一種電電混合能量回收裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電容和電池混合系統(tǒng)(簡稱電電混合)能量回收裝置和方法。具體是用于如電機等具有發(fā)電功能的負(fù)載在發(fā)電狀態(tài)時，輸出的交流電經(jīng)過轉(zhuǎn)換后能給電容進行充電將能量儲存起來。本發(fā)明適用于電電混合的電機驅(qū)動電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在由電池和電容構(gòu)成的節(jié)能系統(tǒng)中，當(dāng)電機作為負(fù)載增大功率時，電池組和電容組處于放電狀態(tài)，滿足負(fù)載大功率時對電流的需要，當(dāng)負(fù)載短時間內(nèi)需要消耗很大的電流時，常常由電容組來補充能量以避免電池短時間內(nèi)過放電，從而延長電池的壽命；當(dāng)負(fù)載逐步降低功率或者突然停止工作時，此時負(fù)載會發(fā)出電流，電流通過電機控制器給電容組或電池組充電。存在電池組會受到電機發(fā)出的大電流通過電機控制器沖擊而損壞的問題，這種充放電系統(tǒng)中，電容組常常通過耦合控制器連接在電池組和電機控制器之間。為了實現(xiàn)理想的充電或放電過程，常常需要雙向DC-DC(B1-Direct1nal direct current-directcurrent converter)配合。雙向 DC-DC 的功率管常常由 IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)構(gòu)成，同時由于大電流對開關(guān)的要求問題，使得幾十到幾百kW雙向DC-DC的體積非常大，成本也比較高。在一些能量回收系統(tǒng)中，例如《超級電容與動力鋰電池混合型電動汽車的工程研究》一文中，是采用電容模塊回收能量。參見圖1，該能量回收系統(tǒng)中，電容組充放電通過耦合控制器實現(xiàn)能量的分配，這種能量回收系統(tǒng)比較復(fù)雜，且因為大量使用IGBT導(dǎo)致體積也很龐大，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明的一個目的在于，提供一種能量回收裝置。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以解決:
[0005]—種電電混合能量回收裝置，包括電池組、電機、電機控制系統(tǒng)和電容模塊，所述電池組、電機均通過母線連接電機控制系統(tǒng)；還包括采集系統(tǒng)、控制單元、直流變換器、整流模塊和電容模塊；在所述電機控制系統(tǒng)與電池組之間的連線上安裝有采集系統(tǒng)；所述控制單元分別連接所述采集系統(tǒng)、整流模塊、直流變換器和電容模塊；所述電機和整流模塊之間通過母線相連接；所述整流模塊的輸出端連接電容模塊的輸入端，所述電容模塊的輸出端連接直流變換器和控制單元；所述直流變換器的輸出端連接電池組。
[0006]進一步的，所述電池組的第一節(jié)電池的正極和最后一節(jié)電池的負(fù)極分別與母線的正極性線和負(fù)極性線分別相連。
[0007]進一步的，所述采集系統(tǒng)包括由霍爾器件構(gòu)成的電流采樣電路，霍爾器件安裝在電機控制系統(tǒng)與電池組之間的母線上。
[0008]進一步的，所述整流模塊選擇可控硅整流器件。
[0009]進一步的，所述電容模塊由多個特性相同的電容并聯(lián)構(gòu)成。
[0010]進一步的，所述直流變換器采用單向DC-DC。
[0011]本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種電電混合能量回收方法，包括如下步驟:
[0012]步驟1:在電機負(fù)載減速或突然停止時，電機瞬間發(fā)出電能；控制單元向采集系統(tǒng)發(fā)出控制指令，采集系統(tǒng)中對電機控制系統(tǒng)和電池組之間的母線電流大小和流向進行采集，并將采集到的電流上報給控制單元；控制單元判斷電流由電機控制系統(tǒng)流向電池組時，判斷電機處于發(fā)電狀態(tài)；
