专利名称：一种电动汽车用的动力电池-超级电容混合动力系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电动汽车技术领域，特别涉及一种电动汽车用的动力电池-超级电容混合动 力系统。
背景技术：
电动汽车具有环保、节能和能量转换效率高的特点，受到日益广泛的重视。动力电池 组是电动汽车的核心部分，提高动力电池组放电过程的能量^[率和电池组储能的利用率、 延长动力电池组的使用寿命是开发电动汽车动力系统的关键技术之一。受到动力电池工作原理和制造水平的限制，目前电动汽车用的先进动力电池组(例如 镍氢电池组、锂离子电池组等)的放电效率不尽如人意。试验研究结果表明，某型号100Ah锂离子动力电池组在100A恒流放电时的能量效率是86%， 200A恒流放电时的能量效率只 有69%,即动力电池组的放电效率随着放电电流的增大而减小；同时，研究结果还表明， 电池组的荷电状态(SOC)对放电效率也具有显著的影响，随着电池组S0C水平的降低，电 池组放电效率显著下降；此外，大电流放电会縮短电池组的使用寿命，从而增加电动汽车 的使用成本，在较低的电池组SOC水平下，这种效应更为明显。因此，动力电池组理想的 使用条件应该是持续地小电流放电，但是，当动力电池组直接驱动电动汽车时，这种放电 条件会影响电动汽车动力性能的发挥。目前常用的纯电动汽车的动力系统结构如图l所示， 主要由动力电池组、降压DC/DC变换器、、电机控制器和24V蓄电池组成，其连接关系为 动力电池组的输出端同时与降压DC/DC变换器的高压端及电机控制器相连，降压DC/DC 变换器的低压端与24V蓄电池相连。这种动力系统采用动力电池组做为唯一的能量来源。 由于在城市工况下车辆频繁加速的特点，导致动力电池组频繁大电流放电，降低了电池组 的能量效率和使用寿命，从而影响整车的能量效率和使用寿命。另一方面，电动汽车在城区运行时，由于城市工况的特点，车辆频繁处于加速、减速 和怠速的运行过程中，虽然在车辆加速过程中，要求动力系统提供较大功率，动力电池组 处于大电流放电状态，但是，而在车辆减速、滑行过程中，动力系统的输出功率很小、甚 至为零，这时，动力电池组放电电流小、或者不放电。车辆的城市工况统计结果显示，车 辆滑行、减速和怠速导致动力系统零输出的时间约是车辆总的运行时间的30%左右，车用 动力电池组的放电特性表现为峰值电流大、平均电流小。发明内容本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种电动汽车用的动力电池-超级电 容混合动力系统，在这种动力系统中，电池组放电电流基本稳定在电流平均值附近，放电 电流小且变化平缓，提高了电池组的放电效率和使用寿命。同时，通过升压DC/DC变换 器的输出U-I特性对超级电容的充放电过程进行自适应控制。本发明提出的一种电动汽车用的动力电池-超级电容混合动力系统，其特征在于，该系 统包括动力电池组、升压DC/DC变换器、电机控制器、双向DC/DC变换器、超级电容 组及24V蓄电池；其连接关系为升压DC/DC变换器的低压端与动力电池组的输出端相 连，升压DC/DC变换器的高压端与电机控制器相连；同时在升压DC/DC变换器的高压端 上直接挂接超级电容组和双向DC/DC变换器的高压端，双向DC/DC变换器的低压端接24V 蓄电池。本发明的工作原理在动力系统启动之前，由于自放电特性，超级电容的端电压可能较低，当该电压显著低于电池组的空载电压时，不能直接启动升压DC/DC变换f为超级电 容充电，否则，会造成较大的充电电流冲击、损坏升压变换器、动力电池和超级电容。这 时，需要24V蓄电池通过双向DC/DC变换器为超级电容进行预充电，直到超级电容的端电 压等于或接近动力电池组的空载电压为止。然后，升压DC/DC变换器才进入工作状态，动' 力电池组通过升压DC/DC变换器继续对超级电容组进行充电，直到超级电容组的端电压达 到升压DC/DC变换器的空载输出电压为止。动力系统启动后，动力电池组通过升压DC/DC变换器为电机控制器提供电能。