CN205800816U - 一种电电混合电动汽车动力电池与超级电容连接系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电电混合电动汽车动力电池与超级电容连接系统，通过第一晶闸管、第二晶闸管和第三晶闸管进行超级电容组和动力电池组的连接，控制模块通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态，并且与采集到的动力电池组电压、超级电容组电压和母线电压一起进行判断，控制第一晶闸管、第二晶闸管和第三晶闸管的通断，实现能量的有效分配和平滑切换，使得电流冲击减小，让系统可靠性提高，提升整车起步加速爬坡性能和制动下坡能量回收，提升超级电容有效使用率。

Description

一种电电混合电动汽车动力电池与超级电容连接系统

技术领域

本实用新型涉及混合动力汽车领域，具体涉及一种电电混合电动汽车动力电池与超级电容连接系统。

背景技术

当前世界能源问题日益严重，人们都在寻找各种解决办法，开发新能源、提高能源利用率；混合动力汽车行业方兴未艾，其具有节能、环保和高效等特点，受到广泛的关注和高度重视；其中的动力系统是混合动力汽车的核心，提高动力系统的能量利用率、延长其使用寿命、节能环保，正是我们关注的核心焦点。

我国现有的混合动力汽车以及相应方案一般采取了纯电池或者纯电容存储电能的方法，车辆在城市内行驶时，会频繁地启动、加速和制动，启动和加速时发动机会瞬间要求很多的能量，电池此时需要提供大电流，这样会造成电池的损伤，缩短其使用寿命；在发动机制动时，传统电池不能有效回收能量，大量的制动能量是通过刹车片摩擦，产生热量而流失。

当前的系统使用二极管与接触开关或功率变化器DC/DC进行动力电池与超级电容的耦合，能够进行能量回收和超级电容充电，但是采用功率变化器DC/DC连接动力电池与超级电容就会导致连接系统复杂、体积大、成本较高，而且能量回收和启动能量辅助受到功率变化器DC/DC容量的限制；而单独使用二极管和接触开关连接则超级电容的电压就会被钳位到动力电池的电压，导致超级电容利用率很低；而由于动力电池和超级电容都是容性负载，接触开关动作时电流冲击比较大，导致接触开关寿命降低，容易损坏，使得系统的可靠性降低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供用于超级电容与动力电池混合构成的电动汽车电电混动力系统，提升整车起步加速爬坡性能和制动下坡能量回收性能并能提升超级电容有效使用率的一种电电混合电动汽车动力电池与超级电容连接系统。

本实用新型通过以下技术方案实现：一种电电混合电动汽车动力电池与超级电容连接系统，包括第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第一电压检测模块、第二电压检测模块、第三电压检测模块、开关、电阻、控制模块、电机、电机控制器、若干动力电池组成的动力电池组和若干超级电容组成的超级电容组，所述控制模块分别连接第一电压检测模块、第二电压检测模块和第三电压检测模块，所述第一电压检测模块连接动力电池组合用于检测动力电池组的电压；所述第二电压检测模块连接超级电容组用于检测超级电容组的电压；所述第三电压检测模块连接与电机连接的电机控制器用于检测母线的电压；所述控制模块还分别连接到第一晶闸管的门极、第二晶闸管的门极和第三晶闸管的门极；所述第一晶闸管的阳极连接到动力电池组的正极，所述第一晶闸管的阴极连接到开关的一端，所述开关的一端还连接到第二晶闸管的阳极，所述第二晶闸管的阳极还连接到第三晶闸管的阴极，所述第三晶闸管的阴极还连接到电机控制器，所述开关的另一端连接到电阻的一端，所述电阻的另一端连接到第二晶闸管的阴极，所述第三晶闸管的阳极也连接到第二晶闸管的阴极，所述第二晶闸管的阴极连接到超级电容组的一端，所述动力电池组的负极还连接到超级电容组的另一端，所述超级电容组的另一端还连接到电机控制器；所述电阻为预充电阻；所述第一晶闸管、第二晶闸管和第三晶闸管都为单向门极可关断晶闸管；所述控制模块还通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态。

