CN203888644U - 基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统 - Google Patents

基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统，涉及动态电能量回收制动装置技术领域。所述回收系统包括能量回收控制器以及超极电容，所述超极电容通过所述能量回收控制器与直流母线电连接，所述能量回收控制器根据检测到的电流母线电流和电压信息实现对超极电容的充放电控制，所述超极电容用于储存车辆刹车和下坡时的能量。所述系统能够将电动汽车刹车减速以及下坡时产生的动能收集起来存储在超级电容中，进行能量回收，提高了电动汽车的续航里程。

Description

基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统
技术领域
本实用新型涉及动态电能量回收制动装置技术领域，尤其涉及一种基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统。
背景技术
现在面临城市建设步伐不断加快的进程、环保要求不断升高的压力，在国际石油价格居高不下并持续攀升的大环境下，研究车辆( 特别是大量的城市公交车辆) 的节能减排技术、开发新型节能减排产品，是建设节约型社会、环境友好型城市的一项具有重大战略意义的研究课题。城市公共交通车辆整日穿行于大、小街道，具有频繁进站停靠、等候交通信号、道路运营不畅、频繁制动等运行特点，其所造成的排放污染、噪声污染、热污染等更甚于其它社会车辆。因此开展针对城市公交车辆的新型节能、减排技术研究，具有更为现实的必要性和重要的实用价值。
汽车工业的发展面临着能源危机和环境污染的双重挑战，而电动汽车作为新能源汽车成员，已逐渐成为人们生活中一种重要的绿色交通工具。但动力电池是电动汽车的能量来源，由于现在动力电池的能量密度较低，使电动汽车的续航里程受到了限制。而将电动汽车的动能转换为电能，能有效提高电动汽车的续航里程。当电动汽车刹车减速，下坡时产生的动能收集起来存储在超级电容中，是延长电动汽车续航里程的一种有效方法。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统，所述系统能够将电动汽车刹车减速以及下坡时产生的动能收集起来存储在超级电容中，进行能量回收，提高了电动汽车的续航里程。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统，其特征在于：包括能量回收控制器以及超极电容，所述超极电容通过所述能量回收控制器与直流母线电连接，所述能量回收控制器根据检测到的电流母线电流和电压信息实现对超极电容的充放电控制，所述超极电容用于储存车辆刹车和下坡时的能量；
所述能量回收控制器包括：超极电容电压检测模块、母线电压检测模块、控制单元、电流检测模块以及双向DC/DC变换模块；所述超极电容电压检测模块与控制单元的输入端连接，用于检测超极电容两端的电压；所述母线电压检测模块与控制单元的输入端连接，用于检测电源母线上的电压；电源检测模块与控制单元的输入端连接，用于检测输出直流电流；双向DC/DC变换模块与控制单元的输出端连接，用于实现对电流的变换；控制单元，用于根据各个外围模块输入的信息实现对超极电容的充放电控制。
进一步优选的技术方案在于：所述能量回收控制器还包括通讯模块，与控制单元进行双向连接，用于实现所述能量回收系统与电动汽车能源管理系统的通信，实现远程操作和监控功能。
进一步优选的技术方案在于：所述通讯模块为CAN通讯模块。
进一步优选的技术方案在于：所述控制单元的微处理器使用飞思卡尔公司的MC56F8037型微处理器。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于： 所述系统通过超级电容对刹车和下坡时的能量进行回收， 通过双向DC/DC变换模块对超级电容可控充电，在电机启动，爬坡等工况时，采用超级电容放电，避免了大电流放电对电池的伤害，延长了电池的寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型的接线原理框图；
图2是本实用新型中能量回收控制器的原理框图；
图3是DC/DC变换模块对超极电容进行充放电控制原理框图；
图4是能量回收控制器的接线原理图。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
根据整车及电池组的具体使用要求，能量回收系统的总体连接图如图1所示。所述能量回收系统，包括能量回收控制器以及超极电容，所述超极电容通过所述能量回收控制器与直流母线电连接，所述能量回收控制器根据检测到的电流母线电流和电压信息实现对超极电容的充放电控制，所述超极电容用于储存车辆刹车和下坡时的能量。
如图2所示，所述能量回收控制器包括：超极电容电压检测模块、母线电压检测模块、控制单元、电流检测模块、通讯模块以及双向DC/DC变换模块；所述超极电容电压检测模块与控制单元的输入端连接，用于检测超极电容两端的电压；所述母线电压检测模块与控制单元的输入端连接，用于检测电源母线上的电压；电源检测模块与控制单元的输入端连接，用于检测输出直流电流；双向DC/DC变换模块与控制单元的输出端连接，用于实现对电流的变换；控制单元，用于根据各个外围模块输入的信息实现对超极电容的充放电控制；通讯模块，与控制单元进行双向连接，用于实现所述能量回收系统与电动汽车能源管理系统的通信，实现远程操作和监控功能。
工作过程是：当电动汽车处于平稳运行时，由电池直接向电动机供电；在电动汽车刹车、下坡等制动状态下，电动机处于发电状态，产生再生制动能量，再生制动能量经双向DC/DC变换器充入超级电容器；当电动汽车处于上坡或者加速时，由超级电容和蓄电池共同向电动机供电。采用超级电容不仅能有效地实现制动能量回收，而且能改善电动汽车的加减速性能，提高电池的使用寿命，延长了电动汽车的续航里程。
所述控制单元的处理器使用飞思卡尔公司的MC56F8037型处理器，其模拟输入为从电压、电流检测模块得到的电压和电流信号，经过模拟输入接口电路进行变换，然后输入到MC56F8037控制器的模数转换接口；MC56F8037控制器单元包括4路脉宽调制输出口；超级电容电压检测和母线电压检测由分压电路实现，电压检测由分压电路通过隔离放大器把信号调理成适合的信号，隔离放大器电路是一种能对回路输入信号进行调节和隔离的数据采集前端电路，它能给输入输出和通道之间提供优良的隔离功能，从而使电路具有最大的抑制和可靠的保护功能。
电流检测由霍尔电流传感器串接在电路中，检测输出直流电流；所述双向DC/DC变换模块，即四路IGBT组成的桥式电路，输入为所述控制单元输出口的4路脉宽调制脉冲信号，所述4路脉宽调制功率驱动信号连接到所述电动汽车能量回收系统中直流高频斩波部分对应的功率开关器件IGBT；所述通信单元，通过CAN通信接口，完成与电动汽车能源管理系统的通信，实现远程操作和监控功能。在CAN通信电路中，双通道数字隔离器ADUM1201用来实现CAN控制器和CAN驱动器之间的电气隔离，以达到更好的抗干扰性能。用ADUM1201代替传统的光电隔离器件，速度更高，功耗更低，性能更高，体积更小，价格更便宜，应用更灵活。
双向DC-DC变换模块，是超级电容和电机之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是通过其主回路的4个IGBT管的开关占空比的改变，来控制超级电容的充电或放电，并提供给负载或超级电容要求的额定电压，其与电池和超极电容之间的连接关系如图3所示。电动汽车在启动加速运行时，超级电容放电，供给电机电能，电机处在电动状态，实现电能到机械能的变换，驱动车辆前进。当电动汽车刹车或者下坡时，要求直流电机处在发电制动状态，即处于再生制动状态，给作为电源的储能装置超级电容充电，实现机械能到电能的转换。
控制策略如下：当电动汽车处于刹车减速状态时，使Q1完全导通，电动机工作于发电状态，产生回收电流，此时双向DC-DC变换模块处于Buck状态，回收电流向超级电容充电。电机发电电压随速度降低而逐渐减弱，而超级电容电 压逐渐升高，由于电机发电电压同转速成正比，因此，同时监测超级电容电压与电机转速，在电机发电电压与超级电容电压持平前，即反馈超级电容电压与电机转速，通过控制使 Q4斩波升压，对电机发电电压进行升压，继续对超级电容充电，并根据速度调节升压PWM波占空比，以最大效率回收制动能量。
当电动汽车处于启动加速等状态时，完全导通Q2并使Q3斩波，此时DC-DC变换电路处于Boost状态，超级电容工作在升压放电情况，同时监测电机转速与超级电容电压，超级电容升压输出预先驱动电机，当电机转速达到预定值，即使继电器切换至电池回路，由电池给电机供电。如此既避免了电机启动爬坡等工况由于大电流放电对电池的伤害，又延长了电动汽车的续驶里程。
系统的控制原理
能量在DC-DC变换模块双向传输过程中，通常要求超级电容器向电动机释放电能时输出电压恒定；而电动机制动再生能量向超级电容器充电时要求电流恒定。控制系统采用电流、电压、温度等参数的闭环反馈控制结构，采用MC56F8037的核心控制系统来实现超级电容器充放电过程的最优控制。图4所示是双向DC/DC变换电路的控制原理框图。其控制基本思想是：
电动汽车处于制动状态时，电动机由于负载惯性或重力作用进入发电状态，此时电动机的再生能量经变频器流向直流母线，第二电压检测模块检测到直流母线两端电压升高，当直流母线电压达到能量回收设定电压时，通过控制器来产生相应的PWM波形来驱动DC/DC变换模块，使其恒流向超级电容充电，同时通过第一电压检测模块和电流检测模块来监控超级电容两端电压和流过它的电流。
电机加速或负载增大时，直流母线侧电压下降。当第二电压检测模块检测到直流母线电压小于设定值时，可以通过超级电容向负载供电，通过控制器来控制双向DC/DC变换电路，使超级电容器放电向负载提供能量，并保持直流母线侧电压恒定。同时，还需要监控超级电容器组的两端电压和流过超级电容器组的电流。
所述系统通过超级电容对刹车和下坡时的能量进行回收， 通过双向DC/DC变换模块对超级电容可控充电，在电机启动，爬坡等工况时，采用超级电容放电，避免了大电流放电对电池的伤害，延长了电池的寿命。 

