CN104659921A - 车用复合储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量存储系统，尤其涉及一种车用复合储能系统，属于新能源汽车技术领域。该车用复合储能系统包括：能量型电池组、功率型电池组、开关K1，能量型电池组与功率型电池组的一对同极性端并联在一起连接到对应极性的直流母线上，能量型电池组的另一端与开关K1串联后与功率型电池组的另一端并联，然后再连接到对应极性的直流母线上，直流母线连接动力系统负载，两电池组中的至少一组配备电池管理系统，电池管理系统对开关K1进行控制。其能使两种电池组都工作在最佳的工况，充放发挥各自的优势。

Description

车用复合储能系统

技术领域

本发明涉及一种能量存储系统，尤其涉及一种车用复合储能系统，属于新能源汽车技术领域。

背景技术

随着能源危机和全球变暖问题的日趋严峻，节能减排已成为全球汽车行业的紧迫任务，新能源汽车因此得到了快速的发展，而混合动力汽车和纯电动车是新能源汽车中最有发展前景的两类。

混合动力汽车的动力系统主要由动力单元、储能系统和电驱动系统构成，纯电动汽车只有储能系统和电驱动系统。其中储能系统肩负着向电驱动系统提供电能并吸收电驱动系统在发电和或制动过程中输出的电能，储能系统的效率、容量和功率决定了混合动力系统的动力性和经济性。

储能系统中的储能元件主要有能量型动力电池、功率型动力电池和超级电容等，其中能量型动力电池的特点是能量密度高、成本低，但功率密度低、大倍率充放电效率低至85％以下、寿命短(300～2000循环)；功率型动力电池能量密度较高、成本较高、功率密度大、大倍率充放电效率在90％左右、寿命较长(2000～20000循环)；超级电容能量密度很低、成本很高、功率密度非常大、大倍率充放电效率高95％、寿命很长(1000000循环)。

在实际应用中，是综合考虑车辆使用需求和成本来选择储能元件和系统结构的。在申请号为201210066119.X的专利申请中，对现有的复合储能系统做出了分析并提出了一种基于电池和超级电容的混合储能系统。但是基于超级电容的复合储能系统受到超级电容电压特性软输出电压波动大的制约，需要使用双向DCDC稳定电压、或使用电池分担功率降低电压波动、或牺牲电机控制器的效率和动力性以适应宽电压范围。对于如图1和图2所示的低成本的超级电容与电池混合系统，是通过二极管将电池并联到超级电容上，电池只向超级电容充电，超级电容不向电池充电。如图3所示，该系统在释放能量的时候是超级电容先独立放电、然后超级电容电压下降到与电池相同，此后由于电池电压特性比电容硬，电池就需要承担起放电的大部分功率。如图4所示，此种系统在吸收能量时只有超级电容独立工作，不能重复利用电池的充电能力；该系统能量和功率的混合度都很低，使超级电容和动力电池的容量都不能减配，成本较高。

同时由于能量型电池充电性能远低于放电性能，且0℃以下不能充电，限制了制动能量回收的比例和深度，严重影响经济性。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种车用复合储能系统。

其技术方案为：一种车用复合储能系统，其包括：能量型电池组、功率型电池组、开关K1，能量型电池组与功率型电池组的开路电压范围有交集，能量型电池组与功率型电池组的一对同极性端并联在一起连接到对应极性的直流母线上，能量型电池组的另一端与开关K1串联后与功率型电池组的另一端并联，然后再连接到对应极性的直流母线上，直流母线连接动力系统负载，其中动力系统负载包括电机控制器，所述能量型电池组和功率型电池组中的至少一组配备电池管理系统，电池管理系统对开关K1进行控制。

进一步地，开关K1并联二极管D1，当开关K1断开的情况下，二极管D1在能量型电池组放电时导通。可以在功率型电池组充电电压高于能量型电池组时断开开关使用二极管D1保护能量型电池组防止过压。

