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super condensateur et batterie combinés comme alimentation électrique dans un vélo électrique

2020-04-24

dans cet article, la combinaison de super condensateur et de batterie est appliquée au vélo électrique pour former un système d'alimentation double. le mode de connexion à double source est conçu et le supercondensateur peut être connecté à la batterie en parallèle via le convertisseur bidirectionnel cc / cc, de sorte que le supercondensateur peut libérer plus de puissance. la condition de travail optimale à puissance constante garantit efficacement la batterie de l'impact et prolonge la durée de vie de la batterie.

1. résumé

en tant que véhicule à courte distance avec économie d'énergie, protection de l'environnement et déplacements pratiques, la conduite électrique blanche est la bienvenue des consommateurs. à l'heure actuelle, les problèmes existants du vélo électrique sont principalement la durée de vie et le remplacement fréquent de la batterie, le long temps de stockage et de charge de la batterie, les temps de charge et de décharge limités et le mauvais contact, etc. donc, la batterie est le composant clé affectant les performances et la qualité du vélo électrique, ainsi que le problème clé qui limite le développement du vélo électrique. Au cours des dernières années, de nombreux pays dotés d'une science et d'une technologie de pointe se sont engagés à rechercher et à développer de nouvelles batteries de vélo électrique, notamment du nickel cadmium haute puissance, du zinc nickel, de l'hydrogène nickel, du lithium polymère et des piles à combustible. La batterie au nickel-hydrogène est largement utilisée au Japon, en Europe et en Amérique, et la batterie lithium-ion / lithium polymère est également largement utilisée. De nombreux instituts de recherche en Chine développent également activement de nouvelles batteries pour les vélos électriques, mais environ 95% des vélos électriques sont encore utilisez des batteries plomb-acide traditionnelles. cependant, en raison de la courte durée de vie de la batterie au plomb, elle doit être remplacée dans environ un an. de plus, lorsque le vélo électrique démarre, accélère, face aux vents contraires et se charge, la batterie doit fournir des dizaines d'ampères de courant pour entraîner le moteur en peu de temps, mais la batterie au plomb est difficile à réaliser, et un courant aussi important endommagera la batterie, ce qui aura un impact sérieux sur la durée de vie et le kilométrage de la batterie. dans cet article, le super condensateur et la batterie sont combinés pour conduire le vélo électrique, et le mode de connexion de l'alimentation double est conçu de manière raisonnable. selon les caractéristiques de la propulsion électrique du vélo, la stratégie de commande est conçue. la stratégie de contrôle peut améliorer efficacement les performances du vélo électrique, prolonger la durée de vie de la batterie et a de grandes perspectives de marché.

2. super condensateur

supercondensateur, également connu sous le nom de condensateur électrochimique, est une sorte de dispositif de stockage d'énergie entre la batterie et le condensateur. il a non seulement les caractéristiques de charge et de décharge rapides en tant que condensateur, mais également le mécanisme de stockage d'énergie en tant que batterie électrochimique.

les super condensateurs ont les caractéristiques suivantes:

① grande capacité. la capacité d'un supercondensateur unique est 2000-10000 fois plus grande que celle d'un condensateur électrolytique de même volume, qui peut atteindre des milliers de méthodes ou des dizaines de milliers de farads.

② haute densité de puissance. le super condensateur peut fournir un courant instantané important. en peu de temps, le courant peut atteindre des centaines à des milliers d'ampères, et la densité de puissance est près de 100 fois supérieure à celle de la batterie, qui peut atteindre 1000w / kg.

③ charge rapide. une charge de quelques minutes peut atteindre plus de 95% de la capacité nominale.

Efficiency haute efficacité de conversion d'énergie et forte capacité d'acceptation de charge-décharge. l'efficacité du cycle énergétique de la charge et de la décharge à courant élevé est supérieure à 90% et la perte d'énergie est faible pendant la charge et la décharge.

Life longue durée de vie. dans des conditions normales d'utilisation, le nombre de cycles peut atteindre plus de 100 000 fois.

Range large plage de températures de travail et haute fiabilité. il peut fonctionner normalement, en toute sécurité et de manière fiable dans la plage de température de - 40-65 ℃.

