基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车及方法

文档序号:32351041发布日期:2022-11-26 13:07阅读:190来源:国知局
基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车及方法

1.本发明涉及电动汽车技术领域,特别涉及一种基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车及方法。


背景技术:

2.新能源汽车中的电动汽车是汽车发展的主要方向。当前,锂离子电池在电动汽车领域获得了成功,取得了长足的发展。一般地,锂离子电池比能量高,适合于不太剧烈的驱动以及较低恒速或者较低恒功率长时间输出的情况。但是由于电池放电特性变化,锂离子电池作为动力的电动汽车的频繁启停对于电池的生命周期有不利影响。其次,由于相对较低的功率密度,在加速或者爬坡时较难提供突然增加的功率。值得注意的是,高的峰值功率需求危害电池寿命,并且电池较低的功率密度会对制动能量回馈系统产生影响,然而,为了能高效和较多回收制动能量,则要以牺牲车辆性能的代价来提高电池容量,增大容量必然要加大电池重量,这也进一步减小了续驶里程。目前市场上主流的纯电动汽车就是以锂离子电池作为唯一动力。大量使用锂离子电池作为唯一能量储存装置的电动汽车主要存在充电速度慢、较低的能量密度和功率密度等问题,直接导致电动汽车充电时间长,在家需要充电4到8个小时,在充电站也要30分钟左右,续航里程短、动力不足和制动能量回收少。
3.超级电容器是一种比功率密度大,效率高,生命周期长的能量储存装置。其可以在短时间内提供高功率输出,特别适合于高功率需求工况。另一方面,高的功率密度也使其成为制动能量回收系统的最合理选择之一。但超级电容器具有能量密度低的缺点。
4.将锂离子电池与超级电容器组合既可以发挥两者优势,又可以避免两者劣势的混合储能装置是很有竞争力和市场前景的选择。目前锂离子电池和超级电容组成的混合储能装置只是考虑两者的简单组合,即锂离子电池提供一般动力,加速时超级电容提供动力,能量回收时由超级电容工作等,且控制方法还有很大提升空间,因此,电动汽车整车性能受到影响,无法使整车性能得到最优。


技术实现要素:

5.本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
6.为此,本发明的目的在于提出一种基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车及方法。
7.为了实现上述目的,本发明的实施例提供一种基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车,包括:传感器融合模块、能量控制模块、锂离子电池系统、超级电容系统和负载设备,其中,
8.所述传感器融合模块包括:驱动信息采集单元、制动信息采集单元、启停信息采集单元和附件信息采集单元;
9.所述锂离子电池系统包括:第一锂离子电池、第二锂离子电池、电池管理系统bms、第一dc-dcecu控制器和第一双向dc-dc模块;
10.所述超级电容系统包括:第一超级电容、第二超级电容、统一管理系统ums、第二dc-dc ecu控制器和第二双向dc-dc模块;其中,所述锂离子电池系统和所述超级电容系统之间连接有第三双向dc-dc模块和第三dc-dcecu控制器;其中,所述锂离子电池系统和超级电容系统组成混合储能装置;
11.所述负载设备包括:ac负载和dc负载;其中,所述ac负载包括:mcu控制器、第一驱动电机、acecu控制器、压缩机、制热元件ptc和空调制热控制单元ptcecu控制器;所述dc负载包括:第四dc-dcecu控制器、低压dc-dc控制器、电动助力转向器、制动系统真空泵、其他dc负载和高压负载;
12.所述能量控制模块根据所述传感器融合模块传送的信息进行判断,并通过电池管理系统bms对第一锂离子电池、第二锂离子电池、第一超级电容、第二超级电容的状态信息进行实时控制。
13.由上述任一方案优选的是,所述能量控制模块还用于对各个开关进行实时控制,对第二dc-dcecu控制器、第二双向dc-dc模块、第三dc-dcecu控制器和第三双向dc-dc模块进行实时控制。
14.由上述任一方案优选的是,所述锂离子电池系统中的锂离子电池通过高压线路双向连接第一双向dc-dc控制器;所述超级电容系统中的超级电容通过高压线双向连接至第二双向dc-dc控制器。
15.由上述任一方案优选的是,所述第一锂离子电池、第二锂离子电池通过第三双向dc-dc控制器分别与超级电容系统中的第一超级电容和第二超级电容连接。
16.由上述任一方案优选的是,所述ac负载中的mcu输出端双向连接至所述驱动电机;所述空调控制单元acecu控制单元的输出端单向连接至压缩机;所述空调制热控制单元的输出端与所述制热元件ptc单向连接;
17.所述dc负载中的低压dc-dc输出端接入低压网络,分为第一支路、第二支路和第三支路,其中,所述第一支路通过开关单向连接至电力助力转向电机;所述第二支路通过开关单向连接至制动系统真空泵;第三支路通过开关单向连接至其他dc负载。
18.本发明还提出一种基于上述实施例的电动汽车的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
19.步骤s1,初始化后判断汽车满足启动请求条件,如果是,则进行低压系统初始化;如果否,则进入下一次的启动请求条件判断。当低压系统初始化完成,则进行高压上电;如果低压系统初始化未完成,则仍进行低压系统初始化;
20.步骤s2,高压上电完成后进行信息融合,包括采集当前时刻驱动需求、制动需求、启停需求和附件需求信息,进行信息融合;
21.步骤s3,信息融合后判断是否满足驱动、制动或附件的需求,如果不满足驱动、制动或附件的需求,则判断是否满足下电条件;如果满足驱动、制动或附件的需求则进入驱动需求判断;
22.步骤s4,如果判断符合驱动需求,则进入相应的驱动模式;然后进行驱动是否结束的判断,如果是,则进行是否满足下电条件的判断;否则仍进入相应的驱动模式,至进入驱动结束条件的判断;满足下电条件时,进入下电流程,否则进入相应的运行模式;如果判断不满足驱动需求则进入制动需求判断;
