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原文传递盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统

专利名称：	盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统
摘要：	本发明公开了一种盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，包括铅酸电池模组、超级电容模组、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、PWM驱动隔离电路、电源电路、电瓶车运行控制器及与其连接的信号调理电路、环温传感器、GPS模块、三轴加速度传感器、触摸显示屏、时钟与复位电路、CAN接口。本发明的有益效果在于：所述铅酸电池与超级电容混合动力控制系统在盾构电瓶车启动、加速、爬坡和遇到行驶阻力较大时能够快速地提供大功率电流，提高盾构电瓶车的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，提高铅酸电池模组的使用寿命。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	湖南科技大学
发明人：	黄采伦;王靖;张凯旋;朱家豪;陈献忠;蒋润德;文静;蔡尚松
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-10T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-27T00:00:00+0800
申请号：	CN201910388896.8
公开号：	CN110171298A
分类号：	B60L50/40(2019.01);B;B60;B60L;B60L50
申请人地址：	411201 湖南省湘潭市雨湖区桃源路2号
主权项：	1.一种盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，包括铅酸电池模组、超级电容模组、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、PWM驱动隔离电路、电源电路、电瓶车运行控制器及与其连接的信号调理电路、环温传感器、GPS模块、三轴加速度传感器、触摸显示屏、时钟与复位电路、CAN接口；其特征是：铅酸电池模组的+端经二极管D1后连接到直流母线DC_BUS的DC+，-端直接连接到直流母线DC_BUS的DC-，超级电容模组经双向DC/DC变换器连接直流母线DC_BUS，直流母线DC_BUS连接至用于在盾构附近经充电桩为超级电容模组补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构电瓶车牵引电机，电源电路直接从直流母线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电瓶车运行控制器及其外围电路供电，PWM驱动隔离电路用于将电瓶车运行控制器输出的PWM信号转换为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器所需的控制信号；电瓶车运行控制器经CAN接口、CAN总线连接至铅酸电池模组内的铅酸电池BMS_CPU、超级电容模组内的超级电容BMS_CPU、超级电容充电接口，时钟与复位电路提供电瓶车运行控制器工作所需的时钟与复位信号，触摸显示屏用于系统参数设置、盾构电瓶车运行时的司机操控和实时工作状态显示，三轴加速度传感器监测盾构电瓶车的运动姿态，GPS模块监测盾构电瓶车的运行位置，环温传感器监测盾构电瓶车的工作环境温度，信号调理电路用于调理盾构电瓶车牵引电机的实时电压、电流、转速信号和双向DC/DC变换器的输出电压、电流信号；电瓶车运行控制器根据司机给定的运行指标要求，通过信号调理电路采集牵引电机的电压、电流、转速信号和双向DC/DC变换器的输出电压、电流信号，通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动隔离电路输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；盾构电瓶车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由铅酸电池模组、超级电容模组同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由铅酸电池模组单独为牵引电机提供动力；在盾构电瓶车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力；盾构电瓶车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过触摸显示屏向司机预警。 2.根据权利要求1所述的盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，其特征是：所述的超级电容模组包括超级电容BMS_CPU模块，提供超级电容BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给内部电路供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电容电压检测与均衡模块，由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成的超级电容组，设置每个单体超级电容的外壳上用于监测其工作温度的M个温度传感器，设置在超级电容模组的-端与单体超级电容M的负极之间用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，以及用于控制N沟道MOS管MOS1的MOS管驱动电路；超级电容模组的+端由单体超级电容1的正极引出、-端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为ME瓦时、额定电压为MX伏特，超级电容模组用于盾构电瓶车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，按盾构电瓶车的启动能耗和实际运行工况选择k个超级电容组并联工作；每个单体超级电容的两端均和电容电压检测与均衡模块有电连接线，在超级电容模组充电或放电过程中，超级电容BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电容电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器，电瓶车运行控制器可根据能量需求情况通过超级电容BMS_CPU模块控制超级电容模组的连接或断开。 