一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制系統(tǒng)及方法，包括電機(jī)需求功率采集模塊、能量管理中心、電池組和超級電容器，所述的電機(jī)需求功率采集模塊連接能量管理中心的信號輸入端，所述的能量管理中心的信號輸出端分別連接電池組和超級電容器，本發(fā)明的有益效果為：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，利用超級電容可快速的充電的特性，降低動(dòng)力電池組的放電深度，從而增加電池組的使用次數(shù)，延長使用壽命，使續(xù)駛里程提高50％，在啟停過程的節(jié)約能效為30％以上。
【專利說明】
一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)的燃油車相比，電動(dòng)汽車具有污染低、效率高、可使用多種可再生能源、噪聲低、更有利于整車控制和智能化等優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)汽車的潛力和優(yōu)勢使其走上了迅速發(fā)展的道路。作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，車載電源的開發(fā)和優(yōu)化一直是這幾年的研究熱點(diǎn)。但是在優(yōu)化過程中系統(tǒng)性能會(huì)互相制約，一方的提高會(huì)使另一方性能降低。動(dòng)力蓄電池比能量和比功率無法兼顧的技術(shù)難題，一直困擾著行業(yè)內(nèi)的研發(fā)人員，多年都難以尋找到解決這項(xiàng)不足的突破口。
[0003]縱觀電池的發(fā)展歷史，我們有理由相信在不久的將來人們一定能在電池的制造、開發(fā)以及性能上尋得突破。但就目前而言，我們的電動(dòng)汽車領(lǐng)域確實(shí)缺少一個(gè)完美的“心臟”。但這并不能阻止我們發(fā)展電動(dòng)汽車的腳步。在電池技術(shù)成熟之前，我們可以通過尋找輔助能源來彌補(bǔ)當(dāng)前動(dòng)力蓄電池的不足，而超級電容器恰好擁有與其完全互補(bǔ)的特點(diǎn)。將動(dòng)力電池和超級電容器組合使用，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，彌補(bǔ)對方的不足，確保電動(dòng)汽車功率和能量需求的同時(shí)，延長動(dòng)力電池的使用壽命，降低能耗。
[0004]如果說復(fù)合電源是電動(dòng)汽車的“心臟”，那么功率分配控制策略就是電動(dòng)汽車的“大腦”。在讀取車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)和運(yùn)行條件后，作出合理的判斷與指示，使電動(dòng)汽車以最優(yōu)的狀態(tài)工作是功率分配控制策略的任務(wù)和責(zé)任。擁有一個(gè)聰明的“大腦”可以幫助電動(dòng)汽車在工作過程中擁有更充沛的體能、更長久的壽命以及更健康的狀態(tài)。由此可見功率分配控制策略在電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)中的重要性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制系統(tǒng)及方法，利用超級電容可快速的充電的特性，降低動(dòng)力電池組的放電深度，從而增加電池組的使用次數(shù)，延長使用壽命。且能更好地利用動(dòng)力電池組所具有的容量，使續(xù)駛里程提高50%。此外，超級電池可快速吸收車載發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電量，在啟停過程的節(jié)約能效為30%以上。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制系統(tǒng)，其特征在于:包括電機(jī)需求功率采集模塊、能量管理中心、電池組和超級電容器，所述的電機(jī)需求功率采集模塊連接能量管理中心的信號輸入端，所述的能量管理中心的信號輸出端分別連接電池組和超級電容器。
