CN106335373A - 煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统及方法，该系统的右前轮轮毂电机、左前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机分别由对应的左前轮轮毂电机驱动器、右前轮轮毂电机驱动器、左后轮轮毂电机驱动器、右后轮轮毂电机驱动器电连接进行独立驱动；左前轮轮毂电机驱动器、右前轮轮毂电机驱动器、左后轮轮毂电机驱动器、右后轮轮毂电机驱动器与直流高压母线电连接。它解决了现有煤矿井下电动车续驶里程短的问题。

Description

煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统及方法
技术领域
本发明属于电动车制动能量回收领域，具体涉及一种煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统及方法。
背景技术
煤矿井下现有柴油机车污染严重、噪声大、排气吹起的粉尘大，把电动车引入煤矿井下，电动车零排放、低噪声的优点对于实现煤矿运输的清洁、高效具有积极作用。但煤矿井下路况复杂，要频繁启动、制动、加减速、上下坡、紧急刹车等，使再生制动控制系统具有现实意义。再加上矿井坡道距离长，进行煤矿井下电动车电能回馈研究，可明显增加车辆续航里程。
但是现有的煤矿井下电动车多为单电机驱动，对于单电机的制动能量回收效率不是很高，把驱动力分解到四个独立驱动的轮毂电机相对单电机来讲回收到的能量较多。同时采用四轮独立驱动技术的煤矿井下电动车普遍存在信息传输量大可能导致网络堵塞的问题，许多电动车采用增加传输总线物理数量的方法信号传输速度还是有滞后。目前基本上大多数电动车辆在耗电部分与能源供给部分间的能量传输都是直接通过对应点与点间的线路，把DC-BUS这样一种直流在线互动电源系统概念引入煤矿井下四轮独立驱动制动能量回收系统可以高效的传输能量。
因此，现有的电动车技术还不能够满足煤矿井下电动车制动能量高效回收的需求。
发明内容
本发明是为了解决现有煤矿井下电动车续驶里程短的问题，提出了一种煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统及方法。
为此，本发明的技术方案是：提供了一种煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统，包括右前轮轮毂电机、左前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机、超级电容、锂电池、直流高压母线、CAN总线，所述的右前轮轮毂电机、左前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机分别由对应的左前轮轮毂电机驱动器、右前轮轮毂电机驱动器、左后轮轮毂电机驱动器、右后轮轮毂电机驱动器电连接进行独立驱动；左前轮轮毂电机驱动器、右前轮轮毂电机驱动器、左后轮轮毂电机驱动器、右后轮轮毂电机驱动器与直流高压母线电连接；并分别通过CAN总线与整车控制器接口电连接；超级电容通过第一DC/DC变换器与直流高压母线电连接，锂电池通过第二DC/DC变换器与直流高压母线电连接；第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器分别与CAN总线接口电连接；超级电容和锂电池通过电池管理器与CAN总线接口电连接。
所述的超级电容通过双向DC/DC变换器与锂电池电连接。
所述的整车控制器通过CAN总线电连接有传感器信号处理器，传感器信号处理器分别通过接口与制动传感器、加速传感器、车速传感器电连接，整车控制器通过传感器信号处理器接收制动传感器、加速传感器、车速传感器采集的信号。
所述的左前轮轮毂电机驱动器、右前轮轮毂电机驱动器、左后轮轮毂电机驱动器、右后轮轮毂电机驱动器采用基于连续电流相位整流器技术的同步间隔再生制动控制模式以减小回路压降，在0～2π/3为区间的续流阶段，调制导通T4同时导通T6，代替D6作为续流回路，电流回路为A相→T4→T6→B相绕组；在区间2π/3～4π/3和4π/3～2π为充电阶段，调制关断T4同时开启T1，代替D1作为充电回路，电流回路为A相绕组→T1→电源正极→电源负极→T6→B相绕组；如果泵升电压高于直流母线电压，则在充电阶段可以调制导通T1，代替D1作为充电回路，以减小压降；如果泵升电压低于直流母线电压，则在充电阶段必须调制关断T1，利用二极管的单向导电性，截止电流反向，保证电磁转矩仍为制动性质。
所述的整车控制器接有车辆低能预警器。
煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收方法，至少包括如下步骤：
步骤400,程序启动开始；
步骤401,检测传感器信号,
步骤402,通过制动传感器检测制动踏板的角度信号，通过车速传感器检测电动车的速度信号；
步骤403,当制动踏板有信号时，整车控制器通过车速和制动踏板角度计算出电动车所需功率；
步骤404,判断电动车所需功率是否大于四个轮毂电机驱动功率,大于,由返回指令408使程序返回到步骤401；小于程序继续进入步骤414；
步骤414,判断超级电容是否满荷；是,程序继续进入步骤415,否,程序继续进入步骤416；
步骤415,判断锂电池是否满荷,是,程序返回到步骤401；否,程序到步骤416；
步骤416,由整车控制器控制第一DC/DC变换器向超级电容充电，到充电结束,由返回指令408使程序返回到步骤401；
步骤405,当制动踏板没有信号时，通过加速传感器检测加速踏板的角度信号，通过车速传感器检测电动车的速度信号；
步骤406,整车控制器通过步骤405得到的信号计算出电动车所需功率；
步骤407,判断电动车所需功率是否大于四个轮毂电机驱动功率,小于,程序到步骤412；大于,程序继续进入步骤409；
步骤412,判断超级电容或锂电池是否满荷？是,由返回指令408使程序返回到步骤401；否,程序继续进入步骤413；
步骤413,超级电容和锂电池之间进行能量调节,程序返回到步骤401。
步骤409,电动车所需功率是否小于锂电池最大功率输出值，是,进入步骤410,否,进入步骤411；
步骤410,由第二DC/DC变换器调节锂电池输出功率独立供电,程序返回到步骤401；
步骤411,由第二DC/DC变换器和第一DC/DC变换器调节锂电池输出功率供电。
本发明的有益效果：本发明提供的这种煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统，利用矿井小角度、长距离的道路特点，在电动车制动过程中高效率吸收制动回馈能量，并且能够充分储存四个独立驱动的轮毂电机制动产生的回馈能量，提高再生制动能量回收效率，在电动车启动、加速和爬坡阶段能够提供足够的功率需求；系统减小了锂电池所需要提供的最大电流，使锂电池的循环使用寿命增长，进而提高了煤矿井下电动车的续驶里程；同时，基于CAN总线的通讯和同步整流技术的再生制动控制能够对四轮独立驱动电动车进行实时有效的控制。本发明提高了煤矿井下四轮独立驱动电动车的动力性、经济性和系统的稳定性，推动了电动车在煤矿井下的应用。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统结构原理图；
图2是同步整流技术制动续流状态图；
图3是同步整流技术制动充电状态图；
图4是再生制动控制模块设计流程图。
附图标记说明：1、左前轮轮毂电机；2、右前轮轮毂电机；3、左后轮轮毂电机；4、右后轮轮毂电机；5、左前轮轮毂电机驱动器；6、右前轮轮毂电机驱动器；7、左后轮轮毂电机驱动器；8、右后轮轮毂电机驱动器；9、超级电容；10、锂电池；11、双向DC/DC变换器；12、第一DC/DC变换器；13、第二DC/DC变换器；14、电池管理器；15、制动传感器；16、加速传感器；17、车速传感器；18、传感器信号处理器；19、车辆低能预警器；20、整车控制器；21、直流高压母线；22、CAN总线。
具体实施方式
如图1所示，一种煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统，包括右前轮轮毂电机1、左前轮轮毂电机2、左后轮轮毂电机3、右后轮轮毂电机4、超级电容9、锂电池10、直流高压母线21、CAN总线22，所述的右前轮轮毂电机1、左前轮轮毂电机2、左后轮轮毂电机3、右后轮轮毂电机4分别由对应的左前轮轮毂电机驱动器6、右前轮轮毂电机驱动器5、左后轮轮毂电机驱动器7、右后轮轮毂电机驱动器8电连接进行独立驱动；左前轮轮毂电机驱动器6、右前轮轮毂电机驱动器5、左后轮轮毂电机驱动器7、右后轮轮毂电机驱动器8与直流高压母线21电连接；并分别通过CAN总线22与整车控制器20接口电连接；超级电容9通过第一DC/DC变换器12与直流高压母线21电连接，锂电池10通过第二DC/DC变换器13与直流高压母线21电连接；第一DC/DC变换器12和第二DC/DC变换器13分别与CAN总线22接口电连接；超级电容9和锂电池10通过电池管理器14与CAN总线22接口电连接。
所述的左前轮轮毂电机驱动器6、右前轮轮毂电机驱动器5、左后轮轮毂电机驱动器7、右后轮轮毂电机驱动器8采用基于连续电流相位整流器技术的同步间隔再生制动控制模式以减小回路压降，实现对轮毂电机的高效驱动。
