CN106972561A - 一种电传动车载电源管理系统 - Google Patents
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Abstract
一种电传动车载电源管理系统，包括偶数个超级电容模组，每个超级电容模组内设有2n个相互串联的超级电容，每21个相互连接的超级电容组成一个一级均衡组，每22个相互连接的超级电容组成一个二级均衡组。本发明整个均衡策略为模块化均衡，大模块内带小模块，大小模块同时均衡，相比于逐次均衡，大大缩短均衡时间。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理系统，尤其是一种电传动车载电源管理系统。
背景技术
储能模块作为公司目前研制新能源车(包括储能式低地板车、新能源自卸车、新能源环卫车)的核心部件之一，是由多个超级电容单体串并联而成的。而在储能模块充放电时，由于超级电容的不一致性导致超级电容单体出现过充或欠充现象。超级电容单体间的电压不一致严重影响超级电容的使用寿命，所以储能模块迫切需要使用控制电路解决电压不均衡问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电传动车载电源管理系统，实现超级电容单体间的电压一致，有效地保护超级电容，使之更高效率、更长寿命地运行。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种电传动车载电源管理系统，包括偶数个超级电容模组，每个超级电容模组内设有2n个相互串联的超级电容，每21个相互连接的超级电容组成一个一级均衡组，每22个相互连接的超级电容组成一个二级均衡组，每23个相互连接的超级电容组成一个三级均衡组，以此类推每2n-1组成一个n-1级均衡组，一级均衡组内的两个超级电容之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，二级均衡组包括两个一级均衡组，二级均衡组内的两个一级均衡组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，三级均衡组内的两个二级均衡组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，依次类推，一个超级电容模组内包括两个n-1级均衡组，超级电容模组内的两个n-1级均衡组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，两个超级电容模组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡。本发明整个均衡策略为模块化均衡，大模块内带小模块，大小模块同时均衡，相比于逐次均衡，大大缩短均衡时间。
作为改进，每个超级电容模组对应一个控制单元，控制单元之间通过CAN总线相互通讯。
作为改进，控制单元之间通过两路CAN冗余通讯。
作为改进，所述控制单元包括电压采样电路、温度采样电路、硬件保护电路、24V供电电源、MCU、通讯接口电路和所述双向DC-DC均衡模块；MCU通过电压采集电路采集每个超级电容的电压信号，MCU通过温度采集电路采集每个超级电容的温度信号，MCU控制双向DC-DC均衡模块的工作状态；电压采集电路实时采集每个超级电容单体的端电压；将需要均衡的两组超级电容端电压U1、U2相比较，其差值ΔU与设定的启动均衡阀值U做比较，若ΔU＞U，则启动对应均衡模块，对两组超级电容进行电压均衡，直到两组超级电容端电压趋近一致时，停止均衡。
作为改进，温度采集电路包括两路温度采集，超级电容模组温度采集和控制单元温度采集，实时采集温度数据通过CAN总线传输给数据中继器，当超级电容模组温度≥55℃时，数据中继器发出温度报警信号；当控制单元上的环境温度＞65℃时，关闭所有双向DC-DC均衡模块。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
本发明整个均衡策略为模块化均衡，大模块内带小模块，大小模块同时均衡，相比于逐次均衡，大大缩短均衡时间。
附图说明
图1为储能模块整体控制电路框图。
图2为两路CAN冗余通讯框图。
图3为控制单元均压原理框图。
图4为控制单元功能框图。
图5为温度采样电路图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
