CN101492016B - 具有超级电容适配器的电动车控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有超级电容适配器的电动车控制装置和方法。它包括用于实现蓄电池对超级电容的充电和超级电容对蓄电池的放电的超级电容适配器的功率电路、超级电容适配器的驱动控制电路和用于采集电容电压、电流各种信号，输出PWM、上下桥臂输出允许的控制信号的超级电容适配器的控制器。本发明可以提高电动车的起动、加速性能，延长电动车行驶里程，运行可靠、成本低、适用面广。

Description

具有超级电容适配器的电动车控制装置和方法

技术领域

本发明涉及电动车的蓄电池保护装置，特别是一种具有超级电容适配器的电动车控制装置和方法。本发明可以提高电动车的起动、加速性能，延长电动车行驶里程。

背景技术

电动车因为节能、无污染，成为当今人们喜欢的交通工具，其市场不断扩大，生产厂商也在不断增加，在城市几乎达到了普及的地步。电动车在使用过程中，蓄电池属于易耗件，直接关系到用户的使用费用，正常使用蓄电池的充放电循环可达300次以上，而实际使用过程中往往发现蓄电池的寿命远远低于这个充放电循环次数，蓄电池的使用寿命业已成为电动车行业的瓶颈。

影响电动车蓄电池寿命的因素主要有过充电，大电流放电，过放电等原因。由直流电机的转矩与电流公式T＝C_TΦI可知在励磁一定时转矩与电流成正比，在电动车起动，载重，爬坡等情况下往往需要大的转矩，大电流放电就不可避免。而一般的12Ah铅酸电池最大放电电流为1C即12A，而电动车选用胶体电池，所以最大放电电流更小。这样电动车的加速性能和电池寿命就形成了一对矛盾。目前的电动车控制中为了提高加速性能、爬坡能力及载荷水平，往往使控制器的限流电流放宽至大于14A(甚至大于20A)，性能是提高了，但对蓄电池的伤害也增加了，当然这些问题在用户使用初期是觉察不到的，往往在使用一段时间后才能反映出来。因为，用户使用时，每一次加速，每一次爬坡都是对蓄电池的一次伤害。现在有一种将超级电容并连在电池两端的保护电池的方法，在电动车起动瞬间对电池有一定的保护作用，但是其维持的时间很短，不能做到对电池持续有效的保护，对超级电容的容量利用很少。超级电容的应用给我们解决电动车的加速性能和电池大电流放电的问题提供了一个方法。如何充分运用好超级电容的大容量，提高电动车的加速性能的同时也延长蓄电池的寿命是一个急待解决的问题。目前市场上还没有相应的产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超级电容适配器的电动车控制装置和方法，该装置能够实现DC/DC能量双向流动，并且能实现电池端和超级电容端的电能转换等功能，用于保护电动车的蓄电池，提高电动车的加速性能，延长电动车行驶里程。本发明运行可靠、成本低、适用面广。

本发明提供的一种具有超级电容适配器的电动车控制装置主要包括：

1)超级电容适配器的功率电路，如图3所示，用于实现蓄电池对超级电容的充电和超级电容对蓄电池的放电。超级电容正极带有快速放电用的二极管与蓄电池正极连接，用于确保电池端因放电而电压低于超级电容时，超级电容不经过电感立即直接向电池补充电能。

2)超级电容适配器的驱动控制电路，如图4所示，用于实现对上桥臂充电功率开关器件17和下桥臂放电功率开关器件18的驱动控制。上下桥臂控制信号是互锁形式，使得上下桥臂在任何情况下都不会直通。分别接地和高电平的第一电阻22和第二电阻23，用于确保不接CPU时，上下桥臂触发信号在禁止状态。所述的超级电容的驱动控制电路可以使用BL8003或IR2103等集成触发器件，或分立元件构成的自举触发电路。

3)超级电容适配器的控制器，如图2所示，用于采集电容电压、电流等各种信号，输出PWM、上下桥臂输出允许等控制信号。

本发明的超级电容适配器有两种形式：一种是嵌入到电动车控制器中，成为带有超级电容适配器的电动车控制器，如图1(a)所示；另一种是独立的超级电容适配器，如图1(b)所示。

本发明提供的具有超级电容适配器的电动车控制的方法包括的步骤：

1)使超级电容适配器保持工作在降压“充电状态”，即通过对上桥臂的通断控制，实现对充电电流和超级电容电压的调节。超级电容和电池的电压相等时上桥臂几乎始终导通，进入“连接状态”。当电池增加负载导致其电压下降时，适配器仍处于连接状态，电容的电能迅速通过上桥臂MOSFET器件17或17的反并联二极管及二极管16流向电池，以减小电池压降。

