CN109204669A - 充、放电控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充、放电控制系统，包括控制器、运动感应器、永磁电机、转速感应器和蓄电装置；所述运动感应器设于车体的传动装置上；所述永磁电机直接设于车体的驱动轮毂上，或通过传动装置连接车体的驱动轮毂；所述转速感应器设于永磁电机中或车体轮毂上，所述永磁电机的永磁铁上设有电磁线圈，该电磁线圈通电后具有与永磁铁磁场方向相反的磁场，所述电磁线圈上串联有控制其电流通断的MOS开关，所述控制器分别连接运动感应器、转速感应器、永磁电机、蓄电装置、电磁线圈和MOS开关。本发明的充、放电控制系统具有功耗低、发电效率高、可极大地提升骑行舒适度的优点。本发明还公开了一种充、放电控制系统的控制方法。

Description

充、放电控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及交通工具领域，特别是一种充、放电控制系统及其控制方法。

背景技术

在智慧城市和智能交通高速发展的当今社会，新能源汽车发展尤为突出，其中的能量利用率和充放电转换率是决定一个车续航多远的关键，以及刹车系统也是交通工具中不可缺少的重要组成结构之一，其稳定性和使用寿命是决定整个刹车系统优劣的核心条件。

在新能源交通工具高速发展的同时，一种高效率的能量转化系统和一种新型的电磁刹车应运而生，它是高度结合新能源的技术特点，利用电磁效应在高速状态下具有高效能的电磁转化方式，有效的将刹车产生的能量转化为电能，从而实现能量再利用的一种节能系统，另外这个新型刹车系统也实现了大幅度减小刹车系统的机械磨损，有效提高刹车性能和使用寿命，是新能源交通工具不可或缺的一部分。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种充、放电控制系统及其控制方法，其可用于油电混动车，人力电力混动单车，以及其它新能源交通工具，具有功耗低、发电效率高、可极大地提升骑行舒适度的优点。

本发明采用的技术方案是：

一种充、放电控制系统，包括控制器、运动感应器、永磁电机、转速感应器和蓄电装置；所述运动感应器设于车体的传动装置上；所述永磁电机直接设于车体的驱动轮毂上，或通过传动装置连接车体的驱动轮毂；所述转速感应器设于永磁电机中或车体的轮毂上，所述永磁电机的永磁铁上设有电磁线圈，该电磁线圈通电后具有与永磁铁磁场方向相反的磁场，所述电磁线圈上串联有控制其电流通断的MOS开关，所述控制器分别连接运动感应器、转速感应器、永磁电机、蓄电装置、电磁线圈和MOS开关。

优选地，所述控制器包括整流/逆变MOS管、电压升降元件和控制芯片。

优选地，所述永磁电机为无刷直流永磁电机。

优选地，所述运动感应器和转速感应器均为霍尔传感器。

优选地，所述蓄电装置为锂蓄电池或超级电容。

一种充、放电控制系统的控制方法，其特征在于，包括启动阶段控制方法、充电阶段控制方法和制动阶段控制方法；

其中，所述启动阶段控制方法包括如下步骤：

a10、检测车体的加速状态，根据感应到的加速需求大小调节输入永磁电机的电流大小，且电流大小与加速需求大小成正比，即检测到的加速需求越大，则输入永磁电机的电流越大；

所述充电阶段控制方法包括如下步骤：

b10、检测车体的转速，当转速达到或超过预设值时，关闭永磁电机的驱动电流输入，并启动永磁电机的发电模式进行发电，通过控制电磁线圈的电流强度来调节永磁电机总磁场的大小，来实现控制发电功率的大小；

所述制动阶段控制方法包括如下步骤：

c10、检测车体刹车器感应刹车力需求大小，根据感应的刹车力需求大小调节电磁线圈内的电流大小，调节永磁电机总磁场的大小来调节磁阻力，从而实现以电磁刹车为主、机械刹车为辅的协同制动，并有效的将刹车产生的能量转化为电能再利用。

