專利名稱：一種電動汽車用的動力電池-超級電容混合動力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電動汽車技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電動汽車用的動力電池-超級電容混合動 力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電動汽車具有環(huán)保、節(jié)能和能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，受到日益廣泛的重視。動力電池 組是電動汽車的核心部分，提高動力電池組放電過程的能量^[率和電池組儲能的利用率、 延長動力電池組的使用壽命是開發(fā)電動汽車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。受到動力電池工作原理和制造水平的限制，目前電動汽車用的先進(jìn)動力電池組(例如 鎳氫電池組、鋰離子電池組等)的放電效率不盡如人意。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，某型號100Ah鋰離子動力電池組在100A恒流放電時(shí)的能量效率是86%， 200A恒流放電時(shí)的能量效率只 有69%,即動力電池組的放電效率隨著放電電流的增大而減小；同時(shí)，研究結(jié)果還表明， 電池組的荷電狀態(tài)(SOC)對放電效率也具有顯著的影響，隨著電池組S0C水平的降低，電 池組放電效率顯著下降；此外，大電流放電會縮短電池組的使用壽命，從而增加電動汽車 的使用成本，在較低的電池組SOC水平下，這種效應(yīng)更為明顯。因此，動力電池組理想的 使用條件應(yīng)該是持續(xù)地小電流放電，但是，當(dāng)動力電池組直接驅(qū)動電動汽車時(shí)，這種放電 條件會影響電動汽車動力性能的發(fā)揮。目前常用的純電動汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示， 主要由動力電池組、降壓DC/DC變換器、、電機(jī)控制器和24V蓄電池組成，其連接關(guān)系為 動力電池組的輸出端同時(shí)與降壓DC/DC變換器的高壓端及電機(jī)控制器相連，降壓DC/DC 變換器的低壓端與24V蓄電池相連。這種動力系統(tǒng)采用動力電池組做為唯一的能量來源。 由于在城市工況下車輛頻繁加速的特點(diǎn)，導(dǎo)致動力電池組頻繁大電流放電，降低了電池組 的能量效率和使用壽命，從而影響整車的能量效率和使用壽命。另一方面，電動汽車在城區(qū)運(yùn)行時(shí)，由于城市工況的特點(diǎn)，車輛頻繁處于加速、減速 和怠速的運(yùn)行過程中，雖然在車輛加速過程中，要求動力系統(tǒng)提供較大功率，動力電池組 處于大電流放電狀態(tài)，但是，而在車輛減速、滑行過程中，動力系統(tǒng)的輸出功率很小、甚 至為零，這時(shí)，動力電池組放電電流小、或者不放電。車輛的城市工況統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，車 輛滑行、減速和怠速導(dǎo)致動力系統(tǒng)零輸出的時(shí)間約是車輛總的運(yùn)行時(shí)間的30%左右，車用 動力電池組的放電特性表現(xiàn)為峰值電流大、平均電流小。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種電動汽車用的動力電池-超級電 容混合動力系統(tǒng)，在這種動力系統(tǒng)中，電池組放電電流基本穩(wěn)定在電流平均值附近，放電 電流小且變化平緩，提高了電池組的放電效率和使用壽命。同時(shí)，通過升壓DC/DC變換 器的輸出U-I特性對超級電容的充放電過程進(jìn)行自適應(yīng)控制。本發(fā)明提出的一種電動汽車用的動力電池-超級電容混合動力系統(tǒng)，其特征在于，該系 統(tǒng)包括動力電池組、升壓DC/DC變換器、電機(jī)控制器、雙向DC/DC變換器、超級電容 組及24V蓄電池；其連接關(guān)系為升壓DC/DC變換器的低壓端與動力電池組的輸出端相 連，升壓DC/DC變換器的高壓端與電機(jī)控制器相連；同時(shí)在升壓DC/DC變換器的高壓端 上直接掛接超級電容組和雙向DC/DC變換器的高壓端，雙向DC/DC變換器的低壓端接24V 蓄電池。