CN105751904B - 一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置，在负载连接端、超级电容连接端和电池连接端之间增加了一个二极管和三个开关，还在负载正极连接端、超级电容正极连接端和电池正极连接端分别使用电流传感器和电压传感器实时测试电压电流；电压传感器和电流传感器输出信号给控制单元，控制单元进行信号数据采集；控制单元还可通过低压连接件与外部链接交互信息，通过CAN/LIN总线获取其他模块的信息和整车状态信息，结合自己内部测量的电压电流数据，经过优化判断后输出控制指令，控制第一开关、第二开关和第三开关的开通和断开，实现能量流动的控制，提高能量利用率。

Description

一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，具体涉及一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置。

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。

而随着技术的不断发展，超级电容的应用也越来越广泛，而超级电容在电动汽车的领域也已经成为了一种常规选择，这种超级电容主要用于电动汽车的短期能量存储器，而超期能量存储器还是由蓄电池来实现。

而当前电动汽车在加装超级电容组时，超级电容与动力电池的连接主要通过DC/DC连接或通过单个二极管连接，；但是通过DC/DC连接成本高且体积过于庞大，还有散热要求，不容易安装；而单纯通过二极管连接时二极管功耗大，且无法对能量进行实时监控和控制，能量回收过大时容易造成超级电容过压损坏，存在安全风险。

发明内容

本发明的目的是为了提供能控制动力电池组与超级电容组的能量流动，充分发挥动力电池和超级电容各自的优势，达到提升整车起步、加速、爬坡性能和提高能量回收率减少能量损耗的一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置。

本发明通过以下技术方案实现：一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置，包括负载连接端、超级电容连接端，动力电池连接端、控制单元、第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第一开关、第二开关、第三开关、二极管，所述控制单元分别与第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器的一端连接，所述动力电池连接端连接第一电流传感器的另一端，所述第一电流传感器的另一端还连接二极管的正极，所述二极管的正极还连接第一电压传感器的另一端，所述二极管的负极连接第一开关的一端和第三开关的一端，所述第一开关的另一端连接第二电流传感器的另一端和第二电压传感器的另一端，所述第二电流传感器的另一端还连接负载连接端；所述第一电流传感器的另一端还连接第二开关的一端，所述第二开关的另一端还与第三开关的另一端和第三电流传感器的另一端连接，所述第三电流传感器的另一端还与第三电压传感器的另一端连接，所述第三电压传感器的另一端还与超级电容连接端连接；所述控制单元还通过控制通讯线路与第一开关、第二开关和第三开关连接，用于控制第一开关、第二开关和第三开关的闭合与断开；所述二极管为功率二极管，所述第一开关、第二开关和第三开关为高速高压大电流直流开关；所述控制单元还连接低压连接件，用于与外部连接交互信息。

一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置的控制方法，步骤如下：

A）控制单元通过电流传感器和电压传感器周期性地采集电压电流数据；

B）控制单元通过低压连接件连接的外部的CAN/LIN总线获取整车及其其他模块的状态数据，并根据收集到的数据判断故障，若有故障则通过CAN/LIN总线发送故障信息给车辆其他部件，并断开第一开关、第二开关和第三开关；若无故障则进入步骤C；

C）检测车速是否大于0，若大于0则进入步骤D，若等于0则进入步骤I；

D）车速大于0则车辆正处于行驶过程中，检测车辆的状态；若是加速状态则检测超级电容电压是否高于动力电池电压，若是超级电容电压高于动力电池电压则进入步骤E，若超级电容电压低于动力电池电压则进入步骤F；若是制动状态则检测超级电容电压是否超过超级电容电压上限值的90%，若超级电容电压超过超级电容电压上限值的90%则进入步骤G，若超级电容电压没有超过超级电容电压上限值的90%则进入步骤H；

E）加速状态下超级电容电压高于动力电池电压则判断超级电容存储有多余能量，则断开第二开关，闭合第一开关和第三开关，让超级电容单独供电，结束一次控制流程；

F）加速状态下超级电容电压低于动力电池电压则二极管导通，动力电池与超级电容一起并联供电，第一开关、第二开关和第三开关全部闭合，由动力电池供电，结束一次控制流程；

G）制动状态下超级电容电压超过超级电容电压上限值的90%则超级电容回收能量过多，第一开关、第二开关和第三开关全部闭合，超级电容与动力电池直接并联，多余能量由动力电池吸收保护超级电容不过压，结束一次控制流程；

H）制动状态下超级电容电压没有超过超级电容电压上限值的90%则超级电容还能继续回收能量，则断开第二开关，闭合第一开关和第三开关，保证能量回收到超级电容中，结束一次控制流程；

