CN109910641A - 一种用于纯电动汽车的高效复合储能***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于纯电动汽车的高效复合储能***，包括超级电容组(1)、双向DC/DC变换器(2)、蓄电池组(3)、功率二极管(4)、功率开关管(5)和复合储能***控制器(6)。本发明还公开了该复合储能***的控制方法。本发明将超级电容组直接并联至直流母线侧，最大限度地发挥超级电容的储能潜力，使蓄电池组免受供电负载暂态高频分量的损伤，同时双向DC/DC变换器只需承担蓄电池提供的供电负载的稳态低频分量，成本和体积均大大下降，效率提升。本发明的控制方法将纯电动汽车的运行划分为六个控制模式，在不同模式下采取不同的控制策略，全面契合了纯电动汽车的驱动需求，尤其对在野外等恶劣路况下工作的特种车辆的驱动有显著优势。

Description

一种用于纯电动汽车的高效复合储能***及其控制方法

技术领域

本发明属于新能源汽车储能***技术领域，更具体地，涉及一种用于纯电动汽车的高效复合储能***及其控制方法。

背景技术

储能***作为纯电动汽车的能量的唯一来源，其工作的可靠性、经济性和环保性一直备受关注。目前绝大多数纯电动汽车使用蓄电池组作为电机的动力源。蓄电池具有能量密度高，可以循环存储和释放较多能量的优点，适合作为纯电动汽车的主要能源使用。但其最大的缺点是功率密度不高。纯电动汽车尤其是那些长期在野外恶劣路况下工作的特种车辆的启动、越障、爬坡和加速需要蓄电池承担用电负载的暂态高频分量，这样会对蓄电池造成不可逆的损伤，大大缩短其寿命，从而降低蓄电池使用的经济性。这是制约纯电动汽车发展的关键因素之一。

超级电容具有功率密度高、成本低等优点，其功率密度高的特性与蓄电池形成互补。因此超级电容——蓄电池复合储能***自提出以来便备受关注。目前已有的超级电容——蓄电池复合储能***有被动构型、半主动构型和主动构型三种基本构型。其中被动构型将蓄电池与超级电容直接并联在直流母线侧，不能提供良好的电源管理；主动构型的超级电容和蓄电池分别通过DC/DC变换器并联至直流母线侧，其结构复杂，成本较高，效率较低，并且体积较大不适合装在小型特种车辆上；传统的半主动构型，其通过一个DC/DC变换器将超级电容和蓄电池解耦，接至直流母线侧。

传统半主动构型可以分为两类：一类将蓄电池直接并联在直流侧母线，这类方法超级电容的端电压可以大范围波动，但是DC/DC变换器需要流过启动、越障时的瞬时大电流，因此其体积更大、成本更高，同时效率也降低；另一类将超级电容直接并联在直流母线上，这一类构型的优点是DC/DC变换器不需要承担启动、越障时的瞬时大电流，因此体积可以更小、成本可以更低，同时效率也可以提高，缺点是直流侧母线电压可控性差，并且直流侧母线电压在恢复过程中蓄电池需要通过DC/DC变换器向超级电容输出暂态高频充电电流，降低变换器的效率同时也严重损伤了蓄电池。

专利文献CN106347144A公开了一种电动汽车复合储能***能量优化分配方法。该***包括蓄电池、超级电容以及DC/DC变换器，超级电容与DC/DC变换器串联后再与蓄电池并联。该发明采用凸优化方法生成优化后的总输出功率与超级电容组输出功率的对照表，进而根据对照表结合电动汽车实际运行参数计算出需求的总转矩，然后算得电动汽车实际需求功率，最后根据实际功率与超级电容组输出功率对照表对双向DC/DC变换器进行控制，从而完成电动汽车能量的分配。但专利文献CN106347144A公开了一种电动汽车复合储能***能量优化分配方法存在以下不足：

(1)***构型决定了蓄电池直接并联在直流母线侧，要保证电池免受启动、越障时大驱动电流的冲击必须要求DC/DC变换器响应速度足够快，这样无疑增加了控制的复杂度和成本。

