CN204089283U - 基于超级电容的车载复合电源装置 - Google Patents

基于超级电容的车载复合电源装置 Download PDF

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姜木霖
史旅华
刘杰
赵榕
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本实用新型涉及一种基于超级电容的车载复合电源装置,其由车载电池、超级电容单元、双向DC-DC变换单元、复合电源控制单元和信号检测单元组成;所述车载电池采用蓄电池组;所述超级电容单元与双向DC-DC变换单元双向电连接并通过所述双向DC-DC变换单元与所述车载电池电连接;所述复合电源控制单元分别与所述车载电池、超级电容单元、双向DC-DC变换单元和信号检测单元通过电信号连接;所述信号检测单元与所述复合电源控制单元通过电信号连接。本实用新型结构设计简单、合理,能够实现能量存储对象实时调整,从而改善电源质量和启动特性,提高车载电池的使用效率。

Description

基于超级电容的车载复合电源装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于电动汽车技术领域,尤其涉及一种基于超级电容的车载复合电源
>J-U ρςα装直。
背景技术
[0002] 纯电动汽车的电源为电池,受电池本身特性的影响,电池耐受冲击能力弱,而超级电容器作为一种双电层电容器,由于特殊的原材料和制作方法使其具有较高的功率密度和效率,兼具电池与电容的双重特性,成为一种性能极佳的动力电源。超级电容器满足了市场对高频率、大强度、高循环次数、并符合环保政策的动力电源的需求,在电动汽车、电子电器、蓄能装置、太阳能等领域有着极好的发展前景。在常温下,带电蓄电池因长期未能及时补充电,蓄电池内阻增加、电量储存能力下降,严重时导致汽车无法正常起动。在低温状态下,铅酸蓄电池内部电解液电离及导电性能变差,使蓄电池的放电能力大大降低,汽车起动时所需的有效能量极度衰减,据试验结果统计,在低温_41°C的条件下,蓄电池的有效能量不超过标定容量的10%,此时普通铅酸蓄电池基本上很难正常工作。传统车载供电装置依靠蓄电池供电,蓄电池在低温和亏电情况下的能量密度小,对启动机的带动能力差。
[0003] 鉴于此,在中国专利201120417787.6中公开了一种纯电动汽车复合电源能量管理预测控制系统,包括电机、动力蓄电池组和超级电容,动力蓄电池组和超级电容分别经双向DC-DC变换器与电机驱动控制装置相连,电机驱动控制装置连接电机,其中,还包括微处理器控制系统,以及与微处理器控制系统相连接的车载导航系统、电门踏板电位器、刹车踏板电位器、电机检测单元、动力蓄电池能量管理系统和超级电容能量管理系统。该技术方案可增加能量回收,提高电动汽车一次充电行驶里程,但是当在低温环境中,其蓄电池的瞬时放电能力差,无法提供起动机的起动功率。
[0004] 在另一中国专利201310426784.X中公开了一种应用于混合动力汽车车载复合电源,采用动力电池与负载直接相连,而超级电容器与双向DC/DC变换器串联后再与动力电池并联的结构。功率总线将电机需求总功率送入DC/DC变换器控制策略中,由DC/DC变换器控制策略将总功率按照实际工况需求分配给动力电池和超级电容器。该技术方案虽然能低一定程度上能够缓解大电流对电池的冲击,回收制动能量,延长电源工作寿命,实现复合电源“削峰填谷”的思想,但是其充放电效率偏低,影响汽车起动机的起动功率。
[0005] 再有中国专利200410011420.6中公开了一种混合动力汽车车载复合电源装置,它包括大比能动力蓄电池和与其串联的电机逆变器、电机,蓄电池、电机逆变器、发动机的控制端口是分别通过电源控制器、电机控制器、发动机控制器分别与整车控制器电连接,其特征在于还包括一通过双向DC/DC变换器并联在电机逆变器及蓄电池之间的超级电容器,超级电容器、双向DC/DC变换器的控制端口分别与电源控制器电连接。该技术方案虽然也由超级电容器对电源中蓄电池起到功率缓冲的作用,克服蓄电池比功率低及大电流充放困难及效率低的的缺点,但是复合电容中超级电容的作用仅仅是起到辅助作用,易出现能量不足的问题,无法完全代替电池的作用。
