CN102019889A - 一种电动汽车及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车及其控制系统，该电动汽车的动力电源为电池和超级电容构成的复合电源。该控制系统主要由电源控制系统、基于多模式无源无损软开关技术的电动机驱动系统、电源监控管理系统、信号采集与处理系统以及数字化的核心控制系统组成。该电动汽车采用复合电源并采用与该电源相匹配的控制系统，达到了高效驱动电动机以及制动电力的快速交换，保障了该车辆长期连续运行的稳定性和可靠性，提高了一次充电的续驶里程，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，适用于各种电动汽车。

Description

一种电动汽车及其控制系统

技术领域

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自流无刷电动机控制系统。

 

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。单电池情况下,制动能量直接回馈给电池,但是由于时间很短,一方面电池很难吸收瞬时能量,回馈能量的效率很低，另一方面冲击脉冲对电池充电，影响电池的寿命；即使现在有些公司提出的尖峰吸收理论,也只能在理论上分析能够吸收16%左右的能量,实际效果如何没有实验数据。

因而研制有效的制动状态时制动能量的快速交换技术也是电动汽车技术发展的一个重要方向。

发明内容

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。

本发明是通过以下方案实现的：

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，所述控制系统为数字化控制系统。

所述的电动汽车，其中：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CAN总线相互通讯；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屏予以显示，形成一种分布式模块化的电池监控网络，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；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核心控制系统；所述核心控制系统为数字化系统，获取信号采集与处理系统发出的数据，分析处理并发出信号驱动电动机驱动系统工作，发出控制指令给电源监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。

所述的电动汽车，其中：所述电源管控系统对行使过程中的能量回馈状态下的充电保护：紧急制动时对超级电容进行充电，并同时由电压采集模块对进行电压检测，当该超级电容电压高于电池时，由该电容对电池充电；正常制动时给电池充电，充电过程中电压采集模块和电流测量模块检测电压和充电电流，并控制充电电流于适宜值。

所述的电动汽车，其中：所述动力电源在车辆起动时由超级电容供电，正常行驶时由电池供电。

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CAN总线相互通讯；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核心控制系统；所述核心控制系统为数字化系统，获取信号采集与处理系统发出的数据，分析处理并发出信号驱动电动机驱动系统工作，发出控制指令给电源监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。

所述的电动汽车的控制系统，其中：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。

所述的电动汽车的控制系统，其中：所述电源模式转换模块在车辆起动时控制超级电容供电，正常行驶时控制电池供电。

所述的电动汽车的控制系统，其中：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屏予以显示，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。

所述的电动汽车的控制系统，其中：所述电源管控系统对动力电源的过度放电保护过程为：起动前，控制系统进行自检，判断动力电源的最低电压是否为安全电压并报警；运行过程中，实时检测动力电源的电压和放电电流，保证电压在安全电压以上，同时限制放电电流，在放电电流超过一定值即进行工作模式的切换。 

所述的电动汽车的控制系统，其中：所述电源管控系统在紧急制动时对超级电容进行充电，并同时由电压采集模块对进行电压检测，当该超级电容电压高于电池时，由该电容对电池充电；在正常制动时给电池充电，充电过程中电压采集模块和电流测量模块检测电压和充电电流，并控制充电电流于适宜值。

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。

基于上述复合电源的电动汽车控制系统是一种数字化电动机智能控制系统，通过对电动汽车的电动机进行控制，实现起动、调速、制动、馈能与保护，并与电池管理系统通讯，实时监控控制系统的电压、电流、频率以及速度等信息，实现电动机的高效驱动和制动状态电力的快速交换，从而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。

 

附图说明

图1是本发明的电动汽车的结构框图；

图2为本发明的电动汽车的复合电源的原理图；

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；

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。

 

具体实施方式

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，其中动力电源1为电池与超级电容组成的复合电源。

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CAN总线相互通讯。

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。

电源模式转换模块311包括控制芯片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3113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；运行过程中，制动比较频繁且时间较短的情况下，制动能量存储在超级电容中，在检测到电容电压高于电池电压后，该电容对电池缓慢充电，同时电池对外供电，此时就由两个电源同时工作。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。

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屏316予以显示，形成一种分布式模块化的电源监控网络，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，根据工况实时的对复合电源容量进行控制，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。

该电源管控系统31对动力电源1的过度放电保护过程为：

起动前，控制系统进行自检，判断动力电源1的最低电压是否为安全电压，如果达到安全电压，给出报警信号；运行过程中，实时检测动力电源1的电压和放电电流，保证电压在安全电压以上，同时限制放电电流，待放电电流超过一定值即进行工作模式的切换。

对动力电源1的过度充电保护包括两种情况：一为停机状态下充电，二为行使过程中的能量回馈。

停机状态下充电：充电模式一般为多段式充电，有恒压和恒流模式，由电压采集模块315和电流测量模块317检测电压和充电电流，待超过最高电压时进行限压，并同时限制充电电流的大小。

