CN111211590B - 一种车辆、复合电源***及其能量管理方法 - Google Patents

一种车辆、复合电源***及其能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种车辆、复合电源***及其能量管理方法，属于新能源动力电池应用领域。该复合电源***，包括功率型电池和能量型电池，功率型电池和能量型电池之间通过DC/DC变换器进行连接，还包括第一软启动模块和/或第二软启动模块，第一软启动模块设置在能量型电池与DC/DC变换器之间的第一连接线路上，第二软启动模块设置在功率型电池与DC/DC变换器之间的第二连接线路上。本发明通过在电源与变换器之间设置软启动模块，使得电源在启动上电时无冲击电流，避免电流过大造成相关元件过流损坏，提高电源管理***的安全性。

Description

一种车辆、复合电源***及其能量管理方法
技术领域
本发明涉及一种车辆、复合电源***及其能量管理方法，属于新能源动力电池应用领域。
背景技术
当今，环境污染、能源危机及其他诸多因素推动着电动汽车行业高速发展。该领域成为全世界关注的焦点，而我国也是将电动汽车产业列为重点发展的新型战略产业，希望通过发展电动汽车来促进我国汽车产业的结构调整和技术进步，最终实现汽车产业的“弯道超车”。而动力电池作为电动汽车的动力“心脏”，对整车的动力性能、安全性能、经济性都至关重要。
现阶段客户需求多样化，单独使用能量型电池进行集成设计，无法实现快速补电，针对有多次补电需求的客户，无法满足在运营间隙的补电需求，且受能量型电池倍率性能的影响，无法满足短时间的大倍率放电需求或提高车辆回馈效率；单独使用功率型电池进行集成设计，受允许的电压平台和倍率需求限制，无法实现大电量方案来满足客户长续航里程的需求，且受锂离子电池本身循环性能的限制，目前的集成设计方案只能实现3500次左右的循环寿命，且电池能量密度提升后，电池的循环性能是下降的，无法满足客户电池长寿命的需求。
申请公开号为CN 108437835 A的中国发明专利申请文件中公开了一种电源***，包括功率型电池和能量型电池，功率型电池和能量型电池之间通过DC/DC变换器进行连接，但是，在功率型电池或者能量型电池的运行过程中，电流可能会出现波动，比如出现电流过大的情况，例如：在充放电过程中，尤其是刚开始充电时，充电电流比较大，很容易对功率型电池或者能量型电池造成过流损坏，或者刚开始放电时，功率型电池或者能量型电池与DC/DC变换器之间的线路上的电流比较大，很容易对DC/DC变换器或者线路上其他的元器件造成过流损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车辆、复合电源***，用于解决在当线路中电流过大时易造成相关元件过流损坏的问题，同时还提出一种专用于复合电源***的复合电源***能量管理方法，用于解决车辆运行效率低，行驶里程短的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种车辆、复合电源***。一种复合电源***，包括功率型电池和能量型电池，功率型电池和能量型电池之间通过DC/DC变换器进行连接，复合电源***还包括第一软启动模块和/或第二软启动模块，第一软启动模块设置在能量型电池与DC/DC变换器之间的第一连接线路上，第二软启动模块设置在功率型电池与DC/DC变换器之间的第二连接线路上。
本发明通过在电源与变换器之间设置软启动模块，使得电源在启动上电时无冲击电流，避免电流过大造成相关元件过流损坏，提高电源管理***的安全性，功率型电池通过DC/DC变换器将能量转换给能量型电池，以实现续航里程增加。
进一步的，复合电源***还包括用于连接外部充电设备的充电接口，充电接口通过第三连接线路连接第一连接线路或者第二连接线路。
第三连接线路用于连接充电接口，充电接口用于给负荷电源***进行外接充电，以保证车辆正常运行。
进一步的，第三连接线路上设置有第三软启动模块。
在充电线路上设置软启动模块，避免在充电刚上电的时候电流过大损坏电源或者减少电源的寿命，提高电源的安全性。
一种车辆，包括车辆本体以及一种复合电源***，车辆本体包括整车用电设备与整车功率元件，复合电源***包括功率型电池和能量型电池，功率型电池和能量型电池之间通过DC/DC变换器进行连接，复合电源***还包括第一软启动模块和/或第二软启动模块，第一软启动模块设置在能量型电池与DC/DC变换器之间的第一连接线路上，第二软启动模块设置在功率型电池与DC/DC变换器之间的第二连接线路上，功率型电池和能量型电池通过整车功率元件连接整车供电线路，整车供电线路供电连接整车用电设备。