(2)其优化方法虽然一定程度上解决了该储能***构型效率不高的问题，但是由于超级电容仍然需要通过DC/DC变换器提供启动、越障的瞬时驱动电流，因此仍未解决DC/DC变换器的体积较大、成本较高的缺点

为克服传统半主动构型的缺陷，专利文献CN102611203B公开了一种车用高效复合储能***，其包括超级电容及超级电容管理***、动力电池及动力电池管理***、单向DC/DC变换器、功率二极管、功能耗散装置、功率开关和储能***控制器。该发明的特点为：单向DC/DC变换器并联功率二极管，功率二极管的阳极连接单向DC/DC变换器的输入端，功率二极管的阴极连接单向DC/DC变换器的输出端；功率二极管的阳极还连接动力电池的正极，阴极还连接超级电容的正极。但专利文献CN102611203B公开了一种车用高效复合储能***存在以下不足：

(1)该发明通过在DC/DC变换器两侧并联功率二极管解决了直流侧母线电压不受控制大幅波动的问题，但是会使超级电容储能利用率下降，同时也造成电机过载能力不足。

(2)该发明中，超级电容电压下降至蓄电池电压时，需要蓄电池通过功率二极管继续向用电负载的暂态高频分量供电，对蓄电池的损伤较大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种用于纯电动汽车的高效复合储能***及其控制方法，将超级电容组直接并联至直流母线侧，最大限度地发挥超级电容的储能潜力，使蓄电池组免受供电负载暂态高频分量的损伤，同时双向DC/DC变换器只需承担蓄电池提供的供电负载的稳态低频分量，成本和体积均可以大大下降，效率也可以提升。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种用于纯电动汽车的高效复合储能***，包括超级电容组(1)、双向DC/DC变换器(2)、蓄电池组(3)、功率二极管(4)、功率开关管(5)和复合储能***控制器(6)；其中，

所述功率二极管(4)与功率开关管(5)串联后并联在所述双向DC/DC变换器(2)两侧，所述功率开关管(5)的漏极连接所述蓄电池组(3)正极，所述功率开关管(5)的源极连接所述功率二极管(4)的阳极，所述功率二极管(4)的阴极连接所述超级电容组(1)的正极，且所述超级电容组(1)与蓄电池组(3)不共地设置；

所述双向DC/DC变换器(2)采用隔离型升降压拓扑，所述功率开关管(5)、双向DC/DC变换器(2)均由所述复合储能***控制器(6)协调控制工作。

进一步地，还包括电流测量装置(7)和电压测量装置(12)；其中，

所述电流测量装置(7)和电压测量装置(12)一端分别设于直流侧母线(8)上，另一端分别与所述复合储能***控制器(6)连接，用于实时监测所述直流侧母线(8)的电流和电压信号，并将其传输给复合储能***控制器(6)。

按照本发明的另一个方面，提供一种用于纯电动汽车的高效复合储能***的控制方法，依据所述电流测量装置(7)测得的电流划分为低速模式、高速模式、越障模式I、越障模式II、回馈制动模式及启动模式六种控制模式；其中，

所述低速模式为车辆平稳运行在低速区的控制模式；

所述高速模式为车辆平稳运行在高速区的控制模式；

所述越障模式I为车辆正常运行遇到低矮障碍时的控制模式；

所述越障模式II为车辆遇到高度较高的连续障碍或者车轮陷入深凹陷处时的控制模式；

所述回馈制动模式为车辆在减速时电机向复合储能***回馈电能的控制模式；

所述启动模式为车辆正常启动的控制模式。

进一步地，所述低速模式的控制方法包括如下步骤：

S31:车辆低速行驶时，供电负载以稳态低频分量为主，电流对蓄电池组(3)的冲击并不大，使用蓄电池组(3)通过双向DC/DC变换器(2)单独向负载供电；

S32:双向DC/DC变换器(2)工作在升压模式，控制策略为恒压控制，以维持直流侧母线(8)的电压，保证超级电容组(1)有足够的能量。

进一步地，所述高速模式的控制方法包括如下步骤：

S41:车辆高速行驶时，供电负载所需功率相对低速模式较大，仍然以稳态低频分量为主，复合储能***控制器(6)控制双向DC/DC变换器(2)工作在恒压模式，超级电容组(1)开始向负载供电；

