CN103072492A - 一种纯电动客车用主动控制式复合电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯电动客车用主动控制式复合电源及其控制方法，旨在克服目前电动客车电源不宜大电流充放电与制动能量存储效率低等问题。控制式复合电源由锂离子蓄电池组、控制电路和超级电容器组成。锂离子蓄电池组正极与控制电路的电感线圈L一端连接，锂离子蓄电池组负极同和控制电路的绝缘栅双极型晶体管T与超级电容器负极连接，超级电容器正极与控制电路的电流表A1负极连接。主动控制式复合电源的制方法包括纯电动客车启动阶段的主动控制；纯电动客车起步阶段的主动控制；纯电动客车平稳行驶阶段的主动控制；纯电动客车实施制动减速阶段的主动控制；纯电动客车平稳行驶后急加速阶段的主动控制；纯电动客车循环行驶和停车阶段的主动控制。

Description

一种纯电动客车用主动控制式复合电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于纯电动客车上的复合电源，更确切地说，本发明涉及一种纯电动客车用主动控制式复合电源及其控制方法。

背景技术

目前，在交通运输领域，发展纯电动汽车是一种解决能源匮乏和环境污染问题的有效途径，但是车用电源动力不足的问题一直是制约纯电动汽车的发展瓶颈，现阶段主要存在两种车用电源：

单一蓄电池：其能量密度和功率密度远未达到人们的期望指标，使得纯电动汽车的动力性、续驶里程等问题不能得到很好解决，影响了纯电动汽车的大规模普及。

直接并联式复合电源：现有的复合电源大多数采用蓄电池与超级电容器直接并联方式。该种复合电源结构简单，充放电过程无需控制，超级电容器依靠自身内阻低的特性为蓄电池组充放电削峰填谷，但因为二者采用直接并联方式，缺少大电流冲击时电流的均衡与分配。而大电流冲击过后，电量将在蓄电池和超级电容器之间重新分配，即两电源之间存在多余的电流涌动，电流涌动将进一步增加系统热损耗，使得复合电源效率低、能量损失较大。

在现有的再生制动能量回收系统中，蓄电池组负责存储回收的能量，但是在蓄电池组的再充电过程中，蓄电池电化学反应机理的特性决定了电能转化并存储的效率不高，进而导致整车续驶里程减少。

为了减小驱动电机工作电流，降低热量损耗，保护各零部件，纯电动汽车用电电压目前有向高压方向发展的趋势，在提供相同功率的同时可以减小工作电流，降低发热损耗，并减少线路总重。但是对于蓄电池来说，高压就意味着需要更多数量的电池模块进行串联，这将导致蓄电池组内阻增大、一致性和稳定性下降等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了传统车用电源不适合大电流充放电，能量利用率低、制动能量存储效率低的问题，提供了一种纯电动客车用的主动控制式复合电源，同时也提供了一种纯电动客车用的主动控制式复合电源的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的一种纯电动客车用主动控制式复合电源由锂离子蓄电池组、控制电路和超级电容器组成。

所述的控制电路包括绝缘栅双极型晶体管T、二极管D、电阻R1、电阻R2、电感线圈L、电流表A1、电流表A2，电压表V、继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4。

电感线圈L的一端同和绝缘栅双极型晶体管T的正极与二极管D的正极电线连接，二极管负极同和继电器S1与继电器S2的1端口电线连接，继电器S1的2端口与电阻R1的一端电线连接，电阻R1的另一端与电流表A1的正极电线连接，继电器S2的2端口与电流表A1的正极电线连接，电流表A1的负极同和继电器S3的1端口与继电器S4的1端口电线连接，继电器S3的2端口与电阻R2的一端电线连接，电阻R2的另一端和电流表A2的正极电线连接，继电器S4的2端口与电流表A2的正极电线连接。

锂离子蓄电池组的正极与电感线圈L的另一端电线连接，锂离子蓄电池组的负极同和绝缘栅双极型晶体管T的负极与超级电容器的负极电线连接，超级电容器的正极与电流表A1的负极电线连接，电压表V和超级电容器并联。

技术方案中所述的继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4结构相同，继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4为常开式继电器，每个继电器都设置有g端口、m端口、1端口与2端口。

技术方案中所述的继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4上的g端口和车载5V辅助电源正极电线连接，继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4上的m端口依次和型号为YP28TK24UQ的插头的3号引脚、4号引脚、17号引脚与18号引脚电线连接。

所述的电流表A2的负极和电机控制器的正极电线连接，锂离子蓄电池组的负极与超级电容器的负极同和电机控制器的负极电线连接。

一种纯电动客车用主动控制式复合电源的控制方法，其步骤如下：

1）纯电动客车启动阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

驾驶员打开点火开关，纯电动客车起步瞬间主动控制式复合电源进入预充电阶段，电源控制器根据超级电容器的初始电压、环境温度，控制锂离子蓄电池组给超级电容器的充电电流和功率大小，同时电源控制器实时监测超级电容器的电压值，当超级电容器电压上升至期望值，超级电容器的预充电停止。在锂离子蓄电池组给超级电容器进行预充电的同时，锂离子蓄电池组也给驱动电机中的电容器进行预充电，两项预充电操作均可以在1至2秒内完成，然后纯电动客车进入行车模式。