一种电传动车载电源管理系统，该车载电源管理系统对储能模块进行电源管理，储能模块包括偶数个超级电容模组，每个超级电容模组内设有2n个相互串联的超级电容，每21个相互连接的超级电容组成一个一级均衡组，每22个相互连接的超级电容组成一个二级均衡组，每23个相互连接的超级电容组成一个三级均衡组，以此类推每2n-1组成一个n-1级均衡组，一级均衡组内的两个超级电容之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，二级均衡组包括两个一级均衡组，二级均衡组内的两个一级均衡组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，三级均衡组内的两个二级均衡组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，依次类推，一个超级电容模组内包括两个n-1级均衡组，超级电容模组内的两个n-1级均衡组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，两个超级电容模组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡。
如图1所示，本实施例储能模块由10个超级电容模组串联构成，每个超级电容模组配备一个超级电容控制单元，因此储能模块控制电路是由10个超级电容控制单元串联组成，每个超级电容模组电压均衡单元能实现对2并8串共16个超级电容单体进行电压测量、温度检测、电压自动均衡、故障检测报警等功能。每个超级电容模组内设有八个超级电容单体C1～C8。C1和C2、C3和C4、C5和C6、C7和C8组成一级均衡组；C1～C4和C5～C8组成二级均衡组。相邻超级电容模组间进行电压均衡时，需要在高电位模组(模组1)电容串联的中点处引出一条线至低电位模组(模组2)的串联中点。每个模组向低电位模组引出一根均衡线，同时接收到高电位模组的均衡线，所以每个模组会有两个点位作为模组间均衡的均衡线端点。
如图2所示，控制单元之间通过两路CAN冗余通讯，当4个储能模组串联在一起时，其CAN通讯是挂连在两路CAN总线(CAN1、CAN2)上的，每个均衡单元向数据中继器发送8个超级电容单体电压信号、2个模组温度信号以及过压报警等故障信号，某个控制单元中的CAN通讯损坏不影响其他控制单元的CAN通讯通道，若其中一路CAN总线损坏，可由另一路承担通讯功能。
如图3所示，控制单元采用DC-DC模块主动电压均衡方法，实现电容单体间的能量转移，整个均衡策略为模块化均衡，大模块内带小模块，大小模块同时均衡，相比于逐次均衡，大大缩短均衡时间。一个超级电容模组内有8个双向DC-DC均衡模块，1～7号双向DC-DC模块实现本组内的超级电容间的能量转移均衡，第8号双向DC-DC模块实现本组与相邻模组间的电压均衡。1～8号模块分为三种类型：1～4号模块实现1+1超级电容的电压均衡,当相邻两个超级电容压差＞0.05V时，启动DC-DC均衡模块；5～6号均衡模块实现2+2超级电容的电压均衡，当相邻两个超级电容压差＞0.1V时，启动DC-DC均衡模块；7～8号模块实现4+4超级电容的电压均衡，当相邻两个超级电容压差＞0.2V时，启动DC-DC均衡模块。电压采集电路实时采集每个超级电容单体的端电压UC1～UC8，将需要均衡的两组超级电容端电压U1、U2相比较，其差值ΔU与设定的启动均衡阀值U做比较，若ΔU＞U，则启动对应均衡模块，对两组超级电容进行电压均衡，直到两组超级电容端电压趋近一致时，停止均衡。
如图4所示，所述控制单元包括电压采样电路、温度采样电路、硬件保护电路、24V供电电源、MCU、通讯接口电路和所述双向DC-DC均衡模块。MCU通过电压采集电路采集每个超级电容的电压信号，MCU通过温度采集电路采集每个超级电容的温度信号，MCU控制双向DC-DC均衡模块的工作状态。控制单元主要设计有3个方面的功能：电压自动均衡功能、模组热管理功能和模组编码设置功能。
1、电压自动均衡
1)电压信号采集
依托LTC6803-3电池电压检测芯片，将8路电容电压的模拟电压信号通过ADC转换成数字信号。
单体电压：由采样控制板完成；
模组电压：由单体电压计算得到；
电压采集精度：5mV。
2)电压均衡
采用8路DC-DC电压均衡模块，当某个超级电容单体(或组合)电压与相邻超级电容单体(或组合)的端电压差值大于设定的启动均衡阀值(U＝0.1V、0.2V、0.3V)时，MCU就会向均衡模块发出均衡指令，相应DC-DC均衡模块导通使电压高的超级电容向电压低的超级电容充电，从而使两边超级电容电压一致。
3)过电压保护
过电压保护分为两级保护，当单体端电压大于保护阀值(3.5V)时，MCU控制器优先关断DC-DC均衡模块；当MCU控制器保护失灵时，均衡模块过电压保护电路启动强制关断DC-DC均衡模块。当单体电压大于3.8V时，MCU控制器发出过压报警信号。
2、模组热管理
1)温度采集
两路温度采集：模组温度采集和控制单元温度采集。
模组温度采集：将温度探头设置在模组中央的单体上，以中心温度视为模组温度。
控制单元温度采集：将温度探头设置在控制板上，监测控制板的温度。