本發(fā)明的工作原理在動力系統(tǒng)啟動之前，由于自放電特性，超級電容的端電壓可能較低，當(dāng)該電壓顯著低于電池組的空載電壓時(shí)，不能直接啟動升壓DC/DC變換f為超級電 容充電，否則，會造成較大的充電電流沖擊、損壞升壓變換器、動力電池和超級電容。這 時(shí)，需要24V蓄電池通過雙向DC/DC變換器為超級電容進(jìn)行預(yù)充電，直到超級電容的端電 壓等于或接近動力電池組的空載電壓為止。然后，升壓DC/DC變換器才進(jìn)入工作狀態(tài)，動' 力電池組通過升壓DC/DC變換器繼續(xù)對超級電容組進(jìn)行充電，直到超級電容組的端電壓達(dá) 到升壓DC/DC變換器的空載輸出電壓為止。動力系統(tǒng)啟動后，動力電池組通過升壓DC/DC變換器為電機(jī)控制器提供電能。由于升 壓變換器設(shè)計(jì)成下降的U-I輸出特性，當(dāng)車輛需求功率增大時(shí)，隨著動力電池組放電電流 的增大，升壓變換器的輸出電壓降低、導(dǎo)致超級電容組放電。超級電容組和動力電池組一 起為電機(jī)控制器提供電能。而且，超級電容組的放電電流與動力電池組放電電流的變化率 成正比，這種現(xiàn)象抑制了動力電池組的放電電流的進(jìn)一步增大；當(dāng)車輛需求功率減小時(shí)， 動力電池組的放電電流減小，升壓變換器的輸出電壓升高、超級電容處于充電狀態(tài)，為下 一次車輛加速過程儲存能量。因此，在升壓DC/DC變換器U-I輸出特性的作用下，動力電池組的放電過程和超級電容組的充放電過程得到了自適應(yīng)控制，使動力電池組放電電流穩(wěn) 定在平均電流附近。本發(fā)明的特點(diǎn)及效果本發(fā)明適應(yīng)電動汽車行駛功率大幅波動的要求，由于超級電容組的自適應(yīng)充放電過 程，降低了動力電池組的峰值放電電流，使動力電池組的放電電流平緩變化，基本處于平 均電流附近。提高了電池組的能量效率和使用壽命。由于超級電容組的充放電效率高(百 分之九十九左右)、使用壽命長(循環(huán)次數(shù)可達(dá)幾十萬次)，從而提高了整個(gè)動力系統(tǒng)的能 量效率和使用壽命。在城市工況下，本發(fā)明的動力電池組基本處于較低放電電流的工作狀態(tài)，因此，能夠?qū)恿﹄姵亟M放電到較低的soc水平，從而使得動力電池組的儲能得到更有效的利用。本發(fā)明的超級電容組直接掛接在直流母線上，能夠直接吸收驅(qū)動電機(jī)在制動過程回饋 的電能，能量轉(zhuǎn)換效率高。


圖1是現(xiàn)有的電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本發(fā)明的升壓DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明的升壓DC/DC變換器控制電路框圖。圖5混合動力系統(tǒng)啟動前由24V蓄電池為超級電容組預(yù)充電時(shí)的動力系統(tǒng)能量流向圖。圖6混合動力系統(tǒng)啟動時(shí)，動力電池組通過升壓DC/DC變換器為超級電容組充電時(shí)的 動力系統(tǒng)能量流向圖。 ，圖7是本發(fā)明的混合動力系統(tǒng)在車輛加速過程中，超級電容組處于放電狀態(tài)時(shí)的動力 系統(tǒng)能量流向圖。圖8是本發(fā)明的混合動力系統(tǒng)在車輛加速過程中，升壓DC/DC變換器輸出電流、電壓 工作點(diǎn)的變化9是本發(fā)明的混合動力系統(tǒng)在車輛減速或動力系統(tǒng)怠速過程中，超級電容組處于充 電狀態(tài)時(shí)的動力系統(tǒng)能量流向圖。圖IO是本發(fā)明的混合動力系統(tǒng)在車輛減速或動力系統(tǒng)怠速過程中，升壓DC/DC變換 器輸出電流、電壓工作點(diǎn)的變化圖。圖11是本發(fā)明的混合動力系統(tǒng)處于制動能量回饋狀態(tài)時(shí)的動力系統(tǒng)能量流向圖。
具體實(shí)施方式
