CN210852070U

CN210852070U - 电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置

Info

Publication number: CN210852070U
Application number: CN201921493753.5U
Authority: CN
Inventors: 丁石川; 孙乐; 杭俊; 花为; 胡超
Original assignee: Yancheng New Energy Automobile Research Institute Of Southeast University
Current assignee: Yancheng New Energy Automobile Research Institute Of Southeast University
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2029-09-09

Abstract

本实用新型公开了一种电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置，包括硬件电路和控制器；所述硬件电路包括超级电容器组、双向DC‑DC电路、串联网络、三相电压型逆变器和永磁同步电机；所述超级电容器组由C1、C2、C3、Cn组成，所述串联网络由蓄电池、限流电阻，反向二极管、功率管SB组成；所述控制器分别与双向DC‑DC电路、串联网络、三相电压型逆变器连接，根据电机的运行状态实时的产生控制信号用以驱动控制电路中的开关器件。本实用新型提高了能量回收效率，减小了体积，节约了成本，降低了能量回收电路的复杂程度，非常适合用于电动汽车储能系统。

Description

电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置

技术领域

本实用新型涉及储能技术、电源领域，具体涉及一种电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置，适用于电动汽车、风力发电以及光伏发电的储能系统。

背景技术

近年来，电动汽车作为零排放、零污染的新能源汽车越来越受到各国的关注，而再生制动作为提高电能利用率的重要方法，也成为了国内外各研究机构和汽车开发商研究热点之一。据美国研究机构对电动汽车的实际运行测试结果表明，拥有再生制动功能的电动汽车在同等充电条件下，续驶里程将提高10％左右。传统纯电动汽车以蓄电池作为唯一的能量源，会出现续驶里程短，动力性能不足等问题。传统的电池的功率密度低，充放电速度慢，可循环充电寿命短，需要定期更换。而超级电容器作为一种新型储能器件，有着电池没有的优点，大存储能力的超级电容器可以替代电池作为存储装置，相比电池，超级电容器不仅功率密度高、充放电速度快、使用温度范围广，而且更加环保，它不像电池需要定期更换，循环使用寿命长。超级电容器的出色性能使其具有广泛的应用前景，可以作为电动汽车的唯一动力源，也可以和可充电蓄电池、燃料电池等其他储能装置作为电动汽车的混合动力源。此外，超级电容器在国防领域，在电能质量治理领域，也能凭借其瞬间释放大功率能量的特点而有着广泛的使用价值。将蓄电池和超级电容双能量源融入到汽车当中，可以满足纯电动汽车对比功率和比能量的双重要求，延长续驶里程，提高整车动力性能，制动能量回收率大为提高。

目前，电动汽车用电机主要包括开关磁阻电机、感应电机、无刷直流电机以及永磁同步电机。相较于直流电机，永磁同步电机没有电刷和机械换向器，使得电机结构简单、运行可靠性高、转子发热量小、易于实现大容量化。相对于电励磁同步电机，永磁同步电机转子利用永磁体替代了直流励磁绕组，省去滑环和炭刷，减小了转子损耗和发热，提高了电机运行的可靠性和效率。对比感应电机，永磁同步电机具有能量密度高、响应速度快、效率高等优点；并且控制算法简单，易于实现高精度的控制。相对于无刷直流电机，永磁同步电机转矩脉动小，转矩特性好，在低速运行时更平稳。介于永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高转矩密度、良好的转矩平稳性、低振动噪声以及体积小、惯性低、响应快等特点，被广泛应用于电动汽车动力驱动电机。

由于在电动汽车行驶过程中，需要频繁地加减速、启动和制动，因此一方面需要频繁提供较大的瞬时功率满足启动的要求，一方面制动过程中相当部分的能量又只能无谓消耗掉，因而启用某种能够同时解决好上述2个问题的储能源是很有必要的，当前从成熟度和可靠性及成本的角度来看，采用蓄电池和超级电容组成混合能量源是一个很好的选择。同时电动汽车用蓄电池的比功率有限，如果直接用蓄电池驱动电动机，会使得电机驱动性能恶化，使用双向DC-DC变换器可以将电池电压更加稳定，从而提高电机驱动性能。一般来说，双向DC-DC变换器可分为隔离型和非隔离型两种。由于隔离型DC-DC变换器结构复杂，变压器磁芯容易饱和，所用元器件数量多，体积大，控制复杂。此外，效率也是影响DC-DC 变换器在电动汽车上运用的重要因素。非隔离型双向DC-DC变换器具有结构简单，体积小，性能可靠等优点，因此得到了广泛的应用。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型针对现有的电动汽车车载用能量回收装置的不足进行设计，提出了一种电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置，该装置既借鉴了已有的制动能量回收系统拓扑结构，然而又合理的设计了超级电容器组和蓄电池双能量源结构和非隔离型双向DC-DC变换器的有效结合以及模糊控制思想的运用，充分发挥超级电容充放电次数多，速度快，循环寿命长的特点，提高了能量回收效率。使用较少的元器件，减小了体积，节约了成本，降低了能量回收电路的复杂程度。能量回收系统采用非隔离型DC-DC变换器和模糊控制策略，提高了能量回收的效率和精度，非常适合用于电动汽车储能系统。

