CN105059129A - 复合电源、使用该复合电源的供能***及电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合电源、使用该复合电源的供能***及电动汽车，其中复合电源具备多个一级直流供能装置和二级直流供能装置，多个二级供能装置互相串联，一级供能装置与二级供能装置之间一对一地通过单向或者双向DC-DC转换器相连接。使用该复合电源的供电***及电动汽车采用动力电池和超级电容作为一级直流供能装置和二级直流供能装置，通过使用多个转换器，将DC-DC转换器的工作电压降低，能够提高DC-DC转换器工作频率，进而提高DC-DC转换器工作效率，解决了现有技术复合电源中DC/DC转换器体积过大、成本过高、能量转化效率低、潜在故障危险大等问题。

Description

复合电源、使用该复合电源的供能***及电动汽车
技术领域
本发明涉及一种具备多个DC-DC转换器的复合电源及车辆供能***。
背景技术
DC-DC转换器在具备直流电源供电***中被广泛应用。近年来DC-DC转换器被越来越多地应用于高压大功率电源转换，如新能源汽车、风力发电等行业。这些行业在追求大功率的同时，也在不断想办法缩小设备的体积，以换取更优质的性能。近两年在市场上出现的多源驱动新能源汽车正是这一技术的先进代表。大功率双向DC-DC变换器在电动汽车、储能***、电能质量调节、可再生能源发电以及超导储能***等领域具有广阔的应用前景。
其中电动汽车中最常见的复合电源是将超级电容器与蓄电池结合构成复合电源***，可以提高电源***的短时高功率输出能力，同时也具备持久的动力性能。通过超级电容器与电池的组合，充分发挥了超级电容器的高功率密度和电池的高能量密度的优势，满足混合动力汽车在爬坡加速、启动过程中提供强劲的动力。而由于超级电容器与电池充放电特性的不一致，因而必须采用双向升降压DC/DC变换器来使二者匹配，满足电池在高于或低于超级电容器电压时保证电池的正常充放电；通过控制DC/DC变换器，实现复合电源***对外充放电过程中，超级电容器与电池的功率按电池“最佳”工作状态进行分配。
然而，目前现有技术中对复合电源中由于电压等级和功率等级都较高，使DC/DC转换器不得不采用耐高压的器件如IGBT，而该类器件却不能达到快速响应的效果，使***控制具有滞后性，影响***性能体现；甚至为了克服大功率器件的发热问题，需要配备散热设备，如果因散热问题解决不好，会影响能量的传递效率，给电动汽车控制***的设计带来了很大的困难，对各种器件的高要求也增大了***成本和体积，不适应电动汽车产业的进一步发展。
发明内容
为了解决现有技术复合电源中DC/DC转换器体积过大、成本过高、能量转化效率低、潜在故障危险大等问题，本发明提供了一种复合电源，进而提供了一种供能***，不仅适用于电动汽车领域，还适用于各种高电压高功率用电设备。本发明复合电源***将高密度能源拆分成较小能量组，能够降低能源***故障时的危害程度，同时，通过使用多个转换器，将DC-DC转换器的工作电压降低，能够提高DC-DC转换器工作频率，进而提高DC-DC转换器工作效率，保障负载安全稳定运行。具体方案如下：
一种复合电源，具备多个一级直流供能装置和二级直流供能装置，多个二级供能装置互相串联，其特征在于，一级供能装置与二级供能装置之间一对一地通过DC-DC转换器相连接。
其中一种实施例下，所述DC-DC转换器包含至少1开关器件以及至少1个线圈装置。
其中另一种实施例下，所述DC-DC转换器包含至少2个开关器件以及至少1个线圈装置。
其中，所述开关器件为例如MOSFET的高频开关器件。
进一步地，所述一级直流供能装置是动力电池，所述二级直流供能装置是超级电容。
