CN106451674B - 一种具有电压均衡功能的电动汽车混合储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电压均衡功能的电动汽车混合储能系统，包括电池组单元、超级电容器组单元、第一开关管单元、第二开关管单元；所述电池组单元包括第一电池、第二电池和第三电池，所述超级电容器组单元包括第一超级电容、第二超级电容、第三超级电容、第一开关和第二开关，所述第一开关管单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，所述第二开关管单元包括第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管。本发明具有能实现电压自动均衡、系统功能丰富和能量利用率高等优点。

Description

一种具有电压均衡功能的电动汽车混合储能系统

技术领域

本发明涉及电动汽车供电系统领域，尤其是指一种具有电压均衡功能的电动汽车混合储能系统。

背景技术

随着人们环保意识的日益提升，电动汽车代替传统汽车成为一种趋势，而续航问题、电池寿命问题和性能问题又限制了电动汽车的发展。锂离子电池储能效果好，能量密度高和循环寿命长的优点使它适合为电动汽车的长时间运行提供能量。超级电容具有功率密度高，充电速度快，大电流放电能力超强的特点，因此超级电容适合为电动汽车启动或加速时产生足够的功率，同时超级电容还适合作为能量回收的中间缓冲层，即先把电动车把刹车和减速时产生的能量快速储存到超级电容中，之后再由超级电容转移到电池中，避免短时间产生的大电流对电池组寿命的影响，有利于解决了性能问题、续航问题和电池寿命问题。电池均衡技术则可以确保电动汽车储能系统中的每个储能单元两端的电压基本相等，有利于延长储能系统的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种可实现电压均衡的电动汽车混合储能系统，利用超级电容功率密度高，充电速度快，大电流放电能力超强的特点，在电动汽车启动或加速时，利用超级电池组代替电池组为电动汽车供能，实现快速启动和加速；因为电池能量密度高，适合长时间放电，当电动汽车启动加速到期望速度后，转为电池组供电。此外，利用超级电容的特性，可以快速把电动汽车刹车减速产生的能量储存起来，再转移到电池组中储存；本发明可以实现混合储能系统的电压自动均衡，简化了电路和控制方式。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种具有电压均衡功能的电动汽车混合储能系统，包括电池组单元、超级电容器组单元、第一开关管单元、第二开关管单元；所述电池组单元包括第一电池、第二电池和第三电池，所述超级电容器组单元包括第一超级电容、第二超级电容、第三超级电容、第一开关和第二开关，所述第一开关管单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，所述第二开关管单元包括第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管；所述第一电池、第二电池和第三电池均为容量相等的锂离子电池，所述第一电池的正极与第一开关管的漏极相连，所述第一电池的负极、第二电池的正极、第二开关管的漏极分别与第三开关管的漏极相连，所述第二电池的负极、第三电池的正极、第四开关管的漏极分别与第五开关管的漏极相连，所述第三电池的负极与第六开关管的漏极相连；所述第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容均为电容量相等的超级电容，所述第一开关和第二开关为电磁继电器，所述第一超级电容的正极、第一开关管的源极分别与第七开关管的漏极相连，所述第一超级电容的负极、第二开关管的源极、第八开关管的漏极分别与第一开关的一端相连，所述第一开关的另一端、第三开关管的源极、第九开关管的漏极分别与第二超级电容的正极相连，所述第二超级电容的负极、第四开关管的源极、第十开关管的漏极分别与第二开关的一端相连，所述第二开关的另一端、第五开关管的源极、第十一开关管的漏极分别与第三超级电容的正极相连，所述第三超级电容的负极、第六开关管的源极分别与第十二开关管的漏极相连；所述第一开关管到第六开关管的栅极相连，均由第一驱动信号驱动；所述第七开关管、第九开关管分别与第十一开关管的源极相连，所述第八开关管、第十开关管分别与第十二开关管的源极相连，所述第七开关管到第十二开关管的栅极相连，均由第二驱动信号驱动；所述第一驱动信号和第二驱动信号为两路互补信号，占空比均为50％。

所述的电动汽车混合储能系统分有以下四种工作状态：

状态I：启动或加速状态；此时，第一开关和第二开关闭合，第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容组成超级电容器组单元为电动汽车电机负载提供电能。

