CN110171298A - 盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，包括铅酸电池模组、超级电容模组、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、PWM驱动隔离电路、电源电路、电瓶车运行控制器及与其连接的信号调理电路、环温传感器、GPS模块、三轴加速度传感器、触摸显示屏、时钟与复位电路、CAN接口。本发明的有益效果在于：所述铅酸电池与超级电容混合动力控制系统在盾构电瓶车启动、加速、爬坡和遇到行驶阻力较大时能够快速地提供大功率电流，提高盾构电瓶车的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，提高铅酸电池模组的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及盾构电瓶车混合动力控制系统的技术领域，尤其涉及一种盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统。
背景技术
我国隧道工程建设历史悠久，随着各项建设事业的发展，修建了大量的隧道工程，施工技术和设备也有了很大提高。目前我国隧道工程施工中已较普遍的采用了掘进机施工，暗挖时采用的盾构法具有较高的技术水平。我国拥有的铁路隧道数量已超过4000Km，居世界第一位。随着我国公路建设的发展，特别是高等级公路在我国的兴起，我国公路隧道在数量与规模上有很大发展，修建设备、特别是在克服复杂环境条件的能力上，有很大提高。20世纪后半期隧道修建技术与现代化新设备的发展，为今后我国修建长大隧道及克服各种困难条件的隧道工程奠定了基础。
目前，国内隧道工程盾构施工配套运输车的编组一般是由1个电瓶车连挂6个按需组合的功能车辆（主要功能车辆有：渣土车、管片车、砂浆车、膨润土车等），盾构电瓶车是盾构施工配套运输车的一种牵引设备，动力是利用牵引电机驱动车轮转动，借助车轮与轨面间的摩擦力，使盾构电瓶车在轨道上运行；这种运行方式，它的牵引力不仅受牵引电机功率的限制，还受车轮与轨面间的摩擦制约；盾构电瓶车运输能行驶的坡度有限制，运输轨道坡度一般为3‰，局部坡度不能超过30‰。现有的盾构电瓶车大都采用传统铅酸电池组作为能源，铅酸电池是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的一种蓄电池；放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸电池的比功率200~400 w/kg、比能量35~40 wh/kg、循环寿命350~600次，其主要优点是廉价、可靠性高、功率密度大，缺点是比能量低、充电时间长、使用寿命短、日常维护频繁和废旧电池化学污染等；从而制约了盾构施工配套运输车的运载能力、工作效率。盾构电瓶车是隧道工程施工中常用的一种牵引设备，具有牵引力大、速度高、运载能力强等特点。盾构电瓶车一般在盾构机位置附近的固定线路上（一般在5公里以内）往复运行，处于频繁加速、爬坡、减速、下坡和持续大负荷运行工况下，瞬时峰值电流较大，频繁的大电流放电，利用铅酸电池供电会严重影响蓄电池的能效及寿命，不利于盾构电瓶车动力性能的实现；同时在盾构电瓶车制动、下坡及行驶阻力突然减小时，牵引电机的再生制动产生的瞬间充电电流很大，会对电池寿命产生伤害，如果此部分回收的能量不能充分存储，又将会造成了巨大的浪费。超级电容在结构上与普通电解电容非常相似，属于双电层电容器。超级电容采用活性炭多孔电极和电解质组成了双电层结构，加上极小的电极间隙，可以获得超大的容量，其充放电过程为物理过程而非化学反应过程；因此，超级电容具备超级储电能力，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源、绿色环保等特点。超级电容兼有普通电容器的大电流快速充放电特性和电池的储能特性，较好地解决了普通电容器与电池之间的比能量、比功率差异问题，是一种新型绿色储能装置。超级电容非常适用于拖拉机复杂工况下瞬间功率大、频繁充放电的场合，在盾构电瓶车上采用基于铅酸电池与超级电容的混合动力电源，符合国家产业倡导发展的新能源范畴，也是盾构电瓶车新能源供电应用技术的发展方向。
常规盾构电瓶车通过铅酸蓄电池供电装备来实现连续供电，这种供电形式广泛应用于目前盾构施工中牵引运输，并且每台盾构电瓶车还需要备用一组铅酸蓄电池，以便盾构电瓶车随时进行更换，保证盾构施工过程的连续性。盾构电瓶车需要在固定点（一般设计在盾构施工竖井处）补充能量，补充能量的时间不超过盾构施工流水线施工节拍点空当时间（一般在30分钟以内）；这就需要寻找一种蓄能装置能够进行大功率的充放电，利用某一点对蓄能装置充电而在其他的时间可以自由的行驶，超级电容的出现为实现这种对盾构电瓶车的技术升级提供了可能，超级电容具有比功率高的特性，可实现大电流的充放电，因此可以用有限制的时间补充足够的能量，保证盾构施工配套运输车行驶一定的距离；这种储能装置与蓄电池相比最大的特点就是它能够在很短的时间内补充能量，因而省去了蓄电池需要长时间补充能量的问题。但超级电容也有能量密度较小、无法大量的存储能量，以及存在发热和单体均衡等缺点，故单独使用受到一定限制；综合超级电容与铅酸电池的优点和缺点，采用基于超级电容和蓄电池组合的动力电源可以充分发挥盾构电瓶车各动力原件的优点，对改善盾构施工配套运输车的动力性能、节能、提升运载能力和工作效率具有重要意义。
发明内容
