专利名称：控制电瓶车的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制由采用电池作为电源的电动机驱动的电瓶车的方法和装置，特别是这样一种控制电瓶车的方法和装置，其中由减速转矩产生的再生能量被有效地加以重新利用，从而改善了能量平衡。
电瓶车已经在实际中得到了应用，它是由采用电池作为电源的电动机驱动的。在由电池驱动的装置中，由减速转矩产生的再生能量被存储在电池内，以改善能量平衡。
图1表示由电池驱动的传统装置的一种电路结构。参照图1，主电路单元1从由电容器2和电池6充电的基本恒定的直流电源向直流电动机3提供一个可变的电流。电流的极性和大小根据踩动减速踏板或刹车踏板的程度，由经电流控制单元4输入的基准电流I1和电池检测单元5的输入值决定。主电路单元1、电容器2和电流控制单元4构成了电动机控制单元20。
当装置启动时，通过初始充电控制单元8使开关9A闭合，其结果电容器2由电池6经一个电抗器7、开关9A、限流电阻10和二极管11充电。当电容器2基本上被充满电时，开关9B闭合，因而电池6和电容器2形成电连接。
当电动机3被起动而转动时，由于驱动电源是从电池6经主电路单元1供给电动机3的，所以电池6的电压逐渐降低。
当电动机在高速旋转时被减速，通过主电路单元1的再生能量的作用，电容器2的电压增加到高于电池6的电压。因此，充电电流经开关元件12、二极管13和电抗器7流向电池6。这时，充电电流由电压控制单元14输出的基准电流I3决定，并被限制在电池6的所允许的充电电流上，或小于该充电电流。当电池6的电压达到表示充满状态的预定电压V1时，电压控制单元14使电流I3的值设定为零，从而使开关元件12截止，停止对电池6充电。在这种状态下，如果产生再生能量，则电容器2的充电电压进一步提高。当电容器2的充电电压达到预定电压时，电压检测单元16工作，向开关元件17输出一个导通指令，从而允许电流流过放电电阻18。这样便防止了电容器2过电压。
上述传统的装置不能有效地重新利用再生能量，其原因如下当电池6充满电时，电容器2上的电压升高，并且再生能量通过放电电阻18以热能的形式被消耗。即使当电池没有充满电，如果电动机3很快地减速，并在极短的一段时间内产生太大的再生能量，而这将超过电池6的允许充电电流，那么电容器2上的电压升高，并且过量的再生能量通过放电电阻18以热能的形式被消耗。
美国专利No.5，053，632指示了一种与本发明有关的技术，其中发动机和电动机一起使用。
本发明的一个目的是提供一种控制电瓶车的方法和装置，其中再生能量被有效地重新利用，因而改善了能量平衡。
根据本发明的第一方面，提供了一种控制电瓶车的方法，其中电动机由电池驱动，并且电池由减速转矩产生的再生能量进行充电，该方法包括以下步骤当并联连接的大容量电容器的电压低于第一电压时，在限制从电池流向大容量电容器的电流同时，由驱动电动机的电动机驱动单元对其充电;
当大容量电容器的充电电压由于再生能量的作用而升高，且高于一个预定的第二电压时，在限制从大容量电容器流向电池的电流同时，将电池充电到一个预设定的电压;以及当大容量电容器的电压至少为第二电压时，仅用存储在大容量电容器中的电荷驱动电动机。
根据本发明的第二方面，提供了一种控制电瓶车的控制装置，电瓶车包括由电池驱动的电动机和用来通过电动机减速转矩产生的再生能量对电池进行充电的电动机控制装置，控制电池汽车的控制装置包括与所说电动机控制装置和电池并联的大容器电容器，用于向所说电动机控制装置提供能量;
连接在所说电池和大容量电容器之间的第一电流控制装置，用于控制从所说电池流向所说大容量电容器的电流;以及与所说电池和大容量电容器之间的第一电流控制装置串联的第二电流控制装置，用于控制从所说大容量电容器流向所说电池的电流。
根据本发明，由于通过一个具有大容量的电气双层电容器(electricdouble-layeredcapacitor)而充分地重新利用了再生能量，所以改善了能量平衡。此外，电气双层电容器的充放电电流较大，因而能够用于需要频繁地进行充放电的场合。因此，由于电池的充放电频率降低了，所以延长了使用寿命。