本实用新型采用的技术方案：一种电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置，包括硬件电路和控制器；

所述硬件电路包括超级电容器组、双向DC-DC电路、串联网络、三相电压型逆变器和永磁同步电机；所述超级电容器组由C₁、C₂、C₃、C_n组成，所述串联网络由蓄电池、限流电阻，反向二极管、功率管S_B组成；

所述控制器分别与双向DC-DC电路、串联网络、三相电压型逆变器连接，主要根据电机的运行状态实时的产生控制信号，用以驱动控制电路中的开关器件。

上述电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置的控制方法为：硬件电路中，控制器实时监测直流母线电压，由C1、C2、C3、Cn组成的超级电容器组侧电感电流和电机三相定子电流并根据电机的运行状态，通过模糊控制产生控制信号驱动双向DC-DC电路、三相电压型逆变器中的功率开关器件，使电机启动，加速，巡航，减速制动时的能量在超级电容器组和由蓄电池、限流电阻，反向二极管、功率管S_B组成的串联网络进行合理的分配。

本实用新型电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置可以实现电动汽车在启动、加速、巡航、减速制动时能量在超级电容和蓄电池之间合理的分配，能量回收速率和效率都较高，能够有效增加蓄电池的使用寿命。本实用新型拓扑结构简单，没有使用变压器、复杂的直流变换拓扑电路等笨重、昂贵的器件，整个装置成本低，重量小。本实用新型采用模糊控制方法，相对于PI控制鲁棒性好，，只需监测超级电容器组、蓄电池、直流母线侧电压、电流以及电机三相定子电流，根据选定的控制策略，产生合适的驱动信号，驱动功率开关器进行电机运行状态正确的切换。

本实用新型的有益效果：

1)没有使用变压器、复杂的直流变换拓扑电路等笨重、昂贵的器件，整个装置成本低，重量小。

2)可以实现电动汽车在启动、加速、匀速、减速制动时能量在超级电容器组和蓄电池之间合理的分配，能量回收速率和效率都较高，能够有效增加蓄电池的使用寿命。

3)采用模糊控制方法，相对于PI控制鲁棒性好，只需监测超级电容、蓄电池、直流母线侧电压、电流以及电机三相定子电流，根据选定的控制策略，产生合适的驱动信号，驱动由功率开关器件进行电机运行状态正确的切换。

4)使用本装置，永磁同步电机的运行效果稳定良好，启动和加速时超级电容提供瞬时能量给电机，电机减速制动时超级电容吸收母线侧的脉动电流。蓄电池提供电机平稳运行时所需的能量。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为电机制动能量回收系统接口电路；

图3为电机启动时的能量流动图；

图4为电机加速时的能量流动图；

图5为电机巡航时的能量流动图；

图6为电机回馈制动的能量流动图；

图7为电机定子三相电流；

图8为电机启动，加速，巡航、减速时的转速波形；

图9为定子交轴电流波形；

图10为蓄电池端电压波形；

图11为蓄电池的充放电电流波形；

图12为超级电容的端电压波形；

图13为超级电容的充放电电流波形；

图14为直流母线端电压波形；

图15为直流母线电流波形。

图中：1.超级电容器组、2.双向DC-DC电路、3.串联网络、4.三相电压型逆变器、5.永磁同步电机、6.控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图1中所示，本实用新型提供了一种电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置，该装置由硬件电路和控制器组成。

所述的硬件电路包括C₁、C₂、C₃、C_n组成的超级电容器组1、双向DC-DC电路 2，后并接由蓄电池、限流电阻，反向二极管、功率管S_B组成的串联网络3，三相电压型逆变器4，永磁同步电机5；控制器6分别与双向DC-DC电路2、串联网络3、三相电压型逆变器4连接，主要根据电机的运行状态实时的产生控制信号，用以驱动控制电路中的开关器件。

上述电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置的控制方法，硬件电路中，控制器6实时监测直流母线电压，C₁、C₂、C₃、C_n组成的超级电容器组1 侧电感电流和电机三相定子电流并根据电机的运行状态产生控制信号，双向 DC-DC电路2、三相电压型逆变器4中的功率开关器件，使电机启动，加速，巡航，减速制动时的能量在超级电容器组1和由蓄电池、限流电阻，反向二极管、功率管S_B组成的串联网络3进行合理的分配。

