鋰動力電動助力車電氣部分的設計的製作方法
2023-05-23 18:02:21 3
專利名稱：鋰動力電動助力車電氣部分的設計的製作方法
技術領域：
本發明將聚合物鋰電池組應用於電動助力車，並結合原有的整車電氣線路進行發 明設計，屬於電子技術領域。
背景技術：
電動自行車作為經濟、低耗、方便的短途交通工具，發展迅猛。經過10年的高速增 長，至2010年2月全國保有量已經達到1. 2億。目前電動自行車大多以鉛酸電池為主，佔 總數的95%。鉛酸蓄電池報廢后需要回收，容易對環境形成二次汙染。動力電池目前主要集中在鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和液態鋰離子蓄電池、磷酸鐵 鋰上。但是鉛酸、鎳氫電池質量大，能量密度小、環保效果差；液態鋰離子電池雖然能量密度 大、但安全性差，充放電管理也成為新問題；磷酸鐵鋰電池材料的振實密度較小，等容量的 磷酸鐵鋰電池的體積比其它材料的大，價格比較昂貴，限制了這種鋰電材料在電動助力車 上的應用。聚合物鋰離子Lithium ion polymer Battery電池取得了迅猛發展，為實現大功 率動力電池提供了可能。以鋰電池為動力電池的電動車技術革命是未來的發展趨勢。
發明內容
電動自行車是利用鉛酸蓄電池作為動力能源，以無刷直流電動機為動力，採用無 刷電動機控制器實現制動和調速控制。本發明以大陸鴿TDR318PZ型電動車(16" /48V、 350W/48V無刷電機)為例，將聚合物鋰電池組取代鉛酸蓄電池，研究解決鋰電池作為電動 助力車電源應用的一整套技術問題，設計了十四組鋰電池的串聯充放電保護並結合原電動 車控制線路進行修改並增加高低速運行轉換控制等功能。最終實現鋰動力電動車高速、遠 距離行駛的目的。隨著能源的匱乏及全社會對環境汙染的嚴格控制，研製節能環保型電動車作為新 能源交通工具將具有深遠意義。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是以鉛酸蓄電池大陸鴿DR318PZ型電 動車(16" /48V、350W/48V無刷電機)為基礎進行整機改造。整個電氣系統由鋰電蓄電池 充電部分，充電過壓檢測、放電欠壓檢測、充電接口接觸不良保護電路、12V輔助電源、升壓 開關電源、調速控制器和無刷電動機構成。1、聚合物鋰離子電池組替換鉛酸蓄電池，提供電動車的電能；2、鋰電池組的充電電路設計(包括充電時接觸不良的保護電路和充電過壓檢測 電路)；鋰電池充電與鉛酸電池不同，每塊鋰電板有嚴格的電壓控制要求Vm彡4. 2V，需要 設計充電專用開關電源，還需要有過壓控制信號輸入電路，用於每塊鋰電池電板充電檢測 與控制；另外提供充電時接觸不良的保護電路，提供充電的可靠保護。3、電動車行駛時鋰電池組的放電電壓檢測電路設計；
每塊鋰電板欠壓為42/14 = 3V，以防止鋰電池組低於42V電壓的過度放電使鋰電 池遭到損壞。4、+12V輔助電源的設計；VCC1+12V提供充電時接觸不良的保護電路的電源；還用於充電時過壓檢測電路 的電源；VCC2+12V在電動車行駛時提供放電電壓檢測電路和調速控制器的電源；5、大功率升壓型開關電源的設計；使電池組的電壓從51. 8V提升至60V，滿足電動助力車高速行駛需要，行駛速度達 到低速為30km/h高速為40km/h，以滿足高速、遠距離行駛需要。6、調速控制器的改動；調速控制器接受各方控制信號如調速手柄、斷電閘把、放電欠壓控制信號等，一般 由驅動電路PWM控制功率管的開關，調節方波佔空比來得到不同的平均電壓，從而來實現 對於無刷電機電動機的調速。本發明的有益效果是1、電池續航裡程達到要求，充滿電後，最大續駛裡程達到100km。2、速度也達到了設計要求，升速效果明顯。經升壓型開關電源升壓後供給電動機 的是60V穩定電壓，未升壓時鋰電池組提供電壓為51. 8V，由直流電機轉速與電壓成正比， 可以得知，速度能夠從30km提升為40km。提升效果明顯，能滿足遠距離高速行駛需要。3、聚合物鋰電池替代鉛酸電池的成功應用，解決了鉛酸電池的環境汙染問題，是 未來新能源的發展方向。
