車用復(fù)合儲能系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種能量存儲系統(tǒng)，尤其涉及一種車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，屬于新能源汽車【技術(shù)領(lǐng)域】。該車用復(fù)合儲能系統(tǒng)包括：能量型電池組、功率型電池組、開關(guān)K1，能量型電池組與功率型電池組的一對同極性端并聯(lián)在一起連接到對應(yīng)極性的直流母線上，能量型電池組的另一端與開關(guān)K1串聯(lián)后與功率型電池組的另一端并聯(lián)，然后再連接到對應(yīng)極性的直流母線上，直流母線連接動力系統(tǒng)負載，兩電池組中的至少一組配備電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)對開關(guān)K1進行控制。其能使兩種電池組都工作在最佳的工況，充放發(fā)揮各自的優(yōu)勢。
【專利說明】車用復(fù)合儲能系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種能量存儲系統(tǒng)，尤其涉及一種車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，屬于新能源汽車【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源危機和全球變暖問題的日趨嚴(yán)峻，節(jié)能減排已成為全球汽車行業(yè)的緊迫任務(wù)，新能源汽車因此得到了快速的發(fā)展，而混合動力汽車和純電動車是新能源汽車中最有發(fā)展前景的兩類。
[0003]混合動力汽車的動力系統(tǒng)王要由動力單兀、儲能系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成，純電動汽車只有儲能系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)。其中儲能系統(tǒng)肩負著向電驅(qū)動系統(tǒng)提供電能并吸收電驅(qū)動系統(tǒng)在發(fā)電和或制動過程中輸出的電能，儲能系統(tǒng)的效率、容量和功率決定了混合動力系統(tǒng)的動力性和經(jīng)濟性。
[0004]儲能系統(tǒng)中的儲能元件主要有能量型動力電池、功率型動力電池和超級電容等，其中能量型動力電池的特點是能量密度高、成本低，但功率密度低、大倍率充放電效率低至85%以下、壽命短(300?2000循環(huán))；功率型動力電池能量密度較高、成本較高、功率密度大、大倍率充放電效率在90%左右、壽命較長(2000?20000循環(huán));超級電容能量密度很低、成本很高、功率密度非常大、大倍率充放電效率高95%、壽命很長(1000000循環(huán))。
[0005]在實際應(yīng)用中，是綜合考慮車輛使用需求和成本來選擇儲能元件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的。在申請?zhí)枮?01210066119.X的專利申請中，對現(xiàn)有的復(fù)合儲能系統(tǒng)做出了分析并提出了一種基于電池和超級電容的混合儲能系統(tǒng)。但是基于超級電容的復(fù)合儲能系統(tǒng)受到超級電容電壓特性軟輸出電壓波動大的制約，需要使用雙向DCDC穩(wěn)定電壓、或使用電池分擔(dān)功率降低電壓波動、或犧牲電機控制器的效率和動力性以適應(yīng)寬電壓范圍。對于如圖1所示的低成本的超級電容與電池混合系統(tǒng)，是通過二極管將電池并聯(lián)到超級電容上，電池只向超級電容充電，超級電容不向電池充電。該系統(tǒng)在釋放能量的時候是超級電容先獨立放電、然后超級電容電壓下降到與電池相同，此后由于電池電壓特性比電容硬，電池就需要承擔(dān)起放電的大部分功率。此種系統(tǒng)在吸收能量時只有超級電容獨立工作，不能重復(fù)利用電池的充電能力；該系統(tǒng)能量和功率的混合度都很低，使超級電容和動力電池的容量都不能減配，成本較高。
[0006]同時由于能量型電池充電性能遠低于放電性能，且0°C以下不能充電，限制了制動能量回收的比例和深度，嚴(yán)重影響經(jīng)濟性。
實用新型內(nèi)容
[0007]針對上述不足，本實用新型提供一種車用復(fù)合儲能系統(tǒng)。
[0008]其技術(shù)方案為:車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其包括:能量型電池組、功率型電池組、開關(guān)Kl,能量型電池組與功率型電池組的開路電壓范圍有交集,能量型電池組與功率型電池組的一對同極性端并聯(lián)在一起連接到對應(yīng)極性的直流母線上，能量型電池組的另一端與開關(guān)Kl串聯(lián)后與功率型電池組的另一端并聯(lián)，然后再連接到對應(yīng)極性的直流母線上，直流母線連接動力系統(tǒng)負載，其中動力系統(tǒng)負載包括電機控制器，所述能量型電池組和功率型電池組中的至少一組配備電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)對開關(guān)Kl進行控制。