为了进一步说明本实用新型中所涉及电路的具体工作方式，选择电机制动能量接口电路为例来说明本实用新型的具体工作原理，电路如图2所示。

在该电路中，V₁与V₂的反并联二极管构成降压斩波电路，V₂与V₁的反并联二极管构成升压斩波电路。当工作于降压模式时，V₂总处于断态，V₁正常开通关断，而与V₂反并联的二极管则在V₁关断时为电感L_b中的电流提供续流通道。

它的主要结构是由超级电容C_U和蓄电池B组成的双能量源结构。该接口电路有几种不同的运行状态。在蓄电池工作期间，蓄电池的端电压变化很小，而在超级电容工作时，它的端电压会发生巨大的变化。蓄电池有很强的放电容量，但是充电能力却很弱，这是由它本身的电化学结构决定的。相比之下，超级电容具备很强大的充放电能力，充放电次数多，速度快，循环寿命长。图2中U_DC为直流母线电压，C为滤波电容，B为蓄电池，C_U为超级电容，U_U为超级电容端电压， V₁，D₁，V₂，D₂，L_b为双向DC-DC变换器组成器件，RB为蓄电池等效内阻，R_Li为限流电阻，D_B为防止能量回馈到蓄电池的二极管。

该功率电子接口电路可实现两种功能：一是超级电容接到母线，此时，超级电容被置于低压侧，可以实现端电压的剧烈变化，充分发挥超级电容大电流充放电的能力；二是当蓄电池通过与V_B，R_Li，D_B和R_B串联之后在并接到直流母线。这种结构可以确保蓄电池的放电电流置于可控制的范围内，而没有充电电流流向蓄电池，从而提高蓄电池的使用寿命。

根据电机的不同运行状态，可以将该接口电路分为4种运行模式，分别如图 3、图4、图5、图6所示。图中的箭头代表电流方向。下面具体分析每一种模式的具体工作方式。

1、电机启动瞬间，如图3所示，启动电流较大，此时必须充分利用超级电容比功率高的特点，超级电容通过双向DC-DC变换器给电机提供启动电流，此时变换器处于Boost工作状态。蓄电池通过限流电阻R_Li并接到直流母线，保证母线电压的稳定，由于限流电阻的存在，蓄电池的放电电流很小。

2、电机加速时，如图4所示，相对于启动瞬间，电机所需要的能量变小，此时超级电容和蓄电池同时工作。此时超级电容不会消耗过多的能量，蓄电池也不会产生过放电流。

3、电机巡航运行时，如图5所示，电机的转速的变化很小，此时电机定子三相电流在额定电流的范围内，蓄电池可单独提供所需的能量。

4、电机减速制动时，电机的惯性能在很短的时间内转换为电能回馈到直流母线，此时，超级电容因具有大电流充电能力，可以吸收这部分能量，而蓄电池继续嵌位母线电压。

对永磁同步电机控制系统和储能系统进行联合仿真，仿真中的参数如下：电机额定转速4000r/min，2对极，直轴电感为41.631mH，交轴电感为24.579mH。超级电容的初始电压为100V，电容大小为1F，蓄电池的标称电压为400V，初始的荷电状态(SOC)为80％，内部电阻为4Ω，缓冲电阻为0.1Ω，低压侧电感为 75mH。从仿真结果可以看出，仿真时间为10s，在6s时转速给定由4000r/min 降为0r/min，模型中转速以设置的速率下降，如图8所示。图9显示在制动时 Iq电流由正值变为负值，且负值趋于大小稳定。由图7可知，制动时随着负的电磁转矩(正比于Iq)的稳定，定子三相电流的幅值趋于稳定，且电流频率逐渐下降，与图3所示永磁同步电机在稳定制动阶段定子三相电流的描述是一致的。由图10、图11看出，制动时，蓄电池电压有所上升，但充电电流很小。图 12、图13可知制动时母线侧向超级电容以恒定电流充电，电压的大小提高幅度较大，图14、图15分别看出，制动过程母线电压基本保持稳定，母线电流为脉冲充电电流。仿真结果与期望的目标是一致的，证明了永磁同步电机制动能量回收系统的可行性、正确性。

虽然本实用新型已以较佳实例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置，其特征在于：包括硬件电路和控制器；

所述硬件电路包括超级电容器组、双向DC-DC电路、串联网络、三相电压型逆变器和永磁同步电机；所述超级电容器组由C1、C2、C3、Cn组成，所述串联网络由蓄电池、限流电阻，反向二极管、功率管SB组成；

所述控制器分别与双向DC-DC电路、串联网络、三相电压型逆变器连接，根据电机的运行状态实时的产生控制信号驱动控制电路中的开关器件。