四
下面結合附圖對本發明進一步說明。附圖1是鋰動力電動助力車系統框圖。附圖2是十四組鋰電池組串聯充電電路。附圖3是十四組鋰電池的充放電保護電路及插口接觸不良保護電路。附圖4是用於高速行駛的大電流型開關電源的控制電路圖。
五具體實施例方式在圖1中，以鉛酸蓄電池大陸鴿DR318PZ型電動車(16〃 /48V、350W/48V無刷電 機)為基礎進行整機改造。整個電氣系統由鋰電蓄電池充電部分，充電過壓檢測、放電欠壓 檢測、充電接口接觸不良保護電路、12V輔助電源、升壓開關電源、調速控制器和無刷電動機 構成。聚合物鋰離子電池組替換鉛酸蓄電池，提供電動車的電能1. 1鋰電池組的充電電路(包括充電時接觸不良的保護電路和充電過壓檢測電 路)；①鋰電池組的充電電路由開關電源提供，鋰電池充電與鉛酸電池不同，它有嚴格 的電壓控制要求Vm ^ 4. 2V,還需要有過壓控制信號輸入電路，故需要設計充電專用開關電 源。②提供鋰電池組的充電過壓檢測電路，Vm = 4. 2V ；
③提供鋰電池組的放電欠壓檢測電路，Vm' = 3. OV ；④設計充電時接觸不良的保護電路，提供充電的可靠保護。1. 2電動車行駛時鋰電池組的放電電壓檢測電路每塊鋰電板欠壓為3V，以防止 鋰電池組低於42V電壓的過度放電使鋰電池遭到損壞。VCC1+12V提供充電時接觸不良的保護電路的電源；還用於充電時過壓檢測電路 的電源；VCC2+12V在電動車行駛時提供放電電壓檢測電路和調速控制器的電源；大功率升壓型開關電源使電池組的電壓從51. 8V提升至60V，滿足電動助力車高 速行駛需要，行駛速度達到低速為30km/h高速為40km/h，以滿足高速、遠距離行駛需要。1. 3調速控制器調速控制器接受各方控制信號如調速手柄、斷電閘把、放電欠壓控制信號等，一般 由驅動電路PWM控制功率管的開關，調節方波佔空比來得到不同的平均電壓，從而來實現 對於無刷電機電動機的調速。在圖2中，鋰電池組充電接口的四根線1號線和4號線為直流電源和地線，3號線 提供輔助+12V電源，2號線為過壓控制信號線。當鋰電池組充電電壓檢測過壓時，提供過 壓信號給充電器，停止充電。2. 1由UC3842構成的開關電源充電電路的設計220V交流電由C1、L1濾除電磁幹擾，負溫度係數的熱敏電阻Rtl限流，再經整流、 C2濾波，電阻R1、電位器RPl降壓後加到UC3842的供電端(⑦腳VCC)，為UC3842提供啟動 電壓，電路啟動後變壓器的付繞組n2的整流濾波電壓為UC3842提供正常工作電壓；穩壓過程如下當直流輸出端電壓超過+60V時，經過RPl、R23、D9，到比較器的正 相輸入端⑤腳，而⑥腳與基準電源相連，當⑤腳電壓高於⑥腳基準電壓，比較放大器⑦腳輸 出高電平。光耦兩端的內阻減小，UC3842的⑧腳為5V基準電壓輸出端，電流流過光耦，到 達反饋電壓輸入端②腳，如②腳電壓越高，驅動脈衝的佔空比越小，從而穩定了輸出電壓。UC3842的⑥腳輸出的方波信號驅動MOSFEF功率管，變壓器原邊繞組nl的能量傳 遞到付邊各繞組，經整流濾波後輸出各數值不同的直流電壓供負載使用。如原邊繞組n4提 供電源給風扇電路，用於散熱。電阻R11、R12用於電流檢測，當流過功率管Vl的電流增加， 則電阻R11、R12上電壓隨之增加，經R9、C9濾濾後送入UC3842的③腳，形成電流反饋環。