CN1554545A

CN1554545A - 电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法

Info

Publication number: CN1554545A
Application number: CNA2003101189987A
Authority: CN
Inventors: 曹秉刚; 周好斌; 白志峰; 高振华; 康龙云
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: CN100386221C

Abstract

本发明公开了一种电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法，在电动车主电源的基础上增加一个飞轮电池辅助电源，用于存储电动车再生制动回馈能量，以及车辆加速或爬坡时协助主电源向电机供电。辅助电源系统由飞轮电池单元和直流变换DC/DC调压器组成。飞轮电池辅助电源系统不但可以使主电源的寿命得到提高，而且由于飞轮电池功率密度较大，在电动车加速时可以以很大的放电电流协助主电源供电，因此电动车的加速性能有所改善。本系统不需对原电动车控制系统在原理和结构上进行大的改动，可以很方便地实施技术改造。另外，本系统具有使用广泛的特点，可以用于电动汽车、电动摩托车、电动自行车、电动三轮车等电动车辆，具有极大的社会效益和经济效益。

Description

电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法

技术领域

本发明属于电动汽车驱动控制技术领域，涉及一种以飞轮电池作为辅助电源且具有能量再生制动功能和短时功率提升功能的电动车驱动系统的构建方法，该系统可应用于电动汽车领域，也可进一步扩展应用至电动摩托车、电动三轮车、电动自行车等电动车辆。

背景技术

制约电动车能够广泛应用的一个重要因素是其续驶里程短，而再生制动是节约能源、提高电动汽车续驶里程的关键，具有显著的经济价值和社会效益，目前在国内外的很多试验车上已经实现。现有电动车上的再生制动都是在车辆制动时，使电机工作于发电机状态，将动能或重力势能转化为电能回馈并储存在蓄电池中。

这种方案的主要缺点是车辆频繁制动时会使蓄电池频繁地充电、放电，会对电池造成一定的损失，影响电池的寿命。另外，电池作为电动车的唯一电源，在车辆加速或者爬坡的时候，蓄电池将会出现大电流放电，对电池的寿命也是不利的。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法，本发明的方法在电动车蓄电池主电源的基础上增加一个辅助电源，即飞轮电池单元及DC/DC调压器。主电源提供电动车运行所需大部分能源，电动车再生制动回馈能量通过调压器存储于飞轮电池单元中，在车辆加速和爬坡时，调压器将飞轮电池单元中储存的能量释放出来，和主电源并联向电机供电。

飞轮(Fiy-wheel)作为一种新兴的储能元件(又称飞轮电池)，由于其高效、节能、使用寿命长以及无环境污染等优点，开始引起人们的重视。而且随着新型材料技术、精密机械加工技术和电力电子技术的飞跃发展，飞轮储能技术越来越显示出它巨大的优越性。与其它储能技术相比，飞轮作为电池储能具有高比能量、高比功率、高效率、无污染、适用范围广、无噪声、长寿命、维护简单、可实现连续工作、可进行模块化设计制造等优点，非常适合应用于瞬时大功率、充放电频繁的场合。在21世纪，这种储能技术势必会给能量储存带来一场革命，展示出绿色储能技术的发展前景。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法，其特征在于，按以下方法构建：

1)首先在电动车上设置一个飞轮电池单元，用于吸收电动车再生制动回馈能量，以及车辆加速或爬坡时协助主电源向电机供电；

2)设置直流变换DC/DC调压器，分别与飞轮电池单元和原电动车的主电源与电机驱动控制器相连接；

3)在原电动车控制系统的电路基础上，增设飞轮电池单元电压和电流传感器，还需增设用于控制调压器的PWM控制信号，使微处理器能同时控制主电源和飞轮电池的充放电；

上述调压器包括有控制电路板、直流变换DC/DC变换器；控制电路板通过接口电路与主电源电压传感器、主电源电流传感器；电机电压传感器、电机电流传感器；飞轮电池单元电压传感器、飞轮电池单元电流传感器、飞轮电池单元转速传感器、飞轮电池电力电子变换单元工作状态及PWM调制信号；油门踏板驱动电位器和刹车踏板制动电位器相连接；

控制电路板上设置有微处理器，微处理器可采用单片机、DSP等器件，微处理器通过滤波电路采集电压、电流信号、加速踏板和制动踏板信号；微处理器输出的PWM信号经过光电隔离器件及驱动电路控制直流变换DC/DC变换器每个功率器件的动作。

