CN1583458A

CN1583458A - 一种轻型交通工具的集成电力驱动系统

Info

Publication number: CN1583458A
Application number: CNA2004100252850A
Authority: CN
Inventors: 吕征宇
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2024-06-15
Also published as: CN1292937C

Abstract

本发明公开了一种种轻型交通工具的集成电力驱动系统。包括集成控制系统与电力驱动系统相连接；电力驱动系统：蓄电池分别接驱动变换器的输入端、充电器的输出端和辅助电源的输入端，驱动电机的功率输入接点分别接驱动变换器的输出端和充电器的输入端，功率变换器接集成控制系统。集成控制系统：速度与位置检测单元接信号处理单元，信号处理单元分别接电池工作状态检测、控制面板接口、功率变换器状态检测单元、电机驱动、充电器驱动，驱动电机接至驱动变换器，充电器驱动接至充电器。本发明的电力驱动系统由集成控制系统决定何时驱动；集成控制系统收集电力驱动系统的工况，并结合操纵指令，形成对电力驱动系统的控制信号。

Description

一种轻型交通工具的集成电力驱动系统

所属技术领域

本发明涉及一种轻型交通工具的集成电力驱动系统。

背景技术

自行车是大众的主要短途交通工具，目前趋于向电动助动车方向发展(主要区别在于动力、重量速度等方面的有所增加，在下面叙述中不再区别对待)；而摩托车(包括轻骑)则在农村和中小城市个人交通中十分流行。本发明涉及一种集成电力驱动系统，面向轻型交通工具的电力驱动，主要用于助动车与摩托车的清洁动力系统。该集成电力驱动系统也可用于三轮车、小型游览车、叉车等物流搬运平台以及其他需要反复起动的低速小型车辆等轻型交通工具和小型机械的清洁动力源。为说明问题方便，这里将助动车与摩托车作为例子对本发明的系统加以描述。

随着城市空间的扩大、流动性增加与生活水平的提高，使动力型的轻便交通工具需求日益迫切。电动型助动车因其噪音低、无气体污染等特点而被大众所接受，目前正在迅速推广中。至于电池可能产生的污染则可以通过专业工厂的处理来控制。电动助动车(包括电动摩托车)的最大缺点是电池性能不理想。铅酸电池比容量低，例如目前电动助动车上配的36V/12Ah的铅酸电池达12公斤左右，而行驶距离往往在50公里左右，考虑到实际道路平整度与遇到红绿灯频繁刹车、启动情况，城市中实际有效行驶距离仅仅在30公里左右。后随着电池的衰退，行驶距离进一步缩短。电池的寿命又普遍比较短，通常在一年以内。采用镍镉电池放电内阻低，但固有的充放电记忆特性和严重的潜在污染使得其不适合于作为助动车的能源。镍氢电池克服了镍镉电池的污染缺点，且比能有所提高，但其价格高，自放电严重，能量密度依然不够高，性能价格比不具有优势。锂电池比能高，与其他电池比较性能优异，但目前作为动力电池其性能还不够稳定；高昂的价格，也使其不可能被大规模推广。总之，用电池作为动力，存在着行驶里程短、使用寿命短、价格高、自重比例高等系列问题。

发明内容

本发明的目的在于提供能改善电力驱动性能和延长电池使用寿命的一种轻型交通工具的集成电力驱动系统。

为了达到上述目的，本发明采用技术方案如下：本发明公开一种轻型交通工具的集成电力驱动系统，包括电力驱动系统与集成控制系统两部分；其中：

1)电力驱动系统：包括驱动电机、蓄电池、功率变换器；其中功率变换器又包括驱动变换器、充电器、辅助电源，驱动变换器与充电器均为开关功率变换器，蓄电池分别接驱动变换器的输入端、充电器的输出端和辅助电源的输入端，驱动电机的功率输入接点分别接驱动变换器的输出端和充电器的输入端，功率变换器接集成控制系统；