针对盾构电瓶车在复杂多变的行驶工况中动力匹配不佳、铅酸电池频繁瞬时峰值大电流充放电而严重影响其能效及寿命的问题，本发明公开了一种盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，包括铅酸电池模组、超级电容模组、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、PWM驱动隔离电路、电源电路、电瓶车运行控制器及与其连接的信号调理电路、环温传感器、GPS模块、三轴加速度传感器、触摸显示屏、时钟与复位电路、CAN接口；其中，铅酸电池模组的+端经二极管D1后连接到直流母线DC_BUS的DC+，-端直接连接到直流母线DC_BUS的DC-，超级电容模组经双向DC/DC变换器连接直流母线DC_BUS，直流母线DC_BUS连接至用于在盾构附近经充电桩为超级电容模组补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构电瓶车牵引电机，电源电路直接从直流母线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电瓶车运行控制器及其外围电路供电，PWM驱动隔离电路用于将电瓶车运行控制器输出的PWM信号转换为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器所需的控制信号；电瓶车运行控制器经CAN接口、CAN总线连接至铅酸电池模组内的铅酸电池BMS_CPU、超级电容模组内的超级电容BMS_CPU、超级电容充电接口，时钟与复位电路提供电瓶车运行控制器工作所需的时钟与复位信号，触摸显示屏用于系统参数设置、盾构电瓶车运行时的司机操控和实时工作状态显示，三轴加速度传感器监测盾构电瓶车的运动姿态，GPS模块监测盾构电瓶车的运行位置，环温传感器监测盾构电瓶车的工作环境温度，信号调理电路用于调理盾构电瓶车牵引电机的实时电压、电流、转速信号和双向DC/DC变换器的输出电压、电流信号；电瓶车运行控制器根据司机给定的运行指标要求，通过信号调理电路采集牵引电机的电压、电流、转速信号和双向DC/DC变换器的输出电压、电流信号，通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动隔离电路输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；盾构电瓶车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由铅酸电池模组、超级电容模组同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由铅酸电池模组单独为牵引电机提供动力；在盾构电瓶车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力；盾构电瓶车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过触摸显示屏向司机预警。
在本发明中，超级电容模组包括超级电容BMS_CPU模块，提供超级电容BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给内部电路供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电容电压检测与均衡模块，由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成的超级电容组，设置每个单体超级电容的外壳上用于监测其工作温度的M个温度传感器，设置在超级电容模组的-端与单体超级电容M的负极之间用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，以及用于控制N沟道MOS管MOS1的MOS管驱动电路；超级电容模组的+端由单体超级电容1的正极引出、-端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为M*E瓦时、额定电压为M*X伏特，超级电容模组用于盾构电瓶车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，按盾构电瓶车的启动能耗和实际运行工况选择k个超级电容组并联工作；每个单体超级电容的两端均和电容电压检测与均衡模块有电连接线，在超级电容模组充电或放电过程中，超级电容BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电容电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器，电瓶车运行控制器可根据能量需求情况通过超级电容BMS_CPU模块控制超级电容模组的连接或断开。
在本发明中，铅酸电池模组包括铅酸电池BMS_CPU模块，提供铅酸电池BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从铅酸电池模组两端取电变换后给内部电路供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各铅酸电池单体两端工作电压并实现模组内各铅酸电池模组在充放电过程中电压动态均衡的电池电压检测与均衡模块，由N个额定电压为2.0伏特、额定容量为Y安时的牵引用铅酸电池单体串联而成的铅酸电池组，设置在铅酸电池模组的-端与铅酸电池单体N的负极之间用于监测铅酸电池模组工作电流的电流传感器，设置每个铅酸电池单体外壳上用于监测其工作温度的N个温度传感器；铅酸电池模组的+端由铅酸电池单体1的正极引出、-端由铅酸电池单体N的负极引出，其额定容量为N*Y安时、额定电压为N*2.0伏特，铅酸电池模组提供盾构电瓶车正常行车所需的电能，其容量按每个班组正常行车所消耗的电能选择；每个铅酸电池单体的两端均与电池电压检测与均衡模块有电连接线，在铅酸电池模组充电或放电过程中，铅酸电池BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测铅酸电池模组的工作电流，通过N个温传感器实时监测各铅酸电池单体的工作温度，通过电池电压检测与均衡模块实时监测各铅酸电池单体的端电压并智能决策将稍高铅酸电池单体的能量转移到稍低的铅酸电池单体上，以实现各铅酸电池单体的动态均压，同时还估算各铅酸电池单体的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将铅酸电池模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器。
在本发明中，DC/AC逆变器由开关管VT1~VT6、电感L1~L3、电容C1、电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3、速度传感器SD1组成；直流母线DC_BUS电压连接到开关管VT1~VT6组成的三个桥臂的两端，三个桥臂的中间点经电感L1~ L3后连接至牵引电机，电瓶车运行控制器按电压空间矢量脉宽调制方法输出PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT1~VT6有规律地导通/关断，以实现直流母线DC_BUS电压到三相交流的逆变；电容C1用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3用于检测牵引电机的工作电压、电流，速度传感器SD1用于检测牵引电机的转速，检测信号连接到信号调理电路。
