CN106696720B - 一种电动汽车及其动力系统、控制方法和控制系统 - Google Patents

一种电动汽车及其动力系统、控制方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电动汽车动力系统及控制方法,该系统包括储能电池、能量分配单元、用电器件、电机控制器及电机,还包括超级电容单元,所述超级电容单元连接所述能量分配单元,向所述能量分配单元提供能量;所述超级电容单元还通过直流变换器与所述储能电池连接;所述超级电容单元和所述储能电池由整车控制器控制。本方案采用双能源作为车辆的能量存储装置,锂电池选用能量密度型电池,增加变换器和超级电容。不仅能够保证系统的功率需求,而且能够保证能量需求。大电流的能量吞吐由超级电容来保证,小电流的持续吞吐由锂电池来保证。

Description

一种电动汽车及其动力系统、控制方法和控制系统
技术领域
本发明涉及电动汽车领域,具体地说是一种电动汽车动力系统及其控制方法和控制系统。
背景技术
目前,人类社会的发展面临着“能源问题”及“环境问题”的双重制约。石油、煤等能源随着使用量的越来越多,导致资源的储备越来越少,同时,燃烧石油、煤都原料而带来的环境问题(比如雾霾天气,全球温室效应)日益严重。故世界能源问题以及环境保护问题成为限制人类社会发展的突出问题,在此背景下,汽车行业把新能源汽车作为研究热点。
电动汽车相对内燃机汽车,具有零排放、无污染、噪声低等优点,同时电动汽车的研究表明,其能源效率已超过汽油机汽车。特别是在城市运行,汽车走走停停,行驶速度不高,电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量,在制动过程中,电动机可自动转化为发电机,实现制动减速时能量的再利用。所以电动汽车是目前各大汽车公司发展的首选趋势。
目前,电动汽车动力系统结构如图1所示。电机,作为整个车辆的动力元件,代替了传统的内燃机,电机的输出轴通过传动轴与主减速器相连,主减速器主要是用来降低电机需求转速,增加电机输出到车轮的扭矩。锂电池作为整个车辆的唯一能量元件,为电机的运行提供能量,同时为车辆的高压附件(空调、暖风)提供能量。车载充电机为锂电池进行充电。
电池从提供的能量和功率的角度分类,可以分为能量型和功率型。能量型电池以高能量密度为特点,主要用于高能量输出;功率型电池以高功率密度为特点,主要用于瞬间高功率输出。目前,电动汽车大容量的电池一般都采用能量密度型的锂电池,但是在急加速和急减速工况情况下,需要锂电池又能提供大电流或者吸收大电流,趋向于功率型锂电池。所以就遇到能量密度与功率密度的矛盾。
在中国专利文献201410550899.4中公开了一种电动汽车超级电容充放电装置及其方法,包括超级电容器组、蓄电池、六重交错并联双向DC/DC变换器、直流母线、电机驱动装置、电机,该控制方法中公开了六重交错并联双向DC/DC变换器的结构及控制方法,然后仿真实现充放电的电流均衡。虽然该方案可以实现充放电的电流均衡,但是,该发明没有根据车辆的工况以及锂电池的电池荷电状态(SOC)对车辆的能量进行管理,无法实现针对各种工况提供合适的动力。
在中国专利文献201410472981.X中还公开了一种电动汽车制动能量回收装置及方法,该装置包括超级电容器,其中超级电容器通过电机控制器与ISG同步电机相连,并暂时存储ISG同步电机回收的电能,超级电容器通过第一DC/DC变换器与车载电器相连接,同时超级电容器通过动力电池组和辅助锂电池相连。该方案中,制动时产生的电能首先由超级电容器存储,制动能量回收方法是:电动汽车制动时通过ISG电机给超级电容充电,制动能量回收完成后,存储在超级电容器的一部分电能通过第一DC/DC变换器给动力电池组和辅助锂电池充电;当电控开关开启时,存储在超级电容器的另一部分感应电流经过第二DC/DC变换器置换成12V的车用直流电。这种制动能量回收的缺点为:1、超级电容回收电能然后再通过DC/DC给动力电池充电,这比在制动能量回收时直接给动力电池充电效率低;2、超级电容通过第二DC/DC变换器给12V电源使用,会导致超级电容中存储的电能有限,不能够在起步和急加速的时候提供额外的电能。
