CN106696721B - 纯电动汽车双源能量系统及供电控制方法、快充方法和慢充方法 - Google Patents

纯电动汽车双源能量系统及供电控制方法、快充方法和慢充方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了纯电动汽车双源能量系统及供电控制方法、快充方法和慢充方法，包括能量管理控制器、锂电管理系统、超级电容管理系统、锂电池、超级电容器组、双向DC/DC模块、单向DC/DC模块、电机控制器、电机等；能量管理控制器与锂电管理系统、超级电容管理系统、双向DC/DC模块、单向DC/DC模块和电机控制器连接；锂电池与锂电管理系统和双向DC/DC模块连接，双向DC/DC模块通过直流母线连接电机控制器和单向DC/DC模块，超级电容器组连接超级电容管理系统，超级电容器组连接电机控制器和单向DC/DC模块；单向DC/DC连接辅助供电装置。本发明结合锂电池能量密度较大和超级电容器功率密度较大的特点，增强双源能量系统的负载适应能力。

Description

纯电动汽车双源能量系统及供电控制方法、快充方法和慢充 方法
技术领域
本发明涉及一种纯电动汽车双源能量系统及供电控制方法、快充方法和慢充方法。
背景技术
随着国家和国际上对于清洁能源的重视度的与日俱增，动力电池作为主角开始广泛的被应用于电动汽车领域，现有的电动汽车主要分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三种类型。由于纯电动汽车具有节约石油资源,环保等优点，被认为是汽车工业的未来。目前常见的纯电动汽车电源系统主要由单一的供电电源来供电，且主要以铅酸蓄电池、锂电池、超级电容等二次电源为供电电源。
超级电容器属于物理储能器件，其充放电过程实质上就是导电离子在电极上的吸附和脱附过程。与传统的电容器和二次电池相比，超级电容器的比功率是电池的10倍以上，储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、循环寿命长、使用的温限范围宽、对环境无污染等特点，适用于大功率脉冲电源、电动汽车驱动电源、电网负荷质量调节等领域，是非常有前途的一种新型绿色能源。但是超级电容器的能量密度与锂电池相比偏低，大约是锂电池的10～20％，超级电容器的成本一般也是锂电池系统的10倍以上。在相同的能量需求条件下，其体积重量比锂电池组大得多，因此纯超级电容公交车存在着成本高、质量大、巡航里程短等问题。锂电池具有能量密度高的优点，因此纯锂电池公交车具有巡航里程较长的优点，但由于锂电池对于存放与使用环境温度、充放电倍率等方面有较高要求，因此也存在着安全性较差，适应能力不好等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结合锂电池能量密度较大和超级电容器功率密度较大的特点的纯电动汽车双源能量系统及供电控制方法、快充方法和慢充方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：纯电动汽车双源能量系统，它包括能量管理控制器、锂电管理系统、超级电容管理系统、锂电池、超级电容器组、双向DC/DC模块、单向DC/DC模块、电机控制器、电机和辅助供电装置；
能量管理控制器分别与锂电管理系统、超级电容管理系统、双向DC/DC模块、单向DC/DC模块和电机控制器连接；
锂电池分别与锂电管理系统和双向DC/DC模块连接，双向DC/DC模块通过直流母线分别连接电机控制器和单向DC/DC模块，超级电容器组连接超级电容管理系统，超级电容器组还通过直流母线连接电机控制器和单向DC/DC模块；
单向DC/DC连接辅助供电装置。
作为优选方式，所述的电机控制器为逆变器。
