基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置，其由車載電池、超級(jí)電容單元、雙向DC-DC變換單元、復(fù)合電源控制單元和信號(hào)檢測(cè)單元組成；所述車載電池采用蓄電池組；所述超級(jí)電容單元與雙向DC-DC變換單元雙向電連接并通過所述雙向DC-DC變換單元與所述車載電池電連接；所述復(fù)合電源控制單元分別與所述車載電池、超級(jí)電容單元、雙向DC-DC變換單元和信號(hào)檢測(cè)單元通過電信號(hào)連接；所述信號(hào)檢測(cè)單元與所述復(fù)合電源控制單元通過電信號(hào)連接。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、合理，能夠?qū)崿F(xiàn)能量存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)時(shí)調(diào)整，從而改善電源質(zhì)量和啟動(dòng)特性，提高車載電池的使用效率。
【專利說明】基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電動(dòng)汽車【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源
>J-U ρ?α裝直。

【背景技術(shù)】
[0002]純電動(dòng)汽車的電源為電池，受電池本身特性的影響，電池耐受沖擊能力弱，而超級(jí)電容器作為一種雙電層電容器，由于特殊的原材料和制作方法使其具有較高的功率密度和效率，兼具電池與電容的雙重特性，成為一種性能極佳的動(dòng)力電源。超級(jí)電容器滿足了市場(chǎng)對(duì)高頻率、大強(qiáng)度、高循環(huán)次數(shù)、并符合環(huán)保政策的動(dòng)力電源的需求，在電動(dòng)汽車、電子電器、蓄能裝置、太陽能等領(lǐng)域有著極好的發(fā)展前景。在常溫下，帶電蓄電池因長(zhǎng)期未能及時(shí)補(bǔ)充電，蓄電池內(nèi)阻增加、電量?jī)?chǔ)存能力下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致汽車無法正常起動(dòng)。在低溫狀態(tài)下，鉛酸蓄電池內(nèi)部電解液電離及導(dǎo)電性能變差，使蓄電池的放電能力大大降低，汽車起動(dòng)時(shí)所需的有效能量極度衰減，據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，在低溫_41°C的條件下，蓄電池的有效能量不超過標(biāo)定容量的10%，此時(shí)普通鉛酸蓄電池基本上很難正常工作。傳統(tǒng)車載供電裝置依靠蓄電池供電，蓄電池在低溫和虧電情況下的能量密度小，對(duì)啟動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)能力差。
[0003]鑒于此，在中國(guó)專利201120417787.6中公開了一種純電動(dòng)汽車復(fù)合電源能量管理預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，包括電機(jī)、動(dòng)力蓄電池組和超級(jí)電容，動(dòng)力蓄電池組和超級(jí)電容分別經(jīng)雙向DC-DC變換器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置相連，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置連接電機(jī)，其中，還包括微處理器控制系統(tǒng)，以及與微處理器控制系統(tǒng)相連接的車載導(dǎo)航系統(tǒng)、電門踏板電位器、剎車踏板電位器、電機(jī)檢測(cè)單元、動(dòng)力蓄電池能量管理系統(tǒng)和超級(jí)電容能量管理系統(tǒng)。該技術(shù)方案可增加能量回收，提高電動(dòng)汽車一次充電行駛里程，但是當(dāng)在低溫環(huán)境中，其蓄電池的瞬時(shí)放電能力差，無法提供起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)功率。
[0004]在另一中國(guó)專利201310426784.X中公開了一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源，采用動(dòng)力電池與負(fù)載直接相連，而超級(jí)電容器與雙向DC/DC變換器串聯(lián)后再與動(dòng)力電池并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。功率總線將電機(jī)需求總功率送入DC/DC變換器控制策略中，由DC/DC變換器控制策略將總功率按照實(shí)際工況需求分配給動(dòng)力電池和超級(jí)電容器。該技術(shù)方案雖然能低一定程度上能夠緩解大電流對(duì)電池的沖擊，回收制動(dòng)能量，延長(zhǎng)電源工作壽命，實(shí)現(xiàn)復(fù)合電源“削峰填谷”的思想，但是其充放電效率偏低，影響汽車起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)功率。
