CN111439107A - 一种带启停功能的铅酸电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带启停功能的铅酸电池，其用于混合动力车辆，所述混合动力车辆包括：内燃机、发电机、离合器、永磁同步电动机、变速箱、车轮、超级电容模块、带启停功能的AGM铅酸蓄电池组和能量管理系统；其中能量管理系统包括：模糊逻辑监控器、电池组PI控制器和超级电容PI控制器；所述的能量管理系统由两级组成：第一级由带启停功能的AGM铅酸蓄电池组和两个超级电容模块组成,第二级由连接到公共DC总线的三相两电平电压源逆变器组成，该逆变器提供额定功率给永磁同步电动机。与传统的功率管理策略相反，使用PI控制器，根据模糊化输入来适配大小，增加了动力模块和电力半导体器件的完美结合和有效控制，迅速稳定整车供电系统，使用的AGM铅酸蓄电池组内阻设计为比普通的铅酸电池低一半，CCA值大一倍，瞬间电流释放能量大，能有效解决普通蓄电池本身的先天不足。

Description

一种带启停功能的铅酸电池
技术领域
本发明涉及一种带启停功能的铅酸电池，其适用于混合动力车辆。
背景技术
目前整个铅酸电池行业的发展面临着很多压力，譬如来自锂电池等其他可替代方案的冲击。而在应用端，特别是汽车和储能行业，对改善动态充电接受能力、轻量化、减少电解液损耗和提升循环寿命都提出了越来越高的要求。但是一些新兴的应用如汽车启停技术和储能也给铅酸行业带来了新的机遇。
其中，针对汽车启停电池，在维持4～5年的寿命并保障正常冷启动和低失水的前提下，将动态充电接受能力至少提高到目前2～3倍的水平，显得尤为迫切。同时，在各个国家严格控制二氧化碳的大环境下，混合动力车辆可能会迎来快速增长，而这类应用会要求电池满足更高的动态充电接受能力。
此外，铅酸电池未来可能作为备用电源被应用到纯电动汽车里。当引擎停止工作且车内的锂电池断开或在低温下运行不良时，备用铅酸电池就可以发挥作用，从而保障安全出行。在这种应用中，电池的低温性能和体积就显得尤为重要。
虽然铅酸电池在初始成本比较中有优势，但如果不能显著提升其使用寿命，锂电方案的总体成本将可能更胜一筹。因此，提高铅酸电池的动态充电接受能力和循环寿命，以满足新兴应用领域对铅酸电池的需求，是目前亟待解决的技术问题。许多将铅酸电池作为主要来源和将超级电容作为辅助来源组合的车辆混合能量存储系统以便实现车辆的快速加速和减速，但如何分配两个能量来源之间的功率是目前亟待解决的问题。
发明内容
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种带启停功能的铅酸电池，其用于混合动力车辆，所述混合动力车辆包括：内燃机、发电机、离合器、永磁同步电动机、变速箱、车轮、超级电容模块、带启停功能的AGM铅酸蓄电池组和能量管理系统；
能量管理系统包括：模糊逻辑监控器、电池组PI控制器和超级电容PI控制器；
所述的能量管理系统由两级组成：第一级由AGM铅酸蓄电池组和两个超级电容模块组成，电池组经由两相DC-DC交错式降压-升压转换器和第一双向斩波器连接到公共DC总线，超级电容器模块经由DC-DC双向转换器和第二双向斩波器连接到公共DC总线；
两相DC-DC交错式降压-升压转换器和第一双向斩波器之间设置电池组PI控制器，DC-DC双向转换器和第一双向斩波器之间设置超级电容PI控制器，模糊逻辑监控器基于接收的接收公共DC总线的电池组电压信号、超级电容电压信号以及永磁电动机的电流信号，分别发送参考电池功率值和参考电容功率值给电池组PI控制器和超级电容PI控制器，
第二级由连接到公共DC总线的三相两电平电压源逆变器组成，该逆变器提供额定功率给永磁同步电动机。
其中，AGM铅酸蓄电池组的两个串联的AGM铅酸蓄电池构成；AGM铅酸蓄电池组和两相DC-DC交错式降压-升压转换器的计算模型为：
Vbatt = E0− V1−Rbatt.iLj ；
