CN102510815A

CN102510815A - 电动车辆

Info

Publication number: CN102510815A
Application number: CN2010800392525A
Authority: CN
Inventors: 德米特里·韦尼阿米诺维奇·韦尔希宁; 奥列格·格里戈里耶维奇·达什科; 叶夫根尼·亚历山德罗维奇·斯莫特罗夫
Original assignee: ZAKRYTOE AKTZIONERNOYE OBSCHESTVO NAUCHNO-PROIZVODSTVENNOE PREDRIYATIE "INKAR-M"
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种电动车辆，属于车辆领域。包括：一可逆电源(或与一可逆电源耦合)；1个或多个电机，其通过机械传动(或没有该传动)与车轮耦合；1个或多个可逆换流器，该换流器使其可在机电特性的全部4个象限中控制上述电机的速度和/或扭矩，一高容量电容器(超级电容器)和一稳流电阻器。该车辆具有一可逆直流升压/降压变压器，2个电流传感器，2个电压传感器，一车辆速度传感器，一用于电机中的一个的速度传感器，和一控制系统。技术效果为由于回收能量的增加使用，能量损失减少。

Description

电动车辆

技术领域

本发明涉及电动车辆(Electric Vehicles，EVs)领域，并可用于装备有自备电源的EVs和与外部电源连接的EVs(有轨电车、无轨电车、城际列车)。

更具体地，本发明涉及运输车辆制动过程中电能回收(存储)方面的技术决策。

背景技术

现有技术中已知有各种各样的用于提高电动车辆制动过程中回收电能的使用效率的策略。

例如，已知“Battery-fed vehicle traction motor with capacitor boost”(专利FR2757806A1，B60L11/00，公开日期1998年7月3日)。该装置包括一电机，该电机与具有电子控制的电动车辆的车轮相连，该电子控制由蓄电池、电容器组和逻辑单元供电。逻辑单元的输出与继电器线圈相连，该继电器线圈的触点将电容器组与蓄电池串联。基本上，在再生制动期间和运输车辆加速过程中，将电容器组连接起来。如果再生制动没有使电容器组充满电，则使用独立的依靠电池的充电器。

现有技术装置的缺点包括，当蓄电池与电容器组串联时，由于过压供电而造成电源单元的功率尺寸比高，和由于使用了附加电池充电单元而造成装置的复杂性过高。

此外，在再生制动期间，与电池充电率相等的电容器组充电率仅由所述电容器组和电池的状态以及由制动率决定，电容器组充电率可以超出可能导致蓄电池寿命缩短的允许(推荐)值。

公开在苏联发明人证书No.74107中的一种“用于车轮的电驱动电机”与本发明的技术实质相接近。该现有技术的装置包括设计用于为电池充电的电源，该电池通过隔离二极管与分子电容器单元相连，该分子电容器单元与受控电压型换流器并联。旋转的速度由上述换流器的输出电压的变化控制，该换流器用于以一定电压转换降压比向电驱动电机输送电力，和在制动期间以一定电压转换升压比从电驱动电机进行电力回收。在制动过程中，停止从电池到电机的能量输送，所述电机转换为发电机模式。在这种情况下，与发电机输出过程中产生的电流成比例的制动扭矩作用于车轮上，换流器处于发电机过压工作的模式。在进一步的运行过程中，电力从电容器组传输到换流器，在这种情况下，该过程将持续到电池和电容器组的电压相等。之后，电机由电池供电。

该现有技术的装置的缺点包括：主电源和主用户之间使用了隔离二极管，其中，主电源即是指蓄电池，而主用户在电驱动电机中是指换流器，当电驱动电机处于电机工作状态下，该隔离二极管会造成额外损耗；隔离二极管中还使用了散热片，该散热片安装在电源电路上，使电动车辆的重量和空间节省参数恶化。制动过程中，只要电能存储在电容器组中，就会在换流器端子上积累电压。这种情况导致在选择换流器的功率放大器如功率晶体管、电源滤波器的电容器驱动器等时，必须有进一步的要求，这些要求通常导致功率尺寸比的高估和换流器成本的提高，而且由于换流器应工作于一个具有较大变化范围的电源电压下，这些要求会导致换流器运行的逻辑(调谐)复杂化。

