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CN201914107U - 一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统 - Google Patents

一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统 Download PDF

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曹秉刚
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Abstract

本实用新型公开了一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统，包括超级电容、动力蓄电池、电机，还包括和电机连接的电机驱动控制装置，通过 CAN 总线连接电机驱动控制装置的车载测量单元，以及连接在超级电容和电机驱动控制装置之间的第一双向 DC/DC 变换器，连接在动力蓄电池和电机驱动控制装置之间的第二双向 DC/DC 变换器。本实用新型让超级电容在电动车启动、加速和爬坡时快速地提供大功率电流，增强整车的动力性能；在刹车时快速储存发电机产生的瞬间大电流，吸收制动回馈能量，节约能源，延长蓄电池的循环使用寿命。本实用新型提高了电动车辆的动力性、经济性，并对蓄电池起保护作用，增强了系统的稳定性。

Description

一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统
技术领域
本实用新型涉及电动车辆的动力装置领域，涉及一种电动汽车由超级电容和蓄电池组成的混合动力系统，尤其涉及基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统。
背景技术
近年来，随着能源危机和环境问题的日益严重，传统内燃机汽车的燃料不可持续性、高污染等问题越来越受到人们的关注。电动汽车由于其节能、环保、能量转换效率高等优点，得到了产业界的高度重视和政府部门的大力扶持。目前，制约电动车快速发展的一个重要原因是续驶历程短，软肋在于动力系统。如何提高动力系统放电能量效率和储能利用率，延长动力系统的使用寿命具有重大的意义。
目前电动汽车所使用的蓄电池寿命时间短，充电时间长，尤其较难实现频繁地大电流充放电。在城市工况下，电动汽车频繁加速、加速、爬坡时，瞬间峰值电流很大，频繁大电流放电，降低了电池组的能量效率和使用寿命，从而整车的动力性能受到了制约；同时在城市工况下，电动汽车频繁刹车、下坡，电机的再生制动时瞬间充电电流很大，会对电池寿命产生伤害，此部分回收的能量不能充分存储，造成了巨大的浪费。
超级电容是一种新型电容，电量远大于普通电容，和电池相比，具有较大的功率密度，污染少、寿命长、充电速度快等优点，非常适合应用于城市工况下瞬间功率大、频繁充放电的场合。但由于和蓄电池相比，超级电容比能量密度较小，无法大量的存储能量，以及存在发热和单体均衡，单独使用受到一定限制。
将超级电容作为辅助电源与动力电池组成联合体共同工作，组成一个混合动力系统，可以将蓄电池的高比能量和超级电容的高比功率的优点结合到一起，对提高电动汽车续驶历程，改善加速性能，提高动力系统性能具有重要意义。
在现有的理论和技术方面，发明专利申请号为200810057390.0的“一种电动汽车用的动力电池-超级电容混合动力系统”给出了一种具有动力电池-超级电容混合动力系统，该系统采用动力蓄电池串联升压DC/DC变换器后与超级电容并联为电机提供动力，同时增加了双向DC/DC变换器与24V蓄电池。这种方法能够实现提高放电效率，吸收一定制动回馈能量，但由于增加了24V蓄电池，增加了成本，而且电容直接与电机驱动控制装置相连，无双向DC/DC变换器，电容端电流、电压变化很快，设计没有对超级电容端充放电电流进行控制。
专利申请号为201010164977.9的发明“基于DSP的电动汽车电机和超级电容控制系统”，该设计中将超级电容与DC/DC变换器相串联，然后与大功率电池相并联，共同为电机驱动控制装置提供动力电源。这种系统中，电池直接与电机驱动控制装置相连，电池与电机驱动控制装置中间无切换装置，无法对电池端电压和充放电电流进行控制。