[0009]進一步地，與開關(guān)Kl并聯(lián)有二極管D1，當(dāng)開關(guān)Kl斷開的情況下，二極管Dl在能量型電池組放電時導(dǎo)通?？梢栽诠β市碗姵亟M充電電壓高于能量型電池組時斷開開關(guān)使用二極管Dl保護能量型電池組防止過壓。
[0010]進一步地，在能量型電池組與直流母線之間串聯(lián)功率調(diào)節(jié)阻抗Z，以改變能量型電池組與直流母線間的等效內(nèi)阻，從而靈活調(diào)整功率分配比例。
[0011]進一步地，在開關(guān)Kl上串聯(lián)功率調(diào)節(jié)阻抗Z，然后與二極管Dl并聯(lián)，以獨立調(diào)節(jié)充電功率分配比例。
[0012]進一步地，二極管Dl先串聯(lián)功率調(diào)節(jié)阻抗Z，然后與開關(guān)Kl并聯(lián)，以獨立調(diào)節(jié)放電功率分配比例。
[0013]進一步地，所述功率調(diào)節(jié)阻抗Z為電阻、電感、容抗，或它們之間兩者或三者的組
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[0014]進一步地，該車用復(fù)合儲能系統(tǒng)還包括充電接口，充電接口的正極與直流母線正極連接，充電接口的負極與直流母線負極連接，可為能量型電池組和功率型電池組充電。
[0015]進一步地，能量型電池組的最高工作電壓不低于功率型電池組的充電截止電壓。
[0016]進一步地，功率型電池組的放電截止電壓低于能量型電池組SOC為10%時的開路電壓。
[0017]進一步地，功率型電池組放電截止電壓不低于能量型電池組最低工作電壓，以充分發(fā)揮功率型電池組的放電性能。
[0018]優(yōu)選的，功率型電池組由鈦酸鋰電池組成。
[0019]本實用新型具有如下有益效果和優(yōu)點:該車用復(fù)合儲能系統(tǒng)以功率型電池組代替超級電容來承擔(dān)輸出功率的主力，并利用電池電壓特性硬的優(yōu)點避免了輸出電壓的大幅波動；另外，該系統(tǒng)通過與能量型動力電池的電壓和內(nèi)阻的匹配，在充放電過程中都能同時工作，分擔(dān)功率，充放利用了兩組儲能元件的性能，使兩種電池都能工作在最佳的工況，充放發(fā)揮各自的優(yōu)勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是現(xiàn)有的一種基于電池和超級電容相結(jié)合的混合儲能系統(tǒng)；
[0021]圖2是本實用新型實施方式I結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖3是本實用新型實施方式2結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖4是本實用新型實施方式3結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0024]下面參照附圖，結(jié)合【具體實施方式】進一步說明本實用新型，附圖中粗實線表示復(fù)合儲能系統(tǒng)中的電力連接線，細虛線表示通訊及控制信號線，電池管理系統(tǒng)所需傳感器和信號采集連接未在附圖示出。
[0025]實施方式I[0026]如圖2所示，車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，由能量型電池組、功率型電池組和開關(guān)Kl組成；能量型電池組與功率型電池組的開路電壓范圍基本相同，能量型電池組與功率型電池組的負極端并聯(lián)在一起連接到動力系統(tǒng)的直流母線的負極，能量型電池組的正極與開關(guān)Kl的一端相連，開關(guān)Kl的另一端與功率型電池組的正極并聯(lián)后連接到直流母線的正極，直流母線連接電機控制器等動力系統(tǒng)負載，兩電池組配備一套電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)對開關(guān)Kl進行控制。能量型電池組與功率型電池組的電壓和內(nèi)阻根據(jù)動力系統(tǒng)功率需求和兩種電池的功率特性進行匹配，通過兩種電池的內(nèi)阻差異分配瞬時功率(功率分配比為內(nèi)阻的反比)，通過開關(guān)Kl將能量型電池組在低溫不能充電的情況下與回路斷開。例如能量型電池組的內(nèi)阻約為功率型電池組內(nèi)阻的4倍，能量型電池組的容量約為功率型電池組容量的2倍，兩種電池的瞬時功率分配比例約為4:1。充電接口正極與直流母線正極連接，充電接口負極與直流母線負極連接，可為兩電池組充電；功率型電池采用鈦酸鋰電池。
[0027]能量型電池組的最高工作電壓需不低于功率型電池組的充電截止電壓，以充分發(fā)揮功率型電池組的充電性能；功率型電池組的放電截止電壓低于能量型電池組SOC = 10%時的開路電壓；功率型電池組放電截止電壓不低于能量型電池組最低工作電壓，以充分發(fā)揮功率型電池組的放電性能。
[0028]其按照如下方式工作:
[0029]通過調(diào)整兩電池組的S0C，使其開路電壓差小于一定值或相等，閉合開關(guān)K1，經(jīng)過短暫的均衡后兩電池組開路電壓(簡稱OCV)相等且等于直流母線電壓；復(fù)合儲能系統(tǒng)接入動力系統(tǒng)負載，在動力系統(tǒng)放電情況下，由于電池內(nèi)阻的作用，兩電池組的端電壓下降且保持端電壓相等；設(shè)置功率型電池組的輸出功率是能量型電池組的4倍，隨著電池中放出的電量積累，功率型電池組放出的能量比能量型電池組放出越來越多的能量，由于OCV隨電量減少而減少，所以功率型電池組的OCV會比能量型電池組的OCV下降的快，使得功率型電池的(0CV-端電壓)值比能量型電池組小，從而使能量型電池組分配的功率比例增加；由于OCV相對SOC變化平緩，所以功率分配比例的變化也很緩慢；在動力系統(tǒng)制動回饋發(fā)電情況下，復(fù)合儲能系統(tǒng)會充電，由于電池內(nèi)阻的作用，兩電池組的端電壓升高；設(shè)置功率型電池組的充電功率是能量型電池組的4倍；隨著電池中充入的電量積累，功率型電池組比能量型電池組充入越來越多的能量，由于OCV隨電量增加而增大，所以功率型電池組的OCV會比能量型電池組的OCV上升的快，使得功率型電池的(端電壓-0CV)值比能量型電池組小，從而使能量型電池組分配的功率比例增加；由于OCV相對SOC變化平緩，所以功率分配比例的變化也很緩慢；在低溫工作模式下，例如冬季冷啟動條件下，大部分碳負極能量型鋰離子電池不允許低溫充電，而鈦酸鋰電池允許低溫充電，所以需要斷開開關(guān)Kl，僅將功率型電池組接入動力系統(tǒng)工作，并加熱能量型電池至允許充電的溫度，然后再調(diào)整功率型電池組的S0C，滿足開關(guān)Kl閉合條件后閉合開關(guān)Kl進入正常工作模式；在插電充電模式下，將充電接口與充電機相連，Kl閉合，同時給兩電池組充電，如果功率型電池組100% SOC下的OCV高于能量型電池組的充電截止電壓，則在能量型電池組充滿后斷開開關(guān)Kl給功率型電池組單獨充電。
[0030]在充放電過程中，兩電池組的功率分配比例在較長時間內(nèi)變化不大，可以滿足車輛在加速、制動、超車和長坡道工況下對復(fù)合儲能系統(tǒng)瞬時峰值功率的需要；在整個瞬時充放電過程中，兩種電池組的功率都遠小于復(fù)合儲能系統(tǒng)總功率，充放發(fā)揮了兩種電池組的性能；由于電池電壓特性硬，在放電過程中直流母線電壓波動范圍也較小。
[0031]實施方式2
[0032]如圖3所示，車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，由能量型電池組、功率型電池組、開關(guān)Kl和二極管Dl組成；能量型電池組與功率型電池組的放電截止電壓基本相同，能量型電池組的充電截止電壓低于功率型電池組的充電截止電壓，能量型電池組與功率型電池組的負極端并聯(lián)在一起連接到動力系統(tǒng)的直流母線的負極，能量型電池組的正極與開關(guān)Kl的一端相連，開關(guān)Kl的另一端與功率型電池組的正極并聯(lián)后連接到直流母線的正極，二極管Dl按照能量型電池組放電導(dǎo)通方向與開關(guān)Kl并聯(lián)，直流母線連接電機控制器等動力系統(tǒng)負載，兩電池組配備一套電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)對開關(guān)Kl進行控制。能量型電池組的內(nèi)阻約為功率型電池組內(nèi)阻的4倍，能量型電池組的容量約為功率型電池組容量的2倍，兩種電池的瞬時功率分配比例約為4: I。充電接口正極與直流母線正極連接，充電接口負極與直流母線負極連接，可為兩電池組充電；功率型電池組為鈦酸鋰電池。
[0033]功率型電池組的充電截止電壓遠高于能量型電池組的最高工作電壓，功率型電池組的放電截止電壓低于能量型電池組SOC = 10%時的開路電壓；功率型電池組放電截止電壓不低于能量型電池組最低工作電壓，以充分發(fā)揮功率型電池組的放電性能。
[0034]實施方式2的放電過程、在開關(guān)Kl閉合情況下的回饋工作過程、插電充電工作過程以及與實施方式I相同。當(dāng)峰值充電電流非常大，為充分發(fā)揮功率型電池組的性能，且防止超出能量型電池組的充電電流限值，需將開關(guān)Kl斷開，停止向能量型電池組充電，獨立由功率型電池組充電吸收回饋功率；同時為了利用能量型電池組充放電效率高的特點，可斷開開關(guān)Kl使功率型電池獨立吸收回饋能量。實施方式2的低溫工作過程與實施方式I不同之處為:二極管Dl使能量型電池組參與了放電過程。
[0035]實施方式3
[0036]該實施方式根據(jù)高壓安全的需要增加了高壓電氣管理部件，并針對鈦酸鋰電池充電性能好的特點提高了功率型電池組的充電功率分配比例。如圖4所示，車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，由能量型電池組、功率型電池組、開關(guān)K1、開關(guān)K2、開關(guān)K3、開關(guān)K4、開關(guān)K5、預(yù)充電阻R1、二極管Dl和功率調(diào)節(jié)阻抗Z組成；其中，能量型電池組由k串能量型電池(含EBatl至EBatk共k串電池，其中I < j < k)串聯(lián)組成；功率型電池組由m串功率型電池(含PBatl至PBatm總m串電池，其中I < η < m)串聯(lián)組成，在第η串與第n+1串電池之間串聯(lián)了熔斷器F2 ;能量型電池組與功率調(diào)節(jié)阻抗Z、熔斷器F1、開關(guān)Kl串聯(lián)后將分別與直流母線的正極和開關(guān)K5輸入端相連；二極管Dl按能量型電池組放電導(dǎo)通方向與串聯(lián)在一起的功率調(diào)節(jié)阻抗Z和開關(guān)Kl并聯(lián)，使能量型電池組在充電過程中的功率分配比例降低；所述功率調(diào)節(jié)阻抗Z為電阻、電感、容抗，也可以是它們之間任意兩者的組合，亦可以是它們?nèi)叩慕M合。