23.步骤s5,如果判断符合制动需求,则进入相应的制动模式;然后进行制动是否结束的判断,如果是,则进行是否满足下电条件的判断;否则仍进入相应的制动模式,至进入制动结束条件的判断;满足下电条件时,进入下电流程,否则进入相应的运行模式;如果判断不满足制动需求,则进入启停需求判断;
24.步骤s6,如果判断符合启停需求,则进入启停模式;然后进行启停是否结束的判断,如果是,则进行是否满足下电条件的判断;否则仍进入相应的启停模式,至进入启停结束条件的判断;满足下电条件时,进入下电流程,否则进入相应的运行模式
25.其中,当满足下电条件时,则进入相应的低压下电和高压下电流程,满足下电结束条件,则结束;否则回到低压和高压下电流程继续进行,直到满足下电结束条件。
26.由上述任一方案优选的是,所述驱动模式根据行驶需求划分为:锂离子电池模式、联合模式和超级电容模式;
27.其中,驱动模式的判断条件是行驶需求,即需求功率p_dmd、需求转矩trq_dmd、加速度a_dmd、锂离子电池soc(li_soc)、超级电容soc(uc_soc);
28.锂离子电池soc(li_soc)是综合第一锂离子电池的li_1_soc和第二锂离子电池的li_2_soc而得的锂离子电池综合soc;超级电容soc(uc_soc)是综合第一超级电容的u_1_soc和第二超级电容的u_2_soc而得的超级电容综合soc;
29.将需求功率p_dmd分成两个区间,p_dmd_low和p_dmd_high。当p_dmd为p_dmd_low时,动力通过动力路线2提供;当p_dmd为p_dmd_high动力通过动力路线1提供;需求转矩trq_dmd分成两个区间,trq_dmd_low和trq_dmd_lowhigh;当trq_dmd为trq_dmd_low时,动力通过动力路线2提供;当trq_dmd为trq_dmd_lowhigh动力通过动力路线1提供;
30.当驱动模式的判断条件满足如下时,即,锂离子电池模式和超级电容模式共同供能的联合模式判断条件成立时,
31.p_dmd_2≤p_dmd;
32.trq_dmd_2≤trq_dmd;
33.a_dmd_2≤a_dmd;
34.li_soc_1≤li_soc≤li_soc_2;
35.uc_soc_1≤uc_soc≤uc_soc_2;
36.当驱动模式的判断条件满足如下时,即,锂离子电池模式的判断条件成立时,
37.p_dmd≤p_dmd_1;
38.trq_dmd≤trq_dmd_1;
39.a_dmd≤a_dmd_1;
40.li_soc_2≤li_soc;
41.当驱动模式的判断条件满足如下时,即,超级电容模式的判断条件成立时,
42.p_dmd_1≤p_dmd≤p_dmd_2;
43.trq_dmd_1≤trq_dmd≤trq_dmd_2;
44.a_dmd_1≤a_dmd≤a_dmd_2;
45.uc_soc≥uc_soc_2。
46.由上述任一方案优选的是,需求转矩trq_dmd分成两个区间,-trq_dmd_low和-trq_dmd_lowhigh;当trq_dmd为-trq_dmd_low范围时,能量通过能量回收路线2回收,即动
力路线2的逆方向回收;当trq_dmd为-trq_dmd_lowhigh,能量通过能量回收路线1回收,即动力路线1的逆方向回收;
47.根据制动信息融合,判断是否处于制动模式式,即a_dmd<0,如果否,则判断制动结束条件;如果是,则进一步判断是否是滑行状态。当满足滑行条件时,即a_dmd=-const或变化很小的一个值时;加速踏板位置信号acc=0时,则为滑行状态;
48.根据制动信息融合,当满足制动条件时,即a_dmd<0;acc=0时,则为制动状态;
49.根据制动信息融合,当满足下坡条件时,即a_dmd>0;acc=0时,则为下坡状态。
50.由上述任一方案优选的是,需求功率p_dmd分成两个区间,p_dmd_low和p_dmd_high。当p_dmd为p_dmd_low时,动力通过动力路线1提供;当p_dmd为p_dmd_high动力通过动力路线2提供;
51.根据启停信息融合,当满足启动条件时,即start=1时,则为启动状态;
52.根据启停信息融合,当满足停止条件时,即速度v=0时,则为停止状态。
53.由上述任一方案优选的是,当处于锂离子电池参与供能模式时,包括锂离子电池单独供能模式和锂离子电池和超级电容联合供能模式,锂离子电池则根据下列条件判断:
54.li_1_soc≥li_2_soc时,且li_2_soc能提供需求功率时,由第二锂离子电池提供能量;当li_2_soc不足以提供需求功率,则由第一锂离子电池提供功率;
55.li_2_soc≥li_1_soc时,且li_1_soc能提供需求功率时,由第一锂离子电池提供能量;当li_1_soc不足以提供需求功率,则由第二锂离子电池提供功率;
56.当单独的第一锂离子电池或第二锂离子电池都不足以提供能量时,则两者同时提供能量;
57.当处于超级电容参与供能模式时,包括超级电容单独供能模式和锂离子电池和超级电容联合供能模式,超级电容则根据下列条件判断:
58.u_1_soc≥u_2_soc时,且u_2_soc能提供需求功率时,由第二超级电容提供能量。当u_2_soc不足以提供需求功率,则由第一超级电容提供功率;
59.u_2_soc≥u_1_soc时,且u_1_soc能提供需求功率时,由第一超级电容提供能量;当u_1_soc不足以提供需求功率,则由第二超级电容提供功率;
60.当单独的第一超级电容或第二超级电容都不足以提供能量时,则两者同时提供能量。
61.根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车及方法,具有以下优点:
62.(1)结构创新,动力网1和动力网2独立,动力网1只是双向联通动力和驱动电机,动力网1用于大功率输出和回收,动力网2双向联通动力和驱动电机以及其它用电设备,用于较小功率输出和回收,提高动力输出和增加回收能量。这样也可以有效减少成本,提高零部件的寿命和可靠性。在锂离子电池系统和超级电容系统之间双向连接有双向dc-dc3,可以有效利用两者进行互相充电,进一步提高了能量回收的效果。
63.(2)提供动力输出的方法,较小功率时,通过动力网2输出,较大功率时,通过动力网1进行输出。动力输出时主要根据行驶需求(功率、转矩及其变化率为因子)对混合储能装置的供能模式进行定义,充分发挥锂离子电池和超级电容器的优势,避免两者的劣势,提高动力输出能力和能量利用效率。
