CN108422869A - 一种用于电动汽车的一体化混合能量源接口电路拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电动汽车的一体化混合能量源接口电路拓扑结构，包括连接动力电池单元与直流母线的双向DC‑DC接口电路一、由电感元件和开关网络构成的动力电池单元和超级电容单元之间的接口电路二、连接超级电容单元与直流母线的双向DC‑DC接口电路三。本发明的拓扑结构不同于以往的混合能量源接口电路，动力电池和超级电容两种能量源均具有与直流母线相连的双向DC‑DC接口电路，特别是直接连接两种能量源的接口电路二可以利用混合能量源系统自身的结构，以组成混合能量源的超级电容模块为核心构建动力电池单元的电压均衡电路，实现各串联的动力电池单体电压在充放电过程中动静态均衡的目的，无需额外辅助均压装置。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术、电源领域，特指一种用于电动汽车的一体化混合能量源接口电路拓扑结构，适用于电动汽车、城市轨道交通等混合储能系统。
背景技术
受世界石油资源蕴藏量有限性的制约，以及经济的发展对石油依赖性程度的不断增加，当前石油资源紧缺使得世界各汽车大国面临巨大的挑战。从环境保护的角度看，燃油车辆在大量消耗石油资源的同时又污染了环境。在石油短缺，公众环保意识显著增强，政府推动、法律法规日臻完善，以及民众对电动汽车认可程度提高的大环境下，电动汽车正在引领世界汽车业的发展潮流。可靠、高效和低成本的动力系统是电动汽车的关键，其中的能量存储技术是目前制约电动汽车发展的关键因素之一，以锂电池为代表的动力电池，能量密度出色，但是功率密度和循环寿命的指标一般，尤其是大电流输出本身会进一步降低循环寿命。超级电容器作为一种新型的储能元件，其循环寿命性能优越，功率密度突出，但能量密度较低，因此可以作为辅助能源，和能量密度大的动力电池构成电动汽车的混合能量源，兼顾两种单一储能源的优势，弥补传统电动汽车的不足之处。
通常情况下，电动汽车的混合储能系统是由不同的储能单元通过特定的接口电路以一定的连接方式连接而成，现有的连接方式主要包括：1、动力电池单元与超级电容单元直接并联于直流母线；2、动力电池单元与双向DC-DC接口电路串联后再与超级电容单元并联于直流母线；3、超级电容单元与双向DC-DC接口电路串联后再与动力电池单元并联于直流母线；4、动力电池单元和超级电容单元都分别通过双向DC-DC接口电路并联于直流母线这四种连接方式。不同的连接拓扑不仅会直接影响到各个储能单元发挥其优势特性，而且也会影响到能量管理的效果，因而不同的连接方式决定了混合储能系统的不同性能。
动力电池单元是电动汽车混合能量源的核心部件，而单个动力电池的电压等级低，要想得到电压等级高的动力电池组必须由多个动力电池单体串联得到。在动力电池在串联使用时，端电压的不一致会影响整个动力电池单元的利用率和使用寿命，限制了其广泛应用。在传统混合能量源系统中，储能单元的连接方式较为单一，缺乏针对担负连接功能的电力电子接口电路的拓扑结构的研究，尤其是现有的拓扑结构均未考虑不同储能单元之间的直接连接，不进行直接互连，这固然简化了系统的组成和控制，割裂了混合储能系统的整体性，制约了不同储能源各自优势特性互补发挥。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有混合能量源电动汽车技术的不足，提供一种用于电动汽车的一体化混合能量源接口电路拓扑结构，该接口电路的拓扑连接方式可分别实现两种储能源与直流母线间能量的独立控制，而且该拓扑自身不仅可以实现两种能量源的直接能量交换，还可以基于分时复用的原则实现动力电池单元的均压功能。相比较传统的混合能量源拓扑，使用较少的元器件，实现了高速度、高效率、低成本的动力电池单元动静态均压技术和两种储能源间优势特性的互补发挥，有效提高动力电池单元使用寿命和整车动力性能，为再生制动能量回收提供了更大的灵活性。
本发明采用的技术方案：一种用于电动汽车的一体化混合能量源接口电路拓扑结构，该拓扑结构包括：
连接动力电池单元与直流母线的双向DC-DC接口电路一，
由电感元件和开关网络构成的动力电池单元和超级电容单元之间的接口电路二，
连接超级电容单元与直流母线的双向DC-DC接口电路三；
所述动力电池单元和超级电容单元分别通过双向DC-DC接口电路一和双向DC-DC接口电路三实现与直流母线间能量交换的独立控制；
以超级电容单元为核心，以直接连接两种能量源的接口电路二为平衡电路，构建动力电池单元的电压均衡电路；
利用无损元件超级电容作为动力电池单元均压的媒介，实现各串联的动力电池单体电压在充放电过程中动静态均衡；
根据分时复用的原则，直接连接两种能量源的接口电路二实现动力电池和超级电容两类储能源的直接能量交换。
有益效果：
1)动力电池和超级电容两类能量源均具有与直流母线相连的双向DC-DC接口电路，可分别实现两种储能源与直流母线间能量的独立控制。
2)直接连接两种能量源接口电路拓扑结构的设计使得该装置自身可以实现动力电池单元的均压功能，无需为动力电池单元附加额外的均压装置。从而有效地减小了额外元器件的使用，整个装置成本低，重量体积小。