飞轮电池一般由飞轮、轴、悬浮轴承、电机、真空容器和电力电子装置组成。真空容器将除电力电子装置以外的所有机械部件密封起来，这样飞轮和电机转子旋转时几乎没有风损。当外设通过电力电子装置给电机供电时，电机给飞轮加速，储存能量；当飞轮给电机施加转矩时，电机又通过电力电子装置给外设供电。当飞轮空闲运转时，整个装置以最小损耗运行。飞轮是飞轮储能装置中的核心部件，它一般是由特殊合成材料组成。飞轮储能装置中内置一个既是电动机也充当发电机的电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，常用的电机有永磁无刷电机、三相无刷直流电机、磁阻电机和感应电机。电力电子装置在真空容器外，它包括主电路和控制电路。主电路通常是由金属-氧化物-半导体型场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT功率开关器件组成的双向逆变器，通过它来实现能量的输入和输出。控制电路不仅控制逆变器的输入输出，而且对整个装置起保护和控制作用。

采用本发明的方法构建的电动车飞轮电池辅助电源系统，具有以下明显优点：

1)由飞轮电池存储电动车再生制动回馈能量，避免了频繁充电、放电对电动车主电源的不利影响，由于飞轮电池使用寿命远远大于蓄电池，因此电动车电源系统的寿命得到提高；

2)在车辆加速和爬坡时，飞轮电池协助主电源向电机提供一部分能量，使主电源的放电电流值不至于太大，从而使主电源的寿命得到提高；

3)由于飞轮电池功率密度大的特点，车辆加速时可以以很大的放电电流协助主电源供电，因此电动车的加速性能有所改善。

4)本系统不需对原电动车控制系统在原理和结构上进行大的改动，只需把原控制系统所用的部分传感器输出信号接入控制电路板中，可以很方便地实施技术改造。

5)本系统使用广泛，可以用于电动汽车、电动摩托车、电动自行车、电动三轮车等电动车辆。

附图说明：

图1是本发明系统结构图；

图2是本发明控制电路框图；

图3是实施例中DC/DC变换器调压器电路原理示意图；

图4是实施例中电动车驱动时电流方向示意图；

图5是实施例中电动车制动时电流方向示意图。

具体实施方式

以下结合附图和发明人给出的实例，对本发明作进一步的详细描述。

参见图1～5，依照本发明的技术方案，本实施例的技术路线是：在原电动车驱动控制系统基础上，增设一个飞轮电池辅助电源系统，该辅助电源系统由飞轮电池和DC/DC调压器组成。

DC/DC调压器包括有控制电路板以及直流变换DC/DC变换器；DC/DC变换器部分可采用多种已广泛使用的电路，例如boost、buck、cuk变换器及其组合而成的各种变换器；控制电路板通过接口电路与主电源电压传感器、主电源电流传感器；电机电压传感器、电机电流传感器；飞轮电池单元电压传感器、飞轮电池单元电流传感器、飞轮电池单元转速传感器、飞轮电池电力电子变换单元工作状态及PWM调制信号；油门踏板驱动电位器和刹车踏板制动电位器相连接；本实施例的直流变换DC/DC变换器部分采用由boost和buck电路组成的双向、升降压电路，如图4所示。

控制电路板上设置有微处理器，微处理器采用DSP，通过采样电路采集电压、电流信号、加速踏板和制动踏板信号；DSP输出的PWM信号经过光电隔离器件及驱动电路控制DC/DC变换器每个功率器件的动作；光电隔离电路由光耦实现；控制器所需各种电平由主电源经过普通DC/DC开关电源来提供。

功率器件T1、T2、T3、T4组成双向、升降压变换器电路，其中T1、T2与飞轮电池单元相连，T3、T4分别与主电源的正、负极相连。四个功率器件在每一时刻仅有一只处于PWM工作状态，其中，T1工作时形成驱动降压变换器，T4工作时形成驱动升压变换器，T2工作时形成制动升压变换器，T3工作时形成制动降压变换器。调压器控制电路板微处理器根据采集到的飞轮电池单元的飞轮转速及飞轮处于输出工作状态时的电压、主电源电压以及车辆驾驶模式来控制DC/DC变换器处于上述四种工作状态之一，同时控制飞轮电池单元的工作状态以实现车辆再生制动能量向飞轮电池单元的储存，或者使飞轮电池单元协助主电源向电机供电。

