电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统，其驱动控制系统如附图6所示，其驱动和制动情况下功率器件的调节方式如表一、表二所示，表一为双向DC/DC变换器工作情况，表二为驱动电路功率管工作情况，其中1表示功率器件处于常通状态，0代表功率器件处于常断状态，P代表功率器件处于PWM(脉宽调制)状态。表一中，工作状态1为正常行驶工况时，蓄电池单独驱动电机，并给超级电容充电；工作状态2为启动/加速/爬坡行驶工况时，蓄电池和超级电容一起驱动电机；工作状态3为再生制动过程中，优先对超级电容充电；工作状态4为当超级电容充满后，再对蓄电池充电。表一：
  工作状态   T7   T8   T9   T1 to T6
  1   0   P   1   BLDCM正常驱动的工作序列
  2   P   0   1   BLDCM正常驱动的工作序列
  3   0   P   0   全部关断
  4   0   0   0   BLDCM再生制动的工作序列
表二：
Figure A20081001809800101
电机工作于驱动状态，且转子状态为1时的电流方向如附图7和附图8所示；当制动优先给超级电容充电，且转子状态为1时，当功率开关T8处于导通状态下的电流方向如附图9所示，当功率开关T8处于关断状态下的电流方向如附图10所示，在电机绕组反电动势作用下，当T8导通，由于回路电阻很小，电流很快上升，当T8关断时，由于电感L的升压作用，二极管D7导通，完成对超级电容的能量再生充电过程；当制动在超级电容充满后给蓄电池充电，且转子状态为1时，当功率开关T2处于导通状态的情况下电流方向如附图11所示，当功率开关T2处于关断状态下电流方向如附图12所示，在电机绕组反电动势作用下，当T2导通，由于回路电阻很小，电流很快上升，当T2关断时，由于电机绕组电感的升压作用，二极管D1和D9导通，完成对铅酸蓄电池的能量再生充电过程。
实施例2：
参见图13，本发明的电动机4采用永磁有刷直流电机，电机驱动控制装置3是由两个功率器件MOSFET管组成半桥结构，第一功率器件T1和第二功率器件T2的中间与电动机4连接，半桥的另一端则分别经切换装置2与动力蓄电池组1连接，经电感L和DC/DC变换器5与超级电容6连接。
对于电机采用永磁有刷直流电机，蓄电池采用锂离子蓄电池，驱动控制器功率器件采用MOSFET的电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统，其能量再生充电过程如图13、图14、图15和图16所示。
如图13所示，当T8导通时，在电机绕组反电动势作用下，由于回路电阻很小，电流很快上升；如图14所示，当T8关断时，由于电感L的升压作用，二极管D7导通，完成对超级电容的能量再生充电过程；如图15所示，当T2导通时，在电机绕组反电动势作用下，由于回路电阻很小，电流很快上升；如图16所示，当T2关断时，由于电机绕组电感的升压作用，二极管D1和D9导通，完成对锂离子电池的能量再生充电过程。
本发明对现有电动摩托车硬件结构不做大的改动的前提下，采用驱动控制器对电机进行控制，采用双向DC/DC变换器对超级电容进行控制，在正常驱动的时候根据路况选择使用蓄电池驱动或者使用蓄电池与超级电容同时驱动，改善了整车性能，在车辆刹车和滑行时，使电机工作于再生制动状态，对制动损失能量进行回收并存储在超级电容和蓄电池中，既提高了能量回收效率又保护了蓄电池，达到了提高电动摩托车一次充电行驶里程和节省能源，同时还降低刹车噪音的目的。本发明对于不同电机、蓄电池、超级电容以及控制器功率器件的车辆都可以实现，易于产业化生产，具有极大的应用价值。

Claims (7)

1、一种电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统，包括电动机(4)以及与电动机(4)相连接的动力蓄电池组(1)和超级电容(6)，其特征在于：动力蓄电池组(1)经电池切换装置(2)与电机驱动控制装置(3)相连，超级电容(6)经双向DC/DC变换器(5)与电机驱动控制装置(3)相连，电机驱动控制装置(3)的另一端与电动机(4)相连。
2、根据权利要求1所述的电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统，其特征在于：所说的DC/DC变换器(5)由两个功率器件组成半桥结构，变换器第一功率器件T7和变换器第二功率器件T8的中间连接有一电感L。
3、根据权利要求1所述的电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统，其特征在于：所说的电池切换装置(2)是MOSFET管或继电器。
4、根据权利要求1所述的电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统，其特征在于：动力蓄电池组(1)为铅酸蓄电池、锂离子电池或镍氢蓄电池。
5、根据权利要求1所述的电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统，其特征在于：所说的超级电容(6)是由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的水系或者非水系的双电层电容。
6、根据权利要求1所述的电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统，其特征在于：所说的电动机(4)为永磁无刷直流电机，电机驱动控制装置(3)由六个功率器件MOSFET管组成三相逆变桥，第一、第二功率器件T1和T2、第三、第四功率器件T3和T4、第五、第六功率器件T5和T6分别组成驱动半桥，构成三相逆变桥，第一、第二功率器件T1和T2、第三、第四功率器件T3和T4、第五、第六功率器件T5和T6的中间分别与电动机的三相绕组A、B、C连接，三相逆变桥的另一端则分别经切换装置(2)与动力蓄电池组(1)连接，经电感L和DC/DC变换器(5)与超级电容(6)连接。
7、根据权利要求1所述的电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统，其特征在于：所说的电动机(4)为永磁有刷直流电机，电机驱动控制装置(3)是由两个功率器件MOSFET管组成半桥结构，第一功率器件T1和第二功率器件T2的中间与电动机(4)连接，半桥的另一端则分别经切换装置(2)与动力蓄电池组(1)连接，经电感L和DC/DC变换器(5)与超级电容(6)连接。
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