一种电电混合电动汽车动力电池与超级电容连接系统控制方法，超级电容组的最高工作电压为Vmax并且高于等于动力电池组的最高电压，超级电容组的最低工作电压为Vmin，超级电容组的预充电压为Vpc，步骤如下：

a）检测车辆状态，车辆处于静止状态则进步步骤b，车辆处于启动状态则进入步骤c，车辆处于正常行驶状态则进入步骤d；

b）车辆处于静止状态，则控制模块通过第一电压检测模块、第二电压检测模块和第三电压检测模块实时采集检测动力电池组、超级电容组和母线电压并还通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态，若超级电容组的电压低于预先设定的预充电压Vpc，则使能第一晶闸管，除能第二晶闸管和第三晶闸管并闭合开关，使用预充电阻对超级电容组充电直至超级电容组的电压达到预充电压Vpc，进入步骤e；若超级电容组的电压不低于预先设定的预充电压Vpc，则也进入步骤e；

c）车辆处于启动状态，则控制模块通过第一电压检测模块、第二电压检测模块和第三电压检测模块实时采集检测动力电池组、超级电容组和母线电压并还通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态，若超级电容组的电压高于设定的最低工作电压为Vmin，则禁止第一晶闸管和第二晶闸管，使能第三晶闸管并断开开关，完全使用超级电容组单独提供能量通过电机控制器驱动电机从而牵引车辆运动直至超级电容组的能量耗尽，使得超级电容组的工作电压达到最低工作电压Vmin，进入步骤f；若超级电容组的电压低于设定的最低工作电压Vmin，则进入步骤g；

d）车辆处于正常行驶状态，则控制模块通过第一电压检测模块、第二电压检测模块和第三电压检测模块实时采集检测动力电池组、超级电容组和母线电压并还通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态，若没有出现车辆制动状况或急加速状况，则保持车辆正常行驶；若出现车辆制动状况，则进入步骤h，若出现车辆急加速状况，则进入步骤i；

e）超级电容组的电压不低于预先设定的预充电压Vpc，则使能第二晶闸管和第一晶闸管并除能第三晶闸管，断开开关，让动力电池组与超级电容使用第一晶闸管和第二晶闸管进行并联，让动力电池组直接给超级电容组充电，使动力电池组与超级电容组电压保持一致，结束流程等待车辆启动信号；

f）超级电容组的工作电压达到最低工作电压Vmin，则使能第一晶闸管，导致母线电压高于超级电容组的电压，就使得第三晶闸管由于负极电压高于正极电压而自动截止，导致动力电池组单独通过第一晶闸管输送能量给电机控制器驱动电机使车辆正常行驶，进入步骤d；

g）超级电容组的电压低于设定的最低工作电压Vmin，则认为超级电容组未充电，就使能第一晶闸管，禁止第二晶闸管和第三晶闸管，闭合开关，用动力电池组提供能量启动车辆进入正常行驶并给超级电容组预充电，进入步骤d；

h）车辆出现制动状况，由于电机通过电机控制器向母线回馈能量，母线电压将高于动力电池组电压和超级电容组电压，第一晶闸管和第三晶闸管由于负极电压高于正极电压将自动截止，立即使能第二晶闸管，将所有回馈的能量都回收到超级电容组中，直至制动状况结束；再检测车辆车速是否为0，若车辆车速为0则进入静止充电过程步骤b；若车辆车速不为0则返回正常行驶过程步骤d；

i）车辆出现急加速状况，则保持第一晶闸管和第三晶闸管处于使能状态，由于急加速导致母线电流大，因此母线电压将下降，母线电压下降至超级电容电压时，第三晶闸管将导通，使得超级电容组和动力电池组同时提供能量驱动车辆，直至急加速状况结束，返回正常行驶过程步骤d。

所述步骤b和步骤e中，控制模块实时检测车辆启动信号，若检测到车辆启动信号则进入步骤c中；在车辆正常行驶过程中，保持第三晶闸管为使能状态；所述步骤e中动力电池组与超级电容使用第一晶闸管和第二晶闸管进行并联，第一晶闸管和第二晶闸管相当于两个二极管并联；所述步骤h中所有回馈的能量都回收到超级电容组中时并除能第一晶闸管信号但保持第三晶闸管信号在使能状态。

本实用新型通过第一晶闸管、第二晶闸管和第三晶闸管进行超级电容组和动力电池组的连接，控制模块通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态，并且与采集到的动力电池组电压、超级电容组电压和母线电压一起进行判断，控制第一晶闸管、第二晶闸管和第三晶闸管的通断，实现能量的有效分配和平滑切换，使得电流冲击减小，让系统可靠性提高，提升整车起步加速爬坡性能和制动下坡能量回收，提升超级电容有效使用率。

