CN105365595B - 电动汽车动力电池与超级电容动力系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电动汽车动力电池与超级电容动力系统及控制方法，设有升压转换模块的DC/DC转换器、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、预充电阻和第一二极管的组合来连接动力电池组和超级电容组，用于超级电容与动力电池混合构成的电动汽车电电混动力系统，提升整车起步加速爬坡性能和制动下坡能量回收性能。

Description

电动汽车动力电池与超级电容动力系统及控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车领域，具体涉及电动汽车动力电池与超级电容动力系统及控制方法。

背景技术

当前世界能源问题日益严重，人们都在寻找各种解决办法，开发新能源、提高能源利用率；混合动力汽车行业方兴未艾，其具有节能、环保和高效等特点，受到广泛的关注和高度重视；其中的动力系统是混合动力汽车的核心，提高动力系统的能量利用率、延长其使用寿命、节能环保，正是我们关注的核心焦点。

我国现有的混合动力汽车以及相应方案一般采取了纯电池或者纯电容存储电能的方法，车辆在城市内行驶时，会频繁地启动、加速和制动，启动和加速时发动机会瞬间要求很多的能量，电池此时需要提供大电流，这样会造成电池的损伤，缩短其使用寿命；在发动机制动时，传统电池不能有效回收能量，大量的制动能量是通过刹车片摩擦，产生热量而流失。

当前的系统使用二极管与接触开关进行动力电池与超级电容的耦合，能够进行能量回收和超级电容充电，但是车辆在正常长时间行驶时，行驶所需的能量几乎全部由动力电池提供，而动力电池提供的电能需要经过二极管，如果流过的电流是200A，二极管压降0.7V，则将有140W能量损耗，能量浪费过大；而车辆静止时发电机不工作，就无法给超级电容充电，超级电容的电压低于等于动力电池电压，不能充分利用超级电容在车辆起步时的大电流输出作用；而如超级电容已经充满电时。此时有很大的能量需要回收，则超级电容无法再回收能量，且可能出现电压过高而损坏超级电容。

发明内容

本发明的目的是提供用于超级电容与动力电池混合构成的电动汽车电电混动力系统，提升整车起步加速爬坡性能和制动下坡能量回收性能的电动汽车动力电池与超级电容动力系统及控制方法。

本发明通过以下技术方案实现：电动汽车动力电池与超级电容动力系统，包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一二极管、电阻、DC/DC转换器、电机、电机控制器、动力电池管理系统、超级电容管理系统、动力电池组、超级电池组，所述动力电池组上设有动力电池管理系统，所述超级电池组上设有超级电容管理系统，所述动力电池管理系统与所述超级电容管理系统连接，所述DC/DC转换器分别连接述动力电池管理系统与所述超级电容管理系统，所述动力电池管理系统连接第一开关的一端和第二开关的一端，所述第一开关的另一端还连接所述第三开关的一端，所述第二开关的另一端连接所述电阻的一端，所述电阻的另一端连接所述第一开关的另一端，所述第一开关的另一端还连接所述第一二极管的正极，所述电阻的另一端还连接所述第一二极管的正极，所述第一二极管的负极连接所述第四开关的一端，所述超级电容管理系统连接所述第四开关的另一端和第三开关的另一端，所述DC/DC转换器分别连接第一开关的一端、第二开关的一端、第四开关的另一端、第三开关的另一端，所述DC/DC转换器还连接电机控制器，所述电机控制器连接电机，所述DC/DC转换器还通过通讯信号线连接第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，所述DC/DC转换器还通过CAN总线连接超级电容管理系统、动力电池管理系统、电机控制器, 所述DC/DC转换器内部结构为BOOST结构; 所述DC/DC 转换器内设置的功率变换模块为升压boost拓扑结构，其低压端做为输入接动力电池组，其高压端做为输出接超级电容组；所述电阻为预充电阻；所述DC/DC转换器包括升压转换模块、控制模块、第二二极管、内部开关，所述升压转换模块连接第二二极管的正极，所述第二二极管的负极连接所述内部开关的一端，所述控制模块通过通讯信号线与升压转换模块和内部开关连接，所述控制模块通过通讯信号线输出电流采集、输出电压采集、输入电流采集、输入电压采集，所述控制模块设有CAN总线，所述控制模块还设有第一开关、第二开关、第三开关、第四开关的控制信号线。