I）车速等于0则车辆处于停止状态，检测超级电容电压是否高于动力电池电压，若超级电容电压高于动力电池电压，则进入步骤J；若是超级电容电压低于等于动力电池电压，则进入步骤K；

J）超级电容电压高于动力电池电压，第三开关闭合，第一开关和第二开关断开，保证车辆在启动时首先使用超级电容的电能，待超级电容电压低于动力电池电压时，二极管自然导通，再由动力电池供电，结束一次控制流程。

K）超级电容电压低于等于动力电池电压，第一开关断开，第二开关和第三开关闭合，使得超级电容与动力电池直接并联，保证车辆启动时超级电容和动力电池同时供电，结束一次控制流程。

本发明在负载连接端、超级电容连接端和动力电池连接端之间增加了一个二极管和三个开关，还在负载正极连接端、超级电容正极连接端和动力电池正极连接端分别使用电流传感器和电压传感器实时测试电压电流；电压传感器和电流传感器输出信号给控制单元，控制单元进行信号数据采集；控制单元还可通过低压连接件与外部链接交互信息，通过CAN/LIN总线获取其他模块的信息和整车状态信息，结合自己内部测量的电压电流数据，经过优化判断后输出控制指令，控制第一开关、第二开关和第三开关的开通和断开，实现能量流动的控制，提高能量利用率。

本发明的有益之处在于：1）本连接装置只需将动力电池组和超级电容的正负连接线连接到超级电容连接端和动力电池连接端，将负载的正极连接到本装置的负载连接端，既可以为没有超级电容的车辆加装超级电容组，安装方便；2）通过第一开关、第二开关和第三开关的控制组合可以使超级电容与动力电池在不同的状况下形成不同的连接方式，且有电压和电流检测动力电池和超级电容的状态，有效防止出现过压、欠压、过流等状况；3）通过开关的组合控制，充分发挥动力电池续航能量强和超级电容大电流充放电的优势，且避免二极管超时间工作，能量利用率大；4）将超级电容功率密度高和动力电池能量密度高的优势结合，充分保护动力电池，延迟其使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的控制逻辑图。

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2，一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置，包括负载连接端、超级电容连接端，动力电池连接端、控制单元、第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、二极管D1，所述控制单元分别与第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器的一端连接，所述动力电池连接端连接第一电流传感器的另一端，所述第一电流传感器的另一端还连接二极管D1的正极，所述二极管D1的正极还连接第一电压传感器的另一端，所述二极管D1的负极连接第一开关的一端和第三开关的一端，所述第一开关的另一端连接第二电流传感器的另一端和第二电压传感器的另一端，所述第二电流传感器的另一端还连接负载连接端；所述第一电流传感器的另一端还连接第二开关的一端，所述第二开关的另一端还与第三开关的另一端和第三电流传感器的另一端连接，所述第三电流传感器的另一端还与第三电压传感器的另一端连接，所述第三电压传感器的另一端还与超级电容连接端连接；所述控制单元还通过控制通讯线路与第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3连接，用于控制第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3的闭合与断开；所述二极管D1为功率二极管，所述第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3为高速高压大电流直流开关；所述控制单元还连接低压连接件，用于与外部连接交互信息。

一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置的控制方法，步骤如下：

A）控制单元通过电流传感器和电压传感器周期性地采集电压电流数据；

B）控制单元通过低压连接件连接的外部的CAN/LIN总线获取整车及其其他模块的状态数据，并根据收集到的数据判断故障，若有故障则通过CAN/LIN总线发送故障信息给车辆其他部件，并断开第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3；若无故障则进入步骤C；

C）检测车速是否大于0，若大于0则进入步骤D，若等于0则进入步骤I；

D）车速大于0则车辆正处于行驶过程中，检测车辆的状态；若是加速状态则检测超级电容电压是否高于动力电池电压，若是超级电容电压高于动力电池电压则进入步骤E，若超级电容电压低于动力电池电压则进入步骤F；若是制动状态则检测超级电容电压是否超过超级电容电压上限值的90%，若超级电容电压超过超级电容电压上限值的90%则进入步骤G，若超级电容电压没有超过超级电容电压上限值的90%则进入步骤H；

E）加速状态下超级电容电压高于动力电池电压则判断超级电容存储有多余能量，则断开第二开关S2，闭合第一开关S1和第三开关S3，让超级电容单独供电，结束一次控制流程；

F）加速状态下超级电容电压低于等于动力电池电压则二极管D1导通，动力电池与超级电容一起并联供电，第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3全部闭合，由动力电池供电，结束一次控制流程；