本发明通过在电源与变换器之间设置软启动模块，使得电源在启动上电时无冲击电流，避免电流过大造成相关元件过流损坏，提高电源管理***的安全性，功率型电池通过DC/DC变换器将能量转换给能量型电池，以实现续航里程增加。
进一步的，复合电源***还包括第一软启动模块和第二软启动模块，整车功率元件通过第四连接线路连接第一软启动模块与DC/DC变换器之间，整车功率元件通过第五连接线路连接功率型电池与第二软启动模块之间。
进一步的，复合电源***还包括用于连接外部充电设备的充电接口，充电接口通过第三连接线路连接第一连接线路或者第二连接线路。
第三连接线路用于连接充电接口，充电接口用于给负荷电源***进行外接充电，以保证车辆正常运行。
进一步的，第三连接线路上设置有第三软启动模块。
在充电线路上设置软启动模块，避免在充电刚上电的时候电流过大损坏电源或者减少电源的寿命，提高电源的安全性。
另外，本发明还提出一种专用于复合电源***的复合电源***能量管理方法，包括行车状态下的能量管理策略，行车状态下的能量管理策略包括以下控制过程：
车辆正常运行工况下，由能量型电池为整车供电，实时检测整车供电电流，当在第一设定时间段内电流持续大于或者等于单独供电上限电流阈值时，控制功率型电池投入，由能量型电池与功率型电池同时为整车供电，之后当在第二设定时间段内电流持续小于或者等于共同供电下限电流阈值时，控制功率型电池退出，由能量型电池单独为整车供电；车辆在运行过程中进行停车短时补电时，首先对功率型电池进行补电，当功率型电池的SOC到达第一设定上限阈值时，控制切换到为能量型电池进行充电。
能量型电池具有较高的容量，但是充放电电流较小，功率型电池支持大倍率的充放电，因此，在车辆电流较小时，无需使用功率型电池供电，可以节约用电，在能量型电池电量不足的情况下，功率型电池可以续电，保证车辆的正常行驶，增加车辆的续航里程，提高车辆的运行效率；在车辆电流较大时，加入功率型电池供电，可以保证车辆的动力需求，同时还可以避免能量型电池输出电流较大而较少能量型电池的使用寿命。
进一步的，复合电源***能量管理方法还包括充电状态下的能量管理策略，包括以下控制过程：车辆在停车充电过程中，首先为能量型电池进行充电，在能量型电池的SOC到达第二设定上限阈值时，控制切换到为功率型电池进行充电。
复合电源***在停车充电时，已经做好长时间充电的准备，因此先将能量型电池充电完成后切换为功率型电池充电，以保证能量型电池的电量，进而进一步的保证车辆的正常行驶。
进一步的，复合电源***能量管理方法还包括制动能量回收管理策略，包括以下控制过程：在制动能量回收过程中，首先将电能回馈到功率型电池中，当功率型电池的SOC达到第三设定上限阈值时，控制切换将电能回馈到能量型电池中。
由于功率型电池充放电速度快，因此在能量回收时先将电能回馈到功率型电池中，提高电能的回收率。
附图说明
图1为本发明复合电源***原理图；
图2为本发明整车功率元件布置图；
图3为本发明处理器控制原理图；
图4为本发明行车时复合电源***的能量管理方法流程图；
图5为本发明停车短时补电控制策略流程图；
图6为本发明外接充电控制策略流程图。
具体实施方式
车辆实施例：
车辆包括车辆本体以及一种复合电源***，车辆本体包括整车用电设备与整车功率元件，复合电源***如图1所示，包括功率型电池和能量型电池，功率型电池和能量型电池之间通过DC/DC变换器(以下简称DC/DC)进行连接，并且在能量型电池与DC/DC之间的第一连接线路上设置有第一软启动模块，在功率型电池与DC/DC之间的第二连接线路上设置有第二软启动模块。功率型电池和能量型电池通过整车功率元件连接整车供电线路，整车供电线路供电连接整车用电设备。
具体为，第一软启动模块包括两条支路，一条支路上串设有开关S4，另一条支路串设有电阻R3、二极管D3以及开关S6，第二软启动模块也包括两条支路，一条支路上串设有开关S1，另一条支路串设有电阻R1、二极管D1以及开关S3。DC/DC的电路连接关系如图1所示，为现有技术，这里不做赘述。
本实施例中，在第一连接线路与第二连接线路上同时设置有软启动模块，作为其他实施方式，在可以保证安全的情况下，软启动模块也可以设置在其中任意一条线路上。