另一个专利号为200810018098.8的“一种电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统”也是将超级电容与DC/DC变换器相串联后于电池并联，为电机驱动控制装置提供动力源，在电池与电机驱动控制装置之间增加了一个切换装置。该设计虽然增加了一个切换装置，可以对电池两端的放电电流进行控制，无法对充电电流进行控制，控制精度不高。
此外，由于超级电容和电池电压和温度也对充放电产生影响，上述专利中的控制系统均没有对超级电容和电池电压和温度的采集和控制。
发明内容
本实用新型目的是：为了克服现有技术中的不足，提供一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统，能对电池和超级电容的充放电进行精确的控制，提高了电动车辆的动力性、经济性，延长蓄电池的寿命。
本实用新型的技术方案是：一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统，包括超级电容、动力蓄电池、电机，还包括和电机连接的电机驱动控制装置，通过CAN总线连接电机驱动控制装置的车载测量单元，以及连接在超级电容和电机驱动控制装置之间的第一双向DC/DC变换器，连接在动力蓄电池和电机驱动控制装置之间的第二双向DC/DC变换器，所述电机驱动控制装置控制第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器的工作状态。
进一步的，所述第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器分别包括两个功率开关管和一个电感，电感的一端连接在两个功率开关管的连接点上，所述功率开关管为以下的一种：
功率开关管为MOS管，其栅极加有PWM脉冲控制信号；
功率开关管为功率晶体管，其基极加有PWM脉冲控制信号；
功率开关管为IGBT管，其栅极加有PWM脉冲控制信号；
功率开关管为IPM，其驱动控制输入引脚加有PWM脉冲控制信号；
所述的PWM脉冲控制信号由电机驱动控制装置输出。
进一步的，所述车载测量单元包括分别对电机的转矩、速度、电流信号进行采集的转矩传感器、速度传感器和电流传感器。
进一步的，所述一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统还包括检测超级电容和动力蓄电池的温度、电压、电流信息的电池电容能量管理单元，所述电池电容能量管理单元通过CAN总线连接电机驱动控制装置。
进一步的，所述电池电容能量管理单元包括对蓄电池和超级电容的电压进行采集的电压传感器、对蓄电池和超级电容的充放电电流进行采集额电流传感器和对蓄电池和超级电容的温度进行采集的热敏电阻或温度传感器。
本实用新型的优点是：该基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统将蓄电池的高比能量和超级电容的高比功率的优点结合到一起，构成一个储能系统，增强了电动车的续驶历程，让超级电容在电动车启动、加速和爬坡时快速地提供大功率电流，增强整车的动力性能；在刹车时快速储存发电机产生的瞬间大电流，吸收制动回馈能量，节约能源。同时降低电动车辆对蓄电池大功率放电的限制要求，减小放电时蓄电池的峰值电流，延长了蓄电池的循环使用寿命。系统同时对电池和超级电容的温度和电压信息进行采集和处理，使控制系统控制更加精确，系统更安全。本设计提高了电动车辆的动力性、经济性，并对蓄电池起保护作用，增强了系统的稳定性。
附图说明
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：
图1为本实用新型的实施例的系统结构示意图；
图2为本实用新型的实施例的状态1的示意图；
图3为本实用新型的实施例的状态2的示意图；
图4为本实用新型的实施例的状态3的示意图；
图5为本实用新型的实施例的状态4的示意图；
图6为本实用新型的实施例的状态5的示意图。
其中：1 超级电容；2 动力蓄电池；3 第一双向DC/DC变换器；4第二双向DC/DC变换器；5 电机驱动控制装置；6 车载测量单元；7 电机；8 电池电容能量管理单元。
具体实施方式
