電動汽車飛輪電池系統(tǒng)的構建方法

1、電動汽車飛輪電池系統(tǒng)的構建方法2013-1-13制約電動汽車廣泛應用的一個重要因素是其續(xù)駛里程短，而再生制動是節(jié)約能源、提高電動汽車續(xù)駛里程的關鍵，具有顯著的經(jīng)濟價值和社會效益，目前在國內(nèi)外的很多試驗車上已經(jīng)實現(xiàn)?，F(xiàn)有電動車上的再生制動都是在車輛制動時，使電機工作于發(fā)電機狀態(tài)，將動能或重力勢能轉化為電能回饋并儲存在蓄電池中。這種方案的主要缺點是車輛頻繁制動時會使蓄電池頻繁地充電、放電，會對電池造成一定的損失，影響電池的壽命。另外，電池作為電動車的唯一電源，在車輛加速或者爬坡的時候，蓄電池將會出現(xiàn)大電流放電，對電池的壽命也是不利的。 針對上述現(xiàn)有技術存在的缺陷和不足，本方案的目的在于，

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

3、術越來越顯示出它巨大的優(yōu)越性。與其它儲能技術相比，飛輪作為電池儲能具有高比能量、高比功率、高效率、無污染、適用范圍廣、無噪聲、長壽命、維護簡單、可實現(xiàn)連續(xù)工作、可進行模塊化設計制造等優(yōu)點，非常適合應用于瞬時大功率、充放電頻繁的場合。在 21 世紀，這種儲能技術勢必會給能量儲存帶來一場革命，展示出綠色儲能技術的發(fā)展前景。為了實現(xiàn)上述目的，本方案采取的技術方案是：一種電動車飛輪電池輔助電源系統(tǒng)的構建方法，其特征在于，按以下方法構建：1 ）首先在電動車上設置一個飛輪電池單元，用于吸收電動車再生制動回饋能量，以及車輛加速或爬坡時協(xié)助主電源向電機供電；2 ）設置直

4、流變換 DC / DC 調(diào)壓器，分別與飛輪電池單元和原電動車的主電源與電機驅動控制器相連接；3 ）在原電動車控制系統(tǒng)的電路基礎上，增設飛輪電池單元電壓和電流傳感器，還需增設用于控制調(diào)壓器的 PWM 控制信號，使微處理器能同時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；控制電路板通過接口電路與主電源電壓傳感器、主電源電流傳感器；電機電壓傳感器、電機電流傳感器；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；油門踏板驅動電位器和剎車踏板制動電位器相連接；控制電路板上設置有微處理器，微處理器可采用單片機、 DSP 等器件，微處理器通過濾波電路采集電壓、電流信號、加速踏板和制動踏板信號；微處理器輸出的 PWM信號經(jīng)過光電隔離器件及驅動電路控制直流變換 DC / DC 變換器每個功率器件的動作。飛輪電池一般由飛輪、軸、懸浮軸承、電機、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械部件密封起來，這樣飛輪和電機轉子旋轉時幾乎沒有風損。當外設通過電力電子裝置給電機供電時，電機給飛輪加速，儲存能量：當飛輪給電機施加轉矩時，電機又通

6、過電力電子裝置給外設供電。當飛輪空閑運轉時，整個裝置以最小損耗運行。飛輪是飛輪儲能裝置中的核心部件，它一般是由特殊合成材料組成。飛輪儲能裝置中內(nèi)置一個既是電動機也充當發(fā)電機的電機。在充電時，它作為電動機給飛輪加速；當放電時，它又作為發(fā)電機給外設供電，常用的電機有永磁無刷電機、三相無刷直流電機、磁阻電機和感應電機。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體型場效應晶體管 MOSFET 或絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 功率開關器件組成的雙向逆變器，通過它來實現(xiàn)能量的輸入和輸出?？刂齐娐凡粌H控制逆變器的輸入輸出，而且對

7、整個裝置起保護和控制作用。采用本方案的方法構建的電動車飛輪電池輔助電源系統(tǒng)，具有以下明顯優(yōu)點：l ）由飛輪電池存儲電動車再生制動回饋能量，避免了頻繁充電、放電對電動車主電源的不利影響，由于飛輪電池使用壽命遠遠大于蓄電池，因此電動車電源系統(tǒng)的壽命得到提高；2 ）在車輛加速和爬坡時，飛輪電池協(xié)助主電源向電機提供一部分能量，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，車輛加速時可以以很大的放電電流協(xié)助主電源供電，因此電動車的加速性能有所改善。4 ）本系統(tǒng)不需對原電動車控制系統(tǒng)在原理和結構上進行大的改動，只需把

