一种光伏增程式车载复合电源控制系统及方法与流程

本发明属于车载复合电源控制系统技术领域，具体涉及一种光伏增程式车载复合电源控制系统及方法。

背景技术：

现有汽车中，为满足汽车在启动、加速和爬坡过程中对动力电池组兼顾功率和能量的双重需求，同时最大限度回收再生制动能量，超级电容器与蓄电池相结合所构成的复合电源系统获得广泛应用；目前，太阳能微网发电已经获得广泛应用；采用太阳能功能的电动汽车充电站也已经获得应用。

光伏太阳能能够连续发电，持续供能；现有的光伏能量已经达到300w/m²，对于多数低速车辆来说，车顶1.5m²的面积能够提供越450w的电能供给；目前，超级电容器的使用功率约为300w左右，超级电容器能够迅速补充电量，并且能够迅速释放电能，同时超级电容器的自放电特性也能够满足日常的行驶需求，其快充快放的特性能够与太阳能板很好的结合。

但是现有复合电源应多采用双向dc-dc变换器或多个单向dc-dc，实现不同电位的电池和超级电容器的拓扑结构；该种结构在高电压工况下虽然能够保证良好的性能，但是对于低速电动汽车，功率损失较小同时不需要精确的控制，为单向dc-dc的应用提供了可能，双向dc-dc价格昂贵，是复合电源增加的重要成本之一；并且现有的车载复合电源控制系统结构复杂、稳定性差。

基于上述车载电源中存在的技术问题，尚未有相关的解决方案；因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种光伏增程式车载复合电源控制系统及方法，旨在解决现有车载复合电源成本高的问题。

本发明提供一种光伏增程式车载复合电源控制系统，包括有主控制单元、复合电源系统、太阳能板、状态监测单元、复合电源拓扑结构、能量分配单元以及驱动系统；太阳能板分别与状态监测单元和复合电源拓扑结构连接；复合电源拓扑结构分别与复合电源系统和能量分配单元连接；复合电源系统还与状态监测单元连接；能量分配单元还与驱动系统连接；主控制单元分别与状态监测单元、复合电源拓扑结构以及能量分配单元连接；太阳能板用于向复合电源系统和驱动系统提供能量，并可通过复合电源拓扑结构实现多种能量供给模式；复合电源系统用于向驱动系统提供电源；状态监测单元监测太阳能板和复合电源系统的状态信息，并传输至主控制单元；主控制单元通过接收状态信息，并通过控制复合电源拓扑结构和能量分配单元以向驱动系统进行能量分配。

进一步地，复合电源系统包括有锂离子动力电池和超级电容器；太阳能板用于向超级电容器提供电能存储或向驱动系统的电机提供电能；锂离子动力电池用于向驱动系统的电机提供电能；超级电容器通过dc-dc模块向驱动系统的电机提供电能。

进一步地，状态监测单元通过监测太阳能板和复合电源系统的电压信号和/或电流信号，并传输至主控制单元。

进一步地，当监测所述太阳能板和复合电源系统的信息为电压信号时，电压信号通过稳压电路模块和滤波处理模块并经过单片机i/o口传输给单片机控制单元，并在显示单元上显示；当监测太阳能板和复合电源系统的信息为电流信号时，电流信号通过信号转换模块直接传输给单片机控制单元，并在显示单元上显示。

进一步地，复合电源拓扑结构包括有多条支路、多个继电器以及升压模块；主控制单元通过控制复合电源拓扑结构中的继电器，从而控制复合电源系统实现锂离子动力电池单独供电、锂离子动力电池和超级电容器共同供电、超级电容器单独供电、太阳能板为超级电容器充电以及太阳能板直接为电机供电五种能量供给模式。