2）纯电动客车起步阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

起步阶段中纯电动客车首先进行加速，此时主动控制式复合电源需要为驱动电机提供大电流，电源控制器控制超级电容器发出大电流，经电机控制器进入驱动电机驱动纯电动客车起步，当车辆速度达到30km/h时，起步阶段完成，纯电动客车进入平稳行驶阶段。

3）纯电动客车平稳行驶阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

在纯电动客车的平稳行驶阶段，车辆的功率需求比起步阶段小，此时，锂离子蓄电池组单独为驱动电机供电，同时在电源控制器作用下，超级电容器进行实时电量保持。

4）纯电动客车实施制动减速阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

纯电动客车在平稳行驶中需要制动减速时，随着驾驶员松开加速踏板并踩下制动踏板，VCU收到加速踏板、制动踏板传感器的信号，首先判断出驾驶员制动减速的意图，然后VCU向电机控制器发出指令，控制驱动电机停止输出转矩并且切换到发电机状态，通过车轮对驱动电机的反拖，驱动电机将整车的部分动能转化为电能并存储到超级电容器中；当制动减速阶段停止时，VCU再次向电机控制器发送指令，驱动电机再由发电机状态再切换回驱动状态以输出转矩。

5）纯电动客车平稳行驶后急加速阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

纯电动客车在平稳行驶中偶尔需要加速时，在锂离子蓄电池组平稳供电的基础上,电源控制器会让超级电容器切入到供电电路中，锂离子蓄电池组与超级电容器并联一起为驱动电机供电。

6）纯电动客车循环行驶和停车阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

在纯电动客车加速或者减速阶段完成，车速达到稳定后，电源控制器控制超级电容器再次退出供电，继续由锂离子蓄电池组给驱动电机平稳供电；当车辆行驶状态再次发生改变即减速或者加速时，重复进行步骤4）和步骤5），控制超级电容器按照纯电动客车需求随时充放电，根据不同车速，让超级电容器电压趋向于期望值V_E，直到纯电动客车到达目的地停车为止。

技术方案中所述的纯电动客车平稳行驶阶段超级电容器进行实时电量保持是指：

主动控制式复合电源充分利用了超级电容器相对于锂离子蓄电池组更具有循环充放电次数多，适合大电流充放电以及充电效率高的优势，让超级电容器代替锂离子蓄电池组来应对加速时需要电源大电流放电、制动时回收存储能量的工况；

超级电容器期望值V_E计算公式为：

$V_E=V_{\max }\sqrt{1-k{\left(\frac{v_{\mathrm{fact}}}{v_{\max }}\right)}^2}---\left(1\right)$

其中：V_E-超级电容器期望电压；V_max-超级电容器最高电压；v_fact-实际车速，单位.km/h；v_max-整车设计最高车速，120km/h；k-循环中超级电容器能量利用率，数值上等于0.75。

在纯电动客车起步时，根据纯电动客车控制系统预先设定的电压值给超级电容器充电，电源控制器控制升压电路中IGBT通断的占空比D_u，调节输出电压与输入电压之间的电压比值，计算公式为：

$U_{\mathrm{out}}=\frac{U_{\mathrm{in}}}{1-D_u},$ $D_u=1-\frac{U_{\mathrm{bat}}}{V_E}---\left(2\right)$

其中：U_out为输出电压，数值上大小为定值V_E，U_in为输入电压，数值上大小为U_bat，D_u为占空比。

电源控制器通过采集锂离子蓄电池组的电压、超级电容器的实际电压与从整车控制器接受的车速信息，根据公式（1）计算出超级电容器的期望电压V_E，再根据公式（2）计算得出占空比大小，通过这种方式实现控制升压电路的目的。在纯电动客车正常行驶中，电源控制器不断采集超级电容器的实际电压值，并将实际电压值与根据公式计算的V_E进行比较：当实际电压值小于超级电容器的期望电压V_E时，锂离子蓄电池组则以恒压方式实时为超级电容器充电；当超级电容器的电压达到或超过期望值V_E时，充电完成；在纯电动客车运行过程中，充电操作实时进行，直至纯电动客车到达目的地为止。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

为了缓解现有纯电动汽车动力性和经济性之间的矛盾，提出了一种纯电动汽车用的具有高功率密度和高能量密度特点的新型储能装置及其控制方法。通过合理的匹配与控制，使用蓄电池组的使用寿命得以延长，同时还可以降低整车成本、提高整车制动能量回收效能，实现在满足整车动力性的同时改善纯电动汽车经济性的目的。

