CN110816358A - 一种超级电容复合系统的充放电电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超级电容复合系统的充放电电路及控制方法。它包括控制器、动力电池、开关、双向转换器、第一开关管、第二开关管、电感和超级电容，所述动力电池、开关和双向转换器依次串联形成第一回路；所述超级电容、第一开关管和双向转换器依次串联形成第二回路，所述超级电容、电感、第二开关管依次串联形成第三回路；所述控制器的控制端分别连接第一开关管和第二开关管的控制端。本发明的充放电电路中第一开关管直接与超级电容连接，充电过程避免了电感效应的影响，充分发挥了超级电容功能，电路结构简单；以超级电容剩余电量为基准判断超级电容和动力电池的充放电顺序，实现复合系统的高倍率充放电功能，并实现对动力电池保护。
Description
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，具体涉及一种超级电容复合系统的充放电电路及控制方法。
背景技术
混合动力车辆需要用大功率的能源系统，以求达到最大回收制动能量和提供瞬态动力。但是一般来说，动力电池容量配置较小，由于充放电倍率限制，需要高比功率的电池或增加电池容量。利用超级电容的特性，采用动力电池和超级电容的复合系统可以很好的解决这个问题。目前超级电容充放电回路中，在超级电容的充电回路中设有电感，超级电容充电时需经过电感，制动能量回收过程中经常是短时大功率，由于电感的特性，电流上升率被限制，降低充电功率，没有发挥超级电容的功能。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构简单、安全性高的超级电容复合系统的充放电电路及控制方法。
本发明采用的技术方案是：一种超级电容复合系统的充放电电路，包括控制器、动力电池、开关、双向转换器、第一开关管、第二开关管、电感和超级电容，所述动力电池、开关和双向转换器依次串联形成第一回路；所述超级电容、第一开关管和双向转换器依次串联形成第二回路，所述超级电容、电感、第二开关管依次串联形成第三回路；所述控制器的控制端分别连接第一开关管和第二开关管的控制端。
进一步地，还包括存储电容，所述存储电容与双向转换器并联。
进一步地，还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管阴极连接双向转换器正极，第一二极管阳极连接第二二极管阴极和电感与第二开关管之间，所述第二二极管阳极连接超级电容负极。
一种基于上述超级电容复合系统的充放电电路的控制方法，包括充电控制：
开始充电时，若超级电容剩余电量小于等于第一阈值，则优先控制超级电容充电，直至超级电容充电至剩余电量大于第一阈值+滞迴值，再控制动力电池充电至满电量，最后控制超级电容充电至满电量；
开始充电时，若超级电容剩余电量大于第一阈值，则优先控制动力电池充电，直至动力电池充电至剩余电量大于第一阈值+滞迴值：此时若判断超级电容剩余电量大于第一阈值，则继续控制动力电池充电至满电量，最后控制超级电容充电至满电量；若判断超级电容剩余电量小于等于第一阈值，则控制超级电容充电，直至超级电容充电至剩余电量大于第一阈值+滞迴值，再控制动力电池充电至满电量，最后控制超级电容充电至满电量。
进一步地，在充电过程中控制器根据复合系统的充电电流通过调整占空比控制第一开关管的导通时间，来控制超级电容充电电流，使超级电容充电电流不超过复合系统的充电电流、动力电池充电电流不超过动力电池充电能力。
进一步地，所述第一阈值为50％-55％。
进一步地，所述滞迴值为20％-30％。
进一步地，还包括放电控制：
开始放电时，若超级电容剩余电量大于第二阈值，则优先控制超级电容放电，直至超级电容放电至剩余电量小于等于第二阈值－滞迴值，再控制动力电池放电至最低值，最后控制超级电容放电至最低值；
开始放电时，若超级电容剩余电量小于等于第二阈值，则优先对控制动力电池放电，直至动力电池放电至最低值，再控制超级电容放电至最低值。
进一步地，在放电过程中控制器根据复合系统的放电电流通过调整占空比控制第二开关管的导通时间，来控制超级电容放电电流，使超级电容放电电流不超过复合系统的放电电流、动力电池放电电流不超过动力电池放电能力。
更进一步地，第二阈值为50％-55％。
