本發(fā)明涉及一種能量存儲(chǔ)器，具體地，涉及一種特別適合應(yīng)用于電動(dòng)車輛的復(fù)合能源存儲(chǔ)器。

背景技術(shù)：

電動(dòng)汽車中最常見的復(fù)合電源是將超級(jí)電容器與蓄電池結(jié)合構(gòu)成復(fù)合電源系統(tǒng)，可以提高電源系統(tǒng)的短時(shí)高功率輸出能力，同時(shí)也具備持久的動(dòng)力性能。通過(guò)超級(jí)電容器與電池的組合，充分發(fā)揮了超級(jí)電容器的高功率密度和電池的高能量密度的優(yōu)勢(shì)，滿足混合動(dòng)力汽車在爬坡加速、啟動(dòng)過(guò)程中提供強(qiáng)勁的動(dòng)力。目前，受限于蓄電池的開發(fā)技術(shù)，還沒(méi)有能夠應(yīng)用于電動(dòng)汽車的集高能量和高輸出功率的蓄電池，普遍的做法是使用的超級(jí)電容與蓄電池的復(fù)合電源，為了配合車輛的需求，提供短時(shí)大功率輸出，超級(jí)電容要求提供短時(shí)大電流輸出。但是目前超級(jí)電容和蓄電池的配置方式非常單一，二者這間通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行能量輸出和交換，進(jìn)而輸出到負(fù)載電動(dòng)機(jī)端。這樣的方式使能量流動(dòng)方向單一地從蓄電池向超級(jí)電容，或者從負(fù)載電動(dòng)機(jī)回收至超級(jí)電容，要求蓄電池和超級(jí)電容滿足電壓和功率等級(jí)的匹配。并且，在需要滿足低壓大電流輸出的場(chǎng)合，大容量的超級(jí)電容器意味著需要匹配大功率DC-DC轉(zhuǎn)換器，：將預(yù)充電電路耦合到所述超級(jí)電容器，所述預(yù)

充電電路配置成對(duì)所述超級(jí)電容器和濾波電容器進(jìn)行充電。DC-DC轉(zhuǎn)換器在具備直流電源供電系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。近年來(lái) DC-DC轉(zhuǎn)換器被越來(lái)越多地應(yīng)用于高壓大功率電源轉(zhuǎn)換，如新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)。這些行業(yè)在追求大功率的同時(shí)，也在不斷想辦法縮小設(shè)備的體積，以換取更優(yōu)質(zhì)的性能。近兩年在市場(chǎng)上出現(xiàn)的多源驅(qū)動(dòng)新能源汽車正是這一技術(shù)的先進(jìn)代表。大功率雙向DC-DC變換器在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、可再生能源發(fā)電以及超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)復(fù)合電源中DC/DC轉(zhuǎn)換器體積過(guò)大、成本過(guò)高、能量轉(zhuǎn)化效率低、潛在故障危險(xiǎn)大等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種復(fù)合電源，進(jìn)而提供了一種電動(dòng)汽車的能量管理方法，適用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，特別適用于各種需低壓大電流輸出的用電設(shè)備。本發(fā)明復(fù)合電源系統(tǒng)將高密度能源拆分成較小能量組，能夠降低能源系統(tǒng)故障時(shí)的危害程度，同時(shí)，通過(guò)使用多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器，將DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作電壓降低，提高DC-DC轉(zhuǎn)換器工作頻率，進(jìn)而提高DC-DC轉(zhuǎn)換器工作效率，保障負(fù)載安全穩(wěn)定運(yùn)行。具體方案如下：

一種復(fù)合能量存儲(chǔ)器，具備多個(gè)一級(jí)直流儲(chǔ)電器和多個(gè)二級(jí)直流儲(chǔ)電器，其特征在于，所述多個(gè)二級(jí)直流儲(chǔ)電器并聯(lián)，所述多個(gè)一級(jí)直流儲(chǔ)電器與相同數(shù)量的DC-DC轉(zhuǎn)換器連接后，與其中一個(gè)二級(jí)直流儲(chǔ)電器連接。

作為一種實(shí)施方式，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器包含至少1個(gè)開關(guān)器件以及至少1個(gè)線圈裝置。如果有可能，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以使用能夠用到的最小單元，其開關(guān)器件可以是各種高頻小功率的如晶體管等開關(guān)器件。

本發(fā)明中一級(jí)直流儲(chǔ)電器可以是能量型儲(chǔ)電器，二級(jí)直流儲(chǔ)電器可以是功率型儲(chǔ)電器，而且，所述一級(jí)直流儲(chǔ)電器總輸出功率小于所 述二級(jí)直流儲(chǔ)電器總輸出功率，所述一級(jí)直流儲(chǔ)電器總電量大于所述二級(jí)直流儲(chǔ)電器總電量。

其中一種方式，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器為單向型DC-DC轉(zhuǎn)換器。也可以為雙向型DC-DC轉(zhuǎn)換器。