相对于目前存在的单一蓄电池式电动客车，采用本发明中所述的主动控制式复合电源的纯电动客车续驶里程得以延长，并且避免了复合电源中蓄电池与超级电容器之间不必要的能量流动，提高了电动客车的能量利用效率。

在客车起步、急加速等工况下需要的大电流，由超级电容器提供所需能量，充分发挥超级电容器适合大电流充放电的优势，并且保护蓄电池，延长蓄电池使用寿命。

图5-a至图6列出了本发明中采用主动控制式复合电源以及现有技术中采用单一蓄电池和直接并联式复合电源三种电源的电流、能量损耗对比情况。

参阅图5-a、图5-b与图5-c，图中是分别使用三种电源的电动客车的三种电源各自的放电情况：

参阅图5-a，单一电池参数为：容量168Ah，内阻0.23欧姆，标称电压600V，工作电压480-670V，放电过程能量损耗表现为内阻损耗，充电过程能量损耗表现为内阻损耗与充电损耗。单一电池的情况下，蓄电池的电流与负载需求电流相同，而车辆在行驶中进行加速、爬坡等需要大功率放电时，就势必造成电池的大电流放电，严重影响电池寿命。

参阅图5-b，图中为电池和电容直接并联式充放电电流情况，其中电池参数为：容量168Ah，内阻0.23欧姆，标称电压600V，工作电压480-670V，电容容量3000F（Maxwell BACP 3000 P270 T05），内阻0.29毫欧姆，节数270节，总内阻0.0783欧姆，放电过程能量损耗表现为电池内阻损耗和电容内阻损耗，充电过程能量损耗表现为电池内阻损耗、电容内阻损耗、电池充电损耗与电容充电损耗。这种电源可以缓和蓄电池的大电流放电，但是蓄电池和超级电容器不必要的电流涌动，降低了电源效率。

参阅图5-c，电池参数为：容量300Ah，内阻0.072欧姆，标称电压336V，工作电压300-438V，电容容量3000F（Maxwell BACP 3000 P270 T05），内阻0.29毫欧姆，节数270节，总内阻0.0783欧姆，放电过程能量损耗表现为电池内阻损耗与电容内阻损耗，充电过程能量损耗表现为电容内阻损耗与电容充电损耗。在上述三种电源的负载损耗相同的情况下，通过电源充放电，记录通过电容、电池及负载上的电流，然后计算负载上的能量损耗，估算它们之间的放电效能并进行对比，通过循环放电次数换算出效率提高百分比。

通过公式：

在I<0，即充电时，电源有充电损耗，由超级电容器充电效率eff=98%计算可得：

相对于采用单一电池作为电源的纯电动客车，采用直接并联式复合电源的纯电动客车的能量利用效率提高了6%，采用主动控制式复合电源的纯电动客车的能量利用效率则提高了23%，相对于采用直接并联式复合电源的电动客车，采用主动控制式复合电源的电动客车的能量利用效率又提高了16%。以上对比说明本发明的主动控制式复合电源在车用情况下的节能效果显著。图6为三种电源在同一工况下工作循环次数的量化对比结果，从对比结果可以看出能量利用效率的提高程度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1-a是本发明所述的一种纯电动客车用的主动控制式复合电源的结构示意图；

