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Superkondensator und Akkupack kombiniert als Stromversorgung im Elektrofahrrad

2020-04-24

In diesem Artikel wird die Kombination aus Superkondensator und Batterie auf das Elektrofahrrad angewendet, um ein duales Stromversorgungssystem zu bilden. Der Doppelquellen-Verbindungsmodus ist ausgelegt und der Superkondensator kann über den bidirektionalen DC / DC-Wandler parallel mit der Batterie verbunden werden, so dass der Superkondensator mehr Leistung abgeben kann. Der optimale Betriebszustand bei konstanter Leistung garantiert effektiv einen Aufprall der Batterie und verlängert die Lebensdauer der Batterie.

1. Zusammenfassung

Als Kurzstreckenfahrzeug mit Energieeinsparung, Umweltschutz und bequemem Reisen wird das elektrische weiße Fahren von den Verbrauchern begrüßt. Gegenwärtig sind die bestehenden Probleme des E-Bikes hauptsächlich die Lebensdauer und der häufige Austausch des Akkus, die lange Lager- und Ladezeit des Akkus, die begrenzten Lade- und Entladezeiten und der schlechte Kontakt usw., daher der Akku ist die Schlüsselkomponente, die die Leistung und Qualität von E-Bikes beeinflusst, und auch das Hauptproblem, das die Entwicklung von E-Bikes einschränkt. In den letzten Jahren haben sich viele Länder mit fortschrittlicher Wissenschaft und Technologie der Forschung und Entwicklung neuer elektrischer Fahrradbatterien verschrieben, darunter Hochleistungs-Nickel-Cadmium, Zink-Nickel, Nickel-Wasserstoff, Lithium-Polymer und Brennstoffzellen. Nickel-Wasserstoff-Batterien sind in Japan, Europa und Amerika weit verbreitet, und Lithium-Ionen / Lithium-Polymer-Batterien sind ebenfalls weit verbreitet. Viele Forschungsinstitute in China entwickeln ebenfalls aktiv neue Batterien für E-Bikes, aber immer noch etwa 95% der E-Bikes Verwenden Sie herkömmliche Blei-Säure-Batterien. Aufgrund der kurzen Lebensdauer der Blei-Säure-Batterie muss sie jedoch in etwa einem Jahr ausgetauscht werden. Wenn das Elektrofahrrad startet, beschleunigt, Gegenwind ausgesetzt ist und geladen wird, muss die Batterie außerdem Dutzende Ampere Strom liefern, um den Motor in kurzer Zeit anzutreiben, aber die Blei-Säure-Batterie ist schwer zu erreichen Ein so großer Strom führt zu Aufprallschäden an der Batterie, die die Lebensdauer und den Kilometerstand der Batterie erheblich beeinträchtigen. In diesem Artikel werden der Superkondensator und die Batterie zum Antreiben des Elektrofahrrads kombiniert, und der Verbindungsmodus der doppelten Stromversorgung ist angemessen ausgelegt. Entsprechend den Eigenschaften des elektrischen Fahrradmotorantriebs wird die Steuerstrategie entworfen. Die Steuerungsstrategie kann die Leistung des Elektrofahrrads effektiv verbessern, die Lebensdauer der Batterie verlängern und bietet hervorragende Marktaussichten.

2. Superkondensator

Der Superkondensator, auch als elektrochemischer Kondensator bekannt, ist eine Art Energiespeicher zwischen Batterie und Kondensator. Es hat nicht nur die Eigenschaften des schnellen Ladens und Entladens als Kondensator, sondern auch den Energiespeichermechanismus als elektrochemische Batterie.

Superkondensatoren haben folgende Eigenschaften:

① große Kapazität. Die Kapazität eines einzelnen Superkondensators ist 2000-10000-mal größer als die eines Elektrolytkondensators mit demselben Volumen, der Tausende von Methoden oder Zehntausende von Faraden erreichen kann.

