CN106364341B - 一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构及控制方法 - Google Patents

一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构及控制方法，包括第一稳压电容、第二稳压电容、电池组、超级电容、电机逆变器、电压和电流采集电路以及ARM控制器；其中，第一储能电感、第一MOS管、第四二极管组成主升压电路；第二储能电感、第二MOS管、第三二极管组成辅助升降压电路；控制器根据电动汽车的实际需求功率控制MOS管的导通或断开，实现主升压电路和辅助升降压电路的切换工作或组合工作；输出时，在保证电动汽车动力性的基础上，选择超级电容最优升压工作模式或行车充电模式，减少能量损失；制动时，优先采用超级电容单独回收能量，为确保系统安全，在超级电容即将充满电时采用升压模式向电池组充电，保证制动能量回收稳定性。

Description

一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构及控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车的车载电源领域，涉及一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构及控制方法。
背景技术
传统内燃机汽车具有效率低和环境污染的缺点，相比之下，高效率和零排放使纯电动汽车具有绝对优势，在技术推进的同时，国家也积极出台各项政策推动电动汽车的发展和普及。然而，车用能量存储系统成为限制电动汽车发展的瓶颈问题之一，常用的锂电池能量存储系统尽管能量密度高，但功率密度相对较低，对整车性能产生不利影响。而超级电容具备高能量密度的特性，与锂电池组成复合电源系统可以有效解决上述问题，在保证电动汽车续驶里程的前提下，提升其动力性能，实现两种能量源的优势互补。
现阶段电动汽车复合电源系统亟待解决的问题主要体现在：如何根据电动汽车实际行驶工况，在保证动力性的基础上，选择系统最佳工作模式，减少能量损失，提升整体效率；如何在保证电池使用寿命的前提下，实现制动能量回收最大化，以及回收稳定性和安全性。上述问题需结合复合电源系统自身结构设计并考虑相应的能量管理策略来综合解决。
发明内容
本发明的目的在于克服现阶段电动汽车复合电源存在的问题，提供一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构及控制方法。该结构和控制方法可以根据电动汽车实际需求功率选择相对应的最佳工作模式，避免电池组峰值功率输出以及超级电容回收所有制动能量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构，包括电池组、主升压电路、超级电容、辅助升降压电路、电机逆变器、电压采集电路和电流采集电路以及控制器；其中，主升压电路包括第一储能电感、第一MOS管和第四二极管；辅助升降压电路包括第二储能电感、第二MOS管和第三二极管；
所述电池组的正极与第一稳压电容正极、第四二极管阴极和第五二极管阳极相连接，第四二极管阳极与第一储能电感一端和第一MOS管漏极相连接，第一储能电感另一端与超级电容正极和第二储能电感一端相连接，第二储能电感另一端与第二MOS管漏极和第三MOS管源极相连接，第五二极管阴极和第三MOS管漏极、第二稳压电容正极以及电机逆变器的阳极及阴极分别与第一MOS管的源极和漏极相连接，第二二极管的阳极及阴极分别与第二MOS管的源极和漏极相连接，第三二极管的阳极及阴极分别与第三MOS管的源极和漏极相连接，电池组的负极与第一稳压电容负极、第一MOS管源极、超级电容负极、第二MOS管源极、第二稳压电容负极以及电机逆变器另一端相连接；
所述电压采集电路的输入端与第二稳压电容相连接，电流采集电路的输入端与电机逆变器的输入端相连接，电压采集电路的输出端、电流采集电路的输出端均与控制板的输入端相连接，控制板的输出端分别与第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极和第三MOS管的栅极相连接，控制器根据电动汽车的实际需求功率控制MOS管的导通或断开，实现主升压电路和辅助升降压电路的切换工作或组合工作，选择最优工作模式。
电池组的额定电压高于超级电容的额定电压。
第一储能电感电感值大于第二储能电感电感值的两倍。
所述的控制器为ARM控制器。
一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构的控制方法，具体包括以下步骤：
1)所述控制器通过电压采集电路、电流采集电路分别采集第二稳压电容两端的电压和电机逆变器的母线电流，并根据电压和电流计算得到电机逆变器的实际需求功率；
2)当电机逆变器的实际需求功率大于零时，控制器控制系统工作模式在小功率输出方案、中等功率输出方案和大功率输出方案间进行选择切换；中功率输出方案与大功率输出方案采用功率滞环控制方法进行相互切换；
