专利名称：复合能源电动车的电源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动车电源技术领域，特别涉及一种复合能源电动车的电源系统。
背景技术：
制约电动车广泛应用的一个重要因素就是其续驶里程，在当今国家大力倡 导发展新能源汽车和电动车的背景下，随着太阳能光伏电池技术的高速发展， 充分利用太阳能电池这类新能源，利用再生制动能量，提高电动车续驶里程具 有显著的社会价值和经济效益。在现有的国内外很多试验车已经实现了利用单 独太阳能作为补充能源或者单独制动能量的回收的新型电动车。
而上述方案的主要缺点就是会在行驶中频繁给主电源充电、放电，因此会 对电池造成一定的损失，影响电池的寿命。还有太阳能光伏电池单独作为补充 能源和主电源一起驱动电动机，在加速和爬坡时，主电源将会大电流放电，对 主电源的寿命是非常不利的。
随着太阳能技术的飞速发展，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色能 源，将其用于作为电动车的能源必将会对电动车的发展和能源的利用具有极大 的意义。而超级电容是近些年研究开发的一种新型电容，这种超级电容容量远 远大于普通电容，与普通蓄电池相比，超级电容具有功率密度大，寿命无限长 等特点，非常适合瞬时大功率放电，适合电动车在加速和爬坡时的大电流放电。 因此，将上述两种设备应用于电动车驱动技术将有待开发。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合能源电动车的电源 系统，该电源系统能很好地提高汽车的加速性能和爬山性能，并且减少了主电 源的大电流放电时间，避免了主电源的损坏及容量的减少。本发明通过以下技术方案实现 一种复合能源电动车的电源系统，包括复 合电源控制机盒及分别与其连接的主电源、太阳能光伏电池和超级电容模组， 复合电源控制机盒的输出端分别与电机驱动控制模块和辅助设备连接，电机驱 动控制模块的另一端与电动机连接；复合电源控制机盒内设置相连接的硬件主 电路和控制电路;硬件主电路通过单向DC/DC变换器与太阳能光伏电池连接， 通过双向DC/DC变换器与超级电容模组连接;控制电路中设有温度检测模块、 电流检测模块、电压检测模块、微处理器和故障信号检测模块，微处理器的 A/D转换输入端通过信号调理电路分别与温度检测模块、电流检测模块和电压 检测模块连接，微处理器的PWM输出端通过光耦隔离电路分别与电机驱动电 路和辅助设备电位器连接，微处理器的功率驱动保护中断端通过光耦隔离电路 与故障信号检测模块连接。
所述单向DC/DC变换器采用布斯特变换器或布克变换器中的一种；所述 双向DC/DC变换器采用电流双象限变换器、全桥变换器、T型双向升降压变 换器、级联式升降压变换器、CUK双向变换器或Sepic-Zeta双向变换器中的 一种。
所述单向DC/DC变换器或双向DC/DC变换器的功率器件采用金属氧化 物半导体型场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管中的一种。
所述电流检测模块包括设于硬件主电路中的主电源电流传感器、太阳能光 伏电池电流传感器和超级电容模组电流传感器连接；所述电压检测模块包括设 于硬件主电路中的主电源电压传感器、太阳能光伏电池电压传感器和超级电容 模组电压传感器。
所述电机驱动电路中设有电机电流传感器和电机电压传感器；所述辅助设 备电位器包括油门驱动踏板电位器和刹车踏板制动电位器。
所述微处理器的输入端还连接有时钟电路及电源，微处理器内部设有用于 系统保护的功率驱动保护中断模块，微处理器的输出端还连接有方便系统操作 控制的显示模块。
所述微处理器采用单片机或数字信号处理器中的一种。
所述主电源采用蓄电池、锂离子电池、镍氢电池或铁离子电池中的一种。
5所述电动机采用直流电动机、永磁有刷直流电动机、永磁无刷直流电动机 或开关磁阻电动机中的一种。
本发明的电源系统使用时，由微处理器收集其输入端各模块的电流及电压 信号，然后判断系统的工作状态，进而发出控制指令，实现对主电源和超级电 容模组的状态检测及保护功能，同时完成太阳能电池的最大功率点跟踪，从而 调节系统能量和功率的流动方向与配比，以及对辅助设备的供电状态进行控 制。其具体的工作状态分为以下三种情况
1、 当电动车处于正常行驶状态，由主电源为电动车提供电量，太阳能光 伏电池为超级电容模组充电，充满后系统控制太阳能光伏电池对电动车进行辅 助驱动。
