CN104821617A - 一种直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路及其方法，包括控制单元ECU、电压检测电路、两个超级电容、四个MOS管、两个MOS管驱动芯片IR2101、光电耦合器、直线电机、整流器、DC/DC变换器、电阻R、能量总储装置、蜂鸣器；所述控制单元ECU通过检测两个超级电容A、B两端的电压，当充电电容电压达到规定值即切换为放电电容，同时放电电容切换为充电电容。充电电容负责吸收发电机产生的能量，放电电容始终向DC/DC电路或者电池提供能量。本发明加入了针对电压过大时的报警及内阻直接耗能的保护措施。本发明能够实现在满足直线电机作动力范围要求的同时，提升整个馈能***的能量回收效率。

Description

一种直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路及其方法

技术领域

本发明设计电子电路涉及控制领域及汽车领域，尤其涉及一种馈能悬架***超级电容模式切换电路及其方法。

背景技术

对于传统的被动悬架，车身振动的能量通过阻尼器转化为热能耗散掉，本技术涉及的基于直线电机式的馈能悬架***可以将车身振动能量转化为电能并进行回收。近年，涉及悬架振动能量的回收研究逐渐增多。专利号为201210586145.5中公布的带有振动能量回收的蓄能悬架装置，并未给出明确的回收电路。论文《馈能式汽车电动主动悬架的理论及试验研究》将DC/DC变换器应用于馈能悬架***中，但并未提及超级电容模式切换，能量的回收效率较低。

发明内容

针对上述问题的不足，本发明为馈能悬架***提供一种超级电容模式切换电路及其方法，能够很好控制超级电容的端电压在充放电过程中的变化范围，实现满足电机作用力要求的进而满足悬架***舒适性要求同时，提高馈能***能量回收的效率。

本发明的技术方案为：

一种直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路，包括控制单元ECU、电压检测电路、两个超级电容、四个MOS管、两个MOS管驱动芯片IR2101、光电耦合器、直线电机、整流器、DC/DC变换器、电阻R、能量总储装置、蜂鸣器；所述控制单元ECU的输入端口与电压检测电路的输出端相连，控制单元ECU的三个输出端口分别与光电耦合器的控制端口、第一MOS管驱动芯片IR2101、第二MOS管驱动芯片IR2101的输入端口相连，第一MOS管驱动芯片IR2101的输出端口分别与第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极相连，第二MOS管驱动芯片IR2101的输出端口分别与第三MOS管的栅极、第四MOS管的栅极相连；电压检测电路的输入端均和超级电容A的正极端、超级电容B的正极端相连；所述直线电机的输出端与整流器相连，整流器输出端与DC/DC变换器的输入端相连，DC/DC变换器的输出端的正极分别与蜂鸣器的正极、第一MOS管的漏极、第三MOS管的漏极相连；蜂鸣器的负极与光电耦合器的正极相连，第一MOS管的源极分别与超级电容A的正极端、第二MOS管的漏极相连，第三MOS管的源极分别与超级电容B的正极端、第四MOS管的漏极相连，第二MOS管的源极、第四MOS管的源极均同时与能量总储装置的正极端相连；能量总储装置的负极端同时与超级电容A负极端、超级电容B的负极端、DC/DC变换器的输出端的负极相连；电阻R的一端与光电耦合器的负极相连，电阻R的另一端与DC/DC变换器的输出端的负极相连。

进一步，所述控制单元ECU用于数据的处理和计算，判断充电电容是否大于规定值，放电电容是否小于规定值，若满足切换条件，充电电容和放电电容进行工作模式切换。

进一步，所述电压检测电路用于实时测量超级电容A、超级电容B的端电压，将检测信号反馈给控制单元ECU。

进一步，所述电压检测电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、放大器LF353；

所述超级电容A和超级电容B的正端均与放大器LF353反相输入端电阻R1相连，反相输入端电阻R1的另一端同时与反馈电阻R3的一端和放大器LF353的反相输入端相连，反馈电阻R3的另一端与放大器LF353的输出端相连，放大器LF353输出端与控制单元的信号输入端相连，参考电压与放大器LF353的正相输入端电阻R2相连，正相输入端电阻R2的另一端与放大器LF353的正相输入端相连。