飞轮电池一般由飞轮、轴、悬浮轴承、电机、真空容器和电力电子装置组成。真空容器将除电力电子装置以外的所有机械部件密封起来，这样飞轮和电机转子旋转时几乎没有风损。当外设通过电力电子装置给电机供电时，电机给飞轮加速，储存能量；当飞轮给电机施加转矩时，电机又通过电力电子装置给外设供电。当飞轮空闲运转时，整个装置以最小损耗运行。飞轮是飞轮储能装置中的核心部件，它一般是由特殊合成材料组成。飞轮储能装置中内置一个既是电动机也充当发电机的电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，现在常用的电机有永磁无刷电机、三相无刷直流电机、磁阻电机和感应电机。电力电子装置在真空容器外，它包括主电路和控制电路。主电路通常是由金属-氧化物-半导体型场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT功率开关器件组成的双向逆变器，通过它来实现能量的输入和输出。控制电路不仅控制逆变器的输入输出，而且对整个装置起保护和控制作用。

电动车电机为永磁有刷直流电机，20KW，额定电压120V；主电源由10节200AH铅酸蓄电池串联组成；功率器件采用IGBT及其相应的驱动电路；所用微处理器采用TI公司TMS320LF2407DSP；电压传感器采用电流型200V电压传感器；电流传感器采用电流型200A电流传感器。PWM调制频率为20KHz；信号采集和控制周期取1ms；采用PI控制算法。

具体工作原理：

电动车加速或爬坡，且飞轮电池单元输出电压高于120v时，T2、T3、T4关断，T1工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的驱动降压变换，飞轮电池单元协助主电源向电机供电。

电动车加速或爬坡，且飞轮电池单元输出电压低于120v时，T1导通，T2、T3关断，T4工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的驱动升压变换，飞轮电池单元协助主电源向电机供电。

电动车再生制动时，且飞轮电池单元输出电压低于120v时，T1、T2、T4关断，T3工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的制动降压变换，电动车再生制动回馈能量通过DC/DC变换器存储于飞轮电池单元中。

电动车再生制动时，且飞轮电池单元输出电压高于120v时，T3导通，T1、T4关断，T2工作于PWM斩波调制，实现直流变换DC/DC变换器的制动升压变换，电动车再生制动回馈能量通过DC/DC变换器存储于飞轮电池单元中。

Claims

1.一种电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法，其特征在于：

2)设置直流变换调压器，分别与飞轮电池单元和原电动车的主电源与电机驱动控制器相连接；

3)在原电动车控制系统的电路基础上，增设飞轮电池电压和电流传感器，还增设用于控制调压器的脉宽调制控制信号，使微处理器能同时控制主电源和飞轮电池的充放电；

上述调压器包括有控制电路板、直流变换DC/DC变换器；控制电路板通过接口电路与主电源电压传感器、主电源电流传感器；电机电压传感器、电机电流传感器；飞轮电池单元电压传感器、飞轮电池单元电流传感器、飞轮电池单元转速传感器、飞轮电池电力电子变换单元工作状态及脉宽调制PWM调制信号；油门踏板驱动电位器和刹车踏板制动电位器相连接；

控制电路板上设置有微处理器，微处理器可采用单片机、数字处理器DSP等器件，微处理器通过采样电路采集各种电压、电流信号、加速踏板和制动踏板信号；微处理器输出的脉宽调制PWM信号经过光电隔离器件及驱动电路控制直流变换DC/DC变换器每个功率器件的动作。

2.如权利要求1所述的电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法，其特征在于，所述主电源为蓄电池，辅助电源为飞轮电池。

3.如权利要求1或2所述的电动车飞轮电池辅助电源系统，其特征在于，飞轮电池由飞轮、轴、悬浮轴承、电机、真空容器、电力电子装置和传感器及接口电路组成。

4.如权利要求1所述的电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法，其特征在于，电动机采用普通直流电机或永磁有刷直流电机或永磁无刷直流电机或永磁同步电机或开关磁阻电机或异步电机。

5.如权利要求1所述的电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法，其特征在于，所述调压器DC/DC变换器功率器件采用功率晶体管GTR或金属—氧化物—半导体型场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT或门极关断晶闸管GTO。

6.如权利要求2所述的电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法，其特征在于，所述蓄电池是铅酸蓄电池或锂离子电池或镍氢蓄电池。