2、 当电动车处于加速/爬坡状态，若电动机所需电流大于主电源的安全电 流上限时，超级电容模组开始放电，为电动车提供瞬时大电流，此时太阳能光 伏电池也处于辅助驱动的工作状态，使得对太阳能的利用最大化。
3、 当电动车处于制动状态，系统切断辅助能源与主电源的连接通道，太 阳能光伏电池仅为超级电容模组充电，此时电动机拥有可再生能量制动的功
能，并通过双向DC/DC将这部分能量回收到超级电容模组中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
1、 有效增加电动车的续驶里程。主要表现在两个方面首先采用太阳能 光伏电池和作为主电源的蓄电池并联提供电力，缓解了电动车能量不足的缺 点，有效延长电动车续驶里程；其次利用超级电容功率密度高、充电电流大以 及充放电效率高的特点，可有效吸纳光伏电池的能量，并且在加速和爬坡时用 超级电容作为辅助能源，可减少主电源大电流放电时间，避免了主电源的损坏 及容量的减少，这些都使电动车的续驶里程得到有效提高。
2、 提高汽车的加速性能和爬坡性能，改善起步性能。超级电容作为辅助 能源，可以在电动车加速和爬坡过程中作为峰值功率发生器，将储存的太阳能 释放出来协助蓄电池供电，这对电动车尤其是纯电动车的动力性能起到很大的 补助作用。
3、 在系统结构上，本发明的电源系统不需要对原电动车的结构进行大改动，只要加装太阳能光伏电池、超级电容模组和控制用的复合电源控制机盒， 其结构简单，改造方便。
4、 太阳能电动车设计的能量转换技术以及MPPT技术对于发展光伏发电 系统和风力发电系统等新能源系统具有很重要的借鉴作用。MPPT可挽回由于 温度变化而导致的系统失配损失，尤其失对于冬、夏及全日温差较大区域更具 有明显的经济、技术意义。
5、 本发明的系统采用单向DC/DC变换器实现太阳能光伏电池和复合电源 控制机盒中微处理器的连接，能够较好地追踪到太阳能光伏电池的最大功率跟 踪点，使太阳能光伏电池发挥最大功率；系统采用双向DC/DC变换器实现超 级电容模组和微处理器的连接，能够较好地控制超级电容模组的充电或放电模 式，使得电源系统能在电动车的启动、制动或加速爬坡等各种工作状态发挥最 大功率。
图1是本发明电源系统的结构示意图。
图2是本发明电源系统中的硬件主电路图。
图3是本发明电源系统中的控制电路结构示意图。
图4是电动车处于正常行驶状态时本发明电源系统的工作状态示意图。
图5是电动车处于加速/爬坡状态时本发明电源系统的工作状态示意图。
图6是电动车处于制动状态时本发明电源系统的工作状态示意图。
图7是电动车处于正常行驶状态时本发明电源系统的控制流程示意图。
图8是电动车处于加速/爬坡状态时本发明电源系统的控制流程示意图。
图9是电动车处于制动状态时本发明电源系统的控制流程示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实 施方式不限于此。
实施例
本实施例一种复合能源电动车的电源系统，如图1所示，包括复合电源控制机盒及分别与其连接的主电源、太阳能光伏电池和超级电容模组，复合电源 控制机盒的输出端分别与电机驱动控制模块和辅助设备连接，电机驱动控制模
块的另一端与电动机连接；复合电源控制机盒内设置相连接的硬件主电路和控 制电路；其中，如图2所示，硬件主电路通过单向DC/DC变换器与太阳能光 伏电池连接，通过双向DC/DC变换器与超级电容模组连接；如图3所示，控 制电路中设有温度检测模块、电流检测模块、电压检测模块、微处理器和故障 信号检测模块，微处理器的A/D转换输入端通过信号调理电路分别与温度检 测模块、电流检测模块和电压检测模块连接，微处理器的PWM输出端通过光 耦隔离电路分别与电机驱动电路和辅助设备电位器连接，微处理器的功率驱动 保护中断端通过光耦隔离电路与故障信号检测模块连接。
以上系统中单向DC/DC变换器可采用布斯特变换器或布克变换器中的一 种；双向DC/DC变换器可采用电流双象限变换器、全桥变换器、T型双向升 降压变换器、级联式升降压变换器、CUK双向变换器或Sepic-Zeta双向变换 器中的一种；单向DC/DC变换器或双向DC/DC变换器的功率器件采用金属 氧化物半导体型场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管中的一种。
电流检测模块包括设于硬件主电路中的主电源电流传感器、太阳能光伏电 池电流传感器和超级电容模组电流传感器连接；电压检测模块包括设于硬件主 电路中的主电源电压传感器、太阳能光伏电池电压传感器和超级电容模组电压 传感器；电机驱动电路中设有电机电流传感器和电机电压传感器；辅助设备电 位器包括油门驱动踏板电位器和刹车踏板制动电位器等。