[0007]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的能量管理中心為MCU微控制器。
[0008]本發(fā)明所述的一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制方法，包括以下步驟:
[0009]S1、先采集油門、剎車和車速信息，確定汽車運(yùn)行狀態(tài)，分析電機(jī)所需功率；
[0010]S2、然后根據(jù)當(dāng)前電池組、超級電容器的電壓、溫度、電流檢測信息，確定二者的狀態(tài)?目息;
[0011]S3、能量管理中心控制器中的功率分配控制策略，結(jié)合功率需求和主輔電源狀態(tài)計(jì)算出當(dāng)前主輔電源的功率分配因子；
[0012]S4、最后由控制器控制DC/DC按照上述功率分配因子工作，使得電池組和超級電容輸出各自的功率，滿足電動(dòng)汽車的運(yùn)行需求。
[0013]其中，在本實(shí)施例中，所述的主輔電源的功率分配遵循以下基本原則:電池組是主要能源，要滿足汽車對雙能源系統(tǒng)的平均功率要求，保證汽車能夠正常勻速行駛;超級電容是輔助能源，滿足汽車的瞬時(shí)峰值功率，并且能夠提供一定時(shí)間的持續(xù)峰值功率，根據(jù)上述的原則，確定對主輔電源的功率分配控制目標(biāo)是:在保證電動(dòng)汽車動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，電池組的輸出要盡可能平滑，使其工作在最佳放電模式;超級電容起備用輔助功率提升的作用，其輸出根據(jù)工況變化來調(diào)整；當(dāng)減速、制動(dòng)有再生能量時(shí)，由超級電容器回收再生制動(dòng)能量，吸收大電流，“削峰填谷”；保證主輔電源的SOC值在安全范圍內(nèi)，其具體分配如下:
[0014]結(jié)合電動(dòng)汽車工況，雙能源動(dòng)力系統(tǒng)一共有三種基本工作模式，分別是低載勻速、加速爬坡、再生制動(dòng)，設(shè)Pm為電機(jī)需求功率，Pbat為鋰電池充放電功率，Pcap為超級電容充放電功率，則有
[0015]Pm = Pbat+Pcap
[0016]電機(jī)需求功率Pm的大小由實(shí)際需求功率決定，在給定的工況下是確定的；而Pbat和Pcap則需要根據(jù)一定的控制策略來進(jìn)行分配，設(shè)P平均為電動(dòng)汽車電機(jī)平均需求功率，SOCcap為超級電容器的SOC值，SOCcapmin為超級電容器的最小工作SOC值，對于上述三種工作模式，分析如下:
[0017](I)當(dāng)電動(dòng)汽車勻速或者低載行駛時(shí)，電機(jī)需求功率小于電機(jī)平均需求功率，Pm>0且Pm〈P平均，那么由電池組單獨(dú)為電機(jī)供電:
[0018]Pm = Pbat
[0019]當(dāng)超級電容SOC值過低時(shí)，SPCcap〈SOCcapmin，電池組要給超級電容充電:
[0020]Pbat = Pm-Pcap，Pcap〈0
[0021](2)當(dāng)電動(dòng)汽車在加速爬坡等高負(fù)荷行駛時(shí)，電機(jī)需求功率大于電機(jī)平均功率，Pm>0且Pm>P平均，那么電池組和超級電容同時(shí)為電機(jī)供電:
[0022]Pm = Pbat+Pcap
[0023](3)當(dāng)電動(dòng)汽車下坡或者減速的時(shí)候，電機(jī)工作再生制動(dòng)模式，Pm〈0，電機(jī)給超級電容和電池組充電，但是要控制由超級電容吸收絕大部分能量，當(dāng)超級電容充滿后再給電池組充電:
[0024]Pm = Pcap〈0。
[0025]采用模糊邏輯控制策略來實(shí)現(xiàn)對雙能源動(dòng)力系統(tǒng)功率分配的控制:定義功率分配因子K，對于電機(jī)需求功率P、電池組和超級電容充放電功率則有:
[0026]P = Pcap+Pbat
[0027]K = Pbat/P
[0028]Pcap = (1-K)P
