电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台及其回收方法

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1.本发明属于制动能量回收技术领域，尤其涉及一种电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台及其回收方法。

背景技术：

2.随着我国汽车保有量的增加，势必会加剧环境污染和能源短缺等问题。在这样的背景下，极具环保节能优势的电动汽车成为了目前重点研究对象，大力发展电动汽车，能有效解决当前紧张的环境污染和能源短缺等的问题。由于续驶里程需求的增加，对电动汽车供能系统也提出了更高的要求。
3.目前，以单一动力电池为能源的电动汽车依然存在局限性，考虑采用将动力电池与超级电容以及dc/dc变换器相结合为复合能源系统作为车载能源。复合能源系统的优势在于，动力电池可以满足续航需求，超级电容作为辅助电源在整车需求功率高的时候提供大功率，并且在汽车制动时，超级电容优先回收再生制动能量，这样能够减少动力电池的充放电次数，延长动力电池的使用寿命。

技术实现要素：

4.为解决单一动力电池存在的上述技术问题，本发明提供一种电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台及其回收方法，用于改善复合能源电动汽车的安全性和高效性，并且提高制动能量的回收效率。
5.本发明采用的技术方案是：
6.电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台，其特征在于，包括制动能量回收模块和用于数据采集以及传输的信号处理模块；
7.制动能量回收模块包括用于模拟车辆运行惯量的飞轮、磁粉制动器、三相异步电机、电机、电机控制器、超级电容、动力电池以及两个控制支路通断的继电器；其中：
8.所述三相异步电机、磁粉制动器以及飞轮依次传动连接，所述三相异步电机提供飞轮初始转速；
9.所述飞轮与所述电机的传动轴传动连接；
10.所述电机与所述电机控制器电连接，所述电机控制器根据接收到的电机电流大小及方向控制电机的磁场旋转方向；
11.所述电机控制器通过两个所述继电器分别与所述超级电容端、动力电池端电连接，其中一个继电器通过双向dc/dc变换器与所述超级电容端连接；两个所述继电器的信号输入端分别与单片机控制器的信号输出端电连接，两个继电器的信号输出端与所述超级电容端、动力电池端电连接，控制所述超级电容与动力电池之间制动能量的分配；
12.信号处理模块包括电流传感器、电压传感器、转速传感器以及用于数据处理的单片机控制器；
13.所述单片机控制器的电流信号输入端连接所述电流传感器的信号输出端，所述电
流传感器采集流经动力电池的电流并将采集到的电流信号传输至单片机控制器；
14.所述单片机控制器的电压信号输入端连接所述电压传感器的信号输出端，所述电压传感器采集超级电容两端的电压并将采集到的电压信号传输至单片机控制器；
15.所述单片机控制器的转速信号输入端连接所述转速传感器的信号输出端，所述转速传感器采集飞轮的转速并将采集到的飞轮转速信号传输至单片机控制器；
16.所述单片机控制器将获取的电流信号、电压信号以及飞轮转速信号处理后向两个所述继电器输出pwm信号，用以控制其通断频率从而控制所述超级电容与动力电池之间制动能量的分配。
17.进一步的，还包括磁粉制动器，所述磁粉制动器与所述三相异步电机同轴连接，所述三相异步电机通过所述磁粉制动器用于对飞轮进行机械制动。
18.利用上述所述的一种电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台的制动能量回收方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：
19.s1：启动三相异步电机，飞轮获得初始转速；
20.s2:电机控制器根据接收到的电机电流信号数值大小及方向控制电机的磁场旋转方向，当磁场旋转方向反向时，产生电制动力矩，电机为发电状态，并将产生的能量回收至超级电容和动力电池中；
21.s3：采用电流传感器采集流经动力电池的电流，采用电压传感器采集超级电容两端的电压，采用转速传感器采集飞轮的转速；
22.s4：所述单片机控制器根据获取得到的电流信号计算出动力电池soc，所述单片机控制器根据获取得到的电压信号计算出超级电容soc，所述单片机控制器根据获取得到的飞轮转速信号计算出对应车速；所述单片机控制器将计算得到的动力电池soc、超级电容soc以及对应车速信号向两个所述继电器输出pwm信号，通过pwm信号控制继电器的通断频率，从而控制超级电容与动力电池之间制动能量的分配，所述单片机控制器根据超级电容soc与动力电池soc的变化情况计算能量回收效率。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.利用电压传感器、电流传感器和转速传感器采集超级电容以及电池的soc和飞轮转速，然后将采集得到的数据传入单片机控制器，控制继电器的通断，实现半实物仿真，可有效证明复合能源系统中超级电容的存在能高效回收车辆制动能量且承受回收制动能量时产生的大电流冲击，延长动力电池使用寿命，可为后续控制系统开发提供实验参考。
附图说明
25.图1是本发明的控制流程图。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
29.为提高复合能源系统制动能量回收效率、延长动力电池使用寿命，参照附图1，本发明实例考虑车辆在安全制动并可以实时获取动力电池、超级电容以及飞轮的动态信息的基础上，提供一种电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台及其回收方法。
30.本发明的电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台，包括制动能量回收模块和用于数据采集以及传输的信号处理模块；
31.制动能量回收模块包括用于模拟车辆运行惯量的飞轮7、磁粉制动器8、三相异步电机(起动电机)9、电机(直流电机/发电机)6、电机控制器5、超级电容3、动力电池13以及两个控制支路通断的继电器1、12；其中：
32.所述三相异步电机9、磁粉制动器8以及飞轮7依次传动连接，所述三相异步电机9提供飞轮7初始转速；
33.所述飞轮7与所述电机6的传动轴传动连接；
34.所述电机6与所述电机控制器5电连接，所述电机控制器5根据接收到的电机6电流大小及方向控制电机6的磁场旋转方向；
35.所述电机控制器5通过两个所述继电器1、12分别与所述超级电容端、动力电池端电连接，其中一个继电器1通过双向dc/dc变换器2与所述超级电容端连接；两个所述继电器1、12的信号输入端分别与单片机控制器10的信号输出端电连接，两个继电器的信号输出端与所述超级电容端、动力电池端电连接，控制所述超级电容3与动力电池13之间制动能量的分配；
36.信号处理模块包括电流传感器14、电压传感器4、转速传感器11以及用于数据处理的单片机控制器10；
37.所述单片机控制器10的电流信号输入端连接所述电流传感器14的信号输出端，所述电流传感器14采集流经动力电池13的电流并将采集到的电流信号传输至单片机控制器10；
38.所述单片机控制器10的电压信号输入端连接所述电压传感器4的信号输出端，所述电压传感器4采集超级电容3两端的电压并将采集到的电压信号传输至单片机控制器10；
39.所述单片机控制器10的转速信号输入端连接所述转速传感器11的信号输出端，所述转速传感器11采集飞轮的转速并将采集到的飞轮转速信号传输至单片机控制器10；
40.所述单片机控制器10将获取的电流信号、电压信号以及飞轮转速信号处理后向两个所述继电器输出pwm信号，用以控制其通断频率从而控制所述超级电容3与动力电池13之间制动能量的分配。
41.利用本发明的一种电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台的制动能量回收方法，所述方法的具体步骤如下：
42.s1：启动三相异步电机，飞轮获得初始转速；
43.s2:电机控制器根据接收到的电机电流信号数值大小控制电机的磁场旋转方向，当磁场旋转方向反向时，产生电制动力矩，电机为发电状态，并将产生的能量回收至超级电容和动力电池中；
44.s3：采用电流传感器采集流经动力电池的电流，采用电压传感器采集超级电容两端的电压，采用转速传感器采集飞轮的转速；
45.s4：所述单片机控制器根据获取得到的电流信号计算出动力电池soc，其中soc＝
soc0+(∫idt)/q，式中soc0为初始soc值，i为时刻测量到的电流大小，q为电池满电时的电量；
46.所述单片机控制器根据获取得到的电压信号计算出超级电soc，其中，e＝1/2cu2‑‑‑‑‑‑‑
超级电容能量，c为超级电容容量，u为超级电容电压，soc＝e/e0‑‑‑‑‑‑‑
超级电容soc,e0为满载能量，soc＝u2/u
02
‑‑‑‑‑‑
u0为超级电容满载电压；
47.所述单片机控制器根据获取得到的飞轮转速信号计算出对应车速；其中，ek＝(1/2)jw2‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
飞轮动能，w＝v/r
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
飞轮角速度，v由转速传感器获得,r为飞轮半径，j＝(1/2)m2r2‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
飞轮转动惯量，m2为飞轮质量，则飞轮动能为ek＝(1/4)m2v2，ev＝(1/2)m1v
12
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
汽车动能，m1为汽车质量，v1为车速，则v1＝((m
2 v2)/(2m1))
1/2
，
48.所述单片机控制器将计算得到的动力电池soc、超级电容soc以及对应车速信号向两个所述继电器输出pwm信号，通过pwm信号控制继电器的通断频率，从而控制超级电容与动力电池之间制动能量的分配，所述单片机控制器根据超级电容soc与动力电池soc的变化情况计算能量回收效率。
49.本发明的实施例中，飞轮7转动惯量由模拟的车辆动能决定，电动机/发电机6功率由飞轮7转动惯量确定，电机控制器5、动力电池13、双向dc/dc变换器2功率根据电动机/发动机6功率选型，磁粉制动器8制动能力由车辆的摩擦制动力矩决定。
50.本发明的单片机控制器是stm32开发板/控制器10，电压传感器4、电流传感器14分别将超级电容3以及动力电池13的模拟信号、转速传感器11将飞轮的转速信号传入stm32开发板10中，stm32开发板10将输入的数据经过设定的控制器处理后，向继电器1、继电器12输出pwm信号控制其通断频率从而控制超级电容3与动力电池13之间制动能量的分配。
51.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
52.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
53.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
54.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
55.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示
例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
56.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：

