CN101214796A - 基于超级电容的无人驾驶电动汽车电源系统 - Google Patents

Abstract

一种无人驾驶车辆技术领域的基于超级电容的无人驾驶电动汽车电源系统，包括：超级电容器组、智能充电机、超级电容管理系统、第一直流转换电源模块、第二直流转换电源模块、车载计算机控制系统、DSP控制系统，超级电容器组分别与超级电容管理系统、第一直流转换电源模块相连、第二直流转换电源模块、汽车中的驱动电机和转向电机以及智能充电机相连，第一直流转换电源模块与车载计算控制系统相连，车载计算控制系统与DSP控制系统通过CAN通信相连，第二直流转换电源模块分别与汽车的车载传感器、DSP控制系统、车载辅助装置相连，DSP控制系统的输出端与汽车的驱动系统相连，DSP控制系统通过CAN通信与超级电容管理系统相连。本发明体积较小，结构简单，并实现了车辆的零污染。

Description

基于超级电容的无人驾驶电动汽车电源系统

技术领域

本发明涉及一种车辆技术领域的系统，具体是一种基于超级电容的无人驾驶电动汽车电源系统。

背景技术

无人驾驶电动汽车的控制系统比较复杂，车上载有控制计算机、激光雷达、自动导航设备和多种传感器。它们对电源功率要求比较大，且电压种类也比较多。如果采用蓄电池供电，当车辆启动或加速时，车上的驱动电机会对蓄电池的电压造成较大的波动，使无人驾驶电动汽车的控制系统造成很大的干扰，严重时会使车辆不能正常工作。目前已有的无人驾驶电动汽车通常采用蓄电池供电，主要是铅酸电池和镍氢电池。铅酸电池缺点是比能量较低，导致一次充电的行驶里程短，并且质量和体积较大，从而增加了汽车的自重和自身功率消耗。另外，铅酸电池的使用寿命短，使用成本较高，而镍氢蓄电池初始成本太高，而且还有记忆效应和充电发热等问题，充电发热会引发安全问题。另外，车辆频繁制动时会使蓄电池频繁地充放电，对电池造成一定的损失，影响电池的寿命。

超级电容(Supercapacitor)是20世纪60年代随着材料科学的突破而出现的新型功率型电子元器件，超级电容的蓄能和放电是物理过程，没有化学反应(一般蓄电池为化学变化)，是一种区别于化学电池的“物理电池”，因而它可以短周期(几分钟完成)用大电流充电和放电(数百安培)，而且从理论上说，其寿命可无限长。超级电容的超大容量、物理快速充放电过程、无记忆充放电、充放电循环次数高(可大于10⁵次)、无二次污染、使用温限范围宽等优异特性，在许多场合正取代以化学反应过程为基础的各种蓄电池。随着对超级电容器各种材料及工艺方面研究的不断深入，超级电容器的价格将进一步降低，其性能将进一步提高，在电动车领域将会有更广阔的应用前景。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号03134523.9，专利名称为：电动车超级电容辅助电源系统，该专利中采用在电动车原有主电源(蓄电池)的基础上增加一个辅助电源(超级电容)，用于存储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。此方案虽然有利于提高主电源的寿命，改善电动车的加速性能，但增加了成本，也使电源系统体积加大，且需要调压器等复杂的外围电路，不适合作为设备空间十分紧张的无人驾驶电动车电源系统。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供了一种基于超级电容的无人驾驶电动汽车电源系统，使其采用单一电源-超级电容器组作为无人驾驶电动汽车的电源系统，结构简单，便于实现计算机控制，使其在体积、结构变化不大的情况下，保证无人驾驶车辆安全、高效的运行，并实现零污染。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：超级电容器组、智能充电机、超级电容管理系统、第一直流转换电源模块、第二直流转换电源模块、车载计算机控制系统、DSP(数字信号处理)控制系统，其中：超级电容器组分别与超级电容管理系统、第一直流转换电源模块相连、第二直流转换电源模块、汽车中的驱动电机和转向电机以及智能充电机相连，第一直流转换电源模块与车载计算机控制系统相连，车载计算机控制系统与DSP控制系统通过CAN(控制器局域网)通信相连，第二直流转换电源模块分别与汽车的车载传感器、DSP控制系统、车载辅助装置相连，DSP控制系统的输出端与汽车的驱动系统相连，DSP控制系统通过CAN通信与超级电容管理系统相连。

所述第一直流转换电源模块将超级电容器组提供的电压进行转换，并将转换后的电压输出给车载计算机控制系统。

所述第二直流转换电源模块将超级电容器组提供的电压进行转换，并将转换后的电压输出给车载传感器、DSP控制系统、车载辅助装置提供工作电源。

所述超级电容管理系统负责监测超级电容器组的单体电压和总体输出电压、驱动电流、超级电容器组的环境温度，以及统计超级电容器组的充电次数，并通过发光二极管实时显示电压、电流、温度和充电次数，同时将所检测到的数据传至车载计算机控制系统。

