CN201450471U

CN201450471U - 复合能源电动车的电源系统

Info

Publication number: CN201450471U
Application number: CN 200920061868
Authority: CN
Inventors: 康龙云; 王新运; 李鹰; 余开江; 孙静
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2010-05-05
Anticipated expiration: 2019-08-05

Abstract

本实用新型提供一种复合能源电动车的电源系统，包括复合电源控制机盒及与其连接的主电源、太阳能光伏电池和超级电容模组，复合电源控制机盒输出端连接电机驱动控制模块和辅助设备，电机驱动控制模块另一端连接电动机；复合电源控制机盒内设置相连接的硬件主电路和控制电路；硬件主电路通过单向DC/DC变换器与太阳能光伏电池连接，通过双向DC/DC变换器与超级电容模组连接；控制电路中微处理器输入端通过信号调理电路与温度检测模块、电流检测模块和电压检测模块连接，输出端通过光耦隔离电路连接电机驱动电路和辅助设备电位器。本实用新型能很好地提高汽车的加速性能和爬山性能，并且减少主电源的大电流放电时间，避免主电源的损坏及容量的减少。

Description

复合能源电动车的电源系统

技术领域

本实用新型涉及电动车电源技术领域，特别涉及一种复合能源电动车的电源系统。

背景技术

制约电动车广泛应用的一个重要因素就是其续驶里程，在当今国家大力倡导发展新能源汽车和电动车的背景下，随着太阳能光伏电池技术的高速发展，充分利用太阳能电池这类新能源，利用再生制动能量，提高电动车续驶里程具有显著的社会价值和经济效益。在现有的国内外很多试验车已经实现了利用单独太阳能作为补充能源或者单独制动能量的回收的新型电动车。

而上述方案的主要缺点就是会在行驶中频繁给主电源充电、放电，因此会对电池造成一定的损失，影响电池的寿命。还有太阳能光伏电池单独作为补充能源和主电源一起驱动电动机，在加速和爬坡时，主电源将会大电流放电，对主电源的寿命是非常不利的。

随着太阳能技术的飞速发展，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色能源，将其用于作为电动车的能源必将会对电动车的发展和能源的利用具有极大的意义。而超级电容是近些年研究开发的一种新型电容，这种超级电容容量远远大于普通电容，与普通蓄电池相比，超级电容具有功率密度大，寿命无限长等特点，非常适合瞬时大功率放电，适合电动车在加速和爬坡时的大电流放电。因此，将上述两种设备应用于电动车驱动技术将有待开发。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合能源电动车的电源系统，该电源系统能很好地提高汽车的加速性能和爬山性能，并且减少了主电源的大电流放电时间，避免了主电源的损坏及容量的减少。

本实用新型通过以下技术方案实现：一种复合能源电动车的电源系统，包括复合电源控制机盒及分别与其连接的主电源、太阳能光伏电池和超级电容模组，复合电源控制机盒的输出端分别与电机驱动控制模块和辅助设备连接，电机驱动控制模块的另一端与电动机连接；复合电源控制机盒内设置相连接的硬件主电路和控制电路；硬件主电路通过单向DC/DC变换器与太阳能光伏电池连接，通过双向DC/DC变换器与超级电容模组连接；控制电路中设有温度检测模块、电流检测模块、电压检测模块、微处理器和故障信号检测模块，微处理器的A/D转换输入端通过信号调理电路分别与温度检测模块、电流检测模块和电压检测模块连接，微处理器的PWM输出端通过光耦隔离电路分别与电机驱动电路和辅助设备电位器连接，微处理器的功率驱动保护中断端通过光耦隔离电路与故障信号检测模块连接。

所述单向DC/DC变换器采用布斯特变换器或布克变换器中的一种；所述双向DC/DC变换器采用电流双象限变换器、全桥变换器、T型双向升降压变换器、级联式升降压变换器、CUK双向变换器或Sepic-Zeta双向变换器中的一种.