S42:双向DC/DC变换器(2)参与直流侧母线(8)电压的控制。

进一步地，所述越障模式I的控制方法包括如下步骤：

S51:由复合储能***控制器(6)控制双向DC/DC变换器(2)关闭，由超级电容组(1)单独承担暂态高频电流；

S52:当障碍被越过，直流侧母线(8)电压下降至低于蓄电池组(3)电压时，蓄电池组通过功率开关管(5)和功率二极管(4)支路参与供电。

进一步地，所述越障模式II的控制方法包括如下步骤：

S61:由超级电容组(1)继续单独向负载供电，以充分利用超级电容的储能，提升电机的过载能力；

S62:车辆脱困以后，直流侧母线(8)电压上升，控制双向DC/DC变换器(2)工作在降压模式，采用恒流控制策略，让蓄电池组通过双向DC/DC变换器(2)向供电负载提供稳态低频电流。

进一步地，所述回馈制动模式的控制方法包括如下步骤：

S71:超级电容组(1)未充满电的情况下，电机(10)工作在回馈制动模式，产生制动回馈能量，给超级电容组(1)快速充电，使直流侧母线(8)电压回升；

S72:当车辆处于制动中后期或者深度制动时，直流侧母线(8)电压已经上升至超级电容组(1)的额定电压值，此时复合储能***控制器控制双向DC/DC变换器(2)工作在充电模式，对蓄电池组(1)进行充电。

进一步地，所述启动模式的控制方法包括如下步骤：

S81:由复合储能***控制器(6)开通功率开关管(5)，同时控制双向DC/DC变换器(2)关闭，使直流侧母线(8)电压在下降至蓄电池组(3)电压的过程中单独承担启动负载的暂态高频分量；

S82:蓄电池组(3)通过功率开关管(5)和功率二极管(4)支路向负载提供稳态低频分量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的高效复合储能***，将超级电容组直接并联至直流母线侧，最大限度地发挥超级电容的储能潜力，使蓄电池组免受供电负载暂态高频分量的损伤，同时双向DC/DC变换器只需承担蓄电池提供的供电负载的稳态低频分量，成本和体积均可以大大下降，效率也可以提升。

2.本发明的高效复合储能***，将功率二极管与功率开关管串联后并联在双向DC/DC变换器两侧，解决了直流侧母线不受控制地大幅波动的问题，同时也可在控制策略的控制下，关闭功率开关管使超级电容继续放电，直流侧母线电压下降，提升电机在低转速模式下的过载能力。

3.本发明的高效复合储能***，使用双向隔离型升降压变换器，使得***的控制更为灵活，同时引入功率开关管和功率二极管支路降低了双向DC/DC变换器的设计要求和制造成本，也简化了复合储能***的控制方法。

4.本发明的高效复合储能***，广泛应用于纯电动汽车尤其是在野外恶劣路况下工作的特种车辆的储能***应用中。

5.本发明的高效复合储能***控制方法，通过合理的控制策略使***在所有工作模式下均避免了蓄电池组和双向DC/DC变换器直接承担供电负载的暂态高频分量，延长了蓄电池组的使用寿命、降低了双向DC/DC变换器的设计要求，从而使***的经济性大大提升。

6.本发明的高效复合储能***控制方法，通过复合储能***控制器合理控制双向DC/DC变换器的工作模式以及功率开关管的开通与关断，解决了现有半主动构型半主动构型复合储能***的直流侧母线电压不受控制地大幅波动、电机过载能力不足和蓄电池组难以避免地承受供电负载暂态高频分量的问题。

