CN115071450A - 一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统及其工作方法，回收控制系统包括蓄电池组、电机、电机控制器、整流桥、二极管、超级电容组和DC/DC变换器，将BUCK型DC/DC变换器作为控制超级电容组输出功率的元件，通过改变IGBT开关的占空比，实现调节超级电容组输出功率的目的。再生制动时三相反电动势通过整流桥只对超级电容充电，蓄电池不参与能量回收；在驱动过程中，保护复合电源，防止蓄电池组输出功率过高，在复合电源的需求功率较小时，由蓄电池组单独供电；在复合电源的需求功率较大时，蓄电池组提供固定功率，剩余的需求功率由超级电容组提供，达到保护蓄电池组、提高蓄电池使用寿命的目的。

Description

一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统及其工 作方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种解决损耗的闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统及其工作方法。

背景技术

目前，电动汽车现有的技术存在电池寿命短，续航里程不足等问题，阻碍了电动汽车的发展。再生制动系统将电动汽车的动能转化为电能并储存起来，储存的电能为电机提供能量，所回收的电能再次转换为汽车动能，有效地提高了电动汽车的续驶里程。若将制动能量直接回收到蓄电池中会使蓄电池受到大电流冲击，对蓄电池寿命损害严重。

现有技术中，可将电能储存在超级电容中，超级电容功率密度大，充电放电快，避免损害动力电池。超级电容和动力电池组成的复合电源保护了电池，延长了电池使用寿命，但也存在电路保护与制动电流控制等方面的问题需要解决。

如中国发明专利CN110239354A，提供一种无源串联复合电源制动能量回收系统，控制器控制开关的切换且切换时刻无严格要求，即可在非驱动状态进行零电流切换；控制器不断检测超级电容端电压、蓄电池电压、制动车速，发出PWM信号控制整流桥中晶闸管的通断，实现对制动电流的直流斩波，控制电制动减速度。利用整流桥回收制动能量，提高能量利用率。

但串联控制的制动能量回收系统，充电时电流较大，超级电容需要连接二极管，获得接受器，当达到击穿电压才切断电池给超级电容反冲的过程，控制过程中稳定性和安全性不足。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明的目的是提供一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统及其工作方法，用于回收驱动电机制动停车产生的能量，以提高能量利用率，同时保护蓄电池，提高稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统，包括蓄电池组、电机、超级电容、电压转换器，超级电容连接有电压转换器，蓄电池组与超级电容构成复合电源，为电机供电，还包括：

整流桥，包括晶闸管T1、T2、T3、二极管D1、D2、D3，晶闸管T1与二极管D1串联、晶闸管T2与二极管D2串联、晶闸管T3与二极管D3串联，三者再进行并联；超级电容串联DC-DC变换器通过功率总线和蓄电池并联组成的复合电源，再与电机控制器输入端连接，电机控制器输出端连接电机，电机三相与整流桥输入端相连；整流桥与超级电容C形成回收回路；蓄电池B、开关J、超级电容C、电机控制器K形成驱动回路；

阻抗器，有三个，分别与整流桥的三个晶闸管所在的线路连接，再分别连接于电机、电机控制器之间的线路；

二极管，整流桥正极连接二极管D4负极、二极管D4正极连接整流桥负极、超级电容C负极、电机控制器K输入端，二极管D4负极连接整流桥正极、超级电容C正极。

进一步地，超级电容C端电压由电压传感器测量后，传输给控制器控制器。

进一步地，整流桥与超级电容形成的回路中的制动电流由电流传感器获取后，传输给控制器。

相应地，提供一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统的工作方法，包括以下步骤：

首先，结合电动汽车运行状态，通过检测车速计算电机反电动势大小，通过超级电容电压和反电动势判断再生制动充电功率大小，同时将BUCK型DC/DC变换器作为控制超级电容组输出功率的元件，通过改变IGBT开关的占空比，调节超级电容组输出功率；控制器根据车辆状态实时输出不同，基于PID形成闭环控制，维持超级电容充电电流恒定；

