專利名稱：一種超級電容充放電電流自適應(yīng)控制方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超級電容充放電電流自適應(yīng)控制方法。
背景技術(shù)：
動力電池組在電動汽車等新能源技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，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動力電池組(例如鎳氫電池組、鋰離子電池組等)的循環(huán)使用壽命不盡如人意。隨著動力電池組放電電流的增大，其循環(huán)使用壽命顯著下降。試驗研究結(jié)果表明，某型號IOOAh鋰離子動力電池組在100A恒流放電時的循環(huán)使用壽命是1200次，200A恒流放電時的循環(huán)使用壽命只是600次，而且，隨著電池組的荷電狀態(tài)(SOC)的降低，大電流放電會進一步縮短電池組的使用壽命，從而增加電動汽車的使用成本。動力電池組理想的使用條件應(yīng)該要限制其峰值放電電流，但是，當動力電池組直接驅(qū)動電動汽車時，這種放電條件會影響電動汽車動力性能的發(fā)揮。當采用動力電池組做為電動汽車唯一的能量來源時，由于城市工況下車輛頻繁加速的特點，導(dǎo)致動力電池組頻繁間歇地大電流放電，降低了電池組的使用壽命，從而影響整車的使用壽命。另一方面，電動汽車在城區(qū)運行時，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，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，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)零輸出的時間約是車輛總的運行時間的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。在已有的動力電池、超級電容通過雙向電源變換器連接的結(jié)構(gòu)(例如美國 Argone國家實驗室的研究成果)中，雙向電源變換器對超級電容充放電狀態(tài)和電流大小的控制不是實時的，而是基于對歷史一段時間內(nèi)電源系統(tǒng)總輸出電流的頻域分析，從中分離出高頻的電流分量做為超級電容充放電電流的輸出給定值。其結(jié)果造成超級電容的輸出電流不能很好地滿足當前時刻的系統(tǒng)功率需求，系統(tǒng)功率分配策略實時性差，尤其難以滿足在電動汽車使用條件下的車輛行駛功率急劇變化的要求。電源外特性，描述了電源負載變化時，電源輸出電流和電源端電壓之間的關(guān)系，一般用“電源輸出電流-電源端電壓” 二維曲線來描述。常見的電源外特性曲線有恒壓特性曲線、恒流特性曲線和下降靜態(tài)外特性曲線(以下簡稱外特性曲線)。

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，提出一種超級電容充放電電流自適應(yīng)控制方法及其系統(tǒng)，可自適應(yīng)控制超級電容的充放電狀態(tài)及其電流，限制動力電池組的峰值放電電流，提高電池組的使用壽命。本發(fā)明提出的一種超級電容充放電電流自適應(yīng)控制方法，其特征在于在動力電池輸出外特性Lb的基礎(chǔ)上，設(shè)置閾值電流10，當動力電池輸出電流大于IO時，控制超級電容處于放電狀態(tài)，隨著動力電池輸出電流的增大，超級電容放電電流增大；當動力電池輸出電流小于IO時，控制超級電容處于充電狀態(tài)，隨著動力電池輸出電流的減小，超級電容充電電流增大。本發(fā)明還提出采用如上述方法的超級電容充放電電流自適應(yīng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括動力電池組、超級電容和雙向電源變換器，其特征在于，雙向電源變換器的高壓端連接在動力電池組輸出端，雙向電源變換器低壓端連接在超級電容的輸出端，雙向電源變換器的高壓端與動力電池組輸出端共同連接到負載上，所述雙向電源變換器用于根據(jù)動力電池組的輸出電流，按設(shè)置閾值電流自適應(yīng)控制超級電容的充放電狀態(tài)和充放電電流，抑制動力電池組的放電峰值電流。