CN102616145A - 一种电动汽车再生制动能量储存装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车节能设备技术领域，涉及一种电动汽车再生制动能量储存装置，超级电容模组储存电动汽车再生制动回馈能量，在电动汽车起动和加速时与蓄电池并联给电动机供电；超级电容充放电控制器分别与超级电容模组、蓄电池和驱动控制器相互电连接；超级电容充放电控制器与超级电容模组电连通实现控制充放电过程；驱动控制器与电动机电连通实现电动机的控制运行；由超级电容存储电动车再生制动回馈能量，避免频繁充、放电对电动汽车电源的不利影响，使用寿命长，超级电容功率密度大、动态响应好。

Description

一种电动汽车再生制动能量储存装置

技术领域：

本发明属于汽车节能设备技术领域，涉及一种电动汽车用的环保型驱动控制式超级电容再生制动能量回收和利用系统，特别是一种电动汽车再生制动能量储存装置。

背景技术：

现有的电动汽车在频繁起步、爬坡和制动过程中，容易造成其功率需求曲线的不断变化，在城市道路的工况下更是如此。通常，一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达16∶1，但是这些峰值功率的特点是持续时间一般都比较短，需求的能量并不高。对于纯电动汽车而言，这就意味着要么汽车动力性不足，要么电压总线上要经常承受大的尖峰电流，这无疑会损害电池的寿命；但如果使用功率比较大的超级电容，当瞬时功率需求较大时，由超级电容提供尖峰功率，并且在制动回馈时吸收尖峰功率，就可以减轻对电池的压力，从而可以增加起步、加速时系统的功率输出，而且可以高效地回收大功率的制动能量，还可以提高蓄电池的使用寿命，改善其放电性能。

目前，制约电动汽车广泛推广应用的一个重要因素之一是其续航里程短，如何充分利用电动汽车再生制动能量是节约能源和提高电动汽车续航里程的关键。国内现有的电动汽车上的再生制动系统都是在车辆制动时，使电机工作于发电工况，将动能或重力势能转化为电能不加控制的直接回馈到蓄电池中，起动时再由蓄电池大电流放电加以利用。这种技术方案的主要缺点是车辆频繁制动和起动时会使蓄电池频繁地大电流充、放电，因为过充过放对电池造成一定的损失，影响电池的寿命；另外，电池作为电动车的唯一电源，在车辆加速或爬坡时，电池会大电流放电，对电池的寿命不利。超级电容是近年来研究开发出来的一种新型储能器件，这种超级电容的电容量远远大于普通电容，目前可达到几千甚至数万法拉，国内外均有成型产品应用；况且超级电容的储能作用已在地铁列车中推广使用，本申请人也已在国内获批相关专利。与地铁不同的是，地铁列车只用超级电容作为再生制动能量储存的单一载体，而本方案的电动汽车再生制动时能量储存的载体是两种，即蓄电池和超级电容同时起制动能量吸收作用，超级电容具有动态响应好、功率密度大、寿命长等特点，适合于瞬时大功率充放电的场合，恰好与蓄电池充电时动态响应差、要求恒流恒压等特点形成互补；所以，探讨一种利用超级电容储存电动汽车在制动过程中的能量并有效地再利用是很有前景的技术方案。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种应用于电动汽车的，利用超级电容储存电能和释放电能，实现有效储存和放电供电的系统技术方案，其装置采用现代电力电子技术原理和器件组合而成，可以装配于现有的电动汽车上实现储能节能功效。

为了实现上述目的，本发明针对单独由蓄电池进行再生制动能量回收的技术存在的缺陷和不足，设计和提供一种电动汽车超级电容再生制动能量储存系统，在蓄电池对电动汽车再生制动能量储存的基础上增加一组用超级电容模组作为再生制动能量储存的载体，超级电容模组及其充放电控制系统与蓄电池形成能量供给和储存互补；平时蓄电池以平均功率提供电动汽车运行所需大部分能源，在制动工况时，电动汽车再生制动以峰值功率回馈能量通过充放电控制器存储于超级电容中，在车辆起动、加速和爬坡时，超级电容充放电控制器将超级电容模组中储存的能量以瞬间高能量大电流的形式释放出来，与蓄电池并联向电动汽车电机供电，以满足电动汽车起动和加速的需求。

