再生制动能量回收型电动自行车控制器

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西安交大博源电动车公司发明再生制动能量回收型电动自行车控制器
---西安交大科技园博源电动车技术有限责任公司  技术总监 曹秉刚教授 博导
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1 前言
　
    西安交通大学电动车研究中心主要从事电动汽车和其他电动车辆的驱动控制技术研究，技术力量雄厚，组建了“西安交大科技园博源电动车技术有限责任公司”，将电动汽车的驱动控制研究成果成功应用到电动自行车，推出了国家发明专利的再生制动能量回收型电动自行车控制器系列产品，可应用于目前电动自行车市场的所有有刷电机和无刷电机，具有以下突出优点：
 ●  采用再生制能量回收技术，提高电动自行车一次充电续驶里程10%~50%（在城市行驶一般可提高20～30%的续驶里程）。
 ●  再生制能量回收时的脉冲充电方式有利于消除蓄电池电极表面钝化，提高电池寿命,节省能源。
 ●  运用西安交通大学独创的非线性控制理论,提高电动车的驱动性能、续驶里程、驾驶舒适度。
 ●  采用再生制动技术刹车比传统的机械摩擦刹车可降低刹车噪音。
 ●  产品全部采用贴片元器件，贴片工艺(SMT)自动焊接生产，质量稳定可靠。
　
2再生制动能量回收技术

    再生制动能量回收技术以前主要用于电动汽车，电动汽车采用电制动时，驱动电机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，对延长电动汽车的行驶距离是至关重要的。国外有关研究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下，有效地回收制动能量，可使电动汽车的行驶距离延长可达百分之三十左右。目前的电动自行车续驶里程偏低，一般为30-50公里（电池容量为36V*10AH）。主要原因有：电池容量有限；系统效率偏低；驱动方式不够理想；城市运行频繁刹车及下坡刹车能量没有回收。
    西安交通大学发明的电动自行车的能量回收控制器，将电动汽车的能量回收技术成功应用到电动自行车，为国家发明专利，国内首创的刹车充电系统。电动自行车下坡减速或刹车时，由刹车手柄操纵使电机处于发电工况，将所发电能回充到电池，增加电池电量，提高行驶里程。经过试验测试，可以提高电动自行车一次充电续驶里程10%~50%（在城市行驶一般可提高20～30%）。
   现以有刷控制器为例说明其工作原理，再生制动的控制原理是升压斩波，采用的是二象限型DC－DC直流斩波器，如图1所示，它的再生制动工作于能耗制动与再生制动的交替。其特点是在再生制动控制时，上管是常闭的，在下管导通时，斩波器工作于能耗制动如图1 a所示，在下管关闭时，斩波器工作于再生制动如图1 b所示。图2为一个周期T内的电流波形。在t＝t1时刻下管开通，在电机反电动势的作用下，电枢电流逐渐增大到i1，在t＝t2时刻，下管关闭，由于电机电感的作用，电枢电流不能突变，产生较高的电压通过上管的续流二极管向电池供电，电枢电流逐渐降低。



3续驶里程对比测试试验
  试验针对有刷电机完成的，选用了两种具有相同控制和驱动方式的有能量回收和无能量回收两种型号控制器进行对比试验，试验是在参照国家有关电动汽车续驶里程测试标准和尽量模拟城市路况条件进行。以下为其中一组试验数据记录和结果，测试条件：永久车架，75kg 负载，平坦路面，最高行驶速度20公里/小时,每隔270米完成一次刹车制动能量回收，行驶中实时监测蓄电池电压和行驶里程，表1为测试结果。
　
表1续驶里程对比测试试验数据记录
行驶里程（公里）
2.7
5.4
10.8
13.5
16.2
21.6
24.3
27
29.7
32.4
33.9

电池电压(伏)
（无能量回收）
39.9
39.6
38.9
38.5
38.2
37.4
37.1
36.7
  
  
  

电池电压(伏)
（有能量回收）
39.9
38.7
39.3
39.1
38.9
38.2
37.9
37.7
37.4
37.1
36.6


   由上表可以看出控制器所接电池电压从初始的39.9v降低到最低36.6v左右时，该试验条件下无能量回收型续驶里程为27.2km，有能量回收型续驶里程为33.9km，续驶里程有能量回收型比无能量回收型提高了24.6% 。
   经过反复试验测试发现续驶里程的提高与路况条件和驾驶情况密切相关。一般来说在繁华路段和下坡时有频繁刹车的条件下续驶里程提高的较为明显（可达40~50%左右），而平坦路面较少刹车条件下续驶里程提高的较少（一般只有10%左右），正常情况下的城市路况行驶续驶里程提高值多为20~30%左右。
　
表2 续驶里程提高值与路况条件和驾驶情况对照表
行驶条件
提高续驶里程
路况条件和驾驶情况

