CN201058577Y - 一种电动车制动能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动车制动能量回收装置。它由小型直流发电机、摩擦轮无级变速离合器、制动手把、能量回收及监控电路组成。本装置在转动手把进行制动时，利用高摩擦系数的弹性球与车轮啮合升速，再经过传动装置带动电机运转发电。改变转把力度可以实现制动速度无级可控。电动车短时间内制动所产生的电能被暂存到法拉电容中，经boost斩波升压电路变换到适宜为普通车载铅酸蓄电池充电的电平，在单片机控制算法下，进行脉冲式智能能量回馈，同时将能量回收利用状况输出到人机界面。本实用新型可以与传统制动器配合使用，能提高电动车续航里程，节省能源，延长电池寿命，降低制动噪音污染。

Description

一种电动车制动能量回收装置

技术领域

本实用新型涉制动能量回收装置，尤其是涉及一种电动车制动能量回收装置。

背景技术

我国电动车产业彭勃发展的背后，电动车带来的能源、环境问题日益突出。目前普遍使用的铅酸电池一般能充放电300个循环，正常使用寿命仅一年多。同时，城市交通拥挤带来的车辆频繁起停会耗费大量的电能，同时也极大的缩短电池的寿命。

此外，我们也看到传统制动器的诸多缺点，如制动能量完全转化为热能耗散，制动器易坏，易磨损，不稳定，成为事故隐患，大量的噪声污染等等。

经调查，现有的制动能量回收装置从原理上主要分为三大类：飞轮储能式，液压储能式，电池储能式。前两者不适于小型车辆回收。而蓄电池储能，各方面性能较好，易与电动车自身配合，但充放电频率小，难以接受冲击电流的能量。而车辆在大多数制动时，需要迅速转化能量。如果强行充电，不但能量利用率低，而且可能使蓄电池受到损害，反而导致寿命缩短。

纵观现有的电动车电学能量回收方案，其存在的问题为：适用于大型机动车辆，过于复杂，造价昂贵，难以小型化；缺少能量缓冲和回馈控制系统，能量回收率不高；无法像传统刹车自由控制制动速度；缺少便捷的操作机构或不符合人们所习惯的制动方式；传统制动加速度不高，且无法和传统制动器兼容。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种更高效、廉价、便捷的电动车制动能量回收装置。

电动车包括：车架，车架上设有前叉和后轮悬挂装置及电池槽，前叉上装有前轮，后轮固定于后轮悬挂装置，车架上设有车座和载物架，前叉顶部为车头，左侧为后刹，右侧为前刹及调速装置，其特征在于：电池槽后面设有电机固定块，在电机固定块上设有小型直流发电机，与小型发电机同轴设有升速传动装置，后轮斜上方安装有摩擦变速机构，后轮上方的车架与升速传动装置之间装有增力杆组，左侧车把上安装有转把装置，转把装置与增力杆组通过刹车线相连，摩擦变速机构与升速传动装置通过刹车杆及皮带相连，小型发电机与升速传动装置通过联轴器相连，回收装置用控制器控制。

所述的摩擦变速机构具有主动轴，在主动轴上设有两刹车杆、两固定盘、变形球、大带轮，其中两刹车杆与轴通过轴承相连接，两固定盘与轴通过销钉相连接，大带轮与轴通过螺钉相连接，变形球通过长销钉与两固定盘相连接；转把装置与增力杆组通过刹车线相连，摩擦变速机构与升速传动装置通过刹车杆及皮带相连，小型发电机与升速传动装置通过联轴器相连，回收装置由控制器控制。

升速传动装置具有从动轴，从动轴上设有小带轮、套筒、弹性联轴器，其中小带轮与从动轴通过螺钉相连接，套筒与从动轴通过滚动轴承相连接，套筒上套合有两刹车杆以及固定块，联轴器一端与从动轴通过紧定螺钉相连接，联轴器另一端与发电机相连接。

增力杆组包括刹车杆、连杆、受力杆，其中刹车杆一端与套筒套合，中间通过轴承与主动轴配合，另一端与连杆的下端铰接，连杆的上端与受力杆的下端铰接，受力杆中部与后轮上方的车架铰接，受力杆的上端接刹车线与复位弹簧。