如图2、图3所示，以电机A相绕组和B相绕组导通制动为例，在0～2π/3为区间的续流阶段，调制导通T4同时导通T6，代替D6作为续流回路，电流回路为A相→T4→T6→B相绕组。在区间2π/3～4π/3和4π/3～2π为充电阶段，调制关断T4同时开启T1，代替D1作为充电回路，电流回路为A相绕组→T1→电源正极→电源负极→T6→B相绕组。采用本再生制动控制方法必须实时监测泵升电压，如果泵升电压高于直流母线电压，则在充电阶段可以调制导通T1，代替D1作为充电回路，以减小压降。如果泵升电压低于直流母线电压，则在充电阶段必须调制关断T1，利用二极管的单向导电性，截止电流反向，保证电磁转矩仍为制动性质。
所述的超级电容9通过双向DC/DC变换器11与锂电池10电连接，双向DC/DC变换器11可以根据超级电容9和锂电池10剩余的电量的多少，调节能量的传递方向。使两个能量源在煤矿井下不同功率需求的道路中能够充分进行能量调动和储存，在电动车启动、制动、加减速、上下坡、紧急刹车不同的操作过程中达到能量的高效利用，并且延长了锂电池的循环使用寿命，提高了煤矿井下电动车的续驶里程。超级电容9又叫双电层电容，属于公知技术。
如图1所示，整车控制器20通过CAN总线22与传感器信号处理器18电连接，传感器信号处理器18分别通过接口与制动传感器15、加速传感器16、车速传感器17电连接，整车控制器20通过传感器信号处理器18接收制动传感器15、加速传感器16、车速传感器17采集的信号。整车控制器20接有车辆低能预警器19。车辆低能预警器是用于检测车辆电池电能的，属于公知技术。
如图4所示，一种煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收方法,至少包括如下步骤：
步骤400,程序启动开始；
步骤401,检测传感器信号,
步骤402,通过制动传感器15检测制动踏板的角度信号，通过车速传感器17检测电动车的速度信号；
步骤403,当制动踏板有信号时，整车控制器20通过车速和制动踏板角度计算出电动车所需功率；
步骤404,判断电动车所需功率是否大于四个轮毂电机驱动功率,大于,由返回指令408使程序返回到步骤401；小于程序继续进入步骤414；
步骤414,判断超级电容9是否满荷；是,程序继续进入步骤415,否,程序继续进入步骤416；
步骤415,判断锂电池10是否满荷,是,程序返回到步骤401；否,程序到步骤416；
步骤416,由整车控制器20控制第一DC/DC变换器12向超级电容9充电，到充电结束,由返回指令408使程序返回到步骤401；
步骤405,当制动踏板没有信号时，通过加速传感器16检测加速踏板的角度信号，通过车速传感器17检测电动车的速度信号；
步骤406,整车控制器20通过步骤405得到的信号计算出电动车所需功率；
步骤407,判断电动车所需功率是否大于四个轮毂电机驱动功率,小于,程序到步骤412；大于,程序继续进入步骤409；
步骤412,判断超级电容9或锂电池10是否满荷？是,由返回指令408使程序返回到步骤401；否,程序继续进入步骤413；
步骤413,超级电容9和锂电池10之间进行能量调节,程序返回到步骤401。
步骤409,电动车所需功率是否小于锂电池最大功率输出值？是,进入步骤410,否,进入步骤411；
步骤410,由第二DC/DC变换器13调节锂电池10输出功率独立供电,程序返回到步骤401；
步骤411,由第二DC/DC变换器13和第一DC/DC变换器12调节锂电池10输出功率供电。
当能量回馈发生时，需要首先进行当前转速下最大制动转矩以及最小占空比数值的和。然后检测母线电压，判断电压时否高于蓄电池两端电压，如果高于超级电容或锂电池两端电压，则说明能量可以回馈到能量源，反之不能。
另外，为了保护系统更好运行，对转矩进行检测计算，如果当前转矩大于最大制动转矩，说明有外界的机械制动，则要把最大制动转矩赋予当前转矩，反之，是电气制动，进行模糊控制，输出占空比。如果此时的占空比大于最小占空比则可以输出PWM波，反之要将占空比置于0。