[0005]再有中國(guó)專利200410011420.6中公開了一種混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源裝置，它包括大比能動(dòng)力蓄電池和與其串聯(lián)的電機(jī)逆變器、電機(jī)，蓄電池、電機(jī)逆變器、發(fā)動(dòng)機(jī)的控制端口是分別通過電源控制器、電機(jī)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器分別與整車控制器電連接，其特征在于還包括一通過雙向DC/DC變換器并聯(lián)在電機(jī)逆變器及蓄電池之間的超級(jí)電容器，超級(jí)電容器、雙向DC/DC變換器的控制端口分別與電源控制器電連接。該技術(shù)方案雖然也由超級(jí)電容器對(duì)電源中蓄電池起到功率緩沖的作用，克服蓄電池比功率低及大電流充放困難及效率低的的缺點(diǎn)，但是復(fù)合電容中超級(jí)電容的作用僅僅是起到輔助作用，易出現(xiàn)能量不足的問題，無法完全代替電池的作用。
[0006]基于以上原因，對(duì)現(xiàn)有的基于超級(jí)電容的汽車復(fù)合電源裝置，有必要進(jìn)一步完善，以有效彌補(bǔ)車載電池在不同情況下能量不足的缺陷，提高能量回饋的效率和改善電源品質(zhì)，進(jìn)而改善整車的使用性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述問題，為了改善現(xiàn)有基于超級(jí)電容的汽車復(fù)合電源裝置的車載電源性能，而提出了一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、合理，能夠?qū)崿F(xiàn)能量存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)時(shí)調(diào)整，從而改善電源質(zhì)量和啟動(dòng)特性，提高車載電池的使用效率的基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置。
[0008]本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]上述的基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置，由車載電池、超級(jí)電容單元、雙向DC-DC變換單元、復(fù)合電源控制單元和信號(hào)檢測(cè)單元組成；所述車載電池采用蓄電池組；所述超級(jí)電容單元與雙向DC-DC變換單元雙向電連接并通過所述雙向DC-DC變換單元與所述車載電池電連接；所述復(fù)合電源控制單元分別與所述車載電池、超級(jí)電容單元、雙向DC-DC變換單元和信號(hào)檢測(cè)單元通過電信號(hào)連接；所述信號(hào)檢測(cè)單元與所述復(fù)合電源控制單元通過電信號(hào)連接。
[0010]所述基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置，其中:所述復(fù)合電源控制單元包括蓄電池D、電池總開關(guān)K0、繼電器JD1?JD3、起動(dòng)機(jī)M、電容C、保險(xiǎn)絲FUl和FU2以及BOOST電路組成；所述蓄電池D的負(fù)極接地，正極端連接所述電池總開關(guān)KO ;所述繼電器JDl包括觸點(diǎn)開關(guān)Kl和線圈KM1，所述觸點(diǎn)開關(guān)Kl 一端連接于所述起動(dòng)機(jī)M并通過所述起動(dòng)機(jī)M接地；所述線圈KMl —端接地，另一端接所述復(fù)合電源控制單元；所述繼電器JD2包括觸點(diǎn)開關(guān)K2和線圈KM2，所述觸點(diǎn)開關(guān)K2 —端通過所述電池總開關(guān)KO連接所述蓄電池D的正極，另一端連接于所述觸點(diǎn)開關(guān)Kl另一端；所述線圈KM2 —端接地，另一端接所述復(fù)合電源控制單元；所述繼電器JD3包括觸點(diǎn)開關(guān)K3和線圈KM3，所述觸點(diǎn)開關(guān)K3 —端通過所述保險(xiǎn)絲FUl與所述觸點(diǎn)開關(guān)Kl、K2的另一端連接，同時(shí)還通過所述保險(xiǎn)絲FU2連接至所述BOOST電路；所述觸點(diǎn)開關(guān)K3的另一端連接所述電容C并通過所述電容C接地；所述線圈KM3 —端接地，另一端連接于BOOST電路；所述BOOST電路一端接地，另一端為充電端且與所述電容C連接。
