CN105896712A - 一种电动汽车复合电能控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车复合电能控制系统及其控制方法，其中蓄电池模块与电机系统并联，超级电容与电机系统并联，第一变换器与蓄电池模块串联后分别与第二变换器及超级电容及外围电源系统并联，家用电源系统与第一变换器串联后与蓄电池模块并联。所述控制方法既可通过家用电源系统对蓄电池模块进行充电，也可接入外围电源系统对超级电容进行快速充电后，超级电容对蓄电池模块充电，当车辆需要大功率运行时，超级电容直接向电机系统供电，当超级电容电量不足时，蓄电池模块向超级电容反向充电。本发明为快速充电与常规充电相结合的复合充电系统，能够在缩短电动汽车充电时间的基础上，提高车辆电能使用效率。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车能量管理技术领域，具体涉及一种电动汽车复合电能控制系统及其控制方法，
背景技术
随着环境污染的加剧，加之石油等资源的过度消耗，能源与环境问题显得尤为突出。而汽车已作为基本的代步工具，成为人们基本生活的一部分。传统燃油汽车会消耗大量的石油，而石油作为一种不可再生资源，大量的燃油消耗势必会造成能源危机，严重制约人类社会的可持续发展；同时，燃油的消耗会导致大气污染，对人类健康造成的危害尤为突出。在此情况下，人们越来越倡导一种，无污染，低能耗的汽车作为交通工具，改变人们的生活。基于此，电动汽车的出现解决了传统燃油汽车的缺点和不足，国家和政府越来越重视电动汽车。
但是，电动汽车的出现能解决能源和环境问题的同时，也带来一系列的问题。当前制约电动汽车发展的主要问题就是电池问题，最主要的电池问题就是电池成本过高，充电时间过长。随着人们对电池技术的研究与发展，电池的成本在渐渐下降。同时，目前我国对电动汽车的补助使得电动汽车的价格不再那么昂贵，甚至，在经济上，汽车使用寿命内的成本会比燃料电池低。人们购买电动汽车的阻力则是电池充电时间过长，续航里程的限制。基于此，解决充电时间过长的问题成为制约电动汽车发展的主要问题。
现在，“换电为主、插充为辅、集中充电、统一配送”的运营模式可以解决充电时间过长的问题。但是，更换电动汽车电池也会带来一系列的问题。电池的成本占到了电动汽车很大比例，生产厂家很难放弃这么大的电池利润的同时，统一的电池型号及构造也制约着电动汽车的布局，不利于电动汽车朝着多元化方向发展。基于此，快速充电会是电动汽车推广问题的一种绝佳的解决办法。
随着科技的发展，超级电容的出现成为解决电池快速冲电的突破。超级电容具有充电速度快，在数分钟之内就可达到其额定容量的95％以上；能量转换效率高，在充放电过程中，能量循环效率能过达到90％以上；循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达数万次。这些优点都使得超级电容成为解决充电时间过长的有效途径。但是超级电容的比能量较低，现阶段无法完全替代蓄电池发挥作用。同时，电动汽车的动力性不足也是一些购买者考虑的问题。在电动汽车加速和爬坡的过程中，往往会出现动力不足，给驾驶者带来困扰的同时，也可能会出现一些安全问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种电动汽车复合电能控制系统及其控制方法，实现在缩短电动汽车充电时间的基础上，提高车辆电能使用效率，结合说明书本发明的技术方案如下：
一种电动汽车复合电能控制系统，所述控制系统由外围电源系统、超级电容、家用电源系统、蓄电池模块、第一变换器、第二变换器和电机系统组成；