3)当电机逆变器的实际需求功率小于零时，进行制动能量回收。
功率滞环控制方法进行相互切换具体为：
进行大功率输出方案工作时，当电机逆变器的实际需求功率小于电池组最大工作功率的80％时，切换为中功率输出方案；进行中功率输出方案时，当电机逆变器的实际需求功率大于电池组最大工作功率时，切换为大功率输出方案。
所述的小功率输出方案包括：
2.1)电池组单独输出模式：需求功率较低时，主升压电路和辅助升降压电路均不工作，电池组单独提供全部需求功率；
2.2)行车充电模式：需求功率较低并且超级电容的荷电状态SOC低于下限值时，电池组提供需求功率且向超级电容充电；
2.3)小功率共同输出模式：所述的控制器输出PWM波控制第二MOS管使超级电容升压工作，第一MOS管和第三MOS管关闭，电池组输出其最大工作功率的70％，剩余需求功率由超级电容经过辅助升压电路提供。
所述的中功率输出方案具体如下：所述的控制器输出PWM波控制第一MOS管使超级电容升压工作，第二MOS管和第三MOS管关闭，电池组输出其最大工作功率的50％，剩余需求功率由超级电容经过主升压电路提供。
所述的大功率输出方案具体如下：所述的控制器输出PWM波控制第一MOS管和第二MOS管使超级电容升压工作，第三MOS管关闭，电池组输出其最大工作功率的30％，剩余需求功率由超级电容经过主升压电路和辅助升压电路共同提供。
制动能量回收具体步骤如下：所述的控制器输出PWM波控制第三MOS管，当制动能量小于超级电容的最大可回收能量时，采用超级电容单独回收模式，超级电容经过辅助降压电路最大程度回收所有制动能量；当制动能量大于超级电容的最大可回收能量时，采用共同回收模式，超级电容将超出的制动能量经过主升压电路向电池组充电。
相对与现有技术，本发明具有以下技术效果：
本发明的复合电源拓扑结构由主升压电路、辅助升降压电路和电机逆变器等组成，控制器根据电压和电流采集电路得到电压和电流值，根据电动汽车实际行驶工况，在保证动力性的基础上，选择系统最佳工作模式，减少能量损失，提升整体效率。本发明的拓扑结构简单，控制准确，避免电池组峰值功率输出以及超级电容回收所有制动能量。
本发明的控制方法可以根据电动汽车的实际需求功率控制MOS管的导通或断开，实现主升压电路和辅助升降压电路的切换工作或组合工作；输出时，能量不会倒流到电池组，在保证电动汽车动力性的基础上，选择系统最佳工作模式，减少能量损失，提升整体效率；制动时，优先采用超级电容单独回收能量，为确保系统安全，在超级电容即将充满电时采用升压模式向电池组充电，在保证电池使用寿命的前提下，实现制动能量回收最大化，以及回收稳定性和安全性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构原理图；
图2是本发明实施例的复合电源系统工作模式切换流程图；
图3是本发明实施例的功率滞环控制和逻辑门限控制；
图4本发明实施例的电池组单独输出模式工作示意图；
图5是本发明实施例的行车充电模式工作示意图；
图6是本发明实施例的小功率共同输出模式工作示意图；
图7是本发明实施例的中功率共同输出模式工作示意图；
图8是本发明实施例的大功率共同输出模式工作示意图；
图9是本发明实施例的超级电容单独回收模式工作示意图；
图10是本发明实施例的共同回收模式工作示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构，系统包括第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第一储能电感L1、第二储能电感L2、第一稳压电容C1、第二稳压电容C2、电池组、超级电容SC、电机逆变器1、电压采集电路2和电流采集电路3以及ARM控制器4。
其中，第一储能电感L1、第一MOS管S1、第四二极管D4组成主升压电路；第二储能电感L2、第二MOS管S2、第三二极管D3组成辅助升降压电路；所述电池组的正极与第一稳压电容C1正极、第四二极管D4阴极和第五二极管D5阳极相连接，第四二极管D4阳极与第一储能电感L1一端和第一MOS管S1漏极相连接，第一储能电感L1另一端与超级电容SC正极和第二储能电感L2一端相连接，第二储能电感L2另一端与第二MOS管S2漏极和第三MOS管S3源极相连接，第五二极管D5阴极和第三MOS管S3漏极、第二稳压电容C2正极以及电机逆变器1的一端相连接，第一二极管D1的阳极及阴极分别与第一MOS管S1的源极和漏极相连接，第二二极管D2的阳极及阴极分别与第二MOS管S2的源极和漏极相连接，第三二极管D3的阳极及阴极分别与第三MOS管S3的源极和漏极相连接，电池组的负极与第一稳压电容C1负极、第一MOS管S1源极、超级电容SC负极、第二MOS管S2源极、第二稳压电容C2负极以及电机逆变器1另一端相连接；所述电压采集电路2的输入端与第二稳压电容C2相连接，电流采集电路3的输入端与电机逆变器1的输入端相连接，电压采集电路2的输出端、电流采集电路3的输出端均与ARM控制器4的输入端相连接，ARM控制器4的输出端分别与第一MOS管S1的栅极、第二MOS管S2的栅极和第三MOS管S3的栅极相连接。