通过以上分析可以看出,现有技术中虽然采用了超级电容器来克服电池在瞬时充电、放电过程中的不足,但是无法满足各种工况下的需求。
发明内容
为此,本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的电动汽车控制方法不能适应各种工况下的,从而提出一种电动汽车系统及其控制方法。
为解决上述技术问题,本发明提供一种电动汽车的控制方法,包括如下步骤:
获取车辆运行的阶段和整车需求电流;
当车辆处于起步阶段时,控制超级电容单元提供第一起步电流,所述第一起步电流等于整车需求电流;
在起步阶段后期,所述第一起步电流减小,控制储能电池提供第二起步电流,所述第一起步电流与所述第二起步电流之和等于整车需求电流;
当起步完成后,控制储能电池提供第一稳定电流,该第一稳定电流等于整车需求电流。
优选地,还包括
车辆处于加速阶段时,控制所述超级电容单元提供第一加速电流,所述第一加速电流与所述第一稳定电流之和等于整车需求电流。
优选地,还包括
车辆处于加速阶段时,所述第一加速电流减小时,储能电池提供的电流增大,所述第一加速电流与所述储能电池提供的电流之和等于整车需求电流。
优选地,还包括
当车辆加速完成进入稳态行驶时,控制超级电容单元不再提供电流,仅由所述储能电池提供电流,该电流等于整车需求电流。
优选地,还包括
当车辆处于制动回收阶段时,判断所述制动电流的大小,如果所述制动电流小于或等于回收阈值时,控制所述储能电池进行能量回收;如果所述制动电流大于回收阈值时,控制所述储能电池保持恒定的回收电流,并控制超级电容单元回收其余的能量。
优选地,还包括当超级电容单元的电量低于预设阈值时,通过所述储能电池经过双向DC/DC变换器向所述超级电容充电。
此外,本发明还提供一种电动汽车的控制系统,包括
获取单元,获取车辆运行的阶段和整车需求电流;
第一起步单元,当车辆处于起步阶段时,控制超级电容单元提供第一起步电流,所述第一起步电流等于整车需求电流;
第二起步单元,在起步阶段后期,所述第一起步电流减小,控制储能电池提供第二起步电流,所述第一起步电流与所述第二起步电流之和等于整车需求电流;
起步完成单元,当起步完成后,控制储能电池提供第一稳定电流,该第一稳定电流等于整车需求电流。
优选地,还包括
第一加速单元,车辆处于加速阶段时,控制所述超级电容单元提供第一加速电流,所述第一加速电流与所述第一稳定电流之和等于整车需求电流;
第二加速单元,车辆处于加速阶段时,所述第一加速电流减小时,储能电池提供的电流增大,所述第一加速电流与所述储能电池提供的电流之和等于整车需求电流。
此外,本发明还提供一种电动汽车动力系统,包括储能电池、能量分配单元、用电器件、电机控制器及电机,其中:所述能量分配单元与所述储能电池、用电器件和电机控制器分别连接,所述储能电池向所述能量分配单元输出能量,所述能量分配单元用于给电机控制器和用电器件提供能量,还包括
超级电容单元,所述超级电容单元连接所述能量分配单元,向所述能量分配单元提供能量;所述超级电容单元还通过直流变换器与所述储能电池连接;
整车控制器,使用所述的电动汽车的控制方法。
此外,本发明还提供一种具有所述的动力系统的电动汽车。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点,
(1)本发明所述的电动汽车动力系统,包括储能电池、能量分配单元、用电器件、电机控制器及电机,还包括超级电容单元,所述超级电容单元连接所述能量分配单元,向所述能量分配单元提供能量;所述超级电容单元还通过直流变换器与所述储能电池连接;所述超级电容单元和所述储能电池由整车控制器控制。本方案采用双能源作为车辆的能量存储装置,锂电池选用能量密度型电池,增加高压DC/DC变换器和超级电容。不仅能够保证系统的功率需求,而且能够保证能量需求。大电流的能量吞吐由超级电容来保证,小电流的持续吞吐由锂电池来保证。