作为优选方式，纯电动汽车双源能量系统设置有快充接口和慢充接口，所述快充接口分别连接双向DC/DC模块和超级电容器组，所述慢充接口分别连接双向DC/DC模块和锂电池。
一种纯电动汽车双源能量系统供电控制方法，整套系统的供电电源分为两部分，一部分为超级电容组，另一部分为锂电池组成，超级电容输出支撑直流母线电压，锂电池输出则采用双向DC/DC变换器进行控制，能量管理控制器实时跟踪检测整车的运行状态以及超级电容的SOC水平，以调控锂电池的双向DC/DC输出匹配工作；
在超级电容容量充足时，车辆的运行能量全部由超级电容提供，车辆制动时的能量回收也全部由超级电容完成；
当超级电容容量下降至设定的阈值时，车辆的启动、加速和制动能量由超级电容提供，而锂电池提供车辆运行中的平均功率部分能量，即锂电系统一直保持在低倍率充放电工况，极大延长锂电池使用寿命；
如锂电池通过双向DC/DC变换器提供的输出功率大于车辆用电系统的需求，多余的输出功率被超级电容吸收，即锂电池给超级电容充电；
当锂电池剩余容量低于设定的各档报警阀值时，能量管理控制器向整车控制器或车辆仪表发出相应级别的报警信号。
一种纯电动汽车双源能量系统快速充电方法，快充接口直接连接于双源储能系统直流母线与超级电容器直接相连，当通过快充接口充电时，地面充电机直接对超级电容充电，在该充电方式下，锂电池的充电由双向DC/DC变换器实现。
一种纯电动汽车双源能量系统慢速充电方法，慢充接口直接连接于锂电池输出端，当通过慢充接口充电时，地面充电机直接对锂电池组充电，在该充电方式下，超级电容组的充电由双向DC/DC变换器实现。
本发明的有益效果是：
一、能够使锂电池能量密度较大和超级电容器功率密度较大的特点相结合，增强了双源能量系统的负载适应能力，既可以输出/吸收高倍率电流的冲击，又可以满足多次高倍率电流充放电工况所需的高能量密度；
二、超级电容器与锂电池组成的双源能量系统可在电动汽车制动阶段发挥超级电容超大倍率充电能力优势，实现大幅度的能量回收，降低纯锂电池方案中化学转换过程中不必要的能量浪费；
三、满足车辆长巡航里程需求的同时，与纯锂电方案车辆相比显著提升锂电系统的使用寿命年限，与纯超级电容方案车辆相比显著降低动力电源系统的成本；
四、同一款双源能量系统，通过调节其软件参数(锂电系统工作介入点)，即可适应不同地区车辆使用工况。降低电源系统设计成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明与充电机的连接结构示意图；
图3为本发明超级电容容量充足时超级电容提供能量的结构示意图；
图4为本发明超级电容容量充足时超级电容回收能量的结构示意图；
图5为本发明超级电容剩余容量较小时超级电容和锂电池提供能量的结构示意图；
图6为本发明超级电容剩余容量较小时超级电容回收能量的结构示意图；
图7为本发明锂电池给超级电容充电的结构示意图；
图8为本发明快充的结构示意图；
图9为本发明慢充的结构示意图；
图10为本发明能量管理控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1～图9所示，纯电动汽车双源能量系统，它包括能量管理控制器、锂电管理系统、超级电容管理系统、锂电池(如磷酸铁锂电池)、超级电容器组、双向DC/DC模块、单向DC/DC模块、电机控制器、电机和辅助供电装置；
能量管理控制器分别与锂电管理系统、超级电容管理系统、双向DC/DC模块、单向DC/DC模块和电机控制器连接；
锂电池分别与锂电管理系统和双向DC/DC模块连接，双向DC/DC模块通过直流母线分别连接电机控制器和单向DC/DC模块，超级电容器组连接超级电容管理系统，超级电容器组还通过直流母线连接电机控制器和单向DC/DC模块；
单向DC/DC连接辅助供电装置。
优选地，所述的电机控制器为逆变器。