附图说明

图1为本发明实施例高效复合储能***的组成结构示意图；

图2为本发明实施例依据电流测量装置7测得的电流划分的五种典型工作模式的控制策略示意图；

图3(a)为本发明实施例高效复合储能***工作在低速模式时的工作示意图；

图3(b)为本发明实施例高效复合储能***工作在高速模式时的工作示意图

图3(c)为本发明实施例高效复合储能***工作在越障模式1时的工作示意图。

图3(d)为本发明实施例高效复合储能***工作在越障模式2时的工作示意图。

图3(e)、(f)分别表示本发明实施例高效复合储能***回馈制动模式的两个阶段的工作示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-超级电容组，2-双向DC/DC变换器，3-蓄电池组，4-功率二极管，5-功率开关管，6-复合储能***控制器，7-电流测量装置，8-直流侧母线，9-逆变器，10-电机，11-复合储能***、12-电压测量装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的一种高效复合储能构型，其包括超级电容组1、双向DC/DC变换器2、蓄电池组3、功率二极管4、功率开关管5和复合储能***控制器6。其中，功率二极管4与功率开关管5串联后并联在双向DC/DC变换器2两侧，功率开关管5的漏极连接蓄电池组3正极，功率开关管5的源极连接功率二极管4的阳极，功率二极管4的阴极连接超级电容组1的正极；双向DC/DC变换器2采用隔离型升降压拓扑，例如移相全桥拓扑，超级电容组1与蓄电池组3不共地；功率开关管5、双向DC/DC变换器2均由复合储能***控制器6协调控制工作。本发明将超级电容组直接并联至直流母线侧，最大限度地发挥超级电容的储能潜力，使蓄电池组免受供电负载暂态高频分量的损伤，同时双向DC/DC变换器2只需承担蓄电池提供的供电负载的稳态低频分量，成本和体积均可以大大下降，效率也可以提升。

进一步地，如图1所示，该高效复合储能***还包括电流测量装置7和电压测量装置12，其中，电流测量装置7和电压测量装置12一端分别设于直流侧母线8上，另一端分别与复合储能***控制器6连接，用于实时监测直流侧母线8的电流和电压信号，并将其传输给复合储能***控制器6，复合储能***控制器6接收该信号后，控制功率开关管5及功率二极管4动作，实现对直流侧母线电压的控制。本发明将功率二极管4与功率开关管5串联后并联在双向DC/DC变换器2两侧，解决了直流侧母线不受控制地大幅波动的问题，同时也可在控制策略的控制下，关闭功率开关管5使超级电容1继续放电，直流侧母线8电压下降，提升电机在低转速模式下的过载能力。本发明能广泛应用于纯电动汽车尤其是在野外恶劣路况下工作的特种车辆的储能***应用中。

图2为依据电流测量装置7测得的电流划分的五种典型工作模式的控制策略示意图，车辆的正常启动模式将单独讨论。低速模式是指车辆平稳运行在低速区的控制模式，高速模式是指车辆平稳运行在高速区的控制模式，越障模式1是指车辆正常运行遇到低矮障碍时的控制模式，越障模式2是指车辆遇到高度较高的连续障碍或者车轮陷入深凹陷处时的控制模式，回馈制动模式是指车辆在减速时电机向复合储能***回馈电能的控制模式。启动模式是指车辆在正常路面启动的控制模式。

图3(a)为复合储能***工作在低速模式时的工作示意图。当车辆低速行驶时，供电负载以稳态低频分量为主，电流小于图2中的a，因此电流对蓄电池组3的冲击并不大，可以使用蓄电池组3通过双向DC/DC变换器2单独向负载供电。在这种模式下，双向DC/DC变换器2工作在升压模式，控制策略为恒压控制，以维持直流侧母线8的电压，保证超级电容组1有足够的能量。

图3(b)为复合储能***工作在高速模式时的工作示意图。当车辆高速行驶时，供电负载所需功率相对低速模式较大，但仍然以稳态低频分量为主，所以可以由复合储能***控制器6控制双向DC/DC变换器2仍然工作在恒压模式，但此时超级电容组1开始向负载供电，减轻蓄电池组的负载。同时由于电机高速旋转，反电动势相应增大，因此此时不能任由直流侧母线8的电压下降，需要双向DC/DC变换器2参与直流侧母线8电压的控制。