下面还将描述本发明的其它目的和优点，从中对本发明的部分内容可以看到很清楚，另外通过实施本发明也可以对它的目的和优点有所了解。利用由权利要求书特别指明的方法和装置，可以实现本发明的目的和优点。
附图包含在说明书中并构成说明书的一部分，表示本发明的最佳实施例，这些附图与上面的一般描述和以下对最佳实施例的详细描述一道，说明本发明的原理，其中图1是表示传统电瓶车的电路图;
图2是表示根据本发明的一种最佳实施例的电瓶车的控制装置的电路图;
图3表示根据本发明的电瓶车的控制装置的工作状态的图;
图4和5是表示采用了斩波器电路的本发明的电瓶车的控制装置的电路图，以及图6是表示本发明的电瓶车的控制装置的电路图，其中采用了控制电气双层电容器的电压的电压控制单元。
下面参照
本发明的一种实施例。
图2是表示本发明的一种实施例的电瓶车的控制装置的电路图。
图2中，与表示传统技术的图1中的元件相同的元件其参考号与图1中使用的相同，并且省略详细的描述。虽然图2的电动机控制单元20与图1的传统电路中的结构相同，但是图2中没有画出电流控制单元4。
根据本发明，电动机3不是直接由电池6驱动，而是由电气双层电容器21驱动。电气双层电容器21最近已经应用于实际中，它的电容量很大，为图1所示传统电路中的电容器2的电容量的1000倍甚至更大。电气双层电容器21并联在直流主电路的总线P-N上，如图2所示。
二极管24和25分别反向并联在开关元件22和23上。开关元件22和23经过电抗器7串接在电池6和电气双层电容器21的正极之间。开关元件22使电流只能从电池6流向电气双层电容器21，而开关元件23使电流只能从电气双层电容器21流向电池6。二极管26和27使自由回转电流在PWM(脉宽调制)控制期间流动。电流控制单元28使开关元件22导通或截止，以此控制电池6向电气双层电容器21输送的电流。
双极型晶体管、MOSFET、IGBT或静电感应闸流晶体管可以用作开关元件22和23。
当上述结构的装置开始工作时，电流控制单元28将由电流检测单元19检测到的电流值与预定的基准电流I4进行比较，实现开关元件22的PWM控制。作为开关元件22PWM控制的结果，由电池6向电气双层电容器21输送的电流被控制到等于电流I4的值或小于电流I4的值。由于电流受到电流控制单元28和开关元件22的控制，所以作为电池6的放电电流的电气双层电容器21和电容器2的电流不超过电流I4，双层电容器21以恒定(I4)充电，直至充电电压达到电池电压VB。
随着电气双层电容器21的充电电压VC接近电池电压VB，二者之间的差减小，于是基准电流I4不流动。结果，基准电流I4和由电流检测单元19检测到的电流之间的差增大。在这种情况下，电流控制单元28停止PWM电流控制，因而使开关元件22截止。这样，初始充电过程便完成了。
上述初始充电过程完成之后，电动机3以与传统装置相同的方式主要由存储在电气双层电容器21中的电荷(有时叫作“能量”)驱动。
当电动机3以所需转速旋转并产生减速转矩时，从主电路单元1产生再生能量，并且充电电流流过电气双层电容器21，其结果，存储在电容器21中的电荷增加。当电荷增加，电气双层电容器21的充电电压高于电池6的电压时，充电电流经开关元件23、电抗器7和二极管24流向电池6。通过开关元件23的PWM控制，借助于电流控制单元15，将充电电流控制到等于基准电流I3。当电池6的电压VB达到预定电压V1时，电压控制单元14向电流控制单元15输出其值为0的基准电流I3，从而使开关元件23截止，停止了对电池6的充电过程。基准电流I3的最大值以与传统装置中相同的方式被限制在电池6的允许充电电流或小于该电流。