一种电动汽车，使用上述的复合电源，还包括整车控制器与能源管理器，以及设置于动力电池和超级电容的监测装置，所述能源管理器与所述DC-DC转换器连接，所述监测装置与所述整车控制器通信，所述整车控制器与所述能源管理器通信。
另外，一种供能***，使用上述的复合电源，还包括能源管理器，以及设置于动力电池和超级电容的监测装置，所述DC-DC转换器、所述监测装置与所述能源管理器通信连接。
一种电动汽车，使用上述供能***，还包括整车控制器，与所述能源管理器通信连接。
附图说明
图1是本发明涉及的复合电源***结构示意图；
图2是本发明实施例一示意图；
图3是本发明实施例二示意图；
具体实施方式
下面，参照形成本说明书的一部分的附图来更详细地说明本发明的实施方式。在所有附图中对同一或类似的部分附加同一参照标记并省略说明。以下实施例分别以本发明复合电源应用于电动汽车为例，并不代表本发明的应用仅限于电动汽车领域，凡是使用本发明原理的任何应用都落入本发明应用范围内。
参考图1的复合电源***，具备多个一级直流供能装置和二级直流供能装置，多个二级供能装置互相串联，其中一级供能装置与二级供能装置之间一对一地通过DC-DC转换器相连接。下面通过图2和图3所显示的本发明两实施例进一步解释本发明的详细内容。图2和图3中连接线表示电连接或通信连接，实线箭头表示能量输出方向，虚线箭头表示能量回收方向。
实施例一
参考图2，该实施例中DC-DC转换器为单向DC-DC转换器，包含一个开关器件以及至少一个线圈装置。能源只能从一级供能装置向二级供能装置传递。在此实施例中，一级供能装置为能量型供能装置，二级供能装置为功率型供能装置，其中一种情况为一级供能装置为动力电池、二级供能装置为超级电容。更具体，本实施例的复合电源***由多个动力电池和多个超级电容组成，这里所称动力电池可以是电池单位，也可以是多个电池单体串联或者并联或者混联组成的电池组；超级电容可以是单个超级电容器，也可以是由多个超级电容器并联或者串联或者混联组成的超级电容组。动力电池与超级电容之间通过单向DC-DC转换器一对一地相连接，且两个以上超级电容串联后连接负载，进行能量输出。该复合电源***中还设置有能源管理器，与各个DC-DC转换器相连接，控制DC-DC转换器中开关的通断。对于本发明复合电源***，需要特别注意的是控制***中各DC-DC转换器的同步，以使各二级供能装置同时接受来自一级供能装置的能量，以免在二级供能装置串联电路上形成大的电压波动，造成供能装置损坏。本实施例中，可以通过在能源管理器中设置精确的计时器件，对DC-DC转换器进行同时控制。此外，上述每个动力电池和每个超级电容上分别设置有监测装置，监测装置能够分别监测电池和电容的电压、电流、电量、温度等。上述监测装置与能源管理器或整车控制器通过CAN总线通信相连接，或者能源管理器从整车控制器获得以上信息后根据具体需求控制DC-DC转换器的接通和关断，电能从动力电池向超级电容转移，最终输出。
实施例一复合电源应用于电动汽车时，可以以如下方式进行能量调配：
车辆启动：整车控制器接收到车辆启动信号，首先检查动力电池电量情况，如果电量满足启动条件，由整车控制器向能源管理器发送启动命令。能源管理器控制DC-DC转换器由动力电池向超级电容供电，由动力电池向超级电容输出电能，同时超级电容向车辆驱动电动机供电，以驱动车辆启动。其中，动力电池向超级电容供电过程中，不间断监测超级电容电量，如果超级电容电量超过设置的电量上限Qm，由能源管理器控制DC-DC转换器关断，停止向超级电容供电；相反，如果超级电容电量低于设置的电量下限Qm，由能源管理器控制DC-DC转换器打开，持续向超级电容供电。
