專利名稱：復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動車電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
制約電動車廣泛應(yīng)用的一個重要因素就是其續(xù)駛里程，在當(dāng)今國家大力倡 導(dǎo)發(fā)展新能源汽車和電動車的背景下，隨著太陽能光伏電池技術(shù)的高速發(fā)展， 充分利用太陽能電池這類新能源，利用再生制動能量，提高電動車?yán)m(xù)駛里程具 有顯著的社會價值和經(jīng)濟效益。在現(xiàn)有的國內(nèi)外很多試驗車已經(jīng)實現(xiàn)了利用單 獨太陽能作為補充能源或者單獨制動能量的回收的新型電動車。
而上述方案的主要缺點就是會在行駛中頻繁給主電源充電、放電，因此會 對電池造成一定的損失，影響電池的壽命。還有太陽能光伏電池單獨作為補充 能源和主電源一起驅(qū)動電動機，在加速和爬坡時，主電源將會大電流放電，對 主電源的壽命是非常不利的。
隨著太陽能技術(shù)的飛速發(fā)展，太陽能是一種取之不盡，用之不竭的綠色能 源，將其用于作為電動車的能源必將會對電動車的發(fā)展和能源的利用具有極大 的意義。而超級電容是近些年研究開發(fā)的一種新型電容，這種超級電容容量遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于普通電容，與普通蓄電池相比，超級電容具有功率密度大，壽命無限長 等特點，非常適合瞬時大功率放電，適合電動車在加速和爬坡時的大電流放電。 因此，將上述兩種設(shè)備應(yīng)用于電動車驅(qū)動技術(shù)將有待開發(fā)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種復(fù)合能源電動車的電源 系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)能很好地提高汽車的加速性能和爬山性能，并且減少了主電 源的大電流放電時間，避免了主電源的損壞及容量的減少。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn) 一種復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，包括復(fù) 合電源控制機盒及分別與其連接的主電源、太陽能光伏電池和超級電容模組， 復(fù)合電源控制機盒的輸出端分別與電機驅(qū)動控制模塊和輔助設(shè)備連接，電機驅(qū) 動控制模塊的另一端與電動機連接；復(fù)合電源控制機盒內(nèi)設(shè)置相連接的硬件主 電路和控制電路;硬件主電路通過單向DC/DC變換器與太陽能光伏電池連接， 通過雙向DC/DC變換器與超級電容模組連接;控制電路中設(shè)有溫度檢測模塊、 電流檢測模塊、電壓檢測模塊、微處理器和故障信號檢測模塊，微處理器的 A/D轉(zhuǎn)換輸入端通過信號調(diào)理電路分別與溫度檢測模塊、電流檢測模塊和電壓 檢測模塊連接，微處理器的PWM輸出端通過光耦隔離電路分別與電機驅(qū)動電 路和輔助設(shè)備電位器連接，微處理器的功率驅(qū)動保護(hù)中斷端通過光耦隔離電路 與故障信號檢測模塊連接。
所述單向DC/DC變換器采用布斯特變換器或布克變換器中的一種；所述 雙向DC/DC變換器采用電流雙象限變換器、全橋變換器、T型雙向升降壓變 換器、級聯(lián)式升降壓變換器、CUK雙向變換器或Sepic-Zeta雙向變換器中的 一種。
所述單向DC/DC變換器或雙向DC/DC變換器的功率器件采用金屬氧化 物半導(dǎo)體型場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極型晶體管中的一種。
所述電流檢測模塊包括設(shè)于硬件主電路中的主電源電流傳感器、太陽能光 伏電池電流傳感器和超級電容模組電流傳感器連接；所述電壓檢測模塊包括設(shè) 于硬件主電路中的主電源電壓傳感器、太陽能光伏電池電壓傳感器和超級電容 模組電壓傳感器。
所述電機驅(qū)動電路中設(shè)有電機電流傳感器和電機電壓傳感器；所述輔助設(shè) 備電位器包括油門驅(qū)動踏板電位器和剎車踏板制動電位器。
所述微處理器的輸入端還連接有時鐘電路及電源，微處理器內(nèi)部設(shè)有用于 系統(tǒng)保護(hù)的功率驅(qū)動保護(hù)中斷模塊，微處理器的輸出端還連接有方便系統(tǒng)操作 控制的顯示模塊。
所述微處理器采用單片機或數(shù)字信號處理器中的一種。