电动汽车动力电池与超级电容动力系统控制方法，步骤如下：

a）检测车辆状态，车辆处于静止状态则进步步骤b，车辆处于制动状态则进入步骤c，车辆处于运动状态则进入步骤d；

b）车辆处于静止状态，则检测超级电容组电压是否过低，如过低则通过CAN总线发送禁止启动车辆命令进入步骤e，如没有过低则通过CAN总线发送允许启动车辆命令并检测超级电容组电压是否达到最高工作电压，达到最高工作电压则结束流程，没有达到最高工作电压则进入步骤f；

c）车辆处于运动状态，则检测汽车车速是否低于40km/h并检测超级电容组电压是否高于电池电压，低于40km/h并且超级电容组电压高于电池电压则进入步骤f，低于40km/h并且超级电容组电压低于电池电压则进入步骤g，不低于40km/h并且超级电容组电压高于电池电压则进入步骤h，不低于40km/h并且超级电容组电压低于电池电压则进入步骤i；

d）车辆处于制动状态，则将第二开关、第三开关和DC/DC转换器内部开关断开，第一开关和第四开关闭合，并且关闭升压转换模块，再检测超级电容组电压是否达到最高工作电压，没有达到则结束流程，达到最高工作电压则进入步骤i；

e）第一开关、第四开关和DC/DC转换器内部开关都断开，第二开关和第三开关闭合，通过预充电阻给超级电容组充电，结束流程；

f）第二开关和第三开关断开，DC/DC转换器内部开关、第一开关和第四开关闭合，并启动DC/DC转换器内部升压转换模块对超级电容组进行充电，结束流程；

g）第二开关和第三开关断开，DC/DC转换器内部开关和第一开关闭合，关闭升压转换模块，DC/DC转换器作为二极管与第一二极管并联使用，结束流程；

h）第二开关、第三开关和DC/DC转换器内部开关断开，第一开关和第四开关闭合，关闭升压转换模块，结束流程；

i）第二开关和DC/DC转换器内部开关断开，第一开关、第三开关和第四开关闭合，关闭升压转换模块，超级电容组与电池直接并联，结束流程。

本发明设有升压转换模块的DC/DC转换器、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、预充电阻和第一二极管的组合来连接动力电池组和超级电容组，通过系统的核心部件设有升压转换模块的DC/DC转换器来承担将动力电池组能量充到超级电容组中，使超级电容组电压高于动力电池组电压，设动力电池组电压为V₁，超级电容组电压为V₂，超级电容组容量为C，则超级电容组电压超出动力电池组电压V₂-V₁的能量为0.5C(V₂ ²-V₁ ²)；通过超级电容组容量C和最高工作电压V₂，车辆在起步时可以用超级电容组做为主要动力源，使用电压高于动力电池组电压的能量0.5C(V₂ ²-V₁ ²)来将车辆起步加速到20km/h以上，在起步加速过程中DC/DC转换器同时用小电流给超级电容组补充能量，等到超级电容组电压略低于动力电池组电压时，第一二极管自然导通，同时DC/DC转换器也相当于一个二极管与第一二极管并联，动力电池组做为主要动力源提供能量给电机控制器，电机控制器驱动电机带动车辆行驶。

