一種外混自重構(gòu)超級電容電池電路及快速充電控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為新能源電動汽車的電源技術(shù)和新能源儲能技術(shù)領(lǐng)域，涉及新能源電動汽車可快速充電的大容量動力電池技術(shù)及其充電控制方法、新能源儲能技術(shù)、超級電容技術(shù)、動力電池技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動控制等技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源短缺問題的日益突出，新能源技術(shù)和新能源電動汽車技術(shù)的研究已成為當(dāng)今全世界研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)技術(shù)。新能源電動汽車已成為今天和未來重要的新能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)。目前，世界發(fā)達(dá)國家的新能源技術(shù)和新能源電動汽車技術(shù)及產(chǎn)業(yè)正在加快發(fā)展。中國目前的新能源技術(shù)和新能源電動汽車技術(shù)及產(chǎn)業(yè)也正在加快發(fā)展。但制約新能源電池儲能技術(shù)和電動汽車發(fā)展的主要技術(shù)問題還是集中于電池成本較高，充電時間長，續(xù)駛里程較短等方面。其中電池技術(shù)和充電時間長已成為主要技術(shù)瓶頸和關(guān)鍵技術(shù)問題。近年來，雖然有不少汽車公司和研究機(jī)構(gòu)的最新研究正在逐漸彌補(bǔ)電動汽車的這些先天缺陷。如目前鎳氫電池和鋰電池為不少電動車和混合動力車所使用。其中鎳氫電池可較快速充電，循環(huán)壽命長，同時它不存在重金屬污染，也被稱為“綠色電池”，但是比能量沒有鋰電池高。而鋰電池，如鋰離子電池、鋰熔鹽電池、鋰聚合物電池，雖具備較高的能量密度，等比功率也大、比能量也高，非常適合作為電動車車載電池。但鋰離子電池仍還存在充電時間較常、成本高、安全性差等問題。鉛酸電池雖然成本低、安全性好，但能量密度不高、等比功率重量較大、等比功率也不大、比能量也不高、存在重金屬污染、充電時間常等問題。由于目前所使用的鎳氫電池、鋰電池、鉛酸電池等都是化學(xué)電池，都是按照化學(xué)原理反應(yīng)的化學(xué)電池，都存在充電時間常等問題。所以目前電動汽車的動力電池問題已成為電動汽車的主要技術(shù)瓶頸。其電池的充電時間長和等比功率重量問題已成為關(guān)鍵技術(shù)問題。目前在新能源儲能技術(shù)領(lǐng)域和新能源汽車的能量回收技術(shù)領(lǐng)域，已有利用超級電容技術(shù)進(jìn)行短時間的小容量快速儲能技術(shù)研究和技術(shù)應(yīng)用。但是利用超級電容與化學(xué)電池進(jìn)行自重構(gòu)外混組合，構(gòu)成大容量可快速充電的電動汽車動力電池組還沒有見到相關(guān)技術(shù)研究和技術(shù)應(yīng)用報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對目前新能源電動汽車所使用的車載化學(xué)動力電池，所存在的充電時間較常、等比功率重量較大、續(xù)駛里程較短等技術(shù)問題，提出了一種可快速充電的外混自重構(gòu)超級電容動力電池電路及快速充電控制方法。利用可快速充電的超級電容器組與目前所使用的鋰電池、鎳氫電池、鉛酸蓄電池等化學(xué)動力電池以及新型鉛碳“超級電池”通過自重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行外混組合，構(gòu)成一種在停車和行駛路途中可在充電站進(jìn)行快速充電的外混自重構(gòu)超級電容大容量動力電池組，達(dá)到有效縮短電動汽車動力電池充電時間，減輕電動汽車車載動力電池重量，增加續(xù)駛里程目的。在電動汽車停車和行駛路途中停車期間可在充電站在10分鐘左右的較短充電時間內(nèi)使整個電池組很快充滿電。并且在電動汽車行駛過程中可由已快速充滿電的自重構(gòu)超級電容器組和大容量動力電池組同時向電動汽車供電，同時也可由已快速充滿電的自重構(gòu)超級電容器組向大容量動力電池組繼續(xù)進(jìn)行慢速充電，以保證電動汽車的增程續(xù)航使用要求。