在本发明中，双向DC/DC变换器由开关管VT7~VT10、电感L4~L5、电容C2~C4、分流器SHUNT组成，电容C4用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电容C3用于提高双向DC/DC变换器电压增益和降低开关管VT7~VT10的电压应力，电容C2用于吸收纹波和稳定超级电容侧电压，分流器SHUNT用于检测直流母线侧电压、电流信号并连接到信号调理电路；电瓶车运行控制器根据电动机吸收功率和铅酸电池模组输出功率智能决策并输出PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT7~VT10有规律地导通/关断，以实现能量的双向流动；当盾构电瓶车启动时或者加速时，牵引电机瞬时吸收功率超过铅酸电池模组输出功率，双向DC/DC变换器工作于Boost模式，超级电容模组输出能量以保证盾构电瓶车的稳定运行；当盾构电瓶车制动时，牵引电机回馈能量，双向DC/DC变换器工作于Buck模式，超级电容模组通过双向DC/DC变换器吸收牵引电机回馈的能量，对超级电容模组进行充电。
在本发明中，电瓶车运行控制器设置在主控CPU模块内，主控CPU模块对外的连接单元有连接三轴加速度传感器和环温传感器的IO口1、连接触摸显示屏的IO口2、连接PWM驱动隔离电路的IO口3、连接GPS模块的COM1口、连接CAN接口的COM2口、连接信号调理电路的信号采集模块，内部含有由PI调节器PI4、PI5组成的DC/AC逆变控制器和由PI调节器PI1、PI2、PI3组成的双向DC/DC变换控制器，以及给定选择模块、反馈选择模块、控制参数提取模块和控制器输出信号汇总与解调的PWM控制器；控制参数提取模块根据信号采集模块实时采集连接到信号调理电路的信号提取出铅酸电池模组输出功率PB、牵引电机吸收功率PM、超级电容模组电压UC、牵引电机转速n M、牵引电机工作电流IM、电感L4电流IL4和电感L5电流IL5；盾构电瓶车运行时，将司机通过触摸显示屏给定的参考转速n ref与实时牵引电机转速n M通过偏差调节器PI5得到变换器的参考电流IKZ，再与牵引电机工作电流IM相比较后经过电流调节器PI4得到开关管VT1~VT6的控制参数，双向DC/DC变换器工作于Boost模式并采用功率外环、双电流内环的控制策略，由给定选择模块、反馈选择模块选择铅酸电池模组输出功率PB与牵引电机吸收功率PM通过偏差调节器PI3得到变换器的参考电流IREF，再与两电感电流IL4、IL5相比较，经过电流调节器PI1、PI2得到开关管VT7~VT10的控制参数，实现DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器对能量的控制；盾构电瓶车制动时，牵引电机的机械能大量转化为电能并回馈到DC/AC逆变器的直流侧，双向DC/DC变换器工作于Buck模式，采用电压外环、双电流内环的控制策略，由给定选择模块、反馈选择模块选择超级电容模组电压UC与超级电容模组充电参考电压UREF通过偏差调节器PI3得到变换器的参考电流IREF，再与两电感电流IL4、IL5相比较，经过电流调节器PI1、PI2得到开关管VT7~VT10的控制参数，超级电容模组通过吸收牵引电机制动回馈的瞬时功率进行充电，以实现制动能量的回收。
本发明的有益效果是，电瓶车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；所述铅酸电池与超级电容混合动力控制系统在盾构电瓶车启动、加速、爬坡、制动和遇到行驶阻力较大时能够快速的根据实际工况进行动力的切换和匹配，实现混合动力的能量最优分配，提高混合动力盾构电瓶车的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，同时消除了瞬时大电流对铅酸电池模组的影响，提高了铅酸电池模组的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的整体结构方框图；
图2是本发明实施例的超级电容模组结构图；
图3是本发明实施例的铅酸电池模组结构图；
图4是本发明实施例的DC/AC逆变器原理框图；
图5是本发明实施例的双向DC/DC变换器原理框图；
图6是本发明实施例的电瓶车运行控制器原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图，图1是本发明的整体结构方框图。传统盾构电瓶车的高污染、高能耗已经不能适应行业的发展。混合动力技术由于其能耗低、能量转化效率高和环保等显著的优点，受到了行业的高度关注及政府的大力支持。目前，盾构电瓶车的动力主要是铅酸电池提供，在盾构电瓶车频繁加速、爬坡、行驶阻力突然增大和持续大负荷运行工况下，瞬时峰值电流较大，频繁的大电流放电，利用铅酸电池供电会严重影响其能效及寿命，不利于盾构电瓶车动力性能的实现。同时在盾构电瓶车制动、下坡及行驶阻力突然减小时，牵引电机的再生制动产生的瞬间充电电流很大，会对铅酸电池寿命产生伤害，如果此部分回收的能量不能充分存储，又将会造成了巨大的浪费。盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统包括铅酸电池模组、超级电容模组、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、PWM驱动隔离电路、电源电路、电瓶车运行控制器及与其连接的信号调理电路、环温传感器、GPS模块、三轴加速度传感器、触摸显示屏、时钟与复位电路、CAN接口。