然后，电机控制器的输入端与蓄电池组、超级电容组成的复合电源相连，回收回路中的制动电流由电流传感器获取后，传输给控制器，输出PWM信号控制晶闸管的通断；

最后，蓄电池组理想输出电流和实际输出电流的差值作为PI控制器的输入量，经过计算后，对PI控制器的计算结果进行积分，然后生成PWM信号，PWM信号调整变换器中IGBT开关的占空比，控制超级电容组的输出电流，从而实现蓄电池组输出电流的闭环控制。

本发明的有益效果：

本发明所述的闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统及其工作方法，使用并联复合电源结构，提高能量回收效率，避免并联系统不稳定的问题。超级电容受到二极管的防反充保护，同时系统可以自由切换为单电池驱动模式以减少二极管的能耗，可以提高能量利用率。可以将电动汽车的动能转换成电能储存在超级电容中，在有效提高电动汽车续驶里程的同时避免蓄电池受到再生制动过程中的大电流冲击，从而提高蓄电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述的闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统的结构示意图；

图2为本发明所述的闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统的控制过程原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述一下本发明的具体内容。

如图1所示，一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统，包括蓄电池组、电机、超级电容、电压转换器、整流桥、阻抗器、二极管，超级电容连接有电压转换器，蓄电池组与超级电容构成复合电源，为电机供电。整流桥，包括晶闸管T1、T2、T3、二极管D1、D2、D3，晶闸管T1与二极管D1串联、晶闸管T2与二极管D2串联、晶闸管T3与二极管D3串联，三者再进行并联；超级电容串联DC-DC变换器通过功率总线和蓄电池并联组成的复合电源，再与电机控制器输入端连接，电机控制器输出端连接电机，电机三相与整流桥输入端相连；整流桥与超级电容C形成回收回路；蓄电池B、开关J、超级电容C、电机控制器K形成驱动回路。超级电容C端电压由电压传感器测量后，传输给控制器控制器。整流桥与超级电容形成的回路中的制动电流由电流传感器获取后，传输给控制器。

阻抗器，有三个，分别与整流桥的三个晶闸管所在的线路连接，再分别连接于电机、电机控制器之间的线路。二极管，整流桥正极连接二极管D4负极、二极管D4正极连接整流桥负极、超级电容C负极、电机控制器K输入端，二极管D4负极连接整流桥正极、超级电容C正极。

相应地，提供一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统的工作方法，包括以下步骤：

第一步，结合电动汽车运行状态，通过检测车速计算电机反电动势大小，通过超级电容电压和反电动势判断再生制动充电功率大小，同时将BUCK型DC/DC变换器作为控制超级电容组输出功率的元件，通过改变IGBT开关的占空比，调节超级电容组输出功率；控制器根据车辆状态实时输出不同，基于PID形成闭环控制，维持超级电容充电电流恒定；

第二步，电机控制器的输入端与蓄电池组、超级电容组成的复合电源相连，回收回路中的制动电流由电流传感器获取后，传输给控制器，输出PWM信号控制晶闸管的通断；

第三步，蓄电池组理想输出电流和实际输出电流的差值作为PI控制器的输入量，经过计算后，对PI控制器的计算结果进行积分，然后生成PWM信号，PWM信号调整变换器中IGBT开关的占空比，控制超级电容组的输出电流，从而实现蓄电池组输出电流的闭环控制。

本发明的工作原理：

如图2所示，蓄电池组、电机、电机控制器、整流桥、二极管、超级电容组和DC/DC变换器，再生制动时三相反电动势通过整流桥只对超级电容充电，蓄电池不参与能量回收；驱动时，复合电源的需求功率小，由蓄电池组单独供电；复合电源的需求功率大时，蓄电池组提供固定功率，剩余的需求功率由超级电容组提供。其中主电路包括回收电路和驱动电路，其中回收电路是由整流桥与超级电容C形成的回路，驱动电路是由蓄电池B、开关J、超级电容C、电机控制器K形成的回路。所述超级电容C端电压由电压传感器测量后，传输给控制器，控制开关的切换；所述控制器控制开关的切换是在无电流情况下实现的。所述回收回路中的制动电流由电流传感器获取后，传输给控制器，输出PWM信号控制晶闸管的通断。