[0011]所述基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置，其中:所述BOOST電路由電感L1、開關(guān)Q1、二極管Dl和電容Cl連接組成；所述電感LI 一端連接所述車載電池的正極，另一端連接所述二極管Dl并通過所述二極管Dl連接所述超級(jí)電容單元；所述二極管Dl的陽極端連接所述電感LI，陰極端連接所述超級(jí)電容單元；所述開關(guān)Ql —端連接于所述電感LI與二極管Dl陽極端的連接點(diǎn)，所述開關(guān)Ql另一端分別連接所述電感L1、電容Cl和超級(jí)電容單元。
[0012]有益效果:
[0013]本實(shí)用新型基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、合理，能夠?qū)崿F(xiàn)能量存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)時(shí)調(diào)整，從而改善電源質(zhì)量和啟動(dòng)特性，提高車載電池的使用效率；采用雙向直流變換結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度閉環(huán)控制技術(shù)，極大的改善了啟動(dòng)特性、提高電源品質(zhì)、增強(qiáng)電池使用壽命和提高回饋能量的吸收效率，極大的改善了車載電源系統(tǒng)的性能；本實(shí)用新型作為車載電池的復(fù)合電源，可以改善在電池虧電和低溫情況下啟動(dòng)特性、提高電源品質(zhì)、增強(qiáng)電池使用壽命和提高回饋能量的吸收效率，可以作為所有車載24V系統(tǒng)電源的復(fù)合電源裝置使用；本實(shí)用新型能夠有效的彌補(bǔ)車載電池在不同情況下能量不足的缺陷，同時(shí)該復(fù)合電源裝置還能提高能量回饋的效率和改善電源品質(zhì)，對(duì)改善整車的使用性能有明顯重要的意義。
[0014]取用環(huán)境溫度信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)作為反饋信號(hào)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償和能量補(bǔ)償，溫度越低，補(bǔ)償?shù)哪芰吭礁?；同時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，利用復(fù)合電源裝置對(duì)起動(dòng)機(jī)進(jìn)行能量補(bǔ)充，提高蓄電池的啟動(dòng)能力；
[0015]啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，為了提高呈車載電池的使用壽命和車載電池的利用率，先用車載電池提高能量，起動(dòng)一定時(shí)間以后但發(fā)動(dòng)機(jī)未完全啟動(dòng)時(shí)，基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源中的電池提供初始能量；在能量回饋狀態(tài)時(shí)，利用基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源的能量密度高的特點(diǎn)吸收該能量，電容C儲(chǔ)能達(dá)到上限時(shí)，復(fù)合電源控制單元將儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的能量緩慢的轉(zhuǎn)移到車載電池中，提高了能量的利用率；在車輛突然加速或者需要較大功率輸出時(shí)，由基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源中車載電池和超級(jí)電容單元一起提供能量，保證基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源的功率輸出；
[0016]該雙向DC-DC變換單元采用雙向直流變換結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)以下功能:一是實(shí)現(xiàn)蓄電池D能量快速向電容C能量的轉(zhuǎn)移；二是顯示車載制動(dòng)能量的快速吸收；三是超級(jí)電容單元的充電控制；四是實(shí)現(xiàn)車載電池和超級(jí)電容單元的放電控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0018]圖2為本實(shí)用新型基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置的另一結(jié)構(gòu)原理圖；
[0019]圖3為本實(shí)用新型基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置的BOOST電路的連接原理圖；