车辆行驶：车辆行驶过程中，能源管理器控制DC-DC转换器从动力电池向超级电容输送电能，再通过超级电容向驱动电动机供电，驱动车辆行驶。其间，动力电池可以采用间断式供电方式，通过设置于超级电容上的监测装置监测超级电容电量Q和电流I，若电量Q超过设置的电量上限Qmax，关断动力电池于超级电容连接的DC-DC转换器，停止电能输出；若电量Q低于设置的电量下限Qmin或电流I高于设定的上限Imax，持续由动力电池向超级电容输出电能。这种供电方式主要是为了保护超级电容不至于被过充或过放造成损坏。具体而言，当超级电容电量达到或超过上限Qmax，可以认为再继续充电会使超级电容过充造成超级电容损坏，此时应当断开超级电容与动力电池的连接；当超级电容电量Q低于设置的电量下限Qmin，持续的放电会造成超级电容过放，此时应当连接动力电池，给超级电容充电以保持供电移稳定；或者，当超级电容输出电流I高于设定的上限Imax，可以认为此时车辆需要持续大功率输出电能，应当保持动力电池持续供应电能，以保证车辆正常行驶。以上电量的检测和DC-DC转换器的打开关断都可以采用本技术领域人员所熟知的方式实现，不再赘述。
能量回收：对于电动汽车，制动能量回收是其能量转化利用中不可缺少的部分。采用本发明的复合电源，刹车时通过驱动电动机回收能量至超级电容，由超级电容监测装置监测级电容电量Q，若达到电量Q达到上限Qmax，停止能量回收以保护超级电容。
实施例一同样可以应用于混合动力车辆，以如下方式进行能量调配：
车辆启动：整车控制器接收到车辆启动信号，首先检查动力电池电量情况，如果电量满足启动条件，由整车控制器向能源管理器发送启动命令；如果动力电池电量不满足启动条件，则由整车控制器向发动机发出启动命令，由发动机驱动车辆启动。当车辆通过电池供电启动时，能源管理器控制DC-DC转换器由动力电池向超级电容供电，由动力电池向超级电容输出电能，同时超级电容向车辆驱动电动机供电，以驱动车辆启动。其中，动力电池向超级电容供电过程中，不间断监测超级电容电量，如果超级电容电量超过设置的电量上限Qm，由能源管理器控制DC-DC转换器关断，停止向超级电容供电；相反，如果超级电容电量低于设置的电量下限Qm，由能源管理器控制DC-DC转换器打开，持续向超级电容供电。
车辆行驶：车辆行驶过程中，混合动力汽车与电动汽车行驶过程中能源管理器方式类似，首先检测动力电池电量SOC，若动力电池电量SOC低于预设值SOCmin，则启动发动机进行车辆驱动；若动力电池电量SOC高于SOCmin满足行驶条件，由能源管理器控制DC-DC转换器从动力电池向超级电容输送电能，再通过超级电容向驱动电动机供电，驱动车辆行驶。其间，动力电池可以采用间断式供电方式，通过设置于超级电容上的监测装置监测超级电容电量Q和电流I，若电量Q超过设置的电量上限Qmax，关断动力电池于超级电容连接的DC-DC转换器，停止电能输出；若电量Q低于设置的电量下限Qmin或电流I高于设定的上限Imax，持续由动力电池向超级电容输出电能。这种供电方式主要是为了保护超级电容不至于被过充或过放造成损坏。具体而言，当超级电容电量达到或超过上限Qmax，可以认为再继续充电会使超级电容过充造成超级电容损坏，此时应当断开超级电容与动力电池的连接；当超级电容电量Q低于设置的电量下限Qmin，持续的放电会造成超级电容过放，此时应当连接动力电池，给超级电容充电以保持供电移稳定；或者，当超级电容输出电流I高于设定的上限Imax，可以认为此时车辆需要持续大功率输出电能，应当保持动力电池持续供应电能，以保证车辆正常行驶。以上电量的检测和DC-DC转换器的打开关断都可以采用本技术领域人员所熟知的方式实现，不再赘述。
能量回收：与电动汽车能量回收方式相同，不再赘述。
实施例二