图1-b是本发明所述的一种纯电动客车用的主动控制式复合电源的内部电路图；

图1-c是本发明所述的一种纯电动客车用的主动控制式复合电源信号采集和连接装置的结构示意图；

图1-d是本发明所述的一种纯电动客车用的主动控制式复合电源中型号为YP28ZJ15UQ的信号采集线的插头的引脚结构图；

图1-e是本发明所述的一种纯电动客车用的主动控制式复合电源中型号为YP28TK24UQ的信号采集线的插头的引脚结构图；

图2是采用本发明所述的一种主动控制式复合电源的纯电动客车整车结构组成的示意框图；

图3是采用本发明所述的一种主动控制式复合电源的纯电动客车的操纵控制方法的流程框图；

图4是本发明所述的一种纯电动客车用的主动控制式复合电源的控制流程框图；

图5-a是应用Matlab/Simulink软件对电动客车采用的单一电池放电情况的仿真分析显示放电时电池及负载电流大小的曲线图；

图5-b是应用Mat lab/S imulink软件对电动客车采用电池电容直接并联式电源时放电情况的仿真分析，显示放电时电池、电容及负载的电流变化曲线图；

图5-c是应用Matlab/Simulink软件对电动客车采用主动控制式复合电源时放电情况的仿真分析，显示放电时电池、电容及负载的电流变化曲线图；

图6是分别采用单一蓄电池、直接并联式复合电源和主动控制式复合电源的电动客车的电源工作循环次数对比柱状图；

图中：1.车载信息显示器，2.整车控制器，3.电机控制器，4.驱动电机，5.变速器，6.驱动桥，7.电源控制器，8.超级电容器，9.升压电路组件，10.锂离子蓄电池组，11.降压电路，12.辅助电源，13.充电器，14.外接电源，15.空调，16.空调控制器，17.车灯，18.仪表盘，19.音响系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明提供了一种纯电动客车用主动控制式复合电源，所用的纯电动客车车体是采用中国专利公告号为CN201553048U，公告日为2010.08.18，发明名称为“一种纯电动客车”中的客车构架为基本构架，包括传统客车的传动装置，如变速器、驱动桥、半轴、驱动车轮、以及车辆的其他附件如车灯、音响系统与仪表盘等。本发明所述的纯电动客车用主动控制式复合电源与单一蓄电池作为电源相比增加了超级电容器，即采用了主动控制式复合电源，与直接并联式电源相比在锂离子蓄电池组10与超级电容器8之间增加了控制电路。

参阅图1，图中是对本发明所述的采用主动控制式复合电源的纯电动客车的复合电源介绍。参阅图1-a，主动控制式复合电源由锂离子蓄电池组10、控制电路和超级电容器8组成。高压配电箱内是控制电路，要求高压配电箱坚固、绝缘。高压配电箱与外部的锂离子蓄电池组10和超级电容器8以及负载通过高压电线依据正极接正、负极接负的原则相连接。锂离子蓄电池组10的能量密度大，存储的电能多，但是循环寿命较短，不适宜大电流充放电；超级电容器8的功率密度高，充放电寿命长，但是不适宜大量储能。此处将二者的优势结合起来，并配以主动控制，实现了纯电动客车电源的优化。

参阅图1-b，图中所示的是高压配电箱内部设置的主动控制式复合电源的控制电路，其左端是锂离子蓄电池组10与超级电容器8的接口，其右端是控制信号线和负载接口。锂离子蓄电池组10的相关参数为：容量300Ah，内阻0.072欧姆，标称电压336V；超级电容器8的相关参数为：工作电压300-438V，电容容量3000F，内阻0.29毫欧姆，节数270节，总内阻0.0783欧姆。中间部分是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）T、二极管D、电阻R1、电阻R2、电感线圈L、电流表A1、电流表A2，电压表V、继电器S1、继电器S2、继电器S3及继电器S4。继电器S1、继电器S2、继电器S3及继电器S4结构相同，每个继电器都有g、m、1、2四个端口，4个继电器的g端口统一连接相同的车载5V辅助电源正极，四个继电器的m端口依次连接高压配电箱上型号为YP28TK24UQ的插头的3号引脚、4号引脚、17号引脚与18号引脚，插头的另一端与电源控制器7上的芯片引脚连接以实现低压电路的导通与断开，进而控制纯电动车的高压电源，IGBT、二极管D和电感线圈L构成了IGBT升压电路，可使锂离子蓄电池组10的电压经过升压后高于超级电容器8两端的电压，进而给超级电容器8充电。主动控制式复合电源的具体连接为：

锂离子蓄电池组10的正极与电感线圈L的一端电线连接，电感线圈L的另一端同和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）T的正极与二极管D的正极电线连接，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）T的负极与锂离子蓄电池组10的负极电线连接，二极管负极同和继电器S1与继电器S2的1端口电线连接，继电器S1的2端口与电阻R1的一端电线连接，电阻R1的另一端与电流表A1的正极电线连接，继电器S2的2号端口与电流表A1的正极电线连接。电流表A1的负极同和超级电容器8的正极、继电器S3的1端口与继电器S4的1端口电线连接，继电器S3的2端口与电阻R2的一端电线连接，电阻R2的另一端和电流表A2的正极电线连接，继电器S4的2端口与电流表A2的正极电线连接。电流表A2的负极和负载电线连接，即电流表A2的负极和电机控制器的正极电线连接。