其中，电池组为单个电池或者多个单体电池串联与并联组成，超级电容SC为单个超级电容或者由多个单体超级电容串联与并联组成，电池组的额定电压高于超级电容的额定电压；第一储能电感值大于第二储能电感值的两倍，即L1>2L2；第五二极管D5截止保证电池不直接回收制动能量。
本发明所述的一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构的控制方法为复合电源系统可以根据电动汽车的实际需求功率控制MOS管的导通或断开，实现主升压电路和辅助升降压电路的切换工作或组合工作，选择最优工作模式。
具体的工作模式切换流程图如图2所示。包括以下步骤：
1)复合电源启动后开始工作；
2)首先判断需求功率是否为正，
2.1)如果需求功率为正则进一步判断需求功率的大小，
进一步选择工作模式以及电池和超级电容输出功率大小，
按照小功率输出方案、中功率输出方案或大功率输出方案工作。
2.2)如果需求功率不为正，则根据制动能量是否超过超级电容回收能量上限，
进一步选择超级电容单独回收模式或者共同回收模式。
实施例的功率滞环控制和逻辑门限控制如图3所示。
1、所述ARM控制器4通过电压采集电路2、电流采集电路3分别采集第二稳压电容C2两端的电压和电机逆变器1的母线电流，并根据电压和电流计算得到电机逆变器1的实际需求功率；
2、当电机逆变器1的实际需求功率大于零时，系统工作模式在小功率输出方案、中等功率输出方案和大功率输出方案间进行选择切换；中功率输出方案与大功率输出方案采用功率滞环控制方法进行相互切换。当电机逆变器1的实际需求功率小于电池组最大工作功率的80％时，切换为中功率输出方案，此时电池组输出最大工作功率的50％，剩余需求功率由主升压电路提供；当电机逆变器的实际需求功率大于电池组最大工作功率时，切换为大功率输出方案。此时电池组输出最大工作功率的30％，剩余需求功率由主辅升压电路共同提供；当电机逆变器1的实际需求功率介于80％至之间时，复合电源系统在中功率输出方案和大功率输出方案之间进行滞环切换。
实施例的小功率输出方案的工作示意图如图4-图6所示。
1)电池组单独输出模式：需求功率较低时，主升压电路和辅助升降压电路均不工作，电池组单独提供全部需求功率。如图4所示。
2)行车充电模式：需求功率较低并且超级电容SC的荷电状态SOC低于下限值时，电池组提供需求功率且向超级电容充电。如图5所示。
3)小功率共同输出模式(辅助升压电路工作)：所述的ARM控制器4输出PWM波控制第二MOS管使超级电容升压工作，第一MOS管S1和第三MOS管S3关闭，电池组输出其最大工作功率的70％，剩余需求功率由超级电容经过辅助升压电路提供。如图6所示。
实施例的中功率输出方案如图7所示(主升电路工作)。所述的ARM控制器4输出PWM波控制第一MOS管使超级电容升压工作，第二MOS管S2和第三MOS管S3关闭，电池组输出其最大工作功率的50％，剩余需求功率由超级电容SC经过主升压电路提供。
实施例的大功率输出方案如图8所示(主升电路和辅助电路共同工作)。所述的大功率输出方案具体如下：所述的ARM控制器4输出PWM波控制第一MOS管S1和第二MOS管S2使超级电容SC升压工作，第三MOS管S3关闭，电池组输出其最大工作功率的30％，剩余需求功率由超级电容经过主升压电路和辅助升压电路共同提供。
3、当电机逆变器1的实际需求功率小于零时，进行制动能量回收。实施例的超级电容单独回收模式如图9所示。所述的ARM控制器4输出PWM波控制第三MOS管S3，当制动能量小于超级电容SC的最大可回收能量时，采用超级电容单独回收模式，超级电容SC经过辅助降压电路最大程度回收所有制动能量；当制动能量大于超级电容SC的最大可回收能量时，采用共同回收模式，超级电容SC将超出的制动能量经过主升压电路向电池组充电，保证能量回收的稳定性和安全性，工作示意图如图10所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构，其特征在于，包括电池组、主升压电路、超级电容(SC)、辅助升降压电路、电机逆变器(1)、电压采集电路(2)和电流采集电路(3)以及控制器(4)；其中，主升压电路包括第一储能电感(L1)、第一MOS管(S1)和第四二极管(D4)；辅助升降压电路包括第二储能电感(L2)、第二MOS管(S2)和第三二极管(D3)；