如图5所示，温度采样基准电压为5V，定义温度T＝25℃，Rntc＝1KΩ时，Vin＝2.5V。
采集输入:
温度采集精度：±2℃；
2)散热风扇控制
在充放电阶段，温度T以各模组最高温度为准，当35℃＞T≥25℃时，开启1个风扇；T≥35℃时，同时开启2个风扇。
3)过温度保护
在模组单体和均衡控制板上设有温度采集点，实时采集温度数据通过CAN总线传输给数据中继器，当模组温度≥55℃时，数据中继器发出温度报警信号。在DC-DC均衡板上设有温度检测保护装置，当均衡板上的环境温度＞65℃时，关闭所有DC-DC均衡模块。
3、模组编码设置功能
每个控制单元均有6位ID编码设置功能，ID编码数按模组电位由低到高设置编码(例如10串的控制单元，电位由低到高的编码为000000～001001)。控制单元将数据打包以报文形式加上11位的ID地址(其中后六位ID为控制单元编码)发送给数据中继器。数据中继器对控制单元的数据采集采用轮询的形式，由CAN总线第一个控制单元至第40个控制单元的轮询时间为1s。
本控制单元的均衡策略采用DC-DC自动均衡策略，可实现储能单元间的能量转移，其能量转移效率高，与能耗型电压均衡策略(例如：开关电阻法)相比，将能量进行转移而非消耗，使其产生的热量大幅下降，更加节能环保，可改善超级电容的工作环境。整个均衡策略为模块化均衡，大模块内带小模块，大小模块同时均衡，模块1、模块2均衡的同时，模块5也可以均衡。通过在模组间连接均衡线可以对相邻模组进行电压均衡，解决了模组间出现电压不均衡和过电压的现象。
选择2并8串的超级电容式控制单元是比较现阶段比较成熟的产品，可以缩短项目研究周期。在技术问题上，控制单元采用两路供电模式，一路为24V供电给MCU及电压/温度信号采集电路；一路为模组端电压供给DC-DC均衡板及硬件保护电路。若采用2并10串或2并12串的模组，其DC-DC均衡板和硬件保护电路的供电电压达到35V或42V，超过运算放大器和电压比较器最大工作电压36V。这样会影响控制单元的使用寿命。
Claims (5)
1.一种电传动车载电源管理系统，其特征在于：包括偶数个超级电容模组，每个超级电容模组内设有2n个相互串联的超级电容，每21个相互连接的超级电容组成一个一级均衡组，每22个相互连接的超级电容组成一个二级均衡组，每23个相互连接的超级电容组成一个三级均衡组，以此类推每2n-1组成一个n-1级均衡组，一级均衡组内的两个超级电容之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，二级均衡组包括两个一级均衡组，二级均衡组内的两个一级均衡组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，三级均衡组内的两个二级均衡组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，依次类推，一个超级电容模组内包括两个n-1级均衡组，超级电容模组内的两个n-1级均衡组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡，两个超级电容模组之间通过一个双向DC-DC均衡模块实现能量转移均衡。
2.根据权利要求1所述的一种电传动车载电源管理系统，其特征在于：每个超级电容模组对应一个控制单元，控制单元之间通过CAN总线相互通讯。
3.根据权利要求2所述的一种电传动车载电源管理系统，其特征在于：控制单元之间通过两路CAN冗余通讯。
4.根据权利要求2所述的一种电传动车载电源管理系统，其特征在于：所述控制单元包括电压采样电路、温度采样电路、硬件保护电路、24V供电电源、MCU、通讯接口电路和所述双向DC-DC均衡模块；MCU通过电压采集电路采集每个超级电容的电压信号，MCU通过温度采集电路采集每个超级电容的温度信号，MCU控制双向DC-DC均衡模块的工作状态；电压采集电路实时采集每个超级电容单体的端电压；将需要均衡的两组超级电容端电压U1、U2相比较，其差值ΔU与设定的启动均衡阀值U做比较，若ΔU＞U，则启动对应均衡模块，对两组超级电容进行电压均衡，直到两组超级电容端电压趋近一致时，停止均衡。
5.根据权利要求4所述的一种电传动车载电源管理系统，其特征在于：温度采集电路包括两路温度采集，超级电容模组温度采集和控制单元温度采集，实时采集温度数据通过CAN总线传输给数据中继器，当超级电容模组温度≥55℃时，数据中继器发出温度报警信号；当控制单元上的环境温度＞65℃时，关闭所有双向DC-DC均衡模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170721 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |