电动汽车多模式混合储能系统复合式拓扑结构及控制方法与流程

本发明属于电动汽车用车载电源领域，涉及一种电动汽车多模式混合储能系统复合式拓扑结构及控制方法。

背景技术：

随着汽车产业的持续发展和汽车保有量的迅速增加，传统内燃机汽车带来的环境污染、资源短缺等问题愈发突出。与此同时，绿色环保的新能源汽车的发展壮大已经成为了必然的趋势。其中，燃料电池fc电动汽车是当下研究的一大热点，我国已经出台了一系列政策以推进燃料电池fc电动汽车的研发和应用。

燃料电池fc具有高能量密度、零排放、无废弃污染等突出优点，但其功率密度较低，输出不易控制，不支持能量回收且动态响应较差。因此，单一的燃料电池fc难以满足汽车的各种行驶工况需求。在储能系统中增加锂电池和超级电容uc构成混合储能系统，能使燃料电池fc输出稳定可控，并使储能系统具备制动能量回收功能和良好的动态性能，满足汽车各种行驶工况需求。同时，又能有效提高电动汽车续驶里程和延长系统使用寿命。

电动汽车的多种行驶工况要求储能系统具有多种工作模式。现有的多能源混合储能系统常采用级联或并联式结构，需采用一个或多个dc-dc变换器。当采用一个dc-dc变换器时，混合储能系统工作模式少且不能有效切换；当采用多个dc-dc变换器时，混合储能系统控制复杂且效率较低。上述问题需要设计合理的混合储能系统拓扑结构及控制方法来综合解决。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种电动汽车多模式混合储能系统复合式拓扑结构及控制方法。该结构和控制方法能够实现多种工作模式并根据电动汽车的各种行驶工况有效切换对应的工作模式，实现了系统的高效工作。

为实现以上目的，本发明采用以下技术手段：

一种多模式混合储能系统的复合式拓扑结构，其特征在于：包括燃料电池fc、电池组bat、超级电容uc、第二mos管s2、第三mos管s3、开关s4、开关s5、开关s6、开关s7、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第二储能电感l2、电机逆变器、arm控制器、第一电压采集电路、第二电压采集电路、电流采集电路；

所述燃料电池fc的正极通过开关s7与第一储能电感l1的一端相连接，第一储能电感l1的另一端与第四二极管d4的阳极和第一mos管s1的漏极相连接，第四二极管d4的阴极与稳压电容器c的正极、电池组bat的正极、第二储能电感l2的一端、开关s4的一端以及开关s5的一端相连接，第二储能电感l2的另一端与第二mos管s2的漏极和第三mos管s3的源极相连接，第三mos管s3的漏极与超级电容uc正极和电机逆变器的正极相连接，开关s4的另一端与超级电容uc的负极相连接，开关s5的另一端与开关s6的一端和电机逆变器的负极相连接，第一二极管d1的阳极和阴极分别与第一mos管s1的源极和漏极相连接，第二二极管d2的阳极和阴极分别与第二mos管s2的源极和漏极相连接，第三二极管d3的阳极和阴极分别与第三mos管s3的源极和漏极相连接，燃料电池fc的负极与第一mos管s1的源极、稳压电容器c的负极、电池组bat的负极、第二mos管s2的源极、开关s6的另一端相连接；

所述第一电压采集电路的输入端及电流采集电路的输入端与电机逆变器的输入端相连接，第二电压采集电路的输入端与超级电容uc相连接，第一电压采集电路的输出端、第二电压采集电路的输出端及电流采集电路的输出端均与arm控制器的输入端相连接，arm控制器的输出端分别与第一mos管s1的栅极、第二mos管s2的栅极、第三mos管s3的栅极以及开关s4、开关s5、开关s6相连接。

第一mos管s1、第四二极管d4、第一储能电感l1、稳压电容器c构成升压电路。

所述电池组bat与超级电容uc之间为串/并联结构，通过控制开关的通断进行切换；燃料电池fc与电池组bat之间为级联结构；

所述超级电容uc为多个单体超级电容uc串联或并联组成，超级电容uc的额定电压高于电池组bat的额定电压。

所述燃料电池fc为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池或直接甲醇燃料电池，燃料电池fc是由多个单电池层叠组合构成燃料电池堆。

一种电动汽车多模式混合储能系统复合式拓扑结构的控制方法，包括以下步骤：

1)arm控制器通过第一电压采集电路、电流采集电路以及第二电压采集电路分别采集电机逆变器的母线电压和电流以及超级电容uc的电压，并根据电机逆变器的母线电压及电流计算出电机逆变器的实际需求功率；

2)当电机逆变器的实际需求功率大于零时，arm控制器根据实际需求功率的大小控制混合储能系统的工作模式在小功率输出方案、中等功率输出方案和大功率输出方案间进行选择切换；大功率输出方案与中等功率输出方案之间采用功率滞环控制方法进行切换；