所以由UC3842構成的電源是雙閉環控制系統，電壓穩定度非常高，當UC3842的③ 腳電壓高於IV時振蕩器停振，保護功率管不至於過流而損壞。+12V直流電源的產生R25、V2、DW、C1組成+12V直流電壓，接到充電插口 3腳，提 供充電過壓檢測電路和放電欠壓檢測電路的電源。LED2用於鋰電池的充電指示燈。當鋰電 池組充電電壓檢測過壓時，信號經過D1，提供信號給比較放大器的正相輸入端⑤腳，從而停 止充電。在圖3中，十四串鋰電的充放電保護的可靠性將直接影響鋰電的壽命。鋰電池充 電與鉛酸電池不同，它有嚴格的電壓控制要求Vm <4. 2V，在充電時要增加過壓保護電路。 下圖是各組鋰電池的充電過壓檢測電路和放電時欠壓檢測電路。接點A是過壓檢測信號， 輸出到電源充電接口 3腳。接點B是欠壓檢測信號，輸出到電動車調速控制器的斷電閘把 控制點。3. 1鋰電池組充電過壓檢測電路設計
鋰電池充電與鉛酸電池不同，它有嚴格的電壓控制要求Vm彡4. 2V，故充電過壓檢 測很重要。當單節電壓超過4. 2V時產生過壓檢測信號。TL431是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準電壓源，它的電壓設定在 2. 5V，當運放的同相輸入端電壓高於2. 5V時，比較放大器輸出高電平，驅動光耦，光耦輸出 管內阻下降，A點輸出高電平，R6的作用是是防止光耦的漏電流幹擾影響。14組鋰電池各有過壓檢測電路，每組檢測電路相互獨立，每組地電位不相等，見圖
4-7，分別為0V、4V.......48V、52V。而光耦輸出端的電源採用+12V，地電位保持一致。即
光耦的作用是電平位移作用，將多組A點輸出信號相加，送到充電插口的③腳，即進入開關 電源的電壓比較電路，使充電開關電源的輸出電壓降低，保證每節鋰離子電池充電電壓不 超過4. 2V。其中二極體Dl起到對各處A點輸出信號進行隔離的作用，當一號組鋰電池出現過 壓時，比較放大器輸出高電平，一號組隔離二極體開通，A點即為高電平，其它組隔離二極體 均反向截止，防止了其他組洩放電阻對A點的分流，使A點輸出信號電壓不足，過壓保護失 控。3. 2鋰電池組放電欠壓檢測電路設計原48V電動車調速控制器具有欠壓保護功能，電壓降到欠壓點的時候控制器會使 電機停轉，防止電池過度放電。單節鉛酸電池的欠壓點為10.5V，48V鉛酸電池的欠壓點為 42V。每節鋰電池欠壓為42/14 = 3V，以防止鋰電池組低於42V電壓的過度放電。TL431將電壓調整在2. 5V，經過二極體D2，比較放大器同相端電壓為2. 5-0. 7 = 1.8V。鋰電池的最低保護電壓為3V，而當鋰電池單節電壓低於3V時，經過R8、R9分壓，反 相端電壓輸入電壓為1. 8V。如果單節鋰電欠壓則V- V+)，才會使或門輸出脈衝為低電平。因此，當控制脈 衝的幅值不斷增加時，會導致輸出脈衝的寬度不斷變窄。反饋/PWM比較電壓幅值越高時， Q1、Q2輸出脈衝寬度越窄，波形的佔空比下降，直到截止，輸出脈衝為零。」腳、2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端，K2閉合，Dl反向截止，2 腳電位由R4、R9決定，V2 = 5V*R9/(R4+R9)，提供誤差放大器I比較電位。電源插口 CZl公共接地端GND2經R8接入TL494的1腳，VA = R18*I0M(I0M為輸 入電動機的最大電流)，即1腳提供電動機的限流保護。設定VA = V2，當VA > V2時，誤差 放大器I同相端電位高於反相輸入端，PWM比較器同相端電壓增加，輸出脈衝的寬度不斷變 窄，從而穩定電動機的輸出電流。