本發(fā)明的特點及有益效果本發(fā)明為了解決超級電容充放電狀態(tài)切換和充放電電流變化的實時性問題，提出通過在線檢測動力電池的放電電流，控制超級電容的充放電狀態(tài)和充放電電流，使其實時地跟隨動力電池放電電流的變化而變化當動力電池放電電流大于設(shè)定的閾值電流值時， 雙向電源變換器自動切換進入升壓電路工作模式，超級電容處于放電狀態(tài)。在雙向電源變換器升壓電源外特性的作用下，超級電容放電電流隨著動力電池放電電流的增大而增大， 增強了電源系統(tǒng)的功率輸出能力、抑制動力電池放電電流峰值；當動力電池放電電流小于設(shè)定的閾值電流時，雙向電源變換器自動切換進入降壓電路工作模式，超級電容處于充電狀態(tài)。在雙向電源變換器降壓電源外特性的作用下，隨著動力電池輸出電流的減小，超級電容充電電流增大，超級電容的儲存能量得到及時補充，使得在下一次超級電容放電過程仍具有較強的功率輸出能力，同時，抑制了動力電池放電電流的減小，使得動力電池放電電流平緩。與已有技術(shù)相比，在本發(fā)明所提的雙向電源變換器外特性的作用下，提高了超級電容充放電狀態(tài)切換的實時性，超級電容的充放電電流更好地滿足了系統(tǒng)功率需求的要求。本發(fā)明的雙向電源變換器控制超級電容處于充電狀態(tài)，隨著動力電池輸出電流的減小，超級電容充電電流增大。限制了動力電池組峰值放電電流，延長動力電池組的循環(huán)使用壽命。本發(fā)明尤其適用于電動汽車等負載功率需求頻繁、劇烈變化的場合，能夠有效抑制動力電池組的峰值放電電流，延長動力電池組的循環(huán)使用壽命。


圖1是本發(fā)明方法設(shè)置的雙向電源變換器外特性曲線。圖2是采用本發(fā)明方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本發(fā)明系統(tǒng)的電源變換器控制電路圖。圖4是本發(fā)明實施例采用的城市客車行駛功率需求圖。圖5是采用本發(fā)明的動力電池組、超級電容輸出功率圖。
具體實施例方式參照附圖，將進一步敘述本發(fā)明的具體實施方案。本發(fā)明提出的一種超級電容充放電電流自適應(yīng)控制方法，在動力電池組輸出斜率為1Λ的外特性曲線Lb的基礎(chǔ)上，設(shè)置了控制超級電容放電過程的電源變換器升壓外特性曲線Ld，斜率為kd。外特性曲線Lb的開路電壓為肪，外特性曲線Ld的開路電壓為Ed。在外特性曲線Lb上，電壓Ed對應(yīng)的閾值電流為IO (取值范圍一般小于對應(yīng)動力電池組IC放電倍率的電流值，例如取對應(yīng)動力電池組0.8C放電倍率的電流值)；如圖1所示。圖1(a) 為雙向電源變換器的升壓外特性(超級電容放電)；圖1(b)為雙向電源變換器的降壓外特性(超級電容充電)。當雙向電源變換器處于降壓工作模式時，Ichar是雙向電源變換器降壓電路的輸出電流、即超級電容的充電電流，從以下分析將表明，Ichar將隨著動力電池放電電流的減小而增大。當動力電池組放電電流大于IO時，動力電池組端電壓低于雙向電源變換器升壓電路的開路電壓Ed，雙向電源變換器升壓電路處于工作狀態(tài)。對于給定的動力電池組端電壓U，動力電池組放電電流lb、雙向電源變換器升壓電路輸出電流Idd分別滿足
權(quán)利要求
1.一種超級電容充放電電流自適應(yīng)控制方法，其特征在于，該方法包括在動力電池輸出外特性(Lb)的基礎(chǔ)上，設(shè)置閾值電流(10)，當動力電池輸出電流大于(IO)時，控制超級電容處于放電狀態(tài)，隨著動力電池輸出電流的增大，超級電容放電電流增大；當動力電池輸出電流小于(IO)時，控制超級電容處于充電狀態(tài)，隨著動力電池輸出電流的減小，超級電容充電電流增大。
2.采用如權(quán)利要求1所述方法的超級電容充放電電流自適應(yīng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括動力電池組、超級電容和雙向電源變換器，其特征在于，雙向電源變換器的高壓端連接在動力電池組輸出端，雙向電源變換器低壓端連接在超級電容的輸出端，雙向電源變換器的高壓端與動力電池組輸出端共同連接到負載上，所述雙向電源變換器用于根據(jù)動力電池組的輸出電流，按設(shè)置閾值電流自適應(yīng)控制超級電容的充放電狀態(tài)和充放電電流，抑制動力電池組的放電峰值電流。