其中，所述蓄电池模块与电机系统并联组成所述控制系统的常规供电系统；
所述超级电容与电机系统并联组成所述控制系统的大功率供电系统；
所述第一变换器与蓄电池模块串联后分别与第二变换器及超级电容及外围电源系统并联组成所述控制系统的快速充电系统；
所述家用电源系统与第一变换器串联后与蓄电池模块并联组成所述控制系统的常规充电系统。
一种电动汽车复合电能控制系统，其中，所述蓄电池模块由多组相同结构的蓄电池组件串联组成，所述每组蓄电池组件均有两个蓄电池组并联组成，每组蓄电池组件均有两路接口，其中第一路接口直接分别与接口con3和接口con4连接，第二路接口分别与上、下游的蓄电池组相连，其中，始、末两蓄电池组件分别与接口con1和接口con2连接。
一种电动汽车复合电能控制系统，其中，所述蓄电池组件的第一路接口经接口con3接入后又分为两支：一支依次经开关KN13、蓄电池组N1、开关KN14与接口con4相连；另一支依次经开关KN23、蓄电池组N2、开关KN24与接口con4相连；
所述蓄电池组件的第二路接口经接口con1或上游蓄电池组件接口接入后又分为两支：一支依次经开关KN21、蓄电池组N2、开关KN22与con2或下游蓄电池组件接口相连；另一支依次经开关KN11、蓄电池组N1、开关KN12与con2或下游蓄电池组件接口相连；
所述蓄电池组N1和蓄电池组N2是由若干额定电压相同的蓄电池串联组成。
一种电动汽车复合电能控制系统，其中，所述蓄电池组件内的开关均与车辆的电子控制单元控制连接。
一种电动汽车复合电能控制系统，其中，所述蓄电池模块一端经接口con4接入第一变换器后与第二变换器相连，所述蓄电池模块另一端经接口con3与第二变换器相连，所述第二变换器与所述超级电容器的一端并联；
所述第一变换器由开关Q1与反向二极管D1并联组成；
所述第二变换器与变换器1相连的接口处有两路分支，第一路分支连入电感后分别和电容及超级电容相连，第二路分支与由开关Q2和反向二极管D2组成的并联装置连接后分别接入接口con3、电容以及超级电容的另一端；
所述开关Q1与开关Q2均受PWM信号控制。
一种电动汽车复合电能控制系统的控制方法，当车辆处于长时间停止状态下，选择常规充电系统，通过接入家用电源系统对蓄电池模块进行充电，进而为电机系统储存电能；
当车辆处于运行状态下，选择快速充电系统，通过接入外围电源系统对超级电容进行快速充电后，通过超级电容对蓄电池模块中的蓄电池组充电；
超级电容向相并联的电池组一路充电，同时，另一路蓄电池可以向电机系统供电，车辆可以稳定的工作；
其中，当车辆需要大功率运行时，超级电容直接向电机系统供电，当超级电容电量不足时，蓄电池模块向超级电容反向充电；当车辆不需要大功率运行时，超级电容与电机系统断开，由蓄电池模块向电机系统供电。
一种电动汽车复合电能控制系统的控制方法，其中，当车辆需要大功率运行时，所述控制方法具体步骤如下：
(1)车辆启动及在行驶加速过程中，检测到当前车辆需要大功率运行；
(2)检测超级电容器是否在为蓄电池模块充电，如果“是”则断开充电并循环本步骤，如果“否”则进入下一步骤；
(3)检测超级电容器是否有电，如果“是”则进入下一步骤，如果“否”则启动蓄电池模块对超级电容充电并循环本步骤；
(4)将超级电容接入电机系统进行供电；
(5)检测到车辆完成大功率运行，超级电容与电机系统断开，与此同时，蓄电池模块为电机系统供电。
一种电动汽车复合电能控制系统的控制方法，其中，车辆不需要大功率运行时，当超级电容的值高于预设额定值，蓄电池模块中蓄电池组的电量低于预设额定值，超级电容向将蓄电池模块进行充电，所述车辆不需要大功率运行的情况如下，满足其一即可判断车辆不需要大功率运行：