本发明中的充电器是专门为能量回馈所设置的，蓄电池通过市电充电需要另外的充电器。

2)集成控制系统：速度与位置检测、发动机启动、电池工作状态检测、信号处理、电机驱动、控制面板接口、功率变换器状态检测、充电器驱动单元；速度与位置检测单元接信号处理单元，信号处理单元分别接电池工作状态检测、控制面板接口、功率变换器状态检测单元、电机驱动、充电器驱动，驱动电机接至驱动变换器，充电器驱动接至充电器。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：电力驱动系统由集成控制系统决定何时驱动；集成控制系统收集电力驱动系统的工况，并结合操纵指令，形成对电力驱动系统的控制信号。本发明能使电动机和电子功率变换器有机结合，在城市道路上红绿灯频繁的状况下，在启动过程能在不提高电池输出电流的条件下使驱动电机够获得大扭矩的输出，通过精心研制的控制器，对电池进行全程充放电管理，其续驶里程和工作寿命可大大延长，提高启动性能和延长电池寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1电力驱动系统图；

图2升压与降压变换器典型电路拓扑图；

图3充电用升压变换器限流限压控制方案图；

图4驱动用降压变换器限流限压控制方案图；

图5功率变换器的典型主电路图；

图6带逆变器的驱动变换器及充电器图；

图7是带逆变器的驱动变换器的典型主回路图；

图8是双向驱动变换器图；

图9是双向变换器典型电路拓扑图；

图10是集成控制系统图；

图11是集成控制系统中的驱动变换器控制程序例图；

图12是电力驱动系统实施例图。

具体实施方式

分析上述两种车型的特点，本发明提出的集成电力驱动系统，避免在起动与低速下的电池电能利用率低的缺点，与城市道路上红绿灯频繁的状况相适应。其启动力矩加大，而续驶里程和工作寿命得到延长。

以下是集成混合动力系统的各个部分说明。

1)电力驱动系统

电力驱动系统如图1所示，包括驱动电机、蓄电池、功率变换器；其中功率变换器又包括驱动变换器、充电器、辅助电源，驱动变换器与充电器均为开关功率变换器，蓄电池分别接驱动变换器的输入端、充电器的输出端和辅助电源的输入端，驱动电机的功率输入接点分别接驱动变换器的输出端和充电器的输入端，功率变换器接集成控制系统。

驱动电机由蓄电池通过驱动变换器供电，处于电动机状态；当需要减速或所在的车子处于下坡限速时，驱动电机通过传动系统可工作在发电机状态，充电器则将驱动电机的端电压变换成蓄电池所需的充电电压，辅助电源对本发明的整个集成混合动力系统中各个部分提供辅助电源。

驱动变换器与充电器均为具有限流、限压功能的DC-DC开关变换器。针对蓄电池电压通常高于驱动电机工作电压的情况，以驱动变换器是降压型DC-DC开关变换器，充电器是升压型DC-DC开关变换器为好。驱动变换器的输入端分别接蓄电池与充电器的输出端，驱动变换器的输出端分别接驱动电机与充电器的输入端，见附图5；其中的降压型功率变换器主电路由半导体开关S、二极管D、电感L、电容器C组成，半导体开关的一端接蓄电池，半导体开关的另一端分别接二极管的一端及电感的一端，电感的另一端接电容的一端及驱动电机，二极管的另一端及电容均接公共端；其中的升压型功率变换器主电路由半导体开关S、二极管D1、电感L及电容器C组成，电感的一端接蓄电池，电感的另一端接半导体开关及接二极管的一端，二极管的另一端接电容的一端及输出端驱动电机，半导体开关的另一端及电容均接公共端。图2所示的是升压与降压电路的典型电路拓扑。驱动变换器与充电器均具有限流、限压功能，图3所示的是充电用升压变换器限流限压的一种控制方案例，图4所示的是驱动用降压变换器限流限压的一种控制方案，图5所示的是功率变换器的典型主电路。辅助电源通常为降压型DC-DC开关变换器。

驱动电机可以采用常规的交、直流电机，但又以采用永磁轮毂电机比较有利。当驱动电机为永磁直流无刷轮毂电机时，功率变换器还包括永磁直流无刷电机的逆变器；其中的驱动变换器输入端接蓄电池，驱动变换器的另一端接逆变器输入端，逆变器的输出端接驱动电机，即永磁直流无刷轮毂电机，见附图6(a)；充电器的输入端接在驱动变换器中DC-DC变换器与逆变器之间或通过内部整流器与驱动电机相接，见附图6(b)、6(c)；充电器的输出端接蓄电池。逆变器通常采用常规的三相六开关逆变器，见附图7。

驱动电机可以采用常规的交、直流电机，但又以采用永磁轮毂电机比较有利。当需要能量回馈时，永磁电机可以直接作为发电机给蓄电池充电。作为永磁电机有永磁交流同步、永磁直流无刷和永磁直流有刷等类别，其中的永磁直流无刷电机与永磁交流同步相比具有制造与控制相对简单，与永磁直流有刷相比则具有维护简单、噪音低、寿命长等特点。因此永磁直流无刷电机更适合于本系统，尤其是采用永磁轮毂电机更具有动力输出结构简单的优点。如同常规电动助动车，对于永磁直流无刷电机，驱动变换器需要用逆变器，其本身也可以工作在限流限压状态；通常，将驱动变换器分成如图6(a)所示的限流型DC-DC开关电压变换器与逆变器两个部分能更好地工作，包括控制性能好与变换器变换效率高。如图6(b)所示的是带逆变器时充电器的接法。充电器也可以由DC/DC变换器加整流器构成，整流器的输入端接电机，如图6(c)所示。当驱动变换器本身就是逆变器时，充电器也需要包含整流器。如图7所示是带逆变器的驱动变换器的典型主回路。

通常功率变换器中的逆变器能够工作在双向功率流动状态；如采用图8所示的双向驱动变换器，由限流限压型DC-DC变换器与逆变器结合而成，功率变换器工作更为可靠、性能更好。双向驱动变换器同时具备驱动变换器与充电器两部分功能，并能省去充电器。双向功率流控制比较复杂，输出电压(与驱动电机速度成比例)完全由设定值给定，好处是能够控制减速。由于蓄电池在频繁充放电过程中容易老化，采用超级电容器与蓄电池并联工作，由超级电容器承担频繁充放电任务比较有利于延长装置寿命。

当驱动变换器是限压、限流型输出的双向开关功率变换器时，其主电路包括半导体开关S1与S2、二极管D1与D2、电感L、电容器C，二极管D1与D2是分立的或是分别集成在半导体开关S1与S2内部；见附图9。

图9所示的是典型的双向变换器电路拓扑例子。如图7所示中的逆变器本身也可以是双向变换器(这时需要按照双向变换器工作模式来控制)，但用如图9所示的电路其控制效果通常会更好些。

2)集成控制系统

包括速度与位置检测、发动机启动、电池工作状态检测、信号处理、驱动电机驱动、控制面板接口、功率变换器状态检测、充电器驱动单元；速度与位置检测单元接信号处理单元，信号处理单元分别接电池工作状态检测、控制面板接口、功率变换器状态检测单元、电机驱动、充电器驱动，驱动电机接至驱动变换器，充电器驱动接至充电器；如图10所示。

本发明的集成控制系统采用包括微电脑芯片的集成电路，统管整个集成混合动力系统的运行。其中：

1)速度与位置检测单元：为驱动电机内置的霍尔传感器，与信号处理单元连接。信号处理单元通过处理该检测信号，可以获得驱动电机转子的位置与速度信号。

2)电池工作状态检测单元包括：电池电压检测单元、电池输出电流与充电检测单元、电池温度检测单元。电池电压检测单元与电池并联，电池电流检测单元与电池串联，电池温度检测单元紧贴在电池表面。上述这些单元均与信号处理单元连接，向信号处理单元传送电池状态。信号处理单元通过处理这些检测信号，可以获得电池的电量、输出功率、充电水平等状态信息。

3)功率变换器状态检测单元：由功率变换器中的驱动变换器、充电器中的输入电压与电流信号、输出电压与电流信号、温度等传感器组成，温度传感器进贴变换器的散热器，其余均置于这些电路相应处，这些信号的输出端与信号处理单元连接，信号处理单元通过处理这些信号可以获得变换器的输入与输出功率、限流与限压状况等变换器状态。