1.电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台，其特征在于，包括制动能量回收模块和用于数据采集以及传输的信号处理模块；制动能量回收模块包括用于模拟车辆运行惯量的飞轮、磁粉制动器、三相异步电机、电机、电机控制器、超级电容、动力电池以及两个控制支路通断的继电器；其中：所述三相异步电机、磁粉制动器以及飞轮依次传动连接，所述三相异步电机提供飞轮初始转速；所述飞轮与所述电机的传动轴传动连接；所述电机与所述电机控制器电连接，所述电机控制器根据接收到的电机电流大小及方向控制电机的磁场旋转方向；所述电机控制器通过两个所述继电器分别与所述超级电容端、动力电池端电连接，其中一个继电器通过双向dc/dc变换器与所述超级电容端连接；两个所述继电器的信号输入端分别与单片机控制器的信号输出端电连接，两个继电器的信号输出端与所述超级电容端、动力电池端电连接，控制所述超级电容与动力电池之间制动能量的分配；信号处理模块包括电流传感器、电压传感器、转速传感器以及用于数据处理的单片机控制器；所述单片机控制器的电流信号输入端连接所述电流传感器的信号输出端，所述电流传感器采集流经动力电池的电流并将采集到的电流信号传输至单片机控制器；所述单片机控制器的电压信号输入端连接所述电压传感器的信号输出端，所述电压传感器采集超级电容两端的电压并将采集到的电压信号传输至单片机控制器；所述单片机控制器的转速信号输入端连接所述转速传感器的信号输出端，所述转速传感器采集飞轮的转速并将采集到的飞轮转速信号传输至单片机控制器；所述单片机控制器将获取的电流信号、电压信号以及飞轮转速信号处理后向两个所述继电器输出pwm信号，用以控制其通断频率从而控制所述超级电容与动力电池之间制动能量的分配。2.利用权利要求1所述的一种电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台的制动能量回收方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：s1：启动三相异步电机，飞轮获得初始转速；s2:电机控制器根据接收到的电机电流信号数值大小及方向控制电机的磁场旋转方向，当磁场旋转方向反向时，产生电制动力矩，电机为发电状态，并将产生的能量回收至超级电容和动力电池中；s3：采用电流传感器采集流经动力电池的电流，采用电压传感器采集超级电容两端的电压，采用转速传感器采集飞轮的转速；s4：所述单片机控制器根据获取得到的电流信号计算出动力电池soc，所述单片机控制器根据获取得到的电压信号计算出超级电容soc，所述单片机控制器根据获取得到的飞轮转速信号计算出对应车速；所述单片机控制器将计算得到的动力电池soc、超级电容soc以及对应车速信号向两个所述继电器输出pwm信号，通过pwm信号控制续电器的通断频率，从而控制超级电容与动力电池之间制动能量的分配，所述单片机控制器根据超级电容soc与动力电池soc的变化情况计算能量回收效率。

技术总结

本发明公开了一种电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台及其回收方法，回收实验台包括制动能量回收模块和信号处理模块；制动能量回收模块包括用于模拟车辆运行惯量的飞轮、三相异步电机、磁粉制动器、电机、电机控制器、超级电容、动力电池以及两个用以控制支路的通断的继电器；信号处理模块包括用于数据处理的单片机控制器所述单片机控制器获取超级电容以及动力电池的模拟信号、飞轮的转速信号，并将输入数据处理后向两个所述继电器，用以控制其通断频率从而控制超级电容与动力电池之间制动能量的分配。本发明能够有效延长动力电池使用寿命，高效、安全地将制动能量回收至超级电容以及动力电池中的效果显著，可为后续控制系统开发提供实验参考。系统开发提供实验参考。系统开发提供实验参考。