CN103241126A - 一种电动汽车制动能量回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种电动汽车制动能量回收系统，包括：功率变换储能装置（10）、制动回收控制器、蓄电池（VS）和电机驱动器，所述功率变换储能装置（10）由主继电器（K）、控制继电器（K1）、DC/DC变换器和超级电容（SC）组成，所述DC/DC变换器通过控制继电器（K1）输出端与所述超级电容（SC）连接；所述主继电器（K）、控制继电器（K1）的输入端分别和所述制动回收控制器连接；所述主继电器（K）用于控制将蓄电池或超级电容（SC）接入电机驱动器电路（20）中。本发明能够有效提高车辆的能量利用率，缓解电池电量不足所造成的电动汽车续时里程低，既达到了节能环保的目的，又提高了电动汽车用户的使用方便性。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，更具体涉及一种电动汽车制动能量回收装置，可以有效的回收部分摩擦制动时耗散的能量。
背景技术
随着全球汽车产业的快速发展和汽车保有量的迅猛增长，能源危机和环境污染的问题日益严重。伴随《国家“十二五”科学和技术发展规划》正式发布，新能源汽车产业技术成为未来五年科技部重点扶持的领域，因此纯电动汽车将越来越受到关注。
随着政府和社会对环境污染及能源问题的重视程度的提高，节能环保已成为汽车行业发展的主要目标之一。电动汽车技术的发展进入了一个重要的阶段，其中再生制动技术作为节能和环保的关键技术之一，有很多问题丞待解决。汽车在制动过程中大量的动能通过摩擦转化为热能耗散掉，导致汽车制动系统过早地磨损，增加汽车使用成本。利用再生制动进行能量回收是电动汽车的一大节能优势。再生制动系统，将原本摩擦制动耗散的能量，部分回收再利用，能够有效提高车辆的能量利用率，起到节约能源的作用。汽车驱动电机技术和储能技术的进一步发展，采用电机来回收与利用制动能量越来越显现出其优势，特别是在纯电动或混合动力汽车中，主要采用电储能的再生制动方式。
发明内容
本发明提供一种汽车制动能量回收系统，以方便回收再利用电动汽车制动时的部分动能，提高续时里程。
本发明使用由buck-boost型DC-DC变换器与超级电容组合构成的功率变换储能装置，该功率变换储能装置可在控制器指令的控制下，实现电动汽车制动过程中制动能量的回收和驱动过程中储存能量的再利用。其具体工作原理为通过自行设计的DC/DC变换器与超级电容配合使用，在正向升压过程中，由于继电器K1切换在1端，使得DC/DC变换器变为一个boost型的变换器，在汽车制动过程中通过制动回收控制器的控制，使得q1导通，q2斩波，向超级电容正向升压充电；在反向降压过程中，K1切换至2端，DC/DC变换器在此时变为一个buck型变换器，在汽车正常行驶过程中，为了使得超级电容端的输出电压与电机的额定电压相匹配，通过制动回收控制器使得q2导通，q1斩波，按照相应比例反向降压；此系统在不影响效果的前提下，大大的简化了传统的制动能量回收系统中用到的Bi-buck-boost型DC/DC部分硬件电路，配合相应控制策略，既使得回收效率可以达到30%以上，又大大提高能量的利用效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电动汽车制动能量回收系统，包括：功率变换储能装置、制动回收控制器、蓄电池和电机驱动器，其中所述电机驱动器由场效应管组成，所述电机驱动器输出端与电机三项绕组相连；所述制动回收控制器根据所述电机驱动器的输出信号、超级电容电压信号、母线电流信号、转速信号、加速踏板信号和制动踏板信号，控制所述功率变换储能装置吸收或释放能量，所述功率变换储能装置由主继电器、控制继电器、DC/DC变换器和超级电容组成，所述DC/DC变换器通过控制继电器输出端与所述超级电容连接；所述主继电器、控制继电器的输入端分别和所述制动回收控制器连接；所述主继电器用于控制将蓄电池或超级电容接入电机驱动器电路中；