其中E0是开路电压，Rbatt反映电池组焦耳损耗，并且偶极子R1-C1表示电池组所存储的能量。
具有DC-DC双向转换器的超级电容的计算模型为：
Vsc = Vsc0− Rsc.isc
C = C0 + Vsc0.K
其中，Vsc是超级电容的电压值，Rsc是超级电容的电阻值，isc是超级电容的电流值，Vsc0超级电容的初始电压值，C是超级电容的容量，C0 是超级电容的初始容量，K是充放电系数。
在电池侧使用两相交错双向DC-DC转换器以允许在操作模式改变期间对电池组进行充电和放电，在超级电容侧模拟单相双向斩波器以允许在操作模式改变期间对超级电容侧进行充电和放电。
通常使用功率转换器的状态空间平均模型，中和由开关现象引起的系统的不连续性，通过开关模式的组合，得到DC-DC变换器的连续动态模型，包括：
在降压模式期间，其中S1 = 1；S2 = 0，对于存储元件lsc和C推导出以下表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
在升压模式期间，其中S1 = 0；S2 = 1，对于存储元件lsc和C推导出以下表达式：
Figure 647564DEST_PATH_IMAGE002
其中iL是DC侧的等效负载。
模糊逻辑监控器具有三个输入和两个输出:DC总线电压有三个等级：下限、中限和上限。对应的超级电容电压具有三个隶属函数：低、中和高。每个源的功率参考是七个三角形隶属函数：对于电池侧和超级电容器，非常低、中低、中、中高、高和非常高，它们如下：负高、负中、负低、零、正低、正中和正高。该外部控制回路确定每个源的参考功率量，并且因此，设计内部回路、PI控制器以调节每个转换器支路的电流
为了基于模糊的电源管理原理，根据DC母线和SC电压的源特性和调节用于EMS的模糊管理器模式，允许根据DC侧的电动机电流评估来区分不同操作模式之间的排列。
其中根据超级电容模块的电压状态，可获得五种不同的工作模式：
模式0：铅酸蓄电池组和超级电容模块都不工作；
模式1：铅酸蓄电池组为永磁同步电动机供电，超级电容模块不工作；
模式2：超级电容模块为永磁同步电动机供电，铅酸蓄电池组不工作；
模式3：铅酸蓄电池组为超级电容模块充电；
模式4：超级电容模块由铅酸蓄电池组和能量回收电力充电。
本发明的优点在于：通过本发明的一种混合动力车辆用的带启停功能的铅酸电池：
1） 与传统的功率管理策略相反，使用PI控制器，其中当增加进一步的性能时，通过适当的控制器调节每个状态，从而导致增加的控制环的数量，本功率管理允许通过单个规则表来实现这些目标，其中根据模糊化输入来适配大小。
2）该模糊表在单个单元中执行监控策略，以及在稳态中对所选变量DC总线电压和超级电容电压的控制，用于管理系统的截止频率通过附加算法而改变，模糊表以自适应方式作为在DC总线上感测的负载电流的大小的函数来执行这个任务。
3）电源滤波：在汽车怠速停车和低速行驶时，由于发动机转速低发电不足，混合动力车辆的AGM铅酸蓄电池组内部的电力模块是汽车供电系统一个高质量电能的有力补充，在高速行驶时，起到对汽车发电机发出来的脉冲电压电流进行有效滤波和稳定作用，减少对电池的冲击和亏电运行，保护延长了电池的使用寿命。
4）稳定高效：AGM铅酸蓄电池组改变电池的内部结构，增加了动力模块和电力半导体器件的完美结合和有效控制，迅速稳定整车供电系统，使用的AGM铅酸蓄电池组内阻设计为比普通的铅酸电池低一半，CCA值大一倍，瞬间电流释放能量大，能有效解决普通蓄电池本身的先天不足。
5）提升动力：AGM铅酸蓄电池组工作状态下比普通电池电压高0.8V，以及快速充放电特性，工作电压稳定在14.4V左右，能快速平稳供电性能，提升气缸内燃烧效应，燃烧更完全，达到提升启动效果。简单更换电池，就能轻松提升汽车动力。