② hohe Leistungsdichte. Superkondensator kann großen Momentanstrom liefern. In kurzer Zeit kann der Strom Hunderte bis Tausende von Ampere erreichen, und die Leistungsdichte ist fast 100-mal so hoch wie die der Batterie, die 1000 W / kg erreichen kann.

③ schnell aufladen. Das Laden für einige Minuten kann mehr als 95% der Nennkapazität erreichen.

④Hohe Energieumwandlungseffizienz und starke Lade-Entlade-Akzeptanzfähigkeit. Der Energiezykluswirkungsgrad beim Laden und Entladen mit hohem Strom beträgt mehr als 90%, und der Energieverlust beim Laden und Entladen ist gering.

Lange Lebensdauer. Unter normalen Nutzungsbedingungen kann die Anzahl der Zyklen mehr als 100.000 Mal betragen.

⑥Weiter Arbeitstemperaturbereich und hohe Zuverlässigkeit. Es kann normal, sicher und zuverlässig im Temperaturbereich von - 40-65 ° C arbeiten.

3. Superkondensatoren kombiniert mit Batterien

Der Superkondensator und die Batterie werden vernünftigerweise kombiniert, um eine doppelte Stromversorgung zu bilden, die auf dem Elektrofahrrad angeordnet ist, um das Elektrofahrrad gemeinsam anzutreiben. Wenn das Elektrofahrrad normalerweise auf einer ebenen Straße fährt, wird es allein von der Batterie angetrieben. In der Phase des Startens, Kletterns, Beschleunigens und anderer Anforderungen an die sofortige hohe Leistung versorgen der Superkondensator und die Batterie den Motor gleichzeitig mit Strom. Wenn das Elektrofahrrad bremst, erzeugt der Motor Strom und der Superkondensator speichert Energie, um das Energierecycling zu realisieren. Die Kombination aus Superkondensator und Batterie kann sich ergänzen, die Leistung der vorhandenen Batterie verbessern und deren Lebensdauer verlängern. Der Superkondensator hat jedoch eine niedrige Energiedichte und einen Innenwiderstand großer Serien. Wenn die Serien-Superkondensatorbank direkt parallel mit der Batteriebank verbunden ist, ist der Ausgangsstrom der Superkondensatorbank aufgrund des übermäßigen Innenwiderstands zu klein, der nicht die Rolle des Nebenschlussschutzes der Batterie spielt. Daher ist ein bidirektionaler DC / DC-Wandler ausgelegt, der Superkondensator kann über den DC / DC-Wandler parallel zur Batterie geschaltet werden, und die Ausgangsleistung kann nach Belieben eingestellt werden. Daher muss während des Betriebs eine bestimmte Steuermethode aufgebaut werden, die den Ausgangsstrom des Superkondensators in einer Zeit starten oder erweitern kann, in der der Motorstrombedarf zu groß ist, und den Ausgangsüberlaststrom der Batterie zum Schutz der Batterie begrenzen kann. Die Steuermethode wird gemäß den Betriebsbedingungen des Elektrofahrrads bestimmt, die in flaches Fahren, Starten, Beschleunigen, Klettern, Überladen, Bremsen usw. unterteilt werden können.

3.1 Starten, Beschleunigen, Klettern und Überladen

In diesem Zustand benötigt der Motor sofort eine hohe Leistung, und der Superkondensator und die Batterie sollten zusammen Leistung abgeben, um den Motor anzutreiben. Da der Superkondensator im Vergleich zur Batterie die Eigenschaften einer kurzzeitigen Hochstromentladung aufweist, kann der Superkondensator diese Anforderung besser erfüllen. Zu diesem Zeitpunkt kann der Superkondensator den größten Teil der Last tragen. Daher muss in dieser Phase der Superkondensator die Hauptenergiequelle sein, um die Spitzenleistung bereitzustellen, während die Batterie nur als Hilfsenergiequelle dient. Nach der Freigabe der Spitzenleistung tritt der Superkondensator aus und die Last wird von der Batterie getragen.

