利用超级电容提升电动车的性能.docx

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1、当电动自行车处于启动、加速、上坡、逆风或载重行驶状态时，电池要在几秒钟内提供几十安培的电流驱动电动机加速运行，普通铅酸电池难以达到良好的效果，而且提供如此大的电流会对电池造成冲击性伤害，影响电池的续行里程和使用寿命。当电动自行车处于制动状态时，电动机会产生较大的再生制动能量回馈给直流电源，于是尽可能多的利用这些多余的能量成为能量回馈中一个突出的问题。　　　　可以使用超级电容来利用启动、加速和制动等阶段需要或产生的较大能量。利用超级电容存储的能量作为备用电源辅助电池供电。　　　　超级电容器是一种比传统电解电容存储电量大几十甚至几百倍的新型能量存储器

2、。虽然其存储的电量远不及化学电池，但由于其比化学电池高得多的能量密度和功率密度，充放电时间短，而且具有循环次数多等优点，故适合与化学电池配合使用以提高电动车的瞬时性能和延长电池的使用寿命。在起步加速和减速制动时，可以提高电动车的瞬时性能；在制动的时候，可以对超级电容进行充电，以充分回收利用电动机的制动发电能量。　　　　设计一个双向DC/DC变换器，用它连接超级电容器和主电池。控制系统是基于HOLTEK公司的HT46R23单片机产生PWM方波实现对双向DC/DC能量流动的控制，成本较低。　　　　由于超级电容的额定电压为17V，电池的额定电压为36V

3、，故双向DC/DC的升压端接电池，降压端接超级电容。当电动自行车处于启动、加速、上坡、逆风或载重行驶状态时，可通过速度检测电路检测到电机加速运行，从而控制单片机产生升压端PWM信号并通过驱动升压端的MOSFET开关，使超级电容存储的电能通过升压DC/DC转换到电池端，起到辅助供电作用。同理，当电动自行车处于减速或制动刹车状态时，电动机会产生较大的再生制动能量回馈给直流电源，这时可通过速度检测电路检测到电机减速，从而控制单片机产生降压端PWM信号波形并驱动降压端的MOSFET开关，使电动机产生的再生制动能量通过降压DC/DC转换到超级电容，储存再生

4、制动能量。超级电容储存的能量，可在平时电池电量不足时作备用电源用。同时，可用数码管监测显示超级电容端电压，使其电压不会超过额定电压。速度检测可使用电动自行车控制器中的调速电路和刹车电路。　　　　下面分硬件和软件两部分介绍电路设计。　　一、硬件部分　　　　电动自行车加速时、单片机检测到加速信号，输出升压PWM方波，控制双向DC/DC变换器工作在升压模式，将超级电容器中储存的电能释放出来通过升压转向蓄电池方向，达到辅助电源供电的目的。同理，当电机减速运行或制动时，单片机检测到减速信号，输出降压PWM方波，控制双向DC/DC变换器工作在降压模式，将再生

5、制动能量通过降压储存至超级电容，达到再生制动能量回收的目的。超级电容端电压还可通过数码管显示出来。　　　　硬件电路原理框图如下图所示：　　HT46R23单片机电路如下图所示。其中PWMO和PWM1引脚产生控制升压和降压端MOSFET开关的信号。当检测到电动车加速时，PWM1产生波形控制MOSFET1开关，使能量向升压端流动，起到辅助电源供电的作用；当检测到减速或制动时，PWMO产生波形控制MOSFETO开关，使能量向降压端流动，存储制动能量到超级电容中。　　速度和刹车信号检测分别从PBO和PB4引脚输入，升压端和降压端的电压信号可通过PB1和PB

6、2引脚输入，PB1和PB2引脚设置为A/D转换输入功能。同时，单片机可在PAO~PA7和PCO~PC2接人数码管显示超级电容端电压，检测其电压是否超过额定电压。升压端的电压采样信号可用于产生PWM反馈信号，使升压端恒压输出。　　　　双向DC/DC左端为降压端，与超级电容相连，右端为升压端，与电池相连，两端均有电压采集电路，如下图所示。双向DC/DC电路中具有大电感和大电容，以储存电能，当电路处于升压工作状态时可用于电压泵升作用。另外，超级电容两端接有稳压管，防止对超级电容充电电压过高。　　MOSFET驱动电路是由三极管组成的15V电平转换电路和推

7、挽电路组成的。由于控制双向DC/DC降压端的MOSFETO的源极不接地，所以其栅极驱动电路需要一个47μ/50V的自举电容，如上图所示。控制升压端的MOSFET1的驱动电路如下图所示。同时，在推挽电路的输出端接入电容和稳压管，在MOSFET需要关断时产生较小的反压，有利于其快速关断。驱动电路的作用是将单片机输出的数字电压信号放大为可驱动MOSFET开通关断的大电压、大电流模拟信号。　　另外，作为附加功能还加入了数码管显示超级电容端的充电电压值，以防止对其过电压充电。下图所示为数码管显示电路与速度信号、刹车信号检测电路。由于HOLTEK单片机的I/

8、O口输出电流较强，故数码管各段引脚可通过小电阻直接接入单片机。其速度和刹车信号检测可与电动车控制器中的调速电路和刹车电路共用一套设备。