进一步地，在能量型电池组与直流母线之间串联功率调节阻抗Z，以改变能量型电池组与直流母线间的等效内阻，从而统一调整功率分配比例。

进一步地，在开关K1上串联功率调节阻抗Z，然后与二极管D1并联，以独立调节充电功率分配比例。

进一步地，二极管D1先串联功率调节阻抗Z，然后与开关K1并联，以独立调节放电功率分配比例。

进一步地，所述功率调节阻抗Z为电阻、电感、容抗，或它们之间两者或三者的组合。

进一步地，该车用复合储能系统还包括充电接口，充电接口的正极与直流母线正极连接，充电接口的负极与直流母线负极连接，可为能量型电池组和功率型电池组充电。

进一步地，能量型电池组的最高工作电压不低于功率型电池组的充电截止电压。

进一步地，功率型电池组的放电截止电压低于能量型电池组SOC为10％时的开路电压。

进一步地，功率型电池组放电截止电压不低于能量型电池组最低工作电压，以充分发挥功率型电池组的放电性能。

优选的，功率型电池组由钛酸锂电池组成。

本发明具有如下有益效果和优点：该车用复合储能系统以功率型电池组代替超级电容来承担输出功率的主力，并利用电池电压特性硬的优点避免了输出电压的大幅波动；另外，该系统通过与能量型动力电池的电压和内阻的匹配，在充放电过程中都能同时工作，分担功率，充放利用了两组储能元件的性能，使两种电池都能工作在最佳的工况，充放发挥各自的优势。

附图说明

图1是现有的一种基于电池和超级电容相结合的混合储能系统；

图2是现有电池加二极管与超级电容并联复合储能系统的电压-能量匹配示意图；

图3是现有电池加二极管与超级电容并联复合储能系统的放电过程功率分配示意图；

图4是现有电池加二极管与超级电容并联复合储能系统的充电过程功率分配示意图；

图5是本发明实施方式1结构图；

图6是本发明实施方式1的电压-能量匹配示意图；

图7是本发明实施方式1放电过程功率分配示意图；

图8是本发明实施方式1制动回馈充电过程功率分配示意图；

图9是本发明实施方式2结构图；

图10是本发明实施方式2的电压-能量匹配示意图；

图11是本发明实施方式2放电过程功率分配示意图；

图12是本发明实施方式2在K1闭合条件下制动回馈充电过程功率分配示意图；

图13是本发明实施方式2在K1断开条件下制动回馈充电过程功率分配示意图；

图14是本发明实施方式3结构图。

具体实施方式

下面参照附图，结合具体实施方式进一步说明本发明，附图中粗实线表示复合储能系统中的电力连接线，细虚线表示通讯及控制信号线，电池管理系统所需传感器和信号采集连接未在附图示出。

实施方式1

如图5所示，车用复合储能系统，由能量型电池组、功率型电池组和开关K1组成；能量型电池组与功率型电池组的开路电压范围基本相同，能量型电池组与功率型电池组的负极端并联在一起连接到动力系统的直流母线的负极，能量型电池组的正极与开关K1的一端相连，开关K1的另一端与功率型电池组的正极并联后连接到直流母线的正极，直流母线连接电机控制器等动力系统负载，两电池组配备一套电池管理系统，电池管理系统内包含功率和能量管理算法并对开关K1进行控制。能量型电池组与功率型电池组的电压和内阻根据动力系统功率需求和两种电池的功率特性进行匹配，通过两种电池的内阻差异分配瞬时功率(功率分配比为内阻的反比)，通过开关K1将能量型电池组在低温不能充电的情况下与回路断开。例如能量型电池组的内阻约为功率型电池组内阻的4倍，能量型电池组的容量约为功率型电池组容量的2倍，两种电池的瞬时功率分配比例约为4：1。充电接口正极与直流母线正极连接，充电接口负极与直流母线负极连接，可为两电池组充电；功率型电池采用钛酸锂电池。

如图6所示，能量型电池组的最高工作电压需不低于功率型电池组的充电截止电压，以充分发挥功率型电池组的充电性能；功率型电池组的放电截止电压低于能量型电池组SOC=10％时的开路电压；功率型电池组放电截止电压不低于能量型电池组最低工作电压，以充分发挥功率型电池组的放电性能。