实施例：如图1所示的基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统，采用双DC/DC变换器结构将蓄电池和超级电容结合到一起，主要包括：超级电容1、动力蓄电池2、电机驱动控制装置5、电机7、第一双向DC/DC变换器3、第二双向DC/DC变换器4、车载测量单元6和电池电容能量管理单元8。其连接关系为：超级电容1经第一双向DC/DC变换器3与电机驱动控制装置5相连，动力蓄电池2经第二双向DC/DC变换器4与电机驱动控制装置5相连，电机驱动控制装置5的输出端与电机7相连。车载测量单元6与电机7相连，采集电机的转矩、速度、电流信号；电池电容能量管理单元8分别于蓄电池和超级电容相连；电池电容能量管理单元8和电机测量单元6分别通过CAN总线和电机驱动控制装置5相连。
车载测量单元6包括转矩传感器、速度传感器和电流传感器，对采集电机7的转矩、速度、电流信号进行采集，并通过CAN总线将数据发送给电机驱动控制装置5。电机驱动控制装置5，根据接收到的电机的转矩、速度、电流信号，经过算法计算得到控制信号的信息，例如相应的PWM的占空比，对两个双向DC/DC变换器和电机进行闭环控制。
电池电容能量管理单元8对蓄电池和超级电容的电压进行采集，通过电流传感器对充放电电流进行采集，采用热敏电阻、温度传感器等对温度进行采集；采集到的电压、电流和温度信息进一步通过CAN总线发送给电机驱动控制装置5。当温度过高或检测到电压、电流异常时，由电机驱动控制装置5控制终止蓄电池和超级电容的充放电。
第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器的结构相同包括两个功率开关管和一个电感，功率开关管可以为MOS管、功率晶体管、IGBT管或IPM等，若功率开关管为MOS管，其栅极加有PWM脉冲控制信号；若功率开关管T为功率晶体管，其基极加有PWM脉冲控制信号；若功率开关管为IGBT管，其栅极加有PWM脉冲控制信号；若功率开关管为IPM，其驱动控制输入引脚加有PWM脉冲控制信号。PWM脉冲控制信号来自电机驱动控制装置5。
电机驱动控制装置，根据接收到的超级电容和蓄电池的温度、电压、电流信号，以及电机的转矩、速度、电流信号，构成一个闭环，经过算法计算得到相应的PWM占空比，对两个双向DC/DC变换器和电机进行闭环控制。
从功能要求来说，需要实现车辆的驱动与再生制动控制。车辆的驱动分为两种情况：当起动、加速或爬坡时，超级电容能量充足，由超级电容和蓄电池并联工作向电机提供能量；当正常行驶时，则由蓄电池单独向电机提供能量，如果超级电容储能不足，则由蓄电池给其补充部分能量。车辆的再生制动也分为两种情况：控制系统在车辆制动时首先将电机回馈能量向超级电容充电，如果超级电容充满之后，则改由蓄电池储存电机回馈能量。
工作原理：
状态1：如图2所示，在正常行驶时，或在电机驱动电流需求小，或者超级电容储能很少的时候，由蓄电池单独提供电机驱动电流，驱动电机工作。此时第二DC/DC变换器的功率开关管T9导通，其他功率管截止。复合电源系统主回路工作于典型的直流电机降压驱动模式。此时，电机驱动控制装置5根据车载测量单元6所检测的转矩、速度、电流信号反馈，构成转矩、速度、电流闭环，调节电机的转速，实现驱动时电机7的平稳调速。
状态2：如图3所示，在正常行驶时，蓄电池单独驱动电机，但当电机驱动电流需求小且电池电容能量管理单元8检测到超级电容端电压低时，电机转矩较小时，为了使超级电容保持一定的大功率输出能力，以备车辆的加速或爬坡所需，蓄电池向超级电容充一小部分电能。此时功率开关管T8工作于PWM调制状态，功率开关管T9导通，其他功率管处于截止状态，系统主回路对电机进行降压驱动，对超级电容进行升压充电。此时，电机驱动控制装置5根据车载测量单元6所检测的转矩、速度、电流信号反馈，构成转矩、速度、电流闭环，调节电机的转速，实现驱动时电机7的平稳调速。
状态3：如图4所示，在车辆起动、加速、爬坡行驶时，电机驱动电流需求较大，需要更多的驱动力矩，因此由蓄电池和超级电容一起驱动电机。另外，为使再生制动过程中超级电容所回收的能量得到再利用，并降低蓄电池的放电电流需求，在车辆起动、加速、爬坡时由超级电容提供部分电机驱动电流。此时，超级电容以降压电路放电，同时蓄电池也以降压驱动电路放电，实现两种电源的复合工作以驱动电机。由车载测量单元6检测到电机的速度变慢、转矩变小时，电机驱动控制装置5发出PWM控制信号。此时，功率开关管T7工作于PWM调制状态，功率开关管T9导通，其他功率管处于截止状态，超级电容经功率开关管T7和电感L构成的降压电路放电，同时蓄电池经功率开关管T1构成的降压驱动电路放电，实现两种电源的复合工作以驱动电机。
