電動(dòng)汽車飛輪電池系統(tǒng)的構(gòu)建方法

1、電動(dòng)汽車飛輪電池系統(tǒng)的構(gòu)建方法2013-1-13制約電動(dòng)汽車廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素是其續(xù)駛里程短，而再生制動(dòng)是節(jié)約能源、提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的關(guān)鍵，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，目前在國(guó)內(nèi)外的很多試驗(yàn)車上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有電動(dòng)車上的再生制動(dòng)都是在車輛制動(dòng)時(shí)，使電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將動(dòng)能或重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能回饋并儲(chǔ)存在蓄電池中。這種方案的主要缺點(diǎn)是車輛頻繁制動(dòng)時(shí)會(huì)使蓄電池頻繁地充電、放電，會(huì)對(duì)電池造成一定的損失，影響電池的壽命。另外，電池作為電動(dòng)車的唯一電源，在車輛加速或者爬坡的時(shí)候，蓄電池將會(huì)出現(xiàn)大電流放電，對(duì)電池的壽命也是不利的。 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本方案的目的在于，

2、提供一種電動(dòng)車飛輪電池輔助電源系統(tǒng)的構(gòu)建方法，本方案的方法在電動(dòng)車蓄電池主電源的基礎(chǔ)上增加一個(gè)輔助電源，即飛輪電池單元及 DC / DC 調(diào)壓器。主電源提供電動(dòng)車運(yùn)行所需大部分能源，電動(dòng)車再生制動(dòng)回饋能量通過(guò)調(diào)壓器存儲(chǔ)于飛輪電池單元中，在車輛加速和爬坡時(shí)，調(diào)壓器將飛輪電池單元中儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，和主電源并聯(lián)向電機(jī)供電。飛輪（ Fiy 一 wheel ）作為一種新興的儲(chǔ)能元件（又稱飛輪電池），由于其高效、節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)以及無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，開始引起人們的重視。而且隨著新型材料技術(shù)、精密機(jī)械加工技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能技

3、術(shù)越來(lái)越顯示出它巨大的優(yōu)越性。與其它儲(chǔ)能技術(shù)相比，飛輪作為電池儲(chǔ)能具有高比能量、高比功率、高效率、無(wú)污染、適用范圍廣、無(wú)噪聲、長(zhǎng)壽命、維護(hù)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作、可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)制造等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于瞬時(shí)大功率、充放電頻繁的場(chǎng)合。在 21 世紀(jì)，這種儲(chǔ)能技術(shù)勢(shì)必會(huì)給能量?jī)?chǔ)存帶來(lái)一場(chǎng)革命，展示出綠色儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展前景。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本方案采取的技術(shù)方案是：一種電動(dòng)車飛輪電池輔助電源系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征在于，按以下方法構(gòu)建：1 ）首先在電動(dòng)車上設(shè)置一個(gè)飛輪電池單元，用于吸收電動(dòng)車再生制動(dòng)回饋能量，以及車輛加速或爬坡時(shí)協(xié)助主電源向電機(jī)供電；2 ）設(shè)置直

4、流變換 DC / DC 調(diào)壓器，分別與飛輪電池單元和原電動(dòng)車的主電源與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器相連接；3 ）在原電動(dòng)車控制系統(tǒng)的電路基礎(chǔ)上，增設(shè)飛輪電池單元電壓和電流傳感器，還需增設(shè)用于控制調(diào)壓器的 PWM 控制信號(hào)，使微處理器能同時(shí)控制主電源和飛輪電池的充放電；上述調(diào)壓器包括有控制電路板、直流變換 DC / DC 變換器；控制電路板通過(guò)接口電路與主電源電壓傳感器、主電源電流傳感器；電機(jī)電壓傳感器、電機(jī)電流傳感器；飛輪電池單元電壓傳感器、飛輪電池單元電流傳感器、飛輪電池單元轉(zhuǎn)速傳感器、飛輪電池電力電子變換單元工作狀態(tài)及 PW

5、M調(diào)制信號(hào)；油門踏板驅(qū)動(dòng)電位器和剎車踏板制動(dòng)電位器相連接；控制電路板上設(shè)置有微處理器，微處理器可采用單片機(jī)、 DSP 等器件，微處理器通過(guò)濾波電路采集電壓、電流信號(hào)、加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)；微處理器輸出的 PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離器件及驅(qū)動(dòng)電路控制直流變換 DC / DC 變換器每個(gè)功率器件的動(dòng)作。飛輪電池一般由飛輪、軸、懸浮軸承、電機(jī)、真空容器和電力電子裝置組成。真空容器將除電力電子裝查以外的所有機(jī)械部件密封起來(lái)，這樣飛輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)幾乎沒(méi)有風(fēng)損。當(dāng)外設(shè)通過(guò)電力電子裝置給電機(jī)供電時(shí)，電機(jī)給飛輪加速，儲(chǔ)存能量：當(dāng)飛輪給電機(jī)施加轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)又通

