CN102074983A

CN102074983A - 锂动力电动助力车电气部分的设计

Info

Publication number: CN102074983A
Application number: CN2010105797799A
Authority: CN
Inventors: 周荻; 缪耀东
Original assignee: MIU YAODONG
Current assignee: MIU YAODONG
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2011-05-25

Abstract

锂动力电动助力车电气部分的设计。聚合物锂离子Lithium ion polymer Battery电池取得了迅猛发展，为实现大功率动力电池提供了可能。以锂电池为动力电池的电动车技术革命是未来的发展趋势。本课题将聚合物锂电池组取代铅酸蓄电池，研究解决锂电池作为电动助力车电源应用的一整套技术问题，十四组锂电池的串联充放电保护并结合原电动车控制线路进行修改、高低速运行转换控制等。最终实现锂动力电动车高速、远距离行驶的目的。关键词：聚合物锂电池组大功率动力电池串联充放电高低速运行转换控制。

Description

锂动力电动助力车电气部分的设计

一、所属技术领域：

本发明将聚合物锂电池组应用于电动助力车，并结合原有的整车电气线路进行发明设计，属于电子技术领域。

二、背景技术：

电动自行车作为经济、低耗、方便的短途交通工具，发展迅猛。经过10年的高速增长，至2010年2月全国保有量已经达到1.2亿。目前电动自行车大多以铅酸电池为主，占总数的95％。铅酸蓄电池报废后需要回收，容易对环境形成二次污染。

动力电池目前主要集中在铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和液态锂离子蓄电池、磷酸铁锂上。但是铅酸、镍氢电池质量大，能量密度小、环保效果差；液态锂离子电池虽然能量密度大、但安全性差，充放电管理也成为新问题；磷酸铁锂电池材料的振实密度较小，等容量的磷酸铁锂电池的体积比其它材料的大，价格比较昂贵，限制了这种锂电材料在电动助力车上的应用。

聚合物锂离子Lithium ion polymer Battery电池取得了迅猛发展，为实现大功率动力电池提供了可能。以锂电池为动力电池的电动车技术革命是未来的发展趋势。

三、发明内容：

电动自行车是利用铅酸蓄电池作为动力能源，以无刷直流电动机为动力，采用无刷电动机控制器实现制动和调速控制。本发明以大陆鸽TDR318PZ型电动车(16″/48V、350W/48V无刷电机)为例，将聚合物锂电池组取代铅酸蓄电池，研究解决锂电池作为电动助力车电源应用的一整套技术问题，设计了十四组锂电池的串联充放电保护并结合原电动车控制线路进行修改并增加高低速运行转换控制等功能。最终实现锂动力电动车高速、远距离行驶的目的。

随着能源的匮乏及全社会对环境污染的严格控制，研制节能环保型电动车作为新能源交通工具将具有深远意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以铅酸蓄电池大陆鸽DR318PZ型电动车(16″/48V、350W/48V无刷电机)为基础进行整机改造。整个电气系统由锂电蓄电池充电部分，充电过压检测、放电欠压检测、充电接口接触不良保护电路、12V辅助电源、升压开关电源、调速控制器和无刷电动机构成。

1、聚合物锂离子电池组替换铅酸蓄电池，提供电动车的电能；

2、锂电池组的充电电路设计(包括充电时接触不良的保护电路和充电过压检测电路)；

锂电池充电与铅酸电池不同，每块锂电板有严格的电压控制要求Vm≤4.2V，需要设计充电专用开关电源，还需要有过压控制信号输入电路，用于每块锂电池电板充电检测与控制；另外提供充电时接触不良的保护电路，提供充电的可靠保护。

