CN202978361U - 电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置 - Google Patents

电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，包括有盒体，盒体上设置有防尘盖，其特点是：盒体内设置有电池供能组件，电池供能组件的正极端口连接有运行控制组件的输入端，运行控制组件的输出端通过电流方向控制组件连接有引擎控制端口。同时，引擎控制端口通过场效应辅助组件连接有直流升压组件的输入端，直流升压组件的输出端连接稳压组件的输入端，稳压组件的输出端通过电流方向控制组件然后连接至超级电容器以回收能量。有此，满足电动汽车各种工况下是用能需求。并且，本实用新型原理和结构简单、性能稳定、安全可靠。

Description

电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置
技术领域
本实用新型涉及一种控制装置，尤其涉及一种电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置。
背景技术
现代许多应用中，比如可移动电子设备、通讯装备、航空航天电源系统以及电动车辆等等，他们的负载都有一个共同特征——峰值功率明显大于平均功率。在现有的电池电源当中，铅酸电池能量密度较低、污染严重。燃料电池虽然能量密度高，但是它需要很长启动时间已经响应速度缓慢所以应用受制约。另外两种新型电池电源——锂离子电池与超级电容，前者有较高的能量密度，后者有很高的功率密度、长寿命。但是，目前没有一种装置能够将上述各种电池设备进行较佳的整合。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置。
本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，包括有盒体，所述的盒体上设置有防尘盖，其中：所述的盒体内设置有电池供能组件，所述电池供能组件的正极端口连接有运行控制组件的输入端，所述运行控制组件的输出端通过电流方向控制组件连接有引擎控制端口，所述引擎控制端口通过场效应管辅助组件连接有直流升压组件的输入端，所述直流升压组件的输出端连接稳压组件的输入端，所述稳压组件的输出端通过电流方向控制组件然后连接至超级电容器以回收能量，所述运行控制组件设置有辅助控制端口，所述的辅助控制端口通过超级电容器连接电池供能组件的负极端口。
进一步地，上述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其中：所述的运行控制组件包括有能源供给端口，所述的能源供给端口一侧与电池供能组件相连，所述的能源供给端口另一侧连接有电路控制模块的输入端，所述电路控制模块的输出端连入运行控制组件的输出端，所述的电路控制模块包括有电流调节组件，所述电流调节组件上连接有N型金属氧化物场效应管。
更进一步地，上述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其中：所述的运行控制组件内设置有辅助电流方向控制模块。
更进一步地，上述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其中：所述的超级电容器由单体超级电容串联组成，或是由单体超级电容并联所组成。
再进一步地，上述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其中：所述的电池供能组件包括有电池容纳盒，所述的电池容纳盒内设置有单体电池串联构成的锂离子电池组；或是所述的电池容纳盒内设置有单体电池并联构成的锂离子电池组。
更进一步地，上述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其中：所述的盒体侧面设置有通风孔。
更进一步地，上述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其中：所述的盒体内设置有散热组件。
再进一步地，上述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其中：所述的散热组件包括有散热片，所述的散热片上设置有散热风扇。
再进一步地，上述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其中：所述的盒体内设置有加强筋。