(1)车辆启动，且检测到当前车辆不需要大功率运行；
(2)车辆在道路行驶过程中平稳运行，不需要大功率加速；
(3)车辆在减速行驶；
一种电动汽车复合电能控制系统的控制方法，其中，所述车辆需要大功率运行时为通过加速踏板检测到车辆的加速度超过预设额定值。
一种电动汽车复合电能控制系统的控制方法，其中，所述控制系统由车辆的电子控制单元控制，所述电子控制单元根据蓄电池模块的荷电状态，优先选择向与供电系统电路荷电状态较低的并联蓄电池组充电。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用快速充电与常规充电相结合的复合充电系统。快速充电系统是将超级电容和蓄电池组相结合的充电装置，利用超级电容快速充电，使用寿命长的优点，大大的节省了电动汽车的充电时间。在装有再生制动系统的电动汽车上，再生制动获得的电能将会通过电路储存在超级电容中，利用超级电容对蓄电池组完成充电。再生制动的过程可以大大提高电动汽车的续航里程，增加能量利用率。
2、蓄电池组先并联后再串联至电路中，可以选择并联电路中的一路进行工作，从而使蓄电池以稳定的电压输出，可以减少电机等用电设备的不稳定工况；同时，当电动汽车工作的过程中，超级电容可以给与工作蓄电池组相并联的蓄电池组充电，不会影响汽车的正常工作。
3、电子控制单元根据蓄电池组的荷电状态，选择性的进行充电。从而避免蓄电池组过载过冲，减少蓄电池组不必要的消耗，有效提高蓄电池组的使用寿命；同时，电子控制单元会根据各电池组的荷电状态，优先选择与供电电路荷电状态较低的并联蓄电池组充电，可以有效提高车辆的行驶里程。
附图说明
图1为本发明的电动汽车复合电能控制系统整体结构框图；
图2为本发明的电动汽车复合电能控制系统的控制方法流程框图；
图3为本发明的电动汽车复合电能控制系统中蓄电池模块中的蓄电池组连接示意图；
图4为本发明的电动汽车复合电能控制系统中车辆工作时蓄电池模块的工作原理图；
图5为本发明的电动汽车复合电能控制系统中蓄电池模块与超级电容的连接关系示意图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
如图1所示，本发明公开了一种电动汽车复合电能控制系统，所述系统由外围电源系统、超级电容、家用电源系统、蓄电池模块、第一变换器、第二变换器和电机系统组成。
其中，所述蓄电池模块与电机系统并联组成所述控制系统的常规供电系统；所述超级电容与电机系统并联组成所述控制系统的大功率供电系统；所述第一变换器与蓄电池模块串联后分别与第二变换器及超级电容及外围电源系统并联组成所述控制系统的快速充电系统；所述家用电源系统与第一变换器串联后与蓄电池模块并联组成所述控制系统的常规充电系统。
如图3所示，所述蓄电池模块由多组相同结构的蓄电池组件串联组成，所述每组蓄电池组件均有两个蓄电池组并联组成，每组蓄电池组件均有两路接口，其中第一路接口直接分别与接口con3和接口con4连接，第二路接口分别与上、下游的蓄电池组相连，其中，始、末两蓄电池组件分别与接口con1和接口con2连接。
在本实施例中以三个蓄电池组件为例，分别为蓄电池组件P、蓄电池组件Q和蓄电池组件R，其中各蓄电池组件的组成及连接方式均相同，此处以蓄电池组件P为例做详细介绍。
如图3所示，所述蓄电池组件P的第一路接口(与接口con3、con4相连)经接口con3接入后又分为两支：一支依次经开关KP13、蓄电池组P1、开关KP14与接口con4相连；另一支依次经开关KP23、蓄电池组P2、开关KP24与接口con4相连。