6）极寒低温、瞬间启动。智能动力电池运用了智能稳压模块技术，彻底改变全车电流的供电状况，让车载电器设备工作效率更高，工作状况更稳定，从而达到提升动力，节省燃油，音响效果提升、大灯亮度增加，从而起到整车电路的保护作用，电池寿命更长的效果。
附图说明
图1是本发明的一种带启停功能的铅酸电池的混合动力车辆的能量管理系统的示意图。
图2是本发明的连接到公共DC总线的AGM铅酸蓄电池的示意图。
图3是本发明的连接到公共DC总线的超级电容的示意图。
图4是本发明的模糊逻辑监控器的示意图。
图5是本发明的模糊逻辑监控器的工作流程图。
图6是本发明的基于二阶滑模控制器的模型图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一种带启停功能的铅酸电池，其用于混合动力车辆，所述混合动力车辆包括：内燃机12、发电机13、离合器、永磁同步电动机11、变速箱14、车轮、超级电容模块2、带启停功能的AGM铅酸蓄电池组1和能量管理系统；
其中能量管理系统：模糊逻辑监控器3、电池组PI控制器6和超级电容PI控制器7；
所述的能量管理系统由两级组成：第一级由AGM铅酸蓄电池组1和超级电容模块2组成，电池组1经由两相DC-DC交错式降压-升压转换器4和第一双向斩波器6连接到公共DC总线，超级电容器模块2经由DC-DC双向转换器5和第二双向斩波器7连接到公共DC总线；
两相DC-DC交错式降压-升压转换器4和第一双向斩波器之间8设置电池组PI控制器6，DC-DC双向转换器和5第一双向斩波器9之间设置超级电容PI控制器7，模糊逻辑监控器3基于接收的接收公共DC总线的电池组电压信号、超级电容电压信号以及永磁电动机的电流信号，分别发送参考电池功率值和参考电容功率值给电池组PI控制器6和超级电容PI控制器7，
第二级由连接到公共DC总线的三相两电平电压源逆变器10组成，该逆变器10提供额定功率给永磁同步电动机11。
其中，AGM铅酸蓄电池组1的两个串联的AGM铅酸蓄电池构成；如图2所示AGM铅酸蓄电池组1和两相DC-DC交错式降压-升压转换器4的计算模型为：
Vbatt = E0− V1−Rbatt.iLj ；
其中E0是开路电压，Rbatt反映电池组焦耳损耗，并且偶极子R1-C1表示电池组所存储的能量。
如图3所示，连接到公共DC总线的具有DC-DC双向转换器5的超级电容模块2；具有DC-DC双向转换器的5超级电容模块2的计算模型为：
Vsc = Vsc0− Rsc.isc
C = C0 + Vsc0.K
其中，Vsc是超级电容模块的电压值，Rsc是超级电容模块的电阻值，isc是超级电容模块的电流值，Vsc0超级电容模块的初始电压值，C是超级电容模块的容量，C0 是超级电容模块的初始容量，K是充放电系数。
在电池侧使用两相交错双向DC-DC转换器4以允许在操作模式改变期间对电池组1进行充电和放电，在超级电容模块2侧模拟单相双向斩波器9以允许在操作模式改变期间对超级电容侧进行充电和放电。
为了测试连续动态系统上的控制技术，通常使用功率转换器的状态空间平均模型，中和由开关现象引起的系统的不连续性，通过开关模式的组合，得到DC-DC变换器的连续动态模型，包括：
在降压模式期间，其中S1 = 1；S2 = 0，对于存储元件lsc和C推导出以下表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
在升压模式期间，其中S1 = 0；S2 = 1，对于存储元件lsc和C推导出以下表达式：
Figure 627021DEST_PATH_IMAGE004
其中iL是DC侧的等效负载。
通过占空比α加权并且可以由转换器的平均状态空间模型表示如下：
Figure 967611DEST_PATH_IMAGE005
在电池侧，以模拟方式执行设计，其中交错DC-DC转换器的平均动态模型推导为：
Figure 362820DEST_PATH_IMAGE006
