CN106740223A - 一种电动汽车用双向电能驱动系统 - Google Patents

一种电动汽车用双向电能驱动系统 Download PDF

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Abstract

一种电动汽车用双向电能驱动系统，包括开关磁通电机、模式控制继电器、整流滤波模块、CUK斩波模块、三相H桥驱动模块、逻辑控制单元和编码器。模式控制继电器根据不同的行车状态切换工作模式，当起动或正常形式时，三相H桥驱动模块工作，通过逻辑控制单元提供的控制信号，将车载蓄电池中的48V直流电转换为驱动开关磁通电机的交流电驱动电动汽车；当刹车或减速时，模式控制继电器切换为整流滤波模块工作，将开关磁通电机倒拖产生的交流电压变换为某个电压的直流电，再通过CUK斩波模块转换为固定48V电压的直流点用来为车载蓄电池充电。本发明能够根据汽车具体的工况实现电动汽车高效、节能运行，从而有效增加电动汽车的续驶里程。

Description

一种电动汽车用双向电能驱动系统
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种电动汽车用双向电能驱动系统。
背景技术
根据中国社科院发布的《中国汽车社会发展报告2012-2013》披露，我国2012年末全国民用汽车保有量达到12089万辆，未来10年左右每百户汽车拥有量将达到或接近60辆，汽车总保有量将超过2亿辆。巨大的汽车保有量将使得城市交通拥堵从大城市向中小城市蔓延，在城市工况下，汽车需要频繁的起停，发动机经常处于怠速运行状态。研究表明，发动机怠速运行时的能量利用率仅为正常运行时的10%左右，造成能源的大量浪费；同时CO、微粒等污染物排放急剧升高，这将使得城市环境污染加剧。由于这些问题，人们对于汽车的节能和环保要求不断提高。
电动汽车技术（Electric Vehicle）是近些年来发展起来的一类新型环保汽车，它采用驱动电机来替换汽车原来的内燃机，实现汽车在运行过程中无排放。电动汽车是未来汽车工业的发展方向，它的出现，为解决城市空气污染提供了可能，引起了国内外众多学者的研究兴趣。但是，目前电动汽车还不能很好的满足消费者的需求，主要原因是续驶里程低的问题还未能很好的突破，电动汽车续驶里程要远小于传统汽车，这是许多消费者没办法接受的。电池比容量和驱动电机性能是解决这个问题的两个重要方向。近几年，在电动汽车的电池和驱动电机方面的研究非常活跃，也取得了巨大的进步。然而，对于电池和驱动电机之间的电能传递系统却很少被研究，现有的电能传递系统大多单向的将电能从电池输送向驱动电机和车载用电器，这种造成了电能的浪费，并不是电动汽车上最优的配置方案。
发明内容
为了克服现有驱动系统中的缺点，本发明的目的在于提供一种电动汽车用双向电能驱动系统，基于开关磁通型驱动电机实现电动汽车上电能的双向输送，提高电动汽车的能量利用率，从而提高电动汽车的续驶里程。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种电动汽车用双向电能驱动系统，包括开关磁通电机、模式控制继电器、整流滤波模块、CUK斩波模块、三相H桥驱动模块、逻辑控制单元和编码器，其中开关磁通电机通过多根电缆与模式控制继电器连接，同时开关磁通电机与编码器机械耦合用以提供转速信号；所述模式控制继电器一部分通道与整流滤波模块连接，另一部分通道与三相H桥驱动模块连接；整流滤波模块的输出部分与CUK斩波模块连接，CUK斩波模块的输出为48V直流电，作为整个电源系统的输出连接蓄电池对其进行充电；三相H桥驱动模块的输入端连接蓄电池，接收蓄电池放电的48V直流电，输出端与模式控制继电器连接，同时，三相H桥驱动模块通过弱电信号与逻辑控制单元连接；逻辑控制单元通过弱电信号与编码器连接，另一方面逻辑控制单元与三相H桥驱动模块连接，获得三相电压传感信号ua，ub，uc和三相电流传感信号ia，ib，ic。
所述的开关磁通电机是一类特种电动机，当线圈中通以合适的激励电流时，其能够向外输出机械转矩；当通过外部转矩拖动电机输出轴时，它的线圈中能够产生三相的类正弦输出电压。
所述的模式控制继电器是一系列数字控制继电器的集合，其主要有两种工作模式，分别对应不同的电路连接，第一种模式为发电模式，模式控制继电器的右侧部分电路接通，左侧部分电路断开，使得开关磁通电机的三相线圈一侧星型连接，另一侧与整流滤波模块连接；第二种模式为驱动模式，模式控制继电器的右侧部分电路断开，左侧部分电路接通，使得开关磁通电机的三相线圈与三相H桥驱动模块的输出相连，模式控制继电器可通过数字信号进行控制，适时的在两种工作模式之间切换。
所述整流滤波模块包含六个整流二极管和一个滤波电容，其原理与普通整流滤波电路相同。
所述CUK斩波模块包括三极管VT 、二极管VD 、输出电阻R 、二级电感l2 、电容C和一级电感l1，它可以通过调节占空比信号α来实现将不同的直流电压输入转换为固定的48V直流电压输出。
所述的三相H桥驱动模块包含A、B、C三相独立的H桥驱动电路，以A相电路为例，包含滤波电容C、功率三极管VT2、三极管控制信号线、二极管VD2、功率三极管VT4、二极管VD4、二极管VD3、功率三极管VT3、二极管VD1 和功率三极管VT1，B相驱动电路和C相驱动电路与A相电路完全相同。三相H桥驱动模块的功能是通过控制信号的调节，实现将48V直流电压变换为驱动开关磁通电机所需要的交流电压。