进一步地，超级电容器包括第一超级电容器和第二超级电容器；驱动系统包括电机；太阳能板通过第一支路和第四支路与超级电容器正极连接；第一支路通过第二支路和电机正极连接；第二支路上设有第三继电器；第一支路通过第三支路与第二超级电容器正极连通，并且第三支路上设有第二继电器；第一支路通过第四支路与第一超级电容器正极连通；第一支路上还设有第四继电器，第四继电器位于第二支路和超级电容器之间；第二超级电容器的负极通过第一继电器与第一超级电容器的正极连通，或直接与太阳能板的负极连通；第一超级电容器的负极与太阳能板的负极连通；太阳能板的负极通过第五支路与升压模块的输入负极连接；太阳能板的正极通过第一支路、第四继电器、第三支路、第二继电器和第九支路与所述升压模块输入正极连接；升压模块的输出负极与电机的负极连接；升压模块的输出正极通过第七支路与电机的正极连接，第七支路上设有第七继电器；太阳能板的负极还通过第八支路与电机的负极连接；锂离子动力电池通过第六支路与第一支路连通，第六支路上设有第六继电器；升压模块的输入正极还通过第九支路和第二继电器与第二电容器的正极连接。

进一步地，主控制单元通过复合电源拓扑结构控制复合电源系统向电机实现多种能量分配模式：

当太阳能板发电功率为230w-270w时并且超级电容器电量<95％时：第三继电器闭合至第二支路，太阳能板给电机供电；同时，第一继电器闭合至太阳能板的负极电路端、第二继电器闭合至第三支路，以使第一超级电容器和第二超级电容器并联，第四继电器闭合至第一支路，给超级电容器充电；

当太阳能板发电功率为230w-270w时且超级电容器电量>95％时：第三继电器闭合至第二支路，太阳能板直接给电机供电；

当太阳能板发电功率为140w-230w时且超级电容器电量<95％时：第一继电器闭合至太阳能板的负极电路端、第二继电器闭合至第三支路，以使第一超级电容器和第二超级电容器并联，第四继电器闭合至第一支路以给并联的第一超级电容器和第二超级电容器充电；

当超级电容器电量>75％时，第一继电器闭合至第一超级电容器正极电路端、第二继电器闭合至第九支路、第五继电器闭合至第九支路，使用第一超级电容器和第二超级电容器串联给升压模块供电，第七继电器闭合至第七支路给电机供电；

当超级电容器电量>75％时，且车辆需求功率>250w时，第一继电器闭合至第一超级电容器正极电路端、第二继电器闭合至第九支路、第五继电器闭合至第九支路，使用第一超级电容器和第二超级电容器串联给升压模块供电，第七继电器闭合至第七支路给电机供电，第六继电器闭合至第二支路使用锂离子动力电池给电机供电；

当超级电容器电量<50％时，使用所述锂离子动力电池单独给电机供电，此时第六继电器闭合至所述第二支路，其他的继电器处于断开状态。

进一步地，能量分配单元为功率分配单元；功率分配单元包括有pwm模块和mosfet模块；主控制单元接收状态信息，并结合当前功率需求信息，通过pwm模块调整mosfet模块输出的频率和占空比，从而控制锂离子动力电池和超级电容器输出到直流母线的能量，实现功率分配功能。

进一步地，超级电容器通过单向升压型dc-dc与电机的母线连接，以向驱动系统的电机提供电能；锂离子动力电池用于向电机提供基础功率，超级电容器用于向电机提供峰值功率。

本发明还提供一种光伏增程式车载复合电源控制方法，包括上述权所述的光伏增程式车载复合电源控制系统；还包括以下步骤：

s1：系统上电后，首先监测太阳能板的输出功率、超级电容器当前电量以及驱动系统需求功率；

s2：当太阳能板发电功率为230w-270w时，再判断超级电容器电量是否>95％；若>95％，太阳能板直接给驱动系统供电；若<95％，则太阳能板给驱动系统供电，同时给超级电容器充电；

s3：当太阳能板发电功率为140w-230w时，再判断超级电容器电量是否>75％；若>75％，超级电容器和锂离子动力电池同时给驱动系统供电；若<75％，则通过太阳能板给超级电容器充电；

s4：当太阳能板发电功率<140w时，再判断超级电容器电量是否>50％；若>50％，超级电容器直接给驱动系统供电；若<50％，通过锂离子动力电池给驱动系统供电。

本发明提供的一种光伏增程式车载复合电源控制系统及方法，能够通过超级电容器充分利用太阳能光伏能量，兼顾复合电源的性能；并使用一个升压型dc-dc实现拓扑结构的设计；采用太阳能板直接给电容器充电，结构简单易实现，在增加少量成本的前提下实现车辆续驶里程的增加；本发明提供的方案稳定性好、成本低，并且能够匹配多种汽车。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种光伏增程式车载复合电源控制系统结构示意图；

