一种用于纯电动车的智能动力电源系统的制作方法

本发明属于电动汽车电源技术领域，具体涉及一种用于纯电动车的智能动力电源系统。

背景技术：

环境污染和石化类能源的紧缺迫使人们开发使用各种新型能源。由于空气中60％的含碳排放来自于燃油汽车尾气，同时石化类能源即将枯竭，迫使人们开发新型电动车来解决目前及将来的车用能源问题。

目前除了占80～90％以上的燃油车、还有混合电动车、增程式电动车及纯电动车。纯电动车由于脱离了石化类能源的制约，将成为未来主要发展趋势之一。

目前电动车主要以电池类动力能源为主，但是由于电池类动力能源充放电速度慢(小时量级)、功率密度小，致使电动汽车在续航、多档变速(包括启动、刹车等)等方面与燃油车相比处于弱势。

超级电容器是近年来发展起来的一种新型的绿色电力储能器件，相比较于电池，超级电容器突破了电池的恒压充放电模式，为恒流充放电模式，使得超级电容器具有充放电速度快(分钟或秒量级)、功率密度大等特点，有望实现电动车快速变速(大功率密度)及快速续航功能。

但是超级电容器由于能量密度不足，还不能单独作为动力能源。有的纯电动车将电池和超级电容器并联使用共同完成车用动力电源功能：电池提供恒压部分(功率不变)，超级电容器提供变压部分(变功率)，来解决变功率问题，但两者间器件类型不同存在匹配和兼容问题，导致整体器件性能和寿命受到不利影响，动力电源使用不在最优状态；功率变化幅度受到制约，充电时间较长，续航能力受到限制，电能利用率不高。因此需要开发一种具有能量密度高、功率密度高、方便续航等优势的新型纯电动车智能动力电源体系。

本发明基于电池(能量密度优)和超级电容器(功率密度优，充放电速度快)的特点，实现将超级电容器与电池进行优化组合，使整体系统具有能量密度高、功率密度高、方便续航等优势。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明公开了提供一种用于纯电动车的智能动力电源系统。

技术方案：一种用于纯电动车的智能动力电源系统，包括：

遥控器，

红外模块，其输入端与所述遥控器的输出端相连，用于接收来自遥控器的启停信号或速度调节信号，并将启停信号或速度调节信号发送给控制电路处理；

控制电路，其输入端与所述红外模块的输出端相连，根据A/D转换器输入的监测电压信号控制超级电容器组之间的充放电切换，同时根据速度调节信号调节输出给可调功率放电电路的PWM波的占空比；

恒流充电电路，其输入端与电池组相连，恒流充电电路的输出端通过控制电路与电容器组相连，用于为超级电容器组进行恒流充电；

电池组，用于为恒流充电电路提供电能；

超级电容器组，其输入端与恒流充电电路的输出端相连，超级电容器组的输出端与可调功率放电电路的输入端相连，用于储能以及给放电电路持续供电；

可调功率放电电路，其输入端通过控制电路与超级电容器组相连，可调功率放电电路的输出端与负载相连，用于为负载供电并通过接收控制电路的PWM波信号调节供电功率大小；

A/D转换器，其输入端与超级电容器组的输出端相连，A/D转换器的输出端与控制电路的输入端相连，用于将超级电容器组两端的电压模拟信号转换为数字信号，并发送给控制电路处理，从而实现监测电压的功能。

进一步地，所述超级电容器组包括两个交替充放电的超级电容器和至少一个备用超级电容器。

进一步地，所述恒流充电电路包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、MOS管Q1、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、水泥电阻R7、水泥电阻R8、水泥电阻R9、水泥电阻R10和水泥电阻R11，

单片机输出的电压送入运算放大器U1A的同相输入端，运算放大器U1A的输出端通过电阻R1与MOS管Q1的G端相连，根据输入电压大小控制MOS管的导通程度，由此在S端获得相应的输出电流，

电阻R6的一端分别与MOS管Q1的S端、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与运算放大器U1B的同相输入端相连，电阻R6上产生的采样电压经过电阻R2输入运算放大器U1B的同相输入端，电阻R6的另一端接地并与电阻R5、电阻R4、电阻R3依次串联，