本发明的有益效果是：

1、由控制器智能控制切换电力驱动模式和发电模式，通过齿轮和瞬时的电力将永磁电机驱动到高速状态，利用永磁电机的高速状态，实现高效率的电磁转化。

2、由控制器智能控制数据采集和计算，根据要求来提供电力驱动，最大化的节省能源，降低能量消耗，增加行驶总续航。

3、由控制器的MOS管来实现逆变或整流功能，不需要外接逆变或整流设备，降低了生产成本。

4、由一个永磁电机来实现电力驱动和发电两种模块，相比于双电机来分别实现两种模块，不仅大幅度地提高了其发电性能，还大幅度降低了能耗和生产成本。

5、由控制器通过电压升降元件智能控制充电时的电压略大于蓄电装置当前电压，将电磁阻力降低到最低，极大程度地优化了充电性能和行驶舒适度。

6、由控制器通过控制磁场大小来智能控制发电功率，极大程度地优化了发电效率和行驶舒适度。

7、对于自行车或助力自行车骑行来说，用电能解决了起步和上坡等困难骑行的路段，在电力助力的作用下使踏板的踏频趋于最佳踏频状态，提高了骑行舒适度的同时也让骑行者在克服电磁阻力发电，起到了锻炼身体的效果。

8、整套系统的设计，极大程度提高了发电性能、降低了能量损耗，同时生产成本低，行驶舒适度高，适合大规模的推广和应用。

9、通过电磁线圈的磁场调整永磁电机的总磁场强度，磁场强度可根据需求灵活调节，使提速更容易，发电效率更好；可在刹车时，根据刹车需求，增加永磁电机的磁阻力，实现以电磁刹车为主、机械刹车为辅的协同制动，并有效的将刹车产生的能量转化为电能再利用，减小机械磨损，增加刹车性能和使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中永磁电机与单车车轮的结构示意图；

图3为本发明实施例的电路原理示意图；

附图标记：10-车体，11-驱动轮毂，20-永磁电机，21-转速感应器，22-电磁线圈，23-MOS开关，30-运动感应器，40-控制器，50-蓄电装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1-3所示，一种充、放电控制系统，其可用于油电混动车，人力电力混动单车，以及其它新能源交通工具，具有功耗低、发电效率高、可极大地提升骑行舒适度的优点，本实施例主要以单车来举例说明，用于其他交通工具的原理类似，但不代表将本发明限定应用于单车上。该充、放电控制系统包括控制器40、运动感应器30、永磁电机20、转速感应器21和蓄电装置50；所述运动感应器30设于车体10的传动装置上，在本实施例中车体10可为单车，可设于单车的中轴与牙盘的连接处，且该运动感应器30可为扭力传感器、转速传感器、角速度传感器或加速度传感器等；所述永磁电机20直接设于车体10的驱动轮毂11上，或通过传动装置连接车体10的驱动轮毂11，永磁电机20可直接带动驱动轮毂11或间接带动驱动轮毂11；所述控制器40和蓄电装置50可设于车体10内，如设在车体10的管件内；所述转速感应器21设于永磁电机20中或车体10的轮毂上，如车体10为单车，则转速感应器21可设于驱动轮毂11 或从动轮毂的转轴上；所述永磁电机20的永磁铁上设有电磁线圈22，该电磁线圈22通电后具有与永磁铁磁场方向相反的磁场，所述电磁线圈22上串联有控制其电流通断的MOS开关23，所述控制器40分别连接运动感应器30、转速感应器21、永磁电机20、蓄电装置50、电磁线圈22和MOS开关23。

当骑行启动阶段时，通过脚蹬、曲柄进行人力输入，依次带动中轴、牙盘，运动感应器检测到牙盘转动表示有人力输入，并将感应的信号发送给控制器，控制器接收到运动感应器的信号后，控制器可直接得出或通过计算得出车体的加速状态(这属于本领域的现有技术，在此不做过多赘述)。控制器根据加速需求大小调节输入永磁电机的电流大小，且电流大小与加速需求大小成正比，即检测到的加速需求越大，则输入永磁电机的电流越大。

当启动阶段结束后，根据转速感应器获取到的轮毂转速，由该转速计算当前的单车行驶速度，最后根据当前的单车行驶速度来判断永磁电机是进行电力驱动模式还是进入发电模式；当非骑行状态或者无人力输入时，运动感应器无感应信号，控制器也不会启动永磁电机的电力驱动模式。