所述蓄电池组件的第二路接口(与接口con1、con2相连)经接口con1接入后又分为两支：一支依次经开关KP21、蓄电池组P2、开关KP22与下游的蓄电池组件Q接口相连；另一支依次经开关KP11、蓄电池组P1、开关KP12与下游的蓄电池组件Q接口相连，且两支路在下游的蓄电池组件Q接口前汇合。
所述蓄电池组P1和蓄电池组P2均是由若干额定电压相同的蓄电池串联组成,从而保证蓄电池组P1、蓄电池组P2的额定电压相同。
上述的蓄电池组中的开关均与电子控制单元控制连接(图中未显示)，受电子控制单元控制，所述述的电子控制单元会根据车辆的蓄电池电量信息、超级电容电量信息以及加速踏板开度等信息决定开关的闭合与断开。
如图5所示，本发明的电动汽车复合电能控制系统中，蓄电池模块与超级电容并联。所述蓄电池模块分别与接口con3、con4相连后，一端经接口con4接入第一变换器后与第二变换器相连，所述蓄电池模块另一端经接口con3也与第二变换器相连，且所述第二变换器与所述超级电容器的一端并联。
所述第一变换器由开关Q1与反向二极管D1并联组成，所述开关Q1的开闭受PWM信号控制。
所述第二变换器与变换器1相连的接口处有两路分支，第一路分支连入电感后分别和电容及超级电容相连，第二路分支与由开关Q2和反向二极管D2组成的并联装置连接后分别接入接口con3、电容以及超级电容的另一端；所述开关Q2的开闭受PWM信号控制。
当蓄电池模块为超级电容充电时，开关Q2断开，开关Q1受PWM信号控制，在不同的占空比调节下断开与闭合，从而形成一个稳定的升压电路，完成蓄电池组对超级电容的充电；当超级电容为蓄电池模块充电时，开关Q1断开，开关Q2受PWM信号控制保持持续的断开与闭合，这样超级电容可以以较低的电压为蓄电池模块持续充电。超级电容将获得的能量通过闭合开关K2作用到电机系统上，从而提高电机的输出功率，实现加速和爬坡，提高电动汽车的动力性。
本发明还提供了一种电动汽车复合电能控制系统的控制方法，所述控制系统结构组成如前所述，所述电动汽车复合电能控制系统的控制方法如下：
当汽车蓄电池的电量不足时，驾驶员会通过电量显示仪表(图中未显示)得出车辆蓄电池电量信息。驾驶员根据实际情况选择上述的快速充电系统或常规充电系统。上述的快速充电系统是指超级电容充电。超级电容的比功率较高，可在数分钟内完成充电。超级电容充电结束后，电动汽车可以在上述的复合电能系统作用下，电动汽车可以正常工作的同时，对电动汽车蓄电池模块中的蓄电池充电。
当汽车需要长时间停车，如夜间长时间停车时，驾驶员可以根据具体情况，选择常规充电系统为电动汽车充电。当汽车接入普通家用电源后，家用电源经充电器整流后接入蓄电池组进行充电。
图3所示，当蓄电池模块中的P1、P2、Q1、Q2、R1、R2等荷电状态均较低时，控制系统会将蓄电池模块中的KP13、KP14、KP23、KP24、KQ13、KQ14、KQ23、KQ24、KR13、KR14、KR23和KR24闭合，将蓄电池组模块中的KP11、KP12、KP21、KP22、KQ11、KQ12、KQ21、KQ22、KR11、KR12、KR21和KR22断开，当任一蓄电池组充电完成时，如图中的P1充电完成时，与之相连的闭合开关KP13、KP14会断开，其他的蓄电池组件也是这样工作。
当车辆处于运行状态下，电动汽车启动后，会通过加速踏板等传感器(图中未显示)信息监测车辆的加速情况；
当电动汽车需要以较大的功率(如加速度超过0.3g)加速或爬坡时，电动汽车会判断超级电容是否正在对蓄电池组充电。若此时正在充电，超级电容对蓄电池组的充电电路会断开；同时，电动汽车会监测超级电容的电量，当超级电容的电量不足时，蓄电池组会对超级电容进行反向充电，此时，超级电容会给电机系统供电，使电动汽车以较高的功率工作，从而可以提高电动汽车的动力性。