本发明的充放电电路中第一开关管直接与超级电容连接，充电过程避免了电感效应的影响，超级电容的充电电流上升率不受限制，充分发挥超级电容功能，电路结构简单；车辆制动及行驶时，充电过程和放电过程均以超级电容剩余电量为基准判断超级电容和动力电池的充放电顺序，并加入充放电阈值和滞迴值，从而能对超级电容充放电电流进行实时控制，实现复合系统的高倍率充放电功能，并实现对动力电池保护，实用性强，安全性高。
附图说明
图1为本发明充放电电路的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
如图1所示，本发明提供一种超级电容复合系统的充放电电路，包括控制器11、动力电池1、开关2、存储电容3、双向转换器4、第一开关管5、第二开关管7、电感9、超级电容10、第一二极管6和第二二极管8，所述动力电池1、开关2和双向转换器4依次串联形成第一回路，所述存储电容3与双向转换器4并联；所述超级电容10、第一开关管5和双向转换器4依次串联形成第二回路，所述超级电容10、电感9、第二开关管7依次串联形成第三回路；所述控制器11的控制端分别连接第一开关管5和第二开关管7的控制端。所述第一二极管6阴极连接双向转换器4正极，第一二极管6阳极连接第二二极管8阴极和电感9与第二开关管7之间，所述第二二极管8阳极连接超级电容10负极。
上述第一开关管5和第二开关管7可以采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，具体第一开关管5和第二开关管7的栅极均连接控制器11，第一开关管5的发射极连接超级电容10正极，第一开关管5的集电极连接双转向器4正极，第二开关管7的发射极连接超级电容10负极，第二开关管7的集电极连接电感9一端，双向转换器4用于实现电机与动力电池1和超级电容10之间的电量转换，控制器11用于输出PWM信号控制第一开关管5和第二开关管7的导通时间，实现动力电池1和超级电容10的充放电电流大小的控制。
本发明还提供一种基于上述的超级电容复合系统的充放电电路的控制方法，包括充电控制和放电控制，具体过程如下：
充电过程中，控制器11通过CAN总线接收整车充电功率，动力电池1剩余电量(SOC)、超级电容10剩余电量(SOC)后，实时进行充电能量分配，以下均以SOC表示剩余电量。为了最大概率保证复合系统以最大充放电倍率有效工作，分配原则是根据超级电容10 SOC值，如下表
| 超级电容SOC≤50％ | 超级电容SOC＞50％ | |
| 优先充电 | 超级电容 | 动力电池 |
在一次充电过程中，优先充电判断条件加入第一阈值的滞迴逻辑，第一阈值范围为满电量的50％-55％，优选为50％，滞迴值为20％-30％，优选为20％。HCU(整车控制器12)发送制动能量扭矩需求给MCU(电机控制器13)，MCU接收指令控制电机进入发电模式，并控制电机制动转矩，控制器根据HCU和MCU的转矩转速信号，综合计算电动机发电功率，进而计算复合系统的充电电流。
开始充电时，若超级电容10 SOC小于等于50％，则优先控制超级电容10充电，直至超级电容10充电至SOC大于70％(50％+20％)，再控制动力电池1充电至满电量，最后控制超级电容10充电至满电量。超级电容优10先充电情况下，控制器11根据复合系统的充电电流通过调整占空比控制第一开关管5的导通时间，实时控制超级电容10充电电流，使超级电容10充电电流不超过复合系统的充电电流。
开始充电时，若超级电容10 SOC大于50％，则优先控制动力电池1充电，直至动力电池1充电至SOC大于70％(50％+20％)，此时再次判断超级电容10 SOC：若超级电容10 SOC大于50％，则继续控制动力电池1充电至满电量，最后控制超级电容10充电至满电量；若超级电容10小于等于50％，则控制超级电容10充电，直至超级电容10充电至SOC大于70％(50％+20％)，再控制动力电池1充电至满电量，最后控制超级电容10充电至满电量。根据动力电池1的充电能力，充电过程中控制器根据复合系统的充电电流通过调整占空比控制第一开关管5的导通时间，实时控制超级电容10充电电流，使动力电池1充电电流不超过动力电池充电能力。
放电过程中，控制器11通过CAN总线接收HCU放电功率，BMS(电池管理系统14)的动力电池SOC、超级电容SOC后，实时进行放电能量分配。为了最大概率保证复合系统以最大的充放电倍率有效工作，分配原则是根据超级电容10 SOC值，如下表
| 超级电容SOC≤50％ | 超级电容SOC＞50％ | |
| 优先放电 | 动力电池 | 超级电容 |