参考图3的复合电源***，具备多个一级直流供能装置和二级直流供能装置，多个二级供能装置互相串联，其中一级供能装置与二级供能装置之间一对一地通过DC-DC转换器相连接。该实施例中所述DC-DC转换器包含至少4个开关器件以及至少2个线圈装置。具体地，该实施例中DC-DC转换器为双向DC-DC转换器，能源能从一级供能装置向二级供能装置传递，也能从二级供能装置向一级供能装置传递。在此实施例中，一级供能装置为能量型供能装置，二级供能装置为功率型供能装置，其中一种情况为一级供能装置为动力电池、二级供能装置为超级电容。更具体，本实施例的复合电源***由多个动力电池和多个超级电容组成，这里所称动力电池可以是电池单位，也可以是多个电池单体串联或者并联或者混联组成的电池组；超级电容可以是单个超级电容器，也可以是由多个超级电容器并联或者串联或者混联组成的超级电容组。动力电池与超级电容之间通过双向DC-DC转换器一对一地相连接，且两个以上超级电容串联后连接负载，进行能量输出。该复合电源***中还设置有能源管理器，与各个DC-DC转换器相连接，控制DC-DC转换器中开关的通断。对于本发明复合电源***，需要特别注意的是控制***中各DC-DC转换器的同步，以使各二级供能装置同时接受来自一级供能装置的能量，以免在二级供能装置串联电路上形成大的电压波动，造成供能装置损坏。本实施例中，可以通过在能源管理器中设置精确的计时器件，对DC-DC转换器进行同时控制。此外，上述每个动力电池和每个超级电容上分别设置有监测装置，监测装置能够分别监测电池和电容的电压、电流、电量、温度等。上述监测装置与整车控制器通过CAN总线相连接，能源管理器从整车控制器获得以上信息后根据具体需求控制DC-DC转换器的接通和关断，电能从动力电池向超级电容转移，最终输出。
实施例二复合电源应用于电动汽车时，可以以如下方式进行能量调配：
车辆启动：整车控制器接收到车辆启动信号，首先检查动力电池电量情况，如果电量满足启动条件，由整车控制器向能源管理器发送启动命令。能源管理器控制DC-DC转换器由动力电池向超级电容供电，由动力电池向超级电容输出电能，同时超级电容向车辆驱动电动机供电，以驱动车辆启动。其中，动力电池向超级电容供电过程中，不间断监测超级电容电量，如果超级电容电量超过设置的电量上限Qm，由能源管理器控制DC-DC转换器关断，停止向超级电容供电；相反，如果超级电容电量低于设置的电量下限Qm，由能源管理器控制DC-DC转换器打开，持续向超级电容供电。
车辆行驶：车辆行驶过程中，能源管理器控制DC-DC转换器从动力电池向超级电容输送电能，再通过超级电容向驱动电动机供电，驱动车辆行驶。其间，动力电池可以采用间断式供电方式，通过设置于超级电容上的监测装置监测超级电容电量Q和电流I，若电量Q超过设置的电量上限Qmax，关断动力电池于超级电容连接的DC-DC转换器，停止电能输出；若电量Q低于设置的电量下限Qmin或电流I高于设定的上限Imax，持续由动力电池向超级电容输出电能。这种供电方式主要是为了保护超级电容不至于被过充或过放造成损坏。具体而言，当超级电容电量达到或超过上限Qmax，可以认为再继续充电会使超级电容过充造成超级电容损坏，此时应当断开超级电容与动力电池的连接；当超级电容电量Q低于设置的电量下限Qmin，持续的放电会造成超级电容过放，此时应当连接动力电池，给超级电容充电以保持供电移稳定；或者，当超级电容输出电流I高于设定的上限Imax，可以认为此时车辆需要持续大功率输出电能，应当保持动力电池持续供应电能，以保证车辆正常行驶。以上电量的检测和DC-DC转换器的打开关断都可以采用本技术领域人员所熟知的方式实现，不再赘述。
能量回收：对于电动汽车，制动能量回收是其能量转化利用中不可缺少的部分。采用本发明的复合电源，刹车时通过驱动电动机回收能量至超级电容，由超级电容监测装置监测级电容电量Q，若达到电量Q达到上限Qmax，能源管理器控制DC-DC转换器接通，制动能量通过超级电容回收至动力电池，增加回收效率。
实施例2同样可以应用于混合动力车辆，以如下方式进行能量调配：