现有技术的方案的缺点还包括存储在电容器组中能量的使用，例如，当车辆速度开始从0(最小值)变为新的(预设)值时，电容器组的放电开始于车辆的启动。在这一过程中，换能器消耗的电力及随之产生的电源电流，从0(最小值)变为与车辆最大速度相应的最大值。因此，可取的方法为将存储在电容器组中的电力用于加速到中间速度值和更高的速度值，从而降低电源负载并减少电源的最大输入电流。

题为“Sealed Lead-Acid Batteries”的文章(www.powerinfo.ru/accumulatortype.php)提出铅酸电池使用寿命和放电深度的关系。如曲线所示，放电深度的双倍降低会增加周期数，例如电池使用寿命。相似的关系也适用于其它类型的电池。

当将2个独立的轮毂电驱动电机用于一辆EV的一根车轴或每根车轴上时，会产生独立电驱动电机上的合理控制问题。

RU2048309C1中公开的一种“电动车””接近于本发明的技术实质。现有技术的装置包括混合电源；用于选择移动方向的开关设备“前后”，工作模式包括：后轮驱动、前轮驱动、四轮驱动；分别与可变电阻器耦合的驱动和制动踏板；以及前后轮的可逆电驱动电机。

为了提供同样的速度值，前后轮的电驱动电机成对地串联耦合。

现有技术的装置的缺点包括不能对速度值和/或车轴的车轮的扭矩进行分路控制。

在EV转弯期间，全部4个车轮的速度通常是不同的，转弯半径越小，速度差越大。并且，车轴电机的总电流在车轴上引起相同的车轮扭矩。同时，一般来说，车轴上的阻力车轮扭矩不同，车轴上所需的电机扭矩或制动扭矩也应该不同。例如，当一个车轮与泥浆接触，其它的车轮与沥青接触，则不同车轮上的牵引系数有n阶程度的差异，现有技术的方案中的第一车轮将以最大速度旋转，而与此同时第二车轮仍然是静止的，与具有机械差动装置的情况相同。转弯过程中，当EV的车轮设置为同样的速度，却以不同的实际速度运行时，将导致电机的不同负载。同时，速度预设值的选择非常重要。如果实际车轮速度大于预设值，驱动电机转换为制动(发电机)模式，车轮开始制动EV。这样会导致EV丧失稳定性。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术装置的上述一些缺点，从而提高制动中回收的能量的利用率，降低EV重量和空间节省参数和成本，提高自备可逆电源的使用寿命，改善EV性能特点，例如机动性、路感、节油效率、一次充电续航里程。

本发明的电动车辆中可实现上述目的。该车辆包括：至少1个电机，其通过机械传动(或没有该传动)与车辆的车轮耦合；控制系统，其包括1个或多个可逆换流器，该换流器使其可控制上述电机的速度和/或扭矩，高容量电容器和具有放电键的稳流电阻器，该控制系统还包括：至少1个具有控制系统的可逆直流升压/降压变压器，2个电流传感器，2个电压传感器，用于电机的速度传感器，其中，1个或多个换流器固定地连接于所述电源端子，电容器通过上述可逆换流器连接于电源端子；第一电流传感器用于指示可逆电源的电流值和方向，第二电流传感器测量作为换流器的元件的电感扼流圈的电流。第一电压传感器测量电源端子上的电压，第二电压传感器测量电容器端子上的电压。上述传感器的输出连接于可逆换流器控制系统的输入，该控制系统的输出连接于可逆换流器和放电键的控制输入。