锂离子蓄电池组10的负极同和超级电容器8的负极与电机控制器的负极电线连接，电压表V接在超级电容器8的两侧即和超级电容器8并联，采集超级电容器8的电压数据。

本发明的创新在于锂离子蓄电池组10与超级电容器8之间的能量流动是单向的，即锂离子蓄电池组10输出的电压被升压电路升压后，由于二极管的作用，电量只能从锂离子蓄电池组10单向流入超级电容器8，而不能反向流动。避免了直接并联式复合电源电动客车的能量在电池与电容之间往复涌动造成的损失。继电器S1是超级电容器8的预充电开关，电阻R1能防止预充电电流过大，起到保护电源电路的作用。继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4是常开式继电器，当驾驶员启动点火开关时，主动控制式复合电源先进行预充电操作，电源控制器发出控制信号，控制继电器S1闭合，电流从锂离子蓄电池组10发出，经IGBT升压电路升压后给超级电容器8充电，同时采集超级电容器8两端的电压值，电源控制器根据此电压值判断预充电程度，直到电压值达到期望值为止。在给超级电容器8预充电的同时，S3闭合，预充电电流通过继电器S1、电阻R1、电流表A1、继电器S3、电阻R2、电流表A2后给电机控制器3内的滤波电容预充电，电阻R2与电阻R1的作用相同，防止预充电电流过大。当预充电完成之后，继电器S1和继电器S3断开、继电器S4闭合，此时纯电动客车开始进行起步加速，起步加速阶段能量全部由超级电容器8提供。电流表A1、电流表A2及电压表V1实时测量电路电信号并传输给电源控制器7，电源控制器7根据采集的信息和整车控制器2的信号，确定锂离子蓄电池组10介入工作的时刻。纯电动客车起步加速阶段结束后，车辆进入平稳行驶阶段，经过起步阶段的放电，超级电容器8电量将下降到满电时电量的50%，此时需要对其充电，充电能量全部来自锂离子蓄电池组10，在给超级电容器8充电时，电源控制器发出信号，控制继电器S2接通。由于行车过程中，超级电容器8内还有剩余电量，它的电压与锂离子蓄电池组10升压后的电压相差不大，不需要经过预充电电阻R1即可完成行驶过程中的充电动作，避免了电阻R1的电能损耗，也就可以提高能量利用效率。若行驶过程中需要急加速，则锂离子蓄电池组10与超级电容器8共同给驱动电机4供电，保证汽车的动力供应。高压配电箱的外面是负载，即驱动电机4，正常驱动过程中，驱动电机4负载消耗电能，但是在纯电动客车制动时，电机控制器3会控制驱动电机4工作在发电状态，反向给超级电容器8充电。在反向电流回流过程中，由于二极管的作用，电流无法流入锂离子蓄电池组10，制动产生的能量全部进入超级电容器8，这可以避免锂离子蓄电池组10频繁充电。锂离子蓄电池组10和超级电容器8通过电线与高压配电箱相连，继电器S1、继电器S2、继电器S3、继电器S4分别有控制端口与外部控制器的控制信号线相连，继电器S1、继电器S2、继电器S3、继电器S4的控制端接24V恒压直流电源。

参阅图1-c，所述的主动控制式复合电源信号采集和连接装置的任务是采集锂离子蓄电池组10和超级电容器8的状态信息（包括电压、电流以及温度信息），然后将信号送入电源控制器7行信息处理并与整车控制器2之间进行信息交换。高压配电箱内布置有电路绝缘检测模块、电流传感器、继电器S1、继电器S2、继电器S3及继电器S4。锂离子蓄电池组10、超级电容器8与CAN总线的连接口为8芯的型号为YP28ZJ15UQ的插头，高压配电箱上的插头采用19芯的型号为YP28TK24UQ的插头，控制信号的传输遵循CAN通讯协议。

参阅图1-d，8芯的型号为YP28ZJ15UQ的插头，在设计中引脚的接口定义为：1—+24V，2—-24V，3—CANH，4—CANL。1号引脚、2号引脚是24V电源供电引脚，3号引脚、4号引脚为CAN总线引脚，5号引脚至8号引脚置为空闲状态。

参阅图1-e，19芯的型号为YP28TK24UQ的插头，在设计中引脚的接口定义为：1—+24V，2—-24V，3—Z4+，4—Z3+，8—GY1，9—GY2，10—GYGND，12—I1，13—I2，14—I-，15—+5V，17—Z2+，18—Z1+，19—ZGND，1号引脚、2号引脚是24V电源供电引脚，3号引脚和4号引脚是继电器SI和S2的低压控制端引脚，8号引脚至10号引脚是绝缘电阻检测模块引脚，12号引脚至15号引脚是电流传感器引脚，17号引脚至19号引脚是直流接触器引脚。其他引脚置为空闲状态。

图2是本发明中的车载复合电源在纯电动客车上的连接图。整车控制器2、电机控制器3、电源控制器7、空调控制器16组成了纯电动客车的控制系统，图2中表述了采用本发明的主动控制式复合电源的纯电动客车，该车的主要部件包括整车骨架（车体、传动装置如变速器5、驱动桥6、半轴、驱动车轮以及车辆的其他附件如车灯17、音响系统19与仪表盘18）、车载信息显示器1、电动客车的控制系统（整车控制器2、电机控制器3、电源控制器7、空调控制器16）、驱动电机4与主动控制式复合电源。