由于升 压变换器设计成下降的U-I输出特性，当车辆需求功率增大时，随着动力电池组放电电流 的增大，升压变换器的输出电压降低、导致超级电容组放电。超级电容组和动力电池组一 起为电机控制器提供电能。而且，超级电容组的放电电流与动力电池组放电电流的变化率 成正比，这种现象抑制了动力电池组的放电电流的进一步增大；当车辆需求功率减小时， 动力电池组的放电电流减小，升压变换器的输出电压升高、超级电容处于充电状态，为下 一次车辆加速过程储存能量。因此，在升压DC/DC变换器U-I输出特性的作用下，动力电池组的放电过程和超级电容组的充放电过程得到了自适应控制，使动力电池组放电电流稳 定在平均电流附近。本发明的特点及效果本发明适应电动汽车行驶功率大幅波动的要求，由于超级电容组的自适应充放电过 程，降低了动力电池组的峰值放电电流，使动力电池组的放电电流平缓变化，基本处于平 均电流附近。提高了电池组的能量效率和使用寿命。由于超级电容组的充放电效率高(百 分之九十九左右)、使用寿命长(循环次数可达几十万次)，从而提高了整个动力系统的能 量效率和使用寿命。在城市工况下，本发明的动力电池组基本处于较低放电电流的工作状态，因此，能够将动力电池组放电到较低的soc水平，从而使得动力电池组的储能得到更有效的利用。本发明的超级电容组直接挂接在直流母线上，能够直接吸收驱动电机在制动过程回馈 的电能，能量转换效率高。
图1是现有的电动汽车动力系统结构图。图2是本发明的混合动力系统结构框图。图3是本发明的升压DC/DC变换器主电路结构图。图4是本发明的升压DC/DC变换器控制电路框图。图5混合动力系统启动前由24V蓄电池为超级电容组预充电时的动力系统能量流向图。图6混合动力系统启动时，动力电池组通过升压DC/DC变换器为超级电容组充电时的 动力系统能量流向图。 ，图7是本发明的混合动力系统在车辆加速过程中，超级电容组处于放电状态时的动力 系统能量流向图。图8是本发明的混合动力系统在车辆加速过程中，升压DC/DC变换器输出电流、电压 工作点的变化9是本发明的混合动力系统在车辆减速或动力系统怠速过程中，超级电容组处于充 电状态时的动力系统能量流向图。图IO是本发明的混合动力系统在车辆减速或动力系统怠速过程中，升压DC/DC变换 器输出电流、电压工作点的变化图。图11是本发明的混合动力系统处于制动能量回馈状态时的动力系统能量流向图。
具体实施方式
参照附图，将进一步叙述本发明的具体实施方案。本发明提出的动力电池-超级电容混合动力系统组成结构如图2所示，该系统包括动 力电池组、升压DC/DC变换器、电机控制器、双向DC/DC变换器、超级电容组及24V蓄 电池；其连接关系为升压DC/DC变换器的低压端与动力电池组的输出端相连，升压 DC/DC变换器的高压端与电机控制器相连；同时在升压DC/DC变换器的高压端上直接挂 接超级电容组和双向DC/DC变换器的高压端，双向DC/DC变换器的低压端接24V蓄电池。该系统各组成部分的实施例分别说明如下动力电池组采用100Ah的锰酸锂动力电池，电池单体的标称电压为3.6V， 一共50节 单体串联使用，电池组工作电压范围为150""210V。1、升压DC/DC变换器由主电路和驱动该主电路工作的控制电路组成，主电路采用 BOOST主电路结构，能量变换效率高。控制电路采用电压负反馈控制策略的同时，增加 了电流负反馈调节，使升压DC/DC变换器具有下降的U-I输出特性。各电路的实施例具体 组成结构分别说明如下主电路结构如图3所示，由开关管T及与其相连的升压电感L和功率二极管D构成。 开关管T采用300A/600V的IGBT功率模块，升压电感L采用微晶磁芯、设计电感量为 60uH，功率二极管D采用快恢复二极管、额定工作指标为300A/600V。其工作过程为在 开关管T导通期间，输入电压U,通过丄和T形成电流回路，电能存储在电感L中；在开 关管T截止期间，输入电压U,通过L和D输出电压U2，由于电感L的储能作用，输出电 压U2大于输入电压Ui。因此，通过开关管的交替导通和关断，能够将较低的输入电压U！ 变换为较高的输出电压U2。输出电压U2的值决定于开关管T的G、 S两端的驱动电压Udri 的工作占空比。