CN106300460A - 一种电动汽车中超级电容器电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车中超级电容器电压控制方法，其包括以下步骤：步骤一，计算超级电容器当前电压下限U_l，步骤二，计算超级电容器当前电压上限U_u，步骤三，将超级电容器当前电压U与所述超级电容器当前电压下限U_l和超级电容器当前电压上限U_u进行比较，如果U≥U_u，则超级电容器当前电压U偏高，则控制超级电容器进行放电；如果U＜U_l，则超级电容器当前电压U偏低，则控制超级电容器进行充电；如果U_l≤U＜U_u，则超级电容器当前电压U在合理区间。本发明能动态地将超级电容器电压调整到合理的水平，不仅提高了电源的寿命，而且充分发挥超级电容器的潜力。

Description

一种电动汽车中超级电容器电压控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车复合电源中超级电容器，特别涉及一种电动汽车中超级电容器电压控制方法。

背景技术

电池组——超级电容复合电源是一种新型的电动汽车电源，它结合了超级电容器比功率大和电池组比能量高的优点，比较好地适应了电动汽车巡航、启动、制动等多种工况的使用要求。

图1为电动汽车复合电源的结构示意图，如图所示，动力电池组1向电动机2提供电动车巡航时的电流，并通过DC-DC转换器3给超级电容器4充电；超级电容器4在电动车加速、制动等时刻提供或者吸收瞬时的大电流。超级电容器4作为储能缓冲器件，超级电容器4的电压(即超级电容的电量)需要动态地调整到合理的水平，使得加速时有足够的电能放出，而制动时有足够的剩余容量回收回馈电能。如何控制超级电容器的电压是使用电池组－超级电容器的电动车一个重要的问题。

目前对超级电容器电压控制的研究主要集中在高校、科研机构中，使用复杂的仿真建模方法来寻找电压的最优值，但在实际工况中，超级电容器电压始终在变化，很难跟上理论最优值，同时过于追求最优值导致频繁切换充放电模式并不利于电源的寿命；在工程实践上更多地使用一些固定目标值来控制电压，这又造成超级电容器的潜力未能充分发挥。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种电动汽车中超级电容器电压控制方法，能动态地将超级电容器电压调整到合理的水平，使得加速时有足够的电能放出，而制动时有足够的剩余容量回收回馈电能。

为实现上述目的，本发明的电动汽车中超级电容器电压控制方法，包括以下步骤：

步骤一，计算超级电容器当前电压下限U_l，

步骤二，计算超级电容器当前电压上限U_u，

步骤三，将超级电容器当前电压U与所述超级电容器当前电压下限U_l和超级电容器当前电压上限U_u进行比较，

如果U≥U_u，则超级电容器当前电压U偏高，则控制超级电容器进行放电；

如果U＜U_l，则超级电容器当前电压U偏低，则控制超级电容器进行充电；

如果U_l≤U＜U_u，则超级电容器当前电压U在合理区间。

优选地，所述超级电容器当前电压U在合理区间时，比较电动汽车动力电池组电流I_B与电池组额定电流I_e的大小，

如果I_B≥I_e，则控制超级电容器进行放电；

如果I_B＜I_e，则控制超级电容器进行充电。

优选地，所述超级电容器当前电压下限U_l的计算过程如下：

首先，计算车辆加速到最大速度所需时间t_M：

t_M＝t_v-t_vMAX

其中：t_v是电动汽车加速时间曲线上当前速度下的时间；t_vMAX是电动汽车加速时间曲线上最大速度下的时间；

其次，计算车辆加速到最大速度所需能量E_f；

E_f＝P_e×t_M

其中：P_e为电动机额定功率；

最后，计算超级电容器当前电压下限U_l：

$U_l=\sqrt{\frac{{2E}_f}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C1}}+U_{\mathrm{MIN}}^2}$