转把装置包括金属车把，由内到外依次套有硬质滑套、橡胶握把以及刹车线，其中刹车线一头固定于固定滑套，刹车线另一头绕凹槽半圈从固定挡圈的孔中穿出；

控制器的电路为：斩波升压控制器输出端与功率场效应管的门极相接，功率场效应管的漏极经第三电阻接地，功率场效应管的源极与肖特基二极管的正极、功率电感的一端相接，功率电感的另一端经过超级电容接地，二极管的负极与斩波升压控制器的反馈线、第二电容一端、滤波电感的一端相接，第二电容另一端接地，滤波电感的另一端与第三电容一端、第一电阻一端、第一开关场效应管的源极相接，第三电容另一端接地，第一电阻另一端与第二电阻一端，第二开关场效应管的门极相接，第二电阻的另一端经第二开关场效应管接地，第二开关场效应管的门极经第五电阻与微处理器的脉宽控制口相接，第一开关场效应管的漏极经蓄电池，第四电阻接地，微处理器的斩波升压控制口与斩波升压控制器相接，电容采样口与超级电容正极相接，电流采样口与第四电阻的一端相接，电池电压采样口与蓄电池正极相接，微处理器的多个输入输出口与液晶显示器相接。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：

1)由于使用了电容缓冲器和能量回收监控电路，回收率高；

2)操作便捷，符合一般人使用车闸习惯，同时能和传统车闸配合使用；

3)机构设计合理高效，摩擦轮在传动升速同时完成离合、变速工作；杆组出力逐渐增大，缓解球变形压力的非线性，使手把控制更加舒适；

4)电路与程序设计合理，全程控制，安全高效；脉冲式电流在能量反馈的同时有助于去除蓄电池电极表面极化；

5)体积小，成本低，适于对传统车辆改造。

附图说明

图1(a)是装有制动能量回收装置的电动车左视图；

图1(b)是装有制动能量回收装置的电动车等轴测视图；

图2是用于制动能量回收装置的摩擦变速机构结构示意图；

图3是用于制动能量回收装置的带轮增力杆组结构示意图；

图4是用于制动能量回收装置的升速传动装置结构示意图；

图5是用于制动能量回收装置的转把装置结构示意图；

图6是用于制动能量回收装置的接触开关安置示意图；

图7是用于制动能量回收装置的控制电路示意图；

图8是用于制动能量回收装置的控制电路框图；

图9是用于制动能量回收装置的控制程序流程图；

图10是用于制动能量回收装置的充放电主回路图；

图中：小带轮1、皮带2、大带轮3、连杆4、复位弹簧5、受力杆6、电容7、刹车杆8、变形球9、发电机10、电机固定块11、转动式车刹12、显示器13、传统车刹14、螺钉15、套筒16、从动轴17、固定块18、弹性联轴器19、固定盘20、轴承21、电动车支架22、主动轴23、销钉24、长销钉25、橡胶握把26、硬质滑套27、刹车线28、金属车把29、固定挡圈30、弹性钢丝31、接触开关32。

具体实施方式

如图1所示，电动车包括：车架，车架上设有前叉和后轮悬挂装置及电池槽，前叉上装有前轮，后轮固定于后轮悬挂装置，车架上设有车座和载物架，前叉顶部为车头，左侧为后刹，右侧为前刹及调速装置，其特征在于：电池槽后面设有电机固定块11，在电机固定块上设有小型直流发电机10，与小型发电机同轴设有升速传动装置，后轮斜上方安装有摩擦变速机构，后轮上方的车架与升速传动装置之间装有增力杆组，左侧车把上安装有转把装置，转把装置与增力杆组通过刹车线28相连，摩擦变速机构与升速传动装置通过刹车杆8及皮带2相连，小型发电机10与升速传动装置通过联轴器19相连，回收装置用控制器控制。