3)直接连接两种能量源接口电路拓扑结构的设计使得两种能量源之间具有直接的“能量传递通道”，可以实现能量的双向交换，从而互补发挥两种储能源的优势特性，有效提高动力电池单元的循环使用寿命，提升能量源的输出品质进而增加车辆的动力性能，并且还可以为再生制动能量的回收提供了更大的灵活性和更多优化选择。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2a和图2b为接口电路均压工作示意图。
图3a和图3b为接口电路均压控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种用于电动汽车的一体化混合能量源接口电路拓扑结构，该拓扑结构包括：连接动力电池单元与直流母线的双向DC-DC接口电路一1，由电感元件和开关网络构成的动力电池单元和超级电容单元之间的接口电路二2，连接超级电容单元与直流母线的双向DC-DC接口电路三3；
所述动力电池单元和超级电容单元分别通过双向DC-DC接口电路一1和双向DC-DC接口电路三3实现与直流母线间能量交换的独立控制；以超级电容单元为核心，以直接连接两种能量源的接口电路二2为平衡电路，构建动力电池单元的电压均衡电路；利用无损元件超级电容作为动力电池单元均压的媒介，实现各串联的动力电池单体电压在充放电过程中动静态均衡；根据分时复用的原则，直接连接两种能量源的接口电路二2实现动力电池和超级电容两类储能源的直接能量交换。
图2是由超级电容和接口电路构成的单个均压模块对两个相邻电池单体在充放电过程中均压的工作示意图(分析时不失一般性，选用蓄电池的内阻模型，且假设内阻RESR1>RESR2)。其充放电均压控制流程图如图3所示。
充电时，端电压UB1>UB2，若端电压最大值UB1超过充电允许的最大端电压设定值Ua，则结束充电过程；若两电压的差值超过最大允许压差Ug，则通过改变对两个电池单体充电电流的平均值来达到电压均衡的目的。即通过开关的动作先让端电压高的电池给超级电容充电(状态1)，然后超级电容对端电压低的电池单体放电(状态2)，则整个充电过程中两个电池单体端电压分别为：
UB1＝EB+RESR1×(I-D×I1)
UB2＝EB+RESR2×(I+(1-D)×I2)
直至UB1-UB2≤Ug，开关停止动作，结束均压。这一过程示意图如图2a所示，充电均压控制流程图如图3a所示。
放电时，端电压UB1<UB2，若端电压最小值UB1小于放电允许的最小端电压设定值Ub，则结束放电过程；若两电压的差值超过最大允许压差Ug，则依然通过改变对两个电池单体充电电流的平均值来达到电压均衡的目的。即通过开关的动作先让端电压高的电池给超级电容充电(状态1)，然后超级电容对端电压低的电池单体放电(状态2)，则整个放电过程中两个电池单体端电压分别为：
UB1＝EB-RESR1×(I-(1-D)×I1)
UB2＝EB-RESR2×(I+D×I2)
直至UB1-UB2≤Ug，开关停止动作，结束均压。这一过程示意图如图2b所示。放电均压控制流程图如图3b所示。
为了进一步说明本发明中所涉及接口电路的具体工作方式，选择直接连接两种能量源进行能量交换的接口电路为例来说明本发明的具体工作原理，即两种能量源之间通过接口电路进行能量交换的过程，开关元件用电力电子开关管MOSFET代替，如图3所示。
图3a是对超级电容进行充电的过程，能量由动力电池传递到超级电容。首先使开关管M1、M2开通，动力电池通过这两个开关管给电感L1、L2充电；然后保持M1开通而使M2关断此时动力电池和电感L1、L2中储存的电能通过M1和VD3给超级电容充电。以上过程就实现了电能从动力电池到超级电容的传递。
附图3b是对超级电容进行放电的过程，能量由超级电容传递到动力电池。首先使开关管M3开通，超级电容通过VD1和M3给动力电池充电，同时电感L1、L2储存电能；然后使M3关断此时电感L1、L2中储存的电能通过VD1、VD3给动力电池继续充电。以上过程就实现了电能从超级电容到动力电池的传递。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.一种用于电动汽车的一体化混合能量源接口电路拓扑结构，其特征在于：该拓扑结构包括：
连接动力电池单元与直流母线的双向DC-DC接口电路一，
由电感元件和开关网络构成的动力电池单元和超级电容单元之间的接口电路二，
连接超级电容单元与直流母线的双向DC-DC接口电路三；
所述动力电池单元和超级电容单元分别通过双向DC-DC接口电路一和双向DC-DC接口电路三实现与直流母线间能量交换的独立控制；
以超级电容单元为核心，以直接连接两种能量源的接口电路二为平衡电路，构建动力电池单元的电压均衡电路；
利用无损元件超级电容作为动力电池单元均压的媒介，实现各串联的动力电池单体电压在充放电过程中动静态均衡；
根据分时复用的原则，直接连接两种能量源的接口电路二实现动力电池和超级电容两类储能源的直接能量交换。
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