运算放大器U1B的反相输入端连接至电阻R4与电阻R5之间，通过电阻R3、电阻R4的阻值之和与电阻R5阻值之比，得到相应的电压并输入运算放大器U1B的反相输入端，运算放大器U1B的输出端连接至运算放大器U1A的反相输入端，运算放大器U1A根据负反馈的电压调节输出电压，从而控制电流稳定，

电容C1连接在运算放大器U1A的输出端与运算放大器U1A的反相输入端之间，

电容C2连接在电阻R3、电阻R4两端，起过滤震荡电压，维持电压稳定的作用，

水泥电阻R7、水泥电阻R8、水泥电阻R9、水泥电阻R10和水泥电阻R11并联，

在MOS管Q1的D端与水泥电阻R7～R11的一端之间接入控制电路，水泥电阻R7～R11的另一端经过开关与电池组相连，通过并联五个水泥电阻，得到一个较小的阻值，降低输入至MOS管Q1的D端的电压，减小MOS管Q1的D端和S端的压降，从而减少MOS管Q1发热。

更进一步地，电阻R3、电阻R4的阻值之和与电阻R5阻值之比为19:1。

进一步地，所述可调功率放电电路包括开关管Q2、电感L1、二极管D1、电容C3和负载R12，

开关与电感L1的一端相连，电感L1另一端与开关管Q2的D端相连，开关管Q2的S端接地，开关管Q2的G端与单片机的PWM波输出端相连，

开关管Q2的D端还与二极管D1的一端相连，二极管D1的另一端与负载R12的一端相连，负载R12另一端接地，

电容C3并联在负载R12两端。

进一步地，所述控制电路包括单片机、继电器S1、继电器S2、继电器S3、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7和开关管Q8，

继电器S1、继电器S2、继电器S3闭合的一端为常闭端，继电器S1、继电器S2、继电器S3的另一端为常开端，

继电器S1、继电器S2、继电器S3的常闭端都连接至输出端d的3处，

继电器S1、继电器S2、继电器S3的常开端都连接至输入端b的1处，

继电器S1、继电器S2、继电器S3的控制端与单片机的输出端相连，

继电器S1的公共端与电容器C4的一端相连，电容器C4的另一端分别与开关管Q3的S端、开关管Q4的D端相连，开关管Q3的D端与输入端b的2处相连，开关管Q4的S端与输出端d的4处相连，开关管Q3的G端、开关管Q4的G端与单片机的输出端相连，

继电器S2的公共端与电容器C5的一端相连，电容器C5的另一端分别与开关管Q5的S端、开关管Q6的D端相连，开关管Q5的D端与输入端b的2处相连，开关管Q6的S端与输出端d的4处相连，开关管Q5的G端、开关管Q6的G端与单片机的输出端相连，

继电器S3的公共端与电容器C6的一端相连，电容器C6的另一端分别与开关管Q7的S端、开关管Q8的D端相连，开关管Q7的D端与输入端b的2处相连，开关管Q8的S端与输出端d的4处相连，

开关管Q7的G端、开关管Q8的G端与单片机的输出端相连。

有益效果：本发明公开的一种用于纯电动车的智能动力电源系统具有以下有益效果：

1、持续供电；

2、恒流快速充电；

3、放电功率可调；

4、续航时间长——电池组具有高能量密度，活动可更替，在短时间内用更替方式解决了传统纯电动车充电时间长，续航能力弱的问题；

5、超级电容器高功率密度解决了传统电池电动车大功率释放能力弱及变速幅度小，且变功率带来电池寿命缩短等问题。

附图说明

图1为本发明公开的一种用于纯电动车的智能动力电源系统的原理图；

图2为本发明公开的一种用于纯电动车的智能动力电源系统的结构示意图框图；

图3为恒流充电电路的电路图；

图4为可调功率放电电路的电路图；

图5为控制电路的电路图。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式详细说明。

如图2所示，一种用于纯电动车的智能动力电源系统，包括：

遥控器，

红外模块，其输入端与遥控器的输出端相连，用于接收来自遥控器的启停信号或速度调节信号，并将启停信号或速度调节信号发送给控制电路处理；

控制电路，其输入端与红外模块的输出端相连，根据A/D转换器输入的监测电压信号控制超级电容器组之间的充放电切换，同时根据速度调节信号调节输出给可调功率放电电路的PWM波的占空比；