所述单向DC/DC变换器或双向DC/DC变换器的功率器件采用金属氧化物半导体型场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管中的一种。

所述电流检测模块包括设于硬件主电路中的主电源电流传感器、太阳能光伏电池电流传感器、和超级电容模组电流传感器连接；所述电压检测模块包括设于硬件主电路中的主电源电压传感器、太阳能光伏电池电压传感器和超级电容模组电压传感器。

所述电机驱动电路中设有电机电流传感器和电机电压传感器；所述辅助设备电位器包括油门驱动踏板电位器和刹车踏板制动电位器。

所述微处理器的输入端还连接有时钟电路及电源，微处理器内部设有用于系统保护的功率驱动保护中断模块，微处理器的输出端还连接有方便系统操作控制的显示模块。

所述微处理器采用单片机或数字信号处理器中的一种。

所述主电源采用蓄电池、锂离子电池、镍氢电池或铁离子电池中的一种。

所述电动机采用直流电动机、永磁有刷直流电动机、永磁无刷直流电动机或开关磁阻电动机中的一种。

本实用新型的电源系统使用时，由微处理器收集其输入端各模块的电流及电压信号，然后判断系统的工作状态，进而发出控制指令，实现对主电源和超级电容模组的状态检测及保护功能，同时完成太阳能电池的最大功率点跟踪，从而调节系统能量和功率的流动方向与配比，以及对辅助设备的供电状态进行控制。其具体的工作状态分为以下三种情况：

1、当电动车处于正常行驶状态，由主电源为电动车提供电量，太阳能光伏电池为超级电容模组充电，充满后系统控制太阳能光伏电池对电动车进行辅助驱动。

2、当电动车处于加速/爬坡状态，若电动机所需电流大于主电源的安全电流上限时，超级电容模组开始放电，为电动车提供瞬时大电流，此时太阳能光伏电池也处于辅助驱动的工作状态，使得对太阳能的利用最大化。

3、当电动车处于制动状态，系统切断辅助能源与主电源的连接通道，太阳能光伏电池仅为超级电容模组充电，此时电动机拥有可再生能量制动的功能，并通过双向DC/DC将这部分能量回收到超级电容模组中。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、有效增加电动车的续驶里程。主要表现在两个方面：首先采用太阳能光伏电池和作为主电源的蓄电池并联提供电力，缓解了电动车能量不足的缺点，有效延长电动车续驶里程；其次利用超级电容功率密度高、充电电流大以及充放电效率高的特点，可有效吸纳光伏电池的能量，并且在加速和爬坡时用超级电容作为辅助能源，可减少主电源大电流放电时间，避免了主电源的损坏及容量的减少，这些都使电动车的续驶里程得到有效提高。

2、提高汽车的加速性能和爬坡性能，改善起步性能。超级电容作为辅助能源，可以在电动车加速和爬坡过程中作为峰值功率发生器，将储存的太阳能释放出来协助蓄电池供电，这对电动车尤其是纯电动车的动力性能起到很大的补助作用。

3、在系统结构上，本实用新型的电源系统不需要对原电动车的结构进行大改动，只要加装太阳能光伏电池、超级电容模组和控制用的复合电源控制机盒，其结构简单，改造方便。

4、太阳能电动车设计的能量转换技术以及MPPT技术对于发展光伏发电系统和风力发电系统等新能源系统具有很重要的借鉴作用。MPPT可挽回由于温度变化而导致的系统失配损失，尤其失对于冬、夏及全日温差较大区域更具有明显的经济、技术意义。

5、本实用新型的系统采用单向DC/DC变换器实现太阳能光伏电池和复合电源控制机盒中微处理器的连接，能够较好地追踪到太阳能光伏电池的最大功率跟踪点，使太阳能光伏电池发挥最大功率；系统采用双向DC/DC变换器实现超级电容模组和微处理器的连接，能够较好地控制超级电容模组的充电或放电模式，使得电源系统能在电动车的启动、制动或加速爬坡等各种工作状态发挥最大功率。