模糊逻辑监控器的输入参数分别为：在公共DC总线上侧获取的电机所需的电流Im；超级电容电压Vsc，反映其充电状态，其中j=1：2；DC总线电压VDC，必须保持恒定在标称值以确保到电动机的总功率流。
如图4所示，假设没有铁芯损耗情况下，则参考(d-q)坐标下中的永磁同步电机的模型如下给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中，通量
Figure 239509DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE009
的计算公式为：
Figure 124288DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE011
永磁同步电机的动力学公式为：
Figure 453639DEST_PATH_IMAGE012
电磁转矩表达式由下式获得：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
如图5所示，模糊管理器具有三个输入和两个输出:DC总线电压有三个等级：下限、中限和上限。对应的超级电容电压具有三个隶属函数：低、中和高。每个源的功率参考是七个三角形隶属函数：对于电池侧和超级电容器，非常低、中低、中、中高、高和非常高，它们如下：负高、负中、负低、零、正低、正中和正高。该外部控制回路确定每个源的参考功率量，并且因此，设计内部回路、PI控制器以调节每个转换器支路的电流
为了基于模糊的电源管理原理，根据DC母线和超级电容模块电压的源特性和调节用于EMS的模糊管理器模式。由所选模糊表提供的主要方案在以下流程图中简要描述，并且允许根据DC侧的电动机电流评估来区分不同操作模式之间的排列。
根据超级电容模块的电压状态，可获得五种不同的工作模式：
模式0：铅酸蓄电池组和超级电容模块都不工作；
模式1：铅酸蓄电池组为永磁同步电动机供电，超级电容模块不工作；
模式2：超级电容模块为永磁同步电动机供电，铅酸蓄电池组不工作；
模式3：铅酸蓄电池组为超级电容模块充电；
模式4：超级电容模块由铅酸蓄电池组和能量回收电力充电。
在源侧，模糊逻辑监控器以智能方式动作，以通过有效的功率频率分割在各种操作模式之间平滑地置换。此外，它允许DC总线和超级电容器电压的完全调节，而与速度曲线变化无关，以确保到负载的最佳功率流，并在瞬态中提供或吸收功率的同时将超级电容模块操作保持在安全电压范围内。在牵引侧，通过与空间矢量调制SVM策略相关联的超扭转ST的二阶滑模控制，以确保在低扭矩和通量波动下的解耦扭矩和通量控制。
如图6所示，为了模拟车辆的牵引部分，使用基于二阶滑模控制的场定向控制，以跟踪电动机速度曲线。在速度外控制回路以及当前的内回路中应用超扭曲控制法则。高阶滑动模式是一阶的一般化思想。它基于滑动面的高阶导数。与一阶滑模控制器相比，这种控制的主要优点是它能够通过在有限时间内将滑动面S及其导数收敛到零来抑制抖振现象，并确保对扰动变化具有明显的鲁棒性。
控制部由两部分组成；第一部分，允许滑动面S收敛到零，而第二部分，允许通过滑动面S=0得到软化响应。其中：
Figure 216321DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE015
Figure 947516DEST_PATH_IMAGE016
其中r是系统的相对程度，e (t)是跟踪误差，λ和β是用于调整ST控制器的正增益。非线性度可以通过系数ρ来调节，系数ρ大多固定在0.5，以实现二阶滑模控制的最大值。
为了确保系统的收敛和稳定性，常数λ和β应当被选择为跟随，并且它们必须足够大。
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中Φ表示扰动，其必须限制在其最大水平：φ≤φm且Γm≤Γ≤ΓM。这些量是正项，并且由滑动面S的二阶导数来定义.
