CN201065077Y

CN201065077Y - 变磁调速电动车及其控制器

Info

Publication number: CN201065077Y
Application number: CNU2007201484905U
Authority: CN
Inventors: 于学禄
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2017-06-07

Abstract

本实用新型针对目前电动自行车启动力矩小、爬坡能力差，以及一次充电行驶里程少、刹车及下坡时能量损失的情况，提出了一种电动车变磁调速和驱动控制系统，包括蓄电池、励磁式直流电机、电枢控制器，特别是在电机的励磁回路和电源之间装设有励磁控制器。电枢控制器和励磁控制器共同组成电动车的驱动控制器。通过对电机励磁和电枢电流的协调控制达到：提高低转速下的电磁转距，因而提高电动车的启动力矩和爬坡能力；在减速刹车和下坡时，将电动机转变为发电机制动运行，回收能量并直接回馈给电源，因而实现节能并增加电动车的续行里程。本实用新型还具有设备成本低、控制简单方便的特点。

Description

变磁调速电动车及其控制器

一、所属技术领域

本实用新型属于电动车驱动及控制技术领域，涉及可以应用于电动三轮车、电动摩托车、特别是电动自行车的变磁调速及驱动控制系统。

二、技术背景

目前电动车普遍存在着启动力矩小、爬坡能力差和运行效率低、一次充电续行里程短的问题。因此在不提高电机功率情况下增大电动车的启动力矩和爬坡能力，以及在现有蓄电池容量下提高整车运行效率，特别是实行能量回收，将电动车刹车减速及下坡的势能再生发电回馈给电源，以充分利用能源、提高续行里程，是近年来电动自行车技术研发的重要方向。

目前已出现的解决上述问题的技术方案中，可以提高电动自行车启动力矩和爬坡能力的所谓可实行绕组换档的电动车，如：(专利号：ZL00229603.9)、(专利申请号：200520046745.8)等，是将电机电枢绕组分段，通过绕组换挡方式，达到增大启动力矩和爬坡能力。此方案只适用于无刷逆变式电机，而且挡位有限，控制复杂；解决能量再生回收的，例如电动车能量再生充电系统(专利申请号：03108024.3)、电动车的能量再生辅助电源(专申请利号：03108021.9)、和电动车发电控制器(专利申请号：200510006989.8)等，都是通过控制器，采用电子泵原理向主电源回馈充电，或断开主电源转而向电压较低的辅助电源充电回收能量。此种方案控制程序复杂，需要继电器或开关切换，以及增加发电控制器或辅助电源设备等，并且该方案不能够同时增加低转速下的驱动力。以上方案均未涉及改变电机磁场磁通的控制方式。

三、发明内容：

本发明的目的是提供一种电动车变磁调速和驱动控制技术，既能够增大电动车启动力矩和爬坡能力，又能够方便的实现发电制动，将刹车及下坡时的能量再生发电直接回馈给电源，从而提高能源使用效率，增加电动车一次充电的行驶里程。并具有设备成本低，控制简便的特点。

实现上述发明目的技术方案是：一种电动车变磁调速及驱动控制系统，包括蓄电池、励磁式直流电机、连接在电源与电机电枢之间的电枢控制器、特别是在电源和电机的励磁回路之间装设有可改变电机磁场磁通量大小的励磁控制器。而且由励磁控制器与电枢控制器共同组成电动车的驱动控制器。通过控制电机的励磁和电枢电流，实现对电机的启动、运行、调速以及发电制动和能量回收的控制。

本实用新型所述的励磁式直流电机是适当设计的普通有刷励磁式直流电机或是轮毂型有刷励磁式直流电机，所述的蓄电池可以是铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池；所述的电枢控制器包含有控制功率元件、反向充电元件和电枢续流元件，其功率元件可采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属-氧化物-半导体型场效应晶体管(MOSFET)或大功率晶体管(GTR)或门极关断晶闸管(GTO)；反向充电元件采用适当容量的二极管；续流元件采用适当容量的二极管。所述的励磁控制器包含有控制功率元件、续流元件、和最小励磁限制元件，其功率元件可采用功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管或功率晶体管；续流元件采用适当容量的二极管；最小励磁限制元件可采用线性电阻器也可以用限制功率元件的最小导通角度实现。

本实用新型通过控制器协调控制电机的励磁电流和电枢电流，可以大大提高在低速情况下的电磁转距和输出功率，因而提高了电动车的启动力矩和爬坡能力。而在电动车减速、刹车和下坡时，只要控制电机的励磁就可方便的将电动机变为发电机运行，实现发电制动并将能量直接回馈给电源，实现能量回收利用，从而达到节能和增加电动车行驶里程的目的。

四、附图说明

图1：是变磁调速电动车驱动与控制系统原理框图。系统由蓄电池、励磁式直流电机、电枢控制器和励磁控制器组成。图中D为电机电枢，L为电机励磁线圈。

图2：是变磁场调速电动车电机的械特性。纵坐标(n)为转速，横坐标(m)为输出转距。(φ)为电机每极磁通，φ1-φ4是电机不同磁通下的机械特性曲线，φ1＜φ2＜φ3＜φ4，φ1是限制电机转速过高的最小磁通，φ4是接近饱和的最大磁通，在φ1与φ4之间根据电机磁场磁通的不同可以有无数条特性曲线，φ2、φ3就是代表其中的两条。