优选地，纯电动汽车双源能量系统设置有快充接口和慢充接口，所述快充接口分别连接双向DC/DC模块和超级电容器组，所述慢充接口分别连接双向DC/DC模块和锂电池。
一种纯电动汽车双源能量系统供电控制方法，整套系统的供电电源分为两部分，一部分为超级电容组，另一部分为锂电池组成，超级电容输出支撑直流母线电压，锂电池输出则采用双向DC/DC变换器进行控制，能量管理控制器实时跟踪检测整车的运行状态以及超级电容的SOC水平，以调控锂电池的双向DC/DC输出匹配工作；双源能量系统方案如图2所示，超级电容直接连接到直流母线上，为电机控制器以及其他车载设备供电，锂电池通过双向DC/DC变换器与直流母线相连，能量管理控制器根据超级电容以及锂电池的剩余容量和行驶工况对连接锂电池的双向DC/DC变换器进行控制，从而实现能量流在超级电容和锂电池之间的分配。
如图3和图4所示，在超级电容容量充足时，车辆的运行能量全部由超级电容提供，车辆制动时的能量回收也全部由超级电容完成；
如图5和图6所示，当超级电容容量下降至设定的阈值时，车辆的启动、加速和制动能量由超级电容提供，而锂电池提供车辆运行中的平均功率部分能量，即锂电系统一直保持在低倍率充放电工况，极大延长锂电池使用寿命；
如图7所示，如锂电池通过双向DC/DC变换器提供的输出功率大于车辆用电系统的需求，多余的输出功率被超级电容吸收，即锂电池给超级电容充电；
当锂电池剩余容量低于设定的各档报警阀值时，能量管理控制器向整车控制器或车辆仪表发出相应级别的报警信号。纯电动汽车双源能量系统的能量管理由超级电池组合锂电池组的剩余容量状态决定，能量管理控制器通过控制双向DC/DC功率变换器向超级电容组充电或者向锂电池组来进行双源系统的能量管理。能量管理控制策略如图10所示。
双源储能系统的充电可分为快充和慢充两种充电方式，快充主要对应于电动汽车在运营中的间歇进行快速充电，比如车辆停靠站台或者在起始站或终点站短时补电。慢充主要对应于夜间长时充电或者电动汽车到达终点站后进入充电站进行长时补电。双源储能系统同时提供快充和慢充两个充电接口装置，分别对应于两种不同的充电方式。
如图8所示，一种纯电动汽车双源能量系统快速充电方法，快充接口直接连接于双源储能系统直流母线与超级电容器直接相连，当通过快充接口充电时，地面充电机直接对超级电容充电，在该充电方式下，锂电池的充电由双向DC/DC变换器实现。
如图9所示，一种纯电动汽车双源能量系统慢速充电方法，慢充接口直接连接于锂电池输出端，当通过慢充接口充电时，地面充电机直接对锂电池组充电，在该充电方式下，超级电容组的充电由双向DC/DC变换器实现。
双源能量管理控制策略
当电动汽车运行前，锂电池和超级电容均处于满电状态，即锂电池的剩余容量为100％，超级电容的剩余容量也为100％。当电动汽车开始运行后，由于超级电容剩余容量较高，锂电池不介入系统能量输出，电动汽车所消耗的能量全部由超级电容提供，超级电容的剩余容量随电动汽车的运行不断下降。双源能量管理控制策略如图10所示。
图中：横坐标CSOC为超级电容剩余容量，纵坐标PDC/DC为功率变换器功率，向右的箭头指超级电容容量增加时功率变换器动作，向左箭头指超级电容容量减小时功率变换器动作，Pch-max为功率变换器对超级电容充电时最大功率，Pch-opt为功率变换器对超级电容充电时最佳功率，Pdis-max为功率变换器对锂电池充电时最大功率(超级电容放电)。
超级电容正常工作区域为剩余容量大于A0小于C2(通常C2取值为100％)。当超级电容放电至剩余容量小于A0时，能量管理系统向车辆发出警告信号停止继续放电，当超级电容充电至剩余容量大于C2时，能量管理系统向车辆发出警告信号停止车辆继续回收制动能量。
具体能量管理过程如下：
(1)超级电容容量增加(图5中箭头向右部分)