[0013]步驟2:控制單元控制整流模塊導(dǎo)通，電機發(fā)出的交流電被整流模塊轉(zhuǎn)換為直流電存儲在電容模塊中；由于整流模塊中開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降很小，和電機相連的母線的電位被拉低，使得電機控制系統(tǒng)無法給電池組進行大電流充電，從而避免了電池組受到電機瞬間產(chǎn)生的大電流沖擊；而圖1所示的傳統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)的電池組無法回避大電流的沖擊；
[0014]步驟3:在電容模塊被充電的過程中，控制單元實時采樣電容模塊的電壓，在電容模塊的電壓低于耐壓值的情況下保持充電狀態(tài)；如果電容模塊的電壓超過電容模塊的耐壓值，控制單元控制直流變換器開啟，電容模塊給電池組充電，在電容模塊給電池組充電過程中，如果電容模塊的電壓低于電池組的最低電壓，則控制單元控制直流變換器關(guān)斷；
[0015]步驟4:在電容模塊給電池組充電的過程中，采集系統(tǒng)根據(jù)控制單元的控制指令采集電池組的電壓，當(dāng)電池組中單個電池的電壓達到規(guī)定值，則采集系統(tǒng)上報給控制單元，由控制單元控制直流變換器關(guān)閉，此時電池組能夠給電機提供能量；否則，返回步驟3。
[0016]進一步的，所述步驟3中所述的電池組的最低電壓為2.5V。
[0017]進一步的，所述步驟4中所述單個電池的電壓的規(guī)定值為4.2V。
[0018]和傳統(tǒng)的能量回收裝置相比，本發(fā)明的有益效果:
[0019](I)本發(fā)明在回收能量的設(shè)計上是從電機和電機控制系統(tǒng)之間的連線取電荷進行能量儲存，因電容能承受瞬間大電流，無需限流，因此整個設(shè)計方案相對于傳統(tǒng)方案簡化了設(shè)計，另外，整流模塊為電機控制系統(tǒng)分擔(dān)了部分來自電機發(fā)出的電流，整流模塊可采用導(dǎo)通壓降小的開關(guān)器件來代替IGBT，這樣能大大降低能量回收裝置的體積和成本。
[0020](2)因整流模塊工作時，拉低了電機控制系統(tǒng)和電機之間連線的電位，使得電機處于發(fā)電狀態(tài)時，電機無法通過電機控制系統(tǒng)對電池組進行充電，使得電池組免受電機發(fā)出的瞬間大電流沖擊，保護了電池組。
[0021](3)直流變換器為小功率的單向Ikw以下的DC-DC，可及時對電池組補充能量，一定程度上減少了通過外部充電方式來補充電池組能量的充電次數(shù)，延長電池組的續(xù)航時間。同時該DC-DC為小功率單向的，設(shè)計上和傳統(tǒng)的大功率雙向DC-DC，在方案設(shè)計上簡化很多，同時降低了成本，縮小了體積。
【附圖說明】
[0022]圖1是傳統(tǒng)的電電混合充放電系統(tǒng)的示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明的電電混合能量回收裝置的示意圖。
[0024]圖3是本發(fā)明的電電混合能量回收流程圖。
[0025]圖4是本發(fā)明的電電混合能量回收裝置的實例圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進一步地詳細(xì)描述。
[0027]為了便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，先介紹傳統(tǒng)的電電混合充放電系統(tǒng)。如圖1所示，傳統(tǒng)的電電混合充放電系統(tǒng)包括電機、電機控制系統(tǒng)、電池組、電容模塊和耦合控制器。其中，電機由一組三相電感線圈構(gòu)成，與傳統(tǒng)技術(shù)的電機沒有本質(zhì)區(qū)別。當(dāng)電機加速時，充當(dāng)負(fù)載消耗電能；當(dāng)電機減速或突然停止時又作為發(fā)電機發(fā)出電能；電機控制系統(tǒng)主要由IGBT作為開關(guān)器件構(gòu)成的整流橋和IGBT驅(qū)動電路構(gòu)成，在電機作為負(fù)載消耗電能時，電機控制系統(tǒng)作為直流轉(zhuǎn)換為交流的轉(zhuǎn)換器將電池組發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成電機需要的三相交流電；反之，在電機減速或突然停止時電機發(fā)出電流，電機控制系統(tǒng)作為交流轉(zhuǎn)換成電流的轉(zhuǎn)換器，將電機發(fā)出的三相交流電轉(zhuǎn)換成電容模塊可以充電的直流電能儲存在電容模塊中。