状态II：行驶状态；此时，第一开关和第二开关闭合断开，电池组单元给电动汽车电机负载长时间提供电能；

状态III：电压均衡第一阶段；此时，第一开关和第二开关闭合断开，第一开关管到第六开关管导通，第七开关管到第十二开关管关断，第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容分别并联在第一电池、第二电池和第三电池两端，当超级电容的电压高于电池端电压时，电池充电，当超级电容的电压低于电池端电压时，电池放电；

状态IV：电压均衡第二阶段；此时，第一开关和第二开关闭合断开，第一开关管到第六开关管关断，第七开关管到第十二开关管导通，第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容并联连接，三者中电压高的放电，电压低的充电。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明具有电压均衡的功能。

2、本发明控制简单，器件利用率高，节省空间。

3、本发明充分利用锂离子电池和超级电容的优点，提高电动汽车的动态性能。

附图说明

图1为本发明所述电动汽车混合储能系统的结构图。

图2为本发明所述电动汽车混合储能系统处于电压均衡工作状态时的电池组各单元的电压波形图。

图3为本发明所述电动汽车混合储能系统处于电压均衡工作状态时的超级电容器组各单元的电压波形图。

图4为图3的局部放大图像。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例所述的电动汽车混合储能系统，包括电池组单元B，超级电容器组单元C、第一开关管单元X、第二开关管单元Y；所述电池组单元B包括第一电池B₁、第二电池B₂和第三电池B₃；所述超级电容器组单元C包括第一超级电容SC₁、第二超级电容SC₂、第三超级电容SC₃、第一开关S_a和第二开关S_b；所述第一开关管单元X包括第一开关管S₁₁、第二开关管S₁₂、第三开关管S₂₁、第四开关管S₂₂、第五开关管S₃₁和第六开关管S₃₂；所述第二开关管单元Y包括第七开关管S₁₃、第八开关管S₁₄、第九开关管S₂₃、第十开关管S₂₄、第十一开关管S₃₃和第十二开关管S₃₄。所述第一电池B₁、第二电池B₂和第三电池B₃均为容量相等的锂离子电池；所述第一电池B₁的正极和第一开关管S₁₁的漏极相连；所述第一电池B₁的负极、第二电池B₂的正极、第二开关管S₁₂的漏极和第三开关管S₂₁的漏极相连；所述第二电池B₂的负极、第三电池B₃的正极、第四开关管S₂₂的漏极和第五开关管S₃₁的漏极相连；所述第三电池B₃的负极和第六开关管S₃₂的漏极相连；所述第一超级电容SC₁、第二超级电容SC₂和第三超级电容SC₃均为电容量相等的超级电容；所述第一开关S_a和第二开关S_b为电磁继电器；所述第一超级电容SC₁的正极、第一开关管S₁₁的源极和第七开关管S₁₃的漏极相连；所述第一超级电容SC₁的负极、第二开关管S₁₂的源极、第八开关管S₁₄的漏极和第一开关S_a的一端相连；所述第一开关S_a的另一端、第三开关管S₂₁的源极、第九开关管S₂₃的漏极和第二超级电容SC₂的正极相连；所述第二超级电容SC₂的负极、第四开关管S₂₂的源极、第十开关管S₂₄的漏极和第二开关S_b的一端相连；所述第二开关S_b的另一端、第五开关管S₃₁的源极、第十一开关管S₃₃的漏极和第三超级电容SC₃的正极相连；所述第三超级电容SC₃的负极、第六开关管S₃₂的源极和第十二开关管S₃₄的漏极相连；所述第一开关管S₁₁到第六开关管S₃₂的栅极相连，均由第一驱动信号G_X驱动；所述第七开关管S₁₃、第九开关管S₂₃和第十一开关管S₃₃的源极相连；所述第八开关管S₁₄、第十开关管S₂₄和第十二开关管S₃₄的源极相连；所述第七开关管S₁₃到第十二开关管S₃₄的栅极相连，均由第二驱动信号G_Y驱动；所述驱动信号G_X和驱动信号G_Y为两路互补信号，占空比均为50％。

按电动汽车工作状态分析，本实施例上述的电动汽车混合储能系统可分为一下几种工作状态：

状态I：启动或加速状态。第一开关和第二开关闭合，第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容组成超级电容器组为电动汽车电机负载提供电能。