本发明装置的主体结构由蓄电池、驱动控制器、电动机、超级电容模组和超级电容充放电控制器通过电缆母线电连通组合而成，超级电容模组储存电动汽车再生制动回馈能量，在电动汽车起动和加速时与蓄电池并联给电动机供电；超级电容充放电控制器分别与超级电容模组、蓄电池和驱动控制器相互电连接；超级电容充放电控制器与超级电容模组电连通实现控制充放电过程；驱动控制器与电动机电连通实现电动机的控制运行；超级电容充放电控制器与驱动控制器、蓄电池之间采用电缆母线电连通；通过控制超级电容模组的电流实现蓄电池与超级电容模组的功率分配，使蓄电池功率输出保持相对恒定和平滑；超级电容模组实现功率调峰功能，提供汽车运行需求功率减去蓄电池功率的剩余功率，并回收电动汽车的部分制动能量为之调峰；保证蓄电池与超级电容模组在各自的安全电压范围内交互工作；超级电容充放电控制器以超级电容模组电流和电压作为控制目标，具有较高的功率密度和电动能量传输的动态响应，能瞬时吸收电动汽车制动回馈尖峰能量，在电动汽车加速或爬坡时协助蓄电池向电动机供电；超级电容充放电控制器分别与超级电容模组、蓄电池和驱动控制器相互电连接；在超级电容充放电控制器的电路中设有超级电容电压、电流传感器和母线电压、电流传感器，传感器取得的信号通过接口电路输入给微处理器，通过微处理器经比例积分(PI)运算产生脉冲宽度调制(PWM)信号来控制充放电控制器，以有效控制超级电容模组的充放电；超级电容充放电控制器的功能结构还包括控制电路板和三重交错双向DC/DC变换器，控制电路板通过接口电路与蓄电池的电压传感器、电流传感器、电机的电压传感器和电流传感器、超级电容模组的电压传感器和电流传感器、油门踏板驱动电位器和刹车踏板制动电位器相互电信息连接；控制电路板上设置有微处理器，微处理器采用单片机和DSP组成，微处理器通过滤波电路采集电压和电流信号、加速踏板和制动踏板信号；微处理器输出的脉冲宽度调制(PWM)信号经过光电隔离器件及驱动电路控制双向直流变换器(DC/DC)的每个功率器件的动作。

本发明所述的电动机包括直流电动机或交流电动机；所述的三重交错双向(DC/DC)直流变换器的功率器件采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；所述蓄电池为电动汽车的主电源，包括铅酸蓄电池或锂离子电池或镍氢蓄电池。

本发明涉及的超级电容充放电控制器的电路结构包括n×m个超级电容串并联而成的超级电容模组Cn(其中n和m为大于2的正整数)、六个电流传感器SA1-SA6、电压传感器SV1和SV2、释放电阻Rn、开关KM1、滤波电容C0和一组三重交错双向(DC/DC)直流变换器；超级电容模组Cn的上端串联电流传感器SA1后与下端并联接有电压传感器SV1；开关KM1与电流传感器SA6和释放电阻Rn串联后与电压传感器SV1并联；三重交错双向DC/DC变换器的核心元件为6个控制开关管(IGBT)S1-S6，其中第一重为控制开关管(IGBT)S1与S2连接点与串联的电感L1、电流传感器SA3连接后并接于电压传感器SV1上端组成；第二重为控制开关管S3与S4连接点与串联的电感L2、电流传感器SA4连接号并接于电压传感器SV1上端组成；第三重为控制开关管S5与S6连接点与串联的电感L3、电流传感器SA5连接后并接于电压传感器SV1上端组成；三重交错双向DC/DC各重单元在同一周期内分别交错工作，工作相位差为120度；S1与S2工作在0-120度，S3与S4工作在120-240度，S5与S6工作在240-360度，合成组成三重交错双向DC/DC变换器电路结构，其交错工作的并联正向升压输出端接有滤波电容C0，用于降低输出纹波；电压传感器SV2检测母线电压，电流传感器SA2检测三重交错双向DC/DC变换器输出电流，以控制输出超级电容模组Cn的充放电运行。

本发明将超级电容充放电控制器的DC/DC变换器设计在非连续导通(DCM)模式，变换器所用的电感线圈的电感量减小，其代价是增大了电流纹波，而采用多重化交错结构则减小了电流纹波，拟补了这一不足，并达到了其增加动态响应的目的，有利于制动、起动调峰功能的实现。

本发明采用的三重交错式双向DC/DC变换器是基于典型半桥式双向DC/DC拓扑结构的；三个基本半桥导通过时间依次或错1/3周期，且在每个周期导通时间相同，因此电感电流也依次互错1/3周期，继而减小总电流的纹波。