3、电动车行驶时锂电池组的放电电压检测电路设计；

每块锂电板欠压为42/14＝3V，以防止锂电池组低于42V电压的过度放电使锂电池遭到损坏。

4、+12V辅助电源的设计；

VCC1+12V提供充电时接触不良的保护电路的电源；还用于充电时过压检测电路的电源；VCC2+12V在电动车行驶时提供放电电压检测电路和调速控制器的电源；

5、大功率升压型开关电源的设计；

使电池组的电压从51.8V提升至60V，满足电动助力车高速行驶需要，行驶速度达到低速为30km/h高速为40km/h，以满足高速、远距离行驶需要。

6、调速控制器的改动；

调速控制器接受各方控制信号如调速手柄、断电闸把、放电欠压控制信号等，一般由驱动电路PWM控制功率管的开关，调节方波占空比来得到不同的平均电压，从而来实现对于无刷电机电动机的调速。

本发明的有益效果是：

1、电池续航里程达到要求，充满电后，最大续驶里程达到100km。

2、速度也达到了设计要求，升速效果明显。经升压型开关电源升压后供给电动机的是60V稳定电压，未升压时锂电池组提供电压为51.8V，由直流电机转速与电压成正比，可以得知，速度能够从30km提升为40km。提升效果明显，能满足远距离高速行驶需要。

3、聚合物锂电池替代铅酸电池的成功应用，解决了铅酸电池的环境污染问题，是未来新能源的发展方向。

四、附图说明：

下面结合附图对本发明进一步说明。

附图1是锂动力电动助力车系统框图。

附图2是十四组锂电池组串联充电电路。

附图3是十四组锂电池的充放电保护电路及插口接触不良保护电路。

附图4是用于高速行驶的大电流型开关电源的控制电路图。

五、具体实施方式：

在图1中，以铅酸蓄电池大陆鸽DR318PZ型电动车(16″/48V、350W/48V无刷电机)为基础进行整机改造。整个电气系统由锂电蓄电池充电部分，充电过压检测、放电欠压检测、充电接口接触不良保护电路、12V辅助电源、升压开关电源、调速控制器和无刷电动机构成。

聚合物锂离子电池组替换铅酸蓄电池，提供电动车的电能

1.1锂电池组的充电电路(包括充电时接触不良的保护电路和充电过压检测电路)；

①锂电池组的充电电路由开关电源提供，锂电池充电与铅酸电池不同，它有严格的电压控制要求Vm≤4.2V，还需要有过压控制信号输入电路，故需要设计充电专用开关电源。

②提供锂电池组的充电过压检测电路，Vm＝4.2V；

③提供锂电池组的放电欠压检测电路，Vm’＝3.0V；

④设计充电时接触不良的保护电路，提供充电的可靠保护。

1.2电动车行驶时锂电池组的放电电压检测电路：每块锂电板欠压为3V，以防止锂电池组低于42V电压的过度放电使锂电池遭到损坏。

大功率升压型开关电源：使电池组的电压从51.8V提升至60V，满足电动助力车高速行驶需要，行驶速度达到低速为30km/h高速为40km/h，以满足高速、远距离行驶需要。

1.3调速控制器：

在图2中，锂电池组充电接口的四根线：1号线和4号线为直流电源和地线，3号线提供辅助+12V电源，2号线为过压控制信号线。当锂电池组充电电压检测过压时，提供过压信号给充电器，停止充电。

2.1由UC3842构成的开关电源充电电路的设计

220V交流电由C1、L1滤除电磁干扰，负温度系数的热敏电阻Rt1限流，再经整流、C2滤波，电阻R1、电位器RP1降压后加到UC3842的供电端(⑦脚VCC)，为UC3842提供启动电压，电路启动后变压器的付绕组n2的整流滤波电压为UC3842提供正常工作电压；

稳压过程如下：当直流输出端电压超过+60V时，经过RP1、R23、D9，到比较器的正相输入端⑤脚，而⑥脚与基准电源相连，当⑤脚电压高于⑥脚基准电压，比较放大器⑦脚输出高电平。光耦两端的内阻减小，UC3842的⑧脚为5V基准电压输出端，电流流过光耦，到达反馈电压输入端②脚，如②脚电压越高，驱动脉冲的占空比越小，从而稳定了输出电压。

UC3842的⑥脚输出的方波信号驱动MOSFEF功率管，变压器原边绕组n1的能量传递到付边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。如原边绕组n4提供电源给风扇电路，用于散热。电阻R11、R12用于电流检测，当流过功率管V1的电流增加，则电阻R11、R12上电压随之增加，经R9、C9滤滤后送入UC3842的③脚，形成电流反馈环。

