CN105162225A - 一种外混自重构超级电容电池电路及快速充电控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种外混自重构超级电容电池电路及快速充电控制方法，涉及新能源和电动汽车技术。本发明基于可快速充电的自重构超级电容器技术、自重构锂离子电池等化学动力电池技术、电力电子技术和自动控制技术。本发明由可自重构锂离子电池组1等化学动力电池与可快速充电的自重构超级电容器组2，通过电力电子技术外混自重构组成。自重构电池组1和自重构超级电容器组2中各单体器件和整个电池组由自重构控制器8控制。所述外混自重构超级电容大容量动力电池电路的充电控制，由DC/DC快慢速充电控制器7等控制，可在10分钟左右的时间内快速充满电，也可在停车和行驶过程中进行慢速充电，可实现电动汽车的快速充电和增程续航的使用要求。
Description
技术领域
本发明为新能源电动汽车的电源技术和新能源储能技术领域，涉及新能源电动汽车可快速充电的大容量动力电池技术及其充电控制方法、新能源储能技术、超级电容技术、动力电池技术、电力电子技术、自动控制等技术。
背景技术
随着能源短缺问题的日益突出，新能源技术和新能源电动汽车技术的研究已成为当今全世界研究的热点和重点技术。新能源电动汽车已成为今天和未来重要的新能源技术产业。目前，世界发达国家的新能源技术和新能源电动汽车技术及产业正在加快发展。中国目前的新能源技术和新能源电动汽车技术及产业也正在加快发展。但制约新能源电池储能技术和电动汽车发展的主要技术问题还是集中于电池成本较高，充电时间长，续驶里程较短等方面。其中电池技术和充电时间长已成为主要技术瓶颈和关键技术问题。近年来，虽然有不少汽车公司和研究机构的最新研究正在逐渐弥补电动汽车的这些先天缺陷。如目前镍氢电池和锂电池为不少电动车和混合动力车所使用。其中镍氢电池可较快速充电，循环寿命长，同时它不存在重金属污染，也被称为“绿色电池”，但是比能量没有锂电池高。而锂电池，如锂离子电池、锂熔盐电池、锂聚合物电池，虽具备较高的能量密度，等比功率也大、比能量也高，非常适合作为电动车车载电池。但锂离子电池仍还存在充电时间较常、成本高、安全性差等问题。铅酸电池虽然成本低、安全性好，但能量密度不高、等比功率重量较大、等比功率也不大、比能量也不高、存在重金属污染、充电时间常等问题。由于目前所使用的镍氢电池、锂电池、铅酸电池等都是化学电池，都是按照化学原理反应的化学电池，都存在充电时间常等问题。所以目前电动汽车的动力电池问题已成为电动汽车的主要技术瓶颈。其电池的充电时间长和等比功率重量问题已成为关键技术问题。目前在新能源储能技术领域和新能源汽车的能量回收技术领域，已有利用超级电容技术进行短时间的小容量快速储能技术研究和技术应用。但是利用超级电容与化学电池进行自重构外混组合，构成大容量可快速充电的电动汽车动力电池组还没有见到相关技术研究和技术应用报道。
发明内容
本发明针对目前新能源电动汽车所使用的车载化学动力电池，所存在的充电时间较常、等比功率重量较大、续驶里程较短等技术问题，提出了一种可快速充电的外混自重构超级电容动力电池电路及快速充电控制方法。利用可快速充电的超级电容器组与目前所使用的锂电池、镍氢电池、铅酸蓄电池等化学动力电池以及新型铅碳“超级电池”通过自重构技术进行外混组合，构成一种在停车和行驶路途中可在充电站进行快速充电的外混自重构超级电容大容量动力电池组，达到有效缩短电动汽车动力电池充电时间，减轻电动汽车车载动力电池重量，增加续驶里程目的。在电动汽车停车和行驶路途中停车期间可在充电站在10分钟左右的较短充电时间内使整个电池组很快充满电。并且在电动汽车行驶过程中可由已快速充满电的自重构超级电容器组和大容量动力电池组同时向电动汽车供电，同时也可由已快速充满电的自重构超级电容器组向大容量动力电池组继续进行慢速充电，以保证电动汽车的增程续航使用要求。
本发明为实现上述技术目的，提出如下技术方案：
本发明基于可快速充电的自重构超级电容器组技术与锂离子电池组、镍氢电池组、铅酸蓄电池组、新型铅碳“超级电池”组等化学动力电池技术，通过电力电子技术及自动化控制技术，外混组合成可快速充电的高比功率和高比能量的大容量动力电池。
其特征是可由高比功率的超级电容器与高比能量的锂离子电池或镍氢电池进行自重构外混组合，也可由高比功率的超级电容器与低成本高性价比的铅酸蓄电池进行自重构外混组合，也可由高比功率的超级电容器与高比功率和高比能量的新型铅碳“超级电池”等化学动力电池通过电力电子技术及自动控制技术进行外混自重构组合成可快速充电的高比功率和高比能量的大容量动力电池。