并且，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器其中一部分為升壓型轉(zhuǎn)換器，另一部分為降壓型轉(zhuǎn)換器，也可以全部為降壓型或升壓型轉(zhuǎn)換器。另一方面，全部DC-DC轉(zhuǎn)換器可能全部為升降壓型轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)上述任意一點(diǎn)，所述一級(jí)直流儲(chǔ)電器是動(dòng)力電池，所述二級(jí)直流儲(chǔ)電器是超級(jí)電容。

還提供一種電動(dòng)汽車能量管理方法，包括：將超級(jí)電容并聯(lián)后連接至車輛電動(dòng)機(jī)，形成第一能量供應(yīng)鏈；通過(guò)多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器將同等數(shù)量蓄電池和其中一組超級(jí)電容連接，形成第二能量供應(yīng)鏈。還可以包括將預(yù)充電電路連接至所述超級(jí)電容器，通過(guò)所述預(yù)充電電路對(duì)所述超級(jí)電容器和濾波電容器進(jìn)行充電。

一種電動(dòng)汽車，包括電動(dòng)機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)所述汽車，至少兩組并聯(lián)的超級(jí)電容，連接至所述電動(dòng)機(jī)；至少兩組蓄電池，通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器連接至所述超級(jí)電容，；整車控制器與能源管理器，以及設(shè)置于蓄電池和超級(jí)電容的監(jiān)測(cè)裝置，所述能源管理器與所述DC-DC轉(zhuǎn)換器連接，所述監(jiān)測(cè)裝置與所述整車控制器通信，所述整車控制器與所述能源管理器通信。另一方面，可以設(shè)置有充電接口，連接所述超級(jí)電容和外部電網(wǎng)，用于向超級(jí)電容充電。

本發(fā)明體現(xiàn)了如下有益效果：

1.將應(yīng)用于車輛上的大能量密度模塊拆分成小密度能量單元，增加了車輛的安全性，尤其是將大電池組分成小電池并獨(dú)立，單個(gè)電池的故障不會(huì)影響整車能量供應(yīng)，使車輛可靠性增強(qiáng)；

2.將DC-DC轉(zhuǎn)換器件分割成小單元DC-DC，降低DC-DC模塊功率等級(jí)和體積，降低了大功率DC-DC轉(zhuǎn)換器運(yùn)行時(shí)大量發(fā)熱失效的風(fēng)險(xiǎn)，提高車輛系統(tǒng)的可靠性；

3.對(duì)于超級(jí)電容的并聯(lián)式配置，不僅能夠提供優(yōu)異的低壓大電流電能，并且單個(gè)電容單元的開路故障不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生毀滅性影響，進(jìn)一步保證系統(tǒng)安全性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明涉及的復(fù)合能量存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明其中一實(shí)施例連接示意圖；

具體實(shí)施方式

下面，參照形成本說(shuō)明書的一部分的附圖來(lái)更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。在所有附圖中對(duì)同一或類似的部分附加同一參照標(biāo)記并省略說(shuō)明。以下實(shí)施例分別以本發(fā)明復(fù)合電源應(yīng)用于電動(dòng)汽車為例，并不代表本發(fā)明的應(yīng)用僅限于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，凡是使用本發(fā)明原理的任何應(yīng)用都落入本發(fā)明應(yīng)用范圍內(nèi)。本說(shuō)明書中對(duì)直流儲(chǔ)電器的描述，其中“一個(gè)”直流儲(chǔ)電器表示具有一個(gè)正接線柱和一個(gè)負(fù)接線柱引出引線以連接“一個(gè)”直流儲(chǔ)電器以外的其它裝置的單個(gè)直流儲(chǔ)電器。以蓄電池為例，該“一個(gè)”直流儲(chǔ)電器(蓄電池)可能包含1個(gè)或者1個(gè)以上的多個(gè)不可拆分的電池單元；而超級(jí)電容器表示包括相互耦合的多個(gè)電容器單元的電容器，其中電容器單元可各自具有大于500法拉的電容。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“蓄電池”描述可以實(shí)現(xiàn)大約100W-hr/kg或更大能量密度的高比能量蓄電池或高能量密度蓄電池(例如鋰離子、鈉金屬鹵化物、鈉-氯化鎳、鈉硫或鋅空氣蓄電池)。

參考圖1的復(fù)合能量存儲(chǔ)器，具備多個(gè)一級(jí)直流儲(chǔ)電器和多個(gè)二級(jí)直流儲(chǔ)電器，其中多個(gè)二級(jí)直流儲(chǔ)電器并聯(lián)，多個(gè)一級(jí)直流儲(chǔ)電器 與相同數(shù)量的DC-DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后，與其中一個(gè)二級(jí)直流儲(chǔ)電器連接。