[0029]由上式可見，K由電機(jī)需求功率、電池組功率和超級電容功率三者影響，電機(jī)需求功率根據(jù)實(shí)際路況確定，為定值，超級電容和電池組的SOC值將影響其工作能力，電池組功率和超級電容功率根據(jù)電機(jī)需求功率大小及其SOC值的情況進(jìn)行分析衡量，當(dāng)P確定時(shí)，K由電池SOC和超級電容的SOC的大小決定，在得到電機(jī)的需求功率、電池SOC和超級電容的SOC后，通過模糊控制算法，計(jì)算出合適的功率分配因子K。
[0030]本申請實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn):
[0031]利用超級電容可快速的充電的特性，降低動(dòng)力電池組的放電深度，從而增加電池組的使用次數(shù)，延長使用壽命;且能更好地利用動(dòng)力電池組所具有的容量，使續(xù)駛里程提高50%;此外，超級電池可快速吸收車載發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電量，在啟停過程的節(jié)約能效為30%以上。
【附圖說明】
[0032]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0033]圖1是本申請實(shí)施例的能量管理及控制過程示意圖；
[0034]圖2是本申請實(shí)施例的模糊邏輯控制策略示意圖；
[0035]圖中，1、電機(jī)需求功率采集模塊，2、能量管理中心，3、電池組，4、超級電容器。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式對上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0037]如圖1-圖2所示，本實(shí)施例所述的、一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制系統(tǒng)，包括電機(jī)需求功率采集模塊I能量管理中心2、電池組3)和超級電容器4，所述的電機(jī)需求功率采集模塊I連接能量管理中心2的信號輸入端，所述的能量管理中心2的信號輸出端分別連接電池組3和超級電容器4。
[0038]其中，在本實(shí)施例中，所述的能量管理中心2為MCU微控制器。
[0039]本實(shí)施例所述的一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制方法，其包括以下步驟:
[0040]S1、先采集油門、剎車和車速信息，確定汽車運(yùn)行狀態(tài)，分析電機(jī)所需功率；
[0041]S2、然后根據(jù)當(dāng)前電池組、超級電容器的電壓、溫度、電流檢測信息，確定二者的狀態(tài)?目息;
[0042]S3、能量管理中心2控制器中的功率分配控制策略，結(jié)合功率需求和主輔電源狀態(tài)計(jì)算出當(dāng)前主輔電源的功率分配因子；
[0043]S4、最后由控制器控制DC/DC按照上述功率分配因子工作，使得電池組和超級電容輸出各自的功率，滿足電動(dòng)汽車的運(yùn)行需求。
[0044]其中，在本實(shí)施例中，所述的主輔電源的功率分配遵循以下基本原則:電池組3是主要能源，要滿足汽車對雙能源系統(tǒng)的平均功率要求，保證汽車能夠正常勻速行駛;超級電容是輔助能源，滿足汽車的瞬時(shí)峰值功率，并且能夠提供一定時(shí)間的持續(xù)峰值功率，根據(jù)上述的原則，確定對主輔電源的功率分配控制目標(biāo)是:在保證電動(dòng)汽車動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，電池組的輸出要盡可能平滑，使其工作在最佳放電模式;超級電容起備用輔助功率提升的作用，其輸出根據(jù)工況變化來調(diào)整；當(dāng)減速、制動(dòng)有再生能量時(shí)，由超級電容器回收再生制動(dòng)能量，吸收大電流，“削峰填谷”；保證主輔電源的SOC值在安全范圍內(nèi)，其具體分配如下:
[0045]結(jié)合電動(dòng)汽車工況，雙能源動(dòng)力系統(tǒng)一共有三種基本工作模式，分別是低載勻速、加速爬坡、再生制動(dòng)，設(shè)Pm為電機(jī)需求功率，Pbat為鋰電池充放電功率，Pcap為超級電容充放電功率，則有
[0046]Pm = Pbat+Pcap
[0047]電機(jī)需求功率Pm的大小由實(shí)際需求功率決定，在給定的工況下是確定的；而Pbat和Pcap則需要根據(jù)一定的控制策略來進(jìn)行分配，設(shè)P平均為電動(dòng)汽車電機(jī)平均需求功率，SOCcap為超級電容器的SOC值，SOCcapmin為超級電容器的最小工作SOC值，對于上述三種工作模式，分析如下:
[0048](I)當(dāng)電動(dòng)汽車勻速或者低載行駛時(shí)，電機(jī)需求功率小于電機(jī)平均需求功率，Pm>0且Pm〈P平均，那么由電池組單獨(dú)為電機(jī)供電:
[0049]Pm = Pbat
[0050]當(dāng)超級電容SOC值過低時(shí)，SPCcap〈SOCcapmin，電池組要給超級電容充電:
[0051]Pbat = Pm-Pcap，Pcap〈0
[0052](2)當(dāng)電動(dòng)汽車在加速爬坡等高負(fù)荷行駛時(shí)，電機(jī)需求功率大于電機(jī)平均功率，Pm>0且Pm>P平均，那么電池組和超級電容同時(shí)為電機(jī)供電:
[0053]Pm = Pbat+Pcap
[0054](3)當(dāng)電動(dòng)汽車下坡或者減速的時(shí)候，電機(jī)工作再生制動(dòng)模式，Pm〈0，電機(jī)給超級電容和電池組充電，但是要控制由超級電容吸收絕大部分能量，當(dāng)超級電容充滿后再給電池組充電:
[0055]Pm = Pcap〈0。
[0056]采用模糊邏輯控制策略來實(shí)現(xiàn)對雙能源動(dòng)力系統(tǒng)功率分配的控制:定義功率分配因子K，對于電機(jī)需求功率P、電池組和超級電容充放電功率則有:
[0057]P = Pcap+Pbat
[0058]K = Pbat/P
[0059]Pcap = (1-K)P
[0060]由上式可見，K由電機(jī)需求功率、電池組功率和超級電容功率三者影響，電機(jī)需求功率根據(jù)實(shí)際路況確定，為定值，超級電容和電池組的SOC值將影響其工作能力，電池組功率和超級電容功率根據(jù)電機(jī)需求功率大小及其SOC值的情況進(jìn)行分析衡量，當(dāng)P確定時(shí)，K由電池SOC和超級電容的SOC的大小決定，在得到電機(jī)的需求功率、電池SOC和超級電容的SOC后，通過模糊控制算法，計(jì)算出合適的功率分配因子K。
[0061]由MCU微控制器負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算并完成控制決策。首先，MCU對信號采集模塊的輸入信號進(jìn)行分析，然后判斷出電動(dòng)汽車的工作路況及行駛狀態(tài)，并根據(jù)電池組和超級電容的SOC值，經(jīng)過模糊控制算法計(jì)算出合適的功率分配因子，由此合理分配電池組和超級電容的工作，最終實(shí)現(xiàn)各種工況下的控制目標(biāo)。
[0062]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制系統(tǒng)，其特征在于:包括電機(jī)需求功率采集模塊(I)、能量管理中心(2)、電池組(3)和超級電容器(4)，所述的電機(jī)需求功率采集模塊(I)連接能量管理中心(2)的信號輸入端，所述的能量管理中心(2)的信號輸出端分別連接電池組(3)和超級電容器(4)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的能量管理中心(2)為MCU微控制器。3.—種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、先米集油門、剎車和車速信息，確定汽車運(yùn)行狀態(tài)，分析電機(jī)所需功率； 52、然后根據(jù)當(dāng)前電池組、超級電容器的電壓、溫度、電流檢測信息，確定二者的狀態(tài)信息; 53、能量管理中心(2)控制器中的功率分配控制策略，結(jié)合功率需求和主輔電源狀態(tài)計(jì)算出當(dāng)前主輔電源的功率分配因子； 54、最后由控制器控制DC/DC按照上述功率分配因子工作，使得電池組和超級電容輸出各自的功率，滿足電動(dòng)汽車的運(yùn)行需求。