本发明的有益之处在于：1）汽车平稳运行时闭合第三开关，可以切除第一二极管，减少能量损耗；2）汽车在停车或等待红绿灯时可以通过升压DC/DC转换器小电流给超级电容组充电，使超级电容组电压高于动力电池组并存储更多的能量，车辆起步时超级电容组电压高于动力电池的那部分能量就可以将车辆驱动，同时DC/DC转换器也持续小电流给超级电容组充电，使动力电池组在车辆起步时不用输出大电流，保护电池，提高电池寿命；3)当超级电容组电压低于动力电池组电压时，第一二极管自然开始导通，且DC/DC转换器内部结构为BOOST结构，超级电容组电压低于电池组电压时也将通过内部二极管直通，DC/DC转换器相当于一个二极管；4）车辆制动或下坡时电机控制器将电机反馈回来的能量存入超级电容组进行高效回收，超级电容组充电比电池大很多，能快速将回馈的能量全部回收；5）超级电容组过压时能将第三开关闭合，将超级电容组的能量回充到电池组中，减少能量浪费并保护超级电容组；6）当超级电容组电量过低且车辆停止时，可以断开第一开关、第四开关并闭合第二开关、第三开关，使用预充电阻给超级电容缓慢充电，避免超级电容组将动力电池组短路充电；档超级电容组电压接近电池电压时，断开第二开关、第三开关并闭合第一开关、第四开关，通过第一二极管和DC/DC转换器给超级电容组充电；7）DC/DC转换器可通过CAN总线获取整车状态参数，并结合电池组电压、超级电容组电压等参数，对第一开关、第二开关、第三开关、第四开关以及DC/DC转换器内部开关这五个开关进行相应开关组合控制，结构简单控制可靠。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明DC/DC转换器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步描述。

见图1至图3，电动汽车动力电池与超级电容动力系统，包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第一二极管D1、电阻R1、DC/DC转换器、电机、电机控制器、动力电池管理系统、超级电容管理系统、动力电池组、超级电池组，所述动力电池组上设有动力电池管理系统，所述超级电池组上设有超级电容管理系统，所述动力电池管理系统与所述超级电容管理系统连接，所述DC/DC转换器分别连接述动力电池管理系统与所述超级电容管理系统，所述动力电池管理系统连接第一开关S1的一端和第二开关S2的一端，所述第一开关S1的另一端还连接所述第三开关S3的一端，所述第二开关S2的另一端连接所述电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端连接所述第一开关S1的另一端，所述第一开关S1的另一端还连接所述第一二极管D1的正极，所述电阻R1的另一端还连接所述第一二极管D1的正极，所述第一二极管D1的负极连接所述第四开关S4的一端，所述超级电容管理系统连接所述第四开关S4的另一端和第三开关S3的另一端，所述DC/DC转换器分别连接第一开关S1的一端、第二开关S2的一端、第四开关S4的另一端、第三开关S3的另一端，所述DC/DC转换器还连接电机控制器，所述电机控制器连接电机，所述DC/DC转换器还通过通讯信号线连接第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4，所述DC/DC转换器还通过CAN总线连接超级电容管理系统、动力电池管理系统、电机控制器, 所述DC/DC转换器内部结构为BOOST结构; 所述DC/DC 转换器内设置的功率变换模块为升压boost拓扑结构，其低压端做为输入接动力电池组，其高压端做为输出接超级电容组；所述电阻R1为预充电阻；所述DC/DC转换器包括升压转换模块、控制模块、第二二极管D2、内部开关S5，所述升压转换模块连接第二二极管D2的正极，所述第二二极管D2的负极连接所述内部开关S5的一端，所述控制模块通过通讯信号线与升压转换模块和内部开关S5连接，所述控制模块通过通讯信号线输出电流采集、输出电压采集、输入电流采集、输入电压采集，所述控制模块设有CAN总线，所述控制模块还设有第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4的控制信号线。