图2为本发明复合电源系统结构示意图；

图3为本发明复合电源拓扑结构示意图；

图4为本发明监测电路结构示意图；

图5为本发明电压监测、dc-dc及继电器驱动电路示意图；

图6为本发明功率分配单元结构示意图；

图7为本发明一种光伏增程式车载复合电源控制方法流程图。

图中：1、第一继电器；2、第二继电器；3、第三继电器；4、第四继电器；5、第五继电器；6、第六继电器；7、第七继电器；10、第一支路；20、第二支路；30、第三支路；40、第四支路；50、第五支路；60、第六支路；70、第七支路；80、第八支路；90、第九支路。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图3所示，本发明提供一种光伏增程式车载复合电源控制系统，包括有主控制单元、复合电源系统、太阳能板、状态监测单元、复合电源拓扑结构、能量分配单元以及驱动系统；太阳能板分别与状态监测单元和复合电源拓扑结构连接；复合电源拓扑结构分别与复合电源系统和能量分配单元连接；复合电源系统还与状态监测单元连接；能量分配单元还与驱动系统连接；主控制单元分别与状态监测单元、复合电源拓扑结构以及能量分配单元连接；太阳能板用于向复合电源系统和驱动系统提供能量(电能)，并可通过复合电源拓扑结构实现多种电能供给模式；复合电源系统用于向驱动系统提供电源；状态监测单元监测太阳能板和复合电源系统的状态信息，并传输至主控制单元；主控制单元通过接收状态信息，并通过控制复合电源拓扑结构和能量分配单元以向驱动系统进行能量分配，从而实现复合电源系统的能量分配控制；本发明提供的方案能够充分利用太阳能光伏能量，实现车辆续驶里程的增加，并实现对电动车辆车载电源高效利用和控制，提高车载复合电源利用率，降低成本。

优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，复合电源系统包括有锂离子动力电池和超级电容器；太阳能板用于向超级电容器提供电能存储；锂离子动力电池用于向驱动系统的电机提供电能；超级电容器通过dc-dc模块向驱动系统的电机提供电能；具体地，本发明采用一个升压型dc-dc，升压型dc-dc相对双向dc-dc更加稳定、成本更低，并且能够使用与该超级电容器的驱动系统连接，使得拓扑结构简单易实现，成本较低；具体地，由于复合电源系统的匹配选型尤为重要，因此在进行复合电源匹配时，首先依据车辆最高行驶车速、电机参数及目标续驶里程，根据公式计算瞬时功率需求，计算公式为：

式中：trq表示电机力矩，it为系统减速比，ηt为系统效率，r为车轮半径，f为道路滚动阻力系数，cd为风阻系数，a为迎风面积，v为车速，i为道路坡度，δ为车辆旋转质量换算系数，m为整车质量。

计算出瞬时功率需求之后，根据工况速度数据积分可得总能耗需求w；获得车辆行驶固定里程的功率后，电池组能量匹配为：

w＝wbattery＝dou×ubattery×cbattery/1000

式中：wbattery为蓄电池组的实际能量(kwh)；dou为蓄电池组的平均工作电压(v)；ubattery为蓄电池放电深度，取值为0～1之间；cbattery为蓄电池的容量(ah)；

获得电池的总电压和总容量之后，便可根据单体参数确定电池组串、并联方式及车载电源的具体形式；为提高超级电容器利用效率及降低dc-dc变换器功率损失，超级电容器的最高电压不高于电池组电压；对于36v300w的功率应用场合，复合电源选用3.7v2600mah的单体18650锂离子动力电池及普通2.7v500f的超级电容器装置；电容器由单体首先六个串联成为16v83f的超级电容器模组，放电时采用两组超级电容器模组串联方式，容量为32v165f，持续放电电流8a，放电时间测量约为120s，瞬时放电电流超过30a。

优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，太阳能光伏板功率输出能够直接给并联的超级电容器充电，省dc-dc模块器件；根据电池的匹配，所选用的太阳能板规格为270w多晶体太阳能板，峰值电压30.2v，峰值电流9.07a；所选用的电机为36v、300w直流电机；同时，由控制器实时监测超级电容器端电压，当达到设定最高电压的95％时进行切断，保证安全性；光伏单元的峰值功率≤270w，能够为需求功率小于270w的低速电动车提供可靠动力；此外，在阳光充足并且需求功率小于270w的情况下，太阳能板直接为电机提供能量，若能量有剩余，则为超级电容器充电。