所述DC/DC变换器由第一场效应管、第二场效应管和储能电感组成，所述储能电感的一端连接控制继电器的输出端，所述储能电感的另一端分别与第一场效应管的源极、第二场效应管的漏极连接，所述第一场效应管的漏极与控制继电器输出端连接，所述第二场效应管的源极连接所述超级电容的一端；所述超级电容的另一端和所述控制继电器的输出触点连接；所述第一场效应管和第二场效应管的栅极分别和所述制动回收控制器连接；
所述控制继电器的输出端包括第一、第二两组触点，第一组触点中设有第一输入触点和第一输出触点，第二组触点中设有第二输入触点和第二输出触点。
在汽车制动过程中，所述制动回收控制器控制所述储能电感的一端与控制继电器第一输入触点连接，所述第一场效应管的漏极与控制继电器第一输出触点连接，控制所述第一场效应管导通，第二场效应管斩波升压，使得DC/DC变换器变为一个boost型的变换器，向超级电容正向升压充电；
当电动汽车处于启动、加速等状态时，所述制动回收控制器控制所述第一场效应管的漏极与控制继电器第二输入触点连接、所述储能电感的一端与控制继电器第二输出触点连接，控制所述第二场效应管导通，第一场效应管斩波升压，使得所述DC/DC变换器变为一个buck型变换器，超级电容反向降压放电。
作为本发明的进一步改进，当超级电容工作在升压充电状态时，所述制动回收控制器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，对电机发电电压进行升压，并根据速度调节作为第二场效应管门控信号的PWM波占空比，控制所述第二场效应管斩波升压，继续对超级电容充电。
作为本发明的进一步改进，当超级电容工作在降压放电状态时，所述制动回收控制器监测电机转速与超级电容电压，超级电容升压输出驱动电机，当电机转速达到预定值，再使继电器K切换至蓄电池回路，由蓄电池给电机供电。
本发明主要通过控制主继电器的开合，以及DC-DC中两个场效应管的开关，使超级电容充放电，达到提高效率的目的。蓄电池作为主动力源，超级电容作为能量回收存储装置，DC-DC变换器用以调节匹配超级电容充放电时的端电压，继电器K1控制DC/DC分别构成升、降压回路，主继电器K是控制将蓄电池或超级电容接入主电路中。制动回收控制器的作用是接收超级电容电压信号、母线电流信号、转速信号、加速踏板信号和制动踏板信号并做出相应的处理和控制。
本系统可以实现下面功能：当电动汽车处于刹车减速状态时，系统可以使超级电容处于充电状态，并以响应控制策略控制使汽车在不同行驶工况下达到不同的效果，如回收能量最大化，制动性能最优；当电动汽车处于启动、加速等状态时，超级电容工作在升压放电状态，超级电容升压输出预先驱动电机，当电机转速达到预定值，由蓄电池给电机供电。如此即避免了电机启动、爬坡等工况由于大电流放电对蓄电池的伤害，又延长了电动汽车的续航里程。
附图说明
图1是与本发明实施例1的主电路拓扑结构图；
图2是与本发明实施例1的制动回收控制器输入/输出信号描述；
图3是与本发明实施例1的控制继电器K1切换至第一组触点的电路图；
图4是与本发明实施例1的控制继电器K1切换至第二组触点的电路图；
图5是与本发明实施例1的系统图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种电动汽车制动能量回收系统，包括：功率变换储能装置10、制动回收控制器、蓄电池VS和电机驱动器，其中电机驱动器20由场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6组成，所述电机驱动器输出端与电机三项绕组A、B、C相连；制动回收控制器根据所述电机驱动器的输出信号、超级电容电压信号、母线电流信号、转速信号、加速踏板信号和制动踏板信号，控制功率变换储能装置10吸收或释放能量。 功率变换储能装置10由主继电器K、控制继电器K1、DC/DC变换器和超级电容SC组成，DC/DC变换器通过控制继电器K1输出端与所述超级电容SC连接。