控制器判断永磁电机是进行电力驱动模式还是进入发电模式的情况如下：

1、当控制器获取人力输入的感应信号并且转速感应器检测到单车的行驶速度小于最佳速度v₀(最佳速度也是最舒适的速度，让骑行者既不踏空、也不费劲)时，控制器启动永磁电机的电力驱动模式，否则不启动永磁电机的电力驱动模式；

2、当控制器获取人力输入的感应信号并且转速感应器检测到单车的行驶速度大于等于最佳速度v₀时，控制器停止永磁电机的电力驱动模式，启动永磁电机的发电模式(发电模式是靠人力来驱动同时给永磁电机做功发电)；

3、当控制器没有获取到人力输入的感应信号并且转速感应器检测到单车的行驶速度小于最佳速度v₀时，控制器控制永磁电机待机；

4、当控制器没有获取到人力输入的感应信号并且转速感应器检测到单车的行驶速度大于等于速度v₀时，即表示单车处于滑行状态，控制器控制启动永磁电机的发电模式。

在控制器中预设有一个最佳速度v₀，在骑行一段时间后，控制器会计算骑行的平均速度v，并用平均速度v的值替换最佳速度v₀的值，且平均速度v会持续刷新。

当单车骑行速度小于v₀或者永磁电机正处于电力驱动模式时，不启动永磁电机的发电模式。

显然，判断单车的行驶速度与v₀之间的关系，也可以通过单车的轮毂的转速(即转速感应器检测到的轮毂的转速)与最佳速度v₀对应的轮毂转速之间的关系得出，当轮毂的转速大于等于最佳速度v₀对应的轮毂转速，即表示单车的行驶速度大于等于最佳速度v₀；当轮毂的转速小于最佳速度v₀对应的轮毂转速，即表示单车的行驶速度小于最佳速度v₀。

当单车刚刚起步，或者遇到困难骑行路段时，比如向上倾斜的路面、陡坡、上桥，此时的骑行速度小于最佳速度v₀，控制器控制永磁电机进行电力驱动，让永磁电机驱动单车在极短的时间内达到最佳速度v₀，当单车速度达到最佳速度v₀后，便停止电力驱动，切换进入发电模式，此时依靠人力来长时间做功维持骑行速度并提供动能给永磁电机发电，同时起到了锻炼的效果。

假设，单车的质量为M，重力加速度为g，单车电力驱动助力达到最佳速度 v₀的时间为t，进入发电模式的单车平均行驶速度为V，行驶时间为T，那么电力驱动助力的能耗e＝fl＝Mg*v₀t/2，发电的电能E＝FL＝Mg*VT*r(r为发电效率)，因为V≥v₀，而为了使发电得到的电能大于电力助力的能耗，即E>e，则必须满足rT>t/2。实际中单车由电力驱动助力达到最佳速度v₀所需要的时间t非常短，大约为2-3秒，而维持速度V的时间T根据骑行情况(路况)而定，通常时间T 约为1-5分钟，是远远大于t的。

从公式e＝fl＝Mg*v₀t/2和公式E＝FL＝Mg*VT*r可以看出，当T＝t时，发电效率r只要高于50％就能满足充放电的电能平衡需求，在T远远大于t的情况下，发电效率r即使是远远低于50％也是能满足发电需求的，而实际情况下永磁电机的发电效率r可高达75％-80％。

因此，骑行发电可以弥补驱动消耗的电能，以实现免充电骑行。

在其中一个实施例中，所述控制器40包括整流/逆变MOS管、电压升降元件和控制芯片。

当启动电力驱动的时候，直流电流从蓄电装置中流出，经过控制器的逆变 MOS管将直流电逆变成交流电供给永磁电机进行电力驱动；反之，当启动发电模式的时候，交流电流从永磁电机中流出，经过控制器的整流MOS管将交流电整流成直流电供给蓄电装置蓄电。

由控制器的MOS管实现逆变或整流功能，不需要外接逆变或整流设备，降低了生产成本，而电压升降元件用于将电压适配至适合永磁电机或蓄电装置的电压范围，控制芯片用于处理所需数据计算以及逻辑计算。

