CN204928197U - 应用于启停系统的双电压超级电容器复合电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种应用于启停系统的双电压超级电容器复合电源，其特征在于：超级电容器模组规格为16V、200F，由6个2.7V、1200F超级电容器单体串联组成；蓄电池规格为48V、8Ah，由15个3.2V、8Ah的磷酸铁锂电池单体串联组成；超级电容器模组负极与蓄电池负极接地；超级电容器模组正极与起动机和发电机相连；蓄电池正极与负载相连；双向DC/DC变换器两端分别与超级电容器模组正极和蓄电池正极相连；其在实现汽车启停的前提下，解决蓄电池在汽车频繁启动过程中大电流放电导致的寿命短的问题，并实现汽车制动时能量回馈利用的最优化，提高整车的经济性能。

Description

应用于启停系统的双电压超级电容器复合电源

技术领域

本实用新型涉及一种复合电源，具体涉及一种应用于启停系统的双电压超级电容器复合电源。

背景技术

启停系统就是可以在汽车等待信号灯或者堵车时，自动关闭发动机；当要继续行驶时，只要踩下离合器踏板或是松开制动踏板，发动机立即重新启动。通过这种自动调节，达到减少汽车怠速工况下所产生的燃油消耗和尾气排放。相关研究显示，根据驾驶环境和系统的设计不同，仅靠启停系统能让车辆的油耗下降3%~10%，而减排效果可达10%~20%。更为最重要的是，启停系统是在尽量不改变传统汽车结构、成本较低（按其复杂程度大约为500~3500元）的条件下，最简便易行的节油减排方案。

另外，汽车驾驶员在释放油门踏板或刹车使车辆减速时，将产生多余的能量。具有再生制动能量回收系统的汽车，可以将多余的能量进行回收。在发电机控制单元的调节和控制下，将多余的能量以电能的形式对电池系统进行充电，从而提高燃油经济性。

带有能量回收的启停系统对蓄电池的功率性能、充放电效率、寿命等能力要求高。目前全球这一领域以采用AGM铅酸蓄电池为主。虽然铅酸蓄电池技术工艺已经十分成熟，具有容量大、安全性好、成本低、可回收等特点，但铅酸蓄电池的大电流充电性能差，并且铅酸蓄电池存在大电流充放电时寿命短的问题，这些都制约了该技术的推广，尤其是带能量回收的启停技术。

超级电容器具有充放电效率高（能够达到99％）、循环寿命长（可以达到100万次）、温度适用范围宽（-40℃~65℃）的优点，因此超级电容器能够高效利用瞬态制动回馈的功率。但是相对于蓄电池而言，超级电容其的比容量比蓄电池小，因此每次充放电的能量较小，导致其持续大强度制动时能量回收的能力受到了限制。

为了兼顾蓄电池和超级电容器的优点，出现了将二者以一定关系进行连接所组成的复合储能系统。最典型的一种是将蓄电池和超级电容器直接连接在直流母线上。这种结构虽然简单，但其缺点是系统工作时，直流母线的电压始终被蓄电池维持在一个很窄的变化范围内，导致超级电容器的端电压和对应的SOC也在很窄的范围内变化，不能进行充分的充放电，使得超级电容器的优势受到很大的局限，而且这种结构在进行充放电时超级电容器和蓄电池间的电流分配无法控制，无法真正有效解决蓄电池的寿命衰减的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于启停系统的双电压超级电容器复合电源，其在实现汽车启停的前提下，解决蓄电池在汽车频繁启动过程中大电流放电导致的寿命短的问题，并实现汽车制动时能量回馈利用的最优化，提高整车的经济性能。

本实用新型是这样实现的：应用于启停系统的双电压超级电容器复合电源，由超级电容器模组、超级电容器管理系统、蓄电池及电池管理系统、双向DC/DC变换器、耗能电阻、接入开关、能量管理系统组成，其特征在于：超级电容器模组规格为16V、200F，由6个2.7V、1200F超级电容器单体串联组成；蓄电池规格为48V、8Ah，由15个3.2V、8Ah的磷酸铁锂电池单体串联组成；超级电容器模组负极与蓄电池负极接地；超级电容器模组正极与起动机和发电机相连；蓄电池正极与负载相连；双向DC/DC变换器两端分别与超级电容器模组正极和蓄电池正极相连；超级电容器模组正负极之间连接有耗能电阻及接入开关，耗能电阻与接入开关串联；超级电容器管理系统对超级电容器模组进行电压、电流检测和控制，并与能量管理系统进行通讯；电池管理系统对蓄电池进行电压、电流检测和控制，并与能量管理系统进行通讯；双向DC/DC变换器的通断与工作模式由能量管理系统控制；耗能电阻接入开关由能量管理系统控制。