其中，铅酸电池模组的+端经二极管D1后连接到直流母线DC_BUS的DC+，-端直接连接到直流母线DC_BUS的DC-，超级电容模组经双向DC/DC变换器连接直流母线DC_BUS，直流母线DC_BUS连接至用于在盾构附近经充电桩为超级电容模组补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构电瓶车牵引电机，电源电路直接从直流母线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电瓶车运行控制器及其外围电路供电，PWM驱动隔离电路用于将电瓶车运行控制器输出的PWM信号转换为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器所需的控制信号；电瓶车运行控制器经CAN接口、CAN总线连接至铅酸电池模组内的铅酸电池BMS_CPU、超级电容模组内的超级电容BMS_CPU、超级电容充电接口，时钟与复位电路提供电瓶车运行控制器工作所需的时钟与复位信号，触摸显示屏用于系统参数设置、盾构电瓶车运行时的司机操控和实时工作状态显示，三轴加速度传感器监测盾构电瓶车的运动姿态，GPS模块监测盾构电瓶车的运行位置，环温传感器监测盾构电瓶车的工作环境温度，信号调理电路用于调理盾构电瓶车牵引电机的实时电压、电流、转速信号和双向DC/DC变换器的输出电压、电流信号；电瓶车运行控制器根据司机给定的运行指标要求，通过信号调理电路采集牵引电机的电压、电流、转速信号和双向DC/DC变换器的输出电压、电流信号，通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动隔离电路输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；盾构电瓶车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由铅酸电池模组、超级电容模组同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由铅酸电池模组单独为牵引电机提供动力；在盾构电瓶车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力；盾构电瓶车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过触摸显示屏向司机预警。超级电容是一种新型电容，与铅酸电池相比具有较大的功率密度，污染小、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，非常适用于盾构电瓶车复杂工况下瞬间功率大、频繁充放电的场合。但超级电容也有能量密度较小，无法大量的存储能量，以及存在发热和单体均衡等缺点，故单独使用受到一定限制。本发明综合了超级电容与铅酸电池的优点和缺点，公布了基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源，并针对不同的行驶工况提出相应的系统工作模式，制定了基于功率分配的能量管理策略，可以充分发挥各动力原件的优点。
混合动力盾构电瓶车在正常行驶，即负载平稳、行驶阻力较小时，信号采集单元采集到的牵引电机工作需求转速、电流信号为铅酸电池模组可提供动力范围内，运行控制CPU模块输出信号通过PWM驱动控制电路及PWM接口发出PWM信号控制DC/AC逆变器工作、双向DC/DC变换器停止，由铅酸电池模组对牵引电机提供动力。同时信号采集单元及铅酸电池BMS实时的监控牵引电机及铅酸电池的电压、电流信号并发送给运行控制CPU模块，由运行控制CPU模块随时控制动力的匹配，实现精准的控制。混合动力盾构电瓶车启动、加速、爬较大坡度及行驶阻力瞬间增大时，牵引电机所需的电压、电流瞬间增大，单一动力源输出无法满足驱动输出，此时运行控制CPU模块输出信号通过PWM驱动控制电路及PWM接口发出PWM信号控制DC/AC逆变器工作、双向DC/DC变换器正向导通，由铅酸电池模组、超级电容模组同时为牵引电机提供动力。由于超级电容的高比功率性，可以快速在补充突变负荷时铅酸电池模组的功率不足，迅速为盾构电瓶车提供动力。同时，信号采集单元及铅酸电池BMS、超级电容BMS实时采集整车信息并发送给运行控制CPU模块，由运行控制CPU模块实时精准的控制整车的动力匹配。混合动力盾构电瓶车在制动时，动力系统不再提供动力，牵引电机相当于一个发电机能产生较大的瞬间电流及电压，此时运行控制CPU模块发出PWM信号控制双向DC/DC变换器反向导通，由超级电容模组回收电动机产生的电能。同时运行控制CPU模块通过信号采集单元监测牵引电机的转速、电流信号，通过CAN总线、超级电容BMS实时监测超级电容模组荷电状态(State Of Charge,SOC) ，精确控制蓄电池、超级电容的充电过程。混合动力盾构电瓶车的整机启动时启动阻力较大，需求瞬时能量较大，因此设计通过铅酸电池模组、超级电容模组一起为整机提供启动电能。在整机启动之前，运行控制CPU模块通过CAN总线、超级电容BMS获取超级电容模组的SOC，如若此时超级电容模组的容量值低于设定的整机启动标准值，则由铅酸电池模组对超级电容模组充电；由运行控制CPU模块、双向DC/DC变换器及超级电容BMS一起控制此充电过程，保证超级电容模组能够为整机启动提供足够能量。运行控制CPU模块根据三轴加速度传感器采集的运动姿态信息判断混合动力盾构电瓶车的运行工况：爬坡、下坡等，根据GPS模块采集的运行位置信息判断混合动力盾构电瓶车的行驶是远离、接近盾构机并计算实时距离。在盾构电瓶车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力，直到超级电容模组的SOC值小于设定值为止；以保证超级电容模组在盾构机处能补充足够多的能量，同时尽可能减少铅酸电池模组的能量消耗，延长其使用寿命。
附图2是本发明实施例的超级电容模组结构图。超级电容模组包括超级电容BMS_CPU模块，提供超级电容BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给内部电路供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电容电压检测与均衡模块，由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成的超级电容组，设置每个单体超级电容的外壳上用于监测其工作温度的M个温度传感器，设置在超级电容模组的-端与单体超级电容M的负极之间用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，以及用于控制N沟道MOS管MOS1的MOS管驱动电路；超级电容模组的+端由单体超级电容1的正极引出、-端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为M*E瓦时、额定电压为M*X伏特，超级电容模组用于盾构电瓶车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，按盾构电瓶车的启动能耗和实际运行工况选择k个超级电容组并联工作；每个单体超级电容的两端均和电容电压检测与均衡模块有电连接线，在超级电容模组充电或放电过程中，超级电容BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电容电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器，电瓶车运行控制器可根据能量需求情况通过超级电容BMS_CPU模块控制超级电容模组的连接或断开。