專利名稱：具有超級電容適配器的電動車控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電動車的蓄電池保護裝置，特別是一種具有超級電容適配器的電動車控制裝置。本實用新型可以提高電動車的起動、加速性能，延長電動車行駛里程。
背景技術：
電動車因為節能、無污染，成為當今人們喜歡的交通工具，其市場不斷擴大，生產廠商也在不斷增加，在城市幾乎達到了普及的地步。電動車在使用過程中，蓄電池屬于易耗件，直接關系到用戶的使用費用，正常使用蓄電池的充放電循環可達300次以上，而實際使用過程中往往發現蓄電池的壽命遠遠低于這個充放電循環次數，蓄電池的使用壽命業已成為電動車行業的瓶頸。
影響電動車蓄電池壽命的因素主要有過充電，大電流放電，過放電等原因。由直流電機的轉矩與電流公式丁=&01可知在勵磁一定時轉矩與電流成正比，在電動車起動，載重，爬坡等情況下往往需要大的轉矩，大電流放電就不可避免。而一般的12Ah鉛酸電池最大放電電流為1C即12A，而電動車選用膠體電池，所以最大放電電流更小。這樣電動車的加速性能和電池壽命就形成了一對矛盾。目前的電動車控制中為了提高加速性能、爬坡能力及載荷水平，往往使控制器的限流電流放寬至大于14A(甚至大于20A)，性能是提高了，但對蓄電池的傷害也增加了，當然這些問題在用戶使用初期是覺察不到的，往往在使用一段時間后才能反映出來。因為，用戶使用時，每一次加速，每一次爬坡都是對蓄電池的一次傷害。現在有一種將超級電容并連在電池兩端的保護電池的方法，在電動車起動瞬間對電池有一定的保護作用，但是其維持的時間很短，不能做到對電池持續有效的保護，對超級電容的容量利用很少。超級電容的應用給我們解決電動車的加速性能和電池大電流放電的問題提供了一個方法。如何充分運用好超級電容的大容量，提高電動車的加速性能的同時也延長蓄電池的壽命是一個急待解決的問題。目前市場上還沒有相應的產品。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種具有超級電容適配器的電動車控制裝置和方法，該裝置能夠實現DC/DC能量雙向流動，并且能實現電池端和超級電容端的電能轉換等功能，用于保護電動車的蓄電池，提高電動車的加速性能，延長電動車行駛里程。本實用新型運行可靠、成本低、適用面廣。
本實用新型提供的一種具有超級電容適配器的電動車控制裝置主要包括1)超級電容適配器的功率電路，如圖3所示，用于實現蓄電池對超級電容的充電和超級電容對蓄電池的放電。超級電容正極帶有快速放電用的二極管與蓄電池正極連接，用
3于確保電池端因放電而電壓低于超級電容時，超級電容不經過電感立即直接向電池補充電能。
2) 超級電容適配器的驅動控制電路，如圖4所示，用于實現對上橋臂充電功率開關器件17和下橋臂放電功率開關器件18的驅動控制。上下橋臂控制信號是互鎖形式，使得上下橋臂在任何情況下都不會直通。分別接地和高電平的第一電阻22和第二電阻23，用于確保不接CPU時，上下橋臂觸發信號在禁止狀態。所述的超級電容的驅動控制電路可以使用BL8003或IR2103等集成觸發器件，或分立元件構成的自舉觸發電路。
3) 超級電容適配器的控制器，如圖2所示，用于采集電容電壓、電流等各種信號，輸出PWM、上下橋臂輸出允許等控制信號。
本實用新型的超級電容適配器有兩種形式 一種是嵌入到電動車控制器中，成為帶有超級電容適配器的電動車控制器，如圖1 (a)所示；另一種是獨立的超級電容適配器，如圖1 (b)所示。
本實用新型提供的具有超級電容適配器的電動車控制的方法包括的步驟
1) 使超級電容適配器保持工作在降壓"充電狀態"，即通過對上橋臂的通斷控制，實現對充電電流和超級電容電壓的調節。超級電容和電池的電壓相等時上橋臂幾乎始終導通，進入"連接狀態"。當電池增加負載導致其電壓下降時，適配器仍處于連接狀態，電容的電能迅速通過上橋臂MOSFET器件17或17的反并聯二極管及二極管16流向電池，以減小電池壓降。