電池組由一組特性參數(shù)相同的電池串并聯(lián)起來構(gòu)成的供電單元，給電機提供電能。電容模塊由一組特性參數(shù)相同的電容并聯(lián)構(gòu)成，在電機加速時能提供瞬間大電流滿足電機瞬時功率的需要；在電機減速或突然停止時，它又能儲存電機發(fā)出電能。耦合控制器由雙向DC-DC構(gòu)成。當(dāng)電機加速時，瞬間消耗的電能主要由電容模塊提供，并通過耦合控制器變換成電機工作時需要的電壓和電流，再經(jīng)過電機控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成交流提供給電機，當(dāng)電機減速或突然停止時，電機發(fā)出的電能先經(jīng)過電機控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成直流，再經(jīng)過耦合控制器變換成適合電容模塊充電的工作電壓和電流，給電容模塊充電。這種能量回收系統(tǒng)比較復(fù)雜，且因為大量使用IGBT導(dǎo)致體積也很龐大，成本較高。
[0028]如圖2所示，本發(fā)明的電電混合能量回收裝置，包括電池組、采集系統(tǒng)、控制單元、整流模塊、電容模塊、直流變換器、電機和電機控制系統(tǒng)。其中，電池組、電機均通過母線連接電機控制系統(tǒng)；在電機控制系統(tǒng)與電池組之間的連線上安裝有采集系統(tǒng)；控制單元分別連接采集系統(tǒng)、整流模塊、直流變換器和電容模塊；電機和整流模塊之間也通過母線相連接，由電機發(fā)出的電流接入整流模塊；整流模塊的輸出端連接電容模塊的輸入端，電容模塊的輸出端連接直流變換器和控制單元；直流變換器的輸出端連接電池組。
[0029]各部件選擇如下:
[0030]電池組由一組特性參數(shù)相同的電池串聯(lián)構(gòu)成的供電單元。電池組的第一節(jié)電池的正極和最后一節(jié)電池的負(fù)極分別與母線的正極性線和負(fù)極性線分別相連；電機作為負(fù)載消耗電流時，電池組發(fā)出的電流通過母線提供給電機。
[0031 ] 電機控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)電電混合充放電系統(tǒng)在組成和功能上沒有區(qū)別。
[0032]采集系統(tǒng)，包括由霍爾器件構(gòu)成的電流采樣電路?；魻柶骷惭b在電機控制系統(tǒng)與電池組之間的母線上。采集系統(tǒng)用于根據(jù)控制單元的控制指令，對電機控制系統(tǒng)和電池組之間的母線電流大小和方向進行采集，并將采集到的電流上報給控制單元。這部分在電路組成及功能上與傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)沒有區(qū)別。同時也用于根據(jù)控制單元的控制指令，將電池組的電壓采樣上報給控制單元。
[0033]控制單元可由集成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的處理器構(gòu)成，也可以是單獨的處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。控制單元用于接收采集系統(tǒng)上報的電流數(shù)字信號，據(jù)此判斷電機控制系統(tǒng)輸出電流的大小及電流方向，判斷當(dāng)前電機作為負(fù)載的工作狀態(tài)是消耗電能狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)；另外，因控制單元具有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，因此還用于對電容模塊的電壓進行采樣來檢測電容存儲電量的情況。如果電容模塊的電壓較高則表明電容模塊中存儲了