状态4：在再生制动过程中，即电机不需要驱动力，相反，还可以用于发电，优先对超级电容充电，以提高能量回收的效率。当车辆制动或下坡行驶时，电机工作于发电机模式，将再生制动回馈能量通过双向DC/DC变换器储存在超级电容中。此时，功率开关管T8工作于PWM调制状态，其他功率管截止。电机反电动势经功率开关管T8和电感L升压后，经过功率开关管T7的反向二极管，对超级电容充电，系统主回路工作方式类似于Boost升压电路。功率开关管T8的PWM由电机驱动控制装置发出，PWM的占空比根据能量管理单元采集到的超级电容电流、电压、温度构成相应闭环计算得到。
状态5：在再生制动过程中，当超级电容电压升高至额定电压后，即超级电容完全充满后，主回路将切换到对蓄电池充电的再生制动，电机对蓄电池单独充电。再生制动过程中，当超级电容的电压升高，电机驱动控制装置将超级电容回路关断，开始对蓄电池充电的再生制动。当超级电容温度过高时候，应停止对超级电容的充电，开始对蓄电池充电进行再生制动。这种状态时，功率开关管T10工作于PWM调制状态，其他功率管截止。电机反电动势经功率开关管T10和电机自带电感升压后，经过功率开关管T7的反向二极管，对蓄电池充电。功率开关管T10的PWM由电机驱动控制装置发出，PWM占空比根据能量管理单元采集到的蓄电池电流、电压、温度构成相应闭环计算得到。
以上所述，仅为本实用新型的优选实施例，并不能以此限定本实用新型实施的范围，凡依本实用新型权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应仍属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统，包括超级电容（1）、动力蓄电池（2）、电机（7），其特征在于：还包括和电机（7）连接的电机驱动控制装置（5），通过CAN总线连接电机驱动控制装置（5）的车载测量单元（6），以及连接在超级电容（1）和电机驱动控制装置（5）之间的第一双向DC/DC变换器（3），连接在动力蓄电池（2）和电机驱动控制装置（5）之间的第二双向DC/DC变换器（4）；所述电机驱动控制装置（5）控制第一双向DC/DC变换器（3）和第二双向DC/DC变换器（4）的工作状态。
2.根据权利要求1中所述的一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统，其特征在于：所述第一双向DC/DC变换器（3）和第二双向DC/DC变换器（4）分别包括两个功率开关管和一个电感，电感的一端连接在两个功率开关管的连接点上，所述功率开关管为以下的一种：
功率开关管为MOS管，其栅极加有PWM脉冲控制信号；
功率开关管为功率晶体管，其基极加有PWM脉冲控制信号；
功率开关管为IGBT管，其栅极加有PWM脉冲控制信号；
功率开关管为IPM，其驱动控制输入引脚加有PWM脉冲控制信号；
所述的PWM脉冲控制信号由电机驱动控制装置（5）输出。
3.根据权利要求1中所述的一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统，其特征在于：所述车载测量单元（6）包括分别对电机（7）的转矩、速度、电流信号进行采集的转矩传感器、速度传感器和电流传感器。
4.根据权利要求1中所述的一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统，其特征在于：还包括检测超级电容（1）和动力蓄电池（2）的温度、电压、电流信息的电池电容能量管理单元（8），所述电池电容能量管理单元（8）通过CAN总线连接电机驱动控制装置（5）。
5.根据权利要求4中所述的一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统，其特征在于：所述电池电容能量管理单元（8）包括对蓄电池和超级电容的电压进行采集的电压传感器、对蓄电池和超级电容的充放电电流进行采集额电流传感器和对蓄电池和超级电容的温度进行采集的热敏电阻或温度传感器。
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