电动汽车动力电池与超级电容动力系统控制方法，步骤如下：

a）检测车辆状态，车辆处于静止状态则进步步骤b，车辆处于制动状态则进入步骤c，车辆处于运动状态则进入步骤d；

b）车辆处于静止状态，则检测超级电容组电压是否过低，如过低则通过CAN总线发送禁止启动车辆命令进入步骤e，如没有过低则通过CAN总线发送允许启动车辆命令并检测超级电容组电压是否达到最高工作电压，达到最高工作电压则结束流程，没有达到最高工作电压则进入步骤f；

c）车辆处于运动状态，则检测汽车车速是否低于40km/h并检测超级电容组电压是否高于电池电压，低于40km/h并且超级电容组电压高于电池电压则进入步骤f，低于40km/h并且超级电容组电压低于电池电压则进入步骤g，不低于40km/h并且超级电容组电压高于电池电压则进入步骤h，不低于40km/h并且超级电容组电压低于电池电压则进入步骤i；

d）车辆处于制动状态，则将第二开关S2、第三开关S3和DC/DC转换器内部开关S5断开，第一开关S1和第四开关S4闭合，并且关闭升压转换模块，再检测超级电容组电压是否达到最高工作电压，没有达到则结束流程，达到最高工作电压则进入步骤i；

e）第一开关S1、第四开关S4和DC/DC转换器内部开关S5都断开，第二开关S2和第三开关S3闭合，通过预充电阻R1给超级电容组充电，结束流程；

f）第二开关S2和第三开关S3断开，DC/DC转换器内部开关S5、第一开关S1和第四开关S4闭合，并启动DC/DC转换器内部升压转换模块对超级电容组进行充电，结束流程；

g）第二开关S2和第三开关S3断开，DC/DC转换器内部开关S5和第一开关S1闭合，关闭升压转换模块，DC/DC转换器作为二极管与第一二极管D1并联使用，结束流程；

h）第二开关S2、第三开关S3和DC/DC转换器内部开关S5断开，第一开关S1和第四开关S4闭合，关闭升压转换模块，结束流程；

i）第二开关S2和DC/DC转换器内部开关S5断开，第一开关S1、第三开关S3和第四开关S4闭合，关闭升压转换模块，超级电容组与电池直接并联，结束流程。

本实施方式中，本发明通过升压转换模块的DC/DC转换器、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、电阻R1和第一二极管D1的组合来连接动力电池组和超级电容组；在初始连接前，需要将超级电容组电压充到略高于动力电池组，第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4以及DC/DC转换器内部开关S5全部保持在断开状态，然后将超级电容组和动力电池组进行连接，再连接通讯信号线和CAN总线。

本实施方式中，本发明的核心部件为升压boost结构的DC/DC转换器，承担将动力电池组能量充到超级电容组中，使超级电容组电压高于动力电池组电压，设动力电池组电压为V₁，超级电容组电压为V₂，超级电容组容量为C，则超级电容组电压超出动力电池组电压V₂-V₁的能量为0.5C(V₂ ²-V₁ ²)；通过超级电容组容量C和最高工作电压V₂，车辆在起步时可以用超级电容组做为主要动力源，使用电压高于动力电池组电压的能量0.5C(V₂ ²-V₁ ²)来将车辆起步加速到20km/h以上，在起步加速过程中DC/DC转换器同时用小电流给超级电容组补充能量，等到超级电容组电压略低于动力电池组电压时，第一二极管D1自然导通，同时DC/DC转换器也相当于一个二极管与第一二极管D1并联，动力电池组做为主要动力源提供能量给电机控制器，电机控制器驱动电机带动车辆行驶。

本实施方式中，所述DC/DC转换器的功率变换模块为升压boost拓扑结构，低压端做为输入接动力电池组，高压端做为输出接超级电容组；DC/DC转换器不直接连接驱动电机，所以功率变换模块较小，可节约空间和成本；当超级电容组电压高于等于动力电池组时，DC/DC转换器的控制模块控制升压boost电路为超级电容组充电，直到达到超级电容组最高工作电压V₂为止，当车辆起步爬坡加速时把超级电容组能量迅速用掉使其电压降到低于动力电池组电压时，DC/DC转换器关闭升压boost电路的功率管使主电路直通，并通过防反二极管将动力电池组能量直接送到超级电容组端，此时DC/DC转换器等效为一个二极管，与第一二极管D1并联实用，分担第一二极管D1的负担。