所述车载计算机控制系统通过DSP控制系统接收来自超级电容管理系统的电压、电流、温度及充电次数信息，经过数据滤波和数据转换处理后，以界面形式显示出来，同时车载计算机控制系统接收来自车载传感器的信息，形成控制命令，并将命令传至给DSP控制系统。

所述DSP控制系统根据车载计算机控制系统所输的命令，调节自身输出电压的大小和方向，并将电压传输给汽车的驱动系统，驱动系统通过控制驱动电机和转向电机，保证车辆正常行驶。

所述超级电容管理系统，包括电压检测模块、电流监测模块、温度监测模块、记数器模块、LED(发光二极管)显示模块，其中：电压检测模块负责检测超级电容器组的输出电压和组内每个单体的电压，并将检测的电压数值传输给LED显示模块，如果电压检测模块检测出每个单体电压相差较大，将影响超级电容器组的整体性能；如果电压检测模块检测出超级电容器组的输出电压低于38V，车载计算机控制系统则不能正常工作，也就不能保证车辆的正常行驶；电流检测模块负责检测车辆在启动、加速、爬坡时超级电容器组的驱动电流，并将检测的驱动电流数值传输给LED显示模块，以便于电源系统设计的优化；电流检测模块负责检测超级电容器组工作时的环境温度，并将环境温度传输给LED显示模块，以防止过高的温度使车辆的控制系统工作异常；记数器模块负责记载超级电容器组的充电次数，并将充电次数传输给LED显示模块；LED显示模块负责实时显示电压检测模块、电流监测模块、充电计数模块，以及温度检测模块的检测数值。

所述智能充电机负责给超级电容器组充电，包括20A、30A、50A三种充电电流，充电电流和充电完成时间有关，操作人员可根据实际需要选择充电电流。

本发明工作时，无人驾驶电动汽车在使用前，工作人员根据需要选择智能充电机的充电电流，然后给超级电容器组充电，达到超级电容器组额定电压后，智能充电机自动停止工作。启动车载计算机控制系统和超级电容管理系统，超级电容管理系统开始工作，首先计数器模块记录充电次数，并将该数值通过CAN通讯传递给车载计算机控制系统，然后电压检测模块检测电容器组的输出电压和组内每个单体的电压情况，充电次数和电压值通过LED显示模块实时显示，并通过CAN通讯传递给车载计算机控制系统。如电压正常，则超级电容器组可直接给驱动电机和转向电机提供工作电压，同时超级电容器组通过第一直流转换电源模块和第一直流转换电源模块给车载计算机控制系统、DSP控制系统、车载传感器，以及车载辅助装置提供工作电压；如果超级电容器组的输出电压不在正常范围内，或者组内单体电压不均衡，车载计算机控制系统便会先报警，然后中止DSP控制系统对驱动系统的输出，车载计算机控制系统通过串行通讯接收来自车载传感器信息，经过数据处理后，将相关信息通过CAN通讯传递给DSP控制系统，DSP控制系统经过运算处理后发命令给驱动系统，在驱动系统作用下，驱动电机和转向电机工作，控制车辆的行驶。通过超级电容管理系统中的电流检测模块，检测车辆在启动、加速、爬坡时的输出电流。同时超级电容管理系统中的温度检测模块开始工作，电流值和温度值通过LED显示模块实时显示，并通过CAN通讯传递给车载计算机控制系统。如果温度偏高，车载计算机控制系统便会报警。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：采用单一电源一超级电容器组作为无人驾驶电动汽车的电源系统，体积较小，结构简单，能较好地满足无人驾驶电动汽车在启动、加速、爬坡时对功率的需求，并实现了车辆的零污染。配备了超级电容管理系统，使车辆的电源系统得到优化，保证了电源系统的稳定性与可靠性，并可大大提高电源系统的寿命(超级电容的循环周期是数万次的，而一般电池的寿命通常是几百次到1000、2000次)，为无人驾驶电动汽车的正常运行提供了保障。超级电容和无人驾驶车辆均属高科技领域，电动汽车对动力电源的要求已经引起了全世界范围内对超级电容器这一新型储能装置的广泛重视。

附图说明

图1为本发明系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例系统应用于6座无人驾驶电动汽车，无人驾驶电动汽车的驱动电机和转向电机要求额定电压为48V。

