CN102055231A - 一种给混合动力车辆储能装置充电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于混合动力车辆电储能装置的充电系统和方法包括：一个储能装置可以交替地储存和释放电能；至少一个电机/发电机，其中一个可以作为发电机使用；一个内燃机带动电机/发电机发出交流电，再经一个变流控制器转化成直流电，为储能装置充电；一组车轮在减速和刹车时可以带动电机/发电机发出交流电，再经变流控制器转化成直流电，为储能装置充电；一个车辆外部电源，可通过充电器将交流电变为直流电，为储能装置充电；一个变流控制器通过优化五个充电区域、三条充电路径等电能管理策略从而使储能装置达到更好的高荷电状态，提高了车辆的爬坡、加速、负重和纯电动续行里程等性能，也使车辆具有了对不同能源价格的适应性。

Description

一种给混合动力车辆储能装置充电的方法

技术领域

本发明涉及插电式混合动力车辆领域，尤其是涉及插电式混合动力车辆的充放电系统，适用于内燃机和电储能装置提供动力的混合动力车辆。

背景技术

目前，市场上销售的各种混合动力车辆，普遍采用内燃机驱动电机/发电机或车轮驱动电机/发电机发出交流电，再经变流器变为直流电给储能装置充电，储能装置大部分的充放电状态处在一个粗放的大电流区域内，但是储能装置的后续充电要求实现一个精确的电池均衡，而仅利用车辆内部的驱动系统兼做充电电源来实现续充和涓流充电，其程序控制较为困难。由此，储能装置的充电不足严重影响车辆爬坡、加速和负重等行驶性能。

通常利用电池做储能装置时，恒压充电法更利于各电池单体单元，在恒压下电流由电池内阻决定。当电池处于低荷电状态时电池内阻低，充入电流可以很大并且能量可以很快恢复一部份。随着充电的进行，电池内阻阻急速上升达到一个转换点并且在恒压下电池接受的电流越来越少。这个自调节作用可以防止电池过充电，并延长电池寿命。这样的恒压充电方式在一个恒定电压下进行，这个推荐电压可以使电池达到一个较高的荷电状态。此后，需要一个小电流(涓流)均衡充电以使电池容量完全恢复，并且保证电池内部各单元达到一个近似相等的平衡和最高荷电状态。而混合动力车辆的充放电情况大部分时间处在低于电池内阻转换点下的一个大区域内，要想利用一个由内燃机或车轮驱动的电机作为电池充电器实现个精确的续充及电池均衡，实现均衡程序控制较为困难，这是因为内燃机和车轮与电池能力失配。这就需要在车辆之外的一个系统或方法为储能装置提供一个精确的充电平衡，以使蓄电池等储能装置容量完全恢复，达到尽可能高的荷电状态，以更好地满足车辆必须的爬坡、加速和负重等行驶性能。到目前为止，在市场上尚未见到兼顾动力性能、节油排放效果、价格成本、电池寿命的苛刻要求的充电系统。

发明内容

混合动力车辆电储能装置的充电系统包括一个储能装置可以交替地储存和释放电能；至少一个电机/发电机，其中一个可以作为发电机使用；一个内燃机带动一个电机/发电机发出交流电，再经一个变流控制器转化成直流电，为储能装置充电；一组车轮在减速和刹车时可以带动电机/发电机发出交流电，再经变流控制器转化成直流电，为储能装置充电；一个车辆外部电源，可通过充电器将交流电变为直流电，为储能装置充电；一个变流控制器；所述充电系统按照储能装置是放电还是通过内燃机、车轮或车辆外部电源充电及车辆情况要求，以决定使储能装置的状态位于五个基本工作区域，包括一个快速放电区域、一个加速放电区域、一个被动区域、一个加速充电区域和一个快速充电区域，并且可以防止给储能装置过大电流充电的同时，在一个荷电状态参考值之上尽可能的增大充放电流的大小，最终实现电流均衡和高荷电状态。

内燃机可以持续运行并提供能量让蓄电池充电到某一较高的荷电状态，停车之后由电网提供电能。利用电池电源的内阻的自限定功能，电机/发电机和内燃机可以被用来给电池组充电到一个较高的荷电状态(大约90％SOC)，然后一个插入式充电器可用于实现精确的续充和电均衡。