图3：是变磁场调速电动车电机的运行特性。纵坐标(n)为转速，横坐标(I)为电枢电流。(φ)为电机每极磁通，φ1-φ4是电机不同磁通下的运行特性曲线，φ1＜φ2＜φ3＜φ4。第I象限为正常驱动运行时的电动机运行工况，第II象限为刹车或下坡时能量再生回馈的发电机运行工况。

图4：是采用铅酸式蓄电池、有刷并励式直流电机、由电枢控制器和励磁控制器组成驱动控制器的变磁调速电动车驱动控制系统的实施例。

五、具体实施方式

以下结合附图和发明人给出的实施例，对本实用新型做进一步的详细说明。

参见图4，依照本实用新型的技术方案，电动车变磁调速及驱动控制系统，包括蓄电池、励磁式直流电机以及由电枢控制器和励磁控制器组成的电动车驱动控制器。电枢控制器接于电机电枢回路，VT1是控制电枢电流的功率元件，采用IGBT；VD1是制动发电时的反向充电二极管VD2是电枢续流二极管。励磁控制器接于电机励磁回路，VT2是控制励磁电流的功率元件，采用功率场效应管VD3是励磁回路续流二极管RX是最小励磁限制元件，采用功率线性电阻器。图中实线箭头表明是电动车正常驱动运行时，蓄电池供给电机电流的方向和路径；虚线箭头表明是在刹车或下坡时，发电制动回收能量时，电机向蓄电池充电的方向和路径。电机的输出可通过齿轮变速器、链轮或直接驱动车轮运行。

下面结合附图2、附图3对本实施例的变磁场调速电动自行车的启动、运行和能量回收的过程加以说明：

在电动车启动时，控制器调节励磁电流将电机磁场的每极磁通调至最大(φ4)，同时控制电枢启动电流不超过允许值(Imax)。由于此时电机磁场的磁通最大，因此可获得最大的启动转距，见图2的A点。如果按最大电枢电流启动加速，则转速按A-B线上升。随着转速的提升，电机的反电势会迅速升高，直至全部电源电压都加在电枢上，如图2的B点。此时如要再提高转速则需要减小电机的励磁电流亦即是减小电机磁场的磁通。随着磁通的减少和转速的提高，电机输出的最大转距也随之减小，但却保持恒功率输出，直至图2最小磁通线(φ1)上的C点。电机的空载最高转速则是D点。事实上正常行驶的电动车，并不是都运行在电机的最大电磁转距输出线上，而是运行在由最大转距输出线曲线A-B-C、最高空载转速D与两坐标所围成的区域(O-A-B-C-D-O)内，此区域可称为变磁调速电动车电机的运行区，在此区域电机可满足电动车各种正常工况的运行要求。由图可以看出变磁调速电动车在低速运行下具有很大的转距输出，因此启动力矩大、爬坡能力强；而在高速运行时则有最大的功率输出，满足高速运行的功率要求。

在电动车行驶中遇到减速刹车或下坡时，通过控制电机的励磁电流，增大电机磁场的每极磁通，就可方便的将电动机变为发电机制动运行，实现电动刹车并向电源回溃能量。根据电机磁通的不同制动功率强度也不同，可任意调节。参见图3的运行特性，例如：电动车正常行驶，稳定运行在附图3中的1点，此时电机磁通为φ1，速度为n1，电枢电流为I1。假如此时遇到下坡路，如果不做调节，由于下坡势能的作用电机将沿φ1线加速，输出电磁功率逐渐减小，直至越过纵坐标进入第II象限后，电磁功率与电枢电流均变为负值，电动机变为发电机运行并向电源回馈充电，形成发电制动的效果。当制动力与下坡的势能达到平衡时，电动车将稳定运行，例如稳定在图3中的2点。此时电机转速为提高为n2，电枢电流为负值-I2。如果要保持原来的运行速度n1不变，只需要调节励磁电流，适当增加电机磁场的磁通，就可以使电机稳定运行在相同转速下的3点，此时电机磁通为φ2，电枢电流为-I3。

刹车、减速同样可以通过增加电机磁场的磁通实现发电制动刹车。为了防止刹车时充电电流过大损坏电机和蓄电池，控制器可自动调节励磁改变磁通，限制充电电流不超过最大充电电流允许值-Imax。发电制动刹车不能够使电动车完全停止，因此仍需要有机械刹车环节。如直接使用机械刹车，也要首先经过发电制动刹车环节，再断开电源施行机械刹车。

Claims

1.一种变磁调速电动车，包含有蓄电池、励磁式直流电机、电枢控制器，其特征是：在电机的励磁回路和电源之间还设置有励磁控制器。

2.如权利要求1所述的变磁调速电动车，其特征是：其控制器由电枢控制器和励磁控制器组成，电枢控制器接于电机的电枢回路，励磁控制器接于电机的励磁回路。

3.如权利要求2所述的变磁调速电动车，其电枢控制器包含有控制电枢电流的功率元件(VT1)、反向充电元件(VD1)、电枢绕组续流元件(VD2)，其特征是：功率元件是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属-氧化物-半导体型场效应晶体管(MOSFET)或大功率晶体管(GTR)或门极关断晶闸管(GTO)；反向充电元件是二极管；续流元件是二极管。

4.如权利要求2所述的变磁调速电动车，其励磁控制器包含有控制励磁电流的功率元件(VT2)、励磁绕组续流元件(VD3)，最小励磁限制元件(RX)，其特征是：功率元件是功率场效应管或功率晶体管或绝缘栅双极型晶体管；续流元件是二极管；最小励磁限制元件是线性电阻器或由功率元件的最小导通角控制。