3. super condensateurs combinés avec des batteries

le supercondensateur et la batterie sont combinés de manière raisonnable pour former une double alimentation électrique, qui est disposée sur le vélo électrique pour entraîner conjointement le vélo électrique. lorsque le vélo électrique fonctionne normalement sur une route plate, il est alimenté par la batterie seule. au stade du démarrage, de l'escalade, de l'accélération et d'autres besoins de puissance élevée instantanée, le supercondensateur et la batterie alimentent le moteur en même temps. lorsque le vélo électrique freine, le moteur génère de l'électricité et le super condensateur stocke de l'énergie pour réaliser le recyclage de l'énergie. la combinaison de super condensateur et de batterie peut se compléter et améliorer les performances de la batterie existante et prolonger sa durée de vie. cependant, le super condensateur a une faible densité d'énergie et une grande résistance interne en série. si le banc de supercondensateurs en série est directement connecté au banc de batteries en parallèle, le courant de sortie du banc de supercondensateurs sera trop faible en raison de la résistance interne excessive, qui ne jouera pas le rôle de protection shunt de la batterie. par conséquent, un convertisseur bidirectionnel cc / cc est conçu, le supercondensateur peut être mis en parallèle avec la batterie via le convertisseur cc / cc et la puissance de sortie peut être ajustée à volonté. par conséquent, une certaine méthode de contrôle doit être construite pendant le fonctionnement, ce qui peut démarrer ou augmenter le courant de sortie du super condensateur à temps lorsque la demande de courant du moteur est trop importante, et limiter le courant de surcharge de sortie de la batterie pour protéger la batterie. la méthode de contrôle est déterminée en fonction des conditions de fonctionnement du vélo électrique, qui peuvent être divisées en conduite à plat, démarrage, accélération, montée, surcharge, freinage, etc.

3.1 démarrage, accélération, montée et surcharge

dans ces états, le moteur a besoin d'une puissance élevée instantanée, et le supercondensateur et la batterie devraient produire ensemble de la puissance pour entraîner le moteur. comme le supercondensateur a les caractéristiques de décharge à courant élevé de courte durée par rapport à la batterie, le supercondensateur peut mieux répondre à cette exigence. à ce moment, le super condensateur peut supporter la majeure partie de la charge. par conséquent, à ce stade, le supercondensateur doit être la principale source d'énergie pour offrir la puissance de crête, tandis que la batterie ne sert que de source d'énergie auxiliaire. après la libération de la puissance de crête, le supercondensateur sort et la charge est supportée par la batterie.

3.2 rouler à vitesse uniforme sur route plate

lorsque le vélo électrique roule à vitesse uniforme sur une route plate, la demande de puissance n'est pas élevée. la puissance de sortie de la batterie peut répondre complètement aux exigences de la puissance du moteur. l'énergie pour le moteur est entièrement fournie par la batterie seule, et le super condensateur n'a pas besoin de libérer de puissance.

3.3 état de freinage

le moteur de la bicyclette électrique est dans l'état de génération d'énergie lors du freinage, et une certaine énergie cinétique est convertie en énergie électrique, qui peut être renvoyée au supercondensateur via l'inversion du convertisseur bidirectionnel cc / cc. dans cet état, le circuit entre la batterie et le moteur est coupé, et la batterie n'absorbe pas l'énergie électrique de rétroaction, afin d'éviter les dommages causés par le courant de régénération à la batterie.

L'utilisation du supercondensateur comme conteneur de stockage d'énergie de l'énergie de rétroaction du freinage régénératif peut non seulement absorber le grand courant instantané, mais également améliorer efficacement le taux de récupération d'énergie.

l'objectif de gestion de l'énergie du vélo électrique à double alimentation est d'adopter une méthode de contrôle raisonnable pour réaliser les avantages complémentaires des deux conteneurs de stockage d'énergie, pour assurer les exigences dynamiques du vélo électrique et pour faire fonctionner la batterie dans le meilleur état de fonctionnement de faible décharge de courant à tout moment, et, a réalisé une meilleure utilisation du super condensateur. renvoyer l'énergie électrique générée par le mode de freinage de génération d'énergie régénérative au super condensateur, non seulement améliore le taux de récupération d'énergie, mais protège également la batterie des chocs et prolonge sa durée de vie.

l'état de fonctionnement du vélo électrique peut être distingué en fonction de la puissance motrice du moteur de détection. lorsque la puissance motrice est positive et supérieure à la puissance nominale de la batterie sèche, et △ p / at & gt; o, on peut juger que le vélo électrique démarre, grimpe ou surcharge. à ce moment, le rapport cyclique du circuit de commande de batterie pwm doit être réduit pour réduire la sortie de la batterie, le rapport cyclique du circuit de commande de supercondensateur pwm doit être augmenté pour augmenter la sortie du supercondensateur en même temps. lorsque la puissance est positive et inférieure à la puissance nominale de la batterie, on peut juger que le véhicule électrique est à l'état de conduite à plat: lorsque la puissance est négative et △ p / △ t & lt; 0, le véhicule électrique freine, le super condensateur sera chargé et l'énergie de rétroaction reçue.

