CN106143168A - 一种电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统及方法 - Google Patents

一种电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统及方法，包括电池组、稳压电容、二极管D3、开关S、大功率升压电路、小功率升压电路、超级电容、电压和电流采样电路、控制器、反向运算放大电路和两个光耦隔离，超级电容侧连接负载或电机逆变器；大功率升压电路由电感L1、MOS管SW1、二极管D1组成；小功率升压电路由电感L2、MOS管SW2、二极管D2组成；大功率升压电路、小功率升压电路、二极管D3形成电池组能量的三路并联输出；控制器对大功率升压电路和小功率升压电路实行并联交错控制，并控制开关S的导通和断开实现输出工作模式主动切换。通过对两个升压电路交错控制和主动切换工作模式，实现混合储能系统的高效率工作。

Description

一种电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统及方法
技术领域
本发明属于电动汽车混合储能系统领域，涉及一种电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统及方法。
背景技术
近年来，石油短缺、环境污染问题日趋严重，虽然国家正在大力推进可再生能源产业发展，但常见的风电、太阳能等可再生能源由于不稳定等因素影响利用率不高。开发高效率、低排放的电动汽车是解决上述问题的有效措施。电动汽车发展的瓶颈是能量存储系统。作为目前主流能量储存系统的电池组具有能量密度高、但功率密度却相对较低。与之相反，超级电容具有很高的功率密度，但能量密度偏低。电池组与超级电容组合形成混合储能系统能有效发挥各自的优势，延长电池组使用寿命。
传统的混合储能系统存在体积大、工作模式少、工作模式被动切换、效率低等问题。由于电池组与超级电容之间需要进行能量转换，需要采用直流-直流变换器(DC-DC)。如果采用单一的大功率DC-DC，由于部件要承受大电流，其价格将十分昂贵，且工作模式少。为降低DC-DC成本，可采用两个或多个小功率DC-DC并联。然而，为实现工作模式主动切换，需要增加两个或多个切换开关，同样会增加成本，并且多个小功率DC-DC的协调控制问题不易解决。此外，如果采用一个信号控制所有的小功率DC-DC，则所有小功率DC-DC均将同时处于工作状态，能量在DC-DC上的损失将增大。因此，需要减少切换开关的个数和考虑DC-DC的协调控制。
由于DC-DC的存在，传统混合储能系统的一个能量源需经过DC-DC工作，无疑会增加能量在DC-DC上的损失。为减少该部分损失，必须增加独立的能量源单独输出电路。一些多模式混合储能系统虽然具备能量源单独输出电路，但没有考虑DC-DC的协调控制或实现并联交错输出，由于模式切换门限值比较多，各工种模式不能有效配合和协调切换，导致模式切换控制策略变得复杂，并且会降低系统效率，实际应用困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统及方法。该系统可以实现电池组能量的三路并联主动切换输出、并联升压电路的交错控制。通过主动切换和交错控制，实现混合储能系统的高效率工作。
为实现上述功能，本发明提供的技术方案是：
一种电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统，包括电池组、二极管D3、大功率升压电路、小功率升压电路、超级电容、电压采样电路、电流采样电路、控制器、反向运算放大电路和两个光耦隔离；
所述的二极管D3的输入端连接电池组正极，输出端连接超级电容正极，超级电容的负极连接电池组负极；
所述的超级电容侧为混合储能系统输出端，连接负载或电机逆变器；
所述的大功率升压电路包括电感L1、MOS管SW1和二极管D1，电感L1一端通过开关S连接电池组的正极，另一端分别连接MOS管SW1的漏极和二极管D1的输入端；MOS管SW1的源极连接超级电容负极和电池负极，二极管D1输出端连接超级电容正极；