本实施例中，将能量型电源以及功率型电源同时连接整车功率元件，具体为整车功率元件通过第四连接线路连接第一软启动模块与DC/DC之间，整车功率元件通过第五连接线路连接功率型电池与第二软启动模块之间。
整车功率元件如图2所示，其中K1为总开关功率元件，K2、K3、K4、K5、K6为分开关功率元件，负责整车动力、转向、配电等输出，根据驾驶员意图，响应相应功能，包括加速、制动、制热、制冷等。
为了保证车辆的充电，那么充电接口是必不可少的，复合电源***还包括用于连接外部充电设备的充电接口，充电接口通过第三连接线路连接第一连接线路或者第二连接线路，本实施例中，具体为充电接口分为DC+端与DC-端，DC+端与DC-端连接第三连接线路，第三连接线路连接第二连接线路。
为了保证外部设备给复合电源***进行充电时，避免冲击电流对复合电源***的损坏，在DC+端的连接线上设置有第三软启动模块，具体为第三软启动模块包括两条支路，一条支路上串设有开关S2，另一条支路上串设有电阻R2、二极管D2以及开关S5，当然，在保证复合电源***安全性的前提下，第三软启动模块也可以没有。
为了实现复合电源***的能量管理，如图3所示，车辆还包括控制器，控制器包括处理器(DSP)以及存储器(图中未画出)，DSP处理存储在存储器中的程序实现复合电源***的能量管理，具体DSP的控制原理如图3所示，为现有技术，这里不做赘述。以下对复合电源***的能量管理方法(以下简称管理方法)进行详细说明：
管理方法包括行车状态下的能量管理策略如图4所示，当车辆上电后，车辆正常运行工况下，进入行车模式，能量型电池、功率型电池与DC/DC连接器进行自检，若全部正常工作，则能量型电池的开关S4闭合，由能量型电池为整车功率元件进行预充电，之后吸合主接触器(图中未画出)，上电完成，可以指令行车，此时由能量型电池为整车供电，实时检测整车供电电流，当在第一设定时间段，例如15S内电流持续大于或者等于单独供电上限电流阈值1C时，开关S8闭合，控制功率型电池投入，由能量型电池与功率型电池同时为整车供电，之后当在第二设定时间段，例如60S内电流持续小于或者等于共同供电下限电流阈值0.6C时，开关S8断开，控制功率型电池退出，由能量型电池单独为整车供电，车辆ON火信号消失后，对复合管理***的管理数据进行存储，车辆熄火后，能量型电池下电。
一般情况下，15S内电流持续大于或者等于单独供电上限电流阈值1C的情况为车辆在爬坡或者加速阶段，因此需要能量型电池与功率型电池同时给整车供电，以提高整车动力性能。
车辆在运行过程中会进行停车短时补电，这里所说的停车短时补电代表车辆在行车过程中达到某个可以充电的充电站时，临时停车进行短时充电，例如：当公交车运行到终点站后需要休息20分钟到半个小时，此时可以对各电源进行充电，充电时间很短，而且紧接着要马上运行，具体停车短时补电的过程如图5所示，通过充电接口外接充电设备后，进入充电模式，各电源以及DC/DC连接器进行自检，自检通过后，判断能量型电池的SOC与功率型电池的SOC是否有一个大于40％，若有，则闭合开关S2与S1，断开开关S4，为功率型电池充电，进入充电模式，当车辆需要继续运行时，手动停止充电，补电结束；当车辆处于继续充电的模式时，判断功率型电池的SOC是否达到第一设定上限阈值或者充满，达到第一设定上限阈值或者充满后，断开开关S1，闭合开关S4，为能量型电池充电，之后充电断开，车辆继续行驶。
当车辆停止运行，需要进行长时间充电时，管理方法还包括如图6所示的充电状态下的能量管理策略，通过充电接口外接充电设备后，进入充电模式，各电源以及DC/DC连接器进行自检，自检通过后，判断能量型电池的SOC与功率型电池的SOC是否都小于40％，若是，则闭合开关S2与S4，断开开关S1，为能量型电池充电，进入充电模式，当能量型电池的SOC到达第二设定上限阈值时或者充满时，断开开关S4，闭合开关S1，为功率型电池充电，充满后停止充电。
管理方法还包括制动能量回收管理策略，在制动能量回收过程中，首先将电能回馈到功率型电池中，当功率型电池的SOC达到第三设定上限阈值时或者充满时，控制切换将电能回馈到能量型电池中。
车辆在长续航里程行驶过程中主要以能量型电池供电为主，功率型电池可以通过DC/DC将能量转换给能量型电池，以实现续航里程增加，其中功率型电池、能量型电池以及DC/DC通过水冷的方式进行热管理。
复合电源***实施例：
关于复合电源***的结构组成、连接关系以及工作过程在上述车辆实施例中已经介绍，这里不做赘述。