其中：C为超级电容器的容量；U_MIN为超级电容器的中止放电电压；η_D为DC-DC转换器效率；η_C1为超级电容器放电效率。

优选地，超级电容器当前电压上限U_u的计算过程如下：

先计算车辆最大制动回馈能量E_c：

$E_c=\frac{1}{2}m(v^2-v_0^2){\mathrm{\η}}_h$

其中：m为整车质量；v为电动车当前速度；v₀为电动车制动后速度，可以取为0，η_h为制动能量回收效率。

再计算超级电容器当前电压上限U_u：

$U_u=\sqrt{U_M^2-\frac{{2E}_c}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C2}}}$

其中：C为超级电容器的容量；U_M为超级电容器的中止充电电压；η_D为DC-DC转换器效率；η_C2为超级电容器充电效率。

本发明的电动汽车中超级电容器电压控制方法，能动态地将超级电容器电压调整到合理的水平，不用频繁切换充放电模式，不仅提高了电源的寿命，而且充分发挥超级电容器的潜力。

附图说明

图1为电动汽车复合电源的结构示意图；

图2为本发明的电动汽车中超级电容器电压控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

超级电容器容量充裕可以满足加速时的额外电量和制动时的回馈电量，在电动汽车行驶时控制超级电容器充电或者放电，以使得超级电容的电压U处于合适的水平。图2为本发明的电动汽车中超级电容器电压控制方法的流程图，如图所示，本发明的电动汽车中超级电容器电压控制方法，包括以下步骤：

步骤一(S100)，计算超级电容器当前电压下限U_l，超级电容器当前电压下限U_l的计算过程如下：

首先，计算车辆加速到最大速度所需时间t_M：

t_M＝t_v-t_vMAX

其中：t_v是电动汽车加速时间曲线上当前速度下的时间；t_vMAX是电动汽车加速时间曲线上最大速度下的时间。

其次，计算车辆加速到最大速度所需能量E_f；

E_f＝P_e×t_M

其中：P_e为电动机额定功率。

电动车加速需要的最大能量与工况、驾驶习惯等都有关系，正常行驶时电动机功率不会超过额定功率P_e。

最后，计算超级电容器当前电压下限U_l：

$U_l=\sqrt{\frac{{2E}_f}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C1}}+U_{\mathrm{MIN}}^2}$

其中：C为超级电容器的容量；U_MIN为超级电容器的中止放电电压；η_D为DC-DC转换器效率；η_C1为超级电容器放电效率。

超级电容的中止放电电压U_MIN随实际的电容器、DC-DC转换器情况而定，通常不应该低于(U_e为超级电容器额定电压)；DC-DC转换器η_D与超级电容器端电压相关，可以取平均值；超级电容器放电效率η_C1与超级电容器充放电时间、充放电深度有关，也可以取平均值。

步骤二(S200)，计算超级电容器当前电压上限U_u，计算超级电容器当前电压上限U_u的计算过程如下：

首先，计算车辆最大制动回馈能量E_c：

$E_c=\frac{1}{2}m(v^2-v_0^2){\mathrm{\η}}_h$

其中：m为整车质量；v为电动车当前速度；v₀为电动车制动后速度，可以取为0，η_h为制动能量回收效率。

其次，计算超级电容器当前电压上限U_u。

$U_u=\sqrt{U_M^2-\frac{{2E}_c}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C2}}}$

其中：U_M为超级电容器的中止充电电电压；η_C2为超级电容器充电效率。其他参数与前式相同。

超级电容的中止充电电压U_M可以定位额定工作电压U_e；超级电容器充电效率η_C2同样与超级电容器充放电时间、充放电深度有关，可以取平均值。

步骤三(S301，S302)，将超级电容器当前电压U与超级电容器当前电压下限U_l和超级电容器当前电压上限U_u进行比较，

如果U≥U_u，则电压偏高，表明在制动条件下，超级电容器可能无法回收全部回馈能量，需要控制超级电容器进行放电(S402)；

如果U＜U_l，则电压偏低，表明在加速情况下，超级电容器可能无法足够电能，需要控制超级电容器进行充电(S401)。

如果U_l≤U＜U_u，则电压在合理区间，加速时有足够的电能放出，制动时有足够的容量回收。

此时可以根据电池组电流I_B相对与电池组额定电流I_e的大小来控制超级电容器充放电：

如果I_B≥I_e，则电池组负担过重，需要控制超级电容器进行放电；

如果I_B＜I_e，则电池组负担较小，可以控制超级电容器进行充电；

实施例1：

电动车当前速度v＝60km/h，超级电容器当前电压U＝375V,超级电容器额定电压U_e＝380V。

A 计算超级电容器当前电压下限U_l。

A1 电动车当前速度v＝60km/h查电动汽车加速时间曲线，得到当前速度下的时间t_v＝30s；电动汽车最大速度下的时间t_vMAX＝50s。计算车辆加速到最大速度所需时间t_M。