本发明涉及的超级电容充放电控制器实现对超级电容充放电控制的方法包括下列步骤：

(1)、先接通超级电容充放电控制器的电源，使其进入待运行状态；

(2)、对超级电容充放电控制器进行自动初检，使各执行部件进入备检测状态；

(3)、对超级电容充放电控制器进行初始化；

(4)、分别检测并记录电缆母线电压U和超级电容模组的电压Uc；分别检测超级电容模组放电起始母线电压Ux和充电起始母线电压Us；分别检测超级电容模组的最低电压Ucx和最高电压Ucs；

(5)、分别分组比较步骤(4)中测得的各电压值，即比较U、Uc与Ux、Ucx；U、Uc与Us、Ucs；

(6)如U≤Ux和Uc≥Ucx，对超级电容模组的电流、电压进行双环比例积分(PI)控制，使超级电容充放电控制电路下半桥独立工作，从而使超级电容模组放电；

(7)如果U≥Us和Uc≤Ucs，对超级电容模组的电流、电压进行双环比例积分(PI)控制，使超级电容充放电控制电路上半桥独立工作，从而使超级电容模组充电；

(8)反复步骤(3)、(4)、(5)、(6)和(7)，实现对超级电容模组的充电和放电控制。

本发明与现有技术相比具有以下优点：一是由超级电容存储电动车再生制动回馈能量，避免频繁充、放电对电动汽车电源的不利影响，由于超级电容使用寿命大于蓄电池，电动车电源系统的寿命得到提高；二是在车辆加速和爬坡时，超级电容协助主电源向电机提供峰值能量，使蓄电池的放电电流下降，从而使蓄电池的寿命提高；三是超级电容功率密度大、动态响应好，车辆加速时可以很大的放电电流协助主电源供电，电动汽车的加速性能得以改善；四是不需对原电动汽车控制系统在原理和结构上进行改动，把原控制系统所用的部分传感器输出信号连接充放电控制器，即可实施技术改进。

附图说明：

图1为本发明装置的主体结构原理示意框图。

图2为本发明涉及的充放电控制器电路结构原理框图。

图3为本发明涉及的三重交错双向变换器结构原理示意图。

图4为本发明实现充放电控制的工作流程示意框图。

图5为本发明涉及的超级电容模组串并联组合结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例结合附图1-5中进行实现：在图1中，包括蓄电池1、驱动控制器2、电动机3、超级电容充放电控制器4、超级电容模组5和电缆母线6，各部件按电学原理相互电信息连通构成能量储存装置；在图2中，Cn为超级电容模组，SA1～SA6为电流传感器，SV1～SV2为电压传感器，Rn为释能电阻，通过多重化结构克服电流纹波大的缺陷，获得了功率密度高动态响应好的特点。当超级电容模组满充电时Rn作为吸收电阻，当超级电容模组需要维护时Rn作释能电阻；在图3中，驱动控制器工作时通过电压外环PI调节超级电容模组的输出电压稳定在负载范围内，提高调峰稳定性能，通过对每相电流的PI调节以可控方式对超级电容进行充电，提高系统的动态性能，降低了纹波避免对超级电容模组的损害，每个基本单元变换器拥有独立的脉冲宽度调制(PWM)发生模块，避免某个单元发生故障时整个变换器瘫痪；在图4中，Ux为超级电容模组放电起始母线电压，Ucx为超级电容模组最低电压，Us为超级电容模组充电起始母线电压，Ucs为超级电容模组的最高电压；图5中，每个超级电容模组都配有均压模块、电压检测模块、温度检测模块，并带有CAN总线通讯接口，超级电容充放电控制器实时对每个模块的电压和温度进行巡检，当出现过温、过压时报警并进行保护。

本实施例在原电动汽车驱动控制系统基础上增设超级电容再生制动能量储存装置，该装置由超级电容模组及其充放电控制器为主体组合构成，三重交错双向DC/DC变换器及其辅助的电感和电流传感器组成超级电容充放电控制器的主体；超级电容模组由若干个超级电容单体串联成一组，再将若干组并联再加上电阻均压系统而形成模块，参见图5；根据电动机的额定电压确定每组串联的超级电容单体个数，根据需要存储的能量多少配置并联超级电容的组数；在充放电控制器内设置有控制电路板和双向直流(DC/DC)变换器；控制电路板通过接口电路和主电源电压传感器、主电源电流传感器、电机电压传感器、电机电流传感器、超级电容电压传感器、超级电容电流传感器、油门踏板驱动电位器和刹车踏板制动电位器相连接；双向直流(DC/DC)变换器采用三重交错boost和buck电路组成的双向、升降压电路，如图4所示；控制电路板上设置有微处理器，微处理器采用DSP，通过滤波电路采集电压和电流信号、加速踏板和制动踏板信号；DSP输出的PWM信号经过光电隔离器件及驱动控制器电路控制双向直流(DC/DC)变换器每个功率器件的动作；滤波电路采用典型的由运算放大器搭建的滤波电路；光电隔离电路由光耦实现；超级电容充放电控制器所需各种电平由主电源的蓄电池上取电，经过普通DC/DC开关电源提供。