所述主電源采用蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池或鐵離子電池中的一種。
5所述電動機采用直流電動機、永磁有刷直流電動機、永磁無刷直流電動機 或開關(guān)磁阻電動機中的一種。
本發(fā)明的電源系統(tǒng)使用時，由微處理器收集其輸入端各模塊的電流及電壓 信號，然后判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)出控制指令，實現(xiàn)對主電源和超級電 容模組的狀態(tài)檢測及保護(hù)功能，同時完成太陽能電池的最大功率點跟蹤，從而 調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量和功率的流動方向與配比，以及對輔助設(shè)備的供電狀態(tài)進(jìn)行控 制。其具體的工作狀態(tài)分為以下三種情況
1、 當(dāng)電動車處于正常行駛狀態(tài)，由主電源為電動車提供電量，太陽能光 伏電池為超級電容模組充電，充滿后系統(tǒng)控制太陽能光伏電池對電動車進(jìn)行輔 助驅(qū)動。
2、 當(dāng)電動車處于加速/爬坡狀態(tài)，若電動機所需電流大于主電源的安全電 流上限時，超級電容模組開始放電，為電動車提供瞬時大電流，此時太陽能光 伏電池也處于輔助驅(qū)動的工作狀態(tài)，使得對太陽能的利用最大化。
3、 當(dāng)電動車處于制動狀態(tài)，系統(tǒng)切斷輔助能源與主電源的連接通道，太 陽能光伏電池僅為超級電容模組充電，此時電動機擁有可再生能量制動的功
能，并通過雙向DC/DC將這部分能量回收到超級電容模組中。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 有效增加電動車的續(xù)駛里程。主要表現(xiàn)在兩個方面首先采用太陽能 光伏電池和作為主電源的蓄電池并聯(lián)提供電力，緩解了電動車能量不足的缺 點，有效延長電動車?yán)m(xù)駛里程；其次利用超級電容功率密度高、充電電流大以 及充放電效率高的特點，可有效吸納光伏電池的能量，并且在加速和爬坡時用 超級電容作為輔助能源，可減少主電源大電流放電時間，避免了主電源的損壞 及容量的減少，這些都使電動車的續(xù)駛里程得到有效提高。
2、 提高汽車的加速性能和爬坡性能，改善起步性能。超級電容作為輔助 能源，可以在電動車加速和爬坡過程中作為峰值功率發(fā)生器，將儲存的太陽能 釋放出來協(xié)助蓄電池供電，這對電動車尤其是純電動車的動力性能起到很大的 補助作用。
3、 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明的電源系統(tǒng)不需要對原電動車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大改動，只要加裝太陽能光伏電池、超級電容模組和控制用的復(fù)合電源控制機盒， 其結(jié)構(gòu)簡單，改造方便。
4、 太陽能電動車設(shè)計的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)以及MPPT技術(shù)對于發(fā)展光伏發(fā)電 系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等新能源系統(tǒng)具有很重要的借鑒作用。MPPT可挽回由于 溫度變化而導(dǎo)致的系統(tǒng)失配損失，尤其失對于冬、夏及全日溫差較大區(qū)域更具 有明顯的經(jīng)濟、技術(shù)意義。
5、 本發(fā)明的系統(tǒng)采用單向DC/DC變換器實現(xiàn)太陽能光伏電池和復(fù)合電源 控制機盒中微處理器的連接，能夠較好地追蹤到太陽能光伏電池的最大功率跟 蹤點，使太陽能光伏電池發(fā)揮最大功率；系統(tǒng)采用雙向DC/DC變換器實現(xiàn)超 級電容模組和微處理器的連接，能夠較好地控制超級電容模組的充電或放電模 式，使得電源系統(tǒng)能在電動車的啟動、制動或加速爬坡等各種工作狀態(tài)發(fā)揮最 大功率。
圖1是本發(fā)明電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明電源系統(tǒng)中的硬件主電路圖。
圖3是本發(fā)明電源系統(tǒng)中的控制電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是電動車處于正常行駛狀態(tài)時本發(fā)明電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖。