如图1所示，本实施例包括：超级电容器组、智能充电机、超级电容管理系统、第一直流转换电源模块、第二直流转换电源模块、车载计算机控制系统、DSP(数字信号处理)控制系统，其中：超级电容器组分别与超级电容管理系统、第一直流转换电源模块相连、第二直流转换电源模块、汽车中的驱动电机和转向电机以及智能充电机相连，第一直流转换电源模块与车载计算机控制系统相连，车载计算机控制系统与DSP控制系统通过CAN(控制器局域网)通信相连，第二直流转换电源模块分别与汽车的车载传感器、DSP控制系统、车载辅助装置相连，DSP控制系统的输出端与汽车的驱动系统相连，DSP控制系统通过CAN通信与超级电容管理系统相连。

所述超级电容器组负责向第一直流转换电源模块、第二直流转换电源模块提供+48V输入电源，并向车辆的驱动电机和转向电机提供+48V～+60V的输入电源；

所述超级电容器组内含有40个超级电容单体，每个超级电容单体电压为1.5V，40个超级电容单体串联组成超级电容器组，超级电容单体采用的是上海奥威科技有限公司的产品，型号为UCE15V80000，超级电容器组充足电后输出电压可达60V，满足电机电压上限为1.5倍额定电压的原则，若超级电容器组的输出电压低于40V，需要充电。

所述第一直流转换电源模块将超级电容器组提供的+48V电压转换为+18.5V电压，并将该电压输出给车载计算机控制系统；

所述第二直流转换电源模块将超级电容器组提供的+48V电压转换为+24V、+12V和-12V的电压，负责给车载传感器提供工作电源，将超级电容器组提供的+48V电压转换为+5V电压，负责给DSP控制系统提供工作电源，将超级电容器组提供的+48V电压转换为+24V电压，负责给车载辅助装置提供工作电源；

所述第一直流转换电源模块、第二直流转换电源模块均采用辽宁省朝阳市电源有限公司的产品，型号分别为4NIC-TX90、4NIC-TX324F。

所述超级电容管理系统负责监测超级电容器组的单体电压和总体输出电压、驱动电流、超级电容器组的环境温度，以及统计超级电容器组的充电次数，并通过发光二极管实时显示电压、电流、温度和充电次数，同时将所检测到的数据传至车载计算机控制系统。

所述车载计算机控制系统通过DSP控制系统接收来自超级电容管理系统的电压、电流、温度及充电次数信息，经过数据滤波和数据转换处理后，以界面形式显示出来，同时车载计算机控制系统接收来自车载传感器的信息，形成控制命令，并将命令传至给DSP控制系统。

所述DSP控制系统根据车载计算机控制系统所传来的命令，调节自身输出电压的大小和方向，并将电压传输给驱动系统，驱动系统通过控制驱动电机和转向电机，保证车辆正常行驶；

所述DSP控制系统采用的是北京合众达电子技术有限公司的产品，型号为DSP2407。

所述智能充电机负责给超级电容器组充电，包括20A、30A、50A三种充电电流，充电电流和充电完成时间有关，操作人员可根据实际需要选择充电电流，本实施例中选择50A的充电电流，只需十几分钟便可充电完成，充电完成后，该智能电机自动停止，起到安全与保护作用。

所述智能充电机采用的是江苏鼎丰电器有限公司的产品，型号为DF-EV6050C。

所述超级电容管理系统，包括电压检测模块、电流监测模块、温度监测模块、记数器模块、LED显示模块，其中：电压检测模块负责检测超级电容器组的输出电压和组内每个单体的电压，并将检测的电压数值传输给LED显示模块，如果电压检测模块检测出每个单体电压相差较大，将影响超级电容器组的整体性能；如果电压检测模块检测出超级电容器组的输出电压低于+38V，车载计算机控制系统则不能正常工作，也就不能保证车辆的正常行驶；电流检测模块负责检测车辆在启动、加速、爬坡时超级电容器组的驱动电流，并将检测的驱动电流数值传输给LED显示模块，以便于电源系统设计的优化；电流检测模块负责检测超级电容器组工作时的环境温度，并将环境温度传输给LED显示模块，以防止过高的温度使车辆的控制系统工作异常；记数器模块负责记载超级电容器组的充电次数，并将充电次数传输给LED显示模块；LED显示模块负责实时显示电压检测模块、电流监测模块、充电计数模块，以及温度检测模块的检测数值。

所述电压检测模块采用电阻分压电路，电流监测模块采用SMI300DCE电流传感器，电压检测模块和电流监测模块经过一个AD调理电路，调理电路是HCNR200，温度检测模块采用温度变送器GM-132，计数器模块的型号为H7EC-N。