在另外一实施例中，所述永磁电机20为无刷直流永磁电机。

采用无刷直流永磁电机，并通过控制器分别智能调节相位转换从而控制发电功率(无刷直流永磁电机的相位控制对于本领域的技术人员来说，属于现有技术，在此不做过多赘述)，相比常规的发电机发电来说，同样的功率输入，发电效率更高，即发电功率相同的情况下，所需要的输入功率降低，达到了能降低电磁阻力的效果，使得骑行负载轻、舒适感好。

在另外一实施例中，所述运动感应器30和转速感应器21均为霍尔传感器。

霍尔式传感器，是利用霍尔效应的原理制成的，利用霍尔效应使位移带动霍尔元件在磁场中运动产生霍尔电热，即把位移信号转换成电热变化信号的传感器。该传感器具有体积小，结构简单，无触点，启动力矩小等特点，使用寿命长，可靠性高，频率特性好，并可进行连续测量，因此，非常适合用于本发明中，用来获取脚蹬、曲柄是否有带动牙盘进行人力输入以及永磁电机的转速等参数。

在另外一实施例中，所述蓄电装置50为锂蓄电池或超级电容。

在上述实施例中，通过电磁线圈的磁场消减永磁电机的磁场强度，磁场强度可根据需求灵活调节，可在骑行时减小磁场阻力，增加骑行舒适度，使提速更容易，发电效率更好；可在刹车时，根据刹车力矩需求，减小电磁线圈的磁场，恢复磁场强度，辅助刹车。电磁线圈的磁场大小由流经的电流大小调节，而该电流大小可通过控制器控制MOS开关来调节。

一种如以上实施例中所述的充、放电控制系统的控制方法，包括启动阶段控制方法、充电阶段控制方法和制动阶段控制方法；

其中，所述启动阶段控制方法包括如下步骤：

a10、检测车体的加速状态，根据感应到的加速需求大小调节输入永磁电机的电流大小，且电流大小与加速需求大小成正比，即检测到的加速需求越大，则输入永磁电机的电流越大；

所述充电阶段控制方法包括如下步骤：

b10、检测车体的转速，当转速达到或超过预设值时，关闭永磁电机的驱动电流输入，并启动永磁电机的发电模式进行发电，通过控制电磁线圈的电流强度来调节永磁电机总磁场的大小，来实现控制发电功率的大小；

所述制动阶段控制方法包括如下步骤：

c10、检测车体刹车器感应刹车力需求大小，根据感应的刹车力需求大小调节电磁线圈内的电流大小，调节永磁电机总磁场的大小来调节磁阻力，从而实现以电磁刹车为主、机械刹车为辅的协同制动，并有效的将刹车产生的能量转化为电能再利用。

启动阶段即永磁电机处于电力驱动模式的阶段，一般在单车骑行的初始阶段，此时单车处于加速阶段。传统的电力单车，在电机处于电力驱动模式时，从单车低速起动一直到单车趋于最佳速度(即步骤b10中的转速预设值对应的车速)，永磁电机均保持较大的电流输入，即传统的电力单车，以电力驱动为主，而人力驱动为辅，过度地弱化了人力，使人力、电力混合动力单车成为噱头，且由于在电力驱动模式的阶段，电机长期处于大电流模式，其能耗高，永磁电机耗损大、寿命短。

本发明通过优化在电力驱动模式阶段下的永磁电机的电流输入曲线，只在初始阶段极短的时间内输入大电流，以使起行更顺畅众所周知，单车只在开始骑行加速的短时间内很吃力，一旦单车具有一定的初始速度后，人力驱动就会轻松很多，本发明仅在初始加速的极短时间内通过电力驱动助力，而后主要靠人力驱动为主，电力驱动为辅，使人力、电力混合动力单车不在只是噱头，且更节能，使永磁电机耗损小、寿命长。

充电阶段即永磁电机处发电模式的阶段，一般电力单车在达到最佳速度(即步骤b10中的转速预设值对应的车速)后，会启动电机的发电模式，将人力驱动的部分能量转化成电能。然而，传统电力单车电机的自带磁场较强且不可调，使得在发电时，单车的轮毂转轴所受磁阻力较大，骑行者很难加速到最佳速度，且维持在最佳速度也比较吃力，在这种情况下，电机的发电效率很显然很低。