4.根據(jù)權(quán)利要求3—種鋰電池與超級電容器雙能源功率分配控制方法，其特征在于，所述的主輔電源的功率分配遵循以下基本原則:電池組(3)是主要能源，要滿足汽車對雙能源系統(tǒng)的平均功率要求，保證汽車能夠正常勻速行駛;超級電容是輔助能源，滿足汽車的瞬時(shí)峰值功率，并且能夠提供一定時(shí)間的持續(xù)峰值功率，根據(jù)上述的原則，確定對主輔電源的功率分配控制目標(biāo)是:在保證電動(dòng)汽車動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，電池組的輸出要盡可能平滑，使其工作在最佳放電模式;超級電容起備用輔助功率提升的作用，其輸出根據(jù)工況變化來調(diào)整；當(dāng)減速、制動(dòng)有再生能量時(shí)，由超級電容器回收再生制動(dòng)能量，吸收大電流，“削峰填谷”；保證主輔電源的SOC值在安全范圍內(nèi)，其具體分配如下: 結(jié)合電動(dòng)汽車工況，雙能源動(dòng)力系統(tǒng)一共有三種基本工作模式，分別是低載勻速、加速爬坡、再生制動(dòng)，設(shè)Pm為電機(jī)需求功率，Pbat為鋰電池充放電功率，Pcap為超級電容充放電功率，則有 Pm=Pbat+Pcap 電機(jī)需求功率Pm的大小由實(shí)際需求功率決定，在給定的工況下是確定的；和Pcap則需要根據(jù)一定的控制策略來進(jìn)行分配，設(shè)P平均為電動(dòng)汽車電機(jī)平均需求功率，SOCcap為超級電容器的SOC值，SOCcapmin為超級電容器的最小工作SOC值，對于上述三種工作模式，分析如下: (1)當(dāng)電動(dòng)汽車勻速或者低載行駛時(shí)，電機(jī)需求功率小于電機(jī)平均需求功率，Pm>0且Pm〈P平均，那么由電池組單獨(dú)為電機(jī)供電: Pm=Pbat 當(dāng)超級電容SOC值過低時(shí)，SPCcap〈SOCcapmin，電池組要給超級電容充電: Pbat = Pm-Pcap，Pcap〈0 (2)當(dāng)電動(dòng)汽車在加速爬坡等高負(fù)荷行駛時(shí)，電機(jī)需求功率大于電機(jī)平均功率，Pm>0且Pm>P平均，那么電池組和超級電容同時(shí)為電機(jī)供電: Pm=Pbat+Pcap (3)當(dāng)電動(dòng)汽車下坡或者減速的時(shí)候，電機(jī)工作再生制動(dòng)模式，Pm〈0，電機(jī)給超級電容和電池組充電，但是要控制由超級電容吸收絕大部分能量，當(dāng)超級電容充滿后再給電池組充電: Pm=Pcap〈0。 采用模糊邏輯控制策略來實(shí)現(xiàn)對雙能源動(dòng)力系統(tǒng)功率分配的控制:定義功率分配因子K，對于電機(jī)需求功率P、電池組和超級電容充放電功率則有:P = Pcap+PbatK = Pbat/PPcap= (1_K)P 由上式可見，K由電機(jī)需求功率、電池組功率和超級電容功率三者影響，電機(jī)需求功率根據(jù)實(shí)際路況確定，為定值，超級電容和電池組的SOC值將影響其工作能力，電池組功率和超級電容功率根據(jù)電機(jī)需求功率大小及其SOC值的情況進(jìn)行分析衡量，當(dāng)P確定時(shí)，K由電池SOC和超級電容的SOC的大小決定，在得到電機(jī)的需求功率、電池SOC和超級電容的SOC后，通過模糊控制算法，計(jì)算出合適的功率分配因子K。
【文檔編號】B60L11/00GK106080223SQ201610517969
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月4日
【發(fā)明人】李娟 , 吳正斌, 張錚, 周德超
【申請人】天津中科先進(jìn)技術(shù)研究院有限公司