CN102139695A - 一种用于电动汽车的能量管理系统及管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对如上所述现有带电驱动装置的电动汽车储能器件的特性，设计一种可对整车电能进行优化管理的系统及相应的管理方法，系统包括动力电池、超级电容、电机驱动控制单元及驱动电机，动力电池与超级电容串联，通过电机驱动控制单元连接至驱动电机，还包括一个与动力电池及超级电容所串联支路并联的功率分配电路，该功率分配电路包括一变压器及分别与变压器两线圈串联的两个开关管，开关管的通断由与其连接的管理单元控制。本发明实现电流及功率流的主动控制，避免过大的车辆制动回馈电流使动力电池过充，从而延长动力电池的使用寿命，并且对电容的利用更加充分，达到经济与节能的双重效果。

Description

一种用于电动汽车的能量管理系统及管理方法
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，特别涉及混合动力和纯电动汽车的能量管理系统。
背景技术
电动汽车具有环保、节能和能量转换效率高的特点，带有电驱动装置的纯电动及混合动力车辆是未来新能源汽车的重要发展方向。电动车辆节能的关键问题在于优化管理电驱动装置、储能装置和辅助动力装置间的能量分配，特别是不同种类储能装置的储能和释放的优化配置。
电动车辆中最常用的储能装置是动力电池，动力电池的放电效率随放电电流的增大而减小，但是当动力电池直接驱动电动汽车时，其特性会影响电动汽车动力性能的发挥。且大电流放电会缩短动力电池的寿命，在城市工况下车辆需频繁加速，导致动力电池频繁大电流放电，降低了电池组的能量效率和使用寿命，从而影响整车的性能。另外，制约电动汽车应用的一个重要因素是续行里程，再生制动是节约能源、提高续行里程的一个关键。即在车辆制动时，使驱动电机处于发电模式，将能量回馈至储能装置中，然而动力电池难以实现短时间大功率充放电，且循环次数有限。
为使储能装置在能量、功率和循环寿命之间取得平衡，现有的方式是采用动力电池和超级电容器结合混合能量存储，动力电池作为主要的电能储存装置，超级电容器用于车辆起步或制动能量回收等瞬间大电流充放电的车辆运行工况。最简单的方式是将动力电池与超级电容器直接并联在车辆动力线上，可显著地使动力电池的峰值电流均匀化，并减小了其电压降，缺点在于其功率流不能主动控制，且超级电容器的能量不能充分利用。在动力电池和超级电容器之间并一个两象限的DC/DC变换器可以解决上述问题，但是对DC/DC变换器的要求很高，且费用昂贵，会对整个系统显著增加成本。
发明内容
本发明针对如上所述现有带电驱动装置的电动汽车储能器件的特性，设计一种可对整车电能进行优化管理的系统及相应的管理方法，实现电流及功率流的主动控制，避免过大的车辆制动回馈电流使动力电池过充，从而延长动力电池的使用寿命，并且对电容的利用更加充分，达到经济与节能的双重效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于电动汽车的能量管理系统，包括动力电池、超级电容、电机驱动控制单元及驱动电机，动力电池与超级电容串联，通过电机驱动控制单元连接至驱动电机。所述动力电池及超级电容可以为动力电池组及超级电容组，均由多个单体经过串联或并联组合构成。
本系统还包括一个与动力电池及超级电容所串联支路并联的功率分配电路，该功率分配电路包括一变压器及分别与变压器两线圈串联的两个开关管，开关管的通断由与其连接的管理单元控制。
所述开关管可以为MOS管或IGBT。
本发明还包括以下技术方案：
一种前述电动汽车能量管理系统的管理方法，通过管理单元对动力电池和超级电容电压的实时监控，通过调整两个开关管的占空比实现对输入储能装置的能量的分配，即现对变压器两端所接入储能装置的电流及功率的分配。
当电动汽车起步、加速或者上坡时，动力电池和超级电容串联向驱动电机提供电流，当超级电容电能释放完后由动力电池单独供电。
当车辆制动由驱动电机向电力总线回馈电流时，由功率分配电路控制输送到超级电容及电池的电流大小，初始制动瞬间大电流大部分由超级电容吸收，当超级电容充满后，由动力电池吸收制动电流。
本发明的有益效果在于：
采用动力电池与超级电容串联的方式接入汽车动力总线，可减小电容的电压，简化了结构和体积，可实现完全放电，提高了利用率，节省了成本。
通过功率分配电路实现了对动力电池及超级电容进行精确地充放电管理控制，从而使车辆的电池电能得到合理的利用，提高了续行里程及能量的回收效率。由于超级电容具有高效的充放电效率，能够平衡动力电池的充放电电流，使电池电流基本稳定在均值附近，减少动力电池充电次数，提高电池寿命，且由于采用了电子开关，具有高速响应特性，能量转换效率高。
附图说明
图1为本发明的电动汽车能量管理系统结构示意图。
图2为本发明的电动汽车能量管理系统实施例原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的描述：
如附图1-2，1是动力电池，2是超级电容，3是电机驱动控制单元，4是驱动电机，5是变压器，6是开关管，7是管理单元。
一种用于电动汽车的能量管理系统，包括动力电池1、超级电容2、电机驱动控制单元3及驱动电机4，动力电池1与超级电容2串联，通过电机驱动控制单元3连接至驱动电机4。所述动力电池1及超级电容2可以为动力电池组及超级电容组，均由多个单体经过串联或并联组合构成。由于储能装置采用串联方式，因此可降低超级电容的电压，减小体积和重量。本实施例中动力电池1选用300V，则超级电容2选用50V即可使蓄能装置工作在300V至350V之间。
本系统还包括一个与动力电池1及超级电容2所串联支路并联的功率分配电路，该功率分配电路包括一变压器5及分别与变压器两线圈串联的两个开关管6，开关管可以选用MOS管或IGBT，开关管6的通断由与其连接的管理单元7控制。
本实施例中选用锂电池作为动力电池1，由单组锂电经串并组合得到，选用IGBT作为开关管6，电子开关具有高速响应特性，能量转换效率高。变压器5的线圈比与储能装置的电压比值相对应，因此本实施例中和储能装置并接的线圈与和超级电容2并接的线圈的比值为6比1，变压器5的具体连接方式参见附图2。
本发明实施例的电动汽车能量管理系统的管理方法，管理单元7对动力电池1和超级电容电压2进行实时监控，通过调整两个开关管6的占空比实现对其所输入储能装置的能量的分配，即现对变压器5两端所接入储能装置的电流及电压的分配。在变压器5的两个线圈支路及动力总线上均设有电流采样点，管理单元7通过采集到的各点的电流、储能装置的电压以及电池的SOC等多项参数，分配相应开关管6的占空比数值，从而实现对动力电池1及超级电容2的功率分配控制。开关管61与开关管62的占空比互补。
当电动汽车起步、加速或者上坡时，动力电池1和超级电容2串联向驱动电机提供电流，由于超级电容具有快放的特点，因此主要由其向动力总线输送能量，当超级电容2的电能释放完后由动力电池1单独供电，超级电容2中的能量得到充分利用，有效地提高了使用效率。当车辆匀速平稳运行时，根据动力电池1和超级电容2中的剩余电量来选择串联供电或由动力电池1单独供电。
当车辆制动时驱动电机4工作在发电模式，向电力总线回馈电流，由功率分配电路控制输送到超级电容2及动力电池1的电流大小，由于超级电容的快充特性，初始制动瞬间大电流大部分控制由超级电容2吸收，当超级电容2充满后，由动力电池1吸收制动电流，这样既实现了提高充放电的效率，又使得动力电池2减少大电流的直接冲击，以及反复频繁充电造成的损耗，有效延长了动力电池1的寿命，降低电动汽车的使用成本。