[0020]圖4為本實(shí)用新型基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置的復(fù)合電源控制單元的控制原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1至3所示，本實(shí)用新型基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置，包括車載電池1、超級(jí)電容單元2、雙向DC-DC變換單元3、復(fù)合電源控制單元4和信號(hào)檢測(cè)單元5。
[0022]該車載電池I為蓄電池組，為車載電器和啟動(dòng)機(jī)等負(fù)載提供能量。
[0023]該超級(jí)電容單元2與雙向DC-DC變換單元3雙向電連接并通過雙向DC-DC變換單元3與車載電池I電連接，以實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。
[0024]該雙向DC-DC變換單元3實(shí)現(xiàn)車載電池I與超級(jí)電容單元2能量的雙向流動(dòng):當(dāng)電池虧電時(shí)，車載電池I將能量轉(zhuǎn)移到超級(jí)電容單元2 ;制動(dòng)時(shí)制動(dòng)能量的存儲(chǔ)對(duì)象切換到超級(jí)電容單元2 ;啟動(dòng)時(shí)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一數(shù)值前，能量供給單元為車載電池I ;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，能量供給單元為車載電池I與超級(jí)電容單元2。
[0025]該復(fù)合電源控制單元4分別與車載電池1、超級(jí)電容單元2、雙向DC-DC變換單元3和信號(hào)檢測(cè)單元5通過電信號(hào)連接。其中，該復(fù)合電源控制單元4的控制對(duì)象為蓄電池D、電池總開關(guān)K0、繼電器JDf JD3、起動(dòng)機(jī)M、電容C、B00ST電路。該蓄電池D的負(fù)極接地，正極端連接電池總開關(guān)K0。該繼電器JDl包括觸點(diǎn)開關(guān)Kl和線圈KM1，該觸點(diǎn)開關(guān)Kl 一端連接于起動(dòng)機(jī)M并通過起動(dòng)機(jī)M接地；該線圈KMl —端接地,另一端接復(fù)合電源控制單元4。該繼電器JD2包括觸點(diǎn)開關(guān)K2和線圈KM2，該觸點(diǎn)開關(guān)K2 —端通過電池總開關(guān)KO連接蓄電池D的正極，另一端連接于觸點(diǎn)開關(guān)Kl的另一端；該線圈KM2 —端接地，另一端接復(fù)合電源控制單元4。該繼電器JD3包括觸點(diǎn)開關(guān)K3和線圈KM3，該觸點(diǎn)開關(guān)K3 —端通過保險(xiǎn)絲FUl與觸點(diǎn)開關(guān)K1、K2的另一端連接，同時(shí)還通過保險(xiǎn)絲FU2連接至BOOST電路；該觸點(diǎn)開關(guān)K3的另一端連接電容C并通過電容C接地；線圈KM3 —端接地，另一端連接于BOOST電路。該BOOST電路一端接地，另一端為充電端且與電容C連接。
[0026]如圖4所示，該BOOST電路由電感L1、開關(guān)Q1、二極管Dl和電容Cl連接組成；該電感LI 一端連接車載電池I的正極，另一端連接二極管Dl并通過二極管Dl連接超級(jí)電容單元2，其中，該二極管Dl的陽極端連接電感LI，陰極端連接超級(jí)電容單元2 ;該開關(guān)Ql —端連接于電感LI與二極管Dl陽極端的連接點(diǎn)，該開關(guān)Ql另一端分別連接電感L1、電容Cl和超級(jí)電容單元2。
[0027]該信號(hào)檢測(cè)單元5主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度，其與復(fù)合電源控制單元4通過電信號(hào)連接并將檢測(cè)的相關(guān)信號(hào)發(fā)送給復(fù)合電源控制單元4。
[0028]本實(shí)用新型的控制原理:
[0029]I)在低溫環(huán)境下(_30°C以下)起動(dòng)時(shí)，車載電池I對(duì)超級(jí)電容單元2充電，充電終止電壓高于車載電池I電壓，此時(shí)通過能量轉(zhuǎn)移依靠電容C輔助起動(dòng)起動(dòng)機(jī)M ;
[0030]2)起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功后，超級(jí)電容單元2與車載電池I并聯(lián)在一起，由超級(jí)電容單元2吸收尖峰電壓，改善電源品質(zhì)；
[0031]3)常溫電池不虧電啟動(dòng)時(shí),起動(dòng)機(jī)M啟動(dòng)時(shí)需要較大的啟動(dòng)電流,超級(jí)電容單元2和車載電池I并聯(lián)，由于超級(jí)電容單元2的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于車載電池I內(nèi)阻，此時(shí)由超級(jí)電容單元2和車載電池I 一起給起動(dòng)機(jī)提供能量，提高車載復(fù)合電源裝置的起動(dòng)能力和車載電池I的使用壽命(對(duì)于頻繁啟動(dòng)的車輛，車載復(fù)合電源裝置能夠顯著地提高電池的使用壽命。);