3.根据权利要求1所述的盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，其特征是：所述的铅酸电池模组包括铅酸电池BMS_CPU模块，提供铅酸电池BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从铅酸电池模组两端取电变换后给内部电路供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各铅酸电池单体两端工作电压并实现模组内各铅酸电池模组在充放电过程中电压动态均衡的电池电压检测与均衡模块，由N个额定电压为2.0伏特、额定容量为Y安时的牵引用铅酸电池单体串联而成的铅酸电池组，设置在铅酸电池模组的-端与铅酸电池单体N的负极之间用于监测铅酸电池模组工作电流的电流传感器，设置每个铅酸电池单体外壳上用于监测其工作温度的N个温度传感器；铅酸电池模组的+端由铅酸电池单体1的正极引出、-端由铅酸电池单体N的负极引出，其额定容量为NY安时、额定电压为N2.0伏特，铅酸电池模组提供盾构电瓶车正常行车所需的电能，其容量按每个班组正常行车所消耗的电能选择；每个铅酸电池单体的两端均与电池电压检测与均衡模块有电连接线，在铅酸电池模组充电或放电过程中，铅酸电池BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测铅酸电池模组的工作电流，通过N个温传感器实时监测各铅酸电池单体的工作温度，通过电池电压检测与均衡模块实时监测各铅酸电池单体的端电压并智能决策将稍高铅酸电池单体的能量转移到稍低的铅酸电池单体上，以实现各铅酸电池单体的动态均压，同时还估算各铅酸电池单体的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将铅酸电池模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器。 4.根据权利要求1所述的盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，其特征是：所述的DC/AC逆变器由开关管VT1~VT6、电感L1~L3、电容C1、电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3、速度传感器SD1组成；直流母线DC_BUS电压连接到开关管VT1~VT6组成的三个桥臂的两端，三个桥臂的中间点经电感L1~ L3后连接至牵引电机，电瓶车运行控制器按电压空间矢量脉宽调制方法输出PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT1~VT6有规律地导通/关断，以实现直流母线DC_BUS电压到三相交流的逆变；电容C1用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3用于检测牵引电机的工作电压、电流，速度传感器SD1用于检测牵引电机的转速，检测信号连接到信号调理电路。 5.根据权利要求1所述的盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，其特征是：所述的双向DC/DC变换器由开关管VT7~VT10、电感L4~L5、电容C2~C4、分流器SHUNT组成，电容C4用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电容C3用于提高双向DC/DC变换器电压增益和降低开关管VT7~VT10的电压应力，电容C2用于吸收纹波和稳定超级电容侧电压，分流器SHUNT用于检测直流母线侧电压、电流信号并连接到信号调理电路；电瓶车运行控制器根据电动机吸收功率和铅酸电池模组输出功率智能决策并输出PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT7~VT10有规律地导通/关断，以实现能量的双向流动；当盾构电瓶车启动时或者加速时，牵引电机瞬时吸收功率超过铅酸电池模组输出功率，双向DC/DC变换器工作于Boost模式，超级电容模组输出能量以保证盾构电瓶车的稳定运行；当盾构电瓶车制动时，牵引电机回馈能量，双向DC/DC变换器工作于Buck模式，超级电容模组通过双向DC/DC变换器吸收牵引电机回馈的能量，对超级电容模组进行充电。 6.根据权利要求1所述的盾构电瓶车的铅酸电池与超级电容混合动力控制系统，其特征是：所述的电瓶车运行控制器设置在主控CPU模块内，主控CPU模块对外的连接单元有连接三轴加速度传感器和环温传感器的IO口1、连接触摸显示屏的IO口2、连接PWM驱动隔离电路的IO口3、连接GPS模块的COM1口、连接CAN接口的COM2口、连接信号调理电路的信号采集模块，内部含有由PI调节器PI4、PI5组成的DC/AC逆变控制器和由PI调节器PI1、PI2、PI3组成的双向DC/DC变换控制器，以及给定选择模块、反馈选择模块、控制参数提取模块和控制器输出信号汇总与解调的PWM控制器；控制参数提取模块根据信号采集模块实时采集连接到信号调理电路的信号提取出铅酸电池模组输出功率PB、牵引电机吸收功率PM、超级电容模组电压UC、牵引电机转速nM、牵引电机工作电流IM、电感L4电流IL4和电感L5电流IL5；盾构电瓶车运行时，将司机通过触摸显示屏给定的参考转速nref与实时牵引电机转速nM通过偏差调节器PI5得到变换器的参考电流IKZ，再与牵引电机工作电流IM相比较后经过电流调节器PI4得到开关管VT1~VT6的控制参数，双向DC/DC变换器工作于Boost模式并采用功率外环、双电流内环的控制策略，由给定选择模块、反馈选择模块选择铅酸电池模组输出功率PB与牵引电机吸收功率PM通过偏差调节器PI3得到变换器的参考电流IREF，再与两电感电流IL4、IL5相比较，经过电流调节器PI1、PI2得到开关管VT7~VT10的控制参数，实现DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器对能量的控制；盾构电瓶车制动时，牵引电机的机械能大量转化为电能并回馈到DC/AC逆变器的直流侧，双向DC/DC变换器工作于Buck模式，采用电压外环、双电流内环的控制策略，由给定选择模块、反馈选择模块选择超级电容模组电压UC与超级电容模组充电参考电压UREF通过偏差调节器PI3得到变换器的参考电流IREF，再与两电感电流IL4、IL5相比较，经过电流调节器PI1、PI2得到开关管VT7~VT10的控制参数，超级电容模组通过吸收牵引电机制动回馈的瞬时功率进行充电，以实现制动能量的回收。
所属类别：	发明专利