所以由UC3842构成的电源是双闭环控制系统，电压稳定度非常高，当UC3842的③脚电压高于1V时振荡器停振，保护功率管不至于过流而损坏。

+12V直流电源的产生：R25、V2、DW、C1组成+12V直流电压，接到充电插口3脚，提供充电过压检测电路和放电欠压检测电路的电源。LED2用于锂电池的充电指示灯。当锂电池组充电电压检测过压时，信号经过D1，提供信号给比较放大器的正相输入端⑤脚，从而停止充电。

在图3中，十四串锂电的充放电保护的可靠性将直接影响锂电的寿命。锂电池充电与铅酸电池不同，它有严格的电压控制要求Vm≤4.2V，在充电时要增加过压保护电路。下图是各组锂电池的充电过压检测电路和放电时欠压检测电路。接点A是过压检测信号，输出到电源充电接口3脚。接点B是欠压检测信号，输出到电动车调速控制器的断电闸把控制点。

3.1锂电池组充电过压检测电路设计

锂电池充电与铅酸电池不同，它有严格的电压控制要求Vm≤4.2V，故充电过压检测很重要。当单节电压超过4.2V时产生过压检测信号。

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源，它的电压设定在2.5V，当运放的同相输入端电压高于2.5V时，比较放大器输出高电平，驱动光耦，光耦输出管内阻下降，A点输出高电平，R6的作用是是防止光耦的漏电流干扰影响。

14组锂电池各有过压检测电路，每组检测电路相互独立，每组地电位不相等，见图4-7，分别为0V、4V、......48V、52V。而光耦输出端的电源采用+12V，地电位保持一致。即光耦的作用是电平位移作用，将多组A点输出信号相加，送到充电插口的③脚，即进入开关电源的电压比较电路，使充电开关电源的输出电压降低，保证每节锂离子电池充电电压不超过4.2V。

其中二极管D1起到对各处A点输出信号进行隔离的作用，当一号组锂电池出现过压时，比较放大器输出高电平，一号组隔离二极管开通，A点即为高电平，其它组隔离二极管均反向截止，防止了其他组泄放电阻对A点的分流，使A点输出信号电压不足，过压保护失控。

3.2锂电池组放电欠压检测电路设计

原48V电动车调速控制器具有欠压保护功能，电压降到欠压点的时候控制器会使电机停转，防止电池过度放电。单节铅酸电池的欠压点为10.5V，48V铅酸电池的欠压点为42V。每节锂电池欠压为42/14＝3V，以防止锂电池组低于42V电压的过度放电。

TL431将电压调整在2.5V，经过二极管D2，比较放大器同相端电压为2.5-0.7＝1.8V。锂电池的最低保护电压为3V，而当锂电池单节电压低于3V时，经过R8、R9分压，反相端电压输入电压为1.8V。如果单节锂电欠压则V-＜1.8V，V+＝1.8V，比较放大器输出高电平，再通过电平位移电路将多组输出信号相加，送到调速控制器禁止输出(刹车信号线)、升压开关电源停止升压。

3.3锂电池组充电接触不良保护电路的设计

锂电池组充电器在充电接插时，容易出现接触不良的情况，如果③脚(过压控制)接触不良，锂电池组充电会出现过充，锂电池的循环寿命将大大缩短。

如过压控制信号(A点)接触不良，A点电位由前级锂电池组的充电电路决定，充电接口①脚的开路电压为42V。此时即使再对锂电池组充电，但充电电压仅为42V，防止了过充的可能。如④脚+12V电源断开，则三极管截止，充电过压检测电路没有信号输出，即A点没有信号输出，A点电位由锂电池组的充电电路的开路电压决定，仍为42V。