本发明通过电磁线圈可调节磁场大小，改变电磁线圈内的电流大小即可改变电磁线圈的磁场大小，其磁场方向与永磁电机的永磁体磁场方向相反，当电磁线圈内电流越大，则总的磁场越小，当电磁线圈内的电流越小，则总的磁场越大。本发明通过在发电模式阶段时，对电磁线圈通电，减小总的磁场对轮毂转轴的磁阻力，使得骑行者加速到最佳速度及维持在最佳速度都较轻松，永磁电机的发电效率明显提升。

在刹车制动阶段，可通过检测手刹杆、握把手刹或踏板刹车等部位感应刹车力需求大小，如在单车握把手刹上安装压力传感器，检测单车握把手刹的所受压力大小，压力越大表明骑行者所需的刹车力越大，则减小输入电磁线圈的电流，使总磁场变大，提供较大的磁阻力辅助刹车；反之，压力越小表明骑行者所需的刹车力越小，则增大输入电磁线圈的电流，使总磁场变小，提供较小的磁阻力辅助刹车。

单车为人力通过传动装置(如中轴、牙盘、链条)驱动以及电机驱动，类似的飞机、装甲车、坦克、轮船、高铁、火车等都可以归纳为发动机驱动以及电机驱动。本发明应用于单车时，是将部分人力转化为电力存储，从而在启动阶段提供助力；及正常骑行阶段，根据骑行速度决定是助力还是发电或者待机，在刹车阶段提供主要的刹车力。当类比的应用于飞机、装甲车、坦克、轮船、高铁、火车等交通工具时，是将部分驱动的能源(如汽油、柴油)转化为电力存储，从而在启动阶段提供助力；及正常行驶阶段，根据行驶速度决定是助力还是发电或者待机，在刹车阶段提供主要的刹车力。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种充、放电控制系统，其特征在于，包括控制器、运动感应器、永磁电机、转速感应器和蓄电装置；所述运动感应器设于车体的传动装置上；所述永磁电机直接设于车体的驱动轮毂上，或通过传动装置连接车体的驱动轮毂；所述转速感应器设于永磁电机中或车体的轮毂上，所述永磁电机的永磁铁上设有电磁线圈，该电磁线圈通电后具有与永磁铁磁场方向相反的磁场，所述电磁线圈上串联有控制其电流通断的MOS开关，所述控制器分别连接运动感应器、转速感应器、永磁电机、蓄电装置、电磁线圈和MOS开关。

2.根据权利要求1所述的充、放电控制系统，其特征在于，所述控制器包括整流/逆变MOS管、电压升降元件和控制芯片。

3.根据权利要求1所述的充、放电控制系统，其特征在于，所述永磁电机为无刷直流永磁电机。

4.根据权利要求1所述的充、放电控制系统，其特征在于，所述运动感应器和转速感应器均为霍尔传感器。

5.根据权利要求1所述的充、放电控制系统，其特征在于，所述蓄电装置为锂蓄电池或超级电容。

6.一种如权利要求1所述的充、放电控制系统的控制方法，其特征在于，包括启动阶段控制方法、充电阶段控制方法和制动阶段控制方法；

其中，所述启动阶段控制方法包括如下步骤：

a10、检测车体的加速状态，根据感应到的加速需求大小调节输入永磁电机的电流大小，且电流大小与加速需求大小成正比，即检测到的加速需求越大，则输入永磁电机的电流越大；

所述充电阶段控制方法包括如下步骤：

b10、检测车体的转速，当转速达到或超过预设值时，关闭永磁电机的驱动电流输入，并启动永磁电机的发电模式进行发电，通过控制电磁线圈的电流强度来调节永磁电机总磁场的大小，来实现控制发电功率的大小；

所述制动阶段控制方法包括如下步骤：

c10、检测车体刹车器感应刹车力需求大小，根据感应的刹车力需求大小调节电磁线圈内的电流大小，调节永磁电机总磁场的大小来调节磁阻力，从而实现以电磁刹车为主、机械刹车为辅的协同制动，并有效的将刹车产生的能量转化为电能再利用。