6、過(guò)電力電子裝置給外設(shè)供電。當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)裝置以最小損耗運(yùn)行。飛輪是飛輪儲(chǔ)能裝置中的核心部件，它一般是由特殊合成材料組成。飛輪儲(chǔ)能裝置中內(nèi)置一個(gè)既是電動(dòng)機(jī)也充當(dāng)發(fā)電機(jī)的電機(jī)。在充電時(shí)，它作為電動(dòng)機(jī)給飛輪加速；當(dāng)放電時(shí)，它又作為發(fā)電機(jī)給外設(shè)供電，常用的電機(jī)有永磁無(wú)刷電機(jī)、三相無(wú)刷直流電機(jī)、磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。電力電子裝置在真空容器外，它包括主電路和控制電路。主電路通常是由金屬一氧化物一半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET 或絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 功率開關(guān)器件組成的雙向逆變器，通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的輸入和輸出。控制電路不僅控制逆變器的輸入輸出，而且對(duì)

7、整個(gè)裝置起保護(hù)和控制作用。采用本方案的方法構(gòu)建的電動(dòng)車飛輪電池輔助電源系統(tǒng)，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：l ）由飛輪電池存儲(chǔ)電動(dòng)車再生制動(dòng)回饋能量，避免了頻繁充電、放電對(duì)電動(dòng)車主電源的不利影響，由于飛輪電池使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蓄電池，因此電動(dòng)車電源系統(tǒng)的壽命得到提高；2 ）在車輛加速和爬坡時(shí)，飛輪電池協(xié)助主電源向電機(jī)提供一部分能量，使主電源的放電電流值不至于太大，從而使主電源的壽命得到提高；3 ）由于飛輪電池功率密度大的特點(diǎn)，車輛加速時(shí)可以以很大的放電電流協(xié)助主電源供電，因此電動(dòng)車的加速性能有所改善。4 ）本系統(tǒng)不需對(duì)原電動(dòng)車控制系統(tǒng)在原理和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行大的改動(dòng)，只需把

8、原控制系統(tǒng)所用的部分傳感器輸出信號(hào)接入控制電路板中，可以很方便地實(shí)施技術(shù)改造。5 ）本系統(tǒng)使用廣泛，可以用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)三輪車等電動(dòng)車輛。 附圖說(shuō)明：圖 1 是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖 2 是本發(fā)明控制電路框圖；圖 3 是實(shí)施例中 DC / DC 變換器調(diào)壓器電路原理示意圖；圖 4 是實(shí)施例中電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)時(shí)電流方向示意圖；圖 5 是實(shí)施例中電動(dòng)車制動(dòng)時(shí)電流方向示意圖。 具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)例，對(duì)本系統(tǒng)作進(jìn)一

9、步的詳細(xì)描述。參見圖 1 5 ，依照本技術(shù)方案，本實(shí)施例的技術(shù)路線是：在原電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增設(shè)一個(gè)飛輪電池輔助電源系統(tǒng)，該輔助電源系統(tǒng)由飛輪電池和 DC / DC 調(diào)壓器組成。DC / DC 調(diào)壓器包括有控制電路板以及直流變換 DC / DC 變換器； DC / DC 變換器部分可采用多種已廣泛使用的電路，例如 boost 、 buck 、 cuk 變換器及其組合而成的各種變換器；控制電路板通過(guò)接口電路與主電源電壓傳感器、主電源電流傳感

10、器；電機(jī)電壓傳感器、電機(jī)電流傳感器；飛輪電池單元電壓傳感器、飛輪電池單元電流傳感器、飛輪電池單元轉(zhuǎn)速傳感器、飛輪電池電力電子變換單元工作狀態(tài)及 PWM 調(diào)制信號(hào)；油門踏板驅(qū)動(dòng)電位器和剎車踏板制動(dòng)電位器相連接；本實(shí)施例的直流變換DC/ DC變換器部分采用由 boost 和 buck 電路組成的雙向、升降壓電路，如圖 4 所示?？刂齐娐钒迳显O(shè)置有微處理器，微處理器采用 DSP ，通過(guò)采樣電路采集電壓、電流信號(hào)、加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)； DSP 輸出的 PWM 