3.如權(quán)利要求2所述系統(tǒng)，其特征在于，雙向電源變換器主要由電路連接的電源變換器主電路、電源變換器驅(qū)動電路和控制電路所組成；所述控制電路包括由第一運算放大器(UlC)、第一至第四電阻(R11-R14)及第一個二極管(Dl)組成超級電容充電過程的電源變換器降壓工作的給定輸出電流電路；由第二運算放大器(U1B)、第一電容(C21)、第五至第九電阻(R21-R25)組成超級電容充電過程的電源變換器降壓工作的輸出電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路；由第三運算放大器(UlA)、第十至第十二電阻(R15-17)及第二個二極管(擬)組成超級電容放電過程的電源變換器升壓工作的給定輸出電流電路；由第四運算放大器(UlD)、第十三至第十七電阻￠31-3 、第二電容(C31)組成超級電容放電過程的電源變換器升壓工作的輸出電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路；其中第一運算放大器(UlC)的正輸入端通過第一電阻(Rll)接對應(yīng)閾值電流(IO)的給定電壓(GIO)，同時，通過第二電阻(R12)接地；第一運算放大器(UlC)的負輸入端通過第三電阻(R13)接對應(yīng)動力電池輸出電流(Ib)的電壓信號(Urt)；在該第一運算放大器負輸入端和輸出端之間接第四電阻(R14)；該運算放大器輸出端通過第一個二極管(Dl)輸出超級電容充電過程的電源變換器輸出電流給定值Gchar，第一個二極管(Dl)輸出端通過第五電阻(R21)接地；第二運算放大器(UlB)的負輸入端通過第六電阻￠2 接地；在第二運算放大器 (UlB)的正輸入端分別接入兩路信號第一個二極管(Dl)輸出超級電容充電過程的電源變換器降壓電路輸出電流給定值(Gchar)通過第七電阻(R2!3)接入、電源變換器降壓電路輸出電流反饋信號(-UIdc)通過第八電阻(R24)接入；在該第二運算放大器負輸入端和輸出端之間接第九PI調(diào)節(jié)電阻(R20和第一電容(C21)；該第二運算放大器輸出端輸出控制電壓(Udril)，連接到主電路開關(guān)管(Tl)的驅(qū)動電路1 ；第三運算放大器(UlA)的正輸入端通過第十電阻(R15)接地；該第三運算放大器 (UlA)的負輸入端通過第十一電阻(R16)接第一運算放大器(UlC)的輸出端；在該第三運算放大器負輸入端和輸出端之間接第十二電阻(R17)；該第三運算放大器輸出端通過第二個二極管(擬)輸出超級電容放電過程的電源變換器升壓電路的輸出電流給定值 (Gdisch)，第二個二極管(D2)輸出端通過第十三電阻(R31)接地；第四運算放大器(UlD)的負輸入端通過第十四電阻￠3 接地；在第四運算放大器 (UlD)的正輸入端分別接入兩路信號第二個二極管(擬)輸出超級電容放電過程的電源變換器升壓電路的輸出電流給定值(Gdisch)通過第十五電阻(R3!3)接入、電源變換器升壓電路輸出電流反饋信號(-UIdd)通過第十六電阻(R34)接入；在該第四運算放大器負輸入端和輸出端之間接第十七PI調(diào)節(jié)電阻(R30和第二電容(C31)；該第二運算放大器輸出端輸出控制電壓(Udri2)，連接到主電路開關(guān)管(T2)的驅(qū)動電路2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超級電容充放電電流自適應(yīng)控制方法及其系統(tǒng)，屬于電源技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括在動力電池輸出外特性Lb的基礎(chǔ)上，設(shè)置閾值電流I0，當動力電池輸出電流大于I0時，雙向電源變換器控制超級電容處于放電狀態(tài)，隨著動力電池輸出電流的增大，超級電容放電電流增大；當動力電池輸出電流小于I0時，雙向電源變換器控制超級電容處于充電狀態(tài)，隨著動力電池輸出電流的減小，超級電容充電電流增大。該系統(tǒng)包括動力電池組、超級電容，連接在動力電池輸出端和超級電容輸出端之間的雙向電源變換器。本發(fā)明自適應(yīng)控制了超級電容的充放電狀態(tài)和電流，限制了動力電池的放電電流、提高了其使用壽命。
文檔編號H02J7/00GK102185355SQ20111012291
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者吳錦俊, 柯軼煒, 王璘, 黃勇 申請人:揚州飛馳動力科技有限公司, 清華大學(xué)