主继电器K、控制继电器K1的输入端分别和制动回收控制器连接；主继电器K用于控制将蓄电池或超级电容SC接入电机驱动器电路20中。DC/DC变换器由第一场效应管q1、第二场效应管q2和储能电感L组成，储能电感L的一端连接控制继电器K1的输出端，所述储能电感L的另一端分别与第一场效应管q1的源极、第二场效应管q2)的漏极连接，第一场效应管q1的漏极与控制继电器K1输出端连接，第二场效应管q2的源极连接超级电容SC的一端。超级电容SC的另一端和控制继电器K1的第一和第二输出触点12，22连接。第一场效应管q1和第二场效应管q2的栅极分别和所述制动回收控制器连接；
控制继电器K1的输出端包括第一、第二两组触点，第一组触点中设有第一输入触点11和第一输出触点12，第二组触点中设有第二输入触点21和第二输出触点22。
在汽车制动过程中，制动回收控制器20控制储能电感L的一端与控制继电器第一输入触点11连接，第一场效应管q1的漏极与控制继电器第一输出触点12连接，控制第一场效应管q1导通，第二场效应管q2斩波升压，使得DC/DC变换器变为一个boost型的变换器，向超级电容SC正向升压充电。
如图3所示，当电动汽车处于刹车减速状态时，制动回收控制器控制储能电感L的一端与控制继电器第一，输入触点11连接，第一场效应管q1的漏极与控制继电器第一输出触点12连接，控制第一场效应管q1完全导通，第二场效应管q2斩波升压，使得DC/DC变换器变为一个boost型的变换器，向超级电容SC正向升压充电。此时超级电容工作在充电状态。此时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同正比，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，通过控制算法使q2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，以最大效率的回收制动能量。
如图4所示，当电动汽车处于启动、加速等状态时，制动回收控制器控制所述第一场效应管q1的漏极与控制继电器第二输入触点21连接、储能电感L的一端与控制继电器第二输出触点（22）连接，控制所述第二场效应管q2完全导通，第一场效应管q1斩波升压，使得所述DC/DC变换器变为一个buck型变换器，超级电容SC反向降压放电.此时超级电容工作在降压放电状态，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，再使继电器K切换至蓄电池回路，由蓄电池给电机供电。如此即避免了电机启动、爬坡等工况由于大电流放电对蓄电池的伤害，又延长了电动汽车的续驶里程。
如图2所示的电动汽车制动能量回收系统制动回收控制器输入/输出信号描述图，制动回收控制器采用Atmega16单片机，制动回收控制器采集电机的信号、踏板加速和制动信号，以及电流电压等信号转化成模拟信号根据内部程序来协调控制系统的状态。将采集的三相霍尔信号两两相与，然后再相加，则当电机匀速转过360゜电角度期间会得到三个相同的周期是120゜电角度的对称与方波信号，即与方波信号的高低电平时长（T）相等。转速变化时与方波的周期也相应改变，利用它来测量电机的转速，比采用单个霍尔信号时测量精度和分辨率要高。电机每转过360゜机械角度会产生3*p个与方波，p是电机磁极对数。另采集驱动电机的蓄电池两端母线电流信号，及超级电容端电压，另采集电机加速、制动信号。PWM通过简单的积分电路，可以得到与信号占空比成线性关系的模拟电压信号，用PWM来模拟转把信号和制动信号，此时，由上位机发送指令给制动能量回收控制器，由制动回收控制器输出给定频率f和占空比D的PWM，来模拟转把或制动信号,此时模拟信号电压为D*5V。因此，需要制动回收控制器输出两路PWM来分别模拟转把信号和制动信号，并由PWM作为门控信号控制场效应管开关，控制DC/DC变换器升降压，及继电器在制动回收控制回路和蓄电池回路的切换。