本实施例工作时，无人驾驶电动汽车在使用前，工作人员根据需要选择智能充电机的充电电流，然后给超级电容器组充电，达到超级电容器组额定电压后，智能充电机自动停止工作。启动车载计算机控制系统和超级电容管理系统，超级电容管理系统开始工作，首先计数器模块记录充电次数，并将该数值通过CAN通讯传递给车载计算机控制系统，然后电压检测模块检测电容器组的输出电压和组内每个单体的电压情况，充电次数和电压值通过LED显示模块实时显示，并通过CAN通讯传递给车载计算机控制系统。如电压正常，则超级电容器组可直接给驱动电机和转向电机提供工作电压，同时超级电容器组通过两个DC/DC模块给车载计算机控制系统、DSP控制系统、车载传感器，以及车载辅助装置提供工作电压；如果超级电容器组的输出电压不在正常范围内，或者组内单体电压不均衡，车载计算机控制系统便会先报警，然后中止DSP控制系统对驱动系统的输出，车载计算机控制系统通过串行通讯接收来自车载传感器信息，经过数据处理后，将相关信息通过CAN通讯传递给DSP控制系统，DSP控制系统经过运算处理后发命令给驱动系统，在驱动系统作用下，驱动电机和转向电机工作，控制车辆的行驶。通过超级电容管理系统中的电流检测模块，检测车辆在启动、加速、爬坡时的输出电流。同时超级电容管理系统中的温度检测模块开始工作，电流值和温度值通过LED显示模块实时显示，并通过CAN通讯传递给车载计算机控制系统。如果温度偏高，车载计算机控制系统便会报警。

本实施例中超级电容器组的重量和所替换的铅酸电池差不多，而体积略小于铅酸电池，因此在重量、空间以及容量上均满足无人驾驶电动汽车的要求。本实施例保证了电源系统的稳定性与可靠性，并可大大提高电源系统的寿命(超级电容的循环周期是数万次的，而一般电池的寿命通常是几百次到1000、2000次)，为无人驾驶电动汽车的正常运行提供了保障。

Claims (5)

1.一种基于超级电容的无人驾驶电动汽车电源系统，包括：超级电容器组、智能充电机，其特征在于，还包括：超级电容管理系统、第一直流转换电源模块、第二直流转换电源模块、车载计算机控制系统、数字信号处理控制系统，其中：超级电容器组分别与超级电容管理系统、第一直流转换电源模块、第二直流转换电源模块、汽车的驱动电机和转向电机以及智能充电机相连，第一直流转换电源模块与车载计算机控制系统相连，车载计算机控制系统与数字信号处理控制系统通过控制器局域网通信相连，第二直流转换电源模块分别与汽车的车载传感器、数字信号处理控制系统、车载辅助装置相连，数字信号处理控制系统的输出端与汽车的驱动系统相连，数字信号处理控制系统通过控制器局域网通信与超级电容管理系统相连；

所述超级电容管理系统负责监测超级电容器组的单体电压和总体输出电压、驱动电流、超级电容器组的环境温度，以及统计超级电容器组的充电次数，并通过发光二极管实时显示电压、电流、温度和充电次数，同时将所检测到的数据传至车载计算机控制系统；所述车载计算机控制系统通过数字信号处理控制系统接收超级电容管理系统的电压、电流、温度及充电次数信息，经过数据滤波和数据转换处理后，以界面形式显示出来，同时车载计算机控制系统接收来自车载传感器的信息，形成控制命令，并将命令传至给数字信号处理控制系统；所述数字信号处理控制系统根据车载计算机控制系统所传来的命令，调节自身输出电压的大小和方向，并将电压传输给驱动系统。

2.根据权利要求1所述的基于超级电容的无人驾驶电动汽车电源系统，其特征是，所述超级电容管理系统，包括电压检测模块、电流监测模块、温度监测模块、记数器模块、发光二极管显示模块，其中：电压检测模块负责检测超级电容器组的输出电压和组内每个单体的电压，并将检测的电压数值传输给发光二极管显示模块；电流检测模块负责检测车辆在启动、加速、爬坡时超级电容器组的驱动电流，并将检测的驱动电流数值传输给发光二极管显示模块，以便于电源系统设计的优化；电流检测模块负责检测超级电容器组工作时的环境温度，并将环境温度传输给发光二极管显示模块，以防止过高的温度使车辆的控制系统工作异常；记数器模块负责记载超级电容器组的充电次数，并将充电次数传输给发光二极管显示模块；发光二极管显示模块负责实时显示电压检测模块、电流监测模块、充电计数模块，以及温度检测模块的检测数值。

3.根据权利要求1所述的基于超级电容的无人驾驶电动汽车电源系统，其特征是，所述第一直流转换电源模块将超级电容器组提供的电压进行转换，并将转换后的电压输出给车载计算机控制系统。

4.根据权利要求1所述的基于超级电容的无人驾驶电动汽车电源系统，其特征是，所述第二直流转换电源模块将超级电容器组提供的电压进行转换，并将转换后的电压输出给车载传感器、数字信号处理控制系统、车载辅助装置。

5.根据权利要求1所述的基于超级电容的无人驾驶电动汽车电源系统，其特征是，带有20A、30A、50A三种充电电流的智能充电机与超级电容器组连接，负责充电。

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