3)当电机逆变器的实际需求功率小于零时，进行制动能量回收。

作为本发明的进一步改进，功率滞环控制方法的具体切换方式为：

进行大功率输出方案工作时，当电机逆变器的实际需求功率小于燃料电池fc和电池组bat最大功率总和的80％时，切换为中等功率输出方案；进行中等功率输出方案时，当电机逆变器的实际需求功率大于燃料电池fc和电池组bat最大功率总和时，切换为大功率输出方案。

作为本发明的进一步改进，所述小功率输出方案包括：

1)电池组bat单独供能工作模式：电机逆变器的需求功率较低时，电池组bat单独提供全部需求功率；

2)电池组bat向超级电容uc充电供能工作模式：电机逆变器的需求功率低且超级电容uc荷电状态soc低于下限值时，电池组bat提供全部需求功率并为超级电容uc充电；

3)燃料电池fc向电池组bat充电供能工作模式：需求功率较低时，燃料电池fc通过升压电路提供全部需求功率并为电池组bat充电。

作为本发明的进一步改进，所述中等功率输出方案包括：

1)燃料电池fc和电池组bat共同供能工作模式：所述arm控制器输出pwm波控制第一mos管s1和第二mos管s2使燃料电池fc和电池组bat级联升压共同输出；

2)电池组bat和超级电容uc共同供能工作模式：所述arm控制器输出pwm波控制第二mos管s2使电池组bat升压输出，超级电容uc直接输出；

3)超级电容uc单独供能模式：超级电容uc荷电状态soc高于上限值时，超级电容uc单独提供全部需求功率。

作为本发明的进一步改进，所述大功率输出方案为：所述arm控制器输出pwm波控制第一mos管s1和第二mos管s2使燃料电池fc、电池组bat和超级电容uc共同输出。

作为本发明的进一步改进，所述制动能量回收步骤包括：

1)电池组bat和超级电容uc共同回收模式：当制动能量大于超级电容uc的最大可回收能量时，所述arm控制器输出pwm波控制第三mos管s3使制动能量经过降压后向电池组bat充电，同时制动能量直接向超级电容uc充电；

2)超级电容uc单独回收模式：当制动能量小于超级电容uc的最大可回收能量时，超级电容uc直接回收所有制动能量。

相比已有的技术方案，本发明具有以下优势：

本发明的通过合理的拓扑结构使得燃料电池、电池组及超级电容构成电动汽车多模式混合储能系统，并通过合理的电路设计，利用多个mos管以及多个开关，并通过arm控制器根据电动汽车的实际需求功率控制各mos管及各开关的导通或关断，实现多种工作模式的实时切换。实现了多种工作模式并有效切换，并且能通过控制开关的通断，完成第一级结构在串联与并联之间切换。该系统能通过控制开关的通断，完成第一级结构在串联与并联之间切换，由于同时具备两种结构的优点，实现了系统的高效工作。

本发明的控制方法通过arm控制器控制第一mos管、第二mos管、第三mos管以及多个开关，能够实现多种工作模式并有效切换，具体是arm控制器根据实际需求功率的大小控制混合储能系统的工作模式在小功率输出方案、中等功率输出方案和大功率输出方案间进行选择切换；并且能通过控制开关的通断，完成第一级结构在串联与并联之间切换，还能够进行制动能量回收。由于同时具备两种结构的优点，实现了系统的高效工作。

附图说明

图1是本发明的原理图；

其中，1、电机逆变器，2、第一电压采集电路，3、电流采集电路，4、第二电压采集电路，5、arm控制器。

图2是本发明的混合储能系统工作模式切换流程图；

图3是本发明的功率滞环控制和逻辑门限控制；

图4是本发明的电池组bat单独供能模式工作示意图；

图5是本发明的电池组bat向超级电容uc充电供能模式工作示意图；

图6是本发明的燃料电池fc向电池组bat充电供能模式工作示意图；

图7是本发明的燃料电池fc和电池组bat共同供能模式工作示意图；

图8是本发明的电池组bat和超级电容uc共同供能模式工作示意图；

图9是本发明的超级电容uc单独供能模式工作示意图；

图10是本发明的燃料电池fc、电池组bat、超级电容uc共同供能模式工作示意图；

图11是本发明实施例的超级电容uc和电池组bat共同回收模式工作示意图；

图12是本发明实施例的超级电容uc单独回收模式工作示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完善的描述。

如图1所示，本发明一种电动汽车多模式混合储能系统复合式拓扑结构，系统包括：包括燃料电池fc、电池组bat、超级电容uc、第二mos管s2、第三mos管s3、开关s4、开关s5、开关s6、开关s7、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第二储能电感l2、升压电路、电机逆变器1、arm控制器5、第一电压采集电路2、第二电压采集电路4、电流采集电路3构成；其中，第一mos管s1、第四二极管d4、第一储能电感l1、稳压电容器c构成升压电路。