所组成的快速充电大容量动力电池的充电控制，由DC/DC限速充电器、DC/DC快速充电器、快速和慢速充电控制器、单相和三相整流及过载保护器等组成，可进行快速和慢速充电。通过控制系统使电动汽车在停车或行驶路途中停车期间在充电站可在10分钟左右的较短时间内使整个电池组很快充满电。在电动汽车行驶使用过程中可由已快速充满电的自重构超级电容器组和大容量动力电池组同时向电动汽车供电，也可由已快速充满电的自重构超级电容器组向大容量动力电池进行慢速充电。
附图说明
说明书附图1是本发明的一种可快速充电的外混自重构超级电容动力电池工作时的电路原理图，是本发明的一种具体实施方法的基本电路原理图。
说明书附图1中的1为自重构电池组，自重构电池组1可由新型铅碳“超级电池”自重构组成，或由锂离子电池自重构组成，或由镍氢电池自重构组成，或由铅酸蓄电池等化学动力电池自重构组成。图1中的2为由超级电容器组成的外混自重构超级电容器组。图1中的3为新能源电动汽车的驱动电机。图1中的4为单相和三相整流及过载保护主电路。图1中的5为DC/DC限速充电主电路，即快慢速充电主电路。图1中的6为DC/DC快速充电主电路。图1中的7为快速和慢速充电控制器。图1中的QS1为新能源电动汽车的驱动直流电动机的电源控制开关。图1中的V1、V2、V3、V4、V5为控制动力电池内部的电流流向的控制二极管。
说明书附图2是本发明的一种可快速充电的外混自重构超级电容动力电池的电路原理图，是本发明自重构超级电容和动力电池组的一种具体实施方法的电路原理图。
说明书附图2中的8为自动检测与报警和自重构控制器，即自动重构电池组和超级电容器组的控制器。如图2所示，由自动检测与报警和自重构控制器8检测电池组1和超级电容器组2中各单体器件的状态，然后由自重构控制器8根据电动汽车的电源使用要求和充电控制要求控制电池组1和超级电容器组2中各串联支路中单体电池和超级电容器件的自动重组。图2中的K9、K10、K11、K12为由自动检测与报警和自重构控制器8所控制的化学动力电池支路和超级电容器支路的自重构开关。在每一动力电池支路的单体电池回路中和超级电容器支路的单体电容回路中均设置有类似K9、K10、K11、K12的开关，由自重构控制器8进行控制。
说明书附图3是本发明快速充电时的工作电路原理图。
说明书附图3中的K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8为快速充电工作时的控制开关。当整个外混自重构超级电容动力电池处于快速充电状态时，控制开关K1、K2、K5、K6由快速和慢速充电控制器7控制处于向上打开状态，控制开关K3、K4、K7、K8由快速和慢速充电控制器7控制处于向下闭合状态。此时，图3中的1电池组处于较快速充电状态，图3中的2超级电容器组处于快速充电状态。图3中的1为化学动力电池自重构模组，在快速充电状态时，图3中1各串联自动重构电池支路通过K1、K2、K3、K4开关的自动重构控制，串联形成高压串联充电电路，进行较快速充电，根据电池性能和充电电源的容量设计，在较短的充电时间内可充到较大容量，如40％、50％、60％以上。图3中的2为自重构超级电容器模组，在快速充电状态时，图3中2各串联超级电容器支路通过K5、K6、K7、K8开关的自重构控制，串联形成高压串联充电电路，充电时间将很短，充电时间根据充电电源的容量设计可控制在5-10分钟内充满。图3中2超级电容器模组的容量设计可占整个动力电池组的总容量的40％-50％。在图3中2超级电容器模组充电结束后，图3中1动力电池组和2超级电容器模组在图3中快慢速充电控制器7的控制下自动回复到图1状态。当图1中开关QS1合上，动力电池组1和超级电容器模组2即可向电动汽车的驱动电机提供稳定的电源。超级电容器模组2在向电动汽车的驱动电机供电和不供电时可继续向电池组1慢速充电，进而可实现电动汽车的快速充电和增程续航的使用要求。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的技术方案和具体实施方式进行详细说明：