Figure 3197DEST_PATH_IMAGE018
。
在外部速度控制中，通过电磁转矩基准来执行，其中相对阶数等于1，给出的滑动面短于跟踪误差e（t）。定义滑动面及其梯度如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
通过在速度面导数方程中代入式，将给出如下：
Figure 819843DEST_PATH_IMAGE020
其中，G表示系统，干扰为：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
滑动面的二阶导数如下：
Figure 123566DEST_PATH_IMAGE022
假设扰动分量G的梯度是有界的，则控制律推导为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
在模拟方法中，采用ST策略设计内部电流控制，其中电流轨迹isd和isq保持在它们的滑动面上（Sisd=0和Sisq=0），在每个采样时间应用合适的电压矢量Vsd和Vsq。为了实现FOC控制，将参考直流分量设置为零（isdref=0），由速度控制回路提供正交电流isqref：
Figure 709269DEST_PATH_IMAGE024
电压矢量Vsd和Vsq可以通过定义电流滑动面来获得，如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
进一步推导得出：
Figure 201430DEST_PATH_IMAGE026
综上可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
空间矢量调制（SVM）基于从八个电压矢量中确定一个参考电压矢量。这是根据调制周期T通过应用两个相邻的电压矢量和零矢量V0和V7来实现的。
Ti和Ti +1是这些矢量的应用时间；它们的总和必须小于逆变器切换的周期T，该周期T对应于15 kHz的频率。支持向量包括将Vsref向量投影到所需电压向量V1和V2上。其中， T1和T2：分别是向量V1和V2的应用时间。T0：是自由轮序列，然后通过投影V1和V2推导出Vsa和Vsb。
Figure 505372DEST_PATH_IMAGE028
Figure DEST_PATH_IMAGE029
。
本发明提出了一种应用于混合动力车辆的带启停功能的铅酸电池，并采用模糊-超扭曲控制策略进行控制，所提出的控制策略包括两个部分：第一部分基于模糊逻辑的对电池功率进行监督，第二种部分括基于二阶滑模控制器来减少在传统滑模中获得的颤动现象，从而控制牵引部分。所引入的功率管理策略允许通过适当地供应源参考功率量来在不同操作模式之间进行平滑置换，以匹配负载需求。该策略还将超级电容器电压保持在容许范围内，以便为意外的加速或减速做准备，保证了系统寿命。此外，所选择的模糊规则不管电机电流变化，都可实现DC总线电压良好地调节，功率监控部分确保了电源频率滤波，其中电池组在稳定状态下输送所需的功率，而超级电容模块在瞬态中提供峰值需求，可增加铅酸蓄电池组和超级电容模块的寿命和系统自主性。具体地：
1） 与传统的功率管理策略相反，使用传统的PI控制器，其中当增加进一步的性能时，通过适当的控制器调节每个状态，从而导致增加的控制环的数量，本功率管理允许通过单个规则表来实现这些目标，其中根据模糊化输入来适配大小。
2）该模糊表在单个单元中执行监控策略，以及在稳态中对所选变量DC总线电压和超级电容电压的控制，用于管理系统的截止频率通过附加算法而改变，模糊表以自适应方式作为在DC总线上感测的负载电流的大小的函数来执行这个任务。
3）电源滤波：在汽车怠速停车和低速行驶时，由于发动机转速低发电不足，混合动力车辆的AGM铅酸蓄电池组内部的电力模块是汽车供电系统一个高质量电能的有力补充，在高速行驶时，起到对汽车发电机发出来的脉冲电压电流进行有效滤波和稳定作用，减少对电池的冲击和亏电运行，保护延长了电池的使用寿命。