2)当电池电压或超级电容电压下降到限定电压以下或瞬间压降大于3V时，进入升压状态，上桥臂MOSFET关断，下桥臂MOSFET工作。当电容电压下降到30～37V，或当电池负载减轻，放电电流减小到100mA以内时，返回充电状态。

3)当电池电压因制动回馈升高时，进入回馈充电状态，但需限制超级电容的电压在额定电压以内。

上桥臂功率器件需要持续的供电。供电方法是经过一段时间下桥臂短时导通一次，给上桥臂自举电容，此期间上桥臂功率MOSFET处于关断状态或者带死区的互补工作状态。

本发明能够持续的保护电动车的蓄电池，使其放电电流一直维持在较小的安全范围以内，从而能够有效的延长电池的使用寿命，同时能够明显改善电动车的加速性能，延长单次充电的行驶里程。本发明结构简单、运行可靠、成本低，不仅仅可以用在电动车中，也可以用在任何蓄电池供电系统当中，可以有效的稳定蓄电池的端电压，从而增加系统的可靠性和稳定性。

附图说明

图1带有超级电容适配器的电动车控制器结构图。

图2超级电容适配器的控制器框图。

图3超级电容适配器的功率电路原理图。

图4超级电容适配器的触发驱动电路原理图。

图5.1超级电容适配器的程序流程图。

图5.2超级电容适配器的充电流程图。

图5.3超级电容适配器的升压流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明是一种连接蓄电池1和超级电容2的双向DC/DC装置5，下称超级电容适配器5或简称适配器5，或者是嵌入有超级电容适配器的电动车控制器3，可以实现控制蓄电池对超级电容的充电，蓄电池1和超级电容2一起放电，超级电容2侧升压为电池1侧供电等功能。

一、状态迁移控制

本适配器装置的工作状态可分为四种：充电状态，连接状态，升压状态，回馈制动状态。本适配器装置采用独立的MCU单片机作为主控芯片，或与电动车控制器共用同一个MCU控制芯片，根据电池充放电电流9，10、超级电容充放电电流7，8、驱动制动操作状态11，12的不同，对上述状态的迁移进行控制，并通过上下桥臂允许信号13，14和PWM信号15对功率开关器件17，18进行控制。以额定电压为48V，最大限流为16A的电动车控制器，加入60V4F的超级电容为例，对上述各个状态的控制情况描述如下：

1、充电状态

蓄电池1对超级电容2的充电采用近似恒流充电的控制策略。考虑到既要满足充电的快速性又不能影响电池的正常工作，将电池1对超级电容2的放电电流限制在3A以内。电动车正常运行的电流大概在5～6A，在此状态下电池1总的放电电流9为8～9A，这样电池的放电电流9在0.7C～0.8C之间不会对电池1造成伤害。

恒流充电的控制是通过A/D采样获得超级电容2的充电电流7，用PI控制方法，调节PWM信号15的占空比，控制上桥臂17的导通关断来实现的。

假设初始电容电量为0，则充电时间需要：4F*48V2/(48V*3A)/2＝32s。此为最初始状态，电容2第一次装配时，装配以后的工作过程中电容2都是有电的。实际工作状态电容2端电压与电池1端相近。假设电容2的最低电压，即升压状态结束时的超级电容电压，为37V，则充电时间＜11V*4F/3A＝14.3s。

充电状态结束时，PWM信号15的占空比将趋于100％，进入近似连接状态。充电与连接状态没有实质区别，因此连接状态是充电结束状态。

2、连接状态

通过控制功率MOSFET器件17，18，使电容2端与电池1端连接，与电池1一起为电动车提供能量。电容2有利于维持电池1电压27稳定，使电池1端电压27毛刺减小。适配器5始终确保电容充电电流7不超过设定值。此状态允许电压在允许范围内有小的波动，电动车在正常行驶状态。但当电动车的负载加大，导致电池1的电压降低时，电容2将自动通过二极管16和上桥臂功率器件17的反向二极管进入放电状态，当电压降落大于3V，或电池端电压低于46V时进入升压状态。

3、升压状态

当电压降落大于3V或电池端电压27低于46V时升压状态启动，努力维持电池电压27在48V以上。升压状态终止条件为以下五点之一：(1)超级电容电压26低于37V，(2)超级电容放电电流8小于某设定值时，(3)PWM信号15占空比接近100％时，(4)电池电压27由低压恢复到某设定值以上时，(5)在进入升压状态后15s以上时。升压状态结束，回到充电/连接状态。上述设定值由单片机根据具体电压情况实时计算得到。