本实用新型的积极效果是其超级电容器模组自身内阻较小，具有高功率充放电能力，可以承担复合电源系统瞬时峰值充放电电荷，使用寿命长，同时由于采用双向DC/DC变换器将蓄电池和超级电容器模组进行连接，能够充分兼顾蓄电池储能容量大和超级电容器模组瞬时充放电功率大，使得整个储能系统不仅具有较大的电能存储量，还具有高效和大电流回收制动能量的能力，能够实现汽车制动时能量回馈利用的最优化，提高整车的经济性能；超级电容器模组的正负极之间连接有耗能电阻，在超级电容器模组和蓄电池都充满电的情况下，可将吸收的多余制动能量消耗掉，防止过充电对超级电容器模组和蓄电池造成的损坏。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型在汽车启动时的电流示意图。

图3为本实用新型在汽车正常行驶时的电流示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：如图1所示，应用于启停系统的双电压超级电容器复合电源，由超级电容器模组1、超级电容器管理系统2、蓄电池3及电池管理系统4、双向DC/DC变换器5、耗能电阻6、接入开关7、能量管理系统8组成，其特征在于：超级电容器模组1规格为16V、200F，由6个2.7V、1200F超级电容器单体串联组成；蓄电池3规格为48V、8Ah，由15个3.2V、8Ah的磷酸铁锂电池单体串联组成；超级电容器模组1负极与蓄电池3负极接地；超级电容器模组1正极与起动机和发电机9相连；蓄电池3正极与负载10相连；双向DC/DC变换器5两端分别与超级电容器模组1正极和蓄电池3正极相连；超级电容器模组1正负极之间连接有耗能电阻6及接入开关7，耗能电阻6与接入开关7串联；超级电容器管理系统2对超级电容器模组1进行电压、电流检测和控制，并与能量管理系统8进行通讯；电池管理系统4对蓄电池3进行电压、电流检测和控制，并与能量管理系统8进行通讯；双向DC/DC变换器5的通断与工作模式由能量管理系统8控制；耗能电阻接入开关7由能量管理系统8控制。

图2为汽车启动时电流的方向；汽车启动时，由超级电容器管理系统2检测超级电容器模组1的电压，并将电压信息反馈给能量管理系统8：当超级电容器模组1电压高于启动电压下限（9V）时，能量控制系统8控制双向DC/DC变换器5处于断开状态，此时由超级电容器模组1为汽车启动提供所有电流；当超级电容器模组1电压低于9V时，能量控制系统8控制双向DC/DC变换器5处于接通状态，此时由超级电容器模组1和蓄电池3共同为汽车启动提供电流，并且能量控制系统8通过双向DC/DC变换器5控制蓄电池3最大放电电流（30A）；如果汽车处于长期停用状态，此时超级电容器模组1因为内部均衡电路导致的电压降为0V时，能量控制系统8控制双向DC/DC变换器5处于接通状态，此时由蓄电池3为汽车启动提供所有电流。

图3为汽车正常行驶时电流的方向；汽车正常行驶时，由蓄电池3为负载供电，同时发动机带动发电机进行发电，由超级电容器管理系统2检测超级电容器模组1的电压，并将电压信息反馈给能量管理系统8：当超级电容器模组1电压低于额定电压（14V）时，能量控制系统8控制双向DC/DC变换器5处于断开状态，此时发电机输出的电流为超级电容器模组1充电；当超级电容器模组1电压达到额定电压时，能量控制系统8控制双向DC/DC变换器5处于接通状态，此时发电机输出的电流为蓄电池3充电。

汽车制动时，由超级电容器管理系统2检测超级电容器模组1的电压，并将电压信息反馈给能量管理系统8：当超级电容器模组1电压低于14V时，能量控制系统8控制双向DC/DC变换器5处于断开状态，此时发电机将制动能量转化成的电流为超级电容器模组1充电；当超级电容器模组1电压达到14V时，能量控制系统8控制双向DC/DC变换器5处于接通状态，此时发电机输出的电流为蓄电池3充电，并且能量控制系统8通过双向DC/DC变换器5控制蓄电池3最大充电电流（30A）；由电池管理系统4检测蓄电池3的电压，并将电压信息反馈给能量管理系统8，当蓄电池3电压达到额定电压（55V）时，能量管理系统8控制耗能电阻接入开关7接通，通过耗能电阻6将多余电量消耗掉。

Claims (1)

1.应用于启停系统的双电压超级电容器复合电源，由超级电容器模组、超级电容器管理系统、蓄电池及电池管理系统、双向DC/DC变换器、耗能电阻、接入开关、能量管理系统组成，其特征在于：超级电容器模组规格为16V、200F，由6个2.7V、1200F超级电容器单体串联组成；蓄电池规格为48V、8Ah，由15个3.2V、8Ah的磷酸铁锂电池单体串联组成；超级电容器模组负极与蓄电池负极接地；超级电容器模组正极与起动机和发电机相连；蓄电池正极与负载相连；双向DC/DC变换器两端分别与超级电容器模组正极和蓄电池正极相连；超级电容器模组正负极之间连接有耗能电阻及接入开关，耗能电阻与接入开关串联；超级电容器管理系统对超级电容器模组进行电压、电流检测和控制，并与能量管理系统进行通讯；电池管理系统对蓄电池进行电压、电流检测和控制，并与能量管理系统进行通讯；双向DC/DC变换器的通断与工作模式由能量管理系统控制；耗能电阻接入开关由能量管理系统控制。