所述的逻辑控制单元通常是一个数字处理芯片系统，它可以是基于DSP芯片的系统，也可以是基于ARM芯片的系统，包含了一系列的算法程序、信号采集传感器和输入输出端口。逻辑控制单元接收电动汽车中央电脑提供的转速信号，并通过一系列算法来处理编码器输出信号、三相电压传感信号和三相电流传感信号，从而为三相H桥驱动模块提供三相控制信号。
本发明涉及的一种电动汽车用双向电能驱动系统，具有如下有益效果：基于模式控制继电器实现在电动汽车上电能的双向输送。当汽车正常行驶或加速时，模式控制继电器通过适当的切换，再通过相应的变换模块，将电能从电池输送给驱动电机；当汽车减速或下坡时，再经过相应的切换，使得开关磁通电机处于倒拖发电状态，经过适当的变换后，从而将汽车动能转换成电能反向输送给电池。电能的双向流动是通过适时的切换工作模块实现的，因此现有成熟的电力电子器件无需重新设计便可以在本系统上应用，降低了系统应用的成本。通过搭载双向电能驱动系统，可以使得电动汽车的能量利用率大大提升，从而显著提高电动汽车的续驶里程。
附图说明
图1是本发明的整体结构原理示意图；
图2是本发明模式控制继电器的结构原理示意图；
图3是本发明CUK斩波模块的结构原理示意图；
图4是本发明三相H桥驱动模块的结构原理示意图；
图5是本发明逻辑控制单元的算法结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明作详细阐释。
参照图1，一种电动汽车用双向电能驱动系统，包括开关磁通电机1、模式控制继电器2、整流滤波模块3、CUK斩波模块4、三相H桥驱动模块5、逻辑控制单元6和编码器7。其中开关磁通电机1通过多根电缆与模式控制继电器2连接，同时开关磁通电机1与编码器7机械耦合用以提供转速信号；模式控制继电器2一部分通道与整流滤波模块3连接，另一部分通道与三相H桥驱动模块5连接；整流滤波模块3的输出部分与CUK斩波模块4连接，CUK斩波模块4的输出为48V直流电，作为整个电源系统的输出连接蓄电池对其进行充电；三相H桥驱动模块5的输入端连接蓄电池，接收蓄电池放电的48V直流电，输出端与模式控制继电器2连接，同时，三相H桥驱动模块5通过弱电信号与逻辑控制单元6连接；逻辑控制单元6通过弱电信号与编码器7连接，另一方面逻辑控制单元6与三相H桥驱动模块5连接，获得三相电压传感信号ua，ub，uc和三相电流传感信号ia，ib，ic。
所述的开关磁通电机1是一类特种电动机，其结构和原理与相关电机学书籍中相同，当它的线圈中通以合适的激励电流时，它能够向外输出机械转矩；当通过外部转矩拖动电机输出轴时，它的线圈中能够产生类正弦电压。
参照图2，所述的模式控制继电器2是一系列数字控制继电器的集合，主要包含右侧继电器2-1，右侧电路2-2，左侧电路2-3，左侧继电器2-4，其主要有两种工作模式，分别对应不同的电路连接。第一种模式为发电模式，模式控制继电器2的右侧继电器2-1上电，继而右侧电路2-2接通，左侧电路2-3断开，使得开关磁通电机1的三相线圈一侧星型连接，另一侧与整流滤波模块3连接；第二种模式为驱动模式，模式控制继电器2的右侧电路2-2断开，左侧继电器2-4上电，继而左侧电路2-3接通，使得开关磁通电机1的三相线圈与三相H桥驱动模块5的输出相连。
所述的整流滤波模块3包含六个整流二极管和一个滤波电容，其原理与普通整流滤波电路相同。
参照图3，所述的CUK斩波模块4包括三极管VT 4-1、二极管VD 4-2、输出电阻R 4-3、二级电感l2 4-4、电容C 4-5和一级电感l1 4-6。它可以通过调节占空比信号α来实现将不同的直流电压输入转换为固定的48V直流电压输出。
参照图4，所述的三相H桥驱动模块5包含A、B、C三相独立的H桥驱动电路，以A相电路为例，包含滤波电容C 5-1、功率三极管VT2 5-2、三极管控制信号线5-3、二极管VD2 5-4、功率三极管VT4 5-5、二极管VD4 5-6、二极管VD3 5-9、功率三极管VT3 5-10、二极管VD1 5-11和功率三极管VT1 5-12。B相驱动电路5-7和C相驱动电路5-8与A相电路完全相同。三相H桥驱动模块5的功能是通过控制信号的调节，实现将48V直流电压变换为驱动开关磁通电机1所需要的交流电压。
参照图5，所述的逻辑控制单元6通常是一个数字处理芯片系统，它可以是基于DSP芯片的系统，也可以是基于ARM芯片的系统，包含了一系列的算法程序、信号采集传感器和输入输出端口。它接收电动汽车中央电脑提供的转速信号，并通过一系列算法来处理编码器7输出信号、三相电压传感信号和三相电流传感信号，从而为三相H桥驱动模块5提供三相控制信号。
本发明的工作原理为：
参照图1，一种电动汽车用双向电能驱动系统，可以根据电动汽车行车的需要，实现电能的双向流动。当电动汽车起动或正常行驶时，模式控制继电器2收到电动汽车中央电脑的指令，切换为左侧部分电路导通，右侧部分电路断开，此时三相H桥驱动模块5在逻辑控制单元6提供的控制信号下将车载蓄电池的48V直流电转换为驱动开关磁通电机1的交流电，从而使开关磁通电机1驱动汽车行驶。当电动汽车刹车或减速时，模式控制继电器2收到电动汽车中央电脑指令，切换为左侧部分电路断开，右侧部分电路导通，此时开关磁通电机1工作在倒拖发电状态，所产生的交流电通过整流滤波模块3转换为某个电压的直流电，再经过CUK斩波模块4变换为固定48V电压的直流电用来给车载蓄电池充电。通过上述适时的切换工作模式，本系统可以实现电动汽车的高效、节能运行，使得电动汽车具备更长的续驶里程。