在控制系统中，整车控制器2是纯电动客车控制系统的核心,整车控制器2电连接车载信息显示器1、挡位传感器、加速踏板传感器、制动踏板传感器、电机控制器3、电源控制器7和空调控制器16。电机控制器3电连接驱动电机4，电源控制器7通过CAN总线连接主动控制式复合电源，空调控制器16电连接空调15。各控制器之间是通过数据线相连接，通信方式采用CAN网络通信。纯电动客车的动力系统主要包括主动控制式复合电源、电机控制器3、驱动电机4、变速器5、驱动桥6和车轮。主动控制式复合电源包括锂离子蓄电池组10、控制电路和超级电容器8，锂离子蓄电池组10额定电压为336V，超级电容器8的额定电压是600V，锂离子蓄电池组10的输出端连接有升压电路组件9，升压电路组件9连接超级电容器8和电机控制器3。通过充电器13，在纯电动客车停车时外接电源14对锂离子蓄电池组10进行充电，锂离子蓄电池组10是纯电动客车在行车过程中能量的最终来源。除此之外，锂离子蓄电池组10还通过降压电路11与辅助电源12电相连，辅助电源为24V低压蓄电池，为低压附件如车灯17、仪表盘18和音响系统19供电。整车控制器2接收来自驾驶员的挡位、加速踏板与制动踏板的信息后，推断驾驶员的操作意图，按照程序向电源控制器、电机控制器发送需求指令，同时将相关的车速、发动机转速等信息输出显示到车载显示器1上，供驾驶员参考。电源控制器7控制超级电容器8和蓄电池组10，接收两电源的荷电状态（SOC）、电压、电流、温度信息，调整电源和电机控制器3之间的能量流动。通过高压配电箱，把电源部分中除了超级电容器8和蓄电池组10之外各部件都集成到里面。超级电容器8和锂离子蓄电池组10之间的能量通过二极管实现单向流动，超级电容器8、锂离子蓄电池组10与电源控制器7之间是通过封装的高压电线相连。超级电容器8与电机控制器3之间的能量流动是双向的：纯电动客车在加速或者爬坡等工况下对驱动电机4有大功率需求时，超级电容器8为驱动电机4供电；纯电动客车在制动减速工况下驱动电机产生再生能量时，超级电容器8进行能量回收。

纯电动客车用主动控制式复合电源的控制方法，步骤如下：

1.纯电动客车启动阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

驾驶员打开点火开关，纯电动客车起步瞬间主动控制式复合电源进入预充电阶段，电源控制器7根据超级电容器8的初始电压、环境温度，控制锂离子蓄电池组10给超级电容器8的充电电流和功率大小，同时电源控制器7实时监测超级电容器8的电压值，当超级电容器8电压上升至期望值，超级电容器8的预充电停止；在锂离子蓄电池组10给超级电容器8进行预充电的同时，锂离子蓄电池组10也给驱动电机4中的电容器进行预充电，两项预充电操作均可以在1至2秒内完成，然后纯电动客车进入行车模式。

2.纯电动客车起步阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

起步阶段中纯电动客车首先进行加速，此时主动控制式复合电源需要为驱动电机4提供大电流，利用超级电容器8适宜大电流放电的特性，在需要大电流驱动的加速工况，电源控制器7控制超级电容器8发出大电流，经电机控制器3进入驱动电机4驱动纯电动客车起步。当车辆速度达到30km/h时，起步阶段完成，纯电动客车进入平稳行驶阶段。

3.纯电动客车平稳行驶阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

在纯电动客车的平稳行驶阶段，车辆的功率需求比起步阶段小，此时锂离子蓄电池组10单独为驱动电机4供电，同时在电源控制器7作用下，超级电容器8进行实时电量保持，平稳行驶中超级电容器8暂停对驱动电机4供电，锂离子蓄电池组10单独带动驱动电机4工作。

4.纯电动客车实施制动减速阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

纯电动客车在平稳行驶中需要制动减速时，随着驾驶员松开加速踏板并踩下制动踏板，VCU收到加速踏板、制动踏板传感器的信号，首先判断出驾驶员制动减速的意图，然后VCU向电机控制器3发出指令，控制驱动电机停止输出转矩并且切换到发电机状态，通过车轮对驱动电机4的反拖，驱动电机4将整车的部分动能转化为电能并存储到超级电容器8中。这一过程就是再生制动过程，再生制动将产生很大电流，此时利用超级电容器8储存制动能量以备使用。当制动减速阶段停止时，VCU再次向电机控制器3发送指令，驱动电机再由发电机状态再切换回驱动状态以输出转矩。

5.纯电动客车平稳行驶后急加速阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

纯电动客车在平稳行驶中偶尔需要加速（如超车）时，在锂离子蓄电池组10平稳供电的基础上,电源控制器7会让超级电容器8切入到供电电路中，并提供大电流，锂离子蓄电池组10与超级电容器8以并联形式一起为驱动电机4供电，对锂离子蓄电池组10大电流放电进行削峰，达到保护蓄电池的目的。

6.纯电动客车循环行驶和停车阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

在纯电动客车加速或者减速阶段完成，车速达到稳定后，电源控制器7控制超级电容器8再次退出供电，继续由锂离子蓄电池组10给驱动电机4平稳供电。当车辆行驶状态再次发生改变（减速或者加速）时，重复进行步骤4、5的操作，控制超级电容器8按照纯电动客车需求随时充放电，根据不同车速，让超级电容器8的电压趋向于期望值V_E，直到纯电动客车到达目的地停车为止。