在图4中，4.1 TL494是一种频率固定的脉冲宽度控制器，它集成了开关电源控制所需要的主要模块。

TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。输出脉冲宽度调制是通过在CT上的正锯齿波和2个控制信号中的任意一个比较而实现的。欲驱动晶体管Q1和Q2的或非门，只有当双稳态触发器的时钟输入是低电平的时候才会有输出。而且两个比较器中，只有当锯齿波电压幅值大于控制信号幅度值时(V-＞V+)，才会使或门输出脉冲为低电平。因此，当控制脉冲的幅值不断增加时，会导致输出脉冲的宽度不断变窄。反馈/PWM比较电压幅值越高时，Q1、Q2输出脉冲宽度越窄，波形的占空比下降，直到截止，输出脉冲为零。”

TL494的1脚、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端，K2闭合，D1反向截止，2脚电位由R4、R9决定，V2＝5V*R9/(R4+R9)，提供误差放大器I比较电位。

电源插口CZ1公共接地端GND2经R8接入TL494的1脚，VA＝R18*IOM(IOM为输入电动机的最大电流)，即1脚提供电动机的限流保护。设定VA＝V2，当VA＞V2时，误差放大器I同相端电位高于反相输入端，PWM比较器同相端电压增加，输出脉冲的宽度不断变窄，从而稳定电动机的输出电流。

TL494的15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。15脚接+5V基准电源，则16脚电位为+5V，V0＝(R16+R17)*5/R16≈60V。当输出电压超过+60V时，16脚电位高于15脚电位，误差放大器II输出高电平，输出脉冲的宽度不断变窄，从而稳定输出电压。

4.2升压电路的设计

电动助力车在启动开关后，具有高低速行驶切换功能。低速行驶时，调速控制器由锂电池组供电；合上K2，使用的大功率升压型开关电源将51.8V电压提高至60V，以实现高速行驶。

具体控制过程如下：K2打开，TL494的14脚输出基准+5V电压经过R1、D1到达TL494的4脚(死区时间控制端)，使4脚电压为+5V，使TL494截止输出，9脚、10脚输出脉冲为零，锂电池组电压+VG2经过L2D3至电源接口CZ1(见图5-7)，使电源接口CZ1输出电压仍为51.8V，电动机未获得加速，仍以原速度行驶。

K2为升压开关：K2闭合，TL494的14脚输出基准+5V电压经过R1、K2、R10到达TL494的4脚(死区时间控制端)，使4脚电压为不为0，使TL494工作，9脚、10脚有脉冲输出，因为13脚接地为并联单端输出方式，故9脚和10脚输出脉冲信号相同。

9脚信号到达V4、V5、V6管的基极，脉冲信号为1时V4、V5、V6管关闭，+VG2(锂电池组电源)经过电感线圈L2、L3、L4，功率管V1、V2、V3导通，电感线圈L2、L3、L4储能。当9、10脚输出的高电平脉冲结束时，V4、V5、V6导通，使场效应管管V1、V2、V3截止，电感线圈L2、L3、L4产生下正上负的感生电动势使D3、D4、D5导通，给电容C8充电，电源接口CZ1输出电压为+60V，送至调速控制器，电动机提速。

4.3辅助电路的设计

风扇电路仅仅在升压输出(K2闭合)时运转。当电源总开关K1打开时，+12V稳压电路不工作。风扇电路中V8基极由14脚提供+5V电压，V8导通，风扇不转。

电源总开关K1闭合时，锂电池组电压+51.8V输出到电动车仪表电路，+12V稳压电路工作并为V9提供+12V电源电压。高速开关K2闭合时，风扇电路中V8基极接地，V8截止，V9导通，散热风扇运转，为升压开关电源散热。

调速控制和无刷电机电路：

电动助力车原有的调速控制和无刷电机的技术比较可靠成熟，在此不需要另行设计；调速控制器基本不做变化，所改部分是去除调速控制器上的+12V辅助电源，原来的+12V电源采用的是降压型线性稳压电路，损耗大，容易使控制器发热。

主要是大容量储能型电池的使用安全问题：为防止大容量电池组在使用中因质量、车辆碰撞引起高温起火的可能性，其电池箱应采用金属外壳，内部绝缘材料可以使用没有敷铜的坏氧电路板，确保安全与可靠，同时金属外壳可以提高电池组的散热性能，延长电池使用寿命。