2) 當電池電壓或超級電容電壓下降到限定電壓以下或瞬間壓降大于3V時，進入升壓狀態，上橋臂MOSFET關斷，下橋臂MOSFET工作。當電容電壓下降到30-37V，或當電池負載減輕，放電電流減小到100mA以內時，返回充電狀態。
3) 當電池電壓因制動回饋升高時，進入回饋充電狀態，但需限制超級電容的電壓在額定電壓以內。
上橋臂功率器件需要持續的供電。供電方法是經過一段時間下橋臂短時導通一次，給上橋臂自舉電容，此期間上橋臂功率MOSFET處于關斷狀態或者帶死區的互補工作狀態。
本實用新型能夠持續的保護電動車的蓄電池，使其放電電流一直維持在較小的安全范圍以內，從而能夠有效的延長電池的使用壽命，同時能夠明顯改善電動車的加速性能，延長單次充電的行駛里程。本實用新型結構簡單、運行可靠、成本低，不僅僅可以用在電動車中，也可以用在任何蓄電池供電系統當中，可以有效的穩定蓄電池的端電壓，從而增加系統的可靠性和穩定性。
圖1帶有超級電容適配器的電動車控制器結構圖。圖2超級電容適配器的控制器框圖。圖3超級電容適配器的功率電路原理圖。圖4超級電容適配器的觸發驅動電路原理圖。圖5.1超級電容適配器的程序流程圖。圖5.2超級電容適配器的充電流程圖。圖5.3超級電容適配器的升壓流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進一步說明。
如圖1所示，本實用新型是一種連接蓄電池1和超級電容2的雙向DC/DC裝置5,下稱超級電容適配器5或簡稱適配器5，或者是嵌入有超級電容適配器的電動車控制器3，可以實現控制蓄電池對超級電容的充電，蓄電池1和超級電容2 —起放電，超級電容2側升壓為電池l側供電等功能。
一、狀態遷移控制
本適配器裝置的工作狀態可分為四種充電狀態，連接狀態，升壓狀態，回饋制動狀態。本適配器裝置采用獨立的MCU單片機作為主控芯片，或與電動車控制器共用同一個MCU控制芯片，根據電池充放電電流9， 10、超級電容充放電電流7， 8、驅動制動操作狀態11， 12的不同，對上述狀態的遷移進行控制，并通過上下橋臂允許信號13， 14和PWM信號15對功率開關器件17， 18進行控制。以額定電壓為48V，最大限流為16A的電動車控制器，加入60V4F的超級電容為例，對上述各個狀態的控制情況描述如下
1、 充電狀態
蓄電池1對超級電容2的充電采用近似恒流充電的控制策略。考慮到既要滿足充電的快速性又不能影響電池的正常工作，將電池1對超級電容2的放電電流限制在3A以內。電動車正常運行的電流大概在5 6A，在此狀態下電池1總的放電電流9為8 9A，這樣電池的放電電流9在0.7C 0.8C之間不會對電池1造成傷害。
恒流充電的控制是通過A/D采樣獲得超級電容2的充電電流7，用PI控制方法，調節PWM信號15的占空比，控制上橋臂17的導通關斷來實現的。
假設初始電容電量為0，則充電時間需要4F*48V2/(48V*3A)/2=32s。此為最初始狀態，電容2第一次裝配時，裝配以后的工作過程中電容2都是有電的。實際工作狀態電容2端電壓與電池1端相近。假設電容2的最低電壓，即升壓狀態結束時的超級電容電壓，為37V，則充電時間〈11V承4F/3A-I4.3s。
充電狀態結束時，PWM信號15的占空比將趨于100%，進入近似連接狀態。充電與連接狀態沒有實質區別，因此連接狀態是充電結束狀態。
2、 連接狀態
通過控制功率MOSFET器件17， 18，使電容2端與電池1端連接，與電池1 一起為電動車提供能量。電容2有利于維持電池1電壓27穩定，使電池1端電壓27毛刺減小。200920095300.7
適配器5始終確保電容充電電流7不超過設定值。此狀態允許電壓在允許范圍內有小的波動，電動車在正常行駛狀態。但當電動車的負載加大，導致電池l的電壓降低時，電容2將自動通過二極管16和上橋臂功率器件17的反向二極管進入放電狀態，當電壓降落大于3V，或電池端電壓低于46V時進入升壓狀態。
3、 升壓狀態