64.(3)提供能量回收的方法,较小功率时,通过动力网2回收,较大功率时,通过动力网1进行回收。能量回收时,根据车辆制动需求对混合储能装置的能量回收模式进行定义,同时,根据混合储能装置的状态和充电效率,选择最优的单个或两者的组合模式,充分发挥锂离子电池和超级电容器的优势,避免两者的劣势,提高能量回收能力和能量回收效率。根据实际能量回收的特点,优先选择能量回收的系统,当优先选择的系统充满电时而仍需能量回收时,则另一能量回收系统启用。此时,根据能量回收的效率,可以是前者对后者充电,或直接由后者进行能量回收。
65.(4)提供启动和停止的方法,较小功率时,通过动力网2输出,较大功率时,通过动力网1进行输出。启动时根据启动时间、温度、坡道情况,划分两种启动模式,充分发挥储能装置的输出能力和效率;停车时则根据功率需求,采用不同的供能路线进行供能,提高能量利用效率。
66.本发明的锂离子电池和超级电容器的电电深度融合汽车及方法,对供能和回收能量线路分成高功率和低功率路两种路线,可以有效降低高压线路成本,提高线路使用寿命。如果高功率或低功率线路中的一条出了问题,至少可以保证汽车可以继续行驶,从而提高了安全性,保证了汽车的制动性。本发明相比于锂离子电池和超级电容器的简单组合,其可以根据行驶需求选择最合适的能量供给组合,从而可以适应更广的工况和更高的行驶需求范围,进一步提高能量供给装置的输出能力和能量利用效率。在能量回收时,根据能量、充电效率和功率等因素的具体情况进行回收的装置选择,这样可以回收更多的能量,提高了能量回收能力和效果,从而从而提高锂离子电池使用寿命,克服纯电动汽车的续驶里程短的缺点。本发明对电动汽车进行实时控制,从而提升电动汽车的能量管理效果,实现汽车整体性能优化。
67.本发明提供的锂离子电池和超级电容器的电电深度融合汽车的方法能够根据汽车行驶需求,高效进行装置选择与组合,进行电电深度融合,充分发挥锂离子电池在能量密度和超级电容器在功率密度方面优势,又可以充分避免两者劣势,克服锂离子电池和超级电容器的简单组合在系统输出和效率优化方面的不足,进一步提高汽车输出范围和效率优化范围,使整车性能得到进一步优化。
68.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
69.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
70.图1为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的整体示意图;
71.图2为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的整体架构图;
72.图3为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的控制方法的整体运行模式图;
73.图4为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的驱
动运行模式图;
74.图5为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的制动运行模式图;
75.图6为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的启停运行模式图;
76.图7为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的锂离子电池与超级电容的联合供能模式的示意图。
77.附图标记:
78.k1-驱动电机控制开关1、k2-驱动电机控制开关2、k3-空调控制开关、k4-制热控制开关、k5-低压dc-dc控制开关、k6-电动助力转向控制开关、k7-制动控制开关、k8-其它dc负载开关、k9-其它高压负载控制开关、k10-超级电容控制开关1、k11-超级电容控制开关2、k12-超级电容2控制开关1、k13-超级电容1控制开关2、k14-超级电容2控制开关2、k15-超级电容1控制开关2、k16-锂离子电池2控制开关2、k17-锂离子电池1控制开关2、k18-锂离子电池2控制开关1、k19-锂离子电池1控制开关1、k20-锂离子电池控制开关2、k21-锂离子电池控制开关1、22-高压dc总线1、23-高压dc总线2、24-低压dc总线
具体实施方式
79.下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
80.为了克服现有技术中由锂离子电池和超级电容器组成的混合储能系统存在的性能和控制方法无法满足能量优化利用的技术问题,本发明提供一种电电深度融合电动汽车及方法,能够有效提高锂离子电池和超级电容器组成的混合储能系统的动力输出能力和能量回收性能,并使整车性能得到最优。
81.如图1和图2所示,本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车,包括:感器融合模块、能量控制模块(电电深度融合电动汽车能量管理模块)、锂离子电池系统、超级电容系统和负载设备。
82.传感器融合模块包括驱动信息采集单元、制动信息采集单元、启停信息采集单元和附件信息采集单元。
83.锂离子电池系统包括第一锂离子电池(锂离子电池1)、第二锂离子电池(锂离子电池2)、bms、dc-dcecu1、双向dc-dc1。
84.超级电容系统包括第一超级电容(超级电容1)、第二超级电容(超级电容2)、ums、dc-dcecu2、双向dc-dc2。在锂离子电池系统和超级电容系统之间有双向dc-dc3和其控制部分dc-dcecu3。
85.ac负载包括mcu、驱动电机m1、acecu、压缩机m2、ptcecu和ptc。dc负载包括dc-dcecu4、低压dc-dc、电动助力转向m3、制动系统真空泵m4、其它dc负载和其它高压负载。开关包括k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8、k9、k10、k11、k12、k13、k14、k15、k16、k17、k18、k19、k20、k21。
86.传感器融合模块与电电深度融合电动汽车能量控制模块连接,电电深度融合电动
