一种锂电池和超级电容混合储能的能源分配系统及其方法与流程

本发明涉及电动车技术领域，具体为一种锂电池和超级电容混合储能的能源分配系统及其方法。

背景技术：

随着汽车保有量的急剧增加及环境污染的加重，人们的环保节能意识的逐渐增强，对清洁能源的追求也日益迫切，使得纯电动车的发展受到极大的重视。但是，由于目前电池技术存在容量和寿命方面的瓶颈，纯电动车在短时间内还难以规划化生产。在这种情况下，增程式电动车既可有效地减少燃油消耗，又能弥补纯电动车在续驶里程和电池寿命方面的不足。

目前，增程式电动车多采用单一的锂电池储能系统或者超级电容储能系统，或为锂电池直接并接超级电容器的复合储能系统，其能量分配方法如下：夜间或闲时通过地面充电机或充电桩给锂电池充电，apu与动力电池组成双动力能量源，并通过功率控制单元与驱动电机实现电能交互，而储能系统的能量分配方法比较简单，在能量的回收和效率的提高以及电池寿命的提高方面还存在很大的问题。车辆行驶过程中，当锂电池电量相对较充足时，动力系统能量完全来源于自身的锂电池，apu系统不工作，车辆进入纯电动车模式，此时锂电池会长时间处于大电流充放电状态，对锂电池形成较大的损害，影响锂电池寿命。当锂电池电量不足时，apu系统启动，车辆低速行驶时，apu输出功率大于驱动电机需求功率，apu为驱动电机提供电能，并为动力电池充电，因锂电池的充放电效率相对较低，而导致apu系统输出的能量将会一部分在锂电池的充放电过程中被消耗掉，降低了能量的利用率。车辆减速行驶时，动力电池回收apu输出电能和驱动电机再生能量；车辆加速行驶时，apu输出功率小于驱动电机需求功率，apu和动力电池共同为驱动电机提供能量，在此过程中动力电池处于不断地充放电过程中，大大降低了其使用寿命。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术存在的问题，提供一种锂电池和超级电容混合储能的能源分配系统及其方法，由电池系统作为主要供电电源，超级电容作为辅助供电电源的双能源动力系统，对储能系统和apu系统的能量进行合理的能量分配，利用二者优势互补来克服缺点，满足电动汽车对功率和能量的需求。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种锂电池和超级电容混合储能的能源分配系统，包括在锂电池系统和超级电容之间设置双向dcdc，接触器组件和电机驱动器之间设置单向二极管d1,双向dcdc和接触器组件之间设置整车控制器，电机驱动器设置与电机相接；

所述电池系统包括电池箱一、电池箱二、绝缘监测、bms及保险丝fu，所述电池箱一连接电池箱二，所述绝缘监测和bms连接电池箱一和电池箱二，所述电池箱一的正极端连接保险丝fu，保险丝fu的另一端接入电池正极母线，所述电池箱二的负极端接入电池负极母线；

所述接触器组件包括接触器k1、接触器k2、接触器k3及预充电阻r，所述接触器k1的a1+端接入电池正极母线，所述接触器k1的a1-端分别接入双向dcdc的第一端口和单向二极管d1的阳极端，所述接触器k1的x1端接入整车控制器的out1端，所述接触器k1的x11端接入电池控制器的vbat端，所述接触器k2的a2+端入预充电阻r，所述充电阻r的一引脚接入电池正极母线，所述接触器k2的a2-端分别接入双向dcdc的第一端口和单向二极管d1的阳极端，所述接触器k2的x2端接入整车控制器的out2端，所述接触器k2的x22端接入电池控制器的vbat端，所述接触器k3的a3-端接入电池正极母线，所述接触器k3的a3+端接入充电正端，所述接触器k3的x3端接入整车控制器的out3端，所述接触器k3的x33端接入电池控制器的vbat端；

所述双向dcdc的第二端口分别接有单向二极管d1的阴极端和超级电容的正极端，所述超级电容的负极端连接充电负母线，所述双向dcdc的第三端口连接充电负母线；

所述电机驱动器的正极端分别连接单向二极管d1的阴极端、超级电容的正极端及向dcdc的第二端口；

所述整车控制器的canh和canl端口分别与双向dcdc的canh和canl端口连接。

所述电池负极母线和充电负母线共线。

一种锂电池和超级电容混合储能的能源分配方法，

整车控制器通过实时采集司机的操作意图，通过电池系统和电机控制器的状态信息，合理控制接触器k1、接触器k2及接触器k3的开关状态，合理通过电机驱动器给定电机的运行扭矩以及控制双向dcdc的工作，当整车控制器根据采集到的信息，判断驾驶员的驾驶意图，控制车辆整车在上电模式、驱动模式、制动模式及充电模式的不同工作模式，通过对充电电路回路进行控制，从而实现整车的能量分配与控制，使得整车的能量利用达到最优。