本实施方式中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4以及DC/DC转换器内部开关S5都由DC/DC内部的控制模块进行控制。

本实施方式中，车辆静止时，如果超级电容组电压比动力电池组电压低很多，则第一开关S1、第二开关S4和DC/DC转换器内部开关S5都断开，第二开关S2、第三S3闭合，使用电阻R1给超级电容组进行预充，并通过CAN总线发送禁止启动车辆的命令数据给电机控制器，不允许启动电机；当超级电容组电压等于高于电池电压时，DC/DC转换器通过CAN总线发送允许启动车辆的命令数据给电机控制器，第二开关S2、第三开关S3断开，第一开关S1、第四开关S4和DC/DC转换器内部开关S5闭合，并启动DC/DC转换器内部boost升压转换模块对超级电容组进行充电，直到超级电容组电压达到最高工作电压V₂后关闭DC/DC转换器内部开关S5和boost升压转换模块。

本实施方式中，车辆起步时，超级电容组电压高于动力电池组电压，超级电容组做为主要动力源，在起步加速过程中DC/DC转换器同时用小电流给超级电容组补充能量，第二开关S2、第三开关S3断开，DC/DC转换器内部开关S5和第一开关S1、第四开关S4闭合，待超级电容组电压略低于动力电池组电压时，第一二极管D1自然导通，同时DC/DC转换器关闭boost升压转换模块但保持DC/DC转换器内部开关S5闭合，此时DC/DC转换器相当于一个二极管与第一二极管D1并联使用，动力电池组做为主要动力源为车辆行驶提供能量。

本实施方式中，车辆高速正常运行时，动力电池组作为动力源，第二开关S2、第四开关S4以及DC/DC转换器内部开关S5断开，第一开关S1、第三开关S3闭合，动力电池组与超级电容组直接并联给电机控制器提供能量，电机控制器驱动电机维持车辆行驶。

本实施方式中，车辆高速制动或下坡时，第二开关S2、第三开关S3及DC/DC转换器内部开关S5断开，第一开关S1、第四开关S4闭合，电机通过电机控制器将能量回馈到给超级电容组，进行快速能量回收；如果能量回收时超级电容组电压高于其最高工作电压，则闭合第一开关S1和第三开关S3，将能量回馈给动力电池组，保护超级电容组。

本实施方式中，车辆出现严重故障时，车辆应该停止，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4以及DC/DC转换器内部开关S5全部断开，并通过CAN总线发送禁止启动车辆命令。

本实施方式中，动力电池组和超级电容组分别在电池管理系统和超级电容管理系统的监控控制下工作，并将电池和电容的实时状态信息通过CAN总线发送给DC/DC和电机控制器。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.电动汽车动力电池与超级电容动力系统，其特征在于：包括第一开关（S1）、第二开关（S2）、第三开关（S3）、第四开关（S4）、第一二极管（D1）、电阻（R1）、DC/DC转换器、电机、电机控制器、动力电池管理系统、超级电容管理系统、动力电池组、超级电池组，所述动力电池组上设有动力电池管理系统，所述超级电池组上设有超级电容管理系统，所述动力电池管理系统与所述超级电容管理系统连接，所述DC/DC转换器分别连接所述动力电池管理系统与所述超级电容管理系统，所述动力电池管理系统连接第一开关（S1）的一端和第二开关（S2）的一端，所述第一开关（S1）的另一端还连接所述第三开关（S3）的一端，所述第二开关（S2）的另一端连接所述电阻（R1）的一端，所述电阻（R1）的另一端连接所述第一开关（S1）的另一端，所述第一开关（S1）的另一端还连接所述第一二极管（D1）的正极，所述电阻（R1）的另一端还连接所述第一二极管（D1）的正极，所述第一二极管（D1）的负极连接所述第四开关（S4）的一端，所述超级电容管理系统连接所述第四开关（S4）的另一端和第三开关（S3）的另一端，所述DC/DC转换器分别连接第一开关（S1）的一端、第二开关（S2）的一端、第四开关（S4）的另一端、第三开关（S3）的另一端，所述DC/DC转换器还连接电机控制器，所述电机控制器连接电机，所述DC/DC转换器还通过通讯信号线连接第一开关（S1）、第二开关（S2）、第三开关（S3）、第四开关（S4），所述DC/DC转换器还通过CAN总线连接超级电容管理系统、动力电池管理系统、电机控制器, 所述DC/DC转换器内部结构为BOOST结构; 所述DC/DC 转换器内设置的功率变换模块为升压boost拓扑结构，其低压端做为输入接动力电池组，其高压端做为输出接超级电容组。