汽车能量控制模块与bms、ums、dc-dcecu1、dc-dcecu2、dc-dcecu3、dc-dcecu4、mcu、acecu、ptcecu、低压dc-dc和k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8、k9、k10、k11、k12、k13、k14、k15、k16、k17、k18、k19、k20、k21等开关连接,bms与锂离子电池连接,ums与超级电容连接,dc-dcecu1与双向dc-dc1连接,dc-dcecu2与双向dc-dc2连接、dc-dcecu3与双向dc-dc3连接、dc-dcecu4与低压dc-dc连接。
87.电电深度融合电动汽车能量控制模块根据传感器融合模块传送的信息进行判断,综合bms对第一锂离子电池(锂离子电池1)和第二锂离子电池(锂离子电池2)的状态信息,包括相应的soc、温度、电压,对开关k18、k19进行实时控制。同时,bms对dc-dcecu1、双向dc-dc1进行实时控制。
88.电电深度融合电动汽车能量控制模块根据传感器融合模块传送的信息进行判断,综合ums对第一超级电容(超级电容1)和第二超级电容(超级电容2)的状态信息,包括相应的soc、温度、电压,对开关k12、k13进行实时控制。同时,ums对dc-dcecu2、双向dc-dc2进行实时控制。
89.电电深度融合电动汽车能量控制模块根据传感器融合模块传送的信息进行判断,综合bms对第一锂离子电池(锂离子电池1)、第二锂离子电池(锂离子电池2)、ums对第一超级电容(超级电容1)、第二超级电容(超级电容2)的状态信息,包括相应的soc、温度、电压,对开关k14、k15、k16、k17进行实时控制。同时,对dc-dcecu3、双向dc-dc3进行实时控制。
90.在本发明的实施例中,锂离子电池系统和超级电容系统组成混合储能装置。
91.锂离子电池系统中的锂离子电池通过高压线路双向连接双向dc-dc1。超级电容系统中的超级电容通过高压线双向连接至双向dc-dc2。锂离子电池系统中第一锂离子电池(锂离子电池1)、第二锂离子电池(锂离子电池2)通过双向dc-dc3分别与超级电容系统中的第一超级电容(超级电容1)、第二超级电容(超级电容2)连接。
92.交流负载ac负载中的mcu的输出端双向连接至驱动电机m1。空调控制单元acecu的输出端单向连接至压缩机m2。空调制热控制单元ptcecu的输出端单向连接至制热元件ptc。
93.直流负载dc负载中的低压dc-dc的输出端接入低压网络24,之后分成三路:一路通过k6单向接至电动助力转向电机m3;一路通过开关k7单向接至制动系统真空泵m4;一路是通过开关k8单向接至其它dc负载。
94.锂离子电池系统分成两路,即通过k20双向接入动力网22,另一路是通过k21双向接入动力网23。超级电容系统亦分两路,即通过k11双向接入动力网22,另一路是通过k10双向接入动力网23。
95.动力网22的输出是通过开关k1双向连接至ac负载中的驱动电机控制器mcu。动力网23的输出是有5路:通过开关k2双向连接至ac负载中的驱动电机控制器mcu;通过开关k3单向连接空调的控制单元acecu;通过开关k4单向连接空调的制热控制单元ptcecu;通过开关k5单向连接低压dc-dc;通过开关k9单向连接其它高压负载。
96.锂离子电池通过高压线双向连接双向dc-dc1,双向dc-dc1的另一端之后分成两路,一路为锂离子动力路线1,即锂离子电池通过动力网22向驱动电机供能:其通过开关k20双向连接动力网22,动力网22通过开关k1用高压线双向连接驱动电机控制器mcu的一端,驱动电机控制器mcu的另一端通过高压线双向连接至驱动电机m1;另一路为锂离子动力路线2,即锂离子电池通过动力网23向驱动电机供能:其通过开关k21双向连接动力网23,动力网
23通过k2双向连接驱动电机控制器mcu的一端,驱动电机控制器mcu的另一端通过高压线双向连接至驱动电机m1。上述锂离子动力路线1和锂离子动力路线2的过程反过来,即对应为锂离子电池的能量回收路线1和锂离子电池的能量回收路线2。
97.超级电容通过高压线双向连接双向dc-dc2,双向dc-dc2的另一端之后分成两路,一路超级电容动力路线1,即超级电容通过动力网22向驱动电机供能:其通过开关k11双向连接动力网22,动力网22通过开关k1用高压线双向连接驱动电机控制器mcu的一端,驱动电机控制器mcu的另一端通过高压线双向连接至驱动电机m1;另一路超级电容动力路线2,即锂离子电池通过动力网23向驱动电机供能:其通过开关k10双向连接动力网23,动力网23通过k2双向连接驱动电机控制器mcu的一端,驱动电机控制器mcu的另一端通过高压线双向连接至驱动电机m1。上述超级电容动力路线1和超级电容动力路线2的过程反过来,即超级电容的能量回收路线1和超级电容的能量回收路线2。
98.锂离子电池系统的第一锂离子电池(锂离子电池1)和第二锂离子电池(锂离子电池2)分别通过k16和k17以高压线双向连接至双向dc-dc3的一端,双向dc-dc3的另一端通过k14和k15以高压线双向连接至超级电容系统第一超级电容(超级电容1)和第二超级电容(超级电容2)。这样,第一锂离子电池(锂离子电池1)、2与第一超级电容(超级电容1)、2通过k14、k15、k16、k17的开和关实现了第一锂离子电池(锂离子电池1)、2与第一超级电容(超级电容1)、2的相互充放电,依次是,第一锂离子电池(锂离子电池1)与第一超级电容(超级电容1);第一锂离子电池(锂离子电池1)与第二超级电容(超级电容2);第二锂离子电池(锂离子电池2)与第一超级电容(超级电容1);第二锂离子电池(锂离子电池2)与第二超级电容(超级电容2);或以上4种充放电方式的任意组合。
99.如图3所示,本发明实施例还提供一种基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的控制方法,包括如下步骤:
100.步骤s1,初始化后判断汽车满足启动请求条件,如果是,则进行低压系统初始化;如果否,则进入下一次的启动请求条件判断。当低压系统初始化完成,则进行高压上电;如果低压系统初始化未完成,则仍进行低压系统初始化;
101.步骤s2,高压上电完成后进行信息融合,包括采集当前时刻驱动需求、制动需求、启停需求和附件需求信息,进行信息融合;
