专利名称：一种混合动力车辆能量管理方法
技术领域：
本发明属混合电动车辆电力系统驱动电机、电能储能装置及辅助动力装置间能量 流管理技术领域。
背景技术：
带有电驱动装置的混合动力及纯电动车辆是未来新能源汽车的重要发展方向。电 动车辆节能的关键问题在于优化管理电驱动装置、储能装置和辅助动力装置间的能量分 配，特别是不同种类储能装置的储能和释放的优化配置。电动车辆中最常用的储能装置是 动力蓄电池组和超级电容，一般动力电池作为主要的电能储存装置而超级电容用于车辆起 步或制动能量回收等瞬间大电流充放电的车辆运行工况。现有的做法是将动力电池与超级 电容直接并联搭接在车辆动力线上，这样的做法削弱了超级电容大电流充放电能力，而为 达到与独立使用超级电容的效果就必须增大超级电容的容量，这使得成本和体积都大为增 加。曾有人采用大电流继电器将超级电容和动力电池分别搭接到电力线上，通过控制继电 器来确定超级电容和动力电池在不同车辆工况的使用。但是由于车辆制动是无预警随机发 生于瞬间，继电器对超级电容的控制响应时间远达不到实际要求，导致继电器触点烧毁且 超级电容吸收能量不足，因此无法推广使用。
发明内容
本发明针对如上所述现有带有电驱动混合动力车辆主要储能器件超级电容和动 力蓄电池的特性，设计一种可由车辆控制器对整车电能进行优化管理的方法，在减小超级 电容容量的情况下，避免过大的车辆制动回馈电流使动力电池过充电，从而延长动力电池 的使用寿命，达到经济与节能的双重效果。如附图所示，本发明与传统的系统连接方式不同之处在于超级电容组件(2)和 动力电池组件(3)不是直接连接到电力总线(Power BUS)，而是通过绝缘栅双极型功率管 IGBT和二极管连接到电力总线。这样的设计就把对超级电容和动力电池的充电隔离开来， 由车辆控制器(5)按能源的优化配置对它们实施控制。超级电容具有良好的瞬间大电流充 放电特性，主要用于吸收车辆制动时的能量；动力电池组主要用于存储动力源提供的电能， 用作车辆驱动电机(1)和其它车辆辅助用电装置的主电源。本发明的优点在于通过车辆控制器对IGBTl和IGBT2的实时控制，可充分吸收车 辆制动能量。与超级电容和动力电池直接并联的传统方案相比，吸收同样的制动能量可大 大降低超级电容的容量，可降低成本。同时由于采用了电子开关，具有高速响应特性，克服 了采用继电器控制连接方式响应不足的问题。对于混合动力车辆的特例，纯电动车辆，由于 传统的超级电容与动力电池直接并联方式在满充电的初始状态不能有效吸收制动能量，本 发明的优点更加突出。
混合动力车辆能源管理系统各装置连接示意。图中1-车辆驱动电机，2-超级电容组件，3-动力电池组件，4-辅助发电设备， 5-车辆控制器E⑶。
具体实施例方式以附图所示的混合动力车辆能源管理系统说明本发明的实施。车辆处于静止的初始状态时超级电容(2)和动力电池(3)存电量处于低状态或零 电量状态，此时车辆控制器ECU(5)启动辅助发电设备(4)向电力总线供电，同时接通IGBTl 和IGBT2分别向超级电容和动力电池充电。当超级电容上的电压达到一定数值时，例如 50%电力总线标称电压，ECU切断IGBTl停止向超级电容充电，以留有一定的容量回收车辆 制动能量。此时ECU控制辅助发电设备使得电力总线上电压等于标称电压，持续给动力电 池充电至满容量。车辆起步行驶时，由辅助发电设备和动力电池通过电力总线向驱动电机供电。此 时分两种情况1、动力电池电量较低，且充电所需功率与驱动电机所须功率之和处于辅助发电设 备输出功率高效率区时，此时ECU控制IGBT2导通向动力电池充电且驱动电机，动力总线上 的电能完全由辅助发电设备供给，同时控制IGBTl使超级电容处于中等存电量状态。2、动力电池电量较高，且充电所需功率与驱动电机所须功率之和处于辅助发电设 备输出功率低效率区时，此时辅助发电设备停止运行，驱动电机所需能量由动力电池通过 二极管D2提供，而与IGBT2是否导通无关。