本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统，包括右前轮轮毂电机(1)、左前轮轮毂电机(2)、左后轮轮毂电机(3)、右后轮轮毂电机(4)、超级电容(9)、锂电池(10)、直流高压母线(21)、CAN总线(22)，所述的右前轮轮毂电机(1)、左前轮轮毂电机(2)、左后轮轮毂电机(3)、右后轮轮毂电机(4)分别由对应的左前轮轮毂电机驱动器(6)、右前轮轮毂电机驱动器(5)、左后轮轮毂电机驱动器(7)、右后轮轮毂电机驱动器(8)电连接进行独立驱动；左前轮轮毂电机驱动器(6)、右前轮轮毂电机驱动器(5)、左后轮轮毂电机驱动器(7)、右后轮轮毂电机驱动器(8)与直流高压母线(21)电连接；并分别通过CAN总线(22)与整车控制器(20)接口电连接；超级电容(9)通过第一DC/DC变换器(12)与直流高压母线(21)电连接，锂电池(10)通过第二DC/DC变换器(13)与直流高压母线(21)电连接；第一DC/DC变换器(12)和第二DC/DC变换器(13)分别与CAN总线(22)接口电连接；超级电容(9)和锂电池(10)通过电池管理器(14)与CAN总线(22)接口电连接。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统，其特征是：所述的超级电容(9)通过双向DC/DC变换器(11)与锂电池(10)电连接。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统，其特征是：所述的整车控制器(20)通过CAN总线(22)电连接有传感器信号处理器(18)，传感器信号处理器(18)分别通过接口与制动传感器(15)、加速传感器(16)、车速传感器(17)电连接，整车控制器(20)通过传感器信号处理器(18)接收制动传感器(15)、加速传感器(16)、车速传感器(17)采集的信号。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统，其特征是：所述的左前轮轮毂电机驱动器(6)、右前轮轮毂电机驱动器(5)、左后轮轮毂电机驱动器(7)、右后轮轮毂电机驱动器(8)采用基于连续电流相位整流器技术的同步间隔再生制动控制模式以减小回路压降，在0～2π/3为区间的续流阶段，调制导通T4同时导通T6，代替D6作为续流回路，电流回路为A相→T4→T6→B相绕组；在区间2π/3～4π/3和4π/3～2π为充电阶段，调制关断T4同时开启T1，代替D1作为充电回路，电流回路为A相绕组→T1→电源正极→电源负极→T6→B相绕组；如果泵升电压高于直流母线电压，则在充电阶段可以调制导通T1，代替D1作为充电回路，以减小压降；如果泵升电压低于直流母线电压，则在充电阶段必须调制关断T1，利用二极管的单向导电性，截止电流反向，保证电磁转矩仍为制动性质。
5.根据权利要求1所述的煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收系统，其特征是：所述的整车控制器(20)接有车辆低能预警器(19)。
6.煤矿井下四轮独立驱动电动车制动能量回收方法，其特征是：至少包括如下步骤：
步骤400,程序启动开始；
步骤401,检测传感器信号,
步骤402,通过制动传感器(15)检测制动踏板的角度信号，通过车速传感器(17)检测电动车的速度信号；
步骤403,当制动踏板有信号时，整车控制器(20)通过车速和制动踏板角度计算出电动车所需功率；
步骤404,判断电动车所需功率是否大于四个轮毂电机驱动功率,大于,由返回指令408使程序返回到步骤401；小于程序继续进入步骤414；
步骤414,判断超级电容(9)是否满荷；是,程序继续进入步骤415,否,程序继续进入步骤416；
步骤415,判断锂电池(10)是否满荷,是,程序返回到步骤401；否,程序到步骤416；
步骤416,由整车控制器(20)控制第一DC/DC变换器(12)向超级电容(9)充电，到充电结束,由返回指令408使程序返回到步骤401；
步骤405,当制动踏板没有信号时，通过加速传感器(16)检测加速踏板的角度信号，通过车速传感器(17)检测电动车的速度信号；
步骤406,整车控制器(20)通过步骤405得到的信号计算出电动车所需功率；
步骤407,判断电动车所需功率是否大于四个轮毂电机驱动功率,小于,程序到步骤412；大于,程序继续进入步骤409；
步骤412,判断超级电容(9)或锂电池(10)是否满荷？是,由返回指令408使程序返回到步骤401；否,程序继续进入步骤413；
步骤413,超级电容(9)和锂电池(10)之间进行能量调节,程序返回到步骤401。
步骤409,电动车所需功率是否小于锂电池最大功率输出值，是,进入步骤410,否,进入步骤411；
步骤410,由第二DC/DC变换器(13)调节锂电池(10)输出功率独立供电,程序返回到步骤401；
步骤411,由第二DC/DC变换器(13)和第一DC/DC变换器(12)调节锂电池(10)输出功率供。
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