而使用内燃机或者车轮独立或者联合使用外接电源充电，还可以按每一动力源的最佳化成本提供更好的控制灵活性。例如当燃料价格相对比外接电源低时，内燃机或车轮将提供大电流充电给该储能装置，也就是说给电瓶充电到某一较的高荷电状态(大约90％)，而外接电源和充电器被用来给电瓶进行充电平衡，即从高荷电状态到最大荷电状态(大约100％SOC)；当燃料价格用相对于电网价格较高时，内燃机将提供一个大电流充电到比原来低一些的荷电状态(低于90％SOC)，而外电源和充电器将被更多地用来实现充电平衡，其所占比例会更大一些(大约超过10％SOC)；长期停车时，甚至可以完全由车辆外部电源实现对电池的全部充电过程及车辆启动之前的电容组充电。

该充电系统的有益效果在于包括精确高效的电池均衡、可以选择车内或公用电网充电，以及混合动力结构设计的灵活性包括充电器尺寸、充电系统集成或者充电系统拓扑等。车辆外部电源充电方式可以经常使用，也可以很少使用，但每到三到四个月最好有一次，这对有记忆效应的电池尤其有用。该充电系统使用唯一的蓄电池，而不需要另一种蓄电池增加多余重量和额外充电，但为了解决内燃机或车轮与电池的失配问题，可以附加上超级电容与电池并联，并使用车辆内和车辆外部电源两种电能来源。使储能装置达到更好的高荷电状态，提高了车辆的爬坡、加速、负重等性能，同时也使车辆具有了对不同能源价格的适应性。在纯电动模式下，还可以使车辆具有了更远的续行里程。

应该说明的是，该说明书中具体的范例不是本发明的唯一方案，插图也不具备唯一性。各种具体化范例如不同拓扑结构的混合动力车辆或不同种类的电池可以以不同的实际使用方式实现该技术。

附图说明

图1是一个混合动力车辆储能装置充电系统示意图；

图2是一个程序功能图；

图3是一个电池充电分段函数示意图。

具体实施方式

图1大略地说明了一个混合动力电储能装置充电系统的结构。车载动力电源包括内燃机1和电机/发电机3；当车辆需要发动时，电机/发电机3可以作为一个起动机带动内燃机启动运行；当车辆需要动力驱动行走时，内燃机1和电机/发电机3可以串联或并联联接驱动车轮2，此时电机/发电机3可以作为电机使用；当车辆有富余能量可供给储能装置8充电时，例如下坡、减速、刹车、停车过程中，内燃机1和车轮2连接电机/发电机3并驱动电机/发电机3发电，此时电机/发电机3可以作为发电机使用。也就是说，内燃机1可以驱动电机/发电机3发电(当它以发电机模式运行时)，并且可以驱动车轮；电机/发电机3可以(以起动机模式运转时)起动内燃机3，也可以以电机模式驱动车轮2，也可以以发电机模式给储能装置8充电。

内燃机1可以通过一个机械接口11与电机/发电机3相连接。所述机械接口11可以是电机传动系统或离合器的一部分，可以交替接合或不接合。电机/发电机3的输出端通过电接口12连接到变流控制器5。变流控制器5将电机/发电机3产生的交流电转换成直流电，通过连接线束15提供给储能装置8，并且它可以将储能装置的直流电转换成交流电，通过连接线束15、12供给电机/发电机供电。

储能装置8可以是蓄电池、蓄电池组、电容器或蓄电池(组)-电容器综合体。储能装置内的电容器组9和电池单体组10及可以排列组对，相互接成串联、并联或混联形式。充电器6可以位于车辆上，而在这样情况下可与换流控制器5通过连接线束14相连接或集成到一起，或者也可以存在于车辆之外。

充电器6和储能装置8可以通过不同的连接线束16、17相连接，从而允许按储能装置8内不同的储能元件充电时期望的要求分开(以不同的电流电压时序充电或者不充电)，这样从车辆外部电源4来的电能经充电器可以分开充到构成储能装置8的电容器9和电池单体组10中。

从车辆外部电源4(例如电网)来的单相或三相交流电由连接线束13提供给充电器6，再提供给储能装置8大电流充电、续充及再平衡所需的电能，也就是说完全地给储能装置8充满电。