当使用自备可逆电源时，优选地的是使用这样一种电源，即蓄电池，一般而言，可选地，该装备有使用燃料电池的电化学发电机。

可逆换流器由4个旁路二极管分流的4个晶体管开关和电感扼流圈构成其基础，其中，第一晶体管集电极连接于电源端子，第一晶体管发射极与第二晶体管集电极和扼流圈的第一输出耦合；第三晶体管集电极连接于电容器端子；第三晶体管发射极与第四晶体管集电极和扼流圈的第二输出耦合；第二晶体管发射极与第四晶体管发射极、电容器第二端子和电源第二端子耦合。

可逆换流器用于使用预设电流将电容器预充电至最大电压，和在再生电力不足条件下的再充电。

本发明的车辆中的控制系统决定车辆启动期间的静态电流值，该静态电流值与起步扭矩有关，该起步扭矩基于从速度传感器接收的信息获得。

控制系统还用于提供由电容器中的能量储备的消耗所限制的电源电流。

控制系统用于消耗在第一电流传感器的输出信号极性发生变化的运输车辆制动期间回收的电驱动电机能量，对电容器的充电。

控制系统提供通过将可逆电源充电电流限制在预设水平的方式对电容器的充电。

控制系统提供在可逆电源端子上的电压超出预设值的条件下，将稳流电阻器与电源端子连接，并将稳流电阻器电流从0逐步调整至最大值。

当车辆处于车辆中间速度值(0值和最大值之间)，控制系统在电容器中提供一电压水平，其足够用于产生从中间速度值至最大速度值的加速期间的车辆起动电流，并支持将在从中间速度值至完全停止的车辆制动期间回收的能量存储在电容器中。

此外，在耦合了外部电源或包括自备电源的本发明的EV中的一个或每个车轴上，使用了2个独立的轮毂电驱动电机时，可使用由所述具有扼流圈和超级电容器的可逆换流器形成的能量回收装置：用于设定扭矩和移动速度的控制，用于设定制动扭矩的控制，移动模式选择开关，2个或4个分别与2个或4个车轮耦合的轮电驱动电机，2个或4个用于调整电驱动电机的扭矩的可逆换流器，并装备有转向角度传感器和顶层控制系统(Top Level ControlSystem，TLCS)，其中，除转向角度传感器之外，所述设定移动速度和扭矩的控制和制动扭矩的控制和移动模式选择开关与TLCS输入相连，TLCS输出与可逆换流器的控制输入相连，该可逆换流器包括具有电机中的电流限制水平和制动工作条件的分离设定的相互设计。此外，TLCS输入还可用于与传输关于电驱动电机电流和速度的信息的换流器的输出相连。TLCS根据转向与加速和制动踏板的位置产生电机的速度(扭矩)设定。

为了提供通过设定在初始位置的加速踏板的EV加速的所需(可控)的舒适度，TLCS设定0电流(扭矩)值和最小速度值。随着加速踏板被踏下，首先电流(扭矩)设定的值随着为常量(最小)的速度设定而增加。在电流限制水平的峰值之后，加速踏板的进一步踏下使速度设定增加。

为了避免车轮抓地力的损失(车轮滑转)，TLCS在加速期间控制驱动的车轮速度，当超出预设值的时候，限制电流(扭矩)水平，例如，其提供防滑(牵引力控制)条件。

为了提供调整性能，为了提供所需(可控)的减速率和急刹稳定性，在速度设定信号减弱，驾驶随着制动踏板被踏至原始位置而进入制动模式的条件下，TLCS设定制动电流(扭矩)值如下：0值(滑行模式)或某值，预设值(与车辆中的电机制动相同)，随着制动踏板被踏下，增加电流(扭矩)设定。该情况下，基于车轮速度相关的信息的TLCS控制“下坡”制动率，并且需要的话，限制制动扭矩值，或产生防止车轮抱死的脉冲扭矩成分。

为了有效的增强转向舒适度和稳定性，而使用横向加速传感器，其输出与TLCS输入相连，在该情况下起到确保车辆在不同道路行驶的安定性能的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出没有TLCS的本发明的EV；