其按照如下方式工作：

通过调整两电池组的SOC，使其开路电压差小于一定值或相等，闭合开关K1，经过短暂的均衡后两电池组开路电压(简称OCV)相等且等于直流母线电压；参照图7，复合储能系统接入动力系统负载，在动力系统放电情况下，由于电池内阻的作用，两电池组的端电压下降且保持端电压相等；设置功率型电池组的输出功率是能量型电池组的4倍，随着电池中放出的电量积累，功率型电池组放出的能量比能量型电池组放出越来越多的能量，由于OCV随电量减少而减少，所以功率型电池组的OCV会比能量型电池组的OCV下降的快，使得功率型电池的(OCV-端电压)值比能量型电池组小，从而使能量型电池组分配的功率比例增加；由于OCV相对SOC变化平缓，所以功率分配比例的变化也很缓慢；如图8所示，在动力系统制动回馈发电情况下，复合储能系统会充电，由于电池内阻的作用，两电池组的端电压升高；设置功率型电池组的充电功率是能量型电池组的4倍；随着电池中充入的电量积累，功率型电池组比能量型电池组充入越来越多的能量，由于OCV随电量增加而增大，所以功率型电池组的OCV会比能量型电池组的OCV上升的快，使得功率型电池的(端电压-OCV)值比能量型电池组小，从而使能量型电池组分配的功率比例增加；由于OCV相对SOC变化平缓，所以功率分配比例的变化也很缓慢；在低温工作模式下，例如冬季冷启动条件下，大部分碳负极能量型锂离子电池不允许低温充电，而钛酸锂电池允许低温充电，所以需要断开开关K1，仅将功率型电池组接入动力系统工作，并加热能量型电池至允许充电的温度，然后再调整功率型电池组的SOC，满足开关K1闭合条件后闭合开关K1进入正常工作模式；在插电充电模式下，将充电接口与充电机相连，K1闭合，同时给两电池组充电，如果功率型电池组100％SOC下的OCV高于能量型电池组的充电截止电压，则在能量型电池组充满后断开开关K1给功率型电池组单独充电。

通过图7和图8可以看出，在充放电过程中，两电池组的功率分配比例在较长时间内变化不大，可以满足车辆在加速、制动、超车和长坡道工况下对复合储能系统瞬时峰值功率的需要；在整个瞬时充放电过程中，两种电池组的功率都远小于复合储能系统总功率，充放发挥了两种电池组的性能；由于电池电压特性硬，在放电过程中直流母线电压波动范围也较小。

实施方式2

如图9所示，车用复合储能系统，由能量型电池组、功率型电池组、开关K1和二极管D1组成；能量型电池组与功率型电池组的放电截止电压基本相同，能量型电池组的充电截止电压低于功率型电池组的充电截止电压，能量型电池组与功率型电池组的负极端并联在一起连接到动力系统的直流母线的负极，能量型电池组的正极与开关K1的一端相连，开关K1的另一端与功率型电池组的正极并联后连接到直流母线的正极，二极管D1按照能量型电池组放电导通方向与开关K1并联，直流母线连接电机控制器等动力系统负载，两电池组配备一套电池管理系统，电池管理系统内包含功率和能量管理算法并对开关K1进行控制。能量型电池组的内阻约为功率型电池组内阻的4倍，能量型电池组的容量约为功率型电池组容量的2倍，两种电池的瞬时功率分配比例约为4：1。充电接口正极与直流母线正极连接，充电接口负极与直流母线负极连接，可为两电池组充电；功率型电池组为钛酸锂电池。

如图10所示，功率型电池组的充电截止电压远高于能量型电池组的最高工作电压，功率型电池组的放电截止电压低于能量型电池组SOC=10％时的开路电压；功率型电池组放电截止电压不低于能量型电池组最低工作电压，以充分发挥功率型电池组的放电性能。

实施方式2的放电过程、在开关K1闭合情况下的回馈工作过程、插电充电工作过程以及与实施方式1相同。如图13所示，当峰值充电电流非常大，为充分发挥功率型电池组的性能，且防止超出能量型电池组的充电电流限值，需将开关K1断开，停止向能量型电池组充电，独立由功率型电池组充电吸收回馈功率；同时为了利用能量型电池组充放电效率高的特点，可断开开关K1使功率型电池独立吸收回馈能量。实施方式2的低温工作过程与实施方式1不同之处为：二极管D1使能量型电池组参与了放电过程。