如说明书附图1所示，图1中自重构电池组1由多组锂离子电池或镍氢电池等化学动力电池通过自重构方式组成。其每一条串联电池组支路根据电动汽车的动力电池或储能电源电池的电压要求由多个1.5V左右或较高电压的铅碳“超级电池”，或由多个1.5V左右或较高电压的锂离子电池，或由多个1.5V左右或较高电压的镍氢电池，或由多个1.5V左右或较高电压的铅酸蓄电池等化学动力电池通过自重构方式自动串联组成，并由多条串联电池组支路并联组成大容量动力电池组。在每一串联电池组支路中，均具有相应的检测和保护电路，由图1中的7快速和慢速充电控制器进行充电控制。每一串联电池组支路中的单体电池数量由电动汽车的动力电池或储能电源的供电电压所确定，并在每一串联电池组支路中提供自重构的单体备用电池，供每一串联电池组支路自重构时使用。同样，如图1所示，图1中自重构超级电容器组2由多组超级电容器组通过自重构方式组成超级电容器模组。其每一条串联超级电容器组支路根据电动汽车的动力电池或储能电源电池的电压要求由多个1.5V-2.5V左右或较高电压等级的超级电容器模块通过自重构方式串联组成，并由多条自重构方式组成的串联超级电容器组支路并联组成大功率超级电容器组。每一条串联超级电容器组支路均具有相应的检测和保护电路，由图1中的7快速和慢速充电控制器进行控制。在每一串联超级电容器组支路中提供自重构的单体备用超级电容器，供每一串联超级电容器组支路自重构时使用。
如说明书附图2所示，在每一动力电池支路的单体电池回路中和超级电容器支路的单体电容回路中均设置有类似K9、K10、K11、K12的开关，由自动检测与报警和自重构控制器8进行控制。此处所述自重构方式，是指在组成串联电池组或串联超级电容器组前，首先通过检测电路对每一个单体1.5V左右的电池或每一个单体1.5V-2.5V左右的超级电容器进行故障状态检测，如检测出某单体1.5V左右的电池或单体1.5V-2.5V左右的超级电容器存在故障，则该单体故障电池或单体故障超级电容器将不进入自重构串联重组，并对相应单体故障电池或单体故障超级电容器进行故障显示与报警。所有这一切的状态控制均由单片机控制系统进行自动控制。
如说明书附图3所示，当控制开关K1、K2在快速和慢速充电控制器7控制下处于打开状态，控制开关K3、K4在快速和慢速充电控制器7控制处于向下闭合状态时，图3中1大容量动力电池组将处于较快速充电状态。当控制开关K5、K6在快速和慢速充电控制器7控制下处于打开状态，控制开关K7、K8由快速和慢速充电控制器7控制处于向下闭合状态时，图3中的2大功率超级电容器组将处于快速充电状态。每次充电结束后或充电前，对串联电池组各支路和串联超级电容器组各支路的单体器件状态均进行故障检测后进行串联支路的自动重构，进而保证可快速充电的外混自重构超级电容动力电池组的良好使用状态，实现电动汽车的快速充电和增程续航的使用要求。
如说明书附图3所示，自重构电池组(1)通过快慢速充电控制器(7)控制K1、K2、K3、K4等开关，使自重构电池组(1)中各串联支路进行总体串联，通过单相和三相整流及过载保护主电路(4)和DC/DC快慢速充电主电路(5)进行高电压较快速充电，可在10分钟左右的较短充电时间内充到60％以上较大容量，同时自重构超级电容器组(2)通过快慢速充电控制器(7)控制K5、K6、K7、K8等开关，使自重构超级电容器组(2)中各串联支路进行总体串联，通过单相和三相整流及过载保护主电路(4)和DC/DC快速充电主电路(6)、二极管V3进行高电压快速充电，可在10分钟以内的较短充电时间内很快充满电，进而实现整个外混自重构超级电容电池组的快速充电，保证电动汽车的增程续航使用。
如说明书附图1所示，已充满电的自重构超级电容器组(2)可在电动汽车驱动电机(3)停止使用期间，通过快慢速充电控制器(7)、二极管V2和DC/DC快慢速充电主电路(5)继续向自重构电池组(1)进行较快速充电，也可在电动汽车驱动电机(3)使用期间由已充满电的自重构超级电容器组(2)，通过二极管V4、V5和自重构电池组(1)同时向电动汽车驱动电机(3)供电，保证电动汽车的增程续航使用要求。
Claims (8)
1.一种外混自重构超级电容电池电路及快速充电控制方法，包括自重构电池组(1)、自重构超级电容器组(2)、单相和三相整流及过载保护主电路(4)、DC/DC快慢速充电主电路(5)、DC/DC快速充电主电路(6)、快慢速充电控制器(7)、自动检测与报警和自重构控制器(8)。