驱动电压Udri由升压DC/DC变换器的控制电路输出。升压DC/DC变换器的控制电路如图4所示，由电压外环电路和电流内环电路组成。 该电压外环电路主要由运算放大器N2C、霍尔电流传感器N1和跟随器N2B组咸；电流内 环电路主要由运算放大器N2C、 PWM调节器N3和驱动芯片N4组成。主电路采用电压外 环和电流内环的双闭环控制结构，可使升压DC/DC变换器具有恒流的最大电流保护特性， 工作安全性高。控制电路的各部件的连接关系及工作过程为在电压外环中，电压给定信号Ug接在 运算放大器N2C (采用LM324)的正输入端，电压反馈信号Uf接在运算放大器N2C的负 输入端，同时，由霍尔电流传感器N1 (采用KH-300A)输出的电流反馈信号经过跟随器 N2B (采用LM324)后得到Ui也接在运算放大器N2C的负输入端，Ug、 Uf和Ui之间满 足 在控制电路中，Ug是常量，随着输出电流的增大，Ui增加、导致输出电压和Uf减小， 从而得到下降的变换器U-I输出特性。在电流内环中，运算放大器N2C输出的电压调节信 号接在运算放大器N2D (采用LM324)的正输入端，电流反馈信号接在运算放大器N2D 的负输入端，运算放大器N2D的输出接在？WM调节器N3的2端，在本发明中，PWM 调节器N3采用SG3524，根据2端的电压值，N3在11和14端输出具有一定占空比的脉 冲信号，该信号接在驱动芯片N4的2、 4端之间，驱动芯片N4采用UCC27321,驱动芯 片N4从6、 7和5端输出驱动脉冲电压信号Udri，经过电阻R12后直接加在图3中开关管 T的G和S端之间，使开关管产生交替导通和关断的工作过程。本发明的试验系统中，设计升压DC/DC变换器的空载输出电压为360V， U-I输出特 性的下降斜率为1.5V/A，最大输出电流为100A。超级电容组采用美国Maxwell公司提供的产品，超级电容单体标称容量为2600F， 一共144节单体串联使用，实际工作电压范围为200—360V，最大充电电流为400A、最大放 电电流为600A。本发明的超级电容组直接挂接在升压DC/DC变换器的输出端，随着升压DC/DC变换 器输出电压的上升或下降，自动调节充电电流或放电电流。同时超级电容组直接挂接在直 流母线上，能够直接吸收驱动电机在制动过程回馈的电能，能量转换效率高。本发明的24V蓄电池通过双向DC/DC变换器对超级电容组进行预充电，直到超级电 容的端电压达到动力电池组的空载端电压为止。蓄电池采用车用190Ah/24V铅酸电池；双向DC/DC变换器的低压端设计为恒压28V输出，最大输出电流为200A;高压端设 计为30A的恒流输出，最高输出电压为200V。本发明的工作原理详细说明如下本发明系统根据升压DC/DC变换器的输出U-I特性对动力电池组的放电过程和超级电 容组的充放电过程进行自适应控制。以下，将分别参照图5至图11对该系统的运行原理进 行解释。 .如图5所示，当电动汽车长时间放置时，由于超级电容自放电效应以及电容单体平衡 电路的作用，电容两端电压会逐渐下降到零左右，这时，如果直接启动升压DC/DC变换 器，动力电池组通过升压变换器对超级电容组充电，会产生过大的充电电流，造成动力电 池、升压变换器和超级电容的损坏。在本发明中，首先采用24V蓄电池通过双向DC/DC 以恒定的30A电流对超级电容进行预充电，当超级电容组的端电压达到200V、接近动力 电池组的空载端电压时，双向DC/DC变换器停止工作。图5给出了24V蓄电池为超级电 容组预充电时的动力系统能量流向图。这时，双向DC/DC变换器工作在升压状态。如图6所示，给出了 "动力电池-超级电容"混合动力系统启动时的能量流向图，动力 电池组的端电压经过升压DC/DC变换器后输出更高的电压，继续对超级电容组进行充电。 在升压DC/DC变换器输出外特性的作用下，随着超级电容组的端电压逐渐增大，充电电 流逐渐减小，直到达到升压DC/DC变换器的空载电压360V。这时的工作点如图8中的A点所示。如图7所示，给出了 "动力电池-超级电容"混合动力系统在车辆起步或加速过程中， 超级电容组处于放电状态时的动力系统能量流向图。