[0004]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，提出如下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明基于可快速充電的自重構(gòu)超級電容器組技術(shù)與鋰離子電池組、鎳氫電池組、鉛酸蓄電池組、新型鉛碳“超級電池”組等化學(xué)動力電池技術(shù)，通過電力電子技術(shù)及自動化控制技術(shù)，外混組合成可快速充電的高比功率和高比能量的大容量動力電池。
[0006]其特征是可由高比功率的超級電容器與高比能量的鋰離子電池或鎳氫電池進(jìn)行自重構(gòu)外混組合，也可由高比功率的超級電容器與低成本高性價(jià)比的鉛酸蓄電池進(jìn)行自重構(gòu)外混組合，也可由高比功率的超級電容器與高比功率和高比能量的新型鉛碳“超級電池”等化學(xué)動力電池通過電力電子技術(shù)及自動控制技術(shù)進(jìn)行外混自重構(gòu)組合成可快速充電的高比功率和高比能量的大容量動力電池。
[0007]所組成的快速充電大容量動力電池的充電控制，由DC/DC限速充電器、DC/DC快速充電器、快速和慢速充電控制器、單相和三相整流及過載保護(hù)器等組成，可進(jìn)行快速和慢速充電。通過控制系統(tǒng)使電動汽車在停車或行駛路途中停車期間在充電站可在10分鐘左右的較短時間內(nèi)使整個電池組很快充滿電。在電動汽車行駛使用過程中可由已快速充滿電的自重構(gòu)超級電容器組和大容量動力電池組同時向電動汽車供電，也可由已快速充滿電的自重構(gòu)超級電容器組向大容量動力電池進(jìn)行慢速充電。
【附圖說明】
[0008]說明書附圖1是本發(fā)明的一種可快速充電的外混自重構(gòu)超級電容動力電池工作時的電路原理圖，是本發(fā)明的一種具體實(shí)施方法的基本電路原理圖。
[0009]說明書附圖1中的I為自重構(gòu)電池組，自重構(gòu)電池組I可由新型鉛碳“超級電池”自重構(gòu)組成，或由鋰離子電池自重構(gòu)組成，或由鎳氫電池自重構(gòu)組成，或由鉛酸蓄電池等化學(xué)動力電池自重構(gòu)組成。圖1中的2為由超級電容器組成的外混自重構(gòu)超級電容器組。圖1中的3為新能源電動汽車的驅(qū)動電機(jī)。圖1中的4為單相和三相整流及過載保護(hù)主電路。圖1中的5為DC/DC限速充電主電路，即快慢速充電主電路。圖1中的6為DC/DC快速充電主電路。圖1中的7為快速和慢速充電控制器。圖1中的QSl為新能源電動汽車的驅(qū)動直流電動機(jī)的電源控制開關(guān)。圖1中的V1、V2、V3、V4、V5為控制動力電池內(nèi)部的電流流向的控制二極管。
[0010]說明書附圖2是本發(fā)明的一種可快速充電的外混自重構(gòu)超級電容動力電池的電路原理圖，是本發(fā)明自重構(gòu)超級電容和動力電池組的一種具體實(shí)施方法的電路原理圖。
[0011]說明書附圖2中的8為自動檢測與報(bào)警和自重構(gòu)控制器，即自動重構(gòu)電池組和超級電容器組的控制器。如圖2所示，由自動檢測與報(bào)警和自重構(gòu)控制器8檢測電池組I和超級電容器組2中各單體器件的狀態(tài)，然后由自重構(gòu)控制器8根據(jù)電動汽車的電源使用要求和充電控制要求控制電池組I和超級電容器組2中各串聯(lián)支路中單體電池和超級電容器件的自動重組。圖2中的K9、K10、K11、K12為由自動檢測與報(bào)警和自重構(gòu)控制器8所控制的化學(xué)動力電池支路和超級電容器支路的自重構(gòu)開關(guān)。在每一動力電池支路的單體電池回路中和超級電容器支路的單體電容回路中均設(shè)置有類似Κ9、Κ10、KlU Κ12的開關(guān)，由自重構(gòu)控制器8進(jìn)行控制。