(2)本发明所述的电动汽车的控制方法及系统,根据车辆处于不同的阶段,控制储能电池和超级电容单元输出不同的电流,将车辆的工况与能量的输出相结合,不仅能够保证系统的功率需求,而且能够保证能量需求。大电流的能量吞吐由超级电容来保证,小电流的持续吞吐由锂电池来保证。该技术可以有效的对锂电池使用进行削峰填谷,保证锂电池小电流持续的浅充浅放,大大延长了电池的使用寿命。同时,制动能量回收时,为减少能量转换的消耗率,先给锂电池进行制动能量回馈,当电流超出锂电池的回收电流时,采用超级电容和锂电池同时进行制动能量回馈,延长车辆的续驶里程。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中
图1是本发明现有技术中的电动汽车动力系统结构图;
图2是本发明实施例1的一种电动汽车动力系统结构图;
图3是本发明实施例2的一种电动汽车控制方法的流程图;
图4是本发明实施例3的一种电动汽车控制方法的时序图;
图5是本发明实施例4的一种电动汽车控制系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的内容,下面结合附图和实施例对本发明所提供的技术方案作进一步的详细描述。
实施例1:
本实施例中提供一种电动汽车动力系统,包括储能电池、能量分配单元、用电器件、电机控制器及电机,其中储能电池为锂电池,在其他的实施方案中还可以是其他电池如铅酸电池等。能量分配单元也就是电动汽车中的中控盒,里面含有接触器、保险等部件,用于分配能量。用电器件是电动汽车中的一些高压附件,如空调、PTC(加热器,也可以理解为暖风)、DC/DC变换器等。中控盒可以给电机控制器和高压附件分配能量。
如图2所示,中控盒与所述锂电池、高压附件和电机控制器分别连接。此外,还包括一个超级电容单元,可以是一个超级电容,该超级电容也连接中控盒,向该中控盒提供能量。该超级电容还通过直流变换器与所述锂电池连接,此处的直流变换器为双向DC/DC变换器,使得所述超级电容单元和所述储能电池之间能够实现双向充电。所述超级电容和所述锂电池的充放电由整车控制器来控制,此处的整车控制器的控制策略如实施例2中的方法所示。
为了使得锂电池可以直接充电,无需频繁更换,作为储能装置的锂电池还连接有车载充电机,该车载充电机与锂电池连接,为锂电池充电。
该方案中,锂电池向所述中控盒输出能量,超级电容也向所述中控盒输出能量,因此该系统是双能源电动汽车系统。车辆由锂离子电池和超级电容两种储能装置提供能量,这两种储能装置跟中控盒相连,中控盒里面含有接触器、保险等零部件,主要作用是将储能装置的能量分配给电机及高压附件,中控盒输出能量给电机控制器及高压附件(空调、PTC、DC/DC等)。车载充电机利用外部充电装置给锂电池充电。超级电容与锂电池之间有一个高压双向DC/DC,当超级电容的容量超过一定值时,将通过高压双向DC/DC给锂电池充电。
此外,本实施例中还提供一种使用本实施例中的电动汽车动力系统的电动汽车。
本方案中的电动汽车动力系统,采用超级电容和锂电池组成的双能源作为车辆的能量存储装置,锂电池选用能量密度型电池,增加高压DC/DC变换器和超级电容。不仅能够保证系统的功率需求,而且能够保证能量需求。大电流的能量吞吐由超级电容来保证,小电流的持续吞吐由锂电池来保证。
实施例2:
本实施例中提供一种电动汽车的控制方法,适用于实施例中的电动汽车的动力系统中,该方法用于电动汽车的整车控制器中,对电动汽车的动力系统进行控制,流程图如图3所示,具体包括如下过程:
首先、获取车辆运行的阶段和整车需求电流。
首先需要确定车辆运行的阶段,是出于起步、还是加速、还是制动,由于不同的工况对车辆的动力输出有不同的需求。
然后,根据不同的阶段进行相应的处理。
如果当车辆处于起步阶段时,控制超级电容单元提供第一起步电流,所述第一起步电流等于整车需求电流。由于车辆刚起步时,需要克服静态摩擦,需求电流较大。此时,由超级电容提供电流。
在起步阶段后期,所述第一起步电流减小,控制锂电池提供第二起步电流,锂电池在后期提供较小电流,使得所述第一起步电流与所述第二起步电流之和等于整车需求电流。
当起步完成后,控制锂电池提供第一稳定电流,该第一稳定电流等于整车需求电流。车辆起步完成后,需求电流减小,此时用锂电池提供电流。此时,为了保证在起步、加速等情况下超级电容的性能,需要保持超级电容一定的储能量,如果超级电容存储的电量低于预设的阈值时,锂电池可以通过DC/DC变换器向超级电容充电。