当电瓶车在很长的一段下坡路上行驶时，电动机3产生制动转矩，由主电路单元1产生再生能量，因此存储在电气双层电容器21中的电荷将大于在初始充电过程中存储的电荷。在这种情况下，电池6被充满电，并且过量的电荷只存储在双层电容器21中。结果，电气双层电容器21的充电电压VC大于电池电压VB。在电气双层电容器21的充电电压超过主电路元件的额定电压之前，该充电能量就以与传统装置相同的方式，通过放电电阻(图中未示出)以热能的形式被释放样。这样便避免了电气双层电容器21过电压。
初始充电过程完成之后，如果电气双层电容器21被充满电，那么电动机仅由存储在电气双层电容器21中的电荷驱动。
图3表示电瓶车行驶过程中电池电压VB和电气双层电容器21的充电电压VC的变化情况的一个例子。
假定在时刻t1，即装置处在初始充电过程已经完成的状态下，电池电压VB和电容器的充电电压VC都等于电池的预定电压V1。
当电动机3在t1时刻被启动，由于开关元件22处于导通状态，所以电池电压VB和充电电压VC逐渐下降。当电动机在t2时刻开始转动，电池电压VB和充电电压VC进一步下降。当在t3时刻开始减速，电气双层电容器21由主电路1提供的再生能量充电，其结果电气双层电容器21的电压VC大于电池电压VB。因此，充电电流从电气双层电容器21流向电池6，电池电压VB逐渐升高到等于规定的电压V1。在这种情况下，如果在很陡的下坡路上进行减速行驶，那么产生一个更大的再生电流，电容器电压VC升高，如图3所示，直至电瓶车停止的时刻t4。如果电气双层电容器21的电压VC超过主电路的额定电压VH，那么再生能量通过放电电阻(图中未示出)释放，因此电压VC被限制在低于主电路的额定电压VH。
在从时刻t4到t5的一段时间内，电瓶车停止不动。在这种状态下，电气双层电容器21的电压VC基本保持一个恒定值。当电动机3重新开始转动，电动机3仅由存储在电气双层电容器21中的电荷驱动，并且只有电容器21的电压VC减小。当在时刻t6开始减速，由主电路单元1产生再生能量，并且电容器21被该再生能量充电。因此，电气双层电容器21的电压VC再次升高，直到电瓶车停止的时刻t7。
如上所述，根据本发明，由于再生能量在电气双层电容器21中得到了充分的重新利用，所以改善了能量平衡。电气双层电容器21允许有较大的充放电电流从中流过，它适用于频繁进行充放电的地方。
在上述实施例中，即使初始充电过程完成之后，开关元件22也保持导通。然而在时刻t1它可以截止，并且当电气双层电容器21的充电电压VC减小到电压VL时，开关元件22能重新开始PWM控制，因此，能量从电池6中释放出来。采用这种方法能够减少电池6的充放电次数，从而延长了电池6的使用寿命。
图4和5表示可作为主电路的斩波器电路，用来在电池6和电气双层电容器21之间传递能量。在图4和5中，与图2中的元件相同的元件其参考号与图2中使用的相同，并且省略详细的描述。图4和5仅表示与图2主要的不同部分。
图4电路不同于图2电路的地方仅在于增加了开关元件30和31。在该电路中，能量以以下方式传递。
在图4所示的电路中，当能量从电池6传递至电气双层电容器21时，通过PWM控制，开关元件23和30截止而开关元件22和31导通/截止。当能量从电气双层电容器21传递至电池6时，通过PWM控制，开关元件22和31截止而开关元件23和30导通/截止。通过这样的工作过程，电池6和充电气双层电容器21被一个所需的电压充电，该电压独立于电池6的电压和电气双层电容器21的电压。
图5电路不同于图2电路的地方在于电池6的极性是相反的，电抗器7与开关元件32和33并联，并且开关元件32的功能不同于开关元件22。
在图5所示的电路中，当能量从电池6传递至电气双层电容器21传递至电池6时，开关元件32截止而开关元件33导通/截止。
在上述图4或5的电路中可以提供一个用于控制电气双层电容器21的电压的电压控制单元36。在这种情况下，电压控制单元36的输出作为图2中的基准电流I4送至电流控制单元28。这种电路结构如图6所示。采用这种电路结构，由于电池6和电气双层电容器21的额定电压可设置成所需要的值，所以获得一个很方便的控制装置。为了把图6所示的控制电路应用于图5所示的电路，只需要将电流控制单元15和28的输出分别与开关元件33和32相连就可以了。