如图2所示，摩擦变速机构具有主动轴23，在主动轴上设有两刹车杆8、两固定盘20、变形球9、大带轮3，其中两刹车杆8与轴23通过轴承21相连接，两固定盘20与轴23通过销钉24相连接，大带轮3与轴23通过螺钉15相连接，变形球9通过长销钉25与两固定盘20相连接；转把装置与增力杆组通过刹车线28相连，摩擦变速机构与升速传动装置通过刹车杆8及皮带2相连，小型发电机10与升速传动装置通过联轴器19相连，回收装置由控制器控制。变形球使用高弹性橡胶制成，中空且具有大表面摩擦系数。工作时，刹车杆8受力下压，变形球9与车轮接触，在摩擦力作用下随车轮运动，再将运动通过长销钉25传递到固定盘20，再到主动轴23，大带轮3。控制转把压力增大，则变形球半径减小，变速比也随之增大，发电机10转速提高也即增大了磁阻，制动时间缩短。

如图3所示，增力杆组包括刹车杆8、连杆4、受力杆6，其中刹车杆8一端与套筒16套合，中间通过轴承21与主动轴23配合，另一端与连杆4的下端铰接，连杆4的上端与受力杆6的下端铰接，受力杆6中部与后轮上方的车架22铰接，受力杆6的上端接刹车线与复位弹簧5。工作时，受力杆6先承受刹车线传递来的力，以车架铰接点为支点，产生第一次增力并传递给连杆4。连杆4与受力杆6组合形成平行四边形结构效应实现第二次增力。同时带轮杆组旋转引起压力角变化，力的放大倍数逐渐增大。这一制动力进而传递给刹车杆8，刹车杆8以套筒16为支点，形成第三次增力，产生的力经21传递给主动杆23；

如图4所示，升速传动装置具有从动轴17，从动轴上设有小带轮1、套筒16、弹性联轴器19，其中小带轮1与从动轴17通过螺钉相连接，套筒16与从动轴17通过滚动轴承21相连接，套筒16上套合有两刹车杆8以及固定块18，联轴器19一端与从动轴17通过紧定螺钉相连接，联轴器19另一端与发电机10相连接。

如图5所示，转把装置包括金属车把29，由内到外依次套有硬质滑套27、橡胶握把26以及刹车线28，其中刹车线28一头固定于固定滑套27，刹车线28另一头绕凹槽半圈从固定挡圈30的孔中穿出。金属车把29和硬质滑套27是间隙配合，轴向固定，可自由转动，刹车线固定在硬质滑套27上，随着硬质滑套27的转动缠绕在内部凹槽上。另外橡胶握把26可以改善手感及摩擦效果。

如图6所示，限位开关32安置在固定挡圈30外壁，弹性钢丝31固定于硬质滑套27上。正常行驶中，钢丝将开关压下，车辆制动时，钢丝与开关脱离。

如图7所示，控制器的电路为：斩波升压控制器U2输出端与功率场效应管Q2的门极相接，功率场效应管Q2的漏极经第三电阻R3接地，功率场效应管Q2的源极与肖特基二极管D1的正极、功率电感L1的一端相接，功率电感L1的另一端经过超级电容C1地，二极管D1的负极与斩波升压控制器U2的反馈线、第二电容C2一端、滤波电感L2的一端相接，第二电容C2另一端接地，滤波电感L2的另一端与第三电容C3一端、第一电阻R1一端、第一开关场效应管Q1的源极相接，第三电容C3另一端接地，第一电阻R1另一端与第二电阻R2一端，第二开关场效应管Q3的门极相接，第二电阻R2的另一端经第二开关场效应管Q3接地，第二开关场效应管Q3的门极经第五电阻R5与微处理器U1的脉宽控制口相接，第一开关场效应管Q1的漏极经蓄电池，第四电阻R4接地，微处理器U1的斩波升压控制口与斩波升压控制器U2相接，电容采样口与超级电容C1正极相接，电流采样口与第四电阻R4的一端相接，电池电压采样口与蓄电池BT1正极相接，微处理器U1的多个输入输出口与液晶显示器T1相接。斩波升压控制器U2控制功率场效应管Q2以400K作高频开关，根据电感L1电流不能突变之特性，其输出端电压被拉到45V，经肖特基管D1整流送入电容C2、C3，电感L2组成的π型高阶低通滤波器降低波纹。第一开关场效应管Q1与第二开关场效应管Q3组成TTL电平控制电路，当R5端输入端置低电平时，第二开关场效应管Q3截至，漏电流在R1上产生的压降低于Q1导通阈值，升压电路到蓄电池BT1的充电回路关断。当高电平加在Q3栅源极之间，R1、R2上导通电流流经产生的压降令Q1导通，电池开始充电。此电路可以实现高速脉宽调制。微处理器U1采样处理得到的蓄电池BT1电池电压、电容C1所储存能量，充电电流等系统状况动态输出到液晶显示器上，同时用户可以根据路段与电池剩余情况选择预设的能量回收控制策略。上述微处理器选用带有八路十位模数转换器的低功耗8051系列芯片，斩波升压控制器选用MAXIM公司MAX668升压脉宽控制器。