8、原控制系統(tǒng)所用的部分傳感器輸出信號接入控制電路板中，可以很方便地實施技術改造。5 ）本系統(tǒng)使用廣泛，可以用于電動汽車、電動摩托車、電動自行車、電動三輪車等電動車輛。 附圖說明：圖 1 是本發(fā)明系統(tǒng)結構圖；圖 2 是本發(fā)明控制電路框圖；圖 3 是實施例中 DC / DC 變換器調(diào)壓器電路原理示意圖；圖 4 是實施例中電動車驅動時電流方向示意圖；圖 5 是實施例中電動車制動時電流方向示意圖。 具體實施方式以下結合附圖和發(fā)明人給出的實例，對本系統(tǒng)作進一

9、步的詳細描述。參見圖 1 5 ，依照本技術方案，本實施例的技術路線是：在原電動車驅動控制系統(tǒng)基礎上，增設一個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；控制電路板通過接口電路與主電源電壓傳感器、主電源電流傳感

10、器；電機電壓傳感器、電機電流傳感器；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；油門踏板驅動電位器和剎車踏板制動電位器相連接；本實施例的直流變換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置有微處理器，微處理器采用 DSP ，通過采樣電路采集電壓、電流信號、加速踏板和制動踏板信號； DSP 輸出的 PWM 

11、信號經(jīng)過光電隔離器件及驅動電路控制DC / DC 變換器每個功率器件的動作；光電隔離電路由光禍實現(xiàn)；控制器所需各種電平由主電源經(jīng)過普通 DC / DC 開關電源來提供。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、負極相連。四個功率器件在每一時刻僅有一只處于PWM 工作狀態(tài)，其中， Tl 工作時形成驅動降壓變換器， T4 工

12、作時形成驅動升壓變換器，T2 工作時形成制動升壓變換器， T3 工作時形成制動降壓變換器。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速及飛輪處于輸出工作狀態(tài)時的電壓、主電源電壓以及車輛駕駛模式來控制 DC / DC 變換器處于上述四種工作狀態(tài)之一，同時控制飛輪電池單元的工作狀態(tài)以實現(xiàn)車輛再生制動能量向飛輪電池單元的儲存，或者使飛輪電池單元協(xié)助主電源向電機供電。飛輪電池一般由飛輪、軸、懸浮軸承、電機、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械部件密封起來，這樣飛輪和電機轉子旋轉時幾乎沒有風損。當外設通過電力電

13、子裝置給電機供電時，電機給飛輪加速，儲存能量；當飛輪給電機施加轉矩時，電機又通過電力電子裝置給外設供電。當飛輪空閑運轉時，整個裝置以最小損耗運行。飛輪是飛輪儲能裝置中的核心部件，它一般是由特殊合成材料組成。飛輪儲能裝置中內(nèi)置一個既是電動機也充當發(fā)電機的電機。在充電時，它作為電動機給飛輪加速；當放電時，它又作為發(fā)電機給外設供電，現(xiàn)在常用的電機有永磁無刷電機、三相無刷直流電機、磁阻電機和感應電機。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體型場效應晶體管 MOSFET 或絕緣柵雙極型晶體管工 GBT 功率開關器件組成的

14、雙向逆變器，通過它來實現(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，而且對整個裝置起保護和控制作用。電動車電機為永磁有刷直流電機，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 及其相應的驅動電路；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 ；信號采集和控制周期取 lms ；采用 PI 控制算法。具體工作原理：電動車加速或爬坡，且飛輪電池單元輸出電壓高于 120V 時，T2、T3、T4關斷， Tl 工作于 PWM斬波調(diào)制，實現(xiàn) DC / DC 變換器的驅動降壓變換，飛輪電池單元協(xié)助主電源向電機供電。電動車加速或爬坡，且飛輪電池單元輸出電壓低于 120V時， T1 導通， T2 、 T3 關斷，T4 工作于 P 枷斬波調(diào)制，實現(xiàn) DC / DC 變換器的驅動升壓變換，飛輪電池單元協(xié)助主電源向電機供電。電動車再生制動時，且飛輪電池單元輸出電壓低于 120V時，T1、T2、T4 關斷， T3 工作于 PWM 斬波調(diào)制