优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，状态监测单元通过监测太阳能板和复合电源系统的电压信号和/或电流信号，并传输至主控制单元；具体地，当监测太阳能板和复合电源系统的信息为电压信号时，电压信号通过稳压电路模块和滤波处理模块并经过单片机i/o口传输给单片机控制单元，并在显示单元上显示；当监测太阳能板和复合电源系统的信息为电流信号时，电流信号通过信号转换模块直接传输给单片机控制单元，并在显示单元上显示；具体地，实时监测的电压信号包括太阳能板输出电压、电机端电压、锂离子动力电池端电压和超级电容器端电压；状态监测单元中，电压信号通过分压电路进行电压转换，通过信号转换为单片机能够识别的0～5v标准信号，通过滤波处理对信号进行均值提取；监测单元中采用arduino单片机atmega328p-pu芯片；电压监测采用分压电阻的形式；选取电阻值分别为50k和5k，测量的电压范围为0-50v；二极管采用in4005，能够有效防止电流逆向流动；发光二极管in4733a能够对采集单元进行提示；电容器选用100pf，具有滤波作用；最终，通过单片机i/o口传输给单片机控制单元；电流信号经过信号转换后转化为单片机能够识别的信号，通过滤波处理后通过单片机i/o口传输给单片机控制单元；电流信号包括太阳能板输出电流、电池输出电流和超级电容器输出电流；最终，显示单元能够实现显示所监测电压和电流数据。

优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，复合电源拓扑结构包括有多条支路、多个继电器以及升压模块；主控制单元通过控制复合电源拓扑结构中的继电器，从而控制复合电源系统实现锂离子动力电池单独供电、锂离子动力电池和超级电容器共同供电、超级电容器单独供电、太阳能板为超级电容器充电以及太阳能板直接为电机供电五种能量供给模式；具体地，

优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，超级电容器包括第一超级电容器和第二超级电容器；驱动系统包括电机；太阳能板通过第一支路10和第四支路40与超级电容器正极连接；第一支路10通过第二支路20和电机正极连接；第二支路20上设有第三继电器3；第一支路10通过第三支路30与第二超级电容器正极连通，并且第三支路30上设有第二继电器2；第一支路10通过第四支路40与第一超级电容器正极连通；第一支路10上还设有第四继电器4，第四继电器4位于第二支路20和超级电容器之间；第二超级电容器的负极通过第一继电器1与第一超级电容器的正极连通，或直接与太阳能板的负极连通；第一超级电容器的负极与太阳能板的负极连通；太阳能板的负极通过第五支路50与升压模块输入负极连接；太阳能板的正极通过第一支路10、第四继电器4、第三支路30、第二继电器2和第九支路90与升压模块输入正极连接；升压模块的输出负极与电机的负极连接；升压模块的输出正极通过第七支路70与电机的正极连接，第七支路70上设有第七继电器7；太阳能板的负极还通过第八支路80与电机的负极连接；锂离子动力电池通过第六支路60与第一支路10连通，第六支路60上设有第六继电器6；升压模块的输入正极还通过第九支路90和第二继电器2与第二电容器的正极连接。

优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，对超级电容器进行充放电作业时，采取并联通电，串联放电的模式；这样，能够在不使用均衡板的前提下最大限度的确保超级电容器充电均衡；同时，为保证超级电容器的电流过载，添加保险丝，防止电容高功率放电；太阳能板连接的dc-dc为升压型，避免使用双向dc-dc，降低成本；本发明设计的复合电源拓扑结构能够实现以下功能；具体为：控制单元通过复合电源拓扑结构控制复合电源系统向电机实现多种能量分配模式：

第一：当太阳能板发电功率为230w-270w并且超级电容器电量<95％时：第三继电器3闭合至第二支路20，太阳能板给电机供电；同时，第一继电器1闭合至太阳能板的负极电路端、第二继电器2闭合至第三支路30，以使第一超级电容器和第二超级电容器并联，第四继电器4闭合至第一支路10，给第一超级电容器和第二超级电容器充电；