本发明的方法的技术方案为：

一种直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换方法，包括步骤：

步骤1，控制单元ECU对电压监测电路的电压信号进行采集；

步骤2，ECU对采集到的电压信号进行计算分析，如果超级电容端电压值大于规定的电压上限阀值，控制单元ECU输出控制信号给MOS管的驱动芯片IR2101，然后控制MOS管的开关实现充电电容与放电电容的切换；

步骤3，若由于电路故障，使得两个超级电容的端电压均大于规定的电压上限阀值，则DC/DC变换器的输出端与两个超级电容断开，与一个大功率电阻R串联并报警；

步骤4，如果超级电容端电压值不大于规定的电压上限阀值，判断其值是否小于规定的电压下限阀值，若小于，控制单元ECU输出控制信号给MOS管的驱动芯片IR2101，控制MOS管的开关实现充电电容与放电电容的切换；

步骤5，若超级电容端电压不小于规定的电压下限阀值，则返回判断入口重复判断。

进一步，所述步骤3的具体过程为：

若由于电路故障或者电机发电效率过高、放电电容放电效率过低，两个超级电容的端电压均大于规定的电压上限阀值，控制单元ECU输出的III路高电平脉冲给光电耦合器，使DC/DC变换器的输出端与蜂鸣器及大功率电阻R串联，电路发出故障警报，电机产生的电能以热能的形式耗散掉；同时与DC/DC变换器输出端及两个超级电容相连的MOS管同时处于断开状态，与能量总储装置输入端及两个超级电容相连的MOS管同时处于导通状态，使两个超级电容同时向能量总储装置放电。

与现有技术相比，本发明的馈能悬架***超级电容模式切换结构具有以下优点：

1.本发明加入了针对电压过大时的报警及内阻直接耗能的保护措施。

2.传统的由四个MOS管组成的充放电电路或紧紧用于实现充放电，或作为一种缓冲电路使用，而本发明中此电路用于实现调整直线电机作动力范围，进而提高悬架的乘坐舒适性同时，提升整个馈能***的能量回收效率。

3.本发明中利用MOS管驱动芯片输出两路相反脉冲的工作特性，让第一第二两个MOS管开关信号同源，第三第四两个MOS管开关信号同源，控制逻辑更加简易，加上IR2101可实现信号放大功能，驱动更加稳定，整个***工作效果更加理想。

附图说明

图1为本发明的直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路图；

图2为超级电容端电压检测电路；

图3为超级电容的切换逻辑原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方案做进一步的阐述。

本发明的一种直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路及其方法，包括控制单元ECU、电压检测电路、超级电容充放电切换逻辑、开关管控制电路。所述控制单元ECU通过检测两个超级电容A、B两端的电压，当充电电容电压达到规定值即切换为放电电容，同时放电电容切换为充电电容。充电电容负责吸收发电机产生的能量，放电电容始终向能量总储装置或者电池提供能量。所述控制单元ECU用于数据的处理和计算，判断充电电容是否大于规定值，放电电容是否小于规定值，若满足切换条件，充电电容和放电电容进行工作模式切换，充电电容变为放电电容，放电电容变为充电电容。

所述电压检测电路包括：两个超级电容A、B的一端接地(DC/DC变换器输出端的负极)，另一端与放大器反相输入端电阻相连，反相输入端电阻的另一端同时与反馈电阻的一端和放大器的反相输入端相连，反馈电阻的另一端与放大器的输出端相连，放大器输出端与控制单元的信号输入端相连。参考电压与放大器的正相输入端电阻相连，正相输入端电阻的另一端与放大器的正相输入端相连。

如图1所示直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路的控制单元ECU，通过采集两个超级电容A和B的端电压进行分析判断，输出的控制信号I和II分别给两个MOS管的驱动芯片IR2101。图中与I路信号线相连的IR2101给①和②两个MOS管(第一MOS管、第二MOS管)发送控制信号，图中与II路信号线相连的IR2101给③和④两个MOS管(第三MOS管、第四MOS管)发送控制信号，图中的III路控制信号给光电耦合器发送控制信号。正常工作情况下，①和④同时导通、关断，②和③同时导通和关断。图中的直线电机以发电机模式工作时输出的三相交流电经过整流器整流后输送给DC/DC变换器在经过模式切换电路后储能。

