CN106080223A - 一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制系统及方法，包括电机需求功率采集模块、能量管理中心、电池组和超级电容器，所述的电机需求功率采集模块连接能量管理中心的信号输入端，所述的能量管理中心的信号输出端分别连接电池组和超级电容器，本发明的有益效果为：结构简单，使用方便，利用超级电容可快速的充电的特性，降低动力电池组的放电深度，从而增加电池组的使用次数，延长使用寿命，使续驶里程提高50％，在启停过程的节约能效为30％以上。

Description

一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车动力系统技术领域，尤其涉及一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制系统及方法。

背景技术

与传统的燃油车相比，电动汽车具有污染低、效率高、可使用多种可再生能源、噪声低、更有利于整车控制和智能化等优点，电动汽车的潜力和优势使其走上了迅速发展的道路。作为电动汽车的关键部件，车载电源的开发和优化一直是这几年的研究热点。但是在优化过程中系统性能会互相制约，一方的提高会使另一方性能降低。动力蓄电池比能量和比功率无法兼顾的技术难题，一直困扰着行业内的研发人员，多年都难以寻找到解决这项不足的突破口。

纵观电池的发展历史，我们有理由相信在不久的将来人们一定能在电池的制造、开发以及性能上寻得突破。但就目前而言，我们的电动汽车领域确实缺少一个完美的“心脏”。但这并不能阻止我们发展电动汽车的脚步。在电池技术成熟之前，我们可以通过寻找辅助能源来弥补当前动力蓄电池的不足，而超级电容器恰好拥有与其完全互补的特点。将动力电池和超级电容器组合使用，发挥各自的优势，弥补对方的不足，确保电动汽车功率和能量需求的同时，延长动力电池的使用寿命，降低能耗。

如果说复合电源是电动汽车的“心脏”，那么功率分配控制策略就是电动汽车的“大脑”。在读取车辆的实时状态和运行条件后，作出合理的判断与指示，使电动汽车以最优的状态工作是功率分配控制策略的任务和责任。拥有一个聪明的“大脑”可以帮助电动汽车在工作过程中拥有更充沛的体能、更长久的寿命以及更健康的状态。由此可见功率分配控制策略在电动汽车复合电源系统中的重要性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制系统及方法，利用超级电容可快速的充电的特性，降低动力电池组的放电深度，从而增加电池组的使用次数，延长使用寿命。且能更好地利用动力电池组所具有的容量，使续驶里程提高50％。此外，超级电池可快速吸收车载发电机产生的电量，在启停过程的节约能效为30％以上。

本发明所采用的技术方案为：一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制系统，其特征在于：包括电机需求功率采集模块、能量管理中心、电池组和超级电容器，所述的电机需求功率采集模块连接能量管理中心的信号输入端，所述的能量管理中心的信号输出端分别连接电池组和超级电容器。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的能量管理中心为MCU微控制器。

本发明所述的一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制方法，包括以下步骤：

S1、先采集油门、刹车和车速信息，确定汽车运行状态，分析电机所需功率；

S2、然后根据当前电池组、超级电容器的电压、温度、电流检测信息，确定二者的状态信息；

S3、能量管理中心控制器中的功率分配控制策略，结合功率需求和主辅电源状态计算出当前主辅电源的功率分配因子；

S4、最后由控制器控制DC/DC按照上述功率分配因子工作，使得电池组和超级电容输出各自的功率，满足电动汽车的运行需求。

其中，在本实施例中，所述的主辅电源的功率分配遵循以下基本原则：电池组是主要能源，要满足汽车对双能源系统的平均功率要求，保证汽车能够正常匀速行驶；超级电容是辅助能源，满足汽车的瞬时峰值功率，并且能够提供一定时间的持续峰值功率，根据上述的原则，确定对主辅电源的功率分配控制目标是：在保证电动汽车动力性的基础上，电池组的输出要尽可能平滑，使其工作在最佳放电模式；超级电容起备用辅助功率提升的作用，其输出根据工况变化来调整；当减速、制动有再生能量时，由超级电容器回收再生制动能量，吸收大电流，“削峰填谷”；保证主辅电源的SOC值在安全范围内，其具体分配如下：

结合电动汽车工况，双能源动力系统一共有三种基本工作模式，分别是低载匀速、加速爬坡、再生制动，设Pm为电机需求功率，Pbat为锂电池充放电功率，Pcap为超级电容充放电功率，则有

Pm＝Pbat+Pcap

电机需求功率Pm的大小由实际需求功率决定，在给定的工况下是确定的；而Pbat和Pcap则需要根据一定的控制策略来进行分配，设P平均为电动汽车电机平均需求功率，SOCcap为超级电容器的SOC值，SOCcapmin为超级电容器的最小工作SOC值，对于上述三种工作模式，分析如下：