4）稳定高效：AGM铅酸蓄电池组改变电池的内部结构，增加了动力模块和电力半导体器件的完美结合和有效控制，迅速稳定整车供电系统，AGM铅酸蓄电池组内阻比普通低一半，CCA值大一倍，瞬间电流释放能量大，能有效解决普通蓄电池本身的先天不足。
5）提升动力：AGM铅酸蓄电池组工作状态下比普通电池电压高0.8V，以及快速充放电特性，工作电压稳定在14.4V左右，能快速平稳供电性能，提升气缸内燃烧效应，燃烧更完全，达到提升启动效果。简单更换电池，就能轻松提升汽车动力。
6）极寒低温、瞬间启动。智能动力电池运用了智能稳压模块技术，彻底改变全车电流的供电状况，让车载电器设备工作效率更高，工作状况更稳定，从而达到提升动力，节省燃油，音响效果提升、大灯亮度增加，从而起到整车电路的保护作用，电池寿命更长的效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种带启停功能的铅酸电池，其用于混合动力车辆，其特征在于：所述混合动力车辆包括：内燃机（12）、发电机（13）、离合器、永磁同步电动机（11）、变速箱（14）、车轮、超级电容模块（2）、带启停功能的AGM铅酸蓄电池组（1）和能量管理系统；
能量管理系统包括：模糊逻辑监控器（3）、电池组PI控制器（4）和超级电容PI控制器（5）；
所述的能量管理系统由两级组成：第一级由带启停功能的AGM铅酸蓄电池组（1）和超级电容模块（2）组成，AGM铅酸蓄电池组（1）经由两相DC-DC交错式降压-升压转换器（4）和第一双向斩波器（8）连接到公共DC总线，超级电容器模块（2）经由DC-DC双向转换器（5）和第二双向斩波器（9）连接到公共DC总线；
两相DC-DC交错式降压-升压转换器（4）和第一双向斩波器（8）之间设置电池组PI控制器（7），DC-DC双向转换器（5）和第一双向斩波器（9）之间设置超级电容PI控制器（7），模糊逻辑监控器（3）基于接收的接收公共DC总线的电池组电压信号、超级电容电压信号以及永磁电动机的电流信号，分别发送参考电池功率值和参考电容功率值给电池组PI控制器（6）和超级电容PI控制器（7）；
第二级由连接到公共DC总线的三相两电平电压源逆变器（10）组成，该逆变器（10）提供额定功率给永磁同步电动机（11）。
2.根据权利要求1所述的一种带启停功能的铅酸电池，其特征在于：其中，所述的带启停功能的AGM铅酸蓄电池组（1）由两个串联的AGM铅酸蓄电池构成；AGM铅酸蓄电池组（1）和两相DC-DC交错式降压-升压转换器（4）的计算模型为：
Vbatt = E0− V1−Rbatt.iLj；
其中E0是开路电压，Rbatt是电池组的电阻值，iLj是电池组的电流值，V1是偶极子R1-C1的电压。
3.根据权利要求1-2所述的一种带启停功能的铅酸电池，其特征在于：所述的超级电容模块（3）由两个超级电容构成，具有DC-DC双向转换器（5）的超级电容模块（2）的计算模型为：
Vsc = Vsc0− Rsc.isc
C = C0 + Vsc0.K
其中，Vsc是超级电容模块的电压值，Rsc是超级电容模块的电阻值，isc是超级电容模块的电流值，Vsc0超级电容模块的初始电压值，C是超级电容模块的容量，C0 是超级电容模块的初始容量，K是充放电系数。
4.根据权利要求1-3所述的一种带启停功能的铅酸电池，其特征在于：带启停功能的AGM铅酸蓄电池组（1）工作电压稳定在14.4V左右。
5.根据权利要求1-4所述的一种带启停功能的铅酸电池，其特征在于内燃机（12）依次连接发电机（13）、离合器、永磁同步电机（11）、变速箱（14）驱动车轮。
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