所述电池组的正极与第一稳压电容(C1)正极、第四二极管(D4)阴极和第五二极管(D5)阳极相连接，第四二极管(D4)阳极与第一储能电感(L1)一端和第一MOS管(S1)漏极相连接，第一储能电感(L1)另一端与超级电容(SC)正极和第二储能电感(L2)一端相连接，第二储能电感(L2)另一端与第二MOS管(S2)漏极和第三MOS管(S3)源极相连接，第五二极管(D5)阴极和第三MOS管(S3)漏极、第二稳压电容(C2)正极以及电机逆变器(1)的一端相连接，第一二极管(D1)的阳极及阴极分别与第一MOS管(S1)的源极和漏极相连接，第二二极管(D2)的阳极及阴极分别与第二MOS管(S2)的源极和漏极相连接，第三二极管(D3)的阳极及阴极分别与第三MOS管(S3)的源极和漏极相连接，电池组的负极与第一稳压电容(C1)负极、第一MOS管(S1)源极、超级电容(SC)负极、第二MOS管(S2)源极、第二稳压电容(C2)负极以及电机逆变器(1)另一端相连接；
所述电压采集电路(2)的输入端与第二稳压电容(C2)相连接，电流采集电路(3)的输入端与电机逆变器(1)的输入端相连接，电压采集电路(2)的输出端、电流采集电路(3)的输出端均与控制板(4)的输入端相连接，控制板(4)的输出端分别与第一MOS管(S1)的栅极、第二MOS管(S2)的栅极和第三MOS管(S3)的栅极相连接，控制器(4)根据电动汽车的实际需求功率控制MOS管的导通或断开，实现主升压电路和辅助升降压电路的切换或组合。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构，其特征在于，电池组的额定电压高于超级电容(SC)的额定电压。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构，其特征在于，第一储能电感(L1)电感值大于第二储能电感(L2)电感值的两倍。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构，其特征在于，所述的控制器(4)为ARM控制器。
5.权利要求1所述的一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)所述控制器(4)通过电压采集电路(2)、电流采集电路(3)分别采集第二稳压电容(C2)两端的电压和电机逆变器(1)的母线电流，并根据电压和电流计算得到电机逆变器(1)的实际需求功率；
2)当电机逆变器(1)的实际需求功率大于零时，控制器(4)控制系统工作模式在小功率输出方案、中等功率输出方案和大功率输出方案间进行选择切换；中功率输出方案与大功率输出方案采用功率滞环控制方法进行相互切换；
3)当电机逆变器(1)的实际需求功率小于零时，进行制动能量回收；
功率滞环控制方法进行相互切换具体为：
进行大功率输出方案工作时，当电机逆变器(1)的实际需求功率小于电池组最大工作功率的80％时，切换为中功率输出方案；进行中功率输出方案时，当电机逆变器(1)的实际需求功率大于电池组最大工作功率时，切换为大功率输出方案。
6.根据权利要求5所述的一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述的小功率输出方案包括：
2.1)电池组单独输出模式：需求功率较低时，主升压电路和辅助升降压电路均不工作，电池组单独提供全部需求功率；
2.2)行车充电模式：需求功率较低并且超级电容(SC)的荷电状态SOC低于下限值时，电池组提供需求功率且向超级电容充电；
2.3)小功率共同输出模式：所述的控制器(4)输出PWM波控制第二MOS管使超级电容升压工作，第一MOS管(S1)和第三MOS管(S3)关闭，电池组输出其最大工作功率的70％，剩余需求功率由超级电容(SC)经过辅助升压电路提供。
7.根据权利要求5或6所述的一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述的中功率输出方案具体如下：所述的控制器(4)输出PWM波控制第一MOS管使超级电容(SC)升压工作，第二MOS管(S2)和第三MOS管(S3)关闭，电池组输出其最大工作功率的50％，剩余需求功率由超级电容(SC)经过主升压电路提供。
8.根据权利要求5或6所述的一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述的大功率输出方案具体如下：所述的控制器(4)输出PWM波控制第一MOS管(S1)和第二MOS管(S2)使超级电容升压(SC)工作，第三MOS管(S3)关闭，电池组输出其最大工作功率的30％，剩余需求功率由超级电容(SC)经过主升压电路和辅助升压电路共同提供。
9.根据权利要求5所述的一种电动汽车的多模式切换复合电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，制动能量回收具体步骤如下：所述的控制器(4)输出PWM波控制第三MOS管(S3)，当制动能量小于超级电容(SC)的最大可回收能量时，采用超级电容单独回收模式，超级电容(SC)经过辅助降压电路最大程度回收所有制动能量；当制动能量大于超级电容(SC)的最大可回收能量时，采用共同回收模式，超级电容(SC)将超出的制动能量经过主升压电路向电池组充电。
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