圖5是電動車處于加速/爬坡狀態(tài)時本發(fā)明電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖。
圖6是電動車處于制動狀態(tài)時本發(fā)明電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖。
圖7是電動車處于正常行駛狀態(tài)時本發(fā)明電源系統(tǒng)的控制流程示意圖。
圖8是電動車處于加速/爬坡狀態(tài)時本發(fā)明電源系統(tǒng)的控制流程示意圖。
圖9是電動車處于制動狀態(tài)時本發(fā)明電源系統(tǒng)的控制流程示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實 施方式不限于此。
實施例
本實施例一種復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，如圖1所示，包括復(fù)合電源控制機盒及分別與其連接的主電源、太陽能光伏電池和超級電容模組，復(fù)合電源 控制機盒的輸出端分別與電機驅(qū)動控制模塊和輔助設(shè)備連接，電機驅(qū)動控制模
塊的另一端與電動機連接；復(fù)合電源控制機盒內(nèi)設(shè)置相連接的硬件主電路和控 制電路；其中，如圖2所示，硬件主電路通過單向DC/DC變換器與太陽能光 伏電池連接，通過雙向DC/DC變換器與超級電容模組連接；如圖3所示，控 制電路中設(shè)有溫度檢測模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊、微處理器和故障 信號檢測模塊，微處理器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端通過信號調(diào)理電路分別與溫度檢 測模塊、電流檢測模塊和電壓檢測模塊連接，微處理器的PWM輸出端通過光 耦隔離電路分別與電機驅(qū)動電路和輔助設(shè)備電位器連接，微處理器的功率驅(qū)動 保護(hù)中斷端通過光耦隔離電路與故障信號檢測模塊連接。
以上系統(tǒng)中單向DC/DC變換器可采用布斯特變換器或布克變換器中的一 種；雙向DC/DC變換器可采用電流雙象限變換器、全橋變換器、T型雙向升 降壓變換器、級聯(lián)式升降壓變換器、CUK雙向變換器或Sepic-Zeta雙向變換 器中的一種；單向DC/DC變換器或雙向DC/DC變換器的功率器件采用金屬 氧化物半導(dǎo)體型場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極型晶體管中的一種。
電流檢測模塊包括設(shè)于硬件主電路中的主電源電流傳感器、太陽能光伏電 池電流傳感器和超級電容模組電流傳感器連接；電壓檢測模塊包括設(shè)于硬件主 電路中的主電源電壓傳感器、太陽能光伏電池電壓傳感器和超級電容模組電壓 傳感器；電機驅(qū)動電路中設(shè)有電機電流傳感器和電機電壓傳感器；輔助設(shè)備電 位器包括油門驅(qū)動踏板電位器和剎車踏板制動電位器等。
如圖3所示，微處理器的輸入端還連接有時鐘電路及電源，微處理器內(nèi)部 設(shè)有用于系統(tǒng)保護(hù)的功率驅(qū)動保護(hù)中斷模塊，微處理器的輸出端還連接有方便 系統(tǒng)操作控制的顯示模塊。
微處理器可采用單片機或數(shù)字信號處理器中的一種；主電源可采用蓄電 池、鋰離子電池、鎳氫電池或鐵離子電池中的一種；電動機可采用直流電動機、 永磁有刷直流電動機、永磁無刷直流電動機或開關(guān)磁阻電動機中的一種。
本實施例中，電動車電機采用3KW的串勵直流電動機，其額定電壓48V， 額定電流80A;主電源采用6個8V的獨立鉛酸蓄電池串聯(lián)而成；超級電容模組為由2塊電容模塊(55V/50F)進(jìn)行串聯(lián)而成，串聯(lián)后得到110V/25F的超級 電容模組(該電容模塊已集成均衡和保護(hù)模塊，可直接使用)；微處理器采用 TI公司的TMS320LF2407A型DSP (數(shù)字信號處理器)芯片；主電源、太陽 能光伏電池、超級電容模組及電動機的電壓傳感器均采用CHV-25P閉環(huán)霍爾 電壓傳感器；主電源、太陽能光伏電池、超級電容模組及電動機的電流傳感器 均采用CSM005A霍爾閉環(huán)電流傳感器或CHB-200S閉環(huán)霍爾電流傳感器， PWM調(diào)制頻率為20KHZ。
本實施例的太陽能光伏電池采用BOOST電路作為其最大功率跟蹤電路， 采用電流雙象限變換器作為超級電容模組與直流母線的連接通道，電流雙象限 DC/DC變換器在電動車啟動或者加速時工作在降壓狀態(tài)(BUCK電路)，為電 動汽車提供瞬時大電流，在其他工況下由光伏電池向其充電。如圖2的電源系 統(tǒng)硬件主電路圖所示，圖中的能量源有太陽能光伏電池、蓄電池和超級電容模