超级电容设计时搭配一个很低的等效串联电阻(ESR)，因此超级电容能够发送以及吸收很高的电流。超级电容具有普通电容的特性，其工作电压并未被限制在狭窄的电压范围内；设计人员只需考虑系统的电压范围，这个电压范围要比电池需要的狭窄电压范围宽得多。研究针对超级电容模组、铅酸电池模组的电源管理系统（Battery ManagementSystem, BMS），使其保持最佳的荷电状态(State Of Charge,SOC) 以延长其循环使用寿命，具有非常重要的现实意义和很好的应用价值。在设计能量需求较大的系统中，确定储能元件的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)是 一个非常重要的因素，需要复杂的信号提取、复杂的运算法则和长时间的资料整合；比较来说，确定超级电容的荷电状态和健康状态则很简单。由于在电容内储存能量只是电容和电压的功能，而且电容相对较为恒定，因此只要测量各单体超级电容的端电压就可以确定荷电状态。超级电容可以串联或是并联工作，当采用并联工作时，不需要额外的管理；而采用串联工作时，通常需要电压监测以维持每个单体超级电容的电压都在操作范围之内。
附图3是本发明实施例的铅酸电池模组结构图。本发明的铅酸电池模组包括铅酸电池BMS_CPU模块，提供铅酸电池BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从铅酸电池模组两端取电变换后给内部电路供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各铅酸电池单体两端工作电压并实现模组内各铅酸电池模组在充放电过程中电压动态均衡的电池电压检测与均衡模块，由N个额定电压为2.0伏特、额定容量为Y安时的牵引用铅酸电池单体串联而成的铅酸电池组，设置在铅酸电池模组的-端与铅酸电池单体N的负极之间用于监测铅酸电池模组工作电流的电流传感器，设置每个铅酸电池单体外壳上用于监测其工作温度的N个温度传感器；铅酸电池模组的+端由铅酸电池单体1的正极引出、-端由铅酸电池单体N的负极引出，其额定容量为N*Y安时、额定电压为N*2.0伏特，铅酸电池模组提供盾构电瓶车正常行车所需的电能，其容量按每个班组正常行车所消耗的电能选择；每个铅酸电池单体的两端均与电池电压检测与均衡模块有电连接线，在铅酸电池模组充电或放电过程中，铅酸电池BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测铅酸电池模组的工作电流，通过N个温传感器实时监测各铅酸电池单体的工作温度，通过电池电压检测与均衡模块实时监测各铅酸电池单体的端电压并智能决策将稍高铅酸电池单体的能量转移到稍低的铅酸电池单体上，以实现各铅酸电池单体的动态均压，同时还估算各铅酸电池单体的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将铅酸电池模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器。铅酸蓄电池是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的一种蓄电池；放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸蓄电池的主要优点是电压稳定、价格便宜，缺点是比能低(即每公斤蓄电池存储的电能)、使用寿命短和日常维护频繁；从而制约了盾构电瓶车的运载能力、工作效率。
以45t盾构电瓶车为例，其额定电压：550V，调速方式：变频调速（逆变器允许电压范围是：360V~680V），牵引电机：2*55KW，最高速度v max=16 km/h，持续速度v=8.8km/h，轨距:900mm，制动距离：18m，最小转弯半径：25m。假设盾构施工配套运输车以速度v匀速运行在盾构机位置附近长度为L=3km的固定线路上，盾构施工流水线施工节拍点空当时间T=20分钟，忽略装、卸料时间，则在每个班组工作的8小时内最多可往返次数k为：
k=(480 v)/(T.v+120L)≈8
每个班组工作时间内盾构电瓶车运行的总耗电量E约为：
E≈110*(2 k L/16)=330 kWh
铅酸电池模组用于满足每个班组的正常行车需求，采用N个2.0V单体牵引用铅酸电池串联而成，为满足45t盾构电瓶车的额定电压要求，则N=550/2=275个。单体牵引用铅酸电池充满电时为2.4V，允许最低放电电压为1.8V，故铅酸电池模组的电压变化范围为：495V~660V，满足盾构电瓶车逆变器允许的电压范围要求。若每个班组换班时更换一次铅酸电池模组，则单体牵引用铅酸电池的额定容量为E*1000/2N=600Ah，可选择型号为10PzB600、6PzB600等的牵引用铅酸电池单体。
超级电容模组用于盾构电瓶车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，采用由M个Maxwell公司的BCAP3400P285K04单体超级电容串联而成；根据盾构电瓶车的启动电流、运行线路工况来设置其并联工作的组数k。该单体超级电容额定容量C=3400F，内阻Res=0.28Ω，储存能量为3.84Wh，额定电压为2.85V（最大绝对电压3.0V），温升在15-40℃之间的最大持续电流为131-211A，最大绝对电流2000A，能量密度（比能量）为7.4Wh/kg，功率密度（比功率）为14000W/kg。根据基尔霍夫电压定律得到超级电容的输出电压Uo与等效电容电压U、充放电电流I的关系为：
Uo=U-IRes
超级电容容量大小通过其SOC评价
SOC=( U-Umin)/( Umax-Umin)