G）制动状态下超级电容电压超过超级电容电压上限值的90%则超级电容回收能量过多，第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3全部闭合，超级电容与动力电池直接并联，多余能量由动力电池吸收保护超级电容不过压，结束一次控制流程；

H）制动状态下超级电容电压没有超过超级电容电压上限值的90%则超级电容还能继续回收能量，则断开第二开关S2，闭合第一开关S1和第三开关S3，保证能量回收到超级电容中，结束一次控制流程；

I）车速等于0则车辆处于停止状态，检测超级电容电压是否高于动力电池电压，若超级电容电压高于动力电池电压，则进入步骤J；若是超级电容电压低于等于动力电池电压，则进入步骤K；

J）超级电容电压高于动力电池电压，第三开关S3闭合，第一开关S1和第二开关S2断开，保证车辆在启动时首先使用超级电容的电能，待超级电容电压低于动力电池电压时，二极管D1自然导通，再由动力电池供电，结束一次控制流程。

K）超级电容电压低于等于动力电池电压，第一开关S1断开，第二开关S2和第三开关S3闭合，使得超级电容与动力电池直接并联，保证车辆启动时超级电容和动力电池同时供电，结束一次控制流程。

本实施方式中，本装置主要在动力电池、超级电容和负载(主要耗电设备)之间增加了一个功率二极管和三个高速高压大电流直流开关，这些开关可以是接触器等接触开关或MOSFET/IGBT功率器件；在动力电池正极连接端、超级电容正极连接端以及负载正极连接端分别使用电流传感器和电压传感器实时测试电压电流。电压电流传感器输出信号给控制单元，由控制单元进行信号数据采集；控制单元还可以通过低压连接件与外部其他模块连接交互信息，低压连接件连接的信号包括CAN/LIN总线、油门踏板深度信号、制动踏板深度信号等；控制单元通过CAN/LIN总线获取其他模块的信息和整车状态信息，结合油门踏板深度信号、制动踏板深度信号等信号以及内部自己测量得来的电压电流数据，经过优化判断后输出控制指令，控制第一开关S1，第二开关S2和第三开关S3的开通和关断，实现能量流动的控制，提高能量利用率。

本实施方式中，控制单元周期性地采集电压电流数据和通过低压连接件连接的CAN/LIN总线或其他信号获取整车及其他模块状态数据；根据所有的数据综合判断，如有故障则通过总线将故障信息发送给车辆上其他部件，完后断开所有开关；无故障时，则检测车速是否大于0；如果车速等于0且超级电容电压高于动力电池电压，则第一开关S1和第二开关S2断开，第三开关S3闭合，这样可以在车辆启动时闭合第一开关S1后首先使用超级电容的电能，待超级电容电压低于动力电池电压时，二极管D1自然导通，再由动力电池供电；如果车速等于0且超级电容电压小于等于动力电池电压，则超级电容未存储多余能量，将第一开关S1断开，第二开关S2、第三开关S3闭合，使超级电容与动力电池直接并联，这样可以在启动车辆闭合第一开关S1后由超级电容和动力电池同时供电，避免超级电容电压过低情况的出现，而且可以将二极管D1短路，降低能量损耗；如果车速大于0，则说明车辆正在行驶过程中，分加速和制动两种情况进行控制；汽车处于加速状态(加速踏板深度信号不为0)时，如果超级电容电压高于动力电池电压，说明超级电容存储有多余能量，此时需要断开第二开关S2，闭合第一开关S1和第三开关S3，让超级电容单独供电，当超级电容电压逐渐低压动力电池电压时，二极管D1将自然导通，与超级电容一起并联供电，此时将会在后面的控制周期中进入会进入超级电容电压低于动力电池电压的分支，则第二开关S2被命令闭合，切除掉二极管D1由超级电容和动力电池直接并联向负载供电，降低能量损耗。

本实施方式中，汽车处于制动状态时(加速踏板深度信号为0，制动踏板深度信号为0或大于0车辆都处于制动状态，制动踏板深度信号为0说明处于自然电制动状态，此时主要靠能量回收和车辆其他自身损耗来制动，如果制动踏板深度不为0，则机械制动也参与到制动过程中)，使用超级电容来回收能量；如果超级电容电压未接近上限值(超级电容电压上限值比动力电池电压高出许多)，则超级电容还可以继续吸收能量，需断开第二开关S2，闭合第一S1和第三开关S3，这样能量将全部快速回收到超级电容中，减轻动力电池由于频繁充放电的寿命降低的情况；如果超级电容回收的能量过多，超级电容电压将接近并超过电压上限值的90%，这种情况下在进行下一个控制周期时控制逻辑会进入超级电容电压接近或高出上限值的分支，此时第二开关S2被闭合，超级电容与动力电池直接并联，多余的能量由动力电池吸收，保护超级电容不过压。