(1)当电动汽车匀速或者低载行驶时，电机需求功率小于电机平均需求功率，Pm>0且Pm<P平均，那么由电池组单独为电机供电：

Pm＝Pbat

当超级电容SOC值过低时，SPCcap<SOCcapmin，电池组要给超级电容充电：

Pbat＝Pm-Pcap，Pcap<0

(2)当电动汽车在加速爬坡等高负荷行驶时，电机需求功率大于电机平均功率，Pm>0且Pm>P平均，那么电池组和超级电容同时为电机供电：

Pm＝Pbat+Pcap

(3)当电动汽车下坡或者减速的时候，电机工作再生制动模式，Pm<0，电机给超级电容和电池组充电，但是要控制由超级电容吸收绝大部分能量，当超级电容充满后再给电池组充电：

Pm＝Pcap<0。

采用模糊逻辑控制策略来实现对双能源动力系统功率分配的控制：定义功率分配因子K，对于电机需求功率P、电池组和超级电容充放电功率则有：

P＝Pcap+Pbat

K＝Pbat/P

Pcap＝(1-K)P

由上式可见，K由电机需求功率、电池组功率和超级电容功率三者影响，电机需求功率根据实际路况确定，为定值，超级电容和电池组的SOC值将影响其工作能力，电池组功率和超级电容功率根据电机需求功率大小及其SOC值的情况进行分析衡量，当P确定时，K由电池SOC和超级电容的SOC的大小决定，在得到电机的需求功率、电池SOC和超级电容的SOC后，通过模糊控制算法，计算出合适的功率分配因子K。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

利用超级电容可快速的充电的特性，降低动力电池组的放电深度，从而增加电池组的使用次数，延长使用寿命；且能更好地利用动力电池组所具有的容量，使续驶里程提高50％；此外，超级电池可快速吸收车载发电机产生的电量，在启停过程的节约能效为30％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的能量管理及控制过程示意图；

图2是本申请实施例的模糊逻辑控制策略示意图；

图中，1、电机需求功率采集模块，2、能量管理中心，3、电池组，4、超级电容器。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1-图2所示，本实施例所述的、一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制系统，包括电机需求功率采集模块1能量管理中心2、电池组3)和超级电容器4，所述的电机需求功率采集模块1连接能量管理中心2的信号输入端，所述的能量管理中心2的信号输出端分别连接电池组3和超级电容器4。

其中，在本实施例中，所述的能量管理中心2为MCU微控制器。

本实施例所述的一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制方法，其包括以下步骤：

S1、先采集油门、刹车和车速信息，确定汽车运行状态，分析电机所需功率；

S2、然后根据当前电池组、超级电容器的电压、温度、电流检测信息，确定二者的状态信息；

S3、能量管理中心2控制器中的功率分配控制策略，结合功率需求和主辅电源状态计算出当前主辅电源的功率分配因子；

S4、最后由控制器控制DC/DC按照上述功率分配因子工作，使得电池组和超级电容输出各自的功率，满足电动汽车的运行需求。

其中，在本实施例中，所述的主辅电源的功率分配遵循以下基本原则：电池组3是主要能源，要满足汽车对双能源系统的平均功率要求，保证汽车能够正常匀速行驶；超级电容是辅助能源，满足汽车的瞬时峰值功率，并且能够提供一定时间的持续峰值功率，根据上述的原则，确定对主辅电源的功率分配控制目标是：在保证电动汽车动力性的基础上，电池组的输出要尽可能平滑，使其工作在最佳放电模式；超级电容起备用辅助功率提升的作用，其输出根据工况变化来调整；当减速、制动有再生能量时，由超级电容器回收再生制动能量，吸收大电流，“削峰填谷”；保证主辅电源的SOC值在安全范围内，其具体分配如下：

结合电动汽车工况，双能源动力系统一共有三种基本工作模式，分别是低载匀速、加速爬坡、再生制动，设Pm为电机需求功率，Pbat为锂电池充放电功率，Pcap为超级电容充放电功率，则有

Pm＝Pbat+Pcap

电机需求功率Pm的大小由实际需求功率决定，在给定的工况下是确定的；而Pbat和Pcap则需要根据一定的控制策略来进行分配，设P平均为电动汽车电机平均需求功率，SOCcap为超级电容器的SOC值，SOCcapmin为超级电容器的最小工作SOC值，对于上述三种工作模式，分析如下：

(1)当电动汽车匀速或者低载行驶时，电机需求功率小于电机平均需求功率，Pm>0且Pm<P平均，那么由电池组单独为电机供电：

Pm＝Pbat

当超级电容SOC值过低时，SPCcap<SOCcapmin，电池组要给超级电容充电：

Pbat＝Pm-Pcap，Pcap<0

(2)当电动汽车在加速爬坡等高负荷行驶时，电机需求功率大于电机平均功率，Pm>0且Pm>P平均，那么电池组和超级电容同时为电机供电：

Pm＝Pbat+Pcap

(3)当电动汽车下坡或者减速的时候，电机工作再生制动模式，Pm<0，电机给超级电容和电池组充电，但是要控制由超级电容吸收绝大部分能量，当超级电容充满后再给电池组充电：