所述上电模式中，当整车系统无严重故障，驾驶员打开点火信号时，控制器判断当前整车模式为上电模式，接触器k2处于闭合状态，动力电池系统的电能经过预充电阻r、接触器k2和单向二极管d1到达电机驱动器给电机进行预充电。

所述驱动模式中包括动力电池组单独供电模式、超级电容充电模式及双能源供电模式，所述电池组单独供电模式为接触器k1闭合，整车控制器需延时一段时间，断开预充接触器k2，电池系统的电能经过接触器k1和单向二极管d1单独到达电机驱动器给电机供电，所述超级电容充电模式在电动汽车匀速行驶，当超级电容电量低于能够提供瞬时大功率的最低电量时，电池系统的电能一方面经过接触器k1和单向二极管d1到达电机驱动器给电机供电，另一方面电池系统的电能经过接触器k1和双向dcdc给超级电容充电，整车控制器控制双向dcdc的工作方式，当超级电容的电量达到了预期设定值时，整车控制器通过控制双向dcdc的工作方式，停止给超级电容充电，所述双能源供电模式为当电动车在加速或者爬坡时，系统的能量一方面由电池系统经过接触器k1和单向二极管d1到达电机驱动器给电机供电，另外一方面则由超级电容传递到达电机驱动器直接给电机提供大部分能量。

所述制动模式中，当电动汽车在制动和滑行时，电动机工作处在发电机模式，系统所产生的制动能量由电机经过电机驱动器直接给超级电容充电，当超级电容的容量充满和快要充满时，系统产生的电能一方面由电机经过电机驱动器直接给超级电容充电，另一方面经过双向dcdc和接触器k1给电池系统充电。

所述充电模式中，当接触器k1和接触器k2处于断开状态，且插上充电枪进行充电时，整车控制器判断当前整车模式为充电，整车控制器控制电接触器k3闭合，系统能量由外部电源给电池系统进行充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

在车辆行驶过程中超级电容与锂电池之间的能量分配，对车辆性能有着重要的影响，通过良好的策略来控制发动机和电动机的工作状况和功率输出，以优化能量流动、提高动力总成协调程度，从而使燃油经济性和尾气排放以及汽车的其他性能都达到最佳状态。由动力锂电池组作为主要供电电源，超级电容作为辅助供电电源的双能源动力系统，对储能系统和apu系统的能量进行合理的能量分配，利用二者优势互补来克服缺点，满足电动汽车对功率和能量的需求。以增强整车动力性，提高综合节油率，降低能耗，减少排放，同时延长动力电池的使用寿命、提高动力电池的能量效率和运行可靠性。

附图说明

图1为本发明电路原理图；

图2为本发明车辆控制器电路图；

图3为本发明电池控制器电路图；

图4为本发明的控制流程图；

图5为本发明接触器k2闭合能量走向图；

图6为本发明接触器k1闭合能量走向图；

图7为本发明电池系统单独供电能量走向图；

图8为本发明超级电容充电电能量走向图；

图9为本发明双能源供电模式能量走向图；

图10为本发明能量回收模式一的能量走向图；

图11为本发明能量回收模式二的能量走向图；

图12为本发明外部电源充电能量走向图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图4所示，一种锂电池和超级电容混合储能的能源分配系统，包括在锂电池系统和超级电容之间设置双向dcdc，接触器组件和电机驱动器之间设置单向二极管d1,双向dcdc和接触器组件之间设置整车控制器，电机驱动器设置与电机相接；

所述电池系统包括电池箱一、电池箱二、绝缘监测、bms及保险丝fu，所述电池箱一连接电池箱二，所述绝缘监测和bms连接电池箱一和电池箱二，所述电池箱一的正极端连接保险丝fu，保险丝fu的另一端接入电池正极母线，所述电池箱二的负极端接入电池负极母线；

所述接触器组件包括接触器k1、接触器k2、接触器k3及预充电阻r，所述接触器k1的a1+端接入电池正极母线，所述接触器k1的a1-端分别接入双向dcdc的第一端口和单向二极管d1的阳极端，所述接触器k1的x1端接入整车控制器的out1端，所述接触器k1的x11端接入电池控制器的vbat端，所述接触器k2的a2+端入预充电阻r，所述充电阻r的一引脚接入电池正极母线，所述接触器k2的a2-端分别接入双向dcdc的第一端口和单向二极管d1的阳极端，所述接触器k2的x2端接入整车控制器的out2端，所述接触器k2的x22端接入电池控制器的vbat端，所述接触器k3的a3-端接入电池正极母线，所述接触器k3的a3+端接入充电正端，所述接触器k3的x3端接入整车控制器的out3端，所述接触器k3的x33端接入电池控制器的vbat端；