參照附圖，將進(jìn)一步敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方案。本發(fā)明提出的動力電池-超級電容混合動力系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)包括動 力電池組、升壓DC/DC變換器、電機(jī)控制器、雙向DC/DC變換器、超級電容組及24V蓄 電池；其連接關(guān)系為升壓DC/DC變換器的低壓端與動力電池組的輸出端相連，升壓 DC/DC變換器的高壓端與電機(jī)控制器相連；同時(shí)在升壓DC/DC變換器的高壓端上直接掛 接超級電容組和雙向DC/DC變換器的高壓端，雙向DC/DC變換器的低壓端接24V蓄電池。該系統(tǒng)各組成部分的實(shí)施例分別說明如下動力電池組采用100Ah的錳酸鋰動力電池，電池單體的標(biāo)稱電壓為3.6V， 一共50節(jié) 單體串聯(lián)使用，電池組工作電壓范圍為150""210V。1、升壓DC/DC變換器由主電路和驅(qū)動該主電路工作的控制電路組成，主電路采用 BOOST主電路結(jié)構(gòu)，能量變換效率高。控制電路采用電壓負(fù)反饋控制策略的同時(shí)，增加 了電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使升壓DC/DC變換器具有下降的U-I輸出特性。各電路的實(shí)施例具體 組成結(jié)構(gòu)分別說明如下主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，由開關(guān)管T及與其相連的升壓電感L和功率二極管D構(gòu)成。 開關(guān)管T采用300A/600V的IGBT功率模塊，升壓電感L采用微晶磁芯、設(shè)計(jì)電感量為 60uH，功率二極管D采用快恢復(fù)二極管、額定工作指標(biāo)為300A/600V。其工作過程為在 開關(guān)管T導(dǎo)通期間，輸入電壓U,通過丄和T形成電流回路，電能存儲在電感L中；在開 關(guān)管T截止期間，輸入電壓U,通過L和D輸出電壓U2，由于電感L的儲能作用，輸出電 壓U2大于輸入電壓Ui。因此，通過開關(guān)管的交替導(dǎo)通和關(guān)斷，能夠?qū)⑤^低的輸入電壓U！ 變換為較高的輸出電壓U2。輸出電壓U2的值決定于開關(guān)管T的G、 S兩端的驅(qū)動電壓Udri 的工作占空比。驅(qū)動電壓Udri由升壓DC/DC變換器的控制電路輸出。升壓DC/DC變換器的控制電路如圖4所示，由電壓外環(huán)電路和電流內(nèi)環(huán)電路組成。 該電壓外環(huán)電路主要由運(yùn)算放大器N2C、霍爾電流傳感器N1和跟隨器N2B組咸；電流內(nèi) 環(huán)電路主要由運(yùn)算放大器N2C、 PWM調(diào)節(jié)器N3和驅(qū)動芯片N4組成。主電路采用電壓外 環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，可使升壓DC/DC變換器具有恒流的最大電流保護(hù)特性， 工作安全性高。控制電路的各部件的連接關(guān)系及工作過程為在電壓外環(huán)中，電壓給定信號Ug接在 運(yùn)算放大器N2C (采用LM324)的正輸入端，電壓反饋信號Uf接在運(yùn)算放大器N2C的負(fù) 輸入端，同時(shí)，由霍爾電流傳感器N1 (采用KH-300A)輸出的電流反饋信號經(jīng)過跟隨器 N2B (采用LM324)后得到Ui也接在運(yùn)算放大器N2C的負(fù)輸入端，Ug、 Uf和Ui之間滿 足 在控制電路中，Ug是常量，隨著輸出電流的增大，Ui增加、導(dǎo)致輸出電壓和Uf減小， 從而得到下降的變換器U-I輸出特性。在電流內(nèi)環(huán)中，運(yùn)算放大器N2C輸出的電壓調(diào)節(jié)信 號接在運(yùn)算放大器N2D (采用LM324)的正輸入端，電流反饋信號接在運(yùn)算放大器N2D 的負(fù)輸入端，運(yùn)算放大器N2D的輸出接在？