[0012]說明書附圖3是本發(fā)明快速充電時的工作電路原理圖。
[0013]說明書附圖3中的K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8為快速充電工作時的控制開關(guān)。當(dāng)整個外混自重構(gòu)超級電容動力電池處于快速充電狀態(tài)時，控制開關(guān)K1、K2、K5、K6由快速和慢速充電控制器7控制處于向上打開狀態(tài)，控制開關(guān)K3、K4、K7、K8由快速和慢速充電控制器7控制處于向下閉合狀態(tài)。此時，圖3中的I電池組處于較快速充電狀態(tài)，圖3中的2超級電容器組處于快速充電狀態(tài)。圖3中的I為化學(xué)動力電池自重構(gòu)模組，在快速充電狀態(tài)時，圖3中I各串聯(lián)自動重構(gòu)電池支路通過Κ1、Κ2、Κ3、Κ4開關(guān)的自動重構(gòu)控制，串聯(lián)形成高壓串聯(lián)充電電路，進(jìn)行較快速充電，根據(jù)電池性能和充電電源的容量設(shè)計(jì)，在較短的充電時間內(nèi)可充到較大容量，如40 %、50 %、60 %以上。圖3中的2為自重構(gòu)超級電容器模組，在快速充電狀態(tài)時，圖3中2各串聯(lián)超級電容器支路通過Κ5、Κ6、Κ7、Κ8開關(guān)的自重構(gòu)控制，串聯(lián)形成高壓串聯(lián)充電電路，充電時間將很短，充電時間根據(jù)充電電源的容量設(shè)計(jì)可控制在5-10分鐘內(nèi)充滿。圖3中2超級電容器模組的容量設(shè)計(jì)可占整個動力電池組的總?cè)萘康?0% -50%。在圖3中2超級電容器模組充電結(jié)束后，圖3中I動力電池組和2超級電容器模組在圖3中快慢速充電控制器7的控制下自動回復(fù)到圖1狀態(tài)。當(dāng)圖1中開關(guān)QSl合上，動力電池組I和超級電容器模組2即可向電動汽車的驅(qū)動電機(jī)提供穩(wěn)定的電源。超級電容器模組2在向電動汽車的驅(qū)動電機(jī)供電和不供電時可繼續(xù)向電池組I慢速充電，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)電動汽車的快速充電和增程續(xù)航的使用要求。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面根據(jù)附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案和【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0015]如說明書附圖1所示，圖1中自重構(gòu)電池組I由多組鋰離子電池或鎳氫電池等化學(xué)動力電池通過自重構(gòu)方式組成。其每一條串聯(lián)電池組支路根據(jù)電動汽車的動力電池或儲能電源電池的電壓要求由多個1.5V左右或較高電壓的鉛碳“超級電池”，或由多個1.5V左右或較高電壓的鋰離子電池，或由多個1.5V左右或較高電壓的鎳氫電池，或由多個1.5V左右或較高電壓的鉛酸蓄電池等化學(xué)動力電池通過自重構(gòu)方式自動串聯(lián)組成，并由多條串聯(lián)電池組支路并聯(lián)組成大容量動力電池組。在每一串聯(lián)電池組支路中，均具有相應(yīng)的檢測和保護(hù)電路，由圖1中的7快速和慢速充電控制器進(jìn)行充電控制。每一串聯(lián)電池組支路中的單體電池?cái)?shù)量由電動汽車的動力電池或儲能電源的供電電壓所確定，并在每一串聯(lián)電池組支路中提供自重構(gòu)的單體備用電池，供每一串聯(lián)電池組支路自重構(gòu)時使用。同樣，如圖1所示，圖1中自重構(gòu)超級電容器組2由多組超級電容器組通過自重構(gòu)方式組成超級電容器模組。其每一條串聯(lián)超級電容器組支路根據(jù)電