當電壓降落大于3V或電池端電壓27低于46V時升壓狀態啟動，努力維持電池電壓27在48V以上。升壓狀態終止條件為以下五點之一(1)超級電容電壓26低于37V， (2)超級電容放電電流8小于某設定值時，(3) PWM信號15占空比接近100%時，(4)電池電壓27由低壓恢復到某設定值以上時，(5)在進入升壓狀態后15s以上時。升壓狀態結束，回到充電/連接狀態。上述設定值由單片機根據具體電壓情況實時計算得到。
此狀態的控制是通過A/D采樣獲得電池端電壓27,用PI控制方法，調節PWM信號15的占空比，控制下橋臂18的導通關斷來實現的。
4、 回饋充電狀態
當電池電壓27因制動回饋升高時，由于超級電容2與電池1保持連接狀態，電容2自然地進入回饋充電狀態，充電電流7幅值限制可適度放寬至額定充電電流的150%，但需限制超級電容的電壓在額定電壓以內。
由于電動車在行駛過程中電池1電量是不斷消耗的，電池1端電壓27會不斷降低，
這樣就不能采用一個固定的值來作為狀態遷移的標準。控制器6采用在連接狀態下，多次采樣求平均值的方法，來獲得電動車正常運行的實時電壓作為判斷的標準。
二、 功率器件的驅動控制
在功率MOSPET管驅動電路的設計中采用具有互鎖功能的驅動芯片24或用分立元件的自舉驅動電路實現。上下橋臂由上下橋臂輸出允許信號13， 14，和一路PWM驅動信號15經過PNP三極管20， 21實現上下橋臂17, 18的PWM驅動信號的分離。
獨立的適配器5的電源與電動車控制器4的電源一樣受鑰匙開關控制。帶有超級電容適配器的電動車控制器3中，適配器5使用電動車控制器4的電源。
三、 節能策略
為了減小適配器的耗電量，保證適配器的工作可靠性，采用開關電源供電。實驗中發現，采用下橋臂定時開通為上橋臂自舉電容充電的控制方法較費電。由于充電過程很短可以忽略不計，但在連接狀態下定時導通耗電量就相當可觀了。所以采用進入連接狀態后關斷下橋臂，當需要升壓時再啟動下橋臂的方法，以減小由于下橋臂導通所造成的耗電。與電池的連接由快速放電二極管和MOSPET管自帶的二極管共同實現。此過程叫做節能模式。
權利要求1、一種具有超級電容適配器的電動車控制裝置，其特征在于它主要包括1)超級電容適配器的功率電路，用于實現蓄電池對超級電容的充電和超級電容對蓄電池的放電；超級電容正極帶有快速放電用的二極管與蓄電池正極連接，用于確保電池端因放電而電壓低于超級電容時，超級電容不經過電感立即直接向電池補充電能；2)超級電容適配器的驅動控制電路，用于實現對上橋臂充電功率開關器件和下橋臂放電功率開關器件的驅動控制；上下橋臂控制信號是互鎖形式，使得上下橋臂在任何情況下都不會直通；分別接地和高電平的第一電阻和第二電阻，用于確保不接CPU時，上下橋臂觸發信號在禁止狀態；3)超級電容適配器的控制器，用于采集電容電壓、電流各種信號，輸出PWM、上下橋臂輸出允許的控制信號。
2、 根據權利要求1所述的控制裝置，其特征在于所述的超級電容的驅動控制電路使用 BL8003或IR2103集成觸發器件，或者是分立元件構成的自舉觸發電路。
3、 根據權利要求1所述的控制裝置，其特征在于所述的超級電容適配器有兩種形式 嵌入到電動車控制器中，成為帶有超級電容適配器的電動車控制器，或是獨立的超級電容 適配器。
4、 根據權利要求3所述的控制裝置，其特征在于所述的獨立的適配器的電源與電動車 控制器的電源一樣受鑰匙開關控制。
5、 根據權利要求3所述的控制裝置，其特征在于所述的帶有超級電容適配器的電動車 控制器中，超級電容適配器使用電動車控制器的電源。
專利摘要本實用新型涉及一種具有超級電容適配器的電動車控制裝置和方法。它包括用于實現蓄電池對超級電容的充電和超級電容對蓄電池的放電的超級電容適配器的功率電路、超級電容適配器的驅動控制電路和用于采集電容電壓、電流各種信號，輸出PWM、上下橋臂輸出允許的控制信號的超級電容適配器的控制器。本實用新型可以提高電動車的起動、加速性能，延長電動車行駛里程，運行可靠、成本低、適用面廣。
文檔編號H02J7/14GK201332291SQ200920095300
公開日2009年10月21日 申請日期2009年1月14日 優先權日2009年1月14日
發明者輝 冀, 孫鶴旭, 李練兵, 趙治國 申請人:河北工業大學