組(UC)， M為電動機，Umppt為太陽能光伏電池電壓傳感器，Imppt為太陽能光 伏電池電流傳感器，Ub為主電源電壓傳感器，Ib為主電源電流傳感器，Ue為 超級電容模組電壓傳感器，Ie為超級電容模組電流傳感器，Vh V2、 V3、 V4
分別為電力開關(guān)管，D,、 D2、 D3、 D4、 D5分別為二極管，F(xiàn)USE為保險絲。電 路中Di為防反充二極管，防止當(dāng)負(fù)載電壓高于太陽能光伏電池時對其反充電， D4為防蓄電池反接二極管，當(dāng)蓄電池接反的時候，二極管D4導(dǎo)通，產(chǎn)生大電 流迅速熔斷保險絲，從而達(dá)到保護(hù)蓄電池的目的；Q、 C2為大容量濾波電容， 電力開關(guān)管V2 (這里采用的是IGBT)起開關(guān)的作用，連接作為輔助電源的太 陽能光伏電池及超級電容模組與主電源，通過控制其導(dǎo)通/關(guān)斷實現(xiàn)能量流動 方向的控制。
本實施例的電源系統(tǒng)使用時，由微處理器收集其輸入端各模塊的電流及電 壓信號，然后判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)出控制指令，實現(xiàn)對主電源和超級 電容模組的狀態(tài)檢測及保護(hù)功能，同時完成太陽能電池的最大功率點跟蹤，從 而調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量和功率的流動方向與配比，以及對輔助設(shè)備的供電狀態(tài)進(jìn)行控 制。其具體的工作狀態(tài)分為以下三種情況
1、如圖4所示，當(dāng)電動車處于正常行駛狀態(tài)，由主電源為電動車提供電
9量，太陽能光伏電池為超級電容模組充電，充滿后系統(tǒng)調(diào)節(jié)MPPT電路，控 制太陽能光伏電池對電動車進(jìn)行輔助驅(qū)動，其控制流程如圖7所示，其中Dmppt 為太陽能光伏電池最大功率跟蹤器的占空比，Uerefh為超級電容模組滿容量時 的電壓上限值，e。為一個值為極小量的常數(shù)。
2、 如圖5所示，當(dāng)電動車處于加速/爬坡狀態(tài)，若電動機所需電流大于主 電源的安全電流上限時，超級電容模組開始放電，為電動車提供瞬時大電流， 此時太陽能光伏電池也處于輔助驅(qū)動的工作狀態(tài)，使得對太陽能的利用最大 化。此過程控制電路的控制流程如圖8所示，其中Ib—rdh為主電源放電的電流 極限值，Ue^為超級電容模組的最低安全電壓極限值，Ddc是雙向DC/DC變 換器的占空比，進(jìn)入超級電容模組放電中斷子程序時，系統(tǒng)先采集主電源電流 值、電樞電流值以及超級電容電流和電壓值，判斷主電源的Ib是否超過安全工 作電流Ib—refh，若超過則計算超級電容模組應(yīng)提供的電流，進(jìn)而通過計算改變 占空比Dde的值，達(dá)到調(diào)節(jié)電流雙象限D(zhuǎn)C/DC變換器的輸出電流Ide工作在合 適范圍的目的，需要說明的是當(dāng)超級電容模組的端電壓Ue小于一個最低限
U^fl時，要停止對超級電容模組的放電，以防止損壞超級電容模組。
3、 如圖6所示，當(dāng)電動車處于剎車的制動狀態(tài)，系統(tǒng)切斷輔助能源與主 電源的連接通道，太陽能光伏電池僅為超級電容模組充電，此時電動機擁有可 再生能量制動的功能，并通過雙向DC/DC將這部分能量回收到超級電容模組 中，MPPT電路正常工作，起最大功率跟蹤作用，其流程如圖9所示。
如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明，上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例， 并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾， 