超级电容向相并联的电池组一路充电，同时，另一路蓄电池可以向电机系统供电，车辆可以稳定的工作，所述控制系统由车辆的电子控制单元控制，所述电子控制单元根据蓄电池模块的荷电状态，优先选择向与供电系统电路荷电状态较低的并联蓄电池组充电。
超级电容为蓄电池模块充电过程如下：
例如，如图4所示，当超级电容电量较高，而部分蓄电池模块中的蓄电池组电量不足时，如图中的蓄电池组P2，蓄电池组Q2，蓄电池组R2电量不足时。蓄电池组P1、蓄电池组Q1、蓄电池组R1工作，蓄电池组P2、蓄电池组Q2、蓄电池组R2充电，电子控制单元(图中未显示)会控制开关KP11、KP12、KP23、KP24、KQ11、KQ12、KQ23、KQ24、KR11、KR12、KR23、KR24闭合，同时会控制开关KP13、KP14、KP21、KP22、KQ13、KQ14、KQ21、KQ22、KP13、KP14、KP21、KP22断开。当其中的某一蓄电池组如蓄电池组Q2充电完成后，电子控制单元会将开关KQ23、KQ24断开，其他蓄电池组继续充电。
其中，当车辆需要大功率运行时，超级电容直接向电机系统供电，当超级电容电量不足时，蓄电池模块向超级电容反向充电；
如图2所示，当车辆需要大功率运行时，即通过加速踏板检测到车辆的加速度超过预设额定值。即车辆处于加速或爬坡运行时。所述控制方法具体步骤如下：
(1)车辆启动及在行驶加速过程中，检测到当前车辆需要大功率运行；
(2)检测超级电容器是否在为蓄电池模块充电，如果“是”则断开充电并循环本步骤，如果“否”则进入下一步骤；
(3)检测超级电容器是否有电，如果“是”则进入下一步骤，如果“否”则启动蓄电池模块对超级电容充电并循环本步骤；
(4)将超级电容接入电机系统进行供电；
(5)检测到车辆完成大功率运行，超级电容与电机系统断开，与此同时，蓄电池模块为电机系统供电。
此外，当电动汽车不在需要以较大的功率工作时，超级电容会与电机系统断开，同时，蓄电池组会与电机系统通电，使电动汽车以较稳定的电压工作。
车辆不需要大功率运行时，当超级电容的值高于预设额定值，蓄电池模块中蓄电池组的电量低于预设额定值，超级电容向将蓄电池模块进行充电，所述车辆不需要大功率运行的情况如下，满足其一即可判断车辆不需要大功率运行：
(1)车辆启动，且检测到当前车辆不需要大功率运行；
(2)车辆在道路行驶过程中平稳运行，不需要大功率加速；
(3)车辆在减速行驶。
Claims (10)
1.一种电动汽车复合电能控制系统，其特征在于：
所述控制系统由外围电源系统、超级电容、家用电源系统、蓄电池模块、第一变换器、第二变换器和电机系统组成；其中，
所述蓄电池模块与电机系统并联组成所述控制系统的常规供电系统；
所述超级电容与电机系统并联组成所述控制系统的大功率供电系统；
所述第一变换器与蓄电池模块串联后分别与第二变换器及超级电容及外围电源系统并联组成所述控制系统的快速充电系统；
所述家用电源系统与第一变换器串联后与蓄电池模块并联组成所述控制系统的常规充电系统。
2.如权利要求1所述一种电动汽车复合电能控制系统，其特征在于：
所述蓄电池模块由多组相同结构的蓄电池组件串联组成，所述每组蓄电池组件均有两个蓄电池组并联组成，每组蓄电池组件均有两路接口，其中第一路接口直接分别与接口con3和接口con4连接，第二路接口分别与上、下游的蓄电池组相连，其中，始、末两蓄电池组件分别与接口con1和接口con2连接。
3.如权利要求2所述一种电动汽车复合电能控制系统，其特征在于：