所述燃料电池fc的正极通过开关s7与第一储能电感l1的一端相连接，第一储能电感l1的另一端与第四二极管d4的阳极和第一mos管s1的漏极相连接，第四二极管d4的阴极与稳压电容器c的正极、电池组bat的正极、第二储能电感l2的一端、开关s4的一端以及开关s5的一端相连接，第二储能电感l2的另一端与第二mos管s2的漏极和第三mos管s3的源极相连接，第三mos管s3的漏极与超级电容uc正极和电机逆变器1的正极相连接，开关s4的另一端与超级电容uc的负极相连接，开关s5的另一端与开关s6的一端和电机逆变器1的负极相连接，第一二极管d1的阳极和阴极分别与第一mos管s1的源极和漏极相连接，第二二极管d2的阳极和阴极分别与第二mos管s2的源极和漏极相连接，第三二极管d3的阳极和阴极分别与第三mos管s3的源极和漏极相连接，燃料电池fc的负极与第一mos管s1的源极、稳压电容器c的负极、电池组bat的负极、第二mos管s2的源极、开关s6的另一端相连接。所述第一电压采集电路2的输入端及电流采集电路3的输入端与电机逆变器1的输入端相连接，第二电压采集电路4的输入端与超级电容uc相连接，第一电压采集电路2的输出端、第二电压采集电路4的输出端及电流采集电路3的输出端均与arm控制器5的输入端相连接，arm控制器5的输出端分别与第一mos管s1的栅极、第二mos管s2的栅极、第三mos管s3的栅极以及开关s4、开关s5、开关s6相连接。

电池组bat与超级电容uc之间为串并联结构，通过控制开关的通断进行切换；燃料电池fc与电池组bat之间为级联结构。

所述燃料电池fc可为质子交换膜燃料电池(pemfc)、固体氧化物燃料电池(sofc)或直接甲醇燃料电池(dmfc)等，由多个单电池层叠组合构成燃料电池堆。

所述超级电容uc为多个单体超级电容uc串联或并联组成，超级电容uc的额定电压高于电池组bat的额定电压。

arm控制器5根据电动汽车的实际需求功率控制各mos管及各开关的导通或关断，实现多种工作模式的实时切换。所述电池组bat与超级电容uc之间为串并联结构，通过开关的通断进行切换，燃料电池fc与电池组bat之间为级联结构；第四二极管d4保证燃料电池fc不承受反向电流。

本发明上述电动汽车多模式混合储能系统复合式拓扑结构的控制方法为：系统能根据实际需求功率通过arm控制器5控制各mos管和各开关的导通与关断，实现多种工作模式并有效切换；能通过控制开关的通断，完成第一级结构在串联与并联之间切换，由于同时具备两种结构的优点，实现了系统的高效工作。

具体工作模式切换流程图如图2所示：混合储能系统开始工作后，首先判断需求功率是否为正；若需求功率为正，则进一步判断需求功率的大小，根据需求功率大小按照小功率输出方案、中等功率输出方案、大功率输出方案工作，进一步选择具体的工作模式；若需求功率为负，则根据制动能量是否超过超级电容uc回收上限进一步选择超级电容uc单独回收模式或共同回收模式。

本发明提供实施例的功率滞环控制和逻辑门限控制如图3所示。

1.所述arm控制器5通过第一电压采集电路2、电流采集电路3以及第二电压采集电路4分别采集电机逆变器1的母线电压和电流以及超级电容uc的电压，并根据电机逆变器1的母线电压及电流计算出电机逆变器1的实际需求功率；

2.当电机逆变器1的实际需求功率大于零时，arm控制器5根据实际需求功率的大小控制混合储能系统的工作模式在小功率输出方案、中等功率输出方案和大功率输出方案间进行选择切换；大功率输出方案与中等功率输出方案之间采用功率滞环控制方法进行切换。当电机逆变器1的实际需求功率小于燃料电池fc和电池组bat最大功率总和的80％时，切换为中等功率输出方案；进行中等功率输出方案时，当电机逆变器1的实际需求功率大于燃料电池fc和电池组bat最大功率总和时，切换为大功率输出方案；当电机逆变器1的实际需求功率介于燃料电池fc和电池组bat最大功率总和的80％至100％之间时，系统在中等功率输出方案和大功率输出方案之间进行滞环切换。

实施例的小功率输出方案的工作示意图如图4-图6所示。

图4是本发明的电池组bat单独供能模式工作示意图；控制器控制第二mos管s2使电池组bat升压输出；其中，第二储能电感l2、第二二mos管、第三二极管d3构成升压电路；此时，第三mos管s3、开关s4、开关s5、开关s7处于关断状态，开关s6处于导通状态；