在车辆起步或加速过程中，电机的需 求功率增大，要求直流母线提供较大的电流，在升压DC/DC变换器输出U-I特性(如图8 所示)的作用下，升压变换器输出电流增大，电压下降，同时，超级电容组放电；升压变 换器输出电压下降越快，超级电容组的放电电流越大，从而抑制了动力电池放电电流的进 一步增大。如图8所示，给出了 "动力电池-超级电容"混合动力系统在车辆起步或加速过程中， 升压DC/DC变换器输出电流、电压工作点的变化图。工作点从A点沿着外特性曲线移动 到B点，电流增大、电压下降，在这个过程中，超级电容放电。如图9所示，给出了 "动力电池-超级电容"混合动力系统在车辆减速或动力系统怠速 过程中，超级电容组处于充电状态时的动力系统能量流向图。在车辆减速过程中，电机的 需求功率减小，升压DC/DC变换器输出电流减小，电压上升，与此同时，超级电容组被 充电；升压变换器输出电压上升越快，超级电容组的充电电流越大，从而维持了动力电池 较小的输出电流，保证了动力电池组放电电流的平缓。如图10所示，给出了 "动力电池-超级电容"混合动力系统在车辆减速或动力系统怠 速过程中，升压DC/DC变换器输出电流、电压工作点的变化图。工作点从B点沿着外特 性曲线移动到C点，电流减小、电压上升，在这个过程中，超级电容被充电。如图11所示，给出了 "动力电池-超级电容"混合动力系统处于制动能量回馈状态时 的动力系统能量流向图。当车辆在制动过程中实现制动能量回馈时，电机处于发电状态， 电机发电电流经过电机控制器输入端直接对超级电容组进行充电。在这一过程中，超级电 容组端电压上升，当超级电容组端电压低于升压DC/DC变换器的空载电压时，动力电池 仍然可以输出较小的电流，保证了动力电池组放电电流的平缓。在本发明的混合动力系统 中，制动能量回馈控制简单、能量利用率高。
权利要求
1、一种电动汽车用的动力电池-超级电容混合动力系统，包括动力电池组、电机控制器及24V蓄电池；其特征在于，该系统还包括升压DC/DC变换器、双向DC/DC变换器及超级电容组；其连接关系为升压DC/DC变换器的低压端与动力电池组的输出端相连，升压DC/DC变换器的高压端与电机控制器相连；同时在升压DC/DC变换器的高压端上直接挂接超级电容组和双向DC/DC变换器的高压端，双向DC/DC变换器的低压端接24V蓄电池。
2、 根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述升压DC/DC变换器由主 电路和驱动该主电路工作的控制电路所组成，由开关管T及与其相连的升压电感L和功率 二极管D构成。
3、 根据权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于，所述控制电路采用电压外环 和电流内环的双闭环控制结构，该电压外环电路主要由运算放大器N2C、霍尔电流传感器 Nl和跟随器N2B组成；电流内环电路主要由运算放大器N2C、 PWM调节器N3和驱动芯 片N4组成。
全文摘要
本发明涉及一种电动汽车用的动力电池-超级电容混合动力系统，属于电动汽车技术领域。包括动力电池组、电机控制器及24V蓄电池；升压DC/DC变换器、双向DC/DC变换器及超级电容组；其中，升压DC/DC变换器的低压端与动力电池组的输出端相连，升压DC/DC变换器的高压端与电机控制器相连；同时在升压DC/DC变换器的高压端上直接挂接超级电容组和双向DC/DC变换器的高压端，双向DC/DC变换器的低压端接24V蓄电池。本发明的动力电池输出电流平缓、峰值电流小，放电效率高、使用寿命长；在电池组SOC较低时，混合系统仍能保证正常的功率输出能力；超级电容直接吸收制动回馈能量，能量转换效率高。
文档编号H02J7/34GK101237154SQ200810057390
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月1日 优先权日2008年2月1日
发明者斌 仇, 陈伏虎, 陈全世, 勇 黄 申请人:清华大学