[0006] 基于以上原因,对现有的基于超级电容的汽车复合电源装置,有必要进一步完善,以有效弥补车载电池在不同情况下能量不足的缺陷,提高能量回馈的效率和改善电源品质,进而改善整车的使用性能。
发明内容
[0007] 针对上述问题,为了改善现有基于超级电容的汽车复合电源装置的车载电源性能,而提出了一种结构设计简单、合理,能够实现能量存储对象实时调整,从而改善电源质量和启动特性,提高车载电池的使用效率的基于超级电容的车载复合电源装置。
[0008] 本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0009] 上述的基于超级电容的车载复合电源装置,由车载电池、超级电容单元、双向DC-DC变换单元、复合电源控制单元和信号检测单元组成;所述车载电池采用蓄电池组;所述超级电容单元与双向DC-DC变换单元双向电连接并通过所述双向DC-DC变换单元与所述车载电池电连接;所述复合电源控制单元分别与所述车载电池、超级电容单元、双向DC-DC变换单元和信号检测单元通过电信号连接;所述信号检测单元与所述复合电源控制单元通过电信号连接。
[0010] 所述基于超级电容的车载复合电源装置,其中:所述复合电源控制单元包括蓄电池D、电池总开关K0、继电器JD1〜JD3、起动机M、电容C、保险丝FUl和FU2以及BOOST电路组成;所述蓄电池D的负极接地,正极端连接所述电池总开关KO ;所述继电器JDl包括触点开关Kl和线圈KM1,所述触点开关Kl 一端连接于所述起动机M并通过所述起动机M接地;所述线圈KMl —端接地,另一端接所述复合电源控制单元;所述继电器JD2包括触点开关K2和线圈KM2,所述触点开关K2 —端通过所述电池总开关KO连接所述蓄电池D的正极,另一端连接于所述触点开关Kl另一端;所述线圈KM2 —端接地,另一端接所述复合电源控制单元;所述继电器JD3包括触点开关K3和线圈KM3,所述触点开关K3 —端通过所述保险丝FUl与所述触点开关Kl、K2的另一端连接,同时还通过所述保险丝FU2连接至所述BOOST电路;所述触点开关K3的另一端连接所述电容C并通过所述电容C接地;所述线圈KM3 —端接地,另一端连接于BOOST电路;所述BOOST电路一端接地,另一端为充电端且与所述电容C连接。
[0011] 所述基于超级电容的车载复合电源装置,其中:所述BOOST电路由电感L1、开关Q1、二极管Dl和电容Cl连接组成;所述电感LI 一端连接所述车载电池的正极,另一端连接所述二极管Dl并通过所述二极管Dl连接所述超级电容单元;所述二极管Dl的阳极端连接所述电感LI,阴极端连接所述超级电容单元;所述开关Ql —端连接于所述电感LI与二极管Dl阳极端的连接点,所述开关Ql另一端分别连接所述电感L1、电容Cl和超级电容单元。
[0012] 有益效果:
[0013] 本实用新型基于超级电容的车载复合电源装置结构设计简单、合理,能够实现能量存储对象实时调整,从而改善电源质量和启动特性,提高车载电池的使用效率;采用双向直流变换结构、发动机转速和温度闭环控制技术,极大的改善了启动特性、提高电源品质、增强电池使用寿命和提高回馈能量的吸收效率,极大的改善了车载电源系统的性能;本实用新型作为车载电池的复合电源,可以改善在电池亏电和低温情况下启动特性、提高电源品质、增强电池使用寿命和提高回馈能量的吸收效率,可以作为所有车载24V系统电源的复合电源装置使用;本实用新型能够有效的弥补车载电池在不同情况下能量不足的缺陷,同时该复合电源装置还能提高能量回馈的效率和改善电源品质,对改善整车的使用性能有明显重要的意义。