虽然在以上实施例中使用的是直流电动机3，但是它也可以由一个交流电动机代替。在这种情况下，可以用一个实现能量再生过程的逆变器作为电动机控制单元20。
在上述实施例中，电瓶车的行驶和停止仅仅是通过电动机3来实现的。然而，电动机3也可以作为发动机(内燃机)的一种辅助驱动装置，如相关的先有技术中提到的那样。另外，发动机可以作为辅助驱动装置，而电动机3作为主驱动装置。
对本领域的一般技术人员来说，很容易对上述装置做出改进而获得其它优点。因此本发明不限于这里所描述的具体的细节、代表性的装置以及图示实施例。在不偏离权利要求书所确定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做各种修改。
权利要求
1.一种控制电瓶车的方法，其中电动机由电池驱动，并且电池由减速转矩产生的再生能量进行充电，其特征在于所说的方法包括以下步骤当并联连接的大容量电容器的电压低于第一电压时，在限制从电池流向大容量电容器的电流同时，由驱动电动机的电动机驱动单元对其充电；当大容量电容器的充电电压由于再生能量的作用而升高至高于一个预定的第二电压时，在限制从大容量电容器流向电池的电流同时，将电池充电到一个预设定的电压；以及当大容量电容器的电压至少为第二电压时，仅用存储在大容量电容器中的电荷驱动电动机。
2.一种控制电瓶车的控制装置，电瓶车包括由电池驱动的电动机和用来通过电动机减速转矩产生的再生能量对电池进行充电的电动机控制装置，其特征在于所说的控制电瓶车的控制装置包括与所说电动机控制装置和电池并联的大容量电容器，用于向所说电动机控制装置提供能量;连接在所说电池和大容量电容器之间的第一电流控制装置，用于控制从所说电流向所说大容量电容器的电流;以及与所说电池和大容量电容器之间的第一电流控制装置串联的第二电流控制装置，用于控制从所说大容量电容器流向所说电池的电流。
3.根据权利要求2的一种控制装置，其特征在于还包括第一电压控制装置，用来将所说电池的电压与基准电压进行比较，并输出第一基准电流。
4.根据权利要求3的一种控制装置，其特征在于所说第二电流控制装置包括一个电流控制单元，用来根据从所说大容量电容器流向所说电池的第一基准电流和从所说第一电压控制装置输出的第一基准电流产生一个输出;以及具有两个主电路和一个控制端的开关部件，用来根据所说电流控制单元的输出控制所说两个主电路之间流动的电流的通路。
5.根据权利要求2的一种控制装置，其特征在于所说大容量的电容器由电气双层电容器构成。
6.根据权利要求2的一种控制装置，其特征在于所说第一电流控制装置包括一个电流控制单元，用来根据从所说电池流向所说大容量电容器的基准电流和第二基准电流产生一个输出;以及具有两个主电路和一个控制端的开关部件，用来根据所说电流控制单元的输出控制所说两个主电路之间流动的电流的通路。
7.根据权利要求6的一种控制装置，其特征在于还包括第二电压控制装置，用来将所说大容量电容器的电压与所说预定第二电压进行比较，并向所说第二电流控制装置的所说第二电流控制单元输出第二基准电流。
8.根据权利要求2的一种控制装置，其特征在于所说电瓶车包括内燃机，以及所说电动机与所说电池汽车的内燃机相连，将一个辅助转矩加在所说内燃机上。
全文摘要
一种控制电瓶车的方法，电池由减速转矩产生的再生能量进行充电，包括以下步骤当大容量电容器的电压低于第一电压时，在限制从电池流向该电容器的电流同时，由电动机驱动单元对其充电；当充电电压由于再生能量的作用而升高，且高于预定的第二电压时，在限制从该电容器流向电池的电流同时，将电池充到一个预设定的电压，以及当该电容器的电压至少为第二电压时，仅用存储在该电容器中的电荷驱动电动机。
文档编号B60L7/10GK1080243SQ9310624
公开日1994年1月5日 申请日期1993年5月19日 优先权日1992年5月19日
发明者野村芳士, 远藤浩二, 冈土千寻 申请人:株式会社东芝, 东芝工厂自动化系统工程株式会社, 日野自动车工业株式会社