4)控制面板接口：包括动力给定、速度显示、蓄电池电量显示等控制面板的信息通讯接口，该接口与信号处理单元连接。

5)电机驱动单元与充电器驱动单元：由电平转换与信号隔离电路构成，与信号处理单元连接，用于给出驱动变换器与充电变换器的工作电流、电压指令。

6)信号处理单元：由数字集成电路、微处理器或数字信号处理器构成，与上述1)-5)的单元连接。

系统由速度与位置检测得到的信号，及来自面板接口的操纵指令，经过信号处理单元分析处理，通过电机驱动等单元控制驱动电机的工作状态；位置信号用于对永磁直流无刷电机或同步电机的驱动变换器的逆变器控制；由电池工作状态检测与功率变换器状态检测得到的信号(电流、电压、电量、温度等)，经过信号处理单元分析处理，通过充电器驱动单元控制充电器的工作、并决定功率变换器的电压电流大小，以及是否进入保护等。

上述系统包括了调速、电机驱动控制、电池充放电管理、速度控制、电流限制、动力系统状态管理(包括运行状态记忆)等功能，还包括面板的显示与操纵接口(如信号接收：车速显示；状态信号输出：输出电流限制指令、输出电压指令、喇叭信号)。

本功率变换器的特点是，通过功率变换将蓄电池的电压变换成与驱动电机转速适应的水平，使驱动电机在启动和低速运行时允许以最大转矩加速而不产生过流；同时，通过开关功率变换使得低速下电池的输出电流明显小于驱动电机电流，延长了电池寿命；在车子下坡限速或减速时，能够利用发电状态下的驱动电机作为蓄电池的充电电源。功率变换器的输出受到车速设定、实际车速与电池状态的三重控制。在低速启动阶段，输出电流控制为最大恒定电流方式；在低、中速度段，速度达到设定速度时，电流根据负载而自动适应，控制目标是速度，同时兼顾最大输出功率以保护电池。

输出电功率还将受到电池状况的影响，必须控制电池放电时处于欠压临界点上方，保护电池既不过放电又能最大限度提取所需的功率。如果电池已经处于欠压状态则不允许输出功率，使电池能够先通过充电得到电力。如图11所示是集成控制系统中的驱动变换器的控制程序例。

当电池处于充电状态时，充电方式是根据电池的实际情况来定的，例如当电池电量基本未满时，采用恒定电流充电；如电池接近充满时则采用恒定电压充电方式。处于充电状态时，充电器通过调节，可以自动适应发电机的输出电压变化。

通过驱动变换器，驱动电机在低速下的电池过流现象得到克服，并降低了对电池的过电流冲击，大大提高了电池的运行效率与工作寿命。集成控制系统的手动控制功能，则可在必要时用来提高车子爬坡时的驱动力和行使时的加速度。

5)实施例

电力驱动系统如图12所示，由150W永磁直流无刷轮毂电机(如果用于摩托车，则功率需要在1kW左右)、36V/6Ah动力型铅酸蓄电池、降压型(BUCK)DC-DC开关变换器与三相方波逆变器(构成驱动变换器)、升压型(BOOST)DC-DC开关功率变换器(用于充电器)、辅助电源等构成。驱动电机通过驱动变换器由蓄电池供电，工作在电动机状态；当需要下坡限速或减速时，驱动电机通过机械传动系统可工作在发电机状态，通过充电器为蓄电池充电。驱动变换器与充电器两者均具有限流、限压功能；这种设计的优点是控制比较简便(考虑到通常充电电流仅约为驱动电流的1/10-1/3，充电器与驱动器即便同时工作所产生的环流也不会造成严重后果)。这种设计的另外一个特点是，速度控制具有单向性，即电力驱动仅仅在加速和稳速有效，一旦速度超过设定值(例如手把控制从高速位置返回低速时)，车速依惯性减速，而不是强制减速，这比较符合传统驾驶习惯。