本专利中采用的主动控制式复合电源，充分利用了超级电容器8相对于锂离子蓄电池组10更具有循环充放电次数多，适合大电流充放电以及充电效率高的优势。让超级电容器8代替锂离子蓄电池组10来应对加速时需要电源大电流放电、制动时回收存储能量的工况。

超级电容器8期望值V_E计算公式为：

$V_E=V_{\max }\sqrt{1-k{\left(\frac{v_{\mathrm{fact}}}{v_{\max }}\right)}^2}---\left(1\right)$

其中：V_E-超级电容器期望电压；V_max-超级电容器最高电压；v_fact-实际车速，单位.km/h；v_max-整车设计最高车速，120km/h；k-循环中超级电容器能量利用率，数值上等于0.75。

参阅图4，图中为锂离子蓄电池组10给超级电容器8供电的控制方法，此方法贯穿在对主动控制式复合电源的超级电容器进行充电的所有阶段。

在纯电动客车起步时，根据纯电动客车控制系统预先设定的电压值给超级电容器8充电，电源控制器7控制升压电路中IGBT通断的占空比D_u，调节输出电压与输入电压之间的电压比值，计算公式为：

$U_{\mathrm{out}}=\frac{U_{\mathrm{in}}}{1-D_u},$ $D_u=1-\frac{U_{\mathrm{bat}}}{V_E}---\left(2\right)$

其中：U_out为输出电压，数值上大小为定值V_E，U_in为输入电压，数值上大小为U_bat，D_u为占空比，电源控制器7通过采集锂离子蓄电池组10的电压、超级电容器的实际电压与从整车控制器2接受的车速信息，根据公式（1）计算出超级电容8的期望电压V_E，再根据公式（2）计算得出占空比大小，通过这种方式实现控制升压电路的目的。在纯电动客车正常行驶中，电源控制器7不断采集超级电容器8的实际电压值，并将实际电压值与根据公式计算的V_E进行比较：当实际电压值小于超级电容器期望电压V_E时，锂离子蓄电池组10则以恒压方式实时为超级电容器8充电；当超级电容器8电压达到或超过期望值V_E时，充电完成。在纯电动客车运行过程中，充电操作实时进行，直至纯电动客车到达目的地为止。

Claims (5)

1.一种纯电动客车用主动控制式复合电源，其特征在于，所述的一种纯电动客车用主动控制式复合电源由锂离子蓄电池组（10）、控制电路和超级电容器（8）组成；

所述的控制电路包括绝缘栅双极型晶体管T、二极管D、电阻R1、电阻R2、电感线圈L、电流表A1、电流表A2，电压表V、继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4；

电感线圈L的一端同和绝缘栅双极型晶体管T的正极与二极管D的正极电线连接，二极管负极同和继电器S1与继电器S2的1端口电线连接，继电器S1的2端口与电阻R1的一端电线连接，电阻R1的另一端与电流表A1的正极电线连接，继电器S2的2端口与电流表A1的正极电线连接，电流表A1的负极同和继电器S3的1端口与继电器S4的1端口电线连接，继电器S3的2端口与电阻R2的一端电线连接，电阻R2的另一端和电流表A2的正极电线连接，继电器S4的2端口与电流表A2的正极电线连接；

锂离子蓄电池组（10）的正极与电感线圈L的另一端电线连接，锂离子蓄电池组（10）的负极同和绝缘栅双极型晶体管T的负极与超级电容器（8）的负极电线连接，超级电容器（8）的正极与电流表A1的负极电线连接，电压表V和超级电容器（8）并联。

2.按照权利要求1所述的一种纯电动客车用主动控制式复合电源，其特征在于，所述的继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4结构相同，继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4为常开式继电器，每个继电器都设置有g端口、m端口、1端口与2端口。

3.按照权利要求1所述的一种纯电动客车用主动控制式复合电源，其特征在于，所述的继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4上的g端口和车载5V辅助电源正极电线连接，继电器S1、继电器S2、继电器S3与继电器S4上的m端口依次和型号为YP28TK24UQ的插头的3号引脚、4号引脚、17号引脚与18号引脚电线连接；

所述的电流表A2的负极和电机控制器的正极电线连接，锂离子蓄电池组（10）的负极与超级电容器（8）的负极同和电机控制器的负极电线连接。

4.一种权利要求1所述的一种纯电动客车用主动控制式复合电源的控制方法，其特征在于，所述的一种纯电动客车用主动控制式复合电源的控制方法步骤如下：

1）纯电动客车启动阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

驾驶员打开点火开关，纯电动客车起步瞬间主动控制式复合电源进入预充电阶段，电源控制器（7）根据超级电容器（8）的初始电压、环境温度，控制锂离子蓄电池组（10）给超级电容器（8）的充电电流和功率大小，同时电源控制器（7）实时监测超级电容器（8）的电压值，当超级电容器（8）电压上升至期望值，超级电容器（8）的预充电停止；在锂离子蓄电池组（10）给超级电容器（8）进行预充电的同时，锂离子蓄电池组（10）也给驱动电机（4）中的电容器进行预充电，两项预充电操作均可以在1至2秒内完成，然后纯电动客车进入行车模式；