如图3所示，微处理器的输入端还连接有时钟电路及电源，微处理器内部 设有用于系统保护的功率驱动保护中断模块，微处理器的输出端还连接有方便 系统操作控制的显示模块。
微处理器可采用单片机或数字信号处理器中的一种；主电源可采用蓄电 池、锂离子电池、镍氢电池或铁离子电池中的一种；电动机可采用直流电动机、 永磁有刷直流电动机、永磁无刷直流电动机或开关磁阻电动机中的一种。
本实施例中，电动车电机采用3KW的串励直流电动机，其额定电压48V， 额定电流80A;主电源采用6个8V的独立铅酸蓄电池串联而成；超级电容模组为由2块电容模块(55V/50F)进行串联而成，串联后得到110V/25F的超级 电容模组(该电容模块已集成均衡和保护模块，可直接使用)；微处理器采用 TI公司的TMS320LF2407A型DSP (数字信号处理器)芯片；主电源、太阳 能光伏电池、超级电容模组及电动机的电压传感器均采用CHV-25P闭环霍尔 电压传感器；主电源、太阳能光伏电池、超级电容模组及电动机的电流传感器 均采用CSM005A霍尔闭环电流传感器或CHB-200S闭环霍尔电流传感器， PWM调制频率为20KHZ。
本实施例的太阳能光伏电池采用BOOST电路作为其最大功率跟踪电路， 采用电流双象限变换器作为超级电容模组与直流母线的连接通道，电流双象限 DC/DC变换器在电动车启动或者加速时工作在降压状态(BUCK电路)，为电 动汽车提供瞬时大电流，在其他工况下由光伏电池向其充电。如图2的电源系 统硬件主电路图所示，图中的能量源有太阳能光伏电池、蓄电池和超级电容模
组(UC)， M为电动机，Umppt为太阳能光伏电池电压传感器，Imppt为太阳能光 伏电池电流传感器，Ub为主电源电压传感器，Ib为主电源电流传感器，Ue为 超级电容模组电压传感器，Ie为超级电容模组电流传感器，Vh V2、 V3、 V4
分别为电力开关管，D,、 D2、 D3、 D4、 D5分别为二极管，FUSE为保险丝。电 路中Di为防反充二极管，防止当负载电压高于太阳能光伏电池时对其反充电， D4为防蓄电池反接二极管，当蓄电池接反的时候，二极管D4导通，产生大电 流迅速熔断保险丝，从而达到保护蓄电池的目的；Q、 C2为大容量滤波电容， 电力开关管V2 (这里采用的是IGBT)起开关的作用，连接作为辅助电源的太 阳能光伏电池及超级电容模组与主电源，通过控制其导通/关断实现能量流动 方向的控制。
本实施例的电源系统使用时，由微处理器收集其输入端各模块的电流及电 压信号，然后判断系统的工作状态，进而发出控制指令，实现对主电源和超级 电容模组的状态检测及保护功能，同时完成太阳能电池的最大功率点跟踪，从 而调节系统能量和功率的流动方向与配比，以及对辅助设备的供电状态进行控 制。其具体的工作状态分为以下三种情况
1、如图4所示，当电动车处于正常行驶状态，由主电源为电动车提供电
9量，太阳能光伏电池为超级电容模组充电，充满后系统调节MPPT电路，控 制太阳能光伏电池对电动车进行辅助驱动，其控制流程如图7所示，其中Dmppt 为太阳能光伏电池最大功率跟踪器的占空比，Uerefh为超级电容模组满容量时 的电压上限值，e。为一个值为极小量的常数。
2、 如图5所示，当电动车处于加速/爬坡状态，若电动机所需电流大于主 电源的安全电流上限时，超级电容模组开始放电，为电动车提供瞬时大电流， 此时太阳能光伏电池也处于辅助驱动的工作状态，使得对太阳能的利用最大 化。此过程控制电路的控制流程如图8所示，其中Ib—rdh为主电源放电的电流 极限值，Ue^为超级电容模组的最低安全电压极限值，Ddc是双向DC/DC变 换器的占空比，进入超级电容模组放电中断子程序时，系统先采集主电源电流 值、电枢电流值以及超级电容电流和电压值，判断主电源的Ib是否超过安全工 作电流Ib—refh，若超过则计算超级电容模组应提供的电流，进而通过计算改变 占空比Dde的值，达到调节电流双象限DC/DC变换器的输出电流Ide工作在合 适范围的目的，需要说明的是当超级电容模组的端电压Ue小于一个最低限
U^fl时，要停止对超级电容模组的放电，以防止损坏超级电容模组。
3、 如图6所示，当电动车处于刹车的制动状态，系统切断辅助能源与主 电源的连接通道，太阳能光伏电池仅为超级电容模组充电，此时电动机拥有可 再生能量制动的功能，并通过双向DC/DC将这部分能量回收到超级电容模组 中，MPPT电路正常工作，起最大功率跟踪作用，其流程如图9所示。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例， 并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰， 都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