如图8所示，超级电容C1电能通过功率电感L1和功率场效应管Q2转变为45V高电平，再由斩波升压控制器输出脉宽调制波闭环，从而保证在电容电压3V-28V时均能正常充电。45V高压通过两只开关场效应管Q1、Q2以脉冲形式返回到蓄电池BT1。蓄电池电压和超级电容电压通过模数转换采样到微处理器，微处理控制Q1、Q2完成第二次闭环。

如图9所示，是控制程序主流程，进入主程序循环后，CPU首先检测系统状况，包括电池是否连接好，显示器键盘初始化是否正常，各组件是否存在异常等，而后系统从键盘读入用户选择策略，不同的策略对应不同的充电控制方式。坡道较多和起停频繁的路段，系统以恒流方式快速将能量反馈，充电电流达到1/20C以上；平坦而制动频率少的路段，系统切换到恒压涓流充电摸式，能量回收速率减慢到1/100C以下，起到补充电能作用。随后系统进入采样阶段，将控制函数需要的电量予以采集储存，开启PWM端口，调用策略函数进行延时控制。最后对显示界面予以更新。

如图10所示是充放电主回路，由两只限位开关控制，一只常开，安置在刹车杆轨迹线上，另一只常闭，安置在转把车闸一侧(如图六)。当转把制动器工作时带动开关电动车驱动回路截断，电容主回路V导通，电动车电机驱动回路VII截断，直流发电机MG的冲击电流通过低导通阻抗的大电流肖特基二极管进入超级电容。车速减慢后二极管截至，电容将能量保持。松开制动器，两开关复位，电路通断状态反置，在驱动回路VII正常供电的同时，VI充电回路同时工作为蓄电池补电，同时可为其提供一部分驱动电流，减少蓄电池负担。

描述电动车制动的全过程：车载蓄电池输出能量，让电动车达到并保持在一定速度，扭转橡胶握把26到希望的刹车速率。此时电机驱动回路VII切断，蓄电池与驱动电机脱离。把手外筒牵动刹车线对受力杆6施力，6绕铰点转动，带动增力杆组将制动力放大，传递给刹车杆8。8以套筒16为支点转动下压，令摩擦变形球9和轮胎接触形变；同时带动充电回路开关，缓冲回路V形成。9与车轮无相对滑动，动能传递至固定盘20，再到主动轴23，大带轮3，小带轮1，从动轴17，发电机10，能量至此由机械能转变为电能。由于此处要求短时间内数速度降为0，故瞬时10的输出能量很大，形成的冲击电流，在肖特基管约束下单向为超级电容充电，形成一低压临时电源，功率场效应管的高频开关在大电流电感上的压降将这一电压抬高到45V，同时CPU依照控制策略输出PWM波形，控制电能按预定的规律进入车载蓄电池最终完成了能量的高效回馈。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种电动车制动能量回收装置，电动车包括：车架，车架上设有前叉和后轮悬挂装置及电池槽，前叉上装有前轮，后轮固定于后轮悬挂装置，车架上设有车座和载物架，前叉顶部为车头，左侧为后刹，右侧为前刹及调速装置，其特征在于：电池槽后面设有电机固定块(11)，在电机固定块上设有小型直流发电机(10)，与小型发电机同轴设有升速传动装置，后轮斜上方安装有摩擦变速机构，后轮上方的车架与升速传动装置之间装有增力杆组，左侧车把上安装有转把装置，转把装置与增力杆组通过刹车线(28)相连，摩擦变速机构与升速传动装置通过刹车杆(8)及皮带(2)相连，小型发电机(10)与升速传动装置通过联轴器(19)相连，回收装置用控制器控制。