Pm＝Pcap<0。

采用模糊逻辑控制策略来实现对双能源动力系统功率分配的控制：定义功率分配因子K，对于电机需求功率P、电池组和超级电容充放电功率则有：

P＝Pcap+Pbat

K＝Pbat/P

Pcap＝(1-K)P

由上式可见，K由电机需求功率、电池组功率和超级电容功率三者影响，电机需求功率根据实际路况确定，为定值，超级电容和电池组的SOC值将影响其工作能力，电池组功率和超级电容功率根据电机需求功率大小及其SOC值的情况进行分析衡量，当P确定时，K由电池SOC和超级电容的SOC的大小决定，在得到电机的需求功率、电池SOC和超级电容的SOC后，通过模糊控制算法，计算出合适的功率分配因子K。

由MCU微控制器负责对整个系统的数据进行分析运算并完成控制决策。首先，MCU对信号采集模块的输入信号进行分析，然后判断出电动汽车的工作路况及行驶状态，并根据电池组和超级电容的SOC值，经过模糊控制算法计算出合适的功率分配因子，由此合理分配电池组和超级电容的工作，最终实现各种工况下的控制目标。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制系统，其特征在于：包括电机需求功率采集模块(1)、能量管理中心(2)、电池组(3)和超级电容器(4)，所述的电机需求功率采集模块(1)连接能量管理中心(2)的信号输入端，所述的能量管理中心(2)的信号输出端分别连接电池组(3)和超级电容器(4)。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制系统，其特征在于：所述的能量管理中心(2)为MCU微控制器。

3.一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、先采集油门、刹车和车速信息，确定汽车运行状态，分析电机所需功率；

S2、然后根据当前电池组、超级电容器的电压、温度、电流检测信息，确定二者的状态信息；

S3、能量管理中心(2)控制器中的功率分配控制策略，结合功率需求和主辅电源状态计算出当前主辅电源的功率分配因子；

S4、最后由控制器控制DC/DC按照上述功率分配因子工作，使得电池组和超级电容输出各自的功率，满足电动汽车的运行需求。

4.根据权利要求3一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制方法，其特征在于，所述的主辅电源的功率分配遵循以下基本原则：电池组(3)是主要能源，要满足汽车对双能源系统的平均功率要求，保证汽车能够正常匀速行驶；超级电容是辅助能源，满足汽车的瞬时峰值功率，并且能够提供一定时间的持续峰值功率，根据上述的原则，确定对主辅电源的功率分配控制目标是：在保证电动汽车动力性的基础上，电池组的输出要尽可能平滑，使其工作在最佳放电模式；超级电容起备用辅助功率提升的作用，其输出根据工况变化来调整；当减速、制动有再生能量时，由超级电容器回收再生制动能量，吸收大电流，“削峰填谷”；保证主辅电源的SOC值在安全范围内，其具体分配如下：

结合电动汽车工况，双能源动力系统一共有三种基本工作模式，分别是低载匀速、加速爬坡、再生制动，设Pm为电机需求功率，Pbat为锂电池充放电功率，Pcap为超级电容充放电功率，则有

Pm＝Pbat+Pcap

电机需求功率Pm的大小由实际需求功率决定，在给定的工况下是确定的；而Pbat和Pcap则需要根据一定的控制策略来进行分配，设P平均为电动汽车电机平均需求功率，SOCcap为超级电容器的SOC值，SOCcapmin为超级电容器的最小工作SOC值，对于上述三种工作模式，分析如下：

(1)当电动汽车匀速或者低载行驶时，电机需求功率小于电机平均需求功率，Pm>0且Pm<P平均，那么由电池组单独为电机供电：

Pm＝Pbat

当超级电容SOC值过低时，SPCcap<SOCcapmin，电池组要给超级电容充电：

Pbat＝Pm-Pcap,Pcap<0

(2)当电动汽车在加速爬坡等高负荷行驶时，电机需求功率大于电机平均功率，Pm>0且Pm>P平均，那么电池组和超级电容同时为电机供电：

Pm＝Pbat+Pcap

(3)当电动汽车下坡或者减速的时候，电机工作再生制动模式，Pm<0，电机给超级电容和电池组充电，但是要控制由超级电容吸收绝大部分能量，当超级电容充满后再给电池组充电：

Pm＝Pcap<0。

采用模糊逻辑控制策略来实现对双能源动力系统功率分配的控制：定义功率分配因子K，对于电机需求功率P、电池组和超级电容充放电功率则有：

P＝Pcap+Pbat

K＝Pbat/P

Pcap＝(1-K)P

由上式可见，K由电机需求功率、电池组功率和超级电容功率三者影响，电机需求功率根据实际路况确定，为定值，超级电容和电池组的SOC值将影响其工作能力，电池组功率和超级电容功率根据电机需求功率大小及其SOC值的情况进行分析衡量，当P确定时，K由电池SOC和超级电容的SOC的大小决定，在得到电机的需求功率、电池SOC和超级电容的SOC后，通过模糊控制算法，计算出合适的功率分配因子K。