为满足45t盾构电瓶车的额定电压要求，则取M=550/2.85≈193个，超级电容模组的额定电压为550.05V（最大绝对电压579.0V），储存能量为741.12Wh。45t盾构电瓶车牵引电机的启动电流是额定电流的4-7倍（即800A~1400A），启动时间一般为2-5秒，则每次启动所消耗的电量在0.428 kWh~1.069 kWh之间；因此，需要7组超级电容模组才能满足整车启动电流要求，考虑到运行工况下的能量补给需求，取组数k≥8，超级电容模组的整体储存能量大于5.93kWh。若在盾构施工竖井处采用160A的充电桩对8组超级电容模组补充能量，仅需4分钟即可完成。
附图4是本发明实施例的DC/AC逆变器原理框图。逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置，本发明的DC/AC逆变器由开关管VT1~VT6、电感L1~L3、电容C1、电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3、速度传感器SD1组成；直流母线DC_BUS电压连接到开关管VT1~VT6组成的三个桥臂的两端，三个桥臂的中间点经电感L1~ L3后连接至牵引电机，电瓶车运行控制器按电压空间矢量脉宽调制方法输出PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT1~VT6有规律地导通/关断，以实现直流母线DC_BUS电压到三相交流的逆变；电容C1用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3用于检测牵引电机的工作电压、电流，速度传感器SD1用于检测牵引电机的转速，检测信号连接到信号调理电路。简单地说，DC/AC逆变器就是一种将铅酸电池模组或超级电容模组输出直流电转变为牵引电机所需交流电的电子设备。
附图5是本发明实施例的双向DC/DC变换器原理框图。本发明的双向DC/DC变换器由开关管VT7~VT10、电感L4~L5、电容C2~C4、分流器SHUNT组成，电容C4用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电容C3用于提高双向DC/DC变换器电压增益和降低开关管VT7~VT10的电压应力，电容C2用于吸收纹波和稳定超级电容侧电压，分流器SHUNT用于检测直流母线侧电压、电流信号并连接到信号调理电路；电瓶车运行控制器根据电动机吸收功率和铅酸电池模组输出功率智能决策并输出PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT7~VT10有规律地导通/关断，以实现能量的双向流动；当盾构电瓶车启动时或者加速时，牵引电机瞬时吸收功率超过铅酸电池模组输出功率，双向DC/DC变换器工作于Boost模式，超级电容模组输出能量以保证盾构电瓶车的稳定运行；当盾构电瓶车制动时，牵引电机回馈能量，双向DC/DC变换器工作于Buck模式，超级电容模组通过双向DC/DC变换器吸收牵引电机回馈的能量，对超级电容模组进行充电。传统的双向DC/DC 变换器是采用两相交错并联的方式，其电压增益M为M=UO/UC=1/(1-D)。本发明的双向DC/DC 变换器改变了其中一相的开关管VT9位置并增加了1 个电容C3，其电压增益M为传统双向DC/DC变换器电压增益的2 倍，其计算式为M=UO/UC=2/(1-D)；且双向DC/DC变换器工作时，开关管VT7、VT8、VT9、VT10的电压应力为输出电压的50%，即UO/2；与传统的双向DC/DC变换器相比，本发明的双向DC/DC 变换器的各个开关器件电压应力得到了降低。
附图6是本发明实施例的电瓶车运行控制器原理框图。本发明的电瓶车运行控制器设置在主控CPU模块内，主控CPU模块对外的连接单元有连接三轴加速度传感器和环温传感器的IO口1、连接触摸显示屏的IO口2、连接PWM驱动隔离电路的IO口3、连接GPS模块的COM1口、连接CAN接口的COM2口、连接信号调理电路的信号采集模块，内部含有由PI调节器PI4、PI5组成的DC/AC逆变控制器和由PI调节器PI1、PI2、PI3组成的双向DC/DC变换控制器，以及给定选择模块、反馈选择模块、控制参数提取模块和控制器输出信号汇总与解调的PWM控制器；控制参数提取模块根据信号采集模块实时采集连接到信号调理电路的信号提取出铅酸电池模组输出功率PB、牵引电机吸收功率PM、超级电容模组电压UC、牵引电机转速n M、牵引电机工作电流IM、电感L4电流IL4和电感L5电流IL5；盾构电瓶车运行时，将司机通过触摸显示屏给定的参考转速n ref与实时牵引电机转速n M通过偏差调节器PI5得到变换器的参考电流IKZ，再与牵引电机工作电流IM相比较后经过电流调节器PI4得到开关管VT1~VT6的控制参数，双向DC/DC变换器工作于Boost模式并采用功率外环、双电流内环的控制策略，由给定选择模块、反馈选择模块选择铅酸电池模组输出功率PB与牵引电机吸收功率PM通过偏差调节器PI3得到变换器的参考电流IREF，再与两电感电流IL4、IL5相比较，经过电流调节器PI1、PI2得到开关管VT7~VT10的控制参数，实现DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器对能量的控制；盾构电瓶车制动时，牵引电机的机械能大量转化为电能并回馈到DC/AC逆变器的直流侧，双向DC/DC变换器工作于Buck模式，采用电压外环、双电流内环的控制策略，由给定选择模块、反馈选择模块选择超级电容模组电压UC与超级电容模组充电参考电压UREF通过偏差调节器PI3得到变换器的参考电流IREF，再与两电感电流IL4、IL5相比较，经过电流调节器PI1、PI2得到开关管VT7~VT10的控制参数，超级电容模组通过吸收牵引电机制动回馈的瞬时功率进行充电，以实现制动能量的回收。当双向DC/DC变换器工作于Boost 模式下，负载侧为直流母线DC_BUS，其端电压为UO；输入侧为超级电容模组，输出电压为UC；采用功率外环、双电流内环的控制策略，铅酸电池模组额定输出功率PB与牵引电机吸收参考功率PM通过偏差功率调节器得到变换器的参考电流，再与系统对两相的采样电流相比较，经过电流调节器得到两相开关的占空比，实现双向DC/DC变换器对能量的控制。当盾构电瓶车突然制动时，牵引电机的机械能大量转化为电能，回馈能量到直流侧，变换器工作于Buck模式，对超级电容模组充电，负载为超级电容模组；系统采用电压外环、双电流内环的控制策略，超级电容通过吸收电动机回馈产生的瞬时功率进行充电，回收能量。