本实用新型的有益之处在于：1）超级电容组和动力电池组能量切换时都是自然关断和自然导通，切换平滑，电流冲击小，系统可靠性高；2）超级电容组可使用电压范围宽，在比动力电池组电压低很多的情况下也能工作，能最大限度发挥超级电容组的作用；3）车辆启动和制动时，全部由超级电容组输出车辆启动所需的能量和回收制动的能量，动力电池只有在正常行驶时提供能量，避免经常大电流充放电，有效保护系统的寿命；4）结构简单控制简便，成本降低。

附图说明

图1为本实用新型的系统连接示意图。

图2为本实用新型的系统工作控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本实用新型作进一步描述。

见图1至图2，一种电电混合电动汽车动力电池与超级电容连接系统，包括第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第一电压检测模块、第二电压检测模块、第三电压检测模块、开关S1、电阻R1、控制模块、电机、电机控制器、若干动力电池组成的动力电池组和若干超级电容组成的超级电容组，所述控制模块分别连接第一电压检测模块、第二电压检测模块和第三电压检测模块，所述第一电压检测模块连接动力电池组合用于检测动力电池组的电压；所述第二电压检测模块连接超级电容组用于检测超级电容组的电压；所述第三电压检测模块连接与电机连接的电机控制器用于检测母线的电压；所述控制模块还分别连接到第一晶闸管T1的门极、第二晶闸管T2的门极和第三晶闸管T3的门极；所述第一晶闸管T1的阳极连接到动力电池组的正极，所述第一晶闸管T1的阴极连接到开关S1的一端，所述开关S1的一端还连接到第二晶闸管T2的阳极，所述第二晶闸管T2的阳极还连接到第三晶闸管T3的阴极，所述第三晶闸管T3的阴极还连接到电机控制器，所述开关S1的另一端连接到电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端连接到第二晶闸管T2的阴极，所述第三晶闸管T3的阳极也连接到第二晶闸管T2的阴极，所述第二晶闸管T2的阴极连接到超级电容组的一端，所述动力电池组的负极还连接到超级电容组的另一端，所述超级电容组的另一端还连接到电机控制器；所述电阻R1为预充电阻；所述第一晶闸管T1、第二晶闸管T2和第三晶闸管T3都为单向门极可关断晶闸管；所述控制模块还通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态。

一种电电混合电动汽车动力电池与超级电容连接系统控制方法，超级电容组的最高工作电压为Vmax并且高于等于动力电池组的最高电压，超级电容组的最低工作电压为Vmin，超级电容组的预充电压为Vpc，步骤如下：

a）检测车辆状态，车辆处于静止状态则进步步骤b，车辆处于启动状态则进入步骤c，车辆处于正常行驶状态则进入步骤d；

b）车辆处于静止状态，则控制模块通过第一电压检测模块、第二电压检测模块和第三电压检测模块实时采集检测动力电池组、超级电容组和母线电压并还通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态，若超级电容组的电压低于预先设定的预充电压Vpc，则使能第一晶闸管T1，除能第二晶闸管T2和第三晶闸管T3并闭合开关S1，使用预充电阻R1对超级电容组充电直至超级电容组的电压达到预充电压Vpc，进入步骤e；若超级电容组的电压不低于预先设定的预充电压Vpc，则也进入步骤e；

c）车辆处于启动状态，则控制模块通过第一电压检测模块、第二电压检测模块和第三电压检测模块实时采集检测动力电池组、超级电容组和母线电压并还通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态，若超级电容组的电压高于设定的最低工作电压为Vmin，则禁止第一晶闸管T1和第二晶闸管T2，使能第三晶闸管T3并断开开关S1，完全使用超级电容组单独提供能量通过电机控制器驱动电机从而牵引车辆运动直至超级电容组的能量耗尽，使得超级电容组的工作电压达到最低工作电压Vmin，进入步骤f；若超级电容组的电压低于设定的最低工作电压Vmin，则进入步骤g；

d）车辆处于正常行驶状态，则控制模块通过第一电压检测模块、第二电压检测模块和第三电压检测模块实时采集检测动力电池组、超级电容组和母线电压并还通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态，若没有出现车辆制动状况或急加速状况，则保持车辆正常行驶；若出现车辆制动状况，则进入步骤h，若出现车辆急加速状况，则进入步骤i；

e）超级电容组的电压不低于预先设定的预充电压Vpc，则使能第二晶闸管T2和第一晶闸管T1并除能第三晶闸管T3，断开开关S1，让动力电池组与超级电容使用第一晶闸管T1和第二晶闸管T2进行并联，让动力电池组直接给超级电容组充电，使动力电池组与超级电容组电压保持一致，结束流程等待车辆启动信号；