都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1、復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，其特征在于，包括復(fù)合電源控制機盒及分別與其連接的主電源、太陽能光伏電池和超級電容模組，復(fù)合電源控制機盒的輸出端分別與電機驅(qū)動控制模塊和輔助設(shè)備連接，電機驅(qū)動控制模塊的另一端與電動機連接；復(fù)合電源控制機盒內(nèi)設(shè)置相連接的硬件主電路和控制電路；硬件主電路通過單向DC/DC變換器與太陽能光伏電池連接，通過雙向DC/DC變換器與超級電容模組連接；控制電路中設(shè)有溫度檢測模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊、微處理器和故障信號檢測模塊，微處理器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端通過信號調(diào)理電路分別與溫度檢測模塊、電流檢測模塊和電壓檢測模塊連接，微處理器的PWM輸出端通過光耦隔離電路分別與電機驅(qū)動電路和輔助設(shè)備電位器連接，微處理器的功率驅(qū)動保護(hù)中斷端通過光耦隔離電路與故障信號檢測模塊連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，其特征在于，所述 單向DC/DC變換器采用布斯特變換器或布克變換器中的一種；所述雙向 DC/DC變換器采用電流雙象限變換器、全橋變換器、T型雙向升降壓變換器、 級聯(lián)式升降壓變換器、CUK雙向變換器或Sepic-Zeta雙向變換器中的一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，其特征在于，所述 單向DC/DC變換器或雙向DC/DC變換器的功率器件采用金屬氧化物半導(dǎo)體 型場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極型晶體管中的一種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，其特征在于，所述 電流檢測模塊包括設(shè)于硬件主電路中的主電源電流傳感器、太陽能光伏電池電 流傳感器和超級電容模組電流傳感器；所述電壓檢測模塊包括設(shè)于硬件主電路 中的主電源電壓傳感器、太陽能光伏電池電壓傳感器和超級電容模組電壓傳感 器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，其特征在于，所述 電機驅(qū)動電路中設(shè)有電機電流傳感器和電機電壓傳感器；所述輔助設(shè)備電位器 包括油門驅(qū)動踏板電位器和剎車踏板制動電位器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，其特征在于，所述 微處理器的輸入端還連接有時鐘電路及電源，微處理器內(nèi)部設(shè)有用于系統(tǒng)保護(hù) 的功率驅(qū)動保護(hù)中斷模塊，微處理器的輸出端還連接有方便系統(tǒng)操作控制的顯 示模塊。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，其特征在于，所述 微處理器采用單片機或數(shù)字信號處理器中的一種。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，其特征在于，所述 主電源采用蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池或鐵離子電池中的一種。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，其特征在于，所述 電動機采用直流電動機、永磁有刷直流電動機、永磁無刷直流電動機或開關(guān)磁 阻電動機中的一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種復(fù)合能源電動車的電源系統(tǒng)，包括復(fù)合電源控制機盒及與其連接的主電源、太陽能光伏電池和超級電容模組，復(fù)合電源控制機盒輸出端連接電機驅(qū)動控制模塊和輔助設(shè)備，電機驅(qū)動控制模塊另一端連接電動機；復(fù)合電源控制機盒內(nèi)設(shè)置相連接的硬件主電路和控制電路；硬件主電路通過單向DC/DC變換器與太陽能光伏電池連接，通過雙向DC/DC變換器與超級電容模組連接；控制電路中微處理器輸入端通過信號調(diào)理電路與溫度檢測模塊、電流檢測模塊和電壓檢測模塊連接，輸出端通過光耦隔離電路連接電機驅(qū)動電路和輔助設(shè)備電位器。本發(fā)明能很好地提高汽車的加速性能和爬山性能，并且減少主電源的大電流放電時間，避免主電源的損壞及容量的減少。
文檔編號H02J7/35GK101630862SQ20091004168
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月5日
發(fā)明者余開江, 靜 孫, 康龍云, 鷹 李, 王新運 申請人:華南理工大學(xué)