TL494的15、16腳是誤差放大器II的反相和同相輸入端。15腳接+5V基準電源， 則16腳電位為+5V，VO = (R16+R17)*5/R16 60V。當輸出電壓超過+60V時，16腳電位高 於15腳電位，誤差放大器II輸出高電平，輸出脈衝的寬度不斷變窄，從而穩定輸出電壓。4. 2升壓電路的設計電動助力車在啟動開關後，具有高低速行駛切換功能。低速行駛時，調速控制器由 鋰電池組供電；合上K2，使用的大功率升壓型開關電源將51. 8V電壓提高至60V，以實現高 速行駛。具體控制過程如下K2打開，TL494的14腳輸出基準+5V電壓經過Rl、Dl到達 TL494的4腳(死區時間控制端)，使4腳電壓為+5V，使TL494截止輸出，9腳、10腳輸出脈 衝為零，鋰電池組電壓+VG2經過L2D3至電源接口 CZl (見圖5_7)，使電源接口 CZl輸出電 壓仍為51. 8V，電動機未獲得加速，仍以原速度行駛。Κ2為升壓開關Κ2閉合，TL494的14腳輸出基準+5V電壓經過Rl、Κ2、RlO到達 TL494的4腳(死區時間控制端)，使4腳電壓為不為0，使TL494工作，9腳、10腳有脈衝輸 出，因為13腳接地為並聯單端輸出方式，故9腳和10腳輸出脈衝信號相同。9腳信號到達V4、V5、V6管的基極，脈衝信號為1時V4、V5、V6管關閉，+VG2 (鋰電 池組電源)經過電感線圈L2、L3、L4，功率管V1、V2、V3導通，電感線圈L2、L3、L4儲能。當 9、10腳輸出的高電平脈衝結束時，V4、V5、V6導通，使場效應管管V1、V2、V3截止，電感線圈 L2、L3、L4產生下正上負的感生電動勢使D3、D4、D5導通，給電容C8充電，電源接口 CZl輸 出電壓為+60V，送至調速控制器，電動機提速。4. 3輔助電路的設計風扇電路僅僅在升壓輸出(K2閉合)時運轉。當電源總開關Kl打開時，+12V穩 壓電路不工作。風扇電路中V8基極由14腳提供+5V電壓，V8導通，風扇不轉。電源總開關Kl閉合時，鋰電池組電壓+51. 8V輸出到電動車儀表電路，+12V穩壓電 路工作並為V9提供+12V電源電壓。高速開關K2閉合時，風扇電路中V8基極接地，V8截 止，V9導通，散熱風扇運轉，為升壓開關電源散熱。調速控制和無刷電機電路電動助力車原有的調速控制和無刷電機的技術比較可靠成熟，在此不需要另行 設計；調速控制器基本不做變化，所改部分是去除調速控制器上的+12V輔助電源，原來的 +12V電源採用的是降壓型線性穩壓電路，損耗大，容易使控制器發熱。主要是大容量儲能型電池的使用安全問題為防止大容量電池組在使用中因質 量、車輛碰撞引起高溫起火的可能性，其電池箱應採用金屬外殼，內部絕緣材料可以使用沒 有敷銅的壞氧電路板，確保安全與可靠，同時金屬外殼可以提高電池組的散熱性能，延長電 池使用壽命。
權利要求
1.鋰動力電動助力車電氣部分的設計，包括有鋰電池組充電專用開關電源、鋰電池組、 鋰電池組的充放電保護電路、大功率升壓型開關電源、12V輔助開關電源、充電時接觸不良 的保護電路等組成，其特徵在於將大容量鋰離子電池組應用於電動助力車，並結合原有電 動車電氣電路進行設計，使電動助力車達到高速遠距離行駛(續駛裡程為100km)的目的。聚合物鋰離子電池用於電動助力車電源相比廣泛使用的鉛酸蓄電池來說，具有無汙 染、體積小、能量密度高等、重量輕等優點。現有的鋰電自行車採用磷酸鐵鋰電池，其對充放 電過壓要求不高，單節電池過充電壓30V不燃燒，不爆炸。穿刺不爆炸。但磷酸鐵鋰的缺陷 是其堆積密度小，同等容量下磷酸鐵鋰電池的體積要大於其他種類的鋰電池，製成的電池 體積將十分龐大，笨重。