本发明的四个工作模式：

模式一：无再生制动减速模式

有两种情况是无再生制动模式，第一种是当驾驶员未踩下制动踏板和加速踏板时，整流桥不工作，汽车处于滑行或停车状态；第二种是当驾驶员踩下制动踏板，但电机产生的反电势低于超级电容端电压时，电机无法为超级电容充电，系统不能进行再生制动，汽车依靠机械摩擦制动；这种模式下回收电路无电流，汽车动能无法回收到超级电容中。

模式二：正常再生制动模式

当驾驶员踩下制动踏板且电机反电势高于超级电容C端电压，此时整流桥工作，电机控制器不工作，二极管D4反向截止，仅超级电容参与再生制动，蓄电池B不回收能量；

某一时刻系统电流流向为：电流从电机绕组某一相经过晶闸管T1、超级电容、二极管D3到电机绕组的另一相；在不同时刻电流经过整流桥上、下桥臂不同的两个功率管，但总体上由电机经过整流桥给超级电容C充电。

模式三：蓄电池-超级电容并联驱动模式

当驾驶员踩下加速踏板，且超级电容C中有剩余电能时，此时整流桥不工作，二极管D4反向截止，超级电容与DC/DC变换器串联，然后与蓄电池组并联的复合电源为电机供能；将BUCK型DC/DC变换器作为控制超级电容组输出功率的元件，通过改变IGBT开关的占空比，实现调节超级电容组输出功率的目的。电流流向为：电流从蓄电池正极流向超级电容负极、正极，电机控制器，再流向蓄电池负极形成回路，同时驱动电机。

模式四：蓄电池单独驱动模式

当处于驱动模式，对复合电源的需求功率较小时，由蓄电池组单独提供此时的需求功率，避免超级电容组的电量降低，为后续超级电容组提供辅助功率做好准备。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统，包括蓄电池组、电机、超级电容、电压转换器，超级电容连接有电压转换器，蓄电池组与超级电容构成复合电源，为电机供电，其特征在于：还包括：

整流桥，包括晶闸管T1、T2、T3、二极管D1、D2、D3，晶闸管T1与二极管D1串联、晶闸管T2与二极管D2串联、晶闸管T3与二极管D3串联，三者再进行并联；超级电容串联DC-DC变换器通过功率总线和蓄电池并联组成的复合电源，再与电机控制器输入端连接，电机控制器输出端连接电机，电机三相与整流桥输入端相连；整流桥与超级电容C形成回收回路；蓄电池B、开关J、超级电容C、电机控制器K形成驱动回路；

阻抗器，有三个，分别与整流桥的三个晶闸管所在的线路连接，再分别连接于电机、电机控制器之间的线路；

二极管，整流桥正极连接二极管D4负极、二极管D4正极连接整流桥负极、超级电容C负极、电机控制器K输入端，二极管D4负极连接整流桥正极、超级电容C正极。

2.根据权利要求1所述的一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统，其特征在于：超级电容C端电压由电压传感器测量后，传输给控制器控制器。

3.根据权利要求1所述的一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统，其特征在于：整流桥与超级电容形成的回路中的制动电流由电流传感器获取后，传输给控制器。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种闭环控制的并联复合电源制动能量回收控制系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.结合电动汽车运行状态，通过检测车速计算电机反电动势大小，通过超级电容电压和反电动势判断再生制动充电功率大小，同时将BUCK型DC/DC变换器作为控制超级电容组输出功率的元件，通过改变IGBT开关的占空比，调节超级电容组输出功率；控制器根据车辆状态实时输出不同，基于PID形成闭环控制，维持超级电容充电电流恒定；

S2.电机控制器的输入端与蓄电池组、超级电容组成的复合电源相连，回收回路中的制动电流由电流传感器获取后，传输给控制器，输出PWM信号控制晶闸管的通断；

S3.蓄电池组理想输出电流和实际输出电流的差值作为PI控制器的输入量，经过计算后，对PI控制器的计算结果进行积分，然后生成PWM信号，PWM信号调整变换器中IGBT开关的占空比，控制超级电容组的输出电流，从而实现蓄电池组输出电流的闭环控制。

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