102.步骤s3,信息融合后判断是否满足驱动、制动或附件的需求,如果不满足驱动、制动或附件的需求,则判断是否满足下电条件;如果满足驱动、制动或附件的需求则进入驱动需求判断;
103.步骤s4,如果判断符合驱动需求,则进入相应的驱动模式;然后进行驱动是否结束的判断,如果是,则进行是否满足下电条件的判断;否则仍进入相应的驱动模式,至进入驱动结束条件的判断;满足下电条件时,进入下电流程,否则进入相应的运行模式;如果判断不满足驱动需求则进入制动需求判断;
104.步骤s5,如果判断符合制动需求,则进入相应的制动模式;然后进行制动是否结束的判断,如果是,则进行是否满足下电条件的判断;否则仍进入相应的制动模式,至进入制动结束条件的判断;满足下电条件时,进入下电流程,否则进入相应的运行模式;如果判断不满足制动需求,则进入启停需求判断;
105.步骤s6,如果判断符合启停需求,则进入启停模式;然后进行启停是否结束的判
断,如果是,则进行是否满足下电条件的判断;否则仍进入相应的启停模式,至进入启停结束条件的判断;满足下电条件时,进入下电流程,否则进入相应的运行模式
106.其中,当满足下电条件时,则进入相应的低压下电和高压下电流程,满足下电结束条件,则结束;否则回到低压和高压下电流程继续进行,直到满足下电结束条件。
107.本发明的方法采用如上文所述的电电深度融合电动汽车,该方法根据行驶需求对所述混合储能装置中的锂离子电池和超级电容进行能量供给和回收的最优的组合,充分发挥混合储能装置的输出能力、能量回收水平和优化其效率。
108.图4为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的驱动运行模式图。
109.在本发明的实施例中,步骤s4中的驱动模式根据行驶需求分为三种模式,锂离子电池模式、联合模式和超级电容模式。
110.驱动模式的判断条件是行驶需求,即需求功率p_dmd、需求转矩trq_dmd、加速度a_dmd、锂离子电池soc(li_soc)、超级电容soc(uc_soc)。
111.锂离子电池soc(li_soc)是综合锂离子电池1的li_1_soc和锂离子电池2的li_2_soc考虑而得的锂离子电池综合soc。超级电容soc(uc_soc)是综合超级电容1的u_1_soc和超级电容2的u_2_soc考虑而得的超级电容综合soc。
112.将需求功率p_dmd分成两个区间,p_dmd_low和p_dmd_high。当p_dmd为p_dmd_low时,动力通过动力路线2提供;当p_dmd为p_dmd_high动力通过动力路线1提供。
113.需求转矩trq_dmd分成两个区间,trq_dmd_low和trq_dmd_lowhigh。当trq_dmd为trq_dmd_low时,动力通过动力路线2提供;当trq_dmd为trq_dmd_lowhigh动力通过动力路线1提供。
114.当驱动模式的判断条件满足如下时,即,锂离子电池模式和超级电容模式共同供能的联合模式判断条件成立时,
115.p_dmd_2≤p_dmd;
116.trq_dmd_2≤trq_dmd;
117.a_dmd_2≤a_dmd;
118.li_soc_1≤li_soc≤li_soc_2;
119.uc_soc_1≤uc_soc≤uc_soc_2;
120.则继续进行判断,当进行联合模式1条件,li_soc_lu_min≤li_soc≤li_soc_lu_throttle;uc_soc_lu_min≤uc_soc≤uc_soc_lu_throttle;车速v≤vmax;则运行联合模式1;当li_soc_1≤li_soc≤li_soc_lu_min;uc_soc_1≤uc_soc≤uc_soc_lu_min时,则进行联合限制功率1模式,保证汽车的行驶速度。当li_soc_1=li_soc或uc_soc_1=uc_soc时,即满足lu限制退出1,否则返回进行联合限制功率1。当满足联合退出1时,则进行驱动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行驱动模式的重新选择。
121.如果判断不符合联合模式1条件,则进行联合模式2条件判断,车速v≥vmax;li_soc_lu_high≤li_soc≤li_soc_2;uc_soc_lu_high≤uc_soc≤uc_soc_2;如果满足,则进行联合模式2运行。当li_soc_lu_throttle≤li_soc≤li_soc_lu_high;uc_soc_lu_throttle≤uc_soc≤uc_soc_lu_high时,则进行联合限制功率2模式,保证汽车的行驶速度。当li_soc_lu_min=li_soc或uc_soc_lu_min=uc_soc时,即满足lu限制退出2,否则返
回进行联合限制功率2。当满足联合退出2时,则进行驱动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行驱动模式的重新选择。
122.当联合模式2的条件判断为否时,则直接进入驱动条件结束的判断,如果是,则驱动模式结束,否则,返回进行驱动模式的重新选择。
123.当驱动模式的判断条件满足如下时,即,锂离子电池模式的判断条件成立时,
124.p_dmd≤p_dmd_1;
125.trq_dmd≤trq_dmd_1;
126.a_dmd≤a_dmd_1;
127.li_soc_2≤li_soc;
128.则继续进行判断,当进行锂离子电池模式1条件,li_soc_l_min≤li_soc≤li_soc_l_throttle;uc_soc_l_min≤uc_soc≤uc_soc_l_throttle;车速v≤vmax;则运行锂离子电池模式1;当li_soc_2≤li_soc≤li_soc_l_min时,则进行锂离子电池限制功率1模式,保证汽车的行驶速度。当li_soc=li_soc_2时,即满足l限制退出1,否则返回进行锂离子电池限制功率1。当满足锂离子电池退出1时,则进行驱动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行驱动模式的重新选择。