图3(c)为复合储能***工作在越障模式1时的工作示意图。此时车辆遇到低矮障碍，需要驱动***短时间内提供较大转矩越过障碍，因此供电负载将存在暂态高频分量。为防止供电负载暂态高频电流对蓄电池组3造成不可逆损伤，同时防止暂态高频电流对双向DC/DC变换器2造成过大冲击，此时若电流测量装置测得电流大于b值则迅速将功率开关管5开通，同时由复合储能***控制器6控制双向DC/DC变换器2关闭，由超级电容组1单独承担暂态高频电流，当障碍被越过，同时直流侧母线8电压下降至低于蓄电池组3电压时，蓄电池组通过功率开关管和功率二极管支路参与供电，在整个过程中，蓄电池组3和双向DC/DC变换器2均避免了暂态高频电流。这大大延长了蓄电池组的使用寿命，降低了双向DC/DC变换器的设计指标，从而大大提升了经济性。

图3(d)为复合储能***工作在越障模式2时的工作示意图。车辆遇到较高大障碍，或者车轮陷入深凹陷处需要脱困时，一般电机转速较低、需求转矩较大，因此可以容许直流侧母线8电压降低。在经过越障模式1后车辆仍未脱困，还需要进一步增大驱动电流，此时根据电流测量装置测得电流值大于c值由复合储能***控制器6关断功率开关管，由超级电容组1继续单独向负载供电，以充分利用超级电容的储能，提升电机的过载能力。车辆脱困以后，要求直流侧母线8电压上升，这时控制双向DC/DC工作在降压模式，采用恒流控制策略，让蓄电池组通过双向DC/DC变换器2向供电负载提供稳态低频电流，保障车辆脱困后的能量供应。在这种模式下，虽然为了充分利用超级电容组1的储能使直流侧母线8电压下降较多，但是考虑到此时电机转速较低，因此母线电压下降也是允许的。在整个过程中蓄电池组3和双向DC/DC变换器2均避免了暂态高频电流，这大大延长了蓄电池组的使用寿命，降低了双向DC/DC变换器的设计指标，从而大大提升了经济性。

图3(e)和图3(f)分别表示回馈制动模式的两个阶段。当车辆处于制动初期或者轻度制动时，超级电容组1未充满电的情况下，电机10工作在回馈制动模式，产生制动回馈能量，给超级电容组1快速充电，使直流侧母线8电压回升；当车辆处于制动中后期或者深度制动时，直流侧母线8电压已经上升至超级电容组1的额定电压值，此时复合储能***控制器控制双向DC/DC变换器2工作在充电模式，对蓄电池组1进行充电。

车辆正常启动模式的工作示意图与图3(c)所示的越障模式1相同。车辆启动时，驱动***需要短时间内提供较大转矩以便于车辆启动，此时的控制策略为：由复合储能***控制器6开通功率开关管5，同时控制双向DC/DC变换器2关闭，使直流侧母线8电压在下降至蓄电池组3电压的过程中单独承担启动负载的暂态高频分量，蓄电池组3通过功率开关管5和功率二极管4支路向负载提供稳态低频分量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于纯电动汽车的高效复合储能***，其特征在于，包括超级电容组(1)、双向DC/DC变换器(2)、蓄电池组(3)、功率二极管(4)、功率开关管(5)和复合储能***控制器(6)；其中，

所述功率二极管(4)与功率开关管(5)串联后并联在所述双向DC/DC变换器(2)两侧，所述功率开关管(5)的漏极连接所述蓄电池组(3)正极，所述功率开关管(5)的源极连接所述功率二极管(4)的阳极，所述功率二极管(4)的阴极连接所述超级电容组(1)的正极，且所述超级电容组(1)与蓄电池组(3)不共地设置；

所述双向DC/DC变换器(2)采用隔离型升降压拓扑，所述功率开关管(5)、双向DC/DC变换器(2)均由所述复合储能***控制器(6)协调控制工作。

2.根据权利要求1所述的一种用于纯电动汽车的高效复合储能***，其特征在于，还包括电流测量装置(7)和电压测量装置(12)；其中，所述电流测量装置(7)和电压测量装置(12)一端分别设于直流侧母线(8)上，另一端分别与所述复合储能***控制器(6)连接，用于实时监测所述直流侧母线(8)的电流和电压信号，并将其传输给复合储能***控制器(6)。