附图说明

图1是本实用新型电源系统的结构示意图。

图2是本实用新型电源系统中的硬件主电路图。

图3是本实用新型电源系统中的控制电路结构示意图。

图4是电动车处于正常行驶状态时本实用新型电源系统的工作状态示意图。

图5是电动车处于加速/爬坡状态时本实用新型电源系统的工作状态示意图。

图6是电动车处于制动状态时本实用新型电源系统的工作状态示意图。

图7是电动车处于正常行驶状态时本实用新型电源系统的控制流程示意图。

图8是电动车处于加速/爬坡状态时本实用新型电源系统的控制流程示意图。

图9是电动车处于制动状态时本实用新型电源系统的控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种复合能源电动车的电源系统，如图1所示，包括复合电源控制机盒及分别与其连接的主电源、太阳能光伏电池和超级电容模组，复合电源控制机盒的输出端分别与电机驱动控制模块和辅助设备连接，电机驱动控制模块的另一端与电动机连接；复合电源控制机盒内设置相连接的硬件主电路和控制电路；其中，如图2所示，硬件主电路通过单向DC/DC变换器与太阳能光伏电池连接，通过双向DC/DC变换器与超级电容模组连接；如图3所示，控制电路中设有温度检测模块、电流检测模块、电压检测模块、微处理器和故障信号检测模块，微处理器的A/D转换输入端通过信号调理电路分别与温度检测模块、电流检测模块和电压检测模块连接，微处理器的PWM输出端通过光耦隔离电路分别与电机驱动电路和辅助设备电位器连接，微处理器的功率驱动保护中断端通过光耦隔离电路与故障信号检测模块连接。

以上系统中单向DC/DC变换器可采用布斯特变换器或布克变换器中的一种；双向DC/DC变换器可采用电流双象限变换器、全桥变换器、T型双向升降压变换器、级联式升降压变换器、CUK双向变换器或Sepic-Zeta双向变换器中的一种；单向DC/DC变换器或双向DC/DC变换器的功率器件采用金属氧化物半导体型场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管中的一种。

电流检测模块包括设于硬件主电路中的主电源电流传感器、太阳能光伏电池电流传感器、和超级电容模组电流传感器连接；电压检测模块包括设于硬件主电路中的主电源电压传感器、太阳能光伏电池电压传感器和超级电容模组电压传感器；电机驱动电路中设有电机电流传感器和电机电压传感器；辅助设备电位器包括油门驱动踏板电位器和刹车踏板制动电位器等。

如图3所示，微处理器的输入端还连接有时钟电路及电源，微处理器内部设有用于系统保护的功率驱动保护中断模块，微处理器的输出端还连接有方便系统操作控制的显示模块。

微处理器可采用单片机或数字信号处理器中的一种；主电源可采用蓄电池、锂离子电池、镍氢电池或铁离子电池中的一种；电动机可采用直流电动机、永磁有刷直流电动机、永磁无刷直流电动机或开关磁阻电动机中的一种。

本实施例中，电动车电机采用3KW的串励直流电动机，其额定电压48V，额定电流80A；主电源采用6个8V的独立铅酸蓄电池串联而成；超级电容模组为由2块电容模块(55V/50F)进行串联而成，串联后得到110V/25F的超级电容模组(该电容模块已集成均衡和保护模块，可直接使用)；微处理器采用TI公司的TMS320LF2407A型DSP(数字信号处理器)芯片；主电源、太阳能光伏电池、超级电容模组及电动机的电压传感器均采用CHV-25P闭环霍尔电压传感器；主电源、太阳能光伏电池、超级电容模组及电动机的电流传感器均采用CSM005A霍尔闭环电流传感器或CHB-200S闭环霍尔电流传感器，PWM调制频率为20KHZ。

本实施例的太阳能光伏电池采用BOOST电路作为其最大功率跟踪电路，采用电流双象限变换器作为超级电容模组与直流母线的连接通道，电流双象限DC/DC变换器在电动车启动或者加速时工作在降压状态(BUCK电路)，为电动汽车提供瞬时大电流，在其他工况下由光伏电池向其充电。如图2的电源系统硬件主电路图所示，图中的能量源有太阳能光伏电池、蓄电池和超级电容模组(UC)，M为电动机，U_mppt为太阳能光伏电池电压传感器，I_mppt为太阳能光伏电池电流传感器，U_b为主电源电压传感器，I_b为主电源电流传感器，U_c为超级电容模组电压传感器，I_c为超级电容模组电流传感器，V₁、V₂、V₃、V₄分别为电力开关管，D₁、D₂、D₃、D₄、D₅分别为二极管，FUSE为保险丝。电路中D₁为防反充二极管，防止当负载电压高于太阳能光伏电池时对其反充电，D₄为防蓄电池反接二极管，当蓄电池接反的时候，二极管D₄导通，产生大电流迅速熔断保险丝，从而达到保护蓄电池的目的；C₁、C₂为大容量滤波电容，电力开关管V₂(这里采用的是IGBT)起开关的作用，连接作为辅助电源的太阳能光伏电池及超级电容模组与主电源，通过控制其导通/关断实现能量流动方向的控制。