129.如果判断不符合锂离子电池模式1条件,则进行锂离子电池模式2条件判断,车速v≥vmax;li_soc_l_high≤li_soc;如果满足,则进行锂离子模式1运行。当li_soc_l_throttle≤li_soc≤li_soc_l_high时,则进行联合限制功率2模式,保证汽车的行驶速度。当li_soc=li_soc_throttle时,即满足l限制退出2,否则返回进行锂离子电池限制功率2。当满足锂离子电池退出2时,则进行驱动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行驱动模式的重新选择。
130.当锂离子电池模式2的条件判断为否时,则直接进入驱动条件结束的判断,如果是,则驱动模式结束,否则,返回进行驱动模式的重新选择。
131.当驱动模式的判断条件满足如下时,即,超级电容模式的判断条件成立时,
132.p_dmd_1≤p_dmd≤p_dmd_2;
133.trq_dmd_1≤trq_dmd≤trq_dmd_2;
134.a_dmd_1≤a_dmd≤a_dmd_2;
135.uc_soc≥uc_soc_2。
136.则继续进行判断,当进行超级电容模式1条件,uc_soc_l_min≤uc_soc≤uc_soc_u_throttle;车速v≤vmax;成立时,则运行超级电容模式1;当uc_soc_2≤uc_soc≤uc_soc_u_min时,则进行电容限制功率1模式,保证汽车的行驶速度。当uc_soc=uc_soc_2时,即满足u限制退出1,否则返回进行超级电容限制功率1。当满足u限制退出1时,则进行驱动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行驱动模式的重新选择。
137.如果判断不符合超级电容模式1条件,则进行超级电容模式2条件判断,车速车速v≥vmax;uc_soc_u_high≤uc_soc;如果满足,则进行超级电容模式2运行。当uc_soc_u_throttle≤uc_soc≤li_soc_u_high时,则进行电容限制功率2模式,保证汽车的行驶速度。当uc_soc=uc_soc_u_throttle时,即满足u限制退出2,否则返回进行超级电容限制功率2。当满足超级电容退出2时,则进行驱动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行驱动模式的重新选择。
138.当超级电容模式2的条件判断为否时,则直接进入驱动条件结束的判断,如果是,则驱动模式结束,否则,返回进行驱动模式的重新选择。
139.图5为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的制动运行模式图。
140.在步骤s5中,根据制动模式时的条件进行判断,对于长时间的在一定范围的功率进行能量回收,当制动需求功率较小或处于需求功率变化率较低时,通过锂离子电池的动力网2进行回收能量。当制动需求功率较大或处于需求功率变化率较高时,通过锂离子电池的动力网1进行回收能量。比较超级电容和锂离子的充电效率,当锂离子电池的充电效率较低时,则改为对超级电容进行充电。
141.根据制动模式时的条件进行判断,对于高功率或功率变化率较高的功率进行能量回收,当制动需求功率较小或处于需求功率变化率较低时,通过超级电容的的动力网2进行回收能量。当制动需求功率较大或处于需求功率变化率较高时,通过超级电容的动力网1进行回收能量。比较超级电容和锂离子的充电效率,当超级电容的充电效率较低时,则改为对超级电容进行充电。
142.需求转矩trq_dmd分成两个区间,-trq_dmd_low和-trq_dmd_lowhigh。当trq_dmd为-trq_dmd_low范围时,能量通过能量回收路线2(即,动力路线2的逆方向)回收;当trq_dmd为-trq_dmd_lowhigh,能量通过能量回收路线1(即,动力路线1的逆方向)回收。
143.根据制动信息融合,判断是否处于制动模式式,即a_dmd<0,如果否,则判断制动结束条件;如果是,则进一步判断是否是滑行状态。当满足滑行条件时,即a_dmd=-const或变化很小的一个值时;acc=0(加速踏板位置信号)时,则为滑行状态。
144.继续进行判断,当进行滑行模式1条件,a_dmd≤a_dmd_cruise_min则运行滑行模式1;当满足滑行结束1时,即acc≠0或bra>0时,则进行制动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行制动模式的重新选择。
145.如果不符合滑行模式1条件,则进行滑行模式2条件判断,当a_dmd>a_dmd_cruise_min时,则进行滑行模式2运行。当满足滑行结束2时,即acc≠0或bra>0时,则进行制动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行制动模式的重新选择。
146.当滑行模式2的条件判断为否时,则直接进入制动条件结束的判断,如果是,则制动模式结束,否则,返回进行制动模式的重新选择。
147.根据制动信息融合,当满足制动条件时,即a_dmd<0;acc=0时,则为制动状态。
148.继续进行判断,当进行制动模式1条件,a_dmd≤a_dmd_bra_min则运行制动模式1;当满足制动结束1时,即acc≠0或bra=0时,则进行制动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行制动模式的重新选择。
149.如果不符合制动模式1的条件,则进行制动模式2条件判断,当a_dmd>a_dmd_bra_min时,则进行制动模式2运行。当满足制动结束2时,即acc≠0或bra>0时,则进行制动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行制动模式的重新选择。
150.当制动模式2的条件判断为否时,则直接进入制动条件结束的判断,如果是,则制动模式结束,否则,返回进行制动模式的重新选择。
151.根据制动信息融合,当满足下坡条件时,即a_dmd>0;acc=0时,则为下坡状态。
152.继续进行判断,当进行下坡模式1条件,a_dmd≤a_dmd_slo_min则运行滑行模式1;
当满足下坡结束1时,即acc≠0或bra=0或bra>0时,则进行下坡结束条件判断,满足时结束,否则返回进行制动模式的重新选择。