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 (3)

1.一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置，包括负载连接端、超级电容连接端，动力电池连接端，其特征在于：还包括控制单元、第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第一开关（S1）、第二开关（S2）、第三开关（S3）、二极管（D1），所述控制单元分别与第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器的一端连接，所述动力电池连接端连接第一电流传感器的另一端，所述第一电流传感器的另一端还连接二极管（D1）的正极，所述二极管（D1）的正极还连接第一电压传感器的另一端，所述二极管（D1）的负极连接第一开关的一端和第三开关的一端，所述第一开关的另一端连接第二电流传感器的另一端和第二电压传感器的另一端，所述第二电流传感器的另一端还连接负载连接端；所述第一电流传感器的另一端还连接第二开关的一端，所述第二开关的另一端还与第三开关的另一端和第三电流传感器的另一端连接，所述第三电流传感器的另一端还与第三电压传感器的另一端连接，所述第三电压传感器的另一端还与超级电容连接端连接；所述控制单元还通过控制通讯线路与第一开关（S1）、第二开关（S2）和第三开关（S3）连接，用于控制第一开关（S1）、第二开关（S2）和第三开关（S3）的闭合与断开；所述二极管（D1）为功率二极管，所述第一开关（S1）、第二开关（S2）和第三开关（S3）为高速高压大电流直流开关。

2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置，其特征在于：所述控制单元还连接低压连接件，用于与外部连接交互信息。

3.一种适用于如权利要求1所述的用于电动汽车动力电池与超级电容的连接装置的控制方法，其特征在于步骤如下：

A）控制单元通过电流传感器和电压传感器周期性地采集电压电流数据；

B）控制单元通过低压连接件连接的外部的CAN/LIN总线获取整车及其其他模块的状态数据，并根据收集到的数据判断故障，若有故障则通过CAN/LIN总线发送故障信息给车辆其他部件，并断开第一开关（S1）、第二开关（S2）和第三开关（S3）；若无故障则进入步骤C；

C）检测车速是否大于0，若大于0则进入步骤D，若等于0则进入步骤I；

D）车速大于0则车辆正处于行驶过程中，检测车辆的状态；若是加速状态则检测超级电容电压是否高于动力电池电压，若是超级电容电压高于动力电池电压则进入步骤E，若超级电容电压低于等于动力电池电压则进入步骤F；若是制动状态则检测超级电容电压是否超过超级电容电压上限值的90%，若超级电容电压超过超级电容电压上限值的90%则进入步骤G，若超级电容电压没有超过超级电容电压上限值的90%则进入步骤H；

E）加速状态下超级电容电压高于动力电池电压则判断超级电容存储有多余能量，则断开第二开关（S2），闭合第一开关（S1）和第三开关（S3），让超级电容单独供电，结束一次控制流程；

F）加速状态下超级电容电压低于等于动力电池电压则二极管（D1）导通，动力电池与超级电容一起并联供电，第一开关（S1）、第二开关（S2）和第三开关（S3）全部闭合，由动力电池供电，结束一次控制流程；

G）制动状态下超级电容电压超过超级电容电压上限值的90%则超级电容回收能量过多，第一开关（S1）、第二开关（S2）和第三开关（S3）全部闭合，超级电容与动力电池直接并联，多余能量由动力电池吸收保护超级电容不过压，结束一次控制流程；

H）制动状态下超级电容电压没有超过超级电容电压上限值的90%则超级电容还能继续回收能量，则断开第二开关（S2），闭合第一开关（S1）和第三开关（S3），保证能量回收到超级电容中，结束一次控制流程；

I）车速等于0则车辆处于停止状态，检测超级电容电压是否高于动力电池电压，若超级电容电压高于动力电池电压，则进入步骤J；若是超级电容电压低于等于动力电池电压，则进入步骤K；

J）超级电容电压高于动力电池电压，第三开关（S3）闭合，第一开关（S1）和第二开关（S2）断开，保证车辆在启动时首先使用超级电容的电能，待超级电容电压低于动力电池电压时，二极管（D1）自然导通，再由动力电池供电，结束一次控制流程；

K）超级电容电压低于等于动力电池电压，第一开关（S1）断开，第二开关（S2）和第三开关（S3）闭合，使得超级电容与动力电池直接并联，保证车辆启动时超级电容和动力电池同时供电，结束一次控制流程。