本实施例的电源系统使用时，由微处理器收集其输入端各模块的电流及电压信号，然后判断系统的工作状态，进而发出控制指令，实现对主电源和超级电容模组的状态检测及保护功能，同时完成太阳能电池的最大功率点跟踪，从而调节系统能量和功率的流动方向与配比，以及对辅助设备的供电状态进行控制。其具体的工作状态分为以下三种情况：

1、如图4所示，当电动车处于正常行驶状态，由主电源为电动车提供电量，太阳能光伏电池为超级电容模组充电，充满后系统调节MPPT电路，控制太阳能光伏电池对电动车进行辅助驱动，其控制流程如图7所示，其中D_mppt为太阳能光伏电池最大功率跟踪器的占空比，U_{c_refh}为超级电容模组满容量时的电压上限值，e₀为一个值为极小量的常数。

2、如图5所示，当电动车处于加速/爬坡状态，若电动机所需电流大于主电源的安全电流上限时，超级电容模组开始放电，为电动车提供瞬时大电流，此时太阳能光伏电池也处于辅助驱动的工作状态，使得对太阳能的利用最大化。此过程控制电路的控制流程如图8所示，其中I_{b_refh}为主电源放电的电流极限值，U_{c_refl}为超级电容模组的最低安全电压极限值，D_dc是双向DC/DC变换器的占空比，进入超级电容模组放电中断子程序时，系统先采集主电源电流值、电枢电流值以及超级电容电流和电压值，判断主电源的I_b是否超过安全工作电流I_{b_refh}，若超过则计算超级电容模组应提供的电流，进而通过计算改变占空比D_dc的值，达到调节电流双象限DC/DC变换器的输出电流I_dc工作在合适范围的目的，需要说明的是当超级电容模组的端电压U_c小于一个最低限U_{c_refl}时，要停止对超级电容模组的放电，以防止损坏超级电容模组。

3、如图6所示，当电动车处于刹车的制动状态，系统切断辅助能源与主电源的连接通道，太阳能光伏电池仅为超级电容模组充电，此时电动机拥有可再生能量制动的功能，并通过双向DC/DC将这部分能量回收到超级电容模组中，MPPT电路正常工作，起最大功率跟踪作用，其流程如图9所示。

如上所述，便可较好地实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims

1.复合能源电动车的电源系统，其特征在于，包括复合电源控制机盒及分别与其连接的主电源、太阳能光伏电池和超级电容模组，复合电源控制机盒的输出端分别与电机驱动控制模块和辅助设备连接，电机驱动控制模块的另一端与电动机连接；复合电源控制机盒内设置相连接的硬件主电路和控制电路；硬件主电路通过单向DC/DC变换器与太阳能光伏电池连接，通过双向DC/DC变换器与超级电容模组连接；控制电路中设有温度检测模块、电流检测模块、电压检测模块、微处理器和故障信号检测模块，微处理器的A/D转换输入端通过信号调理电路分别与温度检测模块、电流检测模块和电压检测模块连接，微处理器的PWM输出端通过光耦隔离电路分别与电机驱动电路和辅助设备电位器连接，微处理器的功率驱动保护中断端通过光耦隔离电路与故障信号检测模块连接。

2.根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述单向DC/DC变换器采用布斯特变换器或布克变换器中的一种；所述双向DC/DC变换器采用电流双象限变换器、全桥变换器、T型双向升降压变换器、级联式升降压变换器、CUK双向变换器或Sepic-Zeta双向变换器中的一种。

3.根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述单向DC/DC变换器或双向DC/DC变换器的功率器件采用金属氧化物半导体型场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管中的一种。

4.根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述电流检测模块包括设于硬件主电路中的主电源电流传感器、太阳能光伏电池电流传感器和超级电容模组电流传感器；所述电压检测模块包括设于硬件主电路中的主电源电压传感器、太阳能光伏电池电压传感器和超级电容模组电压传感器。

5.根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述电机驱动电路中设有电机电流传感器和电机电压传感器；所述辅助设备电位器包括油门驱动踏板电位器和刹车踏板制动电位器。

6.根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述微处理器的输入端还连接有时钟电路及电源，微处理器内部设有用于系统保护的功率驱动保护中断模块，微处理器的输出端还连接有方便系统操作控制的显示模块。

7.根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述微处理器采用单片机或数字信号处理器中的一种。

8.根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述主电源采用蓄电池、锂离子电池、镍氢电池或铁离子电池中的一种。

9.根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述电动机采用直流电动机、永磁有刷直流电动机、永磁无刷直流电动机或开关磁阻电动机中的一种。