所述的小功率升压电路包括电感L2、MOS管SW2和二极管D2，电感L2一端连接电池组的正极，另一端分别连接MOS管SW2的漏极和二极管D2的输入端；MOS管SW2的源极连接超级电容负极和电池负极，二极管D2输出端连接超级电容正极；
所述的电流采样电路检测电池组输入端的采样电流；电压采样电路检测混合储能系统输出端负载或电机逆变器的采样电压；
所述的控制器连接电流采样电路、电压采样电路、电动汽车油门信号检测电路和开关S；所述的控制器通过第二光耦隔离控制MOS管SW2，依次通过反向运算放大电路和第一光耦隔离控制MOS管SW1。
作为本发明的进一步改进，所述的反向运算放大电路中，R1＝R2＝R3＝50欧姆。
作为本发明的进一步改进，所述的电池组的两端并联一个稳压电容。
作为本发明的进一步改进，所述的超级电容最高电压为电池组额定电压的2～4倍。
作为本发明的进一步改进，所述的控制器为MSP或DSP控制器。
一种电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统的控制方法，包括：控制器获取电池组输入端的采样电流、混合储能系统输出端负载或电机逆变器的采样电压、电动汽车的油门信号；并根据油门信号、采样电压和采样电流信号控制开关S的导通和断开，对大功率升压电路、小功率升压电路实行交错控制，实施工作模式主动切换。
进一步，主动切换工作模式包括三种工作模式：
当超级电容电压低于上限值，在油门信号大于门限值时，控制器控制开关S导通，同时控制小功率升压电路和大功率升压电路共同工作，为大功率升压工作模式；在油门信号小于门限值时，控制器控制开关S断开，同时控制小功率升压电路单独工作，为小功率升压工作模式；
当超级电容电压高于上限值或等于电池组电压时，控制器控制开关S断开，控制器输出的PWM波占空比为零使大功率升压电路和小功率升压电路均不工作，采用超级电容单独工作模式或电池组直接并联超级电容工作模式。
进一步，所述的控制器向第二光耦隔离、反向运算放大电路发送PWM信号；PWM信号直接经第二光耦隔离输出至MOS管SW2的栅极，该PWM信号同时经反向运算放大电路取反、再经过第一光耦隔离输出至MOS管SW1的栅极，从而实现对大功率升压电路和小功率升压电路的交错控制。
进一步，开关S的导通需延时3～10s。
相对于现有技术，本发明所产生的有益效果是：
从结构上看，本发明的混合储能系统包括二极管D3、大功率升压电路、小功率升压电路，实现了二极管D3、大功率升压电路、小功率升压电路形成电池组能量的三路并联输出，通过控制器可以主动切换最优的输出工作模式；本发明工作模式切换方案容易实现，大功率升压电路和小功率升压电路可并联交错输出，能有效提高混合储能系统效率。
进一步，采用一路PWM波，并通过反向运算放大电路、光耦隔离实现交错互补PWM波控制SW1和SW2，实现了控制的准确性和及时性。
进一步，稳压电容，平抑电池组输入端的电压和电流波动，延长电池使用寿命。
本发明的控制方法通过获取电池组输入端的采样电流、混合储能系统输出端负载或电机逆变器的采样电压、电动汽车的油门信号，进行判断比较，进而对大功率升压电路、小功率升压电路实行并联交错控制，并控制开关S的导通和断开实施工作模式主动切换。通过主动切换和交错控制，实现混合储能系统的高效率工作。
进一步，通过工作模式主动切换可以实现大功率升压工作模式、小功率升压工作模式及超级电容单独工作模式或电池组直接并联超级电容工作模式的自由切换，控制准确、方便、快捷。
进一步，通过反向运算放大电路将MSP控制器输出的PWM信号取反，实现了控制SW1和SW2反向控制，从而实现对大功率升压电路和小功率升压电路的并联交错控制。
进一步，开关S的导通需延时一段时间，避免开关S状态频繁切换。
附图说明
图1是本发明实施例的多路并联交错输出型混合储能系统；
图2是本发明实施例的SW1和SW2的交错互补控制信号图；
图3是本发明实施例的超级电容单独工作模式图；
图4是本发明实施例的小功率升压工作模式图；
图5是本发明实施例的大功率升压工作模式图；
图6是本发明实施例的电池组直接并联超级电容工作模式图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对上述方案进行进一步说明，实施例用于说明本发明而不限制本发明的范围，部分参数特别是门限值可以等比例扩大或缩小。例如：油门信号为0～3V，可等比例调整采样电压的信号为0～3.3V；超级电容最高电压为电池组电压的2.5倍，可根据实际应用调整为2～4倍；开关S开启延时设置为5s，可设置为延时3～10s，反向运算放大电路中电阻R1＝R2＝R3＝50欧姆。