本实用新型技术方案的优点主要体现在：依托于电池供能组件与超级电容器之间的配合，当电动汽车启动、加速或者上坡需要大电流输出时，利用超级电容器的大功率密度特性由其输出所需的电流.当电动汽车正常行驶时，由锂离子电池在额定输出电流范围内正常供电，同时对超级电容器进行充电以备加速或者上坡所需能量。当电动汽车下坡、减速或者刹车制动时进行能量回收，利用超级电容器进行电能回收。并且，本实用型新克服现有技术的不足，具有原理和结构简单、性能稳定以及安全可靠等特点，可广泛应用于电动车辆上。
附图说明
本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。这些附图当中，
图1是电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置的构造示意图；
图2是实施例一电动机工作电压工作电流与时间的关系曲线图；
图3是实施例一中锂离子电池对超级电容充电以及电力回收时超级电容回收能量电压的变化图；
图4是国家汽车行业标准模拟工况试验曲线；
图5是实施例二中超级电容单体电压随放电时间的变化图；
图6是实施例二中锂离子电池单体电压随放电时间的变化图；
图7是本电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置的原理示意图。
1 盒体                 2 电池供能组件
3 运行控制组件         4 电流方向控制组件
5 稳压组件             6 直流升压组件
7 加强筋               8 引擎控制端口
9  超级电容器            10 电流调节组件
11 N型金属氧化物场效     12 辅助电流方向控应管                     制模块
13 通风孔                14 散热片
15 散热风扇
具体实施方式
如图1～7所示的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，包括有盒体1，在盒体1上设置有防尘盖，其特别之处在于：本实用新型采用的盒体1内设置有电池供能组件2，电池供能组件2的正极端口连接有运行控制组件3的输入端。同时，运行控制组件3的输出端通过电流方向控制组件4连接有引擎控制端口8，引擎控制端口8通过场效应管辅助组件连接有直流升压组件6的输入端。并且，直流升压组件6的输出端连接稳压组件5的输入端，稳压组件5的输出端通过电流方向控制组件4然后连接至超级电容器9。在运行控制组件3设置有辅助控制端口，辅助控制端口通过超级电容器9连接电池供能组件2的负极端口。
就本实用新型一较佳的实施方式来看，为了便于配合电池供能组件2的工作，运行控制组件3包括有能源供给端口，能源供给端口一侧与电池供能组件2相连，能源供给端口另一侧连接有电路控制模块的输入端。同时，在电路控制模块的输出端连入运行控制组件3的输出端。具体来说，为了提高整体的调节效果，电路控制模块包括有电流调节组件10，在电流调节组件10上连接有N型金属氧化物场效应管11，既NMOS场效应管。采用NMOS场效应管作为开关元件的目的是可以实现小电流控制大流量，可以连接实现数字控制本实用型新中的相关电路。
并且，考虑到能够有效控制电流的流动方向，提升应用的品质，运行控制组件3内设置有辅助电流方向控制模块12。当然，为了生产组装的便利，电流方向控制组件4与辅助电流方向控制模块12均可以采用二极管(DIODE)。
进一步来看，考虑到整体实施的便利，可以适应不同的应用需要，满足不同放电深度的是使用需求，提升传输功率，超级电容器9由单体超级电容串联组成。或是，由单体超级电容并联所组成。
同样的，为了提升电池供能组件2的充电放电储能效果，本实用新型所采用的电池供能组件2包括有电池容纳盒，在电池容纳盒内设置有单体电池串联构成的锂离子电池组。或是，所述的电池容纳盒内设置有单体电池并联构成的锂离子电池组。
再进一步来看，本实用型新采用的各种组件模块在处理对应的超级电容器9与锂离子电池组工作状态时，容易产生热量，造成元器件的工作疲劳，为了进行有效的散热，盒体1侧面设置有通风孔13。当然，为了更好的提升散热效果，盒体1内设置有散热组件。具体来说，本实用型新所采用的散热组件包括有散热片14，在散热片14上设置有散热风扇15。有此，可以提高空气交换效率，降温的同时，提升寿命。
再者，为了提升本实用型新的整体强度，适应不同的安装工位需要，防止跌落或者出现意外开裂，能够提高盒体1抗应力的能力，在盒体1内设置有加强筋7。这样，可以有效提升盒体1牢固程度。再者，依托于加强筋7的存在，能够对盒体1内的组件进行适当的定位，防止出现震动位移，提高使用寿命。
结合本实用新型的实际使用情况来看：
实施例一：
锂离子电池单体标称电压为3.6V，采用3节串联，初始实际电压总和约11.9V。超级电容器单体标称电压为2.5V，采用5节串联，初始实际电压在11.8V左右。