所述双向dcdc的第二端口分别接有单向二极管d1的阴极端和超级电容的正极端，所述超级电容的负极端连接充电负母线，所述双向dcdc的第三端口连接充电负母线；

所述电机驱动器的正极端分别连接单向二极管d1的阴极端、超级电容的正极端及向dcdc的第二端口；

所述整车控制器的canh和canl端口分别与双向dcdc的canh和canl端口连接。

所述电池负极母线和充电负母线共线。

一种锂电池和超级电容混合储能的能源分配方法，

整车控制器通过实时采集司机的操作意图，通过电池系统和电机控制器的状态信息，合理控制接触器k1、接触器k2及接触器k3的开关状态，合理通过电机驱动器给定电机的运行扭矩以及控制双向dcdc的工作，当整车控制器根据采集到的信息，判断驾驶员的驾驶意图，控制车辆整车在上电模式、驱动模式、制动模式及充电模式的不同工作模式，通过对充电电路回路进行控制，从而实现整车的能量分配与控制，使得整车的能量利用达到最优。

如图5所示，当整车系统无严重故障，驾驶员打开点火信号时，控制器判断当前整车模式为上电模式，接触器k2闭合，电池系统的电能经过预充电阻r，接触器k2、和单向二极管d1到达电机驱动器给电机进行预充电，当电机两端的电压上升到电池系统电压的80％时，主接触器k1闭合，为了防止接触器k1在闭合瞬间因触点接触不稳，导致系统电压的波动，整车控制器需延时一段时间(200ms)后，才能断开接触器k2，此时，电池系统的电能经过接触器k1和单向二极管d1到达电机驱动器给电机进行供电。

如图6所示，整车上电后接触器k1闭合，当驾驶员成功挂上档位，司机开始踩加速踏板，此时系统处于驱动模式，在电动汽车匀速行驶，电机需求功率很低时，电池系统的电能完全满足当前动力需求时，系统由电池系统提供所需能量，电池系统的电能经过接触器k1和单向二极管d1到达电机驱动器单独给电机供电。

如图7所示，在电动汽车匀速行驶，电机需求功率很低时，由电池系统单独供电情况下，当超级电容电量低于能够提供瞬时大功率的最低电量时，则电池系统的电能一方面经过接触器k1和单向二极管d1到达电机驱动器给电机供电，另一方面电池系统的电能经过接触器k1和双向dcdc给超级电容充电，整车控制器控制双向dcdc的工作方式，当超级电容的电量达到了预期设定值时，整车控制器通过控制双向dcdc的工作方式，停止给超级电容充电。

如图8-图9所示，当电动车在加速或者爬坡，整车瞬间需求的电能增大时，由于电池系统的放电效率较低，电池系统无法满足当前的电能需求，系统输出的能量将有相当一部分电能在放电过程中被消耗掉，降低了能量的利用率，且电池系统长时间处于大电流的放电状态，会对电池系统形成较大的损害，影响电池系统的使用寿命。

由于超级电容具有良好的充放电的特性，对于此情况，系统由电池系统和超级电容同时给驱动电机供电，其中电池系统提供小部分功率，大部分的瞬时功率由超级电容提供，此时系统处于双能源驱动模式，系统的能量一方面由电池系统经过接触器k1和单向二极管到达电机驱动器给电机供电，另外一方面则由超级电容直接给电机提供大部分能量。

如图10所示，当电动汽车在制动和滑行时，电机工作处于发电模式，系统处于制动能量回收模式，整车控制器根据当前的车速状态，并结合制动踏板的开度、电机的转速、电池瞬间的最大充电电流等信息，通过相应的算法计算，来给定电机的制动扭矩，并回收电机因制动所产生的能量，由于超级电容相比于电池系统具有良好的充放电的特性，且超级电容能承受很大的充电电流，因此，再生制动能量优先给超级电容充电，以最大的能力回收系统的制动能量，此时，电机工作在发电模式，系统所产生的制动能量由电机直接给超级电容充电。

如图11所示，在制动能量回收的模式下，当超级电容的容量充满或者快要充满了，则整车控制器通过控制双向dcdc的工作方式，将制动产生的剩余电量给电池系统和超级电容同时充电，当整车控制器判断电池系统和超级电容的soc达到了设定的最大值时，系统停止给电池充电，此时系统产生的电能一方面由电机直接给超级电容充电，另一方面经过双向dcdc和接触器k1给电池系统充电。

如图12所示，当整车接触器k1处于断开状态，且插上充电枪进行充电时，整车控制器判断当前整车模式为充电时，整车控制器吸合充电接触器k3，系统能量由外部充电源给电池系统进行充电。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。