Claims

1.锂动力电动助力车电气部分的设计，包括有锂电池组充电专用开关电源、锂电池组、锂电池组的充放电保护电路、大功率升压型开关电源、12V辅助开关电源、充电时接触不良的保护电路等组成，其特征在于将大容量锂离子电池组应用于电动助力车，并结合原有电动车电气电路进行设计，使电动助力车达到高速远距离行驶(续驶里程为100km)的目的。

聚合物锂离子电池用于电动助力车电源相比广泛使用的铅酸蓄电池来说，具有无污染、体积小、能量密度高等、重量轻等优点。现有的锂电自行车采用磷酸铁锂电池，其对充放电过压要求不高，单节电池过充电压30V不燃烧，不爆炸。穿刺不爆炸。但磷酸铁锂的缺陷是其堆积密度小，同等容量下磷酸铁锂电池的体积要大于其他种类的锂电池，制成的电池体积将十分庞大，笨重。由于价格、体积、容量等多方面原因，聚合物锂电池比磷酸铁锂电池做电动助力车优势更明显。

其技术特征是：利用大容量聚合物锂离子电池组(10组以上)替换铅酸蓄电池，提供电动车的电能；设计锂电池组的充电电路(包括充电时接触不良的保护电路和充电过压检测电路)；聚合物锂锂电池充电与铅酸电池不同，每块锂电板有严格的电压控制要求Vm≤4.2V，需要设计充电专用开关电源，还需要有过压控制信号输入电路，用于每块锂电池电板充电检测与控制；另外提供充电时接触不良的保护电路，提供充电的可靠保护；设计电动车行驶时锂电池组的放电电压检测电路；每块锂电板欠压为3V，以防止锂电池组低于42V电压的过度放电使锂电池遭到损坏；设计大功率升压型开关电源；使电池组的电压提升，以满足高速、远距离行驶需要；改装调速控制器；与锂电池组电池放电电路、升压开关电源配合，接受各方控制信号如调速手柄、断电闸把、放电欠压控制信号等从而来实现对于无刷电机电动机的调速。

2.根据权利要求1所述的为大容量锂离子电池组配套设计的锂电池组充电专用开关电源，其特征在于充电插口的设计：1号线和2号为直流电源电压线、4号线提供辅助+12V直流电源线，3号线为过压控制信号线。

3.根据权利要求1所述的锂电池组充电专用开关电源，其特征在于：充电时还具有接触不良的保护电路，充电插口3、4接触不良时锂电充电器停止充电，提供充电的可靠保护。

4.根据权利要求1所述的锂电池组充电专用开关电源，其特征在于：所用的固定工作频率的开关稳压电源具有型号为UC3842的电流型脉宽调制电路，采用的是双闭环控制系统。

5.根据权利要求1中锂电池组的充放电保护电路的设计，其特征在于：所述的保护电路具有电压比较器并利用光耦和电平位移作用实现每节锂离子电池充电过压的检测，检测到的过压控制信号输出给充电器用于充电控制。

6.根据权利要求1中锂电池组的充放电保护电路的设计，其特征在于：所述的保护电路具有单节锂电欠压比较器，并利用光耦和电平位移电路将多组输出信号相加，送到调速控制器禁止输出，以防止每节锂电池低于3V电压的过度放电。

7.根据权利要求1中的大功率升压型开关电源，其特征在于：具有高低速行驶转换开关，控制死区时间，实现电动助力车高低速行驶转换控制。

8.根据权利要求1中的大功率升压型开关电源，其特征在于：单端输出的PWM脉冲控制电路，并提供输出端的电压、电路保护电路。

“锂动力电动助力车电气部分的设计“此项发明专利的从属权利要求是：

权利要求1中的大容量聚合物锂离子电池组的充电专用开关电源还可以应用于对10组以上大容量聚合物锂离子电池组、大容量磷酸铁锂电池组、大容量液态锂离子电池组的充电。

权利要求1中的用于电动助力车高低速行驶转换的的大功率开关电源的电路设计不仅用于无刷电机，还可以用于对有刷电机的变速转换上。