①当超级电容充电容量增加且其剩余容量小于A2时，能量管理系统控制功率变换器以最大充电功率Pch-max对超级电容充电。
②当超级电容充电容量增加且其剩余容量大于A2小于B2时，能量管理系统控制功率变换器以最佳充电功率Pch-opt对超级电容充电。
③当超级电容充电容量增加且其剩余容量大于C1时，能量管理系统控制功率变换器以最大放电功率Pdis-max把超级电容的能量充电到锂电池。
(2)超级电容容量较小(图5中箭头向左部分)
①当超级电容放电容量减小且其剩余容量小于A1时，能量管理系统控制功率变换器以最大充电功率Pch-max对超级电容充电。
②当超级电容放电容量减小且其剩余容量大于A1小于B1时，能量管理系统控制功率变换器以最佳充电功率Pch-opt对超级电容充电。
(3)其余部分
①当超级电容充电容量增加且其剩余容量大于B2小于C1时，功率变换器不工作，超级电容存储车辆制动能量。
②当超级电容放电容量减小且其剩余容量大于B1小于C2时，功率变换器不工作，超级电容提供车辆运行所需能量。
如上所述的参数A0、A1、A2、B1、B2、C1、C2(通常取值为100％)根据具体的应用可以设定。
当超级电容的剩余容量降低到系统设定阈值以下，锂电池通过双向DC/DC电源变换器介入到系统能量输出，能量管理控制器通过调节双向DC/DC的输出功率使超级电容的剩余容量维持在设定的工作阈值附近。在该阶段，车辆系统负载功率主要由锂电池承担，锂电池容量随着车辆运行不断降低。当锂电池剩余容量低于设定的各档报警阀值时，双源储能系统向整车控制器发出相应级别的报警信号。提示需尽快充电。
在双源能量系统工作的过程中，锂电系统的双向DC/DC电源变换器为不可或缺的组件。锂电管理系统、超级电容管理系统、能量管理控制器可适当的结合为一体，或与车辆整车控制器相结合为一体。锂电池、超级电容的工作阈值可适当调整以适应不同地区车辆运行工况的需求。例如多坡道山区地区，将锂电池介入的工作阈值设定为超级电容较高SOC值，即可保障车辆多次、长时间爬坡时的大功率用电需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.纯电动汽车双源能量系统，其特征在于：它包括能量管理控制器、锂电管理系统、超级电容管理系统、锂电池、超级电容器组、双向DC/DC模块、单向DC/DC模块、电机控制器、电机和辅助供电装置；
能量管理控制器分别与锂电管理系统、超级电容管理系统、双向DC/DC模块、单向DC/DC模块和电机控制器连接；
锂电池分别与锂电管理系统和双向DC/DC模块连接，双向DC/DC模块通过直流母线分别连接电机控制器和单向DC/DC模块，超级电容器组连接超级电容管理系统，超级电容器组还通过直流母线连接电机控制器和单向DC/DC模块；
单向DC/DC连接辅助供电装置；
纯电动汽车双源能量系统的能量管理过程如下：
(1)超级电容容量增加：
①当超级电容充电容量增加且其剩余容量小于A2时，能量管理系统控制功率变换器以最大充电功率Pch-max对超级电容充电；
②当超级电容充电容量增加且其剩余容量大于A2小于B2时，能量管理系统控制功率变换器以最佳充电功率Pch-opt对超级电容充电；
③当超级电容充电容量增加且其剩余容量大于C1时，能量管理系统控制功率变换器以最大放电功率Pdis-max把超级电容的能量充电到锂电池；
(2)超级电容容量较小：
①当超级电容放电容量减小且其剩余容量小于A1时，能量管理系统控制功率变换器以最大充电功率Pch-max对超级电容充电；
②当超级电容放电容量减小且其剩余容量大于A1小于B1时，能量管理系统控制功率变换器以最佳充电功率Pch-opt对超级电容充电；
(3)其余部分：
①当超级电容充电容量增加且其剩余容量大于B2小于C1时，功率变换器不工作，超级电容存储车辆制动能量；