图2中电压电流分别为电动机电压和电流随时间的变化。其中1～60s、120～180s为超级电容对电动机供电，所以在此时间段内电压值也为超级电容电压值，电流值也为超级电容放电电流值。60～120s、180～300s为锂离子电池对电动机供电，所以此时间段内电流值也为锂离子电池放电电流值，而由于锂离子电池总能量很高(以一节2Ah锂离子电池为例，2A电流放电时，需1h才能放电电压降低到截止电压)，所以在300s放电时间内锂离子电池组电压稳定在11.8v。图3中，0～250s为锂离子电池对超级电容充电，超级电容电压随时间逐渐升高。250～300s为超级电容静止电压。300～310s为系统制动时电动机回收能量对超级电容恒压充电。310～360s为充电完成后静置超级电容电压恢复平稳最终稳定。
工作过程如下：参考图7，当电动车启动时，输入端输入高电平使NMOS1开启导通工作。第二输入端、第三输入端、第四输入端输入低电平，因而NMOS2、NMOS3、NMOS4截止，相当于断开。此时，超级电容器输出大电流到电机。电机工作电压在11v左右。如图2所示，0～60s，超级电容器对电机提供大电流(负值表示放电)，随着超级电容器放电，其电压降低。
当启动完毕时电动车应工作在正常巡航模式，此时对第一输入端输入低电平使NMOS1截止(相当于断开)，对第二输入端输入高电平使NMOS2导通工作，3、第四输入端仍然是低电平NMOS3、NMOS4不导通状态。巡航模式时锂离子电池组对电机正常供电，使其稳定行驶，调节电阻R1能在小范围内改变电机转速。如图2所示，60～120s，锂离子电池对电机正常供电，电机工作电压约为9v，低转速。
加速或上坡时，对第二输入端、第三输入端、第四输入端输入低电平使NMOS2、NMOS3、NMOS4不导通，对第一输入端输入高电平使其导通工作，超级电容器对电机输出大电流以实现加速或上坡。如图2所示，120～180s，超级电容器对电机提供大电流，并且超级电容器电压继续降低。
加速或上坡后电动车又进入正常巡航模式，此时对第二输入端、第三输入端、第四输入端输入低电平使NMOS1、NMOS3、NMOS4不导通，对第二输入端输入高电平使NMOS2导通工作。如图2所示，180s以后相当长的时间，锂离子电池组能对电机提供稳定电流。行驶的时间由锂离子电池组的总容量决定，若只有单组2000mA·h锂离子电池组成12v，则大约提供1h稳定行驶时间；相应地，当10组这样的电池组并联则大约提供10h稳定行驶时间。
由图2中可看出，超级电容器随着使用，电压降低比较明显，当超级电容器串联电压小于9v后对电机启动会产生明显影响，因此在当超级电容器端电压小于9v后，对第三输入端输入高电平使NMOS3开启导通，这样，锂离子电池组对超级电容器进行充电。电阻R2对充电有限流作用，防止12v锂离子电池组对9v超级电容器直接充电造成大电流而破坏锂离子电池的结构。二极管D1保证电流方向。实际上二极管导通后自身也有电压降，加上、NMOS3分压等原因，当超级电容器充电至11.3v后，充电电流已经很小，继续对其充电效果不明显，因此当充电至11.3v后对第三输入端输入低电平使NMOS3截止。如图3所示，0～250s内，超级电容器电压由8.9v充至11.3v。
电动汽车需要制动时，1、2、第三输入端输入低电平使NMOS1、NMOS2、NMOS3不导通，第四输入端输入高电平使NMOS4导通工作。此时制动能量由电机发电经过直流升压器、稳压器后对超级电容器充电进行能量回收。使其二极管D2保证制动时电流流向超级电容，确保超级电容不会对电机进行放电。调节升压器稳压器其输出端口电压为12v。如图3中300～360s所示。在制动的十秒钟内(300～310s)对超级电容器进行12v恒压充电，充电结束后超级电容器电压下降并最终稳定在11.8v左右。
实施例二：
按照中华人民共和国汽车行业标准(QC/T743-2006)中的简单模拟工况，如图4为其中蓄电池简单模拟工况放电曲线。此实验采用三节锂离子电池串联，五节超级电容器串联。按照标准中规定的I3我们计算了此实验的I3约为0.5A，按照标准中小电流放电时放电电流为I3等于0.5A，大电流放电时放电电流为9I3等于4.5A。实验采用Arbin电池测试仪对锂离子电池与超级电容器的单体电压进行实时记录。如图5所示，五节超级电容器的电压随时间变化(三条实线和两条点画线)。如图6所示，三节锂离子电池的电压随时间变化(两条实线和一条点画线)。按照国家标准中规定，图4中1～11分别为模拟工况放电阶段的步骤1～步骤11。
此实验采用原系统的装置，因为不考虑回收能量并且Arbin电池测试仪可以提供恒流负载模式，所以未加入电动机和升压稳压模块。锂离子电池组以及超级电容器组的接入电路方式不变。