综上所述，本盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统包括铅酸电池模组、超级电容模组、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、PWM驱动隔离电路、电源电路、电瓶车运行控制器及与其连接的信号调理电路、环温传感器、GPS模块、三轴加速度传感器、触摸显示屏、时钟与复位电路、CAN接口。电瓶车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式。本发明的有益效果是：所述酸电池与超级电容混合动力控制系统在盾构电瓶车启动、加速、爬坡、制动和遇到行驶阻力较大时能够快速的根据实际工况进行动力的切换和匹配，实现混合动力的能量最优分配，提高混合动力拖拉机的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，同时消除了瞬时大电流对铅酸电池模组的影响，提高了铅酸电池模组的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，包括铅酸电池模组、超级电容模组、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、PWM驱动隔离电路、电源电路、电瓶车运行控制器及与其连接的信号调理电路、环温传感器、GPS模块、三轴加速度传感器、触摸显示屏、时钟与复位电路、CAN接口；其特征是：铅酸电池模组的+端经二极管D1后连接到直流母线DC_BUS的DC+，-端直接连接到直流母线DC_BUS的DC-，超级电容模组经双向DC/DC变换器连接直流母线DC_BUS，直流母线DC_BUS连接至用于在盾构附近经充电桩为超级电容模组补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构电瓶车牵引电机，电源电路直接从直流母线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电瓶车运行控制器及其外围电路供电，PWM驱动隔离电路用于将电瓶车运行控制器输出的PWM信号转换为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器所需的控制信号；电瓶车运行控制器经CAN接口、CAN总线连接至铅酸电池模组内的铅酸电池BMS_CPU、超级电容模组内的超级电容BMS_CPU、超级电容充电接口，时钟与复位电路提供电瓶车运行控制器工作所需的时钟与复位信号，触摸显示屏用于系统参数设置、盾构电瓶车运行时的司机操控和实时工作状态显示，三轴加速度传感器监测盾构电瓶车的运动姿态，GPS模块监测盾构电瓶车的运行位置，环温传感器监测盾构电瓶车的工作环境温度，信号调理电路用于调理盾构电瓶车牵引电机的实时电压、电流、转速信号和双向DC/DC变换器的输出电压、电流信号；电瓶车运行控制器根据司机给定的运行指标要求，通过信号调理电路采集牵引电机的电压、电流、转速信号和双向DC/DC变换器的输出电压、电流信号，通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动隔离电路输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；盾构电瓶车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由铅酸电池模组、超级电容模组同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由铅酸电池模组单独为牵引电机提供动力；在盾构电瓶车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力；盾构电瓶车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过触摸显示屏向司机预警。
2.根据权利要求1所述的盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，其特征是：所述的超级电容模组包括超级电容BMS_CPU模块，提供超级电容BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给内部电路供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电容电压检测与均衡模块，由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成的超级电容组，设置每个单体超级电容的外壳上用于监测其工作温度的M个温度传感器，设置在超级电容模组的-端与单体超级电容M的负极之间用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，以及用于控制N沟道MOS管MOS1的MOS管驱动电路；超级电容模组的+端由单体超级电容1的正极引出、-端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为M*E瓦时、额定电压为M*X伏特，超级电容模组用于盾构电瓶车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，按盾构电瓶车的启动能耗和实际运行工况选择k个超级电容组并联工作；每个单体超级电容的两端均和电容电压检测与均衡模块有电连接线，在超级电容模组充电或放电过程中，超级电容BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电容电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器，电瓶车运行控制器可根据能量需求情况通过超级电容BMS_CPU模块控制超级电容模组的连接或断开。