②当超级电容放电容量减小且其剩余容量大于B1小于C2时，功率变换器不工作，超级电容提供车辆运行所需能量；其中，A2大于A1且小于B1，B2大于B1且小于C1，C2大于C1；
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且小于/>
Figure QLYQS_3
。
2.根据权利要求1所述的纯电动汽车双源能量系统，其特征在于：所述的电机控制器为逆变器。
3.根据权利要求1或2所述的纯电动汽车双源能量系统，其特征在于：纯电动汽车双源能量系统设置有快充接口和慢充接口，所述快充接口分别连接双向DC/DC模块和超级电容器组，所述慢充接口分别连接双向DC/DC模块和锂电池。
4.一种纯电动汽车双源能量系统供电控制方法，其特征在于：整套系统的供电电源分为两部分，一部分为超级电容组，另一部分为锂电池组成，超级电容输出支撑直流母线电压，锂电池输出则采用双向DC/DC变换器进行控制，能量管理控制器实时跟踪检测整车的运行状态以及超级电容的SOC水平，以调控锂电池的双向DC/DC输出匹配工作；
在超级电容容量充足时，车辆的运行能量全部由超级电容提供，车辆制动时的能量回收也全部由超级电容完成；
当超级电容容量下降至设定的阈值时，车辆的启动、加速和制动能量由超级电容提供，而锂电池提供车辆运行中的平均功率部分能量，即锂电系统一直保持在低倍率充放电工况，极大延长锂电池使用寿命；
如锂电池通过双向DC/DC变换器提供的输出功率大于车辆用电系统的需求，多余的输出功率被超级电容吸收，即锂电池给超级电容充电；
当锂电池剩余容量低于设定的各档报警阀值时，能量管理控制器向整车控制器或车辆仪表发出相应级别的报警信号；
能量管理过程如下：
纯电动汽车双源能量系统的能量管理过程如下：
(1)超级电容容量增加：
①当超级电容充电容量增加且其剩余容量小于A2时，能量管理系统控制功率变换器以最大充电功率Pch-max对超级电容充电；
②当超级电容充电容量增加且其剩余容量大于A2小于B2时，能量管理系统控制功率变换器以最佳充电功率Pch-opt对超级电容充电；
③当超级电容充电容量增加且其剩余容量大于C1时，能量管理系统控制功率变换器以最大放电功率Pdis-max把超级电容的能量充电到锂电池；
(2)超级电容容量较小：
①当超级电容放电容量减小且其剩余容量小于A1时，能量管理系统控制功率变换器以最大充电功率Pch-max对超级电容充电；
②当超级电容放电容量减小且其剩余容量大于A1小于B1时，能量管理系统控制功率变换器以最佳充电功率Pch-opt对超级电容充电；
(3)其余部分：
①当超级电容充电容量增加且其剩余容量大于B2小于C1时，功率变换器不工作，超级电容存储车辆制动能量；
②当超级电容放电容量减小且其剩余容量大于B1小于C2时，功率变换器不工作，超级电容提供车辆运行所需能量；
其中，A2大于A1且小于B1，B2大于B1且小于C1，C2大于C1；
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。
5.一种纯电动汽车双源能量系统快速充电方法，适用于权利要求1至3任一项所述的纯电动汽车双源能量系统，其特征在于：快充接口直接连接于双源储能系统直流母线与超级电容器直接相连，当通过快充接口充电时，地面充电机直接对超级电容充电，在该充电方式下，锂电池的充电由双向DC/DC变换器实现。
6.一种纯电动汽车双源能量系统慢速充电方法，适用于权利要求1至3任一项所述的纯电动汽车双源能量系统，其特征在于：慢充接口直接连接于锂电池输出端，当通过慢充接口充电时，地面充电机直接对锂电池组充电，在该充电方式下，超级电容组的充电由双向DC/DC变换器实现。
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