[0032]4)車載電池I虧電起動(dòng)時(shí)，車載電池I對(duì)超級(jí)電容單元2充電，充電終止電壓高于車載電池I電壓，此時(shí)通過能量轉(zhuǎn)移依靠電容C輔助起動(dòng)起動(dòng)機(jī)M。
[0033]5)制動(dòng)情況下，超級(jí)電容單元2和車載電池I并聯(lián)，利用超級(jí)電容單元2功率密度大的特性，吸收制動(dòng)能量，提高制動(dòng)能量吸收效率；
[0034]6)車載電池I與電容C的電壓差大于1.5V時(shí),蓄電池D米用大電流充電模式對(duì)電容C充電，當(dāng)車載電池I與電容C的電壓差小于1.5V時(shí)，利用BOOST電路對(duì)電容C充電，這樣能夠減小充電時(shí)間和提高BOOST電路的使用壽命。
[0035]本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、合理，其采用雙向直流變換結(jié)構(gòu)和多工況自適應(yīng)的控制策略，可實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)時(shí)調(diào)整，能適用于所有24V車載電源系統(tǒng)，可以適應(yīng)不同電壓等級(jí)的車載電源系統(tǒng)并確保該車載復(fù)合電源裝置具有效性和可靠性。
【權(quán)利要求】
1.一種基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置，其特征在于:所述車載復(fù)合電源裝置由車載電池、超級(jí)電容單元、雙向DC-DC變換單元、復(fù)合電源控制單元和信號(hào)檢測(cè)單元組成； 所述車載電池采用蓄電池組； 所述超級(jí)電容單元與雙向DC-DC變換單元雙向電連接并通過所述雙向DC-DC變換單元與所述車載電池電連接； 所述復(fù)合電源控制單元分別與所述車載電池、超級(jí)電容單元、雙向DC-DC變換單元和信號(hào)檢測(cè)單元通過電信號(hào)連接； 所述信號(hào)檢測(cè)單元與所述復(fù)合電源控制單元通過電信號(hào)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置，其特征在于:所述復(fù)合電源控制單元包括蓄電池D、電池總開關(guān)K0、繼電器JDf JD3、起動(dòng)機(jī)M、電容C、保險(xiǎn)絲FUl和FU2以及BOOST電路組成； 所述蓄電池D的負(fù)極接地，正極端連接所述電池總開關(guān)KO ； 所述繼電器JDl包括觸點(diǎn)開關(guān)Kl和線圈KM1，所述觸點(diǎn)開關(guān)Kl 一端連接于所述起動(dòng)機(jī)M并通過所述起動(dòng)機(jī)M接地；所述線圈KMl —端接地,另一端接所述復(fù)合電源控制單元； 所述繼電器JD2包括觸點(diǎn)開關(guān)K2和線圈KM2，所述觸點(diǎn)開關(guān)K2 —端通過所述電池總開關(guān)KO連接所述蓄電池D的正極，另一端連接于所述觸點(diǎn)開關(guān)Kl另一端；所述線圈KM2 —端接地，另一端接所述復(fù)合電源控制單元； 所述繼電器JD3包括觸點(diǎn)開關(guān)K3和線圈KM3，所述觸點(diǎn)開關(guān)K3 —端通過所述保險(xiǎn)絲FUl與所述觸點(diǎn)開關(guān)Kl、K2的另一端連接，同時(shí)還通過所述保險(xiǎn)絲FU2連接至所述BOOST電路；所述觸點(diǎn)開關(guān)K3的另一端連接所述電容C并通過所述電容C接地；所述線圈KM3 —端接地，另一端連接于BOOST電路；所述BOOST電路一端接地，另一端為充電端且與所述電容C連接。
3.如權(quán)利要求2所述的基于超級(jí)電容的車載復(fù)合電源裝置，其特征在于:所述BOOST電路由電感L1、開關(guān)Ql、二極管Dl和電容Cl連接組成； 所述電感LI 一端連接所述車載電池的正極，另一端連接所述二極管Dl并通過所述二極管Dl連接所述超級(jí)電容單元； 所述二極管Dl的陽極端連接所述電感LI，陰極端連接所述超級(jí)電容單元； 所述開關(guān)Ql —端連接于所述電感LI與二極管Dl陽極端的連接點(diǎn)，所述開關(guān)Ql另一端分別連接所述電感L1、電容Cl和超級(jí)電容單元。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK204089283SQ201420563156
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】梅建偉, 姜木霖, 史旅華, 劉杰, 趙榕, 魏海波 申請(qǐng)人:湖北汽車工業(yè)學(xué)院