参考图7：步骤1时，系统NMOS2的端口2输入高电平使NMOS2导通，Arbin电池测试仪对锂离子电池组进行1I3放电，从图6可以看到锂离子电池单体的电压都在下降，由于超级电容自身特性，其电压略有下降。步骤2时，系统NMOS2的端口2输入低电平使NMOS2不导通，NMOS1的第一端口输入高电平使NMOS1导通，Arbin电池测试仪对超级电容器组进行9I3放电，从图5可以看到超级电容器单体的电压明显下降。步骤3时，系统第一端口输入低电平使NMOS1不导通，第三端口输入高电平使NMOS3导通，此时锂离子电池组对超级电容进行充电，从图5可看到超级电容单体电压在缓慢上升，由于充电电流很小，所以图6中锂离子电池单体电压降低不明显。当步骤4开始时第三端口输入低电平使NMOS3不导通，端口2输入高电平使NMOS2导通。步骤4～6，步骤7～9重复步骤1～3，步骤10～11重复步骤1～2。
从图5和图6中锂离子电池单体电压和超级电容单体电压随放电时间的变化可以看出，本实用型新的电源控制系统满足国家汽车行业标准制定的模拟工况要求。在不同低电流和大电流阶段，锂离子电池单体电压和超级电容单体电压都达到很好的一致性。
通过上述的文字表述可以看出，采用本实用新型后，依托于电池供能组件与超级电容器之间的配合，当电动汽车启动、加速或者上坡需要大电流输出时，利用超级电容器的大功率密度特性由其输出所需的电流.当电动汽车正常行驶时，由锂离子电池在额定输出电流范围内正常供电，同时对超级电容器进行充电以备加速或者上坡所需能量。当电动汽车下坡、减速或者刹车制动时进行能量回收，利用超级电容器进行电能回收。并且，本实用型新克服现有技术的不足，具有原理和结构简单、性能稳定以及安全可靠等特点，可广泛应用于电动车辆上。

Claims (9)

1.电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，包括有盒体，所述的盒体上设置有防尘盖，其特征在于：所述的盒体内设置有电池供能组件，所述电池供能组件的正极端口连接有运行控制组件的输入端，所述运行控制组件的输出端通过电流方向控制组件连接有引擎控制端口，所述引擎控制端口通过场效应管辅助组件连接有直流升压组件的输入端，所述直流升压组件的输出端连接稳压组件的输入端，所述稳压组件的输出端通过电流方向控制组件然后连接至超级电容器，所述运行控制组件设置有辅助控制端口，所述的辅助控制端口通过超级电容器连接电池供能组件的负极端口。
2.根据权利要求1所述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其特征在于：所述的运行控制组件包括有能源供给端口，所述的能源供给端口一侧与电池供能组件相连，所述的能源供给端口另一侧连接有电路控制模块的输入端，所述电路控制模块的输出端连入运行控制组件的输出端，所述的电路控制模块包括有电流调节组件，所述电流调节组件上连接有N型金属氧化物场效应管。
3.根据权利要求2所述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其特征在于：所述的运行控制组件内设置有辅助电流方向控制模块。
4.根据权利要求1所述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其特征在于：所述的超级电容器由单体超级电容串联组成，或是由单体超级电容并联所组成。
5.根据权利要求1所述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其特征在于：所述的电池供能组件包括有电池容纳盒，所述的电池容纳盒内设置有单体电池串联构成的锂离子电池组；或是所述的电池容纳盒内设置有单体电池并联构成的锂离子电池组。
6.根据权利要求1所述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其特征在于：所述的盒体侧面设置有通风孔。
7.根据权利要求1所述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其特征在于：所述的盒体内设置有散热组件。
8.根据权利要求7所述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其特征在于：所述的散热组件包括有散热片，所述的散热片上设置有散热风扇。
9.根据权利要求1所述的电动车用锂电池超级电容复合电源控制装置，其特征在于：所述的盒体内设置有加强筋。
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