状态II：行驶状态。第一开关和第二开关闭合断开，电池组给电动汽车电机负载长时间提供电能。

状态III：电压均衡第一阶段。第一开关和第二开关闭合断开，第一开关管到第六开关管导通，第七开关管到第十二开关管关断。第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容分别并联在第一电池、第二电池和第三电池两端。当超级电容的电压高于电池端电压时，电池充电；当超级电容的电压低于电池端电压时，电池放电。

状态IV：电压均衡第二阶段。第一开关和第二开关闭合断开，第一开关管到第六开关管关断，第七开关管到第十二开关管导通，第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容并联连接，三者中电压高的放电，电压低的充电。

参见图2所示，从图中可以看出，电池B1、B2和B3的初始电压各不相同，分别为3、2.5和2V，当系统工作在均衡模式下时，三者最终可实现电压相等，约为2.5V，实现电压均衡。

参见图3所示，当第一开关管单元的开关管导通时，超级电容对电池放电或者电池对超级电容充电；当第二开关管导通时，超级电容快速实现电压相等。参见图4所示，第一开关管单元的开关管导通时，超级电容SC1从电池B1吸收电能，电压上升；超级电容SC2与电池B2电压相近，电压没有变化；超级电容SC3对电池B3放电，电压下降；而第二开关管导通时，超级电容SC1、SC2和SC3的电压快速实现均衡，均为2.5V。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种具有电压均衡功能的电动汽车混合储能系统，其特征在于：包括电池组单元、超级电容器组单元、第一开关管单元、第二开关管单元；所述电池组单元包括第一电池、第二电池和第三电池，所述超级电容器组单元包括第一超级电容、第二超级电容、第三超级电容、第一开关和第二开关，所述第一开关管单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，所述第二开关管单元包括第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管；所述第一电池、第二电池和第三电池均为容量相等的锂离子电池，所述第一电池的正极与第一开关管的漏极相连，所述第一电池的负极、第二电池的正极、第二开关管的漏极分别与第三开关管的漏极相连，所述第二电池的负极、第三电池的正极、第四开关管的漏极分别与第五开关管的漏极相连，所述第三电池的负极与第六开关管的漏极相连；所述第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容均为电容量相等的超级电容，所述第一开关和第二开关为电磁继电器，所述第一超级电容的正极、第一开关管的源极分别与第七开关管的漏极相连，所述第一超级电容的负极、第二开关管的源极、第八开关管的漏极分别与第一开关的一端相连，所述第一开关的另一端、第三开关管的源极、第九开关管的漏极分别与第二超级电容的正极相连，所述第二超级电容的负极、第四开关管的源极、第十开关管的漏极分别与第二开关的一端相连，所述第二开关的另一端、第五开关管的源极、第十一开关管的漏极分别与第三超级电容的正极相连，所述第三超级电容的负极、第六开关管的源极分别与第十二开关管的漏极相连；所述第一开关管到第六开关管的栅极相连，均由第一驱动信号驱动；所述第七开关管、第九开关管分别与第十一开关管的源极相连，所述第八开关管、第十开关管分别与第十二开关管的源极相连，所述第七开关管到第十二开关管的栅极相连，均由第二驱动信号驱动；所述第一驱动信号和第二驱动信号为两路互补信号，占空比均为50%。

2.根据权利要求1所述的一种具有电压均衡功能的电动汽车混合储能系统，其特征在于，所述的电动汽车混合储能系统分有以下四种工作状态：

状态I：启动或加速状态；此时，第一开关和第二开关闭合，第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容组成超级电容器组单元为电动汽车电机负载提供电能；

状态II：行驶状态；此时，第一开关和第二开关闭合断开，电池组单元给电动汽车电机负载长时间提供电能；

状态III：电压均衡第一阶段；此时，第一开关和第二开关闭合断开，第一开关管到第六开关管导通，第七开关管到第十二开关管关断，第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容分别并联在第一电池、第二电池和第三电池两端，当超级电容的电压高于电池端电压时，电池充电，当超级电容的电压低于电池端电压时，电池放电；

状态IV：电压均衡第二阶段；此时，第一开关和第二开关闭合断开，第一开关管到第六开关管关断，第七开关管到第十二开关管导通，第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容并联连接，三者中电压高的放电，电压低的充电。

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