集成控制系统由速度与位置检测、电池工作状态检测、信号处理单元、电机驱动、控制面板接口、功率变换器状态检测、充电器驱动等单元构成。速度与位置检测可以采用永磁直流无刷电机自带的霍尔传感器、信号处理单元采用INTEL公司的8XC196KB单片机。

采用本发明集成混合动力系统的自行车与摩托车等轻型交通工具，其造型及功能满足自行车和摩托车标准和规范，适应现行道路及环保规定，是理想的高科技环保型个人交通工具。本发明的集成混合动力系统同样适用于三轮车、小型游览车、叉车等物流搬运平台以及其他需要反复启动的低速小型车辆等轻型交通工具和小型机械的清洁动力源。

Claims

1、一种轻型交通工具的集成电力驱动系统其特征在于包括：电力驱动系统和集成控制系统；集成控制系统与电力驱动系统相连接；其中：

2)集成控制系统：包括速度与位置检测、发动机启动、电池工作状态检测、信号处理、电机驱动、控制面板接口、功率变换器状态检测、充电器驱动单元；速度与位置检测单元接信号处理单元，信号处理单元分别接电池工作状态检测、控制面板接口、功率变换器状态检测单元、电机驱动、充电器驱动，驱动电机接至驱动变换器，充电器驱动接至充电器。

2、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的集成电力驱动系统，其特征在于集成控制系统包括以下部分：

1)速度与位置检测单元：为驱动电机内置的霍尔传感器，与信号处理单元连接；

2)电池工作状态检测单元包括：电池电压检测单元、电池输出电流与充电检测单元、电池温度检测单元；电池电压检测单元与电池并联，电池电流检测单元与电池串联，电池温度检测单元紧贴在电池表面，上述这些单元均与信号处理单元连接；

3)功率变换器状态检测单元：由功率变换器中的驱动变换器、充电器中的输入电压与电流信号、输出电压与电流信号、温度传感器组成；温度传感器紧贴变换器的散热器，其余均置于这些电路相应处，这些信号的输出端与信号处理单元连接；

4)控制面板接口：包括动力给定、速度显示、蓄电池电量显示等控制面板的信息通讯接口，该接口与信号处理单元连接；

5)电机驱动单元与充电器驱动单元：由电平转换与信号隔离电路构成，与信号处理单元连接；

3、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的集成电力驱动系统，其特征在于：功率变换器中的驱动变换器为降压型DC/DC开关变换器，充电器为升压型DC/DC开关变换器，驱动变换器的输入端分别接蓄电池与充电器的输出端，驱动变换器的输出端分别接驱动电机与充电器的输入端；其中的降压型功率变换器主电路由半导体开关S、二极管D、电感L、电容器C组成，半导体开关的一端接蓄电池，半导体开关的另一端分别接二极管的一端及电感的一端，电感的另一端接电容的一端及驱动电机，二极管的另一端及电容均接公共端；其中的升压型功率变换器主电路由半导体开关S、二极管D1、电感L及电容器C组成，电感的一端接蓄电池，电感的另一端接半导体开关及接二极管的一端，二极管的另一端接电容的一端及输出端驱动电机，半导体开关的另一端及电容均接公共端。

4、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的集成电力驱动系统，其特征在于：驱动电机为永磁直流无刷轮毂电机，功率变换器还包括永磁直流无刷电机的逆变器；其中的驱动变换器输入端接蓄电池，驱动变换器的另一端接逆变器输入端，逆变器的输出端接驱动电机，即永磁直流无刷轮毂电机；充电器的输入端接在驱动变换器中DC-DC变换器与逆变器之间或通过内部整流器与驱动电机相接，充电器的输出端接蓄电池。

5、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的集成电力驱动系统，其特征在于：逆变器为常规三相六开关逆变器。

6、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的集成电力驱动系统，其特征在于：驱动变换器是限压、限流型输出的双向开关功率变换器，其主电路包括半导体开关S1与S2、二极管D1与D2、电感L、电容器C，二极管D1与D2是分立的或是分别集成在半导体开关S1与S2内部。