在一次放电过程中，优先充电判断条件加入第二阈值的滞迴逻辑第一阈值范围为50％-55％，优选为50％。HCU发送扭矩需求给MCU，MCU接收指令控制电机进入电动模式，并控制电机转矩，控制器根据HCU和MCU的转矩转速信号，综合计算电动机电动功率，进而计算复合系统放电电流，
开始放电时，若超级电容10 SOC大于50％，则优先控制超级电容10放电，直至超级电容10放电至SOC小于等于30％(50％－20％)，再控制动力电池1放电至最低值，最后控制超级电容10放电至最低值；在放电过程中控制器11根据复合系统的放电电流通过调整占空比控制第二开关管7的导通时间，实时控制超级电容10放电电流，使超级电容10放电电流不超过复合系统的放电电流。
开始放电时，若超级电容10 SOC小于等于50％，则优先对控制动力电池1放电，直至动力电池1放电至最低值，再控制超级电容10放电至最低值。在放电过程中控制器11根据复合系统的放电电流通过调整占空比控制第二开关管7的导通时间，实时控制超级电容10放电电流，使动力电池1放电电流不超过动力电池放电能力。
超级电容复合系统的充放电电路工作时，开关2闭合。车辆控制系统接入上述复合系统充放电电路后，控制器11通过CAN总线接收转矩需求、电机转速、动力电池SOC、超级电容SOC后，实时进行充电能量分配。控制器11通过DPWM控制第一开关管5和第二开关管7的断开和闭合。充电过程中，第二开关管7断开，控制第一开关5管的DPWM占空比大小控制着流经第一开关管5电流大小，进而控制超级电容10充电电流。放电过程中，第一开关管5断开，控制第二开关管7的DPWM占空比控制着第二开关管7开通时间、电感9充电大小，进而控制超级电容10放电电流。
当整车制动时，第二开关管7断开，若超级电容10 SOC值小于等于50％，优先超级电容10充电，控制第一开关管5闭合，双向转换器4电流通过第一开关管5向超级电容10充电，同时通过开关2向动力电池1、存储电容3充电。由于超级电容10电压低于动力电池1的电压，控制器11通过控制DPWM占空比，实时控制第一开关管5为超级电容10充电的电流，控制超级电容10充电的电流接近双向转换器4电流时，动力电池1、存储电容3充电电流基本为零。若超级电容10充电至SOC值大于70％，控制逻辑翻转，为动力电池1充电至满电量，最后控制超级电容充电至满电量。
当整车制动时，第二开关管7断开，若超级电容10 SOC值大于50％，优先动力电池1充电，通过开关2向动力电池1、存储电容3充电。由于超级电容10电压低于动力电池1的电压，控制器11通过控制DPWM占空比实时控制第一开关管5为超级电容10充电的电流，动力电池1、存储电容3的充电电流为双向转换器4电流减去超级电容10充电电流。超级电容10充电电流较小，主要作用是限制动力电池1的充电电流不能超出其能够充电的最大电流。若动力电池1 SOC值大于70％，重新进行控制逻辑判断，即再次判断超级电容10 SOC：若超级电容10 SOC大于50％，则继续控制动力电池1充电至满电量，最后控制超级电容10充电至满电量；若超级电容10 SOC小于等于50％，则控制超级电容10充电，直至超级电容10充电至SOC大于70％(50％+20％)，再控制动力电池1充电至满电量，最后控制超级电容10充电至满电量。
当整车行驶时，第一开关管5断开，若超级电容10 SOC值大于50％，优先超级电容10放电，通过开关2、动力电池1、存储电容3向双向转换器4放电。同时，控制器11通过控制DPWM占空比实时控制第二开关管7，当第二开关管7闭合时，超级电容10通过电感9、第二开关管7形成电流回路；当第二开关管7断开时，电感9的电流保持，并形成高压，第二二极管8起保护第二开关管7作用，通过第一二极管6流向存储电容3，由于第一二极管6的单向特性，在存储电容3形成高压；DPWM占空比决定流向存储电容3电压、电流的大小；由于此时双向转换器4电压低于动力电池1、存储电容3电压，超级电容10通过存储电容3同时向双向转换器4放电。此时动力电池1、存储电容3放电电流为双向转换器4电流减去超级电容10放电电流；控制超级电容10放电的电流接近双向转换器4电流时，动力电池1、存储电容3放电电流基本为零。若超级电容10放电至SOC值小于等于30％，控制逻辑翻转，改由动力电池1和存储电容3放电，直至动力电池放电至剩余电量小于等于30％，再控制超级电容10放电至最低值，最后控制动力电池放电至最低值。