恒流充电电路，其输入端与电池组相连，恒流充电电路的输出端通过控制电路与电容器组相连，用于为超级电容器组进行恒流充电；

电池组，用于为恒流充电电路提供电能；

超级电容器组，其输入端与恒流充电电路的输出端相连，超级电容器组的输出端与可调功率放电电路的输入端相连，用于储能以及给放电电路持续供电；

可调功率放电电路，其输入端通过控制电路与超级电容器组相连，可调功率放电电路的输出端与负载相连，用于为负载供电并通过接收控制电路的PWM波信号调节供电功率大小；

A/D转换器，其输入端与超级电容器组的输出端相连，A/D转换器的输出端与控制电路的输入端相连，用于将超级电容器组两端的电压模拟信号转换为数字信号，并发送给控制电路处理，从而实现监测电压的功能。

进一步地，超级电容器组包括两个交替充放电的超级电容器和至少一个备用超级电容器。

启动时，使电池组通过恒流充电电路给超级电容器组快速充电，控制电路监测到超级电容器充满时，控制第1组超级电容器切换至放电模块。当第1超级电容器放电至设定的放电下限时，控制电路将其切换至充电模块，同时将第2超级电容器切换至放电模块，两个超级电容器按照以上方式循环，实现持续充放电。放电时控制电路通过检测放电电容器组两端电压，随电压下降不断调整输出的PWM波的占空比，从而维持放电功率恒定，当控制电路接收到加速信号时，通过调节PWM波的占空比升高放电功率；若放电功率大于充电功率，将启用第3超级电容器作为备用电源，以满足短时间内高功率放电的需求，当第1超级电容器和第2超级电容器不充电时，则对第3超级电容器进行充电。

进一步地，如图3所示，恒流充电电路包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、MOS管Q1、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、水泥电阻R7、水泥电阻R8、水泥电阻R9、水泥电阻R10和水泥电阻R11，

单片机输出的电压送入运算放大器U1A的同相输入端，运算放大器U1A的输出端通过电阻R1与MOS管Q1的G端相连，根据输入电压大小控制MOS管的导通程度，由此在S端获得相应的输出电流，

电阻R6的一端分别与MOS管Q1的S端、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与运算放大器U1B的同相输入端相连，电阻R6上产生的采样电压经过电阻R2输入运算放大器U1B的同相输入端，电阻R6的另一端接地并与电阻R5、电阻R4、电阻R3依次串联，

运算放大器U1B的反相输入端连接至电阻R4与电阻R5之间，通过电阻R3、电阻R4的阻值之和与电阻R5阻值之比，得到相应的电压并输入运算放大器U1B的反相输入端，运算放大器U1B的输出端连接至运算放大器U1A的反相输入端，运算放大器U1A根据负反馈的电压调节输出电压，从而控制电流稳定，

电容C1连接在运算放大器U1A的输出端与运算放大器U1A的反相输入端之间，

电容C2连接在电阻R3、电阻R4两端，起过滤震荡电压，维持电压稳定的作用，

水泥电阻R7、水泥电阻R8、水泥电阻R9、水泥电阻R10和水泥电阻R11并联，

在MOS管Q1的D端与水泥电阻R7～R11的一端之间接入控制电路，水泥电阻R7～R11的另一端经过开关与电池组相连，通过并联五个水泥电阻，得到一个较小的阻值，降低输入至MOS管Q1的D端的电压，减小MOS管Q1的D端和S端的压降，从而减少MOS管Q1发热。