由于超级电容的电压较低，二极管Dl不导通， 超级电容维持原有电量。只要车辆处于非制动的行驶状态，电力总线上的电能就一直按上述两种情况交替转换。车辆制动时，ECU中断辅助发电设备供电，同时控制驱动电机处于发电模式向电力 总线回馈电能。回馈电能的存储按以下步骤进行初始制动时回馈电流较大，此时E⑶控制IGBTl导通，由超级电容吸收电能。如果 制动持续进行，超级电容上的电压也将持续上升直至高于动力电池的电压，由于IGBT2未 导通，且二极管D2的单向作用，阻止制动回馈电流向动力电池充电。当制动完成，车辆得到 加速指令后，如果超级电容上的电压高于动力电池上的电压，驱动电机只由超级电容供电， 而IGBT2被ECU关断以及二极管D2的单向作用，超级电容不向动力电池充电，避免了动力 电池接受超级电容电量所造成的充放电损失。当超级电容的电压等于动力电池的电压后， Dl、D2将处于导通状态，此时由超级电容和动力电池同时向驱动电机供电。此后，再制动时超级电容上的电压可能都会高出动力电池的电压，超级电容电压 增量部分即为回收的制动能量。超级电容上的总能量W由下式得出 式中C为超级电容的容量，U为制动回馈后超级电容上的电压，Utl为制动回馈前超 级电容上的电压，Δυ为制动回馈后超级电容的电压增量。因此，制动回馈能量由下式得出 当U大于电池电压时(这一数值由动力电系电压及电池类型决定)，E⑶控制 IGBT2导通制动能量同时向动力电池充电。此时由于车辆速度降低较多，制动回馈电流也降 至较低，不会对电池的安全性产生影响。综上所述，本发明实现了利用超级电容实现吸收大制动电流且保护动力电池不过 度充电进而延长动力电池寿命的目的。同时，比较超级电容与动力电池直接并联方式，可降 低超级电容的容量，以降低成本。作为混合动力车辆系统的一个特例，去掉附图中的辅助发 电设备，改由外部固定电站充电，就是一个纯电动车系统，其实施与上述过程相同。
权利要求
一种混合动力车辆能量管理方法，其特征在于超级电容和动力电池分别通过绝缘栅双极型功率管IGBT和二极管连接到电力总线上，IGBT的导通和关闭由车辆控制器ECU控制。
2.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆能量管理方法，其特征在于车辆制动由驱 动电机发电向电力总线回馈电流时，ECU控制IGBTl导通向超级电容充电，吸收初始制动时 的瞬间大电流，当超级电容上电压大于动力电池电压时，ECU控制IGBT2关断，由动力电池 吸收制动电流。
3.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆能量管理方法，其特征在于A、当超级电容上的电压大于动力电池电压时，二极管Dl导通，D2不导通且IGBT2关断， 超级电容单独向驱动电机供电；B、当超级电容上的电压等于动力电池电压时，二极管Dl和D2均导通，超级电容和动力 电池共同向驱动电机供电。
全文摘要
本发明针对混合动力车辆主要储能器件超级电容和动力蓄电池的特性，设计出一种可由车辆控制器对整车电能进行优化管理的方法。采用绝缘栅双极型功率管IGBT和二极管分别将超级电容和动力电池连接到电力总线上，通过车辆控制器ECU控制IGBT的导通和关闭，使超级电容主要用于吸收车辆制动回馈的瞬间大电流，在减小超级电容容量的情况下，避免过大的车辆制动回馈电流使动力电池过充电，从而延长动力电池的使用寿命，达到经济与节能的双重效果。
文档编号B60W10/24GK101905695SQ201010247899
公开日2010年12月8日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者张育华, 翁乙文 申请人:张育华