Claims (4)

1.一种基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统，其特征在于：包括能量回收控制器以及超极电容，所述超极电容通过所述能量回收控制器与直流母线电连接，所述能量回收控制器根据检测到的电流母线电流和电压信息实现对超极电容的充放电控制，所述超极电容用于储存车辆刹车和下坡时的能量；
所述能量回收控制器包括：超极电容电压检测模块、母线电压检测模块、控制单元、电流检测模块以及双向DC/DC变换模块；所述超极电容电压检测模块与控制单元的输入端连接，用于检测超极电容两端的电压；所述母线电压检测模块与控制单元的输入端连接，用于检测电源母线上的电压；电源检测模块与控制单元的输入端连接，用于检测输出直流电流；双向DC/DC变换模块与控制单元的输出端连接，用于实现对电流的变换；控制单元，用于根据各个外围模块输入的信息实现对超极电容的充放电控制。
2.根据权利要求1所述的基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统，其特征在于：所述能量回收控制器还包括通讯模块，与控制单元进行双向连接，用于实现所述能量回收系统与电动汽车能源管理系统的通信，实现远程操作和监控功能。
3.根据权利要求2所述的基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统，其特征在于：所述通讯模块为CAN通讯模块。
4.根据权利要求1所述的基于超极电容的新能源汽车电力增强及能量回收系统，其特征在于：所述控制单元的微处理器使用飞思卡尔公司的MC56F8037型微处理器。
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