f）超级电容组的工作电压达到最低工作电压Vmin，则使能第一晶闸管T1，导致母线电压高于超级电容组的电压，就使得第三晶闸管T3由于负极电压高于正极电压而自动截止，导致动力电池组单独通过第一晶闸管T1输送能量给电机控制器驱动电机使车辆正常行驶，进入步骤d；

g）超级电容组的电压低于设定的最低工作电压Vmin，则认为超级电容组未充电，就使能第一晶闸管T1，禁止第二晶闸管T2和第三晶闸管T3，闭合开关S1，用动力电池组提供能量启动车辆进入正常行驶并给超级电容组预充电，进入步骤d；

h）车辆出现制动状况，由于电机通过电机控制器向母线回馈能量，母线电压将高于动力电池组电压和超级电容组电压，第一晶闸管T1和第三晶闸管T3由于负极电压高于正极电压将自动截止，立即使能第二晶闸管T2，将所有回馈的能量都回收到超级电容组中，直至制动状况结束；再检测车辆车速是否为0，若车辆车速为0则进入静止充电过程步骤b；若车辆车速不为0则返回正常行驶过程步骤d；

i）车辆出现急加速状况，则保持第一晶闸管T1和第三晶闸管T3处于使能状态，由于急加速导致母线电流大，因此母线电压将下降，母线电压下降至超级电容电压时，第三晶闸管T3将导通，使得超级电容组和动力电池组同时提供能量驱动车辆，直至急加速状况结束，返回正常行驶过程步骤d。

所述步骤b和步骤e中，控制模块实时检测车辆启动信号，若检测到车辆启动信号则进入步骤c中；在车辆正常行驶过程中，保持第三晶闸管T3为使能状态；所述步骤e中动力电池组与超级电容使用第一晶闸管T1和第二晶闸管T2进行并联，第一晶闸管T1和第二晶闸管T2相当于两个二极管并联；所述步骤h中所有回馈的能量都回收到超级电容组中时并除能第一晶闸管T1信号但保持第三晶闸管T3信号在使能状态。

本实施方式中，通过第一晶闸管T1、第二晶闸管T2和第三晶闸管T3进行超级电容组和动力电池组的连接，控制模块通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态，并且与采集到的动力电池组电压、超级电容组电压和母线电压一起进行综合判断，控制第一晶闸管T1、第二晶闸管T2和第三晶闸管T3的通断，实现能量的有效分配和平滑切换；超级电容组和动力电池组的电压根据实际的车型设定，超级电容组的最高工作电压Vmax高于等于动力电池组的最高电压，最低工作电压Vmin和预充电压Vpc可以根据不同车型和不同超级电容组进行配置。

本实施方式中，车辆处于静止状态时，控制模块实时采集动力电池组、超级电容组和母线电压，并通过总线或其他信号线获取整车状态，如果超级电容电压低于预先设定的预充电电压Vpc，则使能第一晶闸管T1并闭合开关S1，使用预充电阻R1对超级电容组进行充电，当达到预充电压Vpc时，使能第二晶闸管T2旁路掉预充电阻R1直接给超级电容组充电；充电到稳态状态时，超级电容组与动力电池组相当于使用第一晶闸管T1和第二晶闸管T2两个二极管进行并联，使两个储能装置电压基本保持一致；在整个充电或静置过程中，如果车辆启动信号有效，则充电过程结束并进入启动过程。

本实施方式中，车辆进入启动过程后，控制模块同样要实时采集动力电池组、超级电容组和母线电压以及通过总线或其他信号线获取整车状态，如果超级电容组电压高于设定的最低工作电压Vmin，则禁止第一晶闸管T1和第二晶闸管T2而使能第三晶闸管T3，使用超级电容组单独提供能量通过电机控制器驱动电机从而牵引车辆运动，避免动力电池经常大电流放电影响寿命；当超级电容组能量耗尽也就是说电压接近最低工作电压Vmin时使能第一晶闸管T1，此时母线电压将高于超级电容组电压，第三晶闸管T3负极电压高于正极电压而自动截止，由动力电池组单独提供能量驱动车辆行驶；如果进入启动阶段后判断超级电容组电压过低，则认为超级电容组未充电，则直接使能第一晶闸管T1用动力电池组提供能量启动车辆；车辆启动后进入正常行驶过程，在正常行驶过程过程中，保持第三晶闸管T3为使能状态，此时第三晶闸管T3负极电压高于正极电压，使能信号打开第三晶闸管T3也不会导通。