图2说明了用于可逆换流器的示意电路图的一个实施例；

图3表示本发明的EV的功能图；

图4表示用于设定速度和扭矩的TLCS输出信号和加速踏板位置的关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1示出本发明的EV的示意性电路，其包括自备(车载)可逆电源或通过端子1和2耦合于外部可逆电源，端子1和2上的电压通过电压传感器测量，电流通过电流传感器测量。

端子1和2用于将稳流电阻器R(与旁路二极管(D)并联)、放电键(DK)串联，可逆换流器(RC1至RCi)用于调整通过机械传动或没有传动(电机-车轮)(图1中未标示)而耦合于EV车轮上的电机(EM1至EMi)的速度和/或扭矩。

该电路图还表示了超级电容器(SC)，其电压通过传感器2Sv测量。SC与可逆换流器(RC)的输出端子4和2相连，可逆换流器的输出端子3和2与电源1的端子1和2相连。

图2说明了可逆换流器(RC)的一个实施例，可逆换流器由与4个旁路二极管D1-D4并联的4个晶体管开关S1-S4和电感扼流圈L构成其基础，该感应线圈L的电流通过传感器2Sc测量。

包括与一个电机相连的速度传感器的输出的上述传感器的输出，与控制系统(ControlSystem，CS)相连。

CS输出与RC和DK的控制输入相连。

图3所示的为EV的顶层控制系统，该顶层控制系统用于转向角度传感器的信号、加速踏板的位置(设定电机的速度和/或扭矩)，和制动踏板(设定制动扭矩)、手(驻车)刹的位置、从RC1至RCi的模式选择开关(前向-后向等)的相互交互。

本发明的装置工作如下。

作为对操作者(驾驶员)转动点火开关的响应，CS通过RC执行从电源1对SC的充电。首先，将晶体管K1相对脉冲持续时间(连接时间)从0变为1，使得电源1向SC充电。然后，通过晶体管K1的启动和运行，SC充电至最大电压(Uscmax)。

启动EV过程中，控制系统通过电流传感器1Sc控制可逆电源1的电流，在EV起步(其扭矩通过来自速度传感器的信号确定)过程中，控制系统指定与EV静态时刻相应的电源1的电流水平。从这一时刻(起步)开始，CS开始将SC放电至可逆换流器(EC1-ECi)中，从而将电源1的电流维持在固定水平。因此，实现电源1启动电流的限制。

在EV制动和在电流传感器1Sc的输出上回收电力的过程中，输出信号极性发生变化。当所述信号超出与可逆电源(SB)的标称(容许)充电率相应的预设值时，CS开始对SC充电，同时将电源1的充电电流维持在预设水平。

SC中的电压值通过电压传感器2Sv测量。SC电容值根据EV动能存储的吸收来选择，与最大速度和EV最大载重，例如最大值相应。当达到SC中的最大电压(Uscmax)时，CS终止为SC充电。如果这时候电力回收过程没有停止(例如制动过程没有完成)，例如EV在长距离下坡，则电压开始在端子1和2上逐渐积累。对来自2Sv的信号作出响应，CS向放电键(DK)发出控制信号。这种情况下，CS通过稳流电阻器R逐步改变DK电流，该稳流电阻器R用于对电源(端子1和2)分流，并逐步限制在端子1和2上的电压。

如果制动结束后SC端子上的电压水平不足，则CS通过RC从电源1对SC再次充电。

由此，本发明的EV提供预充电，并在需要的时候，在停车处对SC再次充电至所需电压水平，在EV加速期间，SC放电至负载中。在该情况下，将电源电流限制在EV静态电流(扭矩)水平。由于可逆换流器，SC(需要时)放电至低于电源1的电压的最大值Uscmax。在以中间速度(小于EV最大速度)移动期间，SC存储足够用于电源的启动电流的能量储备，需要时，可加速至最大速度，SC还可以接收(存储)从中间速度制动至停止期间回收的电能。