3.根据权利要求1所述的盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，其特征是：所述的铅酸电池模组包括铅酸电池BMS_CPU模块，提供铅酸电池BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从铅酸电池模组两端取电变换后给内部电路供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各铅酸电池单体两端工作电压并实现模组内各铅酸电池模组在充放电过程中电压动态均衡的电池电压检测与均衡模块，由N个额定电压为2.0伏特、额定容量为Y安时的牵引用铅酸电池单体串联而成的铅酸电池组，设置在铅酸电池模组的-端与铅酸电池单体N的负极之间用于监测铅酸电池模组工作电流的电流传感器，设置每个铅酸电池单体外壳上用于监测其工作温度的N个温度传感器；铅酸电池模组的+端由铅酸电池单体1的正极引出、-端由铅酸电池单体N的负极引出，其额定容量为N*Y安时、额定电压为N*2.0伏特，铅酸电池模组提供盾构电瓶车正常行车所需的电能，其容量按每个班组正常行车所消耗的电能选择；每个铅酸电池单体的两端均与电池电压检测与均衡模块有电连接线，在铅酸电池模组充电或放电过程中，铅酸电池BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测铅酸电池模组的工作电流，通过N个温传感器实时监测各铅酸电池单体的工作温度，通过电池电压检测与均衡模块实时监测各铅酸电池单体的端电压并智能决策将稍高铅酸电池单体的能量转移到稍低的铅酸电池单体上，以实现各铅酸电池单体的动态均压，同时还估算各铅酸电池单体的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将铅酸电池模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器。
4.根据权利要求1所述的盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，其特征是：所述的DC/AC逆变器由开关管VT1~VT6、电感L1~L3、电容C1、电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3、速度传感器SD1组成；直流母线DC_BUS电压连接到开关管VT1~VT6组成的三个桥臂的两端，三个桥臂的中间点经电感L1~ L3后连接至牵引电机，电瓶车运行控制器按电压空间矢量脉宽调制方法输出PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT1~VT6有规律地导通/关断，以实现直流母线DC_BUS电压到三相交流的逆变；电容C1用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3用于检测牵引电机的工作电压、电流，速度传感器SD1用于检测牵引电机的转速，检测信号连接到信号调理电路。
5.根据权利要求1所述的盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，其特征是：所述的双向DC/DC变换器由开关管VT7~VT10、电感L4~L5、电容C2~C4、分流器SHUNT组成，电容C4用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电容C3用于提高双向DC/DC变换器电压增益和降低开关管VT7~VT10的电压应力，电容C2用于吸收纹波和稳定超级电容侧电压，分流器SHUNT用于检测直流母线侧电压、电流信号并连接到信号调理电路；电瓶车运行控制器根据电动机吸收功率和铅酸电池模组输出功率智能决策并输出PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT7~VT10有规律地导通/关断，以实现能量的双向流动；当盾构电瓶车启动时或者加速时，牵引电机瞬时吸收功率超过铅酸电池模组输出功率，双向DC/DC变换器工作于Boost模式，超级电容模组输出能量以保证盾构电瓶车的稳定运行；当盾构电瓶车制动时，牵引电机回馈能量，双向DC/DC变换器工作于Buck模式，超级电容模组通过双向DC/DC变换器吸收牵引电机回馈的能量，对超级电容模组进行充电。
6.根据权利要求1所述的盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，其特征是：所述的电瓶车运行控制器设置在主控CPU模块内，主控CPU模块对外的连接单元有连接三轴加速度传感器和环温传感器的IO口1、连接触摸显示屏的IO口2、连接PWM驱动隔离电路的IO口3、连接GPS模块的COM1口、连接CAN接口的COM2口、连接信号调理电路的信号采集模块，内部含有由PI调节器PI4、PI5组成的DC/AC逆变控制器和由PI调节器PI1、PI2、PI3组成的双向DC/DC变换控制器，以及给定选择模块、反馈选择模块、控制参数提取模块和控制器输出信号汇总与解调的PWM控制器；控制参数提取模块根据信号采集模块实时采集连接到信号调理电路的信号提取出铅酸电池模组输出功率PB、牵引电机吸收功率PM、超级电容模组电压UC、牵引电机转速n M、牵引电机工作电流IM、电感L4电流IL4和电感L5电流IL5；盾构电瓶车运行时，将司机通过触摸显示屏给定的参考转速n ref与实时牵引电机转速n M通过偏差调节器PI5得到变换器的参考电流IKZ，再与牵引电机工作电流IM相比较后经过电流调节器PI4得到开关管VT1~VT6的控制参数，双向DC/DC变换器工作于Boost模式并采用功率外环、双电流内环的控制策略，由给定选择模块、反馈选择模块选择铅酸电池模组输出功率PB与牵引电机吸收功率PM通过偏差调节器PI3得到变换器的参考电流IREF，再与两电感电流IL4、IL5相比较，经过电流调节器PI1、PI2得到开关管VT7~VT10的控制参数，实现DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器对能量的控制；盾构电瓶车制动时，牵引电机的机械能大量转化为电能并回馈到DC/AC逆变器的直流侧，双向DC/DC变换器工作于Buck模式，采用电压外环、双电流内环的控制策略，由给定选择模块、反馈选择模块选择超级电容模组电压UC与超级电容模组充电参考电压UREF通过偏差调节器PI3得到变换器的参考电流IREF，再与两电感电流IL4、IL5相比较，经过电流调节器PI1、PI2得到开关管VT7~VT10的控制参数，超级电容模组通过吸收牵引电机制动回馈的瞬时功率进行充电，以实现制动能量的回收。
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