本实施方式中，车辆进入正常行驶过程后，会经常出现制动或急加速状况；当车辆制动时，也就是加减速时，由于电机通过电机控制器向母线回馈能量，母线电压将高于动力电池组电压和超级电容组电压，第一晶闸管T1和第三晶闸管T3将自动截止，此时立即使能第二晶闸管T2，则所有回馈的能量都回收到超级电容组中，由于超级电容功是物理储能，率密度非常高，因此可以实现高效快速的能量回收，并避免动力电池因为经常大电流充电而影响寿命；当车辆急加速时，由于母线电流大，母线电压将下降，当达到超级电容电压时，第三晶闸管T3将导通，而第三晶闸管T3的控制端一直有使能信号，超级电容组和动力电池组同时提供能量驱动车辆，减小动力电池负担避免动力电池经常大电流放电影响寿命。

本实施方式中，车辆在正常行驶过程中，车辆由于制动而停止则又进入静止充电过程；也可以由于急加速后在返回正常行驶过程。

本实施方式中，控制模块可以采用微控制器及周边电路组成实现功能，使得成本降低。

本实施方式中，若对成本要求不高，可采用小功率的降压DC/DC替换开关S1和预充电阻R1，用于实现超级电容组的高效、快速、低损耗充电。

本实施方式中，超级电容组在辅助启动过程中，电压可以降低比动力电池电压低很多的Vmin，具体数值根据不同车型不同超级电容组进行设定，根据超级电容组存储能量公式0.5C(V_max ²-V_min ²)(式中C表示超级电容组容量，单位法拉)，通过本系统大大增加了超级电容工作电压范围，使存储的能量大大提升，对超级电容组进行充分利用，提升车辆启动和能量回收效果的同时还有效降低了成本；而且在整个能量分配控制过程中，充分利用了单向门极可关断晶闸管正向可控制开通关断及反向截止的特性并配合控制方法，实现了能量分配切换的平滑过渡，无冲击电流，系统可靠性高。

本实用新型的保护范围包括但不限于以上实施方式，本实用新型的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种电电混合电动汽车动力电池与超级电容连接系统，其特征在于：包括第一晶闸管（T1）、第二晶闸管（T2）、第三晶闸管（T3）、第一电压检测模块、第二电压检测模块、第三电压检测模块、开关（S1）、电阻（R1）、控制模块、电机、电机控制器、若干动力电池组成的动力电池组和若干超级电容组成的超级电容组，所述控制模块分别连接第一电压检测模块、第二电压检测模块和第三电压检测模块，所述第一电压检测模块连接动力电池组合用于检测动力电池组的电压；所述第二电压检测模块连接超级电容组用于检测超级电容组的电压；所述第三电压检测模块连接与电机连接的电机控制器用于检测母线的电压；所述控制模块还分别连接到第一晶闸管（T1）的门极、第二晶闸管（T2）的门极和第三晶闸管（T3）的门极；所述第一晶闸管（T1）的阳极连接到动力电池组的正极，所述第一晶闸管（T1）的阴极连接到开关（S1）的一端，所述开关（S1）的一端还连接到第二晶闸管（T2）的阳极，所述第二晶闸管（T2）的阳极还连接到第三晶闸管（T3）的阴极，所述第三晶闸管（T3）的阴极还连接到电机控制器，所述开关（S1）的另一端连接到电阻（R1）的一端，所述电阻（R1）的另一端连接到第二晶闸管（T2）的阴极，所述第三晶闸管（T3）的阳极也连接到第二晶闸管（T2）的阴极，所述第二晶闸管（T2）的阴极连接到超级电容组的一端，所述动力电池组的负极还连接到超级电容组的另一端，所述超级电容组的另一端还连接到电机控制器。

2.根据权利要求1所述的一种动力电池与超级电容连接系统，其特征在于：所述电阻（R1）为预充电阻。

3.根据权利要求1所述的一种动力电池与超级电容连接系统，其特征在于：所述第一晶闸管（T1）、第二晶闸管（T2）和第三晶闸管（T3）都为单向门极可关断晶闸管。

4.根据权利要求1所述的一种动力电池与超级电容连接系统，其特征在于：所述控制模块还通过CAN/LIN总线或信号线获取整车的信息状态。