t_M＝t_v-t_vMAX＝20s

A2 电动机额定功率P_e＝20000W，计算车辆加速到最大速度所需能量E_f。

E_f＝P_e×t_M＝400000J

A3 超级电容器的容量C＝30F；超级电容器的中止放电电压U_MIN＝190V；DCDC转换器效率η_D＝80％；超级电容器放电效率η_C1＝90％。计算超级电容器当前电压下限U_l。

$U_l=\sqrt{\frac{{2E}_f}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C1}}+U_{\mathrm{MIN}}^2}=270V$

B 计算超级电容器当前电压上限U_u。

B1 整车质量m＝2000kg；电动车当前速度v＝60km/h；电动车制动后速度v₀＝0km/h，制动能量回收效率η_h＝25％，计算车辆最大制动回馈能量E_c。

$E_c=\frac{1}{2}m(v^2-v_0^2){\mathrm{\η}}_h=69444J$

B2 超级电容器的中止充电电电压U_M＝380V；超级电容器充电效率η_C2＝90％，计算超级电容器当前电压上限U_u。

$U_u=\sqrt{U_M^2-\frac{{2E}_c}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C2}}}=371V$

C 超级电容器当前电压U＝375V则：

C1 U≥U_u，电压偏高，表明在制动条件下，超级电容器可能无法回收全部回馈能量，需要进行放电。

实施例2：

电动车当前速度v＝30km/h，超级电容器当前电压U＝250V,超级电容器额定电压U_e＝380V。

A 计算超级电容器当前电压下限U_l。

A1 电动车当前速度v＝30km/h查电动汽车加速时间曲线，得到当前速度下的时间t_v＝5s；电动汽车最大速度下的时间t_vMAX＝30s。计算车辆加速到最大速度所需时间t_M。

t_M＝t_v-t_vMAX＝25s

A2 电动机额定功率P_e＝20000W，计算车辆加速到最大速度所需能量E_f。

E_f＝P_e×t_M＝500000J

A3 超级电容器的容量C＝30F；超级电容器的中止放电电压U_MIN＝190V；DCDC转换器效率η_D＝80％；超级电容器放电效率η_C1＝90％。计算超级电容器当前电压下限U_l。

$U_l=\sqrt{\frac{{2E}_f}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C1}}+U_{\mathrm{MIN}}^2}=287V$

B 计算超级电容器当前电压上限U_u。

B1 整车质量m＝3000kg；电动车当前速度v＝30km/h；电动车制动后速度v₀＝0km/h，制动能量回收效率η_h＝25％，计算车辆最大制动回馈能量E_c。

$E_c=\frac{1}{2}m(v^2-v_0^2){\mathrm{\η}}_h=26063J$

B2 超级电容器的中止充电电电压U_M＝380V；超级电容器充电效率η_C2＝90％，计算超级电容器当前电压上限U_u。

$U_u=\sqrt{U_M^2-\frac{{2E}_c}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C2}}}=376V$

C 超级电容器当前电压U＝250V则：

C2 U＜U_l，电压偏低，表明在加速情况下，超级电容器可能无法足够电能，需要进行充电。

实施例3：

电动车当前速度v＝60km/h，超级电容器当前电压U＝700V,超级电容器额定电压U_e＝800V。

A 计算超级电容器当前电压下限U_l。

A1 电动车当前速度v＝60km/h查电动汽车加速时间曲线，得到当前速度下的时间t_v＝20s；电动汽车最大速度下的时间t_vMAX＝30s。计算车辆加速到最大速度所需时间t_M。

t_M＝t_v-t_vMAX＝10s

A2 电动机额定功率P_e＝40000W，计算车辆加速到最大速度所需能量E_f。

E_f＝P_e×t_M＝400000J

A3 超级电容器的容量C＝10F；超级电容器的中止放电电压U_MIN＝400V；DCDC转换器效率η_D＝80％；超级电容器放电效率η_C1＝90％。计算超级电容器当前电压下限U_l。