153.如果不符合下坡模式1的条件,则进行下坡模式2条件判断,当a_dmd>a_dmd_slo_min时,则进行下坡模式2运行。当满足下坡结束2时,即acc≠0或bra=0或bra>0时,则进行下坡结束条件判断,满足时结束,否则返回进行制动模式的重新选择。
154.当下坡模式2的条件判断为否时,则直接进入制动条件结束的判断,如果是,则制动模式结束,否则,返回进行制动模式的重新选择。
155.图6为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的启停运行模式图。
156.在步骤s6中,需求功率p_dmd分成两个区间,p_dmd_low和p_dmd_high。当p_dmd为p_dmd_low时,动力通过动力路线1提供;当p_dmd为p_dmd_high动力通过动力路线2提供。
157.根据启停信息融合,当满足启动条件时,即start=1时,则为启动状态。
158.继续进行判断,当进行启动模式1条件,t≤tmin或start_time≤t_min或slope≤slope_min,则运行启动模式1;当启动结束1满足,即start≠1,则进行下坡结束条件判断,满足时结束,否则返回进行启动模式的重新选择。
159.如果不符合启动模式1的条件,则进行启动模式2条件判断,当t>tmin或start_time>t_min或slope>slope_min时,则进行启动模式2运行。当满足启动结束2时,即start≠1时,则进行启动结束条件判断,满足时结束,否则返回进行启动模式的重新选择。
160.当启动模式2的条件判断为否时,则直接进入启动条件结束的判断,如果是,则启动模式结束,否则,返回进行启动模式的重新选择。
161.根据启停信息融合,当满足停止条件时,即v=0时,则为停止状态。
162.继续进行判断,当进行停止模式1条件,p_dmd≤p_dmd_stop_min,则运行停止模式1;当停止结束1满足,即p_dmd=0或p_dmd>p_dmd_stop_min,则进行停止结束条件判断,满足时结束,否则返回进行停止模式的重新选择。
163.如果不符合停止模式1的条件,则进行启动模式2条件判断,当p_dmd>p_dmd_stop_min时,则进行停止模式2运行。当满足停止结束2时,即p_dmd=0或p_dmd≤p_dmd_stop_min时,则进行停止结束条件判断,满足时结束,否则返回进行停止模式的重新选择。
164.当停止模式2的条件判断为否时,则直接进入停止条件结束的判断,如果是,则停止模式结束,否则,返回进行停止模式的重新选择。
165.图7为根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车的锂离子电池与超级电容的联合供能模式的示意图。
166.驱动、制动和启停模式中,都涉及锂离子电池系统和超级电容系统工作与否,以及锂离子电池1、锂离子电池2超级电容1、超级电容2是否参与工作。其工作原理如下。首先以max(ζ锂离子电池或超级电容)判断优先回收能量的对象,其次min(soc锂离子电池1或锂离子电池2或超级电容1或超级电容2)进一步选择具体的能量回收对象。
167.(1)锂离子参与供能
168.当处于锂离子电池参与供能模式时,包括锂离子电池单独供能模式和锂离子电池和超级电容联合供能模式,锂离子电池则根据下列条件判断:
169.处于锂离子电池模式1或处于锂离子电池模式2时,由min(soc锂离子电池1或锂离
子电池2)对应的锂离子电池先提供能量,达到对应锂离子电池的socmin时,则让另一个锂离子电池提供能量。具体为:
170.li_1_soc≥li_2_soc时,且li_2_soc能提供需求功率时,由锂离子电池2提供能量。当li_2_soc不足以提供需求功率,则由锂离子电池1提供功率。
171.li_2_soc≥li_1_soc时,且li_1_soc能提供需求功率时,由锂离子电池1提供能量。当li_1_soc不足以提供需求功率,则由锂离子电池2提供功率。
172.当单独的锂离子电池1或2都不足以提供能量时,则两者同时提供能量。
173.(2)超级电容参与供能
174.当处于超级电容参与供能模式时,包括超级电容单独供能模式和锂离子电池和超级电容联合供能模式,超级电容则根据下列条件判断:
175.处于超级电容模式1或处于超级电容模式2时,min(soc超级电容1或超级电容2)对应的超级电容先提供能量,达到对应对的超级电容的socmin时,则让另一个超级电容提供能量。具体为:
176.u_1_soc≥u_2_soc时,且u_2_soc能提供需求功率时,由超级电容2提供能量。当u_2_soc不足以提供需求功率,则由超级电容1提供功率。
177.u_2_soc≥u_1_soc时,且u_1_soc能提供需求功率时,由超级电容1提供能量。当u_1_soc不足以提供需求功率,则由超级电容2提供功率。
178.当单独的超级电容1或2都不足以提供能量时,则两者同时提供能量。
179.(3)瞬时高功率回收
180.当回收的能量时瞬时脉冲能量时或回收的能量是高功率时,优先选择超级电容进行能量回收。根据如下条件对超级电容1和2进行组合回收能量。
181.即,ppulse(bra≥bra_high时),或pduration≥p_bra_high,或下大坡时,或高速滑行时,当处于超级电容模式1或处于超级电容模式2时,min(soc超级电容1或超级电容2)对应的超级电容先回收能量,达到对应对的超级电容的sochigh时,则让另一个超级电容回收能量。具体为:
182.u_1_soc≥u_2_soc时,且u_2_soc能回收需求功率提供的回收能量时,由超级电容2回收能量。当u_2_soc达到u_2_soc_high,则由超级电容1继续回收能量。
183.u_2_soc≥u_1_soc时,且u_1_soc能回收需求功率提供的回收能量时,由超级电容1回收能量。当u_1_soc达到u_1_soc_high,则由超级电容2继续回收能量。
184.当单独的超级电容1或2都不足以回收需求功率提供的回收能量时,则两者同时回收能量。
185.如果超级电容1和2都达到充满状态,能量控制模块、bms和ums会控制相应的k14、k15、k16、k17进行闭合对相应锂离子电池进行充电以使超级电容仍可以进行高效回收能量。
186.当处于锂离子电池参与能量回收时,锂离子电池则根据下列条件判断:
187.处于锂离子电池1或处于锂离子电池2时,min(soc锂离子电池1或锂离子电池2)对应的锂离子电池先回收超级电容来的能量,达到对应锂离子电池的soc_high时,则让另一个锂离子电池继续回收能量。具体为:
188.li_1_soc≥li_2_soc时,且li_2_soc能回收超级电容提供的能量时,由锂离子电
池2回收能量。当li_2_soc不足以回收超级电容提供的能量,则由锂离子电池1继续回收能量。
189.li_2_soc≥li_1_soc时,且li_1_soc能回收超级电容提供的能量时,由锂离子电池1回收能量。当li_1_soc不足以回收超级电容提供的能量,则由锂离子电池2继续回收能量。
190.当单独的锂离子电池1或锂离子电池2都不足以回收超级电容提供的能量时,则两者同时回收能量。
191.(4)较小的且平稳的能量回收
192.当回收的能量较小,或不是脉冲能量、或为滑行状态时,则优先由锂离子电池回收能量。即,ppulse(bra≤bra_high时),或pduration≤p_bra_high,或下小坡时,或低速滑行时。
193.当处于锂离子电池参与能量回收时,锂离子电池则根据下列条件判断:
194.处于锂离子电池1或处于锂离子电池2时,min(soc锂离子电池1或锂离子电池2)对应的锂离子电池先回收能量,达到对应锂离子电池的soc_high时,则让另一个锂离子电池继续回收能量。具体为:
195.li_1_soc≥li_2_soc时,且li_2_soc能回收需求功率时,由锂离子电池2回收能量。当li_2_soc不足以回收需求功率,则由锂离子电池1继续回收能量。
196.li_2_soc≥li_1_soc时,且li_1_soc能提供需求功率时,由锂离子电池1提供能量。当li_1_soc不足以提供需求功率,则由锂离子电池2提供功率。
197.当单独的锂离子电池1或2都不足以回收能量时,则两者同时回收能量。
198.如果锂离子电池1和锂离子电池2都达到充满状态,能量控制模块、bms和ums会控制相应的k14、k15、k16、k17进行闭合对相应超级电容进行充电以使锂离子电池仍可以进行高效回收能量。
199.当处于超级电容模式1或处于超级电容模式2时,min(soc超级电容1或超级电容2)对应的超级电容先回收能量,达到对应对的超级电容的sochigh时,则让另一个超级电容回收能量。具体为:
200.u_1_soc≥u_2_soc时,且u_2_soc能回收需求功率提供的回收能量时,由超级电容2回收能量。当u_2_soc达到u_2_soc_high,则由超级电容1继续回收能量。
201.u_2_soc≥u_1_soc时,且u_1_soc能回收需求功率提供的回收能量时,由超级电容1回收能量。当u_1_soc达到u_1_soc_high,则由超级电容2继续回收能量。
202.当单独的超级电容1或2都不足以回收需求功率提供的回收能量时,则两者同时回收能量。
203.根据本发明实施例的基于锂离子电池和超级电容深度融合的电动汽车及方法,具有以下优点:
204.(1)结构创新,动力网1和动力网2独立,动力网1只是双向联通动力和驱动电机,动力网1用于大功率输出和回收,动力网2双向联通动力和驱动电机以及其它用电设备,用于较小功率输出和回收,提高动力输出和增加回收能量。这样也可以有效减少成本,提高零部件的寿命和可靠性。在锂离子电池系统和超级电容系统之间双向连接有双向dc-dc3,可以有效利用两者进行互相充电,进一步提高了能量回收的效果。
205.(2)提供动力输出的方法,较小功率时,通过动力网2输出,较大功率时,通过动力网1进行输出。动力输出时主要根据行驶需求(功率、转矩及其变化率为因子)对混合储能装置的供能模式进行定义,充分发挥锂离子电池和超级电容器的优势,避免两者的劣势,提高动力输出能力和能量利用效率。
206.(3)提供能量回收的方法,较小功率时,通过动力网2回收,较大功率时,通过动力网1进行回收。能量回收时,根据车辆制动需求对混合储能装置的能量回收模式进行定义,同时,根据混合储能装置的状态和充电效率,选择最优的单个或两者的组合模式,充分发挥锂离子电池和超级电容器的优势,避免两者的劣势,提高能量回收能力和能量回收效率。根据实际能量回收的特点,优先选择能量回收的系统,当优先选择的系统充满电时而仍需能量回收时,则另一能量回收系统启用。此时,根据能量回收的效率,可以是前者对后者充电,或直接由后者进行能量回收。
207.(4)提供启动和停止的方法,较小功率时,通过动力网2输出,较大功率时,通过动力网1进行输出。启动时根据启动时间、温度、坡道情况,划分两种启动模式,充分发挥储能装置的输出能力和效率;停车时则根据功率需求,采用不同的供能路线进行供能,提高能量利用效率。
208.本发明的锂离子电池和超级电容器的电电深度融合汽车及方法,对供能和回收能量线路分成高功率和低功率路两种路线,可以有效降低高压线路成本,提高线路使用寿命。如果高功率或低功率线路中的一条出了问题,至少可以保证汽车可以继续行驶,从而提高了安全性,保证了汽车的制动性。本发明相比于锂离子电池和超级电容器的简单组合,其可以根据行驶需求选择最合适的能量供给组合,从而可以适应更广的工况和更高的行驶需求范围,进一步提高能量供给装置的输出能力和能量利用效率。在能量回收时,根据能量、充电效率和功率等因素的具体情况进行回收的装置选择,这样可以回收更多的能量,提高了能量回收能力和效果,从而从而提高锂离子电池使用寿命,克服纯电动汽车的续驶里程短的缺点。本发明对电动汽车进行实时控制,从而提升电动汽车的能量管理效果,实现汽车整体性能优化。
209.本发明提供的锂离子电池和超级电容器的电电深度融合汽车的方法能够根据汽车行驶需求,高效进行装置选择与组合,进行电电深度融合,充分发挥锂离子电池在能量密度和超级电容器在功率密度方面优势,又可以充分避免两者劣势,克服锂离子电池和超级电容器的简单组合在系统输出和效率优化方面的不足,进一步提高汽车输出范围和效率优化范围,使整车性能得到进一步优化。
210.在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
211.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
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