2）纯电动客车起步阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

起步阶段中纯电动客车首先进行加速，此时主动控制式复合电源需要为驱动电机（4）提供大电流，电源控制器（7）控制超级电容器（8）发出大电流，经电机控制器（3）进入驱动电机（4）驱动纯电动客车起步，当车辆速度达到30km/h时，起步阶段完成，纯电动客车进入平稳行驶阶段；

3）纯电动客车平稳行驶阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

在纯电动客车的平稳行驶阶段，车辆的功率需求比起步阶段小，此时，锂离子蓄电池组（10）单独为驱动电机（4）供电，同时在电源控制器（7）作用下，超级电容器（8）进行实时电量保持；

4）纯电动客车实施制动减速阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

纯电动客车在平稳行驶中需要制动减速时，随着驾驶员松开加速踏板并踩下制动踏板，VCU收到加速踏板、制动踏板传感器的信号，首先判断出驾驶员制动减速的意图，然后VCU向电机控制器（3）发出指令，控制驱动电机（4）停止输出转矩并且切换到发电机状态，通过车轮对驱动电机（4）的反拖，驱动电机（4）将整车的部分动能转化为电能并存储到超级电容器（8）中；当制动减速阶段停止时，VCU再次向电机控制器（3）发送指令，驱动电机（4）再由发电机状态再切换回驱动状态以输出转矩；

5）纯电动客车平稳行驶后急加速阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

纯电动客车在平稳行驶中偶尔需要加速时，在锂离子蓄电池组（10）平稳供电的基础上,电源控制器（7）会让超级电容器（8）切入到供电电路中，锂离子蓄电池组（10）与超级电容器（8）并联一起为驱动电机（4）供电；

6）纯电动客车循环行驶和停车阶段时主动控制式复合电源的主动控制：

在纯电动客车加速或者减速阶段完成，车速达到稳定后，电源控制器（7）控制超级电容器（8）再次退出供电，继续由锂离子蓄电池组（10）给驱动电机（4）平稳供电；当车辆行驶状态再次发生改变即减速或者加速时，重复进行步骤4）和步骤5），控制超级电容器（8）按照纯电动客车需求随时充放电，根据不同车速，让超级电容器（8）电压趋向于期望值V_E，直到纯电动客车到达目的地停车为止。

5.按照权利要求4所述的一种纯电动客车用主动控制式复合电源的控制方法，其特征在于，所述的纯电动客车平稳行驶阶段超级电容器（8）进行实时电量保持是指：

主动控制式复合电源充分利用了超级电容器（8）相对于锂离子蓄电池组（10）更具有循环充放电次数多，适合大电流充放电以及充电效率高的优势，让超级电容器（8）代替锂离子蓄电池组（10）来应对加速时需要电源大电流放电、制动时回收存储能量的工况；

超级电容器（8）期望值V_E计算公式为：

$V_E=V_{\max }\sqrt{1-k{\left(\frac{v_{\mathrm{fact}}}{v_{\max }}\right)}^2}---\left(1\right)$

其中：V_E—超级电容器期望电压；V_max—超级电容器最高电压；v_fact—实际车速，单位.km/h；v_max—整车设计最高车速，120km/h；k—循环中超级电容器能量利用率，数值上等于0.75。

在纯电动客车起步时，根据纯电动客车控制系统预先设定的电压值给超级电容器（8）充电，电源控制器（7）控制升压电路中IGBT通断的占空比D_u，调节输出电压与输入电压之间的电压比值，计算公式为：

$U_{\mathrm{out}}=\frac{U_{\mathrm{in}}}{1-D_u},$ $D_u=1-\frac{U_{\mathrm{bat}}}{V_E}---\left(2\right)$

其中：U_out为输出电压，数值上大小为定值V_E，U_in为输入电压，数值上大小为U_bat，D_u为占空比；

电源控制器（7）通过采集锂离子蓄电池组（10）的电压、超级电容器（8）的实际电压与从整车控制器（2）接受的车速信息，根据公式（1）计算出超级电容器（8）的期望电压V_E，再根据公式（2）计算得出占空比大小，通过这种方式实现控制升压电路的目的；在纯电动客车正常行驶中，电源控制器（7）不断采集超级电容器（8）的实际电压值，并将实际电压值与根据公式计算的V_E进行比较：当实际电压值小于超级电容器（8）的期望电压V_E时，锂离子蓄电池组（10）则以恒压方式实时为超级电容器（8）充电；当超级电容器（8）的电压达到或超过期望值V_E时，充电完成；在纯电动客车运行过程中，充电操作实时进行，直至纯电动客车到达目的地为止。

Images