所述蓄电池组件的第一路接口经接口con3接入后又分为两支：一支依次经开关KN13、蓄电池组N1、开关KN14与接口con4相连；另一支依次经开关KN23、蓄电池组N2、开关KN24与接口con4相连；
所述蓄电池组件的第二路接口经接口con1或上游蓄电池组件接口接入后又分为两支：一支依次经开关KN21、蓄电池组N2、开关KN22与con2或下游蓄电池组件接口相连；另一支依次经开关KN11、蓄电池组N1、开关KN12与con2或下游蓄电池组件接口相连；
所述蓄电池组N1和蓄电池组N2是由若干额定电压相同的蓄电池串联组成。
4.如权利要求3所述一种电动汽车复合电能控制系统，其特征在于：
所述蓄电池组件内的开关均与车辆的电子控制单元控制连接。
5.如权利要求2所述一种电动汽车复合电能控制系统，其特征在于：
所述蓄电池模块一端经接口con4接入第一变换器后与第二变换器相连，所述蓄电池模块另一端经接口con3与第二变换器相连，所述第二变换器与所述超级电容器的一端并联；
所述第一变换器由开关Q1与反向二极管D1并联组成；
所述第二变换器与变换器1相连的接口处有两路分支，第一路分支连入电感后分别和电容及超级电容相连，第二路分支与由开关Q2和反向二极管D2组成的并联装置连接后分别接入接口con3、电容以及超级电容的另一端；
所述开关Q1与开关Q2均受PWM信号控制。
6.一种如权利要求1所述的电动汽车复合电能控制系统的控制方法，其特征在于：
当车辆处于长时间停止状态下，选择常规充电系统，通过接入家用电源系统对蓄电池模块进行充电，进而为电机系统储存电能；
当车辆处于运行状态下，选择快速充电系统，通过接入外围电源系统对超级电容进行快速充电后，通过超级电容对蓄电池模块中的蓄电池组充电；
超级电容向相并联的电池组一路充电，同时，另一路蓄电池可以向电机系统供电，车辆可以稳定的工作；
其中，当车辆需要大功率运行时，超级电容直接向电机系统供电，当超级电容电量不足时，蓄电池模块向超级电容反向充电；当车辆不需要大功率运行时，超级电容与电机系统断开，由蓄电池模块向电机系统供电。
7.如权利要求6所述的电动汽车复合电能控制系统的控制方法，其特征在于：
当车辆需要大功率运行时，所述控制方法具体步骤如下：
(1)车辆启动及在行驶加速过程中，检测到当前车辆需要大功率运行；
(2)检测超级电容器是否在为蓄电池模块充电，如果“是”则断开充电并循环本步骤，如果“否”则进入下一步骤；
(3)检测超级电容器是否有电，如果“是”则进入下一步骤，如果“否”则启动蓄电池模块对超级电容充电并循环本步骤；
(4)将超级电容接入电机系统进行供电；
(5)检测到车辆完成大功率运行，超级电容与电机系统断开，与此同时，蓄电池模块为电机系统供电。
8.如权利要求6所述的电动汽车复合电能控制系统的控制方法，其特征在于：
车辆不需要大功率运行时，当超级电容的值高于预设额定值，蓄电池模块中蓄电池组的电量低于预设额定值，超级电容向将蓄电池模块进行充电，所述车辆不需要大功率运行的情况如下，满足其一即可判断车辆不需要大功率运行：
(1)车辆启动，且检测到当前车辆不需要大功率运行；
(2)车辆在道路行驶过程中平稳运行，不需要大功率加速；
(3)车辆在减速行驶。
9.如权利要求6-8中任一项所述的电动汽车复合电能控制系统的控制方法，其特征在于：
所述车辆需要大功率运行时为通过加速踏板检测到车辆的加速度超过预设额定值。
10.如权利要求6所述的电动汽车复合电能控制系统的控制方法，其特征在于：
所述控制系统由车辆的电子控制单元控制，所述电子控制单元根据蓄电池模块的荷电状态，优先选择向与供电系统电路荷电状态较低的并联蓄电池组充电。
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