权利要求
1、复合能源电动车的电源系统，其特征在于，包括复合电源控制机盒及分别与其连接的主电源、太阳能光伏电池和超级电容模组，复合电源控制机盒的输出端分别与电机驱动控制模块和辅助设备连接，电机驱动控制模块的另一端与电动机连接；复合电源控制机盒内设置相连接的硬件主电路和控制电路；硬件主电路通过单向DC/DC变换器与太阳能光伏电池连接，通过双向DC/DC变换器与超级电容模组连接；控制电路中设有温度检测模块、电流检测模块、电压检测模块、微处理器和故障信号检测模块，微处理器的A/D转换输入端通过信号调理电路分别与温度检测模块、电流检测模块和电压检测模块连接，微处理器的PWM输出端通过光耦隔离电路分别与电机驱动电路和辅助设备电位器连接，微处理器的功率驱动保护中断端通过光耦隔离电路与故障信号检测模块连接。
2、 根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述 单向DC/DC变换器采用布斯特变换器或布克变换器中的一种；所述双向 DC/DC变换器采用电流双象限变换器、全桥变换器、T型双向升降压变换器、 级联式升降压变换器、CUK双向变换器或Sepic-Zeta双向变换器中的一种。
3、 根据权利要求l所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述 单向DC/DC变换器或双向DC/DC变换器的功率器件采用金属氧化物半导体 型场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管中的一种。
4、 根据权利要求l所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述 电流检测模块包括设于硬件主电路中的主电源电流传感器、太阳能光伏电池电 流传感器和超级电容模组电流传感器；所述电压检测模块包括设于硬件主电路 中的主电源电压传感器、太阳能光伏电池电压传感器和超级电容模组电压传感 器。
5、 根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述 电机驱动电路中设有电机电流传感器和电机电压传感器；所述辅助设备电位器 包括油门驱动踏板电位器和刹车踏板制动电位器。
6、 根据权利要求l所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述 微处理器的输入端还连接有时钟电路及电源，微处理器内部设有用于系统保护 的功率驱动保护中断模块，微处理器的输出端还连接有方便系统操作控制的显 示模块。
7、 根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述 微处理器采用单片机或数字信号处理器中的一种。
8、 根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述 主电源采用蓄电池、锂离子电池、镍氢电池或铁离子电池中的一种。
9、 根据权利要求1所述复合能源电动车的电源系统，其特征在于，所述 电动机采用直流电动机、永磁有刷直流电动机、永磁无刷直流电动机或开关磁 阻电动机中的一种。
全文摘要
本发明提供一种复合能源电动车的电源系统，包括复合电源控制机盒及与其连接的主电源、太阳能光伏电池和超级电容模组，复合电源控制机盒输出端连接电机驱动控制模块和辅助设备，电机驱动控制模块另一端连接电动机；复合电源控制机盒内设置相连接的硬件主电路和控制电路；硬件主电路通过单向DC/DC变换器与太阳能光伏电池连接，通过双向DC/DC变换器与超级电容模组连接；控制电路中微处理器输入端通过信号调理电路与温度检测模块、电流检测模块和电压检测模块连接，输出端通过光耦隔离电路连接电机驱动电路和辅助设备电位器。本发明能很好地提高汽车的加速性能和爬山性能，并且减少主电源的大电流放电时间，避免主电源的损坏及容量的减少。
文档编号H02J7/35GK101630862SQ20091004168
公开日2010年1月20日 申请日期2009年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者余开江, 静 孙, 康龙云, 鹰 李, 王新运 申请人:华南理工大学