更进一步地，电阻R3、电阻R4的阻值之和与电阻R5阻值之比为19:1。

进一步地，如图4所示，可调功率放电电路包括开关管Q2、电感L1、二极管D1、电容C3和负载R12，

开关与电感L1的一端相连，电感L1另一端与开关管Q2的D端相连，开关管Q2的S端接地，开关管Q2的G端与单片机的PWM波输出端相连，

开关管Q2的D端还与二极管D1的一端相连，二极管D1的另一端与负载R12的一端相连，负载R12另一端接地，

电容C3并联在负载R12两端。

使用时，当开关管Q2闭合时，由于二极管D1的单向导通，整个电路分为两部分。二极管左边电感L1起储能作用，右边由电容C3给负载R12供电。当开关管Q2关断时，电感L1释放储存的能量，给负载R12供电以及电容C3充电，根据接收的PWM波的占空比，调节开关管导通和关断的时间比，从而获得相应的电压放大倍数。

进一步地，如图5所示，控制电路包括单片机、继电器S1、继电器S2、继电器S3、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7和开关管Q8，

继电器S1、继电器S2、继电器S3闭合的一端为常闭端，继电器S1、继电器S2、继电器S3的另一端为常开端，

继电器S1、继电器S2、继电器S3的常闭端都连接至输出端d的3处，

继电器S1、继电器S2、继电器S3的常开端都连接至输入端b的1处，

继电器S1、继电器S2、继电器S3的控制端与单片机的输出端相连，

继电器S1的公共端与电容器C4的一端相连，电容器C4的另一端分别与开关管Q3的S端、开关管Q4的D端相连，开关管Q3的D端与输入端b的2处相连，开关管Q4的S端与输出端d的4处相连，开关管Q3的G端、开关管Q4的G端与单片机的输出端相连，

继电器S2的公共端与电容器C5的一端相连，电容器C5的另一端分别与开关管Q5的S端、开关管Q6的D端相连，开关管Q5的D端与输入端b的2处相连，开关管Q6的S端与输出端d的4处相连，开关管Q5的G端、开关管Q6的G端与单片机的输出端相连，

继电器S3的公共端与电容器C6的一端相连，电容器C6的另一端分别与开关管Q7的S端、开关管Q8的D端相连，开关管Q7的D端与输入端b的2处相连，开关管Q8的S端与输出端d的4处相连，

开关管Q7的G端、开关管Q8的G端与单片机的输出端相连。

本发明公开的一种用于纯电动车的智能动力电源系统的基本思路是将电池组和超级电容器组功能分开，电池组仅作提供超级电容器能源的母电源供电系统，超级电容器仅作为提供动力能源的子电源执行系统，母电源和子电源为一对多，子电源与动力系统为多对一，整个系统的原理图如图1所示，在控制电路下，不同的子电源分别处于充电、放电、和充满电等待等状况，

子电源在低于放电标准时与动力系统断开，接入母电池充电系统，当子电源完成充电任务后，与母电源断开，处于与动力系统连接等待状态或连接状态；动力系统控制电路根据释放功率大小及变化(即车速)决定接入子电源个数及状态。

本发明的纯电动车智能动力电源体系在车内可将电池组母电源放置在车尾，超级电容器组子电源和智能控制体系放置在车前部可操控部位，这样可使车达到整体重量平衡。电池组母电源设计为活动可更换系统，到收费站或公交终点站进行快速更换，满足远程续航能力。

超级电容器组子电源和智能控制体系设计为固定体系，使车的电源和控制体系相对稳定，超级电容器组子电源随时可快速从电池组母电源获得充电，也可对动力系统变功率释放能量，使整个体系具有大的能量密度、功率密度、快速充放电、长寿命、优良续航能力。

随着运行时间的推移，为维持功率恒定需不断提高占空比，且不同档位占空比调节范围不同，具体为：

低速档35.7％～47.6％，使功率维持在1.52W左右；

中速档46.0％～59.0％，使功率维持在2.76W左右；

高速档67.8％～85.6％，使功率维持在4.80W左右。

反应时间<0.2s(由于采用了10kHz的PWM波以及BOOST升压斩波电路的设计，反应时间很短)。

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。