4. conception du circuit de commande

dans cet article, tm $ 320f28335 est utilisé comme contrôleur de base pour concevoir le système de circuit de contrôle de puissance double de vélo électrique pour réaliser la méthode de contrôle. dans ce schéma, la tension du supercondensateur et de la batterie n'est pas égale, la tension de la batterie est de 48v, la tension du supercondensateur est de 36v et la batterie est connectée en parallèle via l'onduleur bidirectionnel dc / dc. le schéma du circuit matériel est représenté sur la figure 1: le circuit de détection de puissance sur la figure est responsable de la détection de l'alimentation pc, pb du côté sortie de la double alimentation et de la puissance d'entraînement p du moteur. lorsqu'il est en état de démarrage, de montée et de surcharge, les sorties dsp amplifient la forme d'onde pwm vers le convertisseur bidirectionnel dc / dc, le convertisseur fonctionne en mode boost et un super condensateur libère l'énergie stockée. pendant ce temps, dsp contrôle le rapport cyclique pwm du circuit de commande de la batterie pour s'assurer que la puissance de sortie de la batterie est dans la puissance nominale. lorsque le moteur est en décélération ou en freinage, dsp envoie une forme d'onde pwm buck au convertisseur cc / cc bidirectionnel, coupe le circuit d'alimentation de la batterie en même temps, le convertisseur cc / dc bidirectionnel fonctionne en mode buck , et renvoie l'énergie de freinage régénérative au supercondensateur pour le stockage.

La puce max4211 peut être utilisée pour la détection de puissance. la puce a un faible coût et une faible consommation d'énergie. il peut former un système de mesure de courant continu / courant continu haut de gamme. le système utilise un amplificateur de détection de courant de précision pour détecter le courant, puis utilise un multiplicateur sur puce pour calculer la puissance. la connexion du système n'affecte pas le chemin de mise à la terre du système testé, particulièrement adapté pour détecter la puissance et l'électricité du flux du système d'alimentation de la batterie. l'erreur de mesure est inférieure à 1,5%, la plage de mesure est de 4 à 28 V, la plage de tension d'alimentation est de 2,7 à 5,5 V et le courant de travail est de 670 μa. l'organigramme de la méthode de contrôle est illustré à la figure 2:

ce schéma de conception a été simulé par matlam, et le contrôleur a été fabriqué en laboratoire et appliqué au test de contrôle du vélo électrique. le super condensateur avec tension nominale de 12v , une capacité de condensateur de 1,2f, trois groupes de condensateurs en série de 36v et quatre batteries de 12v en série de 48v sont utilisés. le test prouve l'efficacité de la méthode de contrôle. dans cette conception, le supercondensateur est connecté à la batterie en parallèle via un courant continu / continu bidirectionnel. la tension aux bornes du supercondensateur n'est pas égale à la tension de la batterie, donc la plage de tension de travail est plus large et le supercondensateur peut libérer plus d'énergie.

5. Conclusion

dans cet article, un système d'alimentation double composé de supercondensateurs et de batteries est proposé, qui est appliqué à l'alimentation électrique du vélo électrique. le supercondensateur peut libérer plus d'énergie électrique grâce à la connexion parallèle du convertisseur bidirectionnel cc / cc et de la batterie. la condition de fonctionnement de la bicyclette électrique est discutée, et la méthode de commande du super condensateur et de la batterie est déterminée pour rendre la batterie en meilleur état de fonctionnement sur la puissance nominale. la batterie est efficacement garantie contre les chocs et la durée de vie de la batterie est effectivement prolongée. la faisabilité et l'efficacité de la conception sont prouvées par des expériences. avec le développement continu de super condensateurs et la baisse des prix, l'application de l'alimentation combinée dans le vélo électrique aura de meilleures perspectives de développement.


source : magazine de science et pratique traduit par: shanghai green tech co., ltd.

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