11、信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離器件及驅(qū)動(dòng)電路控制DC / DC 變換器每個(gè)功率器件的動(dòng)作；光電隔離電路由光禍實(shí)現(xiàn)；控制器所需各種電平由主電源經(jīng)過(guò)普通 DC / DC 開關(guān)電源來(lái)提供。功率器件 T1、T2、T3、T4 組成雙向、升降壓變換器電路，其中 Tl 、 T2 與飛輪電池單元相連， T3 、 T4 分別與主電源的正、負(fù)極相連。四個(gè)功率器件在每一時(shí)刻僅有一只處于PWM 工作狀態(tài)，其中， Tl 工作時(shí)形成驅(qū)動(dòng)降壓變換器， T4 工

12、作時(shí)形成驅(qū)動(dòng)升壓變換器，T2 工作時(shí)形成制動(dòng)升壓變換器， T3 工作時(shí)形成制動(dòng)降壓變換器。調(diào)壓器控制電路板微處理器根據(jù)采集到的飛輪電池單元的飛輪轉(zhuǎn)速及飛輪處于輸出工作狀態(tài)時(shí)的電壓、主電源電壓以及車輛駕駛模式來(lái)控制 DC / DC 變換器處于上述四種工作狀態(tài)之一，同時(shí)控制飛輪電池單元的工作狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)車輛再生制動(dòng)能量向飛輪電池單元的儲(chǔ)存，或者使飛輪電池單元協(xié)助主電源向電機(jī)供電。飛輪電池一般由飛輪、軸、懸浮軸承、電機(jī)、真空容器和電力電子裝置組成。真空容器將除電力電子裝置以外的所有機(jī)械部件密封起來(lái)，這樣飛輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)幾乎沒(méi)有風(fēng)損。當(dāng)外設(shè)通過(guò)電力電

13、子裝置給電機(jī)供電時(shí)，電機(jī)給飛輪加速，儲(chǔ)存能量；當(dāng)飛輪給電機(jī)施加轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)又通過(guò)電力電子裝置給外設(shè)供電。當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)裝置以最小損耗運(yùn)行。飛輪是飛輪儲(chǔ)能裝置中的核心部件，它一般是由特殊合成材料組成。飛輪儲(chǔ)能裝置中內(nèi)置一個(gè)既是電動(dòng)機(jī)也充當(dāng)發(fā)電機(jī)的電機(jī)。在充電時(shí)，它作為電動(dòng)機(jī)給飛輪加速；當(dāng)放電時(shí)，它又作為發(fā)電機(jī)給外設(shè)供電，現(xiàn)在常用的電機(jī)有永磁無(wú)刷電機(jī)、三相無(wú)刷直流電機(jī)、磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。電力電子裝置在真空容器外，它包括主電路和控制電路。主電路通常是由金屬一氧化物一半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET 或絕緣柵雙極型晶體管工 GBT 功率開關(guān)器件組成的

14、雙向逆變器，通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的輸入和輸出。控制電路不僅控制逆變器的輸入輸出，而且對(duì)整個(gè)裝置起保護(hù)和控制作用。電動(dòng)車電機(jī)為永磁有刷直流電機(jī)，20KW，額定電壓 120V ；主電源由 10 節(jié) 200AH 鉛酸蓄電池串聯(lián)組成；功率器件采用工 GBT 及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路；所用微處理器采用 TI 公司TMS32OLF2407DSP ；電壓傳感器采用電流型 200V電壓傳感器；電流傳感器采用電流型200A 電流傳感器。 PWM 調(diào)制頻率為 20K

15、Hz ；信號(hào)采集和控制周期取 lms ；采用 PI 控制算法。具體工作原理：電動(dòng)車加速或爬坡，且飛輪電池單元輸出電壓高于 120V 時(shí)，T2、T3、T4關(guān)斷， Tl 工作于 PWM斬波調(diào)制，實(shí)現(xiàn) DC / DC 變換器的驅(qū)動(dòng)降壓變換，飛輪電池單元協(xié)助主電源向電機(jī)供電。電動(dòng)車加速或爬坡，且飛輪電池單元輸出電壓低于 120V時(shí)， T1 導(dǎo)通， T2 、 T3 關(guān)斷，T4 工作于 P 枷斬波調(diào)制，實(shí)現(xiàn) DC / DC 變換器的驅(qū)動(dòng)升壓變換，飛輪電池單元協(xié)助主電源向電機(jī)供電。電動(dòng)車再生制動(dòng)時(shí)，且飛輪電池單元輸出電壓低于 120V時(shí)，T1、T2、T4 關(guān)斷， T3 工作于 PWM 斬波調(diào)制