3.2 Laufen auf gleichmäßiger Geschwindigkeit auf ebener Straße

Wenn das Elektrofahrrad auf ebener Straße mit gleichmäßiger Geschwindigkeit fährt, ist der Strombedarf nicht hoch. Die Ausgangsleistung der Batterie kann die Anforderungen der Motorleistung vollständig erfüllen. Die Energie für den Motor wird vollständig allein von der Batterie bereitgestellt, und der Superkondensator muss keinen Strom abgeben.

3.3 Bremsstatus

Der Motor des Elektrofahrrads befindet sich beim Bremsen im Stromerzeugungszustand, und ein Teil der kinetischen Energie wird in elektrische Energie umgewandelt, die durch die bidirektionale Inversion des DC / DC-Wandlers zum Superkondensator zurückgesendet werden kann. In diesem Zustand wird der Stromkreis zwischen der Batterie und dem Motor unterbrochen, und die Batterie absorbiert die elektrische Rückkopplungsenergie nicht, um Schäden zu vermeiden, die durch den Regenerationsstrom der Batterie verursacht werden.

Die Verwendung des Superkondensators als Energiespeicherbehälter für regenerative Bremsrückkopplungsenergie kann nicht nur den momentan großen Strom absorbieren, sondern auch die Energierückgewinnungsrate effektiv verbessern.

Das Energiemanagementziel eines Elektrofahrrads mit Doppelantrieb besteht darin, eine angemessene Steuerungsmethode anzuwenden, um die komplementären Vorteile der beiden Energiespeicherbehälter zu realisieren, die dynamischen Anforderungen des Elektrofahrrads sicherzustellen und die Batterie in den besten Betriebszustand zu versetzen jederzeit niedrige Stromentladung und realisierte bessere Verwendung des Superkondensators. Die Rückkopplung der durch den Bremsmodus der regenerativen Stromerzeugung erzeugten elektrischen Energie an den Superkondensator verbessert nicht nur die Energierückgewinnungsrate, sondern schützt die Batterie auch vor Stößen und verlängert ihre Lebensdauer.

Der Arbeitszustand des Elektrofahrrads kann anhand der Antriebsleistung des Erfassungsmotors unterschieden werden. wenn die Antriebsleistung positiv und groß als die Nennleistung der Trockenbatterie ist und △ p / at & gt; o Es kann beurteilt werden, dass das Elektrofahrrad startet, klettert oder überlastet. Zu diesem Zeitpunkt sollte das Tastverhältnis der Batteriesteuerschaltung pwm verringert werden, um die Leistung der Batterie zu verringern. Das Tastverhältnis der Superkondensatorsteuerschaltung pwm sollte erhöht werden, um gleichzeitig die Leistung des Superkondensators zu erhöhen. Wenn die Leistung positiv ist und unter der Nennleistung der Batterie liegt, kann beurteilt werden, dass sich das Elektrofahrzeug im flachen Fahrzustand befindet: Wenn die Leistung negativ ist und △ p / △ t & lt; 0 bremst das Elektrofahrzeug, der Superkondensator wird aufgeladen und die empfangende Rückkopplungsenergie.