3.一种如权利要求1或2所述的用于纯电动汽车的高效复合储能***的控制方法，其特征在于，依据所述电流测量装置(7)测得的电流划分为低速模式、高速模式、越障模式I、越障模式II、回馈制动模式及启动模式六种控制模式；其中，

所述低速模式为车辆平稳运行在低速区的控制模式；

所述高速模式为车辆平稳运行在高速区的控制模式；

所述越障模式I为车辆正常运行遇到低矮障碍时的控制模式；

所述越障模式II为车辆遇到高度较高的连续障碍或者车轮陷入深凹陷处时的控制模式；

所述回馈制动模式为车辆在减速时电机向复合储能***回馈电能的控制模式；

所述启动模式为车辆正常启动的控制模式。

4.根据权利要求3所述的一种用于纯电动汽车的高效复合储能***的控制方法，其特征在于，所述低速模式的控制方法包括如下步骤：

S31:车辆低速行驶时，供电负载以稳态低频分量为主，电流对蓄电池组(3)的冲击并不大，使用蓄电池组(3)通过双向DC/DC变换器(2)单独向负载供电；

S32:双向DC/DC变换器(2)工作在升压模式，控制策略为恒压控制，以维持直流侧母线(8)的电压，保证超级电容组(1)有足够的能量。

5.根据权利要求3所述的一种用于纯电动汽车的高效复合储能***的控制方法，其特征在于，所述高速模式的控制方法包括如下步骤：

S41:车辆高速行驶时，供电负载所需功率相对低速模式较大，仍然以稳态低频分量为主，复合储能***控制器(6)控制双向DC/DC变换器(2)工作在恒压模式，超级电容组(1)开始向负载供电；

S42:双向DC/DC变换器(2)参与直流侧母线(8)电压的控制。

6.根据权利要求3所述的一种用于纯电动汽车的高效复合储能***的控制方法，其特征在于，所述越障模式I的控制方法包括如下步骤：

S51:由复合储能***控制器(6)控制双向DC/DC变换器(2)关闭，由超级电容组(1)单独承担暂态高频电流；

S52:当障碍被越过，直流侧母线(8)电压下降至低于蓄电池组(3)电压时，蓄电池组通过功率开关管(5)和功率二极管(4)支路参与供电。

7.根据权利要求3所述的一种用于纯电动汽车的高效复合储能***的控制方法，其特征在于，所述越障模式II的控制方法包括如下步骤：

S61:由超级电容组(1)继续单独向负载供电，以充分利用超级电容的储能，提升电机的过载能力；

S62:车辆脱困以后，直流侧母线(8)电压上升，控制双向DC/DC变换器(2)工作在降压模式，采用恒流控制策略，让蓄电池组通过双向DC/DC变换器(2)向供电负载提供稳态低频电流。

8.根据权利要求3所述的一种用于纯电动汽车的高效复合储能***的控制方法，其特征在于，所述回馈制动模式的控制方法包括如下步骤：

S71:超级电容组(1)未充满电的情况下，电机(10)工作在回馈制动模式，产生制动回馈能量，给超级电容组(1)快速充电，使直流侧母线(8)电压回升；

S72:当车辆处于制动中后期或者深度制动时，直流侧母线(8)电压已经上升至超级电容组(1)的额定电压值，此时复合储能***控制器控制双向DC/DC变换器(2)工作在充电模式，对蓄电池组(1)进行充电。

9.根据权利要求3所述的一种用于纯电动汽车的高效复合储能***的控制方法，其特征在于，所述启动模式的控制方法包括如下步骤：

S81:由复合储能***控制器(6)开通功率开关管(5)，同时控制双向DC/DC变换器(2)关闭，使直流侧母线(8)电压在下降至蓄电池组(3)电压的过程中单独承担启动负载的暂态高频分量；

S82:蓄电池组(3)通过功率开关管(5)和功率二极管(4)支路向负载提供稳态低频分量。