当整车行驶时，第一开关管5断开。若超级电容10 SOC值小于等于50％，优先动力电池1放电，通过开关2、动力电池1、存储电容3向双向转换器4放电。同时，控制器11通过控制DPWM占空比实时控制第二开关管7，当第二开关管7闭合时，超级电容10通过电感9、第二开关管7形成电流回路；当第二开关管7断开时，电感9的电流保持，并形成高压，第二二极管8起保护第二开关管7作用，通过第一二极管6流向存储电容3，由于第一二极管6的单向特性，在存储电容3形成高压；DPWM占空比决定流向存储电容3电压电流的大小；由于此时双向转换器4电压低于动力电池1、存储电容3电压，超级电容10通过存储电容3同时向双向转换器4放电。此时动力电池1、存储电容3放电电流为双向转换器4电流减去超级电容10放电电流；此时控制超级电容10放电的电流接近双向转换器4电流很小，主要作用限制动力电池1的放电电流不能超出其最大放电电流，动力电池1放电至剩余电量小于等于30％后，再控制超级电容10放电至最低值，最后控制动力电池放电至最低值。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种超级电容复合系统的充放电电路，其特征在于：包括控制器、动力电池、开关、双向转换器、第一开关管、第二开关管、电感和超级电容，所述动力电池、开关和双向转换器依次串联形成第一回路；所述超级电容、第一开关管和双向转换器依次串联形成第二回路，所述超级电容、电感、第二开关管依次串联形成第三回路；所述控制器的控制端分别连接第一开关管和第二开关管的控制端。
2.根据权利要求1所述的超级电容复合系统的充放电电路，其特征在于：还包括存储电容，所述存储电容与双向转换器并联。
3.根据权利要求1所述的超级电容复合系统的充放电电路，其特征在于：还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管阴极连接双向转换器正极，第一二极管阳极连接第二二极管阴极和电感与第二开关管之间，所述第二二极管阳极连接超级电容负极。
4.一种基于权利要求1-3所述的任意一项超级电容复合系统的充放电电路的控制方法，其特征在于，包括充电控制：
开始充电时，若超级电容剩余电量小于等于第一阈值，则优先控制超级电容充电，直至超级电容充电至剩余电量大于第一阈值+滞迴值，再控制动力电池充电至满电量，最后控制超级电容充电至满电量；
开始充电时，若超级电容剩余电量大于第一阈值，则优先控制动力电池充电，直至动力电池充电至剩余电量大于第一阈值+滞迴值：此时若判断超级电容剩余电量大于第一阈值，则继续控制动力电池充电至满电量，最后控制超级电容充电至满电量；若判断超级电容剩余电量小于等于第一阈值，则控制超级电容充电，直至超级电容充电至剩余电量大于第一阈值+滞迴值，再控制动力电池充电至满电量，最后控制超级电容充电至满电量。
5.根据权利要求4所述的超级电容复合系统的充放电控制方法，其特征在于：在充电过程中控制器根据复合系统的充电电流通过调整占空比控制第一开关管的导通时间，来控制超级电容充电电流，使超级电容充电电流不超过复合系统的充电电流、动力电池充电电流不超过动力电池充电能力。
6.根据权利要求4所述的超级电容复合系统的充放电控制方法，其特征在于：所述第一阈值为50％-55％。
7.根据权利要求4所述的超级电容复合系统的充放电控制方法，其特征在于：所述滞迴值为20％-30％。
8.根据权利要求4所述的超级电容复合系统的充放电控制方法，其特征在于，还包括放电控制：
开始放电时，若超级电容剩余电量大于第二阈值，则优先控制超级电容放电，直至超级电容放电至剩余电量小于等于第二阈值－滞迴值，再控制动力电池放电至剩余电量小于等于第二阈值－滞迴值，然后控制超级电容放电至最低值，最后控制动力电池放电至最低值；
开始放电时，若超级电容剩余电量小于等于第二阈值，则优先对控制动力电池放电，直至动力电池放电至剩余电量小于等于第二阈值－滞迴值，再控制超级电容放电至最低值，最后控制动力电池放电至最低值。
9.根据权利要求8所述的超级电容复合系统的充放电控制方法，其特征在于：在放电过程中控制器根据复合系统的放电电流通过调整占空比控制第二开关管的导通时间，来控制超级电容放电电流，使超级电容放电电流不超过复合系统的放电电流、动力电池放电电流不超过动力电池放电能力。
10.根据权利要求8所述的超级电容复合系统的充放电控制方法，其特征在于：第二阈值为50％-55％。
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