如图2所示本发明的电压检测电路实现原理图：

所述电压检测电路中被监测充电或者放电电容(两个超级电容)的一端接地(DC/DC变换器输出端的负极)，另一端与运算放大器LF353的反相输入端电阻R1相连，反相输入端电阻R1的另一端同时与反馈电阻R3的一端及放大器LF353的反相输入端相连，反馈电阻R3的另一端与放大器LF353的输出端相连，放大器LF353输出端与控制单元ECU的信号输入端相连。参考电压VREF与放大器LF353的正相输入端电阻R2相连，正相输入端电阻R2的另一端与放大器LF353的正相输入端相连。

如图3所示为本发明的超级电容切换原理图，具体过程为：

所述控制单元ECU对电压监测电路的电压信号进行采集并计算分析，若超级电容A或B有一个电压值大于规定的电压上限阀值，如超级电容A大于规定的电压上限阀值，则控制单元ECU给控制信号线I以低电平，给控制信号线II以高电平。所述驱动芯片IR2101将驱动信号分成两路相反的信号，与I路信号线相连的驱动芯片给①号MOS管(第一MOS管)以低电平使其关断，给②号MOS管(第二MOS管)以高电平使其导通，这样超级电容A即由充电切换为放电模式。与II路信号线相连的驱动芯片给③号MOS管(第三MOS管)以高电平使其导通，给④号MOS管(第四MOS管)以低电平使其关断，这样超级电容B即由放电切换为充电模式。

若超级电容A和B的电压值均不大于规定的电压上限阀值，则判断超级电容端电压是否小于规定的电压下限阀值，如若超级电容A小于规定的电压下限阀值，则控制单元ECU给控制信号线I以高电平，给控制信号线II以低电平。所述驱动芯片IR2101将驱动信号分成两路相反的信号，与I路信号线相连的驱动芯片(第一MOS管驱动芯片IR2101)给①号MOS管以高电平使其导通，给②号MOS管以低电平使其关断，这样超级电容A即由放电切换为充电模式。与II路信号线相连的驱动芯片(第二MOS管驱动芯片IR2101)给③号MOS管以低电平使其关断，给④号MOS管以高电平使其导通，这样超级电容B即由充电切换为放电模式。

若超级电容A或B的端电压同时大于规定的电压上限值，控制单元给光电耦合器一个高电平，DC/DC变换器输出端与大功率电阻R相连，大功率电阻串联蜂鸣器进行报警。同时MOS管①和③处于关断状态，MOS管②和④处于导通给超级电容放电。

所述超级电容充放电切换逻辑包括：控制单元ECU对电压监测电路的电压信号进行采集并计算分析。如果电压值大于规定的电压上限阀值，控制单元ECU输出控制信号给MOS管的驱动芯片控制四个MOS管的开关来实现充电电容与放电电容的切换；如果电压值不大于规定的电压上限阀值，判断电压值是否小于规定的电压下限阀值，若小于，控制单元ECU输出控制信号给MOS管的驱动芯片控制四个MOS管的开关来实现充电电容与放电电容的切换，若不小于则返回判断入口重复判断。若由于电路故障，使得两个超级电容的端电压均大于规定的电压上限阀值，则DC/DC变换器输出端与两个超级电容断开，与一个大功率电阻R串联，蜂鸣器报警。

所述的电压上限和下限阀值由馈能悬架所需的作动力范围决定。

所述MOS管控制信号逻辑包括：控制单元ECU输出两路脉冲信号，其中一路为高电平则另一路必为低电平。两路脉冲信号分别给两个MOS管驱动芯片，两个驱动芯片分别生成两对高和低的脉冲信号控制两对MOS管。若超级电容作为充电电容，则给连接此超级电容的与DC/DC变换器一侧相连的MOS管以高电平使其处于导通状态，给连接此超级电容与能量总存储装置一侧相连的MOS管以低电平使其处于关断状态；若超级电容作为放电电容，则给连接此超级电容与DC/DC变换器一侧相连的MOS管以低电平使其处于关断状态，给连接此超级电容与能量总储装置一侧相连的MOS管以高电平使其处于导通状态。