第二：当太阳能板发电功率为230w-270w且超级电容器电量>95％时：第三继电器3闭合至第二支路20，太阳能板直接给电机供电；

第三：当太阳能板发电功率为140w-230w时且超级电容器电量<95％时：第一继电器1闭合至太阳能板的负极电路端、第二继电器2闭合至第三支路30，以使第一超级电容器和第二超级电容器并联，第四继电器4闭合至第一支路10以给并联的第一超级电容器和第二超级电容器充电；

第四：当超级电容器电量>75％时，第一继电器1的闭合至第一超级电容器正极电路端、第二继电器2闭合至第九支路90、第五继电器5闭合至第九支路90，使用第一超级电容器和第二超级电容器串联给升压模块供电，第七继电器7闭合至第七支路70给电机供电；

第五：当超级电容器电量>75％时，且车辆需求功率>250w时，第一继电器1闭合至第一超级电容器正极电路端、第二继电器2闭合至第九支路90、第五继电器5闭合至第九支路90，使用第一超级电容器和第二超级电容器串联给升压模块供电，第七继电器7闭合至第七支路7给电机供电，第六继电器6闭合至第二支路20使用锂离子动力电池给电机供电；

第六：当超级电容器电量<50％时，使用锂离子动力电池单独给电机供电，此时第六继电器6闭合至第二支路20，其他的继电器处于断开状态。

优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，能量分配单元为功率分配单元；功率分配单元包括有pwm模块和mosfet模块；主控制单元接收状态信息，并结合当前功率需求信息，通过pwm模块调整mosfet模块输出的频率和占空比，从而控制锂离子动力电池和超级电容器输出到直流母线的能量，实现功率分配功能；具体地，复合电源系统的状态信息通过状态监测单元传输给主控制单元的单片机atmega328p-pu后，单片机结合当前功率需求信息，通过pwm模块编译pwm控制程序调整mosfet模块的输出频率和占空比，从而控制电池和超级电容器输出到直流母线的能量，实现功率分配功能，超级电容器通过升压型dc-dc与母线连接，有效降低成本；功率分配的基本原则为：锂离子动力电池一般提供基础功率，超级电容器提供峰值功率需求；对于复合电源的功率分配模式，则由单片机通过三极管实现继电器的开关控制，从而实现对应拓扑结构功能的切换。

优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，超级电容器通过单向升压型dc-dc与电机的母线连接，以向驱动系统的电机提供电能；锂离子动力电池用于向电机提供基础功率，超级电容器用于向电机提供峰值功率；本发明的优点在于能够通过超级电容器充分利用太阳能光伏能量，兼顾复合电源的性能，使用一个升压型dc-dc实现拓扑结构的设计；采用太阳能板直接给电容器充电，结构简单易实现，在增加少量成本的前提下实现车辆续驶里程的增加。

相应地，结合上述方案，本发明还提供一种光伏增程式车载复合电源控制方法，包括上述所述的光伏增程式车载复合电源控制系统；还包括以下步骤：

s1：系统上电后，首先监测太阳能板的输出功率、超级电容器当前电量以及驱动系统需求功率；

s2：当太阳能板发电功率为230w-270w时，再判断超级电容器电量是否>95％；若>95％，太阳能板直接给驱动系统供电；若<95，则太阳能板给驱动系统供电，同时给超级电容器充电；

s3：当太阳能板发电功率为140w-230w时，再判断超级电容器电量是否>75％；若>75％，超级电容器和锂离子动力电池同时给驱动系统供电；若<75％，则通过太阳能板给超级电容器充电；

s4：当太阳能板发电功率<140w时，再判断超级电容器电量是否充足；若>50％，超级电容器直接给驱动系统供电；若<50％，通过锂离子动力电池给驱动系统供电。

本发明提供的一种光伏增程式车载复合电源控制系统及方法，能够通过超级电容器充分利用太阳能光伏能量，兼顾复合电源的性能；并使用一个升压型dc-dc实现拓扑结构的设计；采用太阳能板直接给电容器充电，结构简单易实现，在增加少量成本的前提下实现车辆续驶里程的增加；本发明提供的方案稳定性好、成本低，并且能够匹配多种汽车。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。