2.根据权利要求1所述的一种电动车制动能量回收装置，其特征在于所述的摩擦变速机构具有主动轴(23)，在主动轴上设有两刹车杆(8)、两固定盘(20)、变形球(9)、大带轮(3)，其中两刹车杆(8)与轴(23)通过轴承(21)相连接，两固定盘(20)与轴(23)通过销钉(24)相连接，大带轮(3)与轴(23)通过螺钉(15)相连接，变形球(9)通过长销钉(25)与两固定盘(20)相连接；转把装置与增力杆组通过刹车线(28)相连，摩擦变速机构与升速传动装置通过刹车杆(8)及皮带(2)相连，小型发电机(10)与升速传动装置通过联轴器(19)相连，回收装置由控制器控制。

3.根据权利要求1所述的一种电动车制动能量回收装置，其特征在于所述的升速传动装置具有从动轴(17)，从动轴上设有小带轮(1)、套筒(16)、弹性联轴器(19)，其中小带轮(1)与从动轴(17)通过螺钉相连接，套筒(16)与从动轴(17)通过滚动轴承(21)相连接，套筒(16)上套合有两刹车杆(8)以及固定块(18)，联轴器(19)一端与从动轴(17)通过紧定螺钉相连接，联轴器(19)另一端与发电机(10)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种电动车制动能量回收装置，其特征在于所述的增力杆组包括刹车杆(8)、连杆(4)、受力杆(6)，其中刹车杆(8)一端与套筒(16)套合，中间通过轴承(21)与主动轴(23)配合，另一端与连杆(4)的下端铰接，连杆(4)的上端与受力杆(6)的下端铰接，受力杆(6)中部与后轮上方的车架(22)铰接，受力杆(6)的上端接刹车线与复位弹簧(5)。

5.根据权利要求1所述的一种电动车制动能量回收装置，其特征在于所述的转把装置包括金属车把(29)，由内到外依次套有硬质滑套(27)、橡胶握把(26)以及刹车线(28)，其中刹车线(28)一头固定于固定滑套(27)，刹车线(28)另一头绕凹槽半圈从固定挡圈(30)的孔中穿出。

6.根据权利要求1所述的一种电动车制动能量回收装置，其特征在于所述的控制器的电路为：斩波升压控制器(U2)输出端与功率场效应管(Q2)的门极相接，功率场效应管(Q2)的漏极经第三电阻(R3)接地，功率场效应管(Q2)的源极与肖特基二极管(D1)的正极、功率电感(L1)的一端相接，功率电感(L1)的另一端经过超级电容(C1)接地，二极管(D1)的负极与斩波升压控制器(U2)的反馈线、第二电容(C2)一端、滤波电感(L2)的一端相接，第二电容(C2)另一端接地，滤波电感(L2)的另一端与第三电容(C3)一端、第一电阻(R1)一端、第一开关场效应管(Q1)的源极相接，第三电容(C3)另一端接地，第一电阻(R1)另一端与第二电阻(R2)一端，第二开关场效应管(Q3)的门极相接，第二电阻(R2)的另一端经第二开关场效应管(Q3)接地，第二开关场效应管(Q3)的门极经第五电阻(R5)与微处理器(U1)的脉宽控制口相接，第一开关场效应管(Q1)的漏极经蓄电池，第四电阻(R4)接地，微处理器(U1)的斩波升压控制口与斩波升压控制器(U2)相接，电容采样口与超级电容(C1)正极相接，电流采样口与第四电阻(R4)的一端相接，电池电压采样口与蓄电池(BT1)正极相接，微处理器(U1)的多个输入输出口与液晶显示器(T1)相接。

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