Claims (8)

1.一种用于电动汽车的能量管理系统，包括动力电池、超级电容、电机驱动控制单元及驱动电机，其特征在于：所述动力电池与超级电容串联。
2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的能量管理系统，其特征在于：还包括一个与动力电池及超级电容串联支路所并联的功率分配电路，该功率分配电路包括一变压器及分别与变压器两线圈串联的两个开关管。
3.根据权利要求1所述的用于电动汽车的能量管理系统，其特征在于：所述动力电池及超级电容可以为动力电池组及超级电容组，由多个单体经过串联及并联组合构成。
4.根据权利要求2所述的用于电动汽车的能量管理系统，其特征在于：所述开关管的通断由与其连接的管理单元控制。
5.根据权利要求2所述的用于电动汽车的能量管理系统，其特征在于：所述开关管可以为MOS管或IGBT。
6.一种权利要求2所述的用于电动汽车能量管理系统的管理方法，其特征在于：通过调整两个开关管的占空比实现对输入储能装置的能量的分配。
7.根据权利要求5所述的用于电动汽车的能量管理系统的管理方法，其特征在于：当电动汽车起步、加速或者上坡时，动力电池和超级电容串联向驱动电机提供电流，当超级电容电能释放完后由动力电池单独供电。
8.根据权利要求5所述的用于电动汽车的能量管理系统的管理方法，其特征在于：当车辆制动由驱动电机向电力总线回馈电流时，由功率分配电路控制输送到超级电容及电池的电流大小，初始制动瞬间大电流大部分由超级电容吸收，当超级电容充满后，由动力电池吸收制动电流。
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