本实施例将超级电容充放电控制器的双向直流(DC/DC)变换器设计为非连续导通(DCM)模式，因变换器所用的电感量小而增大了电流纹波，采用多重化结构减少电流纹波，而增加了其动态响应能力，有利于制动、起动调峰功能的实现。

本实施例采用的三重交错式双向DC/DC变换器基于典型半桥式双向DC/DC拓扑结构；半桥导通时间依次或错1/3周期，且在每个周期导通时间相同，电感电流依次互错1/3周期，以减小总电流纹波。

本实施例的超级电容模组放电时，即电动汽车起动、加速工况时为正向升压运行，此时下半桥控制开关管S2、S4和S6处于斩波状态，为主开关，上半桥控制开关管S1、S3和S5分别与同臂下半桥控制开关管互补，为辅助开关，超级电容储存的能量经升压流向汽车电压母线；超级电容模组充电时，即再生制动工况为反向降压运行，此时上半桥开关控制管S1、S3和S5处于斩波状态，为主开关，下半桥开关控制管S2、S4和S6与分别同臂上半桥开关控制管互补，为辅助开关，此时再生制动能量经降压流向超级电容为其充电，如图2；为了使三重交错双向结构变换器的每个基本单元动态响应好，分别加设电流内环负反馈，经比例积分(PI)调节后控制各基本单元变换器拥有独立的脉冲宽度调制(PWM)模块，共用一个电压外环保证系统的整体稳定，如图3。

Claims (2)

1.一种电动汽车再生制动能量储存装置，其特征在于主体结构由蓄电池、驱动控制器、电动机、超级电容模组和超级电容充放电控制器通过电缆母线电连通组合而成，超级电容模组储存电动汽车再生制动回馈能量，在电动汽车起动和加速时与蓄电池并联给电动机供电；超级电容充放电控制器分别与超级电容模组、蓄电池和驱动控制器相互电连接；超级电容充放电控制器与超级电容模组电连通实现控制充放电过程；驱动控制器与电动机电连通实现电动机的控制运行；超级电容充放电控制器与驱动控制器、蓄电池之间采用电缆母线电连通；通过控制超级电容模组的电流实现蓄电池与超级电容模组的功率分配，使蓄电池功率输出保持相对恒定和平滑；超级电容模组实现功率调峰功能，提供汽车运行需求功率减去蓄电池功率的剩余功率，并回收电动汽车的部分制动能量为之调峰；保证蓄电池与超级电容模组在各自的安全电压范围内交互工作；超级电容充放电控制器以超级电容模组电流和电压作为控制目标，具有较高的功率密度和电动能量传输的动态响应，能瞬时吸收电动汽车制动回馈尖峰能量，在电动汽车加速或爬坡时协助蓄电池向电动机供电；超级电容充放电控制器分别与超级电容模组、蓄电池和驱动控制器相互电连接；在超级电容充放电控制器的电路中设有超级电容电压、电流传感器和母线电压、电流传感器，传感器取得的信号通过接口电路输入给微处理器，通过微处理器经比例积分运算产生脉冲宽度调制信号来控制充放电控制器，以有效控制超级电容模组的充放电；超级电容充放电控制器的功能结构还包括控制电路板和三重交错双向DC/DC变换器，控制电路板通过接口电路与蓄电池的电压传感器、电流传感器、电机的电压传感器和电流传感器、超级电容模组的电压传感器和电流传感器、油门踏板驱动电位器和刹车踏板制动电位器相互电信息连接；控制电路板上设置有微处理器，微处理器采用单片机和DSP组成，微处理器通过滤波电路采集电压和电流信号、加速踏板和制动踏板信号；微处理器输出的脉冲宽度调制信号经过光电隔离器件及驱动电路控制双向直流变换器的每个功率器件的动作。

2.根据权利要求1所述的电动汽车再生制动能量储存装置，其特征在于所述的电动机包括直流电动机或交流电动机；所述的三重交错双向直流变换器的功率器件采用绝缘栅双极型晶体管；所述蓄电池为电动汽车的主电源，包括铅酸蓄电池或锂离子电池或镍氢蓄电池。

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