Claims (5)

1.一种电动汽车用双向电能驱动系统，包括开关磁通电机（1）、模式控制继电器（2）、整流滤波模块（3）、CUK斩波模块（4）、三相H桥驱动模块（5）、逻辑控制单元（6）和编码器（7），其中开关磁通电机（1）通过多根电缆与模式控制继电器（2）连接，同时开关磁通电机（1）与编码器（7）机械耦合用以提供转速信号；模式控制继电器（2）一部分通道与整流滤波模块（3）连接，另一部分通道与三相H桥驱动模块（5）连接；整流滤波模块（3）的输出部分与CUK斩波模块（4）连接，CUK斩波模块（4）的输出为48V直流电，作为整个系统电源连接蓄电池对其进行充电；三相H桥驱动模块（5）的输入端连接蓄电池，将其放电的48V直流电作为输入，三相H桥驱动模块（5）输出端与模式控制继电器（2）连接，同时，三相H桥驱动模块（5）通过弱电信号与逻辑控制单元（6）连接；逻辑控制单元（6）通过弱电信号与编码器（7）连接，另一方面逻辑控制单元（6）与三相H桥驱动模块（5）连接，获得三相电压传感信号和三相电流传感信号。
2.根据权利要求1所述的电动汽车用双向电能驱动系统，其特征在于：所述的模式控制继电器有发电模式和驱动模式两种工作模式，其中发电模式对应的控制电路为右侧电路接通，左侧电路断开，使得开关磁通电机的三相线圈一侧星型连接，另一侧与整流滤波模块连接；驱动模式对应的电路为右侧电路断开，左侧电路接通，使得开关磁通电机的三相线圈与三相H桥驱动模块的输出相连。
3. 根据权利要求1所述的电动汽车用双向电能驱动系统，其特征在于：所述CUK斩波模块包括三极管VT 、二极管VD 、输出电阻R 、二级电感l2 、电容C 和一级电感l1，通过调节占空比信号α实现将不同的直流电压输入转换为固定的48V直流电压输出。
4. 根据权利要求1所述的电动汽车用双向电能驱动系统，其特征在于：所述的三相H桥驱动模块包含A、B、C三相独立的H桥驱动电路，所述A相电路包含滤波电容C、功率三极管VT2、三极管控制信号线、二极管VD2、功率三极管VT4、二极管VD4、二极管VD3、功率三极管VT3、二极管VD1 和功率三极管VT1，所述B相驱动电路和C相驱动电路与A相电路完全相同。
5.根据权利要求1所述的电动汽车用双向电能驱动系统，其特征在于：所述的逻辑控制单元是一个数字处理芯片系统，接收电动汽车中央电脑提供的转速信号，并通过一系列算法处理编码器输出信号、三相电压传感信号和三相电流传感信号，从而为三相H桥驱动模块提供三相控制信号。
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