回收能量的一部分按照电源充电条件的要求，上传至可逆电源。

本发明的装置通过增加回收能量利用率而降低调整损失，提高自备可逆电源的寿命(该电源的成本构成EV总成本的很大部分)，并且，由于SC端子上的电压变化范围的扩大，和按照电源充电条件将回收能量的一部分反馈至可逆电源，降低了SC的重量和成本参数，节省了空间。

本发明的装置可用于具有自备电源的电动车辆，和具有外部(耦合)电源的市政电力运输工具(有轨电车、无轨电车、城际列车)。后者中，可逆性可通过在EV输入(端子1和2)上安装电容器组来实现。致动电机可以是任何类型，DC或AC。

换流器为电驱动电机提供了机电特性的所有4个象限的运行，并具有可逆性，例如在制动期间进行能量回收。

在图3说明的实施例中，EV包括或连接于电源(PS)1，能量回收装置(2)，移动速度(扭矩)设定控制(加速踏板(3))、制动扭矩设定控制(制动踏板(4))、移动模式选择开关(前向、后向、停止(5))。该装置包含与车辆耦合或设置在车轮(电机-车轮)MW1-MWi(7)上的电机(6)的可逆换流器RC1-RCi，转向角度传感器(8)和顶层控制系统(TLCS)(9)，其中，所述设定和模式选择控制、转向角度传感器与TLCS输入相连，而TLCS输出与换流器RC1-RC4的控制输入相连。

电源(PS)可以是蓄电池(SB)和/或使用燃料电池的电化学发电机。也可以使用“内燃机-发电机”系统，其与SB结合，形成所谓的联合动力装置(Combined Power Plant，CPP)。PS可以是外置的，如在无轨电车中那样。

以上描述的能量回收装置，其中包括能量存储装置，例如超级电容器，接受在制动(回收)期间由电机产生的能量，能量存储，并作为对TLCS指令的响应，在EV加速和移动期间反馈到电源电路。

换流器RC1-RC4提供按照TLCS的设定，控制驱动电机DM1-DM4的速度和/或扭矩。该换流器具有可逆性，例如，在制动(发电机)条件下的工作过程中，换流器将能量反馈至电源电路。

致动电机AM1-AM4可以是各种类型，例如DC或AC，换向器或无刷伺服。特别地，它们可以为设置在车轮(电机-车轮)上的具有永磁激励的反向同步三相电机(其转子为外部旋转部件，定子为内部静止部件)。

图4表示用于设定速度和电流(扭矩)I(M)的TLCS输出信号和加速踏板位置Faccel之间的关系。在EV停止、加速踏板位于起始位置的时候，TLCS设定最小速度值_min和0电流值(扭矩)。在加速踏板被踏下的时候，操作者(驾驶员)设定由AM产生的扭矩。随着电流(设定)扭矩达到抵抗静态扭矩的数值，EV起步并以一动态扭矩进行加速，该动态扭矩由设定的扭矩和静态扭矩之间的差值定义，例如，该设定的扭矩由操作者决定。只要EV在其达到_min水平电流速度值之后加速，则在系统中运行电驱动(ED)以维持速度的预设值，ED中的扭矩限制在M_limit水平。由此，EV以由驾驶员决定的速率起动(起步)。

随着预设速度值的降低(或加速踏板完全被释放)，ED转入具有最小(或0)制动扭矩的制动模式(滑行)。该模式中最小制动扭矩的状态或数值预先按照驾驶员的便利(习惯)设定，例如，与“车辆电机制动”相同。

为了增加制动扭矩，驾驶员踏下制动踏板，设定制动的所需数值并提供制动的所需速率。基于AM速度相关的信息，TLCS追踪制动过程的动态变化，需要时，其限制制动扭矩的数值从而提供防抱死模式。

同样的技术用于控制加速度。TLCS提供防滑模式从而限制电机扭矩的数值。

通过安装的横向加速感应器，如果具有所需的软件，TLCS还能够提供道路保持系统(Road-holding System)。但是与在现有技术的运输车辆中执行所述运行模式相比，在本发明的EV中，所述模式仅通过电子技术提供，例如，通过分别限制每个车轮的电机和/或制动扭矩的数值，其在提供能量回收条件的情况下，显著增加控制效率，以及一次充电EV的续航里程。