如果车辆处于加速阶段时,需求电流很大,利用超级电容的大电流放电特性,控制所述超级电容单元提供第一加速电流,锂电池输出的电流维持不变,所述第一加速电流与所述第一稳定电流之和等于整车需求电流。
随着超级电容的放电,所述第一加速电流减小时,锂电池提供的电流增大,所述第一加速电流与所述储能电池提供的电流之和等于整车需求电流。
如果当车辆加速完成进入稳态行驶阶段时,车辆加速完成后,进入一个稳定的工况,开始正常行驶,控制超级电容单元不再提供电流,仅由所述储能电池提供电流,该电流等于整车需求电流。
如果当车辆处于制动回收阶段时,判断所述制动电流的大小,如果所述制动电流小于或等于阈值时,控制所述储能电池进行能量回收;如果所述制动电流大于阈值时,控制所述储能电池保持恒定的回收电流,并控制超级电容单元回收其余的能量。如果超级电容的电量超过一定的能量限值时,超级电容还可以进一步给锂电池充电,实现能量的全部回收和利用。
本实施例中的电动汽车的控制方法,不仅能够保证系统的功率需求,而且能够保证能量需求。大电流的能量吞吐由超级电容来保证,小电流的持续吞吐由锂电池来保证。该技术可以有效的对锂电池使用进行削峰填谷,保证锂电池小电流持续的浅充浅放,大大延长了电池的使用寿命。同时,制动能量回收时,为减少能量转换的消耗率,先给锂电池进行制动能量回馈,当电流超出锂电池的回收电流时,采用超级电容和锂电池同时进行制动能量回馈,延长车辆的续驶里程。
实施例3:
本实施例结合一个具体的时序图来说明本发明的电动汽车的控制方法,超级电容与锂电池双电源电流分配如图4所示。图4中1代表整车需求电流,2代表超级电容工作电流,3代表锂电池工作电流。
0-t1期间,车辆处于起步阶段,车辆刚开始起步时,需求电流较大,需要克服车辆的静态摩擦。此时超级电容提供电流,而锂电池在后期提供较小电流,使得超级电容工作电流与锂电池电流相加等于整车需求电流。车辆起步完成后,需求电流减少,此时用锂电池提供电流。
t1-t2期间,车辆处于加速阶段,车辆加速时,需求电流很大,此时利用超级电容的大流量放电特性,锂电池维持小电流不变;随着超级电容释放电流的减少,锂电池工作电流增加,使得超级电容工作电流与锂电池电流相加等于整车需求电流。
t2-t3期间,车辆处于正常行驶阶段,车辆加速完成之后,进入一个稳态工况,此时利用锂电池提供工作电流等于车辆需求电流。
t3-t4期间,车辆处于制动回收阶段,如果制动电流较小,采用锂电池作为唯一回收源,主要是为了减少能量转换的消耗率;当制动回收能量较大时,锂电池保持恒定的回收电流,多余的回收能量由超级电容进行回收。
实施例4:
本实施例中提供一种电动汽车的控制系统,如图5所示,与实施例2中的控制方法相对应,用于整车控制器中,该系统包括
获取单元01,获取车辆运行的阶段和整车需求电流;
第一起步单元02,当车辆处于起步阶段时,控制超级电容单元提供第一起步电流,所述第一起步电流等于整车需求电流;
第二起步单元03,在起步阶段后期,所述第一起步电流减小,控制储能电池提供第二起步电流,所述第一起步电流与所述第二起步电流之和等于整车需求电流;
起步完成单元04,当起步完成后,控制储能电池提供第一稳定电流,该第一稳定电流等于整车需求电流。
此外,还包括:
第一加速单元,车辆处于加速阶段时,控制所述超级电容单元提供第一加速电流,所述第一加速电流与所述第一稳定电流之和等于整车需求电流。
第二加速单元,车辆处于加速阶段时,所述第一加速电流减小时,储能电池提供的电流增大,所述第一加速电流与所述储能电池提供的电流之和等于整车需求电流。
此外,还包括
稳定行驶单元,当车辆加速完成进入稳态行驶时,控制超级电容单元不再提供电流,仅由所述储能电池提供电流,该电流等于整车需求电流。
此外,还包括
制动回收单元,当车辆处于制动回收阶段时,判断所述制动电流的大小,如果所述制动电流小于或等于回收阈值时,控制所述储能电池进行能量回收;如果所述制动电流大于回收阈值时,控制所述储能电池保持恒定的回收电流,并控制超级电容单元回收其余的能量。
此外,还可以包括能量补充单元,当超级电容单元的电量低于预设阈值时,通过所述储能电池经过双向DC/DC变换器向所述超级电容充电。