4. Aufbau des Steuerkreises

In diesem Artikel wird tm $ 320f28335 als Kernsteuerung verwendet, um das Dual-Power-Steuerkreissystem eines Elektrofahrrads zur Realisierung der Steuerungsmethode zu entwerfen. In diesem Schema ist die Spannung des Superkondensators und der Batterie nicht gleich, die Spannung der Batterie beträgt 48 V, die Spannung des Superkondensators beträgt 36 V und die Batterie ist über den bidirektionalen Gleichstrom / Gleichstrom-Wechselrichter parallel geschaltet. Das Hardware-Schaltbild ist in Abbildung 1 dargestellt: Die Leistungserfassungsschaltung in der Abbildung ist für die Erfassung der Leistung pc, pb auf der Ausgangsseite der Doppelstromversorgung und der Antriebsleistung p des Motors verantwortlich. Wenn es sich im Start-, Steig- und Überlastungszustand befindet, gibt dsp die Boost-PWM-Wellenform an den bidirektionalen DC / DC-Wandler aus, der Wandler arbeitet im Boost-Modus und der Superkondensator gibt die gespeicherte Energie frei. In der Zwischenzeit steuert dsp das PWM-Tastverhältnis des Batteriesteuerkreises, um sicherzustellen, dass die Ausgangsleistung der Batterie innerhalb der Nennleistung liegt. Wenn sich der Motor im Verzögerungs- oder Bremszustand befindet, gibt dsp eine Buck-PWM-Wellenform an den bidirektionalen DC / DC-Wandler aus und unterbricht gleichzeitig den Stromversorgungskreis der Batterie. Der bidirektionale DC / DC-Wandler arbeitet im Buck-Modus und gibt die regenerative Bremsenergie zur Speicherung an den Superkondensator zurück.

Der max4211-Chip kann zur Leistungserkennung verwendet werden. Der Chip hat niedrige Kosten und einen geringen Stromverbrauch. Es kann ein High-End-Gleichstrom- / Gleichstrommesssystem bilden. Das System verwendet einen Präzisionsstromerkennungsverstärker, um den Strom zu erfassen, und verwendet dann einen On-Chip-Multiplikator, um die Leistung zu berechnen. Der Anschluss des Systems hat keinen Einfluss auf den Erdungspfad des getesteten Systems, insbesondere zur Erfassung der Leistung und des Stroms des Batteriestromversorgungssystems. Der Messfehler beträgt weniger als 1,5%, der Messbereich beträgt 4 bis 28 V, der Spannungsbereich der Versorgungsspannung beträgt 2,7 bis 5,5 V und der Arbeitsstrom beträgt 670 μa. Das Flussdiagramm der Kontrollmethode ist in Abbildung 2 dargestellt:

Dieses Entwurfsschema wurde von matlam simuliert, und die Steuerung wurde im Labor hergestellt und auf den Steuerungstest von Elektrofahrrädern angewendet. das Superkondensator mit einer Nennspannung von 12V Bei einer Kondensatorkapazität von 1,2 f werden drei Gruppen von Kondensatoren in Reihe von 36 V und vier 12 V-Batterien in Reihen von 48 V verwendet. Der Test belegt die Wirksamkeit der Kontrollmethode. Bei dieser Konstruktion ist der Superkondensator über bidirektionales Gleichstrom / Gleichstrom parallel mit der Batterie verbunden. Die Klemmenspannung des Superkondensators ist nicht gleich der Batteriespannung, daher ist der Arbeitsspannungsbereich breiter und der Superkondensator kann mehr Energie freisetzen.

5. Schlussfolgerung

In diesem Artikel wird ein duales Stromversorgungssystem aus Superkondensatoren und Batterien vorgeschlagen, das auf die Stromversorgung von Elektrofahrrädern angewendet wird. Der Superkondensator kann durch die Parallelschaltung des bidirektionalen DC / DC-Wandlers und der Batterie mehr elektrische Energie abgeben. Der Betriebszustand des Elektrofahrrads wird diskutiert, und das Steuermethode des Superkondensators und der Batterie wird bestimmt, um die Batterie bei der Nennleistung in den besten Betriebszustand zu bringen. Die Batterie ist effektiv gegen Stöße geschützt und die Lebensdauer der Batterie wird effektiv verlängert. Die Machbarkeit und Wirksamkeit des Entwurfs werden durch Experimente bewiesen. Mit der kontinuierlichen Entwicklung von Superkondensatoren und dem Preisverfall wird die Anwendung der kombinierten Stromversorgung in Elektrofahrrädern eine bessere Entwicklungsperspektive haben.


Quelle: Zeitschrift für Wissenschaft und Praxis übersetzt von: shanghai green tech co., ltd.

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