$U_l=\sqrt{\frac{{2E}_f}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C1}}+U_{\mathrm{MIN}}^2}=521V$

B 计算超级电容器当前电压上限U_u。

B1 整车质量m＝3000kg；电动车当前速度v＝60km/h；电动车制动后速度v₀＝0km/h，制动能量回收效率η_h＝25％，计算车辆最大制动回馈能量E_c。

$E_c=\frac{1}{2}m(v^2-v_0^2){\mathrm{\η}}_h=108375J$

B2 超级电容器的中止充电电电压U_M＝800V；超级电容器充电效率η_C2＝90％，计算超级电容器当前电压上限U_u。

$U_u=\sqrt{U_M^2-\frac{{2E}_c}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C2}}}=781V$

C 超级电容器当前电压U＝700V则：

C3 U_l≤U＜U_u，电压在合理区间，加速时有足够的电能放出，制动时有足够的容量回收。电池组电流I_B＝60A相，电池组额定电流I_e＝50A则：

C31 I_B≥I_e，则电池组负担过重，超级电容器需要放电；

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，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修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电动汽车中超级电容器电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，计算超级电容器当前电压下限U_l，

步骤二，计算超级电容器当前电压上限U_u，

步骤三，将超级电容器当前电压U与所述超级电容器当前电压下限U_l和超级电容器当前电压上限U_u进行比较，

如果U≥U_u，则超级电容器当前电压U偏高，则控制超级电容器进行放电；

如果U＜U_l，则超级电容器当前电压U偏低，则控制超级电容器进行充电；

如果U_l≤U＜U_u，则超级电容器当前电压U在合理区间。

2.如权利要求1所述的电动汽车中超级电容器电压控制方法，其特征在于，所述超级电容器当前电压U在合理区间时，比较电动汽车动力电池组电流I_B与电池组额定电流I_e的大小，

如果I_B≥I_e，则控制超级电容器进行放电；

如果I_B＜I_e，则控制超级电容器进行充电。

3.如权利要求1或2所述的电动汽车中超级电容器电压控制方法，其特征在于，所述超级电容器当前电压下限U_l的计算过程如下：

首先，计算车辆加速到最大速度所需时间t_M：

t_M＝t_v-t_vMAX

其中：t_v是电动汽车加速时间曲线上当前速度下的时间；t_vMAX是电动汽车加速时间曲线上最大速度下的时间；

其次，计算车辆加速到最大速度所需能量E_f；

E_f＝P_e×t_M

其中：P_e为电动机额定功率；

最后，计算超级电容器当前电压下限U_l：

$U_l=\sqrt{\frac{2E_f}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C1}}+U_{\mathrm{MIN}}^2}$

其中：C为超级电容器的容量；U_MIN为超级电容器的中止放电电压；η_D为DC-DC转换器效率；η_C1为超级电容器放电效率。

4.如权利要求1或2所述的电动汽车中超级电容器电压控制方法，其特征在于，超级电容器当前电压上限U_u的计算过程如下：

先计算车辆最大制动回馈能量E_c：

$E_c=\frac{1}{2}m(v^2-v_0^2){\mathrm{\η}}_h$

其中：m为整车质量；v为电动车当前速度；v₀为电动车制动后速度，可以取为0，η_h为制动能量回收效率。

再计算超级电容器当前电压上限U_u：

$U_u=\sqrt{U_M^2-\frac{2E_c}{C{\mathrm{\η}}_D{\mathrm{\η}}_{C2}}}$

其中：C为超级电容器的容量；U_M为超级电容器的中止充电电压；η_D为DC-DC转换器效率；η_C2为超级电容器充电效率。