车辆启动：整车控制器接收到车辆启动信号，首先检查动力电池电量情况，如果电量满足启动条件，由整车控制器向能源管理器发送启动命令；如果动力电池电量不满足启动条件，则由整车控制器向发动机发出启动命令，由发动机驱动车辆启动。当车辆通过电池供电启动时，能源管理器控制DC-DC转换器由动力电池向超级电容供电，由动力电池向超级电容输出电能，同时超级电容向车辆驱动电动机供电，以驱动车辆启动。其中，动力电池向超级电容供电过程中，不间断监测超级电容电量，如果超级电容电量超过设置的电量上限Qm，由能源管理器控制DC-DC转换器关断，停止向超级电容供电；相反，如果超级电容电量低于设置的电量下限Qm，由能源管理器控制DC-DC转换器打开，持续向超级电容供电。
车辆行驶：车辆行驶过程中，混合动力汽车与电动汽车行驶过程中能源管理器方式类似，首先检测动力电池电量SOC，若动力电池电量SOC低于预设值SOCmin，则启动发动机进行车辆驱动；若动力电池电量SOC高于SOCmin满足行驶条件，由能源管理器控制DC-DC转换器从动力电池向超级电容输送电能，再通过超级电容向驱动电动机供电，驱动车辆行驶。其间，动力电池可以采用间断式供电方式，通过设置于超级电容上的监测装置监测超级电容电量Q和电流I，若电量Q超过设置的电量上限Qmax，关断动力电池于超级电容连接的DC-DC转换器，停止电能输出；若电量Q低于设置的电量下限Qmin或电流I高于设定的上限Imax，持续由动力电池向超级电容输出电能。这种供电方式主要是为了保护超级电容不至于被过充或过放造成损坏。具体而言，当超级电容电量达到或超过上限Qmax，可以认为再继续充电会使超级电容过充造成超级电容损坏，此时应当断开超级电容与动力电池的连接；当超级电容电量Q低于设置的电量下限Qmin，持续的放电会造成超级电容过放，此时应当连接动力电池，给超级电容充电以保持供电移稳定；或者，当超级电容输出电流I高于设定的上限Imax，可以认为此时车辆需要持续大功率输出电能，应当保持动力电池持续供应电能，以保证车辆正常行驶。以上电量的检测和DC-DC转换器的打开关断都可以采用本技术领域人员所熟知的方式实现，不再赘述。
能量回收：与电动汽车能量回收方式相同，不再赘述。
以上通过两个实施例说明了本发明技术方案的具体实施方式，为了本发明更好地实施，以上实施例中DC-DC转换器开关器件可以为MOSFET或碳化硅等高频开关器件，使DC-DC转换器具有响应快、支持高频的特点。

Claims (8)

1.一种复合电源，具备多个一级直流供能装置和二级直流供能装置，多个二级供能装置互相串联，其特征在于，一级供能装置与二级供能装置之间一对一地通过DC-DC转换器相连接。
2.根据权利要求1所述的复合电源，其特征在于，所述DC-DC转换器包含至少1个开关器件以及至少1个线圈装置。
3.根据权利要求1所述的复合电源，其特征在于，所述DC-DC转换器包含至少2个开关器件以及至少1个线圈装置。
4.根据权利要求2或3所述的复合电源，其特征在于，所述开关器件为MOSFET器件。
5.根据权利要求4所述的复合电源，其特征在于，所述一级直流供能装置是动力电池，所述二级直流供能装置是超级电容。
6.一种电动汽车，使用如权利要求1～5任意一项所述的复合电源，其特征在于，还包括整车控制器与能源管理器，以及设置于动力电池和超级电容的监测装置，所述能源管理器与所述DC-DC转换器连接，所述监测装置与所述整车控制器通信，所述整车控制器与所述能源管理器通信。
7.一种供能***，使用如权利要求1～5任意一项所述的复合电源，其特征在于，还包括能源管理器，以及设置于动力电池和超级电容的监测装置，所述DC-DC转换器、所述监测装置与所述能源管理器通信连接。
8.一种电动汽车，使用如权利要求7所述的供能***，其特征在于，包括整车控制器，与所述能源管理器通信连接。
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