专用于复合电源***的复合电源***能量管理方法实施例：
复合电源***能量管理方法的工作过程在上述车辆实施例中已经介绍，这里不做赘述。

Claims (9)

1.一种复合电源***，包括功率型电池和能量型电池，功率型电池和能量型电池之间通过DC/DC变换器进行连接，其特征在于，所述复合电源***还包括第一软启动模块和/或第二软启动模块，所述第一软启动模块设置在能量型电池与DC/DC变换器之间的第一连接线路上，所述第二软启动模块设置在功率型电池与DC/DC变换器之间的第二连接线路上，复合电源***用于实现以下控制方法：进入行车模式后由能量型电池单独为整车供电，直至在第一设定时间段电流持续大于或者等于供电上限阈值时，控制功率型电池投入，由能量型电池和功率型电池同时为整车供电，之后在第二设定时间段电流持续小于或者等于共同供电下限电流阈值，控制功率型电池退出，依然由能量型电池单独为整车供电；功率型电池通过DC/DC将能量转换给能量型电池以实现续航里程增加。
2.根据权利要求1所述的复合电源***，其特征在于，所述复合电源***还包括用于连接外部充电设备的充电接口，所述充电接口通过第三连接线路连接所述第一连接线路或者第二连接线路。
3.根据权利要求2所述的复合电源***，其特征在于，所述第三连接线路上设置有第三软启动模块。
4.一种车辆，包括车辆本体以及一种复合电源***，车辆本体包括整车用电设备与整车功率元件，所述复合电源***包括功率型电池和能量型电池，功率型电池和能量型电池之间通过DC/DC变换器进行连接，其特征在于，所述复合电源***还包括第一软启动模块和/或第二软启动模块，所述第一软启动模块设置在能量型电池与DC/DC变换器之间的第一连接线路上，所述第二软启动模块设置在功率型电池与DC/DC变换器之间的第二连接线路上，所述功率型电池和能量型电池通过整车功率元件连接整车供电线路，所述整车供电线路供电连接所述整车用电设备；所述第一软启动模块包括两条支路，一条支路上串设有开关S4，另一条支路串设有电阻R3、二极管D3以及开关S6,第二软启动模块也包括两条支路一条支路上串设有开关S1,另一条支路串设有电阻R1、二极管D1以及开关S3；复合电源***用于实现以下控制方法：进入行车模式后由能量型电池单独为整车供电，直至在第一设定时间段电流持续大于或者等于供电上限阈值时，控制功率型电池投入，由能量型电池和功率型电池同时为整车供电，之后在第二设定时间段电流持续小于或者等于共同供电下限电流阈值，控制功率型电池退出，依然由能量型电池单独为整车供电；功率型电池通过DC/DC将能量转换给能量型电池以实现续航里程增加。
5.根据权利要求4所述的车辆，其特征在于，所述复合电源***还包括用于连接外部充电设备的充电接口，所述充电接口通过第三连接线路连接所述第一连接线路或者第二连接线路。
6.根据权利要求5所述的车辆，其特征在于，所述第三连接线路上设置有第三软启动模块。
7.一种专用于权利要求1或2或3中所述复合电源***的复合电源***能量管理方法，其特征在于，包括行车状态下的能量管理策略，所述行车状态下的能量管理策略包括以下控制过程：
进入行车模式后由能量型电池单独为整车供电，直至在第一设定时间段电流持续大于或者等于供电上限阈值时，控制功率型电池投入，由能量型电池和功率型电池同时为整车供电，之后在第二设定时间段电流持续小于或者等于共同供电下限电流阈值，控制功率型电池退出，依然由能量型电池单独为整车供电；功率型电池通过DC/DC将能量转换给能量型电池以实现续航里程增加；车辆在运行过程中进行停车短时补电时，首先对功率型电池进行补电，当功率型电池的SOC到达第一设定上限阈值时，控制切换到为能量型电池进行充电。
8.根据权利要求7所述的复合电源***能量管理方法，其特征在于，所述复合电源***能量管理方法还包括充电状态下的能量管理策略，包括以下控制过程：车辆在停车充电过程中，首先为能量型电池进行充电，在能量型电池的SOC到达第二设定上限阈值时，控制切换到为功率型电池进行充电。
9.根据权利要求7所述的复合电源***能量管理方法，其特征在于，所述复合电源***能量管理方法还包括制动能量回收管理策略，包括以下控制过程：在制动能量回收过程中，首先将电能回馈到功率型电池中，当功率型电池的SOC达到第三设定上限阈值时，控制切换将电能回馈到能量型电池中。
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