2.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池与超级电容动力系统，其特征在于：所述电阻（R1）为预充电阻。

3.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池与超级电容动力系统，其特征在于：所述DC/DC转换器包括升压转换模块、控制模块、第二二极管（D2）、内部开关（S5），所述升压转换模块连接第二二极管（D2）的正极，所述第二二极管（D2）的负极连接所述内部开关（S5）的一端，所述控制模块通过通讯信号线与升压转换模块和内部开关（S5）连接，所述控制模块通过通讯信号线输出电流采集、输出电压采集、输入电流采集、输入电压采集，所述控制模块设有CAN总线，所述控制模块还设有第一开关（S1）、第二开关（S2）、第三开关（S3）、第四开关（S4）的控制信号线。

4.电动汽车动力电池与超级电容动力系统控制方法，其特征在于，步骤如下：

a）检测车辆状态，车辆处于静止状态则进步步骤b，车辆处于制动状态则进入步骤c，车辆处于运动状态则进入步骤d；

b）车辆处于静止状态，则检测超级电容组电压是否过低，如过低则通过CAN总线发送禁止启动车辆命令进入步骤e，如没有过低则通过CAN总线发送允许启动车辆命令并检测超级电容组电压是否达到最高工作电压，达到最高工作电压则结束流程，没有达到最高工作电压则进入步骤f；

c）车辆处于运动状态，则检测汽车车速是否低于40km/h并检测超级电容组电压是否高于电池电压，低于40km/h并且超级电容组电压高于电池电压则进入步骤f，低于40km/h并且超级电容组电压低于电池电压则进入步骤g，不低于40km/h并且超级电容组电压高于电池电压则进入步骤h，不低于40km/h并且超级电容组电压低于电池电压则进入步骤i；

d）车辆处于制动状态，则将第二开关（S2）、第三开关（S3）和DC/DC转换器内部开关（S5）断开，第一开关（S1）和第四开关（S4）闭合，并且关闭升压转换模块，再检测超级电容组电压是否达到最高工作电压，没有达到则结束流程，达到最高工作电压则进入步骤i；

e）第一开关（S1）、第四开关（S4）和DC/DC转换器内部开关（S5）都断开，第二开关（S2）和第三开关（S3）闭合，通过预充电阻（R1）给超级电容组充电，结束流程；

f）第二开关（S2）和第三开关（S3）断开，DC/DC转换器内部开关（S5）、第一开关（S1）和第四开关（S4）闭合，并启动DC/DC转换器内部升压转换模块对超级电容组进行充电，结束流程；

g）第二开关（S2）和第三开关（S3）断开，DC/DC转换器内部开关（S5）和第一开关（S1）闭合，关闭升压转换模块，DC/DC转换器作为二极管与第一二极管（D1）并联使用，结束流程；

h）第二开关（S2）、第三开关（S3）和DC/DC转换器内部开关（S5）断开，第一开关（S1）和第四开关（S4）闭合，关闭升压转换模块，结束流程；

i）第二开关（S2）和DC/DC转换器内部开关（S5）断开，第一开关（S1）、第三开关（S3）和第四开关（S4）闭合，关闭升压转换模块，超级电容组与电池直接并联，结束流程。