所述MOS管控制信号逻辑还包括：若由于电路故障或者电机发电效率过高、放电电容放电效率过低，两个超级电容的端电压均大于规定的电压上限阀值，控制单元ECU输出的III路脉冲(高电平)给光电耦合器，使整流器的输出端与大功率电阻R及蜂鸣器串联。同时与DC/DC变换器输出端及两个超级电容相连的MOS管同时处于断开状态，与能量总储装置及两个超级电容相连的MOS管同时处于导通状态，使两个超级电容同时给能量总储装置放电。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路，其特征在于：包括控制单元ECU、电压检测电路、两个超级电容、四个MOS管、两个MOS管驱动芯片IR2101、光电耦合器、直线电机、整流器、DC/DC变换器、电阻R、能量总储装置、蜂鸣器；

所述控制单元ECU的输入端口与电压检测电路的输出端相连，控制单元ECU的三个输出端口分别与光电耦合器的控制端口、第一MOS管驱动芯片IR2101、第二MOS管驱动芯片IR2101的输入端口相连，第一MOS管驱动芯片IR2101的输出端口分别与第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极相连，第二MOS管驱动芯片IR2101的输出端口分别与第三MOS管的栅极、第四MOS管的栅极相连；电压检测电路的输入端均和超级电容A的正极端、超级电容B的正极端相连；

所述直线电机的输出端与整流器相连，整流器输出端与DC/DC变换器的输入端相连，DC/DC变换器的输出端的正极分别与蜂鸣器的正极、第一MOS管的漏极、第三MOS管的漏极相连；蜂鸣器的负极与光电耦合器的正极相连，第一MOS管的源极分别与超级电容A的正极端、第二MOS管的漏极相连，第三MOS管的源极分别与超级电容B的正极端、第四MOS管的漏极相连，第二MOS管的源极、第四MOS管的源极均同时与能量总储装置的正极端相连；能量总储装置的负极端同时与超级电容A负极端、超级电容B的负极端、DC/DC变换器的输出端的负极相连；电阻R的一端与光电耦合器的负极相连，电阻R的另一端与DC/DC变换器的输出端的负极相连。

2.根据权利要求1所述的直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路，其特征在于：所述控制单元ECU用于数据的处理和计算，判断充电电容是否大于规定值，放电电容是否小于规定值，若满足切换条件，充电电容和放电电容进行工作模式切换。

3.根据权利要求1所述的直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路，其特征在于：所述电压检测电路用于实时测量超级电容A、超级电容B的端电压，将检测信号反馈给控制单元ECU。

4.根据权利要求3所述的直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换电路，其特征在于：所述电压检测电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、放大器LF353；

所述超级电容A和超级电容B的正端均与放大器LF353反相输入端电阻R1相连，反相输入端电阻R1的另一端同时与反馈电阻R3的一端和放大器LF353的反相输入端相连，反馈电阻R3的另一端与放大器LF353的输出端相连，放大器LF353输出端与控制单元的信号输入端相连，参考电压与放大器LF353的正相输入端电阻R2相连，正相输入端电阻R2的另一端与放大器LF353的正相输入端相连。

5.一种直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，控制单元ECU对电压监测电路的电压信号进行采集；

步骤2，ECU对采集到的电压信号进行计算分析，如果超级电容端电压值大于规定的电压上限阀值，控制单元ECU输出控制信号给MOS管的驱动芯片IR2101，然后控制MOS管的开关实现充电电容与放电电容的切换；

步骤3，若由于电路故障，使得两个超级电容的端电压均大于规定的电压上限阀值，则DC/DC变换器输出端与两个超级电容断开，与一个大功率电阻R串联并报警；

步骤4，如果超级电容端电压值不大于规定的电压上限阀值，判断其值是否小于规定的电压下限阀值，若小于，控制单元ECU输出控制信号给MOS管的驱动芯片IR2101，控制MOS管的开关实现充电电容与放电电容的切换；

步骤5，若超级电容端电压不小于规定的电压下限阀值，则返回判断入口重复判断。

6.根据权利要求5所述的直线电机式馈能悬架***超级电容模式切换方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：

若由于电路故障或者电机发电效率过高、放电电容放电效率过低，两个超级电容的端电压均大于规定的电压上限阀值，控制单元ECU输出的III路高电平脉冲给光电耦合器，使DC/DC变换器的输出端与蜂鸣器及大功率电阻R串联，电路发出故障警报，电机产生的电能以热能的形式耗散掉；同时与DC/DC变换器输出端及两个超级电容相连的MOS管同时处于断开状态，与能量总储装置输入端及两个超级电容相连的MOS管同时处于导通状态，使两个超级电容同时向能量总储装置放电。