[0014] 取用环境温度信号和发动机转速信号作为反馈信号,进行温度补偿和能量补偿,温度越低,补偿的能量越高;同时检测发动机的转速,在发动机转速达到一定数值时,利用复合电源装置对起动机进行能量补充,提高蓄电池的启动能力;
[0015]启动状态时,为了提高呈车载电池的使用寿命和车载电池的利用率,先用车载电池提高能量,起动一定时间以后但发动机未完全启动时,基于超级电容的车载复合电源中的电池提供初始能量;在能量回馈状态时,利用基于超级电容的车载复合电源的能量密度高的特点吸收该能量,电容C储能达到上限时,复合电源控制单元将储能装置储存的能量缓慢的转移到车载电池中,提高了能量的利用率;在车辆突然加速或者需要较大功率输出时,由基于超级电容的车载复合电源中车载电池和超级电容单元一起提供能量,保证基于超级电容的车载复合电源的功率输出;
[0016] 该双向DC-DC变换单元采用双向直流变换结构,可实现以下功能:一是实现蓄电池D能量快速向电容C能量的转移;二是显示车载制动能量的快速吸收;三是超级电容单元的充电控制;四是实现车载电池和超级电容单元的放电控制。
附图说明
[0017] 图1为本实用新型基于超级电容的车载复合电源装置的结构原理图;
[0018] 图2为本实用新型基于超级电容的车载复合电源装置的另一结构原理图;
[0019] 图3为本实用新型基于超级电容的车载复合电源装置的BOOST电路的连接原理图;
[0020] 图4为本实用新型基于超级电容的车载复合电源装置的复合电源控制单元的控制原理图。
具体实施方式
[0021] 如图1至3所示,本实用新型基于超级电容的车载复合电源装置,包括车载电池1、超级电容单元2、双向DC-DC变换单元3、复合电源控制单元4和信号检测单元5。
[0022] 该车载电池I为蓄电池组,为车载电器和启动机等负载提供能量。
[0023] 该超级电容单元2与双向DC-DC变换单元3双向电连接并通过双向DC-DC变换单元3与车载电池I电连接,以实现能量的存储和转移。
[0024] 该双向DC-DC变换单元3实现车载电池I与超级电容单元2能量的双向流动:当电池亏电时,车载电池I将能量转移到超级电容单元2 ;制动时制动能量的存储对象切换到超级电容单元2 ;启动时当发动机转速达到某一数值前,能量供给单元为车载电池I ;当发动机转速达到某一数值时,能量供给单元为车载电池I与超级电容单元2。
[0025] 该复合电源控制单元4分别与车载电池1、超级电容单元2、双向DC-DC变换单元3和信号检测单元5通过电信号连接。其中,该复合电源控制单元4的控制对象为蓄电池D、电池总开关K0、继电器JDf JD3、起动机M、电容C、B00ST电路。该蓄电池D的负极接地,正极端连接电池总开关K0。该继电器JDl包括触点开关Kl和线圈KM1,该触点开关Kl 一端连接于起动机M并通过起动机M接地;该线圈KMl —端接地,另一端接复合电源控制单元4。该继电器JD2包括触点开关K2和线圈KM2,该触点开关K2 —端通过电池总开关KO连接蓄电池D的正极,另一端连接于触点开关Kl的另一端;该线圈KM2 —端接地,另一端接复合电源控制单元4。该继电器JD3包括触点开关K3和线圈KM3,该触点开关K3 —端通过保险丝FUl与触点开关K1、K2的另一端连接,同时还通过保险丝FU2连接至BOOST电路;该触点开关K3的另一端连接电容C并通过电容C接地;线圈KM3 —端接地,另一端连接于BOOST电路。该BOOST电路一端接地,另一端为充电端且与电容C连接。
[0026] 如图4所示,该BOOST电路由电感L1、开关Q1、二极管Dl和电容Cl连接组成;该电感LI 一端连接车载电池I的正极,另一端连接二极管Dl并通过二极管Dl连接超级电容单元2,其中,该二极管Dl的阳极端连接电感LI,阴极端连接超级电容单元2 ;该开关Ql —端连接于电感LI与二极管Dl阳极端的连接点,该开关Ql另一端分别连接电感L1、电容Cl和超级电容单元2。
[0027] 该信号检测单元5主要检测发动机的转速和环境温度,其与复合电源控制单元4通过电信号连接并将检测的相关信号发送给复合电源控制单元4。
[0028] 本实用新型的控制原理:
[0029] I)在低温环境下(_30°C以下)起动时,车载电池I对超级电容单元2充电,充电终止电压高于车载电池I电压,此时通过能量转移依靠电容C辅助起动起动机M ;
[0030] 2)起动机带动发动机启动成功后,超级电容单元2与车载电池I并联在一起,由超级电容单元2吸收尖峰电压,改善电源品质;
[0031] 3)常温电池不亏电启动时,起动机M启动时需要较大的启动电流,超级电容单元2和车载电池I并联,由于超级电容单元2的内阻远小于车载电池I内阻,此时由超级电容单元2和车载电池I 一起给起动机提供能量,提高车载复合电源装置的起动能力和车载电池I的使用寿命(对于频繁启动的车辆,车载复合电源装置能够显著地提高电池的使用寿命。);
[0032] 4)车载电池I亏电起动时,车载电池I对超级电容单元2充电,充电终止电压高于车载电池I电压,此时通过能量转移依靠电容C辅助起动起动机M。
[0033] 5)制动情况下,超级电容单元2和车载电池I并联,利用超级电容单元2功率密度大的特性,吸收制动能量,提高制动能量吸收效率;
[0034] 6)车载电池I与电容C的电压差大于1.5V时,蓄电池D米用大电流充电模式对电容C充电,当车载电池I与电容C的电压差小于1.5V时,利用BOOST电路对电容C充电,这样能够减小充电时间和提高BOOST电路的使用寿命。
[0035] 本实用新型结构设计简单、合理,其采用双向直流变换结构和多工况自适应的控制策略,可实现能量存储对象实时调整,能适用于所有24V车载电源系统,可以适应不同电压等级的车载电源系统并确保该车载复合电源装置具有效性和可靠性。

Claims (3)

1.一种基于超级电容的车载复合电源装置,其特征在于:所述车载复合电源装置由车载电池、超级电容单元、双向DC-DC变换单元、复合电源控制单元和信号检测单元组成; 所述车载电池采用蓄电池组; 所述超级电容单元与双向DC-DC变换单元双向电连接并通过所述双向DC-DC变换单元与所述车载电池电连接; 所述复合电源控制单元分别与所述车载电池、超级电容单元、双向DC-DC变换单元和信号检测单元通过电信号连接; 所述信号检测单元与所述复合电源控制单元通过电信号连接。
2.如权利要求1所述的基于超级电容的车载复合电源装置,其特征在于:所述复合电源控制单元包括蓄电池D、电池总开关K0、继电器JDf JD3、起动机M、电容C、保险丝FUl和FU2以及BOOST电路组成; 所述蓄电池D的负极接地,正极端连接所述电池总开关KO ; 所述继电器JDl包括触点开关Kl和线圈KM1,所述触点开关Kl 一端连接于所述起动机M并通过所述起动机M接地;所述线圈KMl —端接地,另一端接所述复合电源控制单元; 所述继电器JD2包括触点开关K2和线圈KM2,所述触点开关K2 —端通过所述电池总开关KO连接所述蓄电池D的正极,另一端连接于所述触点开关Kl另一端;所述线圈KM2 —端接地,另一端接所述复合电源控制单元; 所述继电器JD3包括触点开关K3和线圈KM3,所述触点开关K3 —端通过所述保险丝FUl与所述触点开关Kl、K2的另一端连接,同时还通过所述保险丝FU2连接至所述BOOST电路;所述触点开关K3的另一端连接所述电容C并通过所述电容C接地;所述线圈KM3 —端接地,另一端连接于BOOST电路;所述BOOST电路一端接地,另一端为充电端且与所述电容C连接。
3.如权利要求2所述的基于超级电容的车载复合电源装置,其特征在于:所述BOOST电路由电感L1、开关Ql、二极管Dl和电容Cl连接组成; 所述电感LI 一端连接所述车载电池的正极,另一端连接所述二极管Dl并通过所述二极管Dl连接所述超级电容单元; 所述二极管Dl的阳极端连接所述电感LI,阴极端连接所述超级电容单元; 所述开关Ql —端连接于所述电感LI与二极管Dl阳极端的连接点,所述开关Ql另一端分别连接所述电感L1、电容Cl和超级电容单元。
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