实施方式3

该实施方式根据高压安全的需要增加了高压电气管理部件，并针对钛酸锂电池充电性能好的特点提高了功率型电池组的充电功率分配比例。如图14所示，车用复合储能系统，由能量型电池组、功率型电池组、开关K1、开关K2、开关K3、开关K4、开关K5、预充电阻R1、二极管D1和功率调节阻抗Z组成；其中，能量型电池组由k串能量型电池(含EBat1至EBatk共k串电池，其中1＜j＜k)串联组成；功率型电池组由m串功率型电池(含PBat1至PBatm总m串电池，其中1＜n＜m)串联组成，在第n串与第n+1串电池之间串联了熔断器F2；能量型电池组与功率调节阻抗Z、熔断器F1、开关K1串联后将分别与直流母线的正极和开关K5输入端相连；二极管D1按能量型电池组放电导通方向与串联在一起的功率调节阻抗Z和开关K1并联，使能量型电池组在充电过程中的功率分配比例降低；所述功率调节阻抗Z为电阻、电感、容抗，也可以是它们之间任意两者的组合，亦可以是它们三者的组合。功率型电池组与熔断器F2、开关K3串联后分别与直流母线的正极和开关K5的输入端相连；开关K4与预充电阻R1组成预充电阻并联在K3两端；开关K5的输出端与直流母线的负极相连；充电接口与直流母线并联；电池管理系统监控电池组并控制开关K1、开关K2、开关K3、开关K4和开关K5。

其按照如下方式工作：

功率型电池组上电时，闭合开关K5，在闭合开关K4进行预充，预充完成后闭合开关K3；能量型电池组上电时，确认两电池组电压差小于开关K2闭合阀值，闭合开关K2；确认两电池组电压差小于开关K1的闭合阀值时，闭合开关K1；如果两电池组电压差不满足闭合阀值，则在功率型电池组工作过程中，主动调整功率型电池组SOC，使其与能量型电池组的OCV靠近，以满足开关闭合的电压差阀值；两电池系统上电完成后，其他工作过程与实施方式2相同。

Claims (11)

1.车用复合储能系统，其包括：能量型电池组、功率型电池组、开关K1，其特征在于：能量型电池组与功率型电池组的开路电压范围有交集，能量型电池组与功率型电池组的一对同极性端并联在一起连接到对应极性的直流母线上，能量型电池组的另一端与开关K1串联后与功率型电池组的另一端并联，然后再连接到对应极性的直流母线上，直流母线连接动力系统负载，其中动力系统负载包括电机控制器，所述能量型电池组和功率型电池组中的至少一组配备电池管理系统，电池管理系统对开关K1进行控制。

2.根据权利要求2所述的车用复合储能系统，其特征在于：开关K1并联二极管D1，当开关K1断开的情况下，二极管D1在能量型电池组放电时导通。

3.根据权利要求1所述的车用复合储能系统，其特征在于：在能量型电池组与直流母线之间串联功率调节阻抗Z，统一调节充放电功率比例。

4.根据权利要求1、2所述的车用复合储能系统，其特征在于：在开关K1上串联功率调节阻抗Z，然后与二极管D1并联，以独立调节充电功率分配比例。

5.根据权利要求1、2所述的车用复合储能系统，其特征在于：二极管D1先串联功率调节阻抗Z，然后与开关K1并联，以独立调节放电功率分配比例。

6.根据要求3、4、5所述的车用复合储能系统，其特征在于：所述功率调节阻抗Z为电阻、电感、容抗或它们之间两者或三者的组合。

7.根据权利要求1所述的车用复合储能系统，其特征在于：该车用复合储能系统还包括充电接口，充电接口的正极与直流母线正极连接，充电接口的负极与直流母线负极连接，可为能量型电池组和功率型电池组充电。

8.根据权利要求1所述的车用复合储能系统，其特征在于：能量型电池组的最高工作电压不低于功率型电池组的充电截止电压。

9.根据权利要求1所述的车用复合储能系统，其特征在于：功率型电池组的放电截止电压低于能量型电池组SOC为10％时的开路电压。

10.根据权利要求1所述的车用复合储能系统，其特征在于：功率型电池组的放电截止电压不低于能量型电池组最低工作电压。

11.根据权利要求1所述的的车用复合储能系统，其特征在于：功率型电池组由钛酸锂电池组成。