WM調(diào)節(jié)器N3的2端，在本發(fā)明中，PWM 調(diào)節(jié)器N3采用SG3524，根據(jù)2端的電壓值，N3在11和14端輸出具有一定占空比的脈 沖信號，該信號接在驅(qū)動芯片N4的2、 4端之間，驅(qū)動芯片N4采用UCC27321,驅(qū)動芯 片N4從6、 7和5端輸出驅(qū)動脈沖電壓信號Udri，經(jīng)過電阻R12后直接加在圖3中開關(guān)管 T的G和S端之間，使開關(guān)管產(chǎn)生交替導(dǎo)通和關(guān)斷的工作過程。本發(fā)明的試驗(yàn)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)升壓DC/DC變換器的空載輸出電壓為360V， U-I輸出特 性的下降斜率為1.5V/A，最大輸出電流為100A。超級電容組采用美國Maxwell公司提供的產(chǎn)品，超級電容單體標(biāo)稱容量為2600F， 一共144節(jié)單體串聯(lián)使用，實(shí)際工作電壓范圍為200—360V，最大充電電流為400A、最大放 電電流為600A。本發(fā)明的超級電容組直接掛接在升壓DC/DC變換器的輸出端，隨著升壓DC/DC變換 器輸出電壓的上升或下降，自動調(diào)節(jié)充電電流或放電電流。同時(shí)超級電容組直接掛接在直 流母線上，能夠直接吸收驅(qū)動電機(jī)在制動過程回饋的電能，能量轉(zhuǎn)換效率高。本發(fā)明的24V蓄電池通過雙向DC/DC變換器對超級電容組進(jìn)行預(yù)充電，直到超級電 容的端電壓達(dá)到動力電池組的空載端電壓為止。蓄電池采用車用190Ah/24V鉛酸電池；雙向DC/DC變換器的低壓端設(shè)計(jì)為恒壓28V輸出，最大輸出電流為200A;高壓端設(shè) 計(jì)為30A的恒流輸出，最高輸出電壓為200V。本發(fā)明的工作原理詳細(xì)說明如下本發(fā)明系統(tǒng)根據(jù)升壓DC/DC變換器的輸出U-I特性對動力電池組的放電過程和超級電 容組的充放電過程進(jìn)行自適應(yīng)控制。以下，將分別參照圖5至圖11對該系統(tǒng)的運(yùn)行原理進(jìn) 行解釋。 .如圖5所示，當(dāng)電動汽車長時(shí)間放置時(shí)，由于超級電容自放電效應(yīng)以及電容單體平衡 電路的作用，電容兩端電壓會逐漸下降到零左右，這時(shí)，如果直接啟動升壓DC/DC變換 器，動力電池組通過升壓變換器對超級電容組充電，會產(chǎn)生過大的充電電流，造成動力電 池、升壓變換器和超級電容的損壞。在本發(fā)明中，首先采用24V蓄電池通過雙向DC/DC 以恒定的30A電流對超級電容進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)超級電容組的端電壓達(dá)到200V、接近動力 電池組的空載端電壓時(shí)，雙向DC/DC變換器停止工作。圖5給出了24V蓄電池為超級電 容組預(yù)充電時(shí)的動力系統(tǒng)能量流向圖。這時(shí)，雙向DC/DC變換器工作在升壓狀態(tài)。如圖6所示，給出了 "動力電池-超級電容"混合動力系統(tǒng)啟動時(shí)的能量流向圖，動力 電池組的端電壓經(jīng)過升壓DC/DC變換器后輸出更高的電壓，繼續(xù)對超級電容組進(jìn)行充電。 在升壓DC/DC變換器輸出外特性的作用下，隨著超級電容組的端電壓逐漸增大，充電電 流逐漸減小，直到達(dá)到升壓DC/DC變換器的空載電壓360V。這時(shí)的工作點(diǎn)如圖8中的A點(diǎn)所示。如圖7所示，給出了 "動力電池-超級電容"混合動力系統(tǒng)在車輛起步或加速過程中， 超級電容組處于放電狀態(tài)時(shí)的動力系統(tǒng)能量流向圖。在車輛起步或加速過程中，電機(jī)的需 求功率增大，要求直流母線提供較大的電流，在升壓DC/DC變換器輸出U-I特性(如圖8 所示)的作用下，升壓變換器輸出電流增大，電壓下降，同時(shí)，超級電容組放電；升壓變 換器輸出電壓下降越快，超級電容組的放電電流越大，從而抑制了動力電池放電電流的進(jìn) 一步增大。如圖8所示，給出了 "動力電池-超級電容"混合動力系統(tǒng)在車輛起步或加速過程中， 升壓DC/DC變換器輸出電流、電壓工作點(diǎn)的變化圖。工作點(diǎn)從A點(diǎn)沿著外特性曲線移動 到B點(diǎn)，電流增大、電壓下降，在這個(gè)過程中，超級電容放電。