图5是本发明的电池组bat向超级电容uc充电供能模式工作示意图；控制器控制第二mos管s2使电池组bat升压输出，并向超级电容uc充电；其中，第二储能电感l2、第二二mos管、第三二极管d3构成升压电路；此时，第三mos管s3、开关s5、开关s7处于关断状态，开关s4、开关s6处于导通状态；

图6是本发明的燃料电池fc向电池组bat充电供能模式工作示意图；控制器控制第一mos管s1使燃料电池fc升压输出，并向电池组bat充电；其中，第一储能电感l1、第一二mos管、第四二极管d4、电容器构成升压电路；此时，第二mos管s2、第三mos管s3、开关s4、开关s5处于关断状态，开关s6、开关s7处于导通状态。

具体的本发明的控制方法中的小功率输出方案如下：

1)电池组bat单独供能工作模式：需求功率较低时，所述arm控制器5输出pwm波控制第二mos管s2使电池组bat经升压后单独提供全部需求功率。如图4所示。

2)电池组bat向超级电容uc充电供能工作模式：需求功率较低且超级电容uc荷电状态soc低于下限值时，电池组bat提供全部需求功率并为超级电容uc充电。如图5所示。

3)燃料电池fc向电池组bat充电供能工作模式：需求功率较低时，所述arm控制器5输出pwm波控制第一mos管s1使燃料电池fc通过升压电路提供全部需求功率并为电池组bat充电。如图6所示。

实施例的中等功率输出方案的工作示意图如图7-图9所示。

图7是本发明的燃料电池fc和电池组bat共同供能模式工作示意图；控制器控制第一mos管s1、第二mos管s2使燃料电池fc和电池组bat级联升压共同输出；此时，第三mos管s3、开关s4、开关s5处于关断状态，开关s6、开关s7处于导通状态；

图8是本发明的电池组bat和超级电容uc共同供能模式工作示意图；控制器控制第二mos管s2使电池组bat升压输出，超级电容uc直接输出；此时，第三mos管s3、开关s6、开关s7处于关断状态，开关s4、开关s5处于导通状态；

图9是本发明的超级电容uc单独供能模式工作示意图；超级电容uc直接输出；此时，第二mos管s2、第三mos管s3、开关s6、开关s7处于关断状态，开关s4、开关s5处于导通状态。

具体的本发明的控制方法中的中等功率输出方案如下：

1)燃料电池fc和电池组bat共同供能工作模式：所述arm控制器5输出pwm波控制第一mos管s1和第二mos管s2使燃料电池fc和电池组bat级联升压共同输出。如图7所示。

2)电池组bat和超级电容uc共同供能工作模式：所述arm控制器5输出pwm波控制第二mos管s2使电池组bat升压输出，超级电容uc直接输出。如图8所示。

3)超级电容uc单独供能模式：超级电容uc荷电状态soc高于上限值时，超级电容uc单独直接提供全部需求功率。如图9所示。

如图10所示，为本发明的燃料电池fc、电池组bat、超级电容uc共同供能模式工作示意图；控制器控制第一mos管s1、第二mos管s2使燃料电池fc、电池组bat、超级电容uc级联升压共同输出；此时，第三mos管s3、开关s6处于关断状态，开关s4、开关s5、开关s7处于导通状态；所述大功率输出方案为：所述arm控制器5输出pwm波控制第一mos管s1和第二mos管s2使燃料电池fc、电池组bat和超级电容uc共同输出。

当电机逆变器1的实际功率小于零时，进行制动能量回收，工作示意图如图11-图12所示。

其中，图11是本发明实施例的超级电容uc和电池组bat共同回收模式工作示意图；控制器控制第三mos管s3使制动能量一部分经降压后由电池组bat回收，其余部分由超级电容uc直接回收；此时，第二mos管s2、开关s6、开关s7处于关断状态，开关s4、开关s5处于导通状态；

图12是本发明实施例的超级电容uc单独回收模式工作示意图；超级电容uc直接回收所有制动能量；此时，第二mos管s2、第三mos管s3、开关s6、开关s7处于关断状态，开关s4、开关s5处于导通状态。

本发明控制方法中，制动能量回收具体步骤如下：

1)电池组bat和超级电容uc共同回收模式：当制动能量大于超级电容uc的最大可回收能量时，所述arm控制器5输出pwm波控制第三mos管s3使制动能量经过降压后向电池组bat充电，同时制动能量直接向超级电容uc充电。如图11所示。

2)超级电容uc单独回收模式：当制动能量小于超级电容uc的最大可回收能量时，超级电容uc直接回收所有制动能量。如图12所示。

以上所述各种场景仅是本发明较佳的具体实施方式，并非对本发明作任何形式上对的限制，本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，做各种变形、补充或替换都属于本发明的保护范围之内。