此状态的控制是通过A/D采样获得电池端电压27，用PI控制方法，调节PWM信号15的占空比，控制下桥臂18的导通关断来实现的。

4、回馈充电状态

当电池电压27因制动回馈升高时，由于超级电容2与电池1保持连接状态，电容2自然地进入回馈充电状态，充电电流7幅值限制可适度放宽至额定充电电流的150％，但需限制超级电容的电压在额定电压以内。

由于电动车在行驶过程中电池1电量是不断消耗的，电池1端电压27会不断降低，这样就不能采用一个固定的值来作为状态迁移的标准。控制器6采用在连接状态下，多次采样求平均值的方法，来获得电动车正常运行的实时电压作为判断的标准。

二、功率器件的驱动控制

在功率MOSPET管驱动电路的设计中采用具有互锁功能的驱动芯片24或用分立元件的自举驱动电路实现。上下桥臂由上下桥臂输出允许信号13，14，和一路PWM驱动信号15经过PNP三极管20，21实现上下桥臂17，18的PWM驱动信号的分离。

独立的适配器5的电源与电动车控制器4的电源一样受钥匙开关控制。带有超级电容适配器的电动车控制器3中，适配器5使用电动车控制器4的电源。

三、节能策略

为了减小适配器的耗电量，保证适配器的工作可靠性，采用开关电源供电。

实验中发现，采用下桥臂定时开通为上桥臂自举电容充电的控制方法较费电。由于充电过程很短可以忽略不计，但在连接状态下定时导通耗电量就相当可观了。所以采用进入连接状态后关断下桥臂，当需要升压时再启动下桥臂的方法，以减小由于下桥臂导通所造成的耗电。与电池的连接由快速放电二极管和MOSPET管自带的二极管共同实现。此过程叫做节能模式。

Claims (6)

1.一种具有超级电容适配器的电动车控制装置，其特征在于它主要包括：

1)超级电容适配器的功率电路，用于实现蓄电池对超级电容的充电和超级电容对蓄电池的放电；超级电容正极带有快速放电用的二极管与蓄电池正极连接，用于确保蓄电池端因放电而电压低于超级电容时，超级电容不经过电感立即直接向蓄电池补充电能；

2)超级电容适配器的驱动控制电路，用于实现对上桥臂充电功率开关器件和下桥臂放电功率开关器件的驱动控制；上下桥臂控制信号是互锁形式，使得上下桥臂在任何情况下都不会直通；分别接地和高电平的第一电阻和第二电阻，用于确保不接CPU时，上下桥臂触发信号在禁止状态。

3)超级电容适配器的控制器，用于采集超级电容电压、超级电容充放电电流、蓄电池电压、蓄电池充放电电流、电动车加速和电动车制动信号；以及输出PWM信号、上桥臂输出允许控制信号和下桥臂输出允许信号。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的超级电容适配器有两种形式：嵌入到电动车控制器中，成为带有超级电容适配器的电动车控制器，或是独立的超级电容适配器。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于所述的独立的超级电容适配器的电源与电动车控制器的电源一样受钥匙开关控制。

4.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于所述的带有超级电容适配器的电动车控制器中，超级电容适配器使用电动车控制器的电源。

5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的超级电容的驱动控制电路使用BL8003或IR2103集成触发器件，或者是分立元件构成的自举触发电路。

6.权利要求1所述的具有超级电容适配器的电动车的控制方法，其特征在于包括的步骤：

1)使超级电容适配器保持工作在降压“充电状态”，即通过对上桥臂的通断控制，实现对充电电流和超级电容电压的调节，超级电容和蓄电池的电压相等时上桥臂几乎始终导通，进入“连接状态”；当蓄电池增加负载导致其电压下降时，适配器仍处于连接状态，电容的电能迅速通过二极管及上桥臂MOSFET器件的反并联二极管流向蓄电池，以减小蓄电池压降；

2)当蓄电池电压或超级电容电压下降到限定电压以下或瞬间压降大于3V时，进入升压状态，上桥臂MOSFET关断，下桥臂MOSFET工作；当电容电压下降到30～37V，或当蓄电池负载减轻，放电电流减小到100mA以内时，返回充电状态；

3)当蓄电池电压因制动回馈升高时，进入回馈充电状态，但需限制超级电容的电压在额定电压以内；

4)上桥臂功率器件需要持续的供电，供电方法是经过一段时间下桥臂短时导通一次，给上桥臂自举电容，此期间上桥臂功率MOSFET处于关断状态或者带死区的互补工作状态。

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