如图5所示的电动汽车制动能量回收系统示意图，图中实线为动力线，虚线为信号线，电机驱动器驱动控制电机，接收霍尔信号、加速踏板和制动踏板电信号，并实时传递给制动回收控制器，制动回收控制器通过这些信号，判断汽车行驶工况，并作出判断，控制主继电器K和控制继电器K1的开合，从而实现能量的回收和释放。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种电动汽车制动能量回收系统，包括：功率变换储能装置（10）、制动回收控制器、蓄电池（VS）和电机驱动器，其中所述电机驱动器（20）由场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)组成，所述电机驱动器输出端与电机三项绕组（A、B、C）相连；所述制动回收控制器根据所述电机驱动器的输出信号、超级电容电压信号、母线电流信号、转速信号、加速踏板信号和制动踏板信号，控制所述功率变换储能装置吸收或释放能量，其特征在于：
所述功率变换储能装置（10）由主继电器（K）、控制继电器（K1）、DC/DC变换器和超级电容（SC）组成，所述DC/DC变换器通过控制继电器（K1）输出端与所述超级电容（SC）连接；所述主继电器（K）、控制继电器（K1）的输入端分别和所述制动回收控制器连接；所述主继电器（K）用于控制将蓄电池或超级电容（SC）接入电机驱动器电路（20）中；
所述DC/DC变换器由第一场效应管(q1)、第二场效应管(q2)和储能电感(L)组成，所述储能电感(L)的一端连接控制继电器（K1）的输出端，所述储能电感(L)的另一端分别与第一场效应管(q1)的源极、第二场效应管(q2) 的漏极连接，所述第一场效应管(q1)的漏极与控制继电器（K1）输出端连接，所述第二场效应管(q2)的源极连接所述超级电容（SC）的一端；所述超级电容（SC）的另一端和所述控制继电器（K1）的输出触点（12，22）连接；所述第一场效应管(q1)和第二场效应管(q2)的栅极分别和所述制动回收控制器连接；
所述控制继电器（K1）的输出端包括第一、第二两组触点，第一组触点中设有第一输入触点（11）和第一输出触点（12），第二组触点中设有第二输入触点（21）和第二输出触点（22）。
2.根据权利要求1所述的电动汽车制动能量回收系统，其特征是，
当汽车制动、减速时，所述制动回收控制器控制所述储能电感(L)的一端与控制继电器第一输入触点（11）连接，所述第一场效应管(q1)的漏极与控制继电器第一输出触点（12）连接，控制所述第一场效应管（q1）导通，第二场效应管（q2）斩波升压，使得DC/DC变换器变为一个boost型的变换器，向超级电容（SC）正向升压充电；
当电动汽车处于启动、加速等状态时，所述制动回收控制器控制所述第一场效应管(q1)的漏极与控制继电器第二输入触点（21）连接、所述储能电感(L)的一端与控制继电器第二输出触点（22）连接，控制所述第二场效应管（q2）导通，第一场效应管（q1）斩波升压，使得所述DC/DC变换器变为一个buck型变换器，超级电容（SC）反向降压放电。
3.根据权利要求1或2所述的电动汽车制动能量回收系统，其特征是，当超级电容工作在升压充电状态时，所述制动回收控制器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，对电机发电电压进行升压，并根据速度调节作为第二场效应管（q2）门控信号的PWM波占空比，控制所述第二场效应管（q2）斩波升压，继续对超级电容充电；
当超级电容工作在降压放电状态时，所述制动回收控制器监测电机转速与超级电容电压，超级电容升压输出驱动电机，当电机转速达到预定值，再使继电器K切换至蓄电池回路，由蓄电池给电机供电。
4.根据权利要求1所述的电动汽车制动能量回收系统，其特征是，所述制动回收控制器采用Atmega16单片机。
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