手持式电动工具制动能量回收技术研究

张肖逸 贺新升 钱咪 徐雅斌 徐午波

摘要：针对手提式电动工具启停频繁，单次通电时间短的工作特点，进行了手提式电动工具能量回收技术的研究。采用超级电容与铅酸电池组成二元电源的方式，设计控制电路回收制动能量，可以在增加较小成本的基础上，同样工况能量回收20％以上。

关键词：电动工具超级电容铅酸电池能量回收

中图分类号：TM912文献标识码；A文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0107-01

手持式电动工具在人们日常生活中日益重要，市场巨大。手持式电动工具工作时启停频繁。这种工况对电源要求十分苛刻。目前常用的二次电池是铅酸电池。铅蓄电池具有体积大，能量密度低，易老化，寿命短等缺点。在电动工具使用中，频繁瞬时大电流输出时，对蓄电池的使用寿命影响很大，也影响其单次充电的使用时间。关于电动工具的研究业界一直集中在电池性能、电动工具性能研究方面，取得了很大的成果，但关于电动工具能量回收助力方面的研究还未看到相关文献。根据电动工具的工作特点，提出使用超級电容与铅酸电池(或锂电池)组成二元电源，制动时回收能量，可以在增加较小成本的基础上，能量回收高效，可以改善大电流对电池的冲击，提高电池使用寿命。

1系统硬件结构

手持式电动工具能量回收系统的硬件结构如图1所示。

在该系统中，电源由蓄电池和超级电容组成。工作时超级电容辅助蓄电池工作，可以使电池工作在安全的范围，保护电池不受大电流的冲击，可以提高电池的使用寿命。制动能量回收是指回收电动工具断电时的惯性动能，通过能量转化将其转化为电能。这利用制动能量回收技术，汽车能耗可以降低5％～10％。对于手持式电动工具这种频繁启停的工作模式，采用制动能量回收技术能量回收效果将会非常可观。在本系统中，能量回收方法是：当电机断电时，电机制动时的能量经DC／DC升压模块给超级电容组充电，电容充不满部分由蓄电池续充。发电电路非常简单，可以利用直流电机四象限运行时第二象限正向发电制动模式进行发电。电动工具断电后，在惯性作用下电机转子继续正向旋转。这时将电机正负极与充电电路正负极相连，可以进入发电制动模式。加速电机停转。同时电机转速逐渐降低，输出的电压也逐渐降低，为了保证向超级电容充电的电压稳定，可以通过DC／DC升压模块将电压升到12V，然后再向电容充电。

在本系统中，控制器通过换向开关控制电机的正反转；通过调速电路以PWM方式，通过改变占空比的大小来调节电机转速；控制器可以控制超级电容与蓄电池的通断，而且还可以检测超级电容组、蓄电池的电量和温度，具有监测报警功能。

在该控制系统中，能量回收系统的控制器检测换向、速度、启动等开关的模式，控制相应电路动作。监测电池、电容的电量、温度等信息，根据工况对能量的分配进行管理。当温度超限、电量不足时具有报警功能。

2实验

目前该系统样机已经完成，使用的电动工具蓄电池为12V，1.5Ah，超级电容为12V，16.7F。针对该系统，分别进行了超级电容充电实验，电动工具能量回收实验。

用12V直流稳压电源对12V超级电容组充电，电压变化波形呈指数变化。对电容充满电的时间约为8s，这个充电时间相比于能量回收时电机几秒钟的制动时间是吻合的。同时超级电容充电电路简单，充电电流大，制动能量回收充分，因此在能量回收场合应用广泛。

使用示波器测量电动工具电机两电极处电压，断电后自由停止及电阻制动时的电压波形如图3所示。

由图3可以看到，对该电动工具断电后，未加载制动电阻时，电机需要1.7s才能够停止。当加载1Ω制动电阻时，电机需要0.4s就可以停止。由于加载的制动电阻为1Ω，波形所示电压变化即是流过1Ω负载的电流变化，由波形可以计算电机制动时消耗在电阻上的电量，而当将制动电阻去掉，直接连充电电路时，这部分电量也是可能回收的总电量。有计算结果可知，消耗在电阻上的能量为6.65Ws，这也是可以回收的总电量。设回收能量与消耗能量之比为能量回收比例，能量回收比例的变化与电动工具每次持续通电时间、输出电流大小有关。额定输出情况下，通电时间为1s时，能量回收比例为36％，2s通电时间情况下，0.5A电流输出时，能量回收比例高达50％。手持式电动工具的单次持续通电时间一般在1s～5s之间，输出电流变化也较大，综合考虑，回收能量可以达到20％以上。

3结语

综上所述，电动工具能量回收系统在电机工作时可降低蓄电池的瞬时压降，减小大电流对蓄电池的冲击，延长电池的使用寿命。可有效回收制动电能，平均可回收能量20％以上。目前该系统试验样机已经完成，能量回收效果明显。能量管理系统完成后，各项性能会有更大的提高。随着超级电容生产规模的扩大，价格降低，制约该系统实用化的成本高的问题将得到有效解决，市场前景光明。该能量回收系统也适用于电动车等使用二次电池的场合。

参考文献

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[2]季小尹，宋保维，严卫生，牵引用永磁无刷直流电机的四象限运行控制[J]，测控技术，2007(6)