实施例
本实施例描述了一种电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统及工作模式切换方法。如图1，系统由电池组、稳压电容、二极管D3、开关S、大功率升压电路、小功率升压电路、超级电容、电压采样电路、电流采样电路、MSP控制器、反向运算放大电路和两个光耦隔离组成。
其中，所述的二极管D3的输入端连接电池组正极，输出端连接超级电容的正极，超级电容负极连接电池组负极，所述的超级电容侧连接负载或电机逆变器；所述的大功率升压电路包括电感L1、MOS管SW1和二极管D1，电感L1一端通过开关S连接电池组正极，另一端分别连接MOS管SW1漏极和二极管D1的输入端；MOS管SW1源极连接电池的负极和超级电容的负极，二极管D1输出端连接超级电容正极；所述的小功率升压电路包括电感L2、MOS管SW2和二极管D2，电感L2一端连接电池组正极，另一端分别连接MOS管SW2的漏极和二极管D2的输入端；MOS管SW2的源极连接电池的负极和超级电容的负极，二极管D2输出端连接超级电容正极。
超级电容最高电压为电池标准电压的2.5倍，保证升压电路的高效率运行、超级电容可放电量约为85％；稳压电容并联在电池组的两端，平抑电池组输入端的电压和电流波动，保证电池组安全；大功率升压电路、小功率升压电路、二极管D3形成电池输出能量三路并联输出，并可主动切换工作模式。MSP控制器对大功率升压电路、小功率升压电路实行并联交错控制，并控制开关S的导通和断开实现输出工作模式主动切换。
所述的反向运算放大电路将MSP控制器输出的PWM信号取反，光耦隔离1和光耦隔离2输出交错互补的PWM信号控制SW1和SW2，从而实现对大功率升压电路和小功率升压电路的并联交错控制。
优选地，所述的MSP控制器可用DSP控制器或其它控制芯片替代；MSP控制器根据油门信号和采样电压、采样电流信号控制S开关，同时向光耦隔离2、反向运算放大电路发送PWM信号。
本实施例的电流采样电路检测电池组输入端的电流；电压采样电路检测混合储能系统输出端负载或电机逆变器的母线电压；MSP控制器输出PWM信号直接经第二光耦隔离2输出至MOS管SW2的栅极，该PWM信号同时经反向运算放大电路取反、再经过第一光耦隔离1输出至MOS管SW1的栅极；MOS管SW1与SW2控制信号的高低电平相反、为交错互补控制信号，如图2。
本实施例仅讨论混合储能系统输出工作模式的情况，在制动能量回收条件下与传统混合储能系统的工作模式相同。参考图3、图4、图5、图6，在电动汽车需求功率大于零时，如果超级电容电压高于最大电压的95％，则切换为超级电容单独输出模式，此时S断开，MSP控制器输出低电平(控制器输出的PWM波占空比为零)，大功率升压电路和小功率升压电路均不工作；当超级电容电压不高于上限值(最高电压的95％)，如果油门信号电压小于1.5V，则采用小功率升压工作模式，此时S断开，大功率升压电路不工作，MSP控制器根据采样电流信号输出PWM波对小功率升压电路进行恒流控制；如果油门电压信号大于1.5V，则采用小功率升压电路与大功率升压电路同时输出，为大功率升压工作模式，此时S导通，MSP控制器根据采样电压和电流信号对升压电路进行恒压限流控制，输出的占空比区间为[0.4,0.6]；如果持续大功率输出，则超级电容电压持续下降，当超级电容与电池组电压相等时，S必须断开，此时MSP控制器输出低电平(控制器输出的PWM波占空比为零)，大功率升压电路和小功率升压电路均不工作，采用电池组直接并联超级电容工作模式；在电池组直接并联超级电容工作模式时，当油门信号小于0.2V时，切换为小功率升压工作模式输出；以上所有模式在开关S导通后，延时5s，避免开关S状态频繁切换。
上述各种应用场景仅是本发明较佳的实施方式，只为体现本发明的混合储能系统的特点，并非对本发明作任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则内做等同替换或修饰，均涵盖在本发明保护范围内。

Claims (9)