其特征是由自重构超级电容器组(2)与自重构电池组(1)，通过自动检测与报警和自重构控制器(8)及K1、K2、K3、K4、K5、K6等电力电子开关和二极管V1、V2、V3、V4、V5等电力电子器件进行外混自重构组合，组成可快速充电的高比功率和高比能量与高性价比的大容量动力电池组，所组成的可快速充电大容量动力电池组的充电控制，由DC/DC快慢速充电主电路(5)、DC/DC快速充电主电路(6)、快慢速充电控制器(7)、单相和三相整流及过载保护主电路(4)等进行快速和慢速充电控制。
2.根据权利要求1，自重构电池组(1)可由新型铅碳“超级电池”组通过自重构控制器(8)控制组成，也可由锂离子电池、镍氢电池、铅酸蓄电池等化学动力电池通过自重构控制器(8)控制组成，由自重构电池组(1)和自重构超级电容器组(2)通过自重构控制器(8)和相应电力电子开关电路进行外混自重构组合成可快速充电的高比功率和高比能量与高性价比的大容量动力电池组。
3.根据权利要求1和2，自重构电池组(1)可由多组串联的自重构锂离子电池等化学动力电池通过并联方式组成大容量动力电池组；每一串联动力电池组支路可由多个1.5V左右或较高电压的铅碳“超级电池”，或由多个1.5V左右或较高电压的锂离子电池，或由多个1.5V左右或较高电压的镍氢电池、或由多个1.5V左右或较高电压的铅酸蓄电池等化学动力电池通过自重构方式自动串联组成，每一串联电池组支路均具有相应的检测和保护电路，由快慢速充电控制器(7)进行充电控制，每一串联电池组支路中的单体电池数量由电动汽车或储能电源的供电电压所确定，并提供多个单体备用电池，供每一串联电池组支路自动重构时使用。
4.根据权利要求1和2，自重构超级电容器组(2)可由多组串联的自重构超级电容器组通过并联方式组成大容量的超级电容器组，每一串联的超级电容器组支路可根据电动汽车的电源电压或储能电源的电压要求由多个1.5V-2.5V左右或较高电压等级的超级电容器模块通过自重构方式串联组成，每一串联的超级电容器组支路均具有相应的检测和保护电路，由快速充电控制器(6)和(7)进行充电控制，每一串联的超级电容器组支路中的单体超级电容模块数量由电动汽车或储能电源的供电电压所确定，并提供多个单体备用超级电容器模块，供每一串联超级电容器组支路自动重构时使用。
5.根据权利要求3和4，自重构电池组(1)中每一串联电池支路的单体电池回路和自重构超级电容器组(2)中每一串联超级电容器支路的单体电容器回路均设置有类似K9、K10、K11、K12的开关，由自动检测与报警和自重构控制器(8)进行控制，并进行故障状态检测和控制各串联支路的自重构重组，并可对相应单体故障电池或单体故障超级电容器进行故障显示与报警，所有这一切的状态控制均可由自重构控制器(8)中的单片机控制系统进行自动控制。
6.根据权利要求4和5，自重构控制器(8)可对自重构电池组(1)和自重构超级电容器组(2)中各单体器件进行故障状态检测和控制各串联支路的自重构重组，可在每次充电前和充电结束后，对各串联电池组支路和各串联超级电容器组支路进行故障检测后再进行串联支路的自重构，使可快速充电的外混自重构超级电容动力电池组保持良好使用状态，保证电动汽车的快速充电和增程续航的使用要求。
7.根据权利要求1和6，自重构电池组(1)可由快慢速充电控制器(7)控制K1、K2、K3、K4等开关，使自重构电池组(1)中各串联支路进行总体串联，通过单相和三相整流及过载保护主电路(4)和DC/DC快慢速充电主电路(5)进行高电压较快速充电，可在10分钟左右的较短充电时间内充到60％或70％以上较大容量，自重构超级电容器组(2)可由快慢速充电控制器(7)控制K5、K6、K7、K8等开关，使自重构超级电容器组(2)中各串联支路进行总体串联，通过单相和三相整流及过载保护主电路(4)和DC/DC快速充电主电路(6)、二极管V3进行高电压快速充电，可在10分钟的较短充电时间内很快充满电，使整个外混自重构超级电容电池组快速充满电。
8.根据权利要求1和7，已充满电的自重构超级电容器组(2)可在电动汽车驱动电机(3)停止使用期间，通过快慢速充电控制器(7)、二极管V2和DC/DC快慢速充电主电路(5)继续向自重构电池组(1)进行较快速充电，也可在电动汽车驱动电机(3)使用期间由已充满电的自重构超级电容器组(2)，通过二极管V4、V5和自重构电池组(1)同时向电动汽车驱动电机(3)供电，保证电动汽车的增程续航使用要求。
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