图2中，一个分段线性程序保存在变流控制器5中的电池电源要求程序功能块18(存储器)中，储能装置荷电状态(SOC)与电池能量释放和充电情况有关，19是储能装置电池的电源需求信号。电源需求信号19的范围是一个分段线性函数死区带，它由四点构成：功率饱和下限29、零点饱和下限30、零点饱和上限31和功率饱和上限32。电池判定控制算法功能块21接收到电源需求信号19、电池内部参数信号20(包括荷电状态、电池温度、内阻、开路电压)和车辆输入信号22(包括加速踏板位置、刹车踏板位移、齿轮选择器杆或排挡杆总成位置、车辆远程控制信号和驾驶信号等)。电池判定控制算法功能块21产生一个代表电池的电源判优要求输出信号23。为了响应车辆输入信号22和电池电源判优要求信号23，一个混和优化算法功能块24产生输出命令信号25和26，并分别被输入到内燃机控制器27和电机/发电机控制器28，这些信号被用于优化利用这两个能量源给储能装置充电。内燃机控制器27和电机/发电机控制器28在混合动力车辆不同的拓扑结构里以各种形式与电子中央控制单元(ECU)、变流控制器设计在一起，也可独立，甚至还可以与内燃机、电机/发电机集成在一起。

具备电容组9的车辆在起步后、下坡、减速、刹车、停车时的动能回收过程中，能量会优先用于给电容组9充电；放电时优先使用电容组9里储存的电能；长期停车时，电容组9可以不充电，而在车辆起步前快充，这些可以由上述各程序功能块来控制实现。

图3描述了一个电池电源要求程序功能块18在变化前(分段线性函数P，33)后(分段线性函数B，34)之后的一个范例。这样，由29-32四点代表的变化幅度转移函数通过在该充放电循环内因使用车辆外部电源4和充电器6而程序性地改变。该范例说明，用来变化电池电源要求的该程序把传输函数33转换到传输函数34的位置，从而允许车辆在外部充电之前保证达到较高的荷电状态。较高的荷电状态提供了更好适应性，比如允许充电器6可以更小，用于实现储能装置8充电平衡的周期可以更短。

而在另一方面，使用交替的车辆内外的能源，内燃机1和外接电源4，可以提供动力电源成本最佳化控制的灵活性。例如，当汽油或柴油价格相对外接电源成本较低时，变流控制器12控制内燃机1和电机/发电机3给储能装置8大电流充电，也就是说给电瓶充电到一个高荷电状态(大约90％SOC)，之后变流控制器控制车辆外部电源4和充电器6给储能装置8提供充电平衡，也就是说从高荷电状态上升到荷电状态最大值(接近100％SOC)。当车用燃料成本上升到相对于电网电能较高时，变流控制器5控制内燃机1和电机/发电机3可以给储能装置8提供更少的一个大电流充电到一个低荷电状态(小于90％SOC)，而车辆外部电源7和充电器6更多地用来实现后面的续充和充电平衡(不同程度地可以大于满荷电状态的10％SOC)。

需要注意的是，本充电系统其他具体实施方式可以与权力要求、说明书、图解所描述的具体实现方式、曲线、数值等有所不同。

Claims (3)

1.一种用于混合动力车辆电储能装置的充电系统包括一个储能装置(可以包括电容组)可以交替地储存和释放电能；至少一个电机/发电机，其中一个可以作为发电机使用；一个内燃机带动一个电机/发电机发出交流电，再经一个变流控制器转化成直流电，为储能装置充电；一组车轮在减速和刹车时可以带动电机/发电机发出交流电，再经变流控制器转化成直流电，为储能装置充电；一个车辆外部电源，可通过充电器将交流电变为直流电，为储能装置充电；一个变流控制器；其特征在于所述充电系统按照储能装置是放电还是通过内燃机、车轮或车辆外部电源充电及车辆情况要求，以决定使储能装置的状态位于五个基本线性分段工作区域内，包括一个快速放电区域、一个加速放电区域、一个被动区域、一个加速充电区域和一个快速充电区域。

2.如权力要求1中所述的充电系统，其特征还在于该系统在防止给储能装置过大电流充电的同时，在一个荷电状态参考值之上尽可能的增大充放电电流的大小，最终使储能装置实现电流均衡和高荷电状态。

3.如权力要求1中所述的充电系统，其特征在于，具备电容组的车辆在起步前充电和起步后的下坡、减速、刹车、停车时的动能回收过程中，能量会优先用于给电容组充电；放电时优先使用电容组里储存的电能；长期停车时，电容组可以不充电。

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