功率型電池組與熔斷器F2、開關(guān)K3串聯(lián)后分別與直流母線的正極和開關(guān)K5的輸入端相連；開關(guān)K4與預(yù)充電阻Rl組成預(yù)充電阻并聯(lián)在K3兩端；開關(guān)K5的輸出端與直流母線的負極相連；充電接口與直流母線并聯(lián)；電池管理系統(tǒng)監(jiān)控電池組并控制開關(guān)K1、開關(guān)K2、開關(guān)K3、開關(guān)K4和開關(guān)K5。
[0037]其按照如下方式工作:
[0038]功率型電池組上電時，閉合開關(guān)K5，在閉合開關(guān)K4進行預(yù)充，預(yù)充完成后閉合開關(guān)K3 ;能量型電池組上電時，確認兩電池組電壓差小于開關(guān)K2閉合閥值，閉合開關(guān)K2 ;確認兩電池組電壓差小于開關(guān)Kl的閉合閥值時，閉合開關(guān)Kl ;如果兩電池組電壓差不滿足閉合閥值，則在功率型電池組工作過程中，主動調(diào)整功率型電池組SOC，使其與能量型電池組的OCV靠近，以滿足開關(guān)閉合的電壓差閥值；兩電池系統(tǒng)上電完成后，其他工作過程與實施方式2相同。
【權(quán)利要求】
1.車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其包括:能量型電池組、功率型電池組、開關(guān)K1，其特征在于:能量型電池組與功率型電池組的開路電壓范圍有交集，能量型電池組與功率型電池組的一對同極性端并聯(lián)在一起連接到對應(yīng)極性的直流母線上，能量型電池組的另一端與開關(guān)Kl串聯(lián)后與功率型電池組的另一端并聯(lián)，然后再連接到對應(yīng)極性的直流母線上，直流母線連接動力系統(tǒng)負載，其中動力系統(tǒng)負載包括電機控制器，所述能量型電池組和功率型電池組中的至少一組配備電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)對開關(guān)Kl進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:與開關(guān)Kl并聯(lián)有二極管Dl0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:在能量型電池組與直流母線之間串聯(lián)功率調(diào)節(jié)阻抗Z。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:在開關(guān)Kl上串聯(lián)功率調(diào)節(jié)阻抗Z，然后與二極管Dl并聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:二極管Dl先串聯(lián)功率調(diào)節(jié)阻抗Z，然后與開關(guān)Kl并聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:所述功率調(diào)節(jié)阻抗Z為電阻、電感、容抗或它們之間兩者或三者的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:所述功率調(diào)節(jié)阻抗Z為電阻、電感、容抗或它們之間兩者或三者的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:所述功率調(diào)節(jié)阻抗Z為電阻、電感、容抗或它們之間兩者或三者的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:該車用復(fù)合儲能系統(tǒng)還包括充電接口，充電接口的正極與直流母線正極連接，充電接口的負極與直流母線負極連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:能量型電池組的最高工作電壓不低于功率型電池組的充電截止電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:功率型電池組的放電截止電壓低于能量型電池組SOC為10%時的開路電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:功率型電池組的放電截止電壓不低于能量型電池組最低工作電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用復(fù)合儲能系統(tǒng)，其特征在于:功率型電池組由鈦酸鋰電池組成。
【文檔編號】H02J15/00GK203761142SQ201320750554
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】李立國, 田碩, 華劍鋒 申請人:北京科易動力科技有限公司