由於價格、體積、容量等多方面原因，聚合物鋰電池比磷酸鐵鋰電池 做電動助力車優勢更明顯。其技術特徵是利用大容量聚合物鋰離子電池組(10組以上)替換鉛酸蓄電池，提 供電動車的電能；設計鋰電池組的充電電路(包括充電時接觸不良的保護電路和充電過 壓檢測電路)；聚合物鋰鋰電池充電與鉛酸電池不同，每塊鋰電板有嚴格的電壓控制要求 Vm ^ 4. 2V，需要設計充電專用開關電源，還需要有過壓控制信號輸入電路，用於每塊鋰電 池電板充電檢測與控制；另外提供充電時接觸不良的保護電路，提供充電的可靠保護；設 計電動車行駛時鋰電池組的放電電壓檢測電路；每塊鋰電板欠壓為3V，以防止鋰電池組低 於42V電壓的過度放電使鋰電池遭到損壞；設計大功率升壓型開關電源；使電池組的電壓 提升，以滿足高速、遠距離行駛需要；改裝調速控制器；與鋰電池組電池放電電路、升壓開 關電源配合，接受各方控制信號如調速手柄、斷電間把、放電欠壓控制信號等從而來實現對 於無刷電機電動機的調速。
2.根據權利要求1所述的為大容量鋰離子電池組配套設計的鋰電池組充電專用開關 電源，其特徵在於充電插口的設計1號線和2號為直流電源電壓線、4號線提供輔助+12V 直流電源線，3號線為過壓控制信號線。
3.根據權利要求1所述的鋰電池組充電專用開關電源，其特徵在於充電時還具有接 觸不良的保護電路，充電插口 3、4接觸不良時鋰電充電器停止充電，提供充電的可靠保護。
4.根據權利要求1所述的鋰電池組充電專用開關電源，其特徵在於所用的固定工作 頻率的開關穩壓電源具有型號為UC3842的電流型脈寬調製電路，採用的是雙閉環控制系 統。
5.根據權利要求1中鋰電池組的充放電保護電路的設計，其特徵在於所述的保護電 路具有電壓比較器並利用光耦和電平位移作用實現每節鋰離子電池充電過壓的檢測，檢測 到的過壓控制信號輸出給充電器用於充電控制。
6.根據權利要求1中鋰電池組的充放電保護電路的設計，其特徵在於所述的保護電 路具有單節鋰電欠壓比較器，並利用光耦和電平位移電路將多組輸出信號相加，送到調速 控制器禁止輸出，以防止每節鋰電池低於3V電壓的過度放電。
7.根據權利要求1中的大功率升壓型開關電源，其特徵在於具有高低速行駛轉換開 關，控制死區時間，實現電動助力車高低速行駛轉換控制。
8.根據權利要求1中的大功率升壓型開關電源，其特徵在於單端輸出的PWM脈衝控 制電路，並提供輸出端的電壓、電路保護電路。「鋰動力電動助力車電氣部分的設計「此項發明專利的從屬權利要求是權利要求1中的大容量聚合物鋰離子電池組的充電專用開關電源還可以應用於對10 組以上大容量聚合物鋰離子電池組、大容量磷酸鐵鋰電池組、大容量液態鋰離子電池組的 充電。權利要求1中的用於電動助力車高低速行駛轉換的的大功率開關電源的電路設計不 僅用於無刷電機，還可以用於對有刷電機的變速轉換上。
全文摘要
鋰動力電動助力車電氣部分的設計。聚合物鋰離子Lithium ion polymer Battery電池取得了迅猛發展，為實現大功率動力電池提供了可能。以鋰電池為動力電池的電動車技術革命是未來的發展趨勢。本課題將聚合物鋰電池組取代鉛酸蓄電池，研究解決鋰電池作為電動助力車電源應用的一整套技術問題，十四組鋰電池的串聯充放電保護並結合原電動車控制線路進行修改、高低速運行轉換控制等。最終實現鋰動力電動車高速、遠距離行駛的目的。關鍵詞聚合物鋰電池組大功率動力電池串聯充放電高低速運行轉換控制。
文檔編號H02J7/00GK102074983SQ201010579779
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者周荻, 繆耀東 申請人:周荻, 繆耀東