本实施例中的电动汽车的控制系统,不仅能够保证系统的功率需求,而且能够保证能量需求。大电流的能量吞吐由超级电容来保证,小电流的持续吞吐由锂电池来保证。该技术可以有效的对锂电池使用进行削峰填谷,保证锂电池小电流持续的浅充浅放,大大延长了电池的使用寿命。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种电动汽车的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
获取车辆运行的阶段和整车需求电流;
当车辆处于起步阶段时,控制超级电容单元提供第一起步电流,所述第一起步电流等于整车需求电流;
在起步阶段后期,所述第一起步电流减小,控制储能电池提供第二起步电流,所述第一起步电流与所述第二起步电流之和等于整车需求电流;
当起步完成后,控制储能电池提供第一稳定电流,该第一稳定电流等于整车需求电流;还包括:
当车辆处于制动回收阶段时,判断所述制动电流的大小,如果所述制动电流小于或等于回收阈值时,控制所述储能电池进行能量回收;如果所述制动电流大于回收阈值时,控制所述储能电池保持恒定的回收电流,并控制超级电容单元回收其余的能量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括
车辆处于加速阶段时,控制所述超级电容单元提供第一加速电流,所述第一加速电流与所述第一稳定电流之和等于整车需求电流。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,还包括
车辆处于加速阶段时,所述第一加速电流减小时,储能电池提供的电流增大,所述第一加速电流与所述储能电池提供的电流之和等于整车需求电流。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法,其特征在于,还包括
当车辆加速完成进入稳态行驶时,控制超级电容单元不再提供电流,仅由所述储能电池提供电流,该电流等于整车需求电流。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,还包括当超级电容单元的电量低于预设阈值时,通过所述储能电池经过双向DC/DC变换器向所述超级电容充电。
6.一种电动汽车的控制系统,其特征在于,包括
获取单元,获取车辆运行的阶段和整车需求电流;
第一起步单元,当车辆处于起步阶段时,控制超级电容单元提供第一起步电流,所述第一起步电流等于整车需求电流;
第二起步单元,在起步阶段后期,所述第一起步电流减小,控制储能电池提供第二起步电流,所述第一起步电流与所述第二起步电流之和等于整车需求电流;
起步完成单元,当起步完成后,控制储能电池提供第一稳定电流,该第一稳定电流等于整车需求电流;还包括:
制动回收单元,当车辆处于制动回收阶段时,判断所述制动电流的大小,如果所述制动电流小于或等于回收阈值时,控制所述储能电池进行能量回收;如果所述制动电流大于回收阈值时,控制所述储能电池保持恒定的回收电流,并控制超级电容单元回收其余的能量。
7.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,还包括
第一加速单元,车辆处于加速阶段时,控制所述超级电容单元提供第一加速电流,所述第一加速电流与所述第一稳定电流之和等于整车需求电流;
第二加速单元,车辆处于加速阶段时,所述第一加速电流减小时,储能电池提供的电流增大,所述第一加速电流与所述储能电池提供的电流之和等于整车需求电流。
8.一种电动汽车动力系统,其特征在于,包括储能电池、能量分配单元、用电器件、电机控制器及电机,其中:所述能量分配单元与所述储能电池、用电器件和电机控制器分别连接,所述储能电池向所述能量分配单元输出能量,所述能量分配单元用于给电机控制器和用电器件提供能量,其特征在于,还包括:
超级电容单元,所述超级电容单元连接所述能量分配单元,向所述能量分配单元提供能量;所述超级电容单元还通过直流变换器与所述储能电池连接;
整车控制器,使用权利要求1-5任一项所述的电动汽车的控制方法。
9.一种具有权利要求8所述的动力系统的电动汽车。
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