能量回馈状态下的充电：电动汽车紧急制动会产生很大的反馈能量，在大电流的冲击充电情况下，电池的寿命会大大缩短，而超级电容具有耐冲击的能力，因此在紧急制动时对超级电容进行充电，并同时由电压采集模块315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；电动汽车正常制动产生的能量反馈，通过DC-DC变换电路将电动机的制动能量给电池充电，充电过程中电压采集模块315和电流测量模块317检测电压和充电电流，并控制充电电流于适宜值。

动力电源工作环境的管理：大多数电池和超级电容的理想的工作环境温度为25℃，以保障的寿命和均衡充电，因此电池工作区必须安装一定的空调、加热或制冷设备。

常规的制动状态的再生能量技术存在无法灵活选择存储对象，通过该电源管控系统可以根据电动机运行的不同工况实现灵活选择能量的存储对象是电池还是电容。

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。

电动汽车在行驶过程中不断地检测电动机2的转速、驱动器的输出电压、输出电流，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，得出电动汽车的运行工况，根据该运行工况控制无源无损软开关的工作模式：在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，而在制动过程中仅在DC-DC中使用无源无损软开关技术。

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。

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。电动机驱动系统32获得该脉冲信号进行工作，同时电源管控系统31根据该控制指令确定动力电源1的供电模式，病根据电动机2的运行工况判断系统是否工作于馈能模式。核心控制系统34主要实现系统的自诊断，对信号采集与处理系统33发出的信号采集、接收与分析，发出驱动电路的脉冲信号和控制指令，在不同的路况下，通过对多个信号的混合处理，达到效率和调速性能的最优化，同时实现整个系统的保护。

工作过程：

按下启动按钮后，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；

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，核心控制系统34获取信号采集与处理系统33的数据，并进行处理和分析，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。进入保护工作模式时，核心控制系统34根据电动汽车运行工况特点判断是否为减速、制动、紧急制动或者进入安全工作模式；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。

本发明的电动汽车由于动力电源采用电池和超级电容构成的复合电源，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的显著优点，克服了电池和超级电容的拓扑结构存在着各自不同的劣势、或存在结构过于复杂、或存在无法灵活选择超级电容或电池进行电能补偿等不足，能够发挥出锂电池电源和超级电容器各自长处，根据电动机运行的不同工况（启动、正常运行、制动等）灵活选择供电模式，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。

本发明的控制系统具有以下特点：

1). 提高电动汽车牵引驱动状态时的效率

通过加入多模式的无源无损软开关技术，以降低电动汽车永磁同步电动机驱动电路的开关损耗，提高了电源的利用率同时增加一次充电情况下电动汽车的行驶里程，在相同成本下将带来极大的技术优势。

2). 电动汽车的运行工况识别

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，控制器根据检测到的数据进行分析和判断出电动汽车的运行工况，并且实时的调节电源和驱动器的工作状态。

3). 制动状态时制动能量的快速交换

在有限的车载电源与复杂且随机工况下，功率变换器的电能可以双向流动，电动汽车在制动、减速或者下坡时可以回馈能量，对进行充电。解决了电动汽车有效的制动状态时制动能量的快速交换技术问题。

本发明的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，直接提升了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。

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。

Claims (10)

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，所述控制系统为数字化控制系统。

2.如权利要求1所述的电动汽车，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CAN总线相互通讯；

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屏予以显示，形成一种分布式模块化的电电源管控网络，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；

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核心控制系统；

所述核心控制系统为数字化系统，获取信号采集与处理系统发出的数据，分析处理并发出信号驱动电动机驱动系统工作，发出控制指令给电源监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。

3.如权利要求2所述的电动汽车，其特征在于：所述电源管控系统对行使过程中的能量回馈状态下的充电保护：

紧急制动时对超级电容进行充电，并同时由电压采集模块对电池进行电压检测，当该超级电容电压高于电池时，由该电容对电池充电；

正常制动时给电池充电，充电过程中电压采集模块和电流测量模块检测电压和充电电流，并控制充电电流于适宜值。

4.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起动时由超级电容供电，正常行驶时由电池供电。

5.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CAN总线相互通讯；

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核心控制系统；

所述核心控制系统为数字化系统，获取信号采集与处理系统发出的数据，分析处理并发出信号驱动电动机驱动系统工作，发出控制指令给电源监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。

6.如权利要求5所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：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。

7.如权利要求6所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：所述电源模式转换模块在车辆启动时控制超级电容供电，正常行驶时控制电池供电。

8.如权利要求5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屏予以显示，形成一种分布式模块化的电源监控网络，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。

9.如权利要求5所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：所述电源管控系统对动力电源的过度放电保护过程为：

起动前，控制系统进行自检，判断动力电源的最低电压是否为安全电压并报警；运行过程中，实时检测动力电源的电压和放电电流，保证电压在安全电压以上，同时限制放电电流，在放电电流超过一定值即进行工作模式的切换。

10.如权利要求5所述的电动汽车的控制系统，其特征在于：所述电源管控系统在紧急制动时对超级电容进行充电，并同时由电压采集模块对进行电压检测，当该超级电容电压高于电池时，由该电容对电池充电；在正常制动时给电池充电，充电过程中电压采集模块和电流测量模块检测电压和充电电流，并控制充电电流于适宜值。

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