Claims

1.一种电动车辆，具备一自备可逆电源(或与一外部可逆电源耦合)，包括：

至少一个电机，其通过机械传动(或没有该传动)与车轮耦合；和

控制系统，该控制系统包括：

一个或多个可逆换流器，该换流器用于控制所述电机的速度和/或扭矩；

一高容量电容器和一具有放电键的稳流电阻器；

其特征在于，该控制系统还包括：至少一个具有一控制系统的可逆直流升压/降压变压器，两个电流传感器，两个电压传感器，一用于电机的速度传感器，

其中，一个或多个换流器直接连接于电源的端子，

电容器通过上述可逆换流器连接于电源的端子，

第一电流传感器用于指示可逆电源的电流值和方向，第二电流传感器用于测量作为可逆换流器的元件的电感扼流圈的电流，

第一电压传感器用于测量电源的端子上的电压，第二电压传感器测量电容器的端子上的电压，

上述传感器的输出连接于可逆换流器的控制系统的输入，

所述控制系统的输出连接于可逆换流器和放电键的控制输入。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，可逆电源为蓄电池。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，可逆电源进一步包括使用燃料电池的电化学发电机。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，可逆换流器由4个旁路二极管分流的4个晶体管开关和电感扼流圈构成其基础，其中，第一晶体管集电极连接于电源端子，第一晶体管发射极与第二晶体管集电极和电感扼流圈的第一输出耦合；第三晶体管集电极连接于电容器端子；第三晶体管发射极与第四晶体管集电极和电感扼流圈的第二输出耦合；第二晶体管发射极与第四晶体管发射极、电容器第二端子和可逆电源第二端子耦合。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，可逆换流器用于使用预设电流将电容器预充电至最大电压，和在再生电力水平不足时的再次充电。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，控制系统通过基于速度传感器信息的起步扭矩，决定车辆启动期间的静态电流值，在车辆加速期间，控制系统还用于提供由电容器中的能量储备的消耗所限制的电源电流。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，控制系统用于通过消耗在第一电流传感器的输出信号极性发生变化的运输车辆制动期间回收的电驱动电机能量，对电容器的充电。

8.根据权利要求2所述的装置，其中，控制系统通过将可逆电源充电电流限制在预设水平的方式对电容器提供充电。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，在可逆电源端子上的电压超出预设值的条件下，控制系统将稳流电阻器与电源端子连接，并将稳流电阻器电流从0逐步调整至最大值。

10.根据权利要求4所述的装置，其中，当处于车辆中间速度值时，控制系统在电容器中提供一电压水平，其足够用于产生从中间速度值至最大速度值的加速期间的车辆起动电流，并支持将在从中间速度值至完全停止的车辆制动期间回收的能量存储在电容器中。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，至少一个车轴的车轮与独立电驱动电机耦合，其中，所述电驱动电机的速度和扭矩的每一个调整都由独立可逆换流器执行，该可逆换流器包括具有电机中的电流限制水平和制动工作条件的分离设定的相互设计，在该情况下，该装置包括用于设定移动速度和扭矩的控制，和用于设定制动扭矩的控制；移动模式选择开关，转向角度传感器，和顶层控制系统，其中，所述设定移动速度和扭矩的控制和制动扭矩的控制，与顶层控制系统相连，而所述顶层控制系统的输出与上述独立可逆换流器的控制输入相连。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，用于传输关于电驱动电机电流和速度的信息的上述独立可逆换流器的另外的输入可与顶层控制系统的输入相连。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，顶层控制系统根据加速踏板的初始位置，设定0移动电流值和最小速度值，以提供电动车辆加速的可控的舒适度。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，顶层控制系统在加速期间控制车轮的驱动速度，当超出预设值的时候，顶层控制系统限制电机工作条件中的水平。

15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，具备横向加速传感器，其输出与顶层控制系统的输入相连。