如圖9所示，給出了 "動力電池-超級電容"混合動力系統(tǒng)在車輛減速或動力系統(tǒng)怠速 過程中，超級電容組處于充電狀態(tài)時(shí)的動力系統(tǒng)能量流向圖。在車輛減速過程中，電機(jī)的 需求功率減小，升壓DC/DC變換器輸出電流減小，電壓上升，與此同時(shí)，超級電容組被 充電；升壓變換器輸出電壓上升越快，超級電容組的充電電流越大，從而維持了動力電池 較小的輸出電流，保證了動力電池組放電電流的平緩。如圖10所示，給出了 "動力電池-超級電容"混合動力系統(tǒng)在車輛減速或動力系統(tǒng)怠 速過程中，升壓DC/DC變換器輸出電流、電壓工作點(diǎn)的變化圖。工作點(diǎn)從B點(diǎn)沿著外特 性曲線移動到C點(diǎn)，電流減小、電壓上升，在這個(gè)過程中，超級電容被充電。如圖11所示，給出了 "動力電池-超級電容"混合動力系統(tǒng)處于制動能量回饋狀態(tài)時(shí) 的動力系統(tǒng)能量流向圖。當(dāng)車輛在制動過程中實(shí)現(xiàn)制動能量回饋時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)， 電機(jī)發(fā)電電流經(jīng)過電機(jī)控制器輸入端直接對超級電容組進(jìn)行充電。在這一過程中，超級電 容組端電壓上升，當(dāng)超級電容組端電壓低于升壓DC/DC變換器的空載電壓時(shí)，動力電池 仍然可以輸出較小的電流，保證了動力電池組放電電流的平緩。在本發(fā)明的混合動力系統(tǒng) 中，制動能量回饋控制簡單、能量利用率高。
權(quán)利要求
1、一種電動汽車用的動力電池-超級電容混合動力系統(tǒng)，包括動力電池組、電機(jī)控制器及24V蓄電池；其特征在于，該系統(tǒng)還包括升壓DC/DC變換器、雙向DC/DC變換器及超級電容組；其連接關(guān)系為升壓DC/DC變換器的低壓端與動力電池組的輸出端相連，升壓DC/DC變換器的高壓端與電機(jī)控制器相連；同時(shí)在升壓DC/DC變換器的高壓端上直接掛接超級電容組和雙向DC/DC變換器的高壓端，雙向DC/DC變換器的低壓端接24V蓄電池。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力系統(tǒng)，其特征在于，所述升壓DC/DC變換器由主 電路和驅(qū)動該主電路工作的控制電路所組成，由開關(guān)管T及與其相連的升壓電感L和功率 二極管D構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的混合動力系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路采用電壓外環(huán) 和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，該電壓外環(huán)電路主要由運(yùn)算放大器N2C、霍爾電流傳感器 Nl和跟隨器N2B組成；電流內(nèi)環(huán)電路主要由運(yùn)算放大器N2C、 PWM調(diào)節(jié)器N3和驅(qū)動芯 片N4組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電動汽車用的動力電池-超級電容混合動力系統(tǒng)，屬于電動汽車技術(shù)領(lǐng)域。包括動力電池組、電機(jī)控制器及24V蓄電池；升壓DC/DC變換器、雙向DC/DC變換器及超級電容組；其中，升壓DC/DC變換器的低壓端與動力電池組的輸出端相連，升壓DC/DC變換器的高壓端與電機(jī)控制器相連；同時(shí)在升壓DC/DC變換器的高壓端上直接掛接超級電容組和雙向DC/DC變換器的高壓端，雙向DC/DC變換器的低壓端接24V蓄電池。本發(fā)明的動力電池輸出電流平緩、峰值電流小，放電效率高、使用壽命長；在電池組SOC較低時(shí)，混合系統(tǒng)仍能保證正常的功率輸出能力；超級電容直接吸收制動回饋能量，能量轉(zhuǎn)換效率高。
文檔編號H02J7/34GK101237154SQ200810057390
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者斌 仇, 陳伏虎, 陳全世, 勇 黃 申請人:清華大學(xué)