较少刹车
10%
平坦路面较少刹车再生制动能量回收条件

城市一般行驶
20~30%
正常情况下的城市路况行驶（270米左右进行一次刹车再生制动能量回收）

频繁刹车
40~50%
在繁华路段和下坡时有频繁刹车再生制动能量回收


4．H∞鲁棒非线性控制理论技术应用简介
   电动自行车的驱动系统的特性要求取决于以下三个方面：驾驶人员对电动汽车的驾驶性能要求、自行车辆的性能约束以及车载能源系统的性能。驾驶性能的要求是由包括加速性能、最大车速、爬坡能力、刹车性能以及驾驶里程等性能在内的驾驶模式决定的；车辆的性能约束只要是车型、车重和载重等等；能量系统的性能与蓄电池有关。电动自行车的驱动电机通常要求能频繁地启动/停车、加速/减速，低速或爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大，驱动器被装在车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁振动等的恶劣的工作条件下。
   电动自行车的上述驱动特点正好符合于H∞鲁棒非线性控制系统控制范畴，因此我们将H∞鲁棒非线性控制理论应用到电动自行车的的驱动控制器上，该技术为西安交通大学多年研究成果，实践表明该控制方法确保电动自行车运行在最佳的参数状态，使电自行动车启动快速、刹车平稳、行驶高效、控制精确，提高续驶里程。
   H∞鲁棒控制理论是在H∞空间（即Hardy空间）通过某些性能指标的无穷范数优化而获得具有鲁棒性能的控制器的一种理论。H∞空间是在开右半平面解析且有界的矩阵函数空间，其范数定义为：
　
    即传递矩阵P(s)在开右半平面的最大奇异值的上界。H∞范数的物理意义是它代表系统获得的最大能量增益。
　
5控制器产品
    目前西安交大科技园博源电动车技术有限责任公司主要大批量生产以下电动车控制器产品：ZK3615-G-DX为普通型电动自行车有刷电机控制器，ZK3615-K-DX为智能型电动自行车有刷电机控制器，ZK3615-RK-DX为智能能量回收型电动自行车有刷电机控制器，WZK3615-K-DX为智能电动自行车无刷电机控制器，WZK3615-RK-DX为智能能量回收型电动自行车无刷电机控制器。公司的联系方式：029-83399632(市场销售)；网址：http://www.xjtuev.com ；电子邮件：market@xjtuev.com
　


   

胡屠

杀猪的不懂你那么多东西，但你说的这个玩意一年前就在这里贴了原理图了。

danxie

我在2000年就有专利，但是试验的结果是没你说的那样神奇，几乎没效果。
谁骑行270米就刹车？刹车后靠什么来启动电机？还不是靠电池？最好的延长里程的办法就是不要刹车。

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下面引用由danxie在 2004/06/17 02:34pm 发表的内容：
我在2000年就有专利，但是试验的结果是没你说的那样神奇，几乎没效果。
谁骑行270米就刹车？刹车后靠什么来启动电机？还不是靠电池？最好的延长里程的办法就是不要刹车。

说得实在！

whicat

“斩波升压”的效率好象很低吧？至少发电机（电动机）就浪费了一半的发电时间。
干脆增加点成本，使用高频变压器升压。

水穷云起

楼上的赶快去申请专利吧，只有这种方案才是真正能利用所有的发电能量，不过可能刹车效果差一点。

whicat

谢谢水工，申请专利肯定轮不上我，至少你就在我前面N多年了，呵呵！

danxie

我以前做的方案是，当刹车时，车速大于7公里/小时，能量回收电路启动，给电池充电的电压是限流1.8A，恒压44V，车速小于7公里/小时，能量回收电路不启动，以免电路负荷大而影响此电路的可靠性。
但是说实在的这个电路的效果真的很不明显，我个人的意见是：别在能量回收上费工夫了。

水穷云起

谢工的电流取的太低了，这个电流在10A以上才有作用。

老顽童

顶了上面的朋友，我了解过铁路电力机车的回收方式，平时是不回收的，因为效果不明显，只是重车在大的下坡道时才有回收的意义。