1.一种电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统，其特征在于，包括电池组、二极管D3、大功率升压电路、小功率升压电路、超级电容、电压采样电路、电流采样电路、控制器、反向运算放大电路和两个光耦隔离；
所述的二极管D3的输入端连接电池组正极，输出端连接超级电容正极，超级电容的负极连接电池组负极；所述的超级电容侧为混合储能系统输出端，连接负载或电机逆变器；
所述的大功率升压电路包括电感L1、MOS管SW1和二极管D1，电感L1一端通过开关S连接电池组的正极，另一端分别连接MOS管SW1的漏极和二极管D1的输入端；MOS管SW1的源极连接超级电容负极和电池负极，二极管D1输出端连接超级电容正极；
所述的小功率升压电路包括电感L2、MOS管SW2和二极管D2，电感L2一端连接电池组的正极，另一端分别连接MOS管SW2的漏极和二极管D2的输入端；MOS管SW2的源极连接超级电容负极和电池负极，二极管D2输出端连接超级电容正极；
所述的电流采样电路检测电池组输入端的采样电流；电压采样电路检测混合储能系统输出端负载或电机逆变器的采样电压；
所述的控制器连接电流采样电路、电压采样电路、电动汽车油门信号检测电路和开关S；所述的控制器通过第二光耦隔离(2)控制MOS管SW2，依次通过反向运算放大电路和第一光耦隔离(1)控制MOS管SW1。
2.根据权利要求1所述的电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统，其特征在于，所述的反向运算放大电路中，电阻R1、R2、R3的阻值相同。
3.根据权利要求1所述的电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统，其特征在于，所述的电池组的两端并联一个稳压电容。
4.根据权利要求1所述的电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统，其特征在于，所述的超级电容最高电压为电池组额定电压的2～4倍。
5.根据权利要求1所述的电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统，其特征在于，所述的控制器为MSP或DSP控制器。
6.一种根据权利要求1所述的电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统的控制方法，其特征在于，包括：控制器获取电池组输入端的采样电流、混合储能系统输出端负载或电机逆变器的采样电压、电动汽车的油门信号；并根据油门信号、采样电压和采样电流信号控制开关S的导通和断开，对大功率升压电路、小功率升压电路实行交错控制，实施工作模式主动切换。
7.根据权利要求6所述的电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统的控制方法，其特征在于，主动切换工作模式包括三种工作模式：
当超级电容电压低于上限值，在油门信号大于门限值时，控制器控制开关S导通，同时控制小功率升压电路和大功率升压电路共同工作，为大功率升压工作模式；在油门信号小于门限值时，控制器控制开关S断开，同时控制小功率升压电路单独工作，为小功率升压工作模式；
当超级电容电压高于上限值或等于电池组电压时，控制器控制开关S断开，控制器输出的PWM波占空比为零使大功率升压电路和小功率升压电路均不工作，采用超级电容单独工作模式或电池组直接并联超级电容工作模式。
8.根据权利要求7所述的电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统的控制方法，其特征在于，所述的控制器向第二光耦隔离(2)、反向运算放大电路发送PWM信号；PWM信号直接经第二光耦隔离(2)输出至MOS管SW2的栅极，该PWM信号同时经反向运算放大电路取反、再经过第一光耦隔离(1)输出至MOS管SW1的栅极，从而实现对大功率升压电路和小功率升压电路的交错控制。
9.根据权利要求6所述的电动汽车的多路并联交错输出型混合储能系统的控制方法，其特征在于，开关S的导通需延时3～10s。
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