根據(jù)本發(fā)明的目的，上述的二級(jí)直流儲(chǔ)電器最有可能被配置為功率型的儲(chǔ)電裝置，比如超級(jí)電容器，能夠充分回收負(fù)載在制動(dòng)期間所產(chǎn)生的能量；而上述的一級(jí)直流儲(chǔ)電器最有可能被配置為能量型儲(chǔ)電裝置，比如動(dòng)力電池/蓄電池裝置，能夠在二級(jí)直流儲(chǔ)電器電量低不足以維持負(fù)載工作期間向二級(jí)直流儲(chǔ)電器供電。所以，在上述情況指引下，優(yōu)選的方式為上述一級(jí)直流儲(chǔ)電器總輸出功率一般小于上述二級(jí)直流儲(chǔ)電器總輸出功率，上述一級(jí)直流儲(chǔ)電器總電量大于上述二級(jí)直流儲(chǔ)電器總電量。

基于本發(fā)明的上述方案，本發(fā)明進(jìn)而提供了一種電動(dòng)汽車能量管理方法，包括：將超級(jí)電容并聯(lián)后連接至車輛電動(dòng)機(jī)，形成第一能量供應(yīng)鏈；通過(guò)多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器將同等數(shù)量蓄電池和其中一組超級(jí)電容連接，形成第二能量供應(yīng)鏈。這種配置方式，當(dāng)超級(jí)電容電量SOC足夠時(shí)，使用第一能量供應(yīng)鏈，為車輛電動(dòng)機(jī)提供電能，用于驅(qū)動(dòng)車輛；當(dāng)超級(jí)電容電量SOC不足時(shí)，使用第二能量供應(yīng)鏈，由蓄電池通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器向超級(jí)電容轉(zhuǎn)移電能，再通過(guò)超級(jí)電容提供給車輛電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輛。相反，當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)回收制動(dòng)能量，首先通過(guò)第一能量供應(yīng)鏈回收至超級(jí)電容，當(dāng)超級(jí)電容電量SOC滿后，利用第二能量供應(yīng)鏈，制動(dòng)能量通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器回收至蓄電池，最大限度地回收能量，以提高車輛能量的利用效率。

下面通過(guò)圖2進(jìn)一步解釋本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容。圖2中連接線表示電連接或通信連接，對(duì)于應(yīng)用于車輛的復(fù)合能量存儲(chǔ)器，本發(fā)明中DC-DC轉(zhuǎn)換器可能為單向DC-DC轉(zhuǎn)換器、雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器、升 壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器材、降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器、升降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，根據(jù)所選一級(jí)直流儲(chǔ)電器和二級(jí)直流儲(chǔ)電器的規(guī)格不同實(shí)際情況，涉及到多個(gè)DC-DC時(shí)，可能全部使用同一類型DC-DC轉(zhuǎn)換器，也可能上述不同類型DC-DC轉(zhuǎn)換器混用。

下面以兩種類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器為例，進(jìn)一步解釋本發(fā)明。當(dāng)DC-DC轉(zhuǎn)換器為單向DC-DC轉(zhuǎn)換器，應(yīng)當(dāng)包含一個(gè)開關(guān)器件以及至少一個(gè)線圈裝置，當(dāng)然也可以包含多個(gè)開關(guān)器件以及多個(gè)線圈裝置，根據(jù)實(shí)際使用情況可以選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成電器單元。對(duì)于單向DC-DC轉(zhuǎn)換器，電能只能從一級(jí)直流儲(chǔ)電器向二級(jí)直流儲(chǔ)電器傳遞。在此實(shí)施例中，一級(jí)直流儲(chǔ)電器設(shè)置為蓄電池，二級(jí)直流儲(chǔ)電器設(shè)置為超級(jí)電容。具體而言，本實(shí)施例中的復(fù)合能量存儲(chǔ)器由多個(gè)蓄電池和多個(gè)超級(jí)電容組成，這里所稱蓄電池可以是電池單元，也可以是多個(gè)電池單體串聯(lián)或者并聯(lián)或者混聯(lián)組成的電池組；超級(jí)電容可以是單個(gè)超級(jí)電容單元，也可以是由多個(gè)超級(jí)電容單元并聯(lián)或者串聯(lián)或者混聯(lián)組成的超級(jí)電容組。多個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)形成超級(jí)電容組，后連接用于驅(qū)動(dòng)車輛的電動(dòng)機(jī)，多個(gè)蓄電池與單向DC-DC轉(zhuǎn)換器一對(duì)一地相連接后與超級(jí)電容組串聯(lián)。該復(fù)合電源系統(tǒng)中還設(shè)置有能源管理器，與各個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器相連接，控制DC-DC轉(zhuǎn)換器中開關(guān)的通斷。本實(shí)施例中，各蓄電池互相獨(dú)立，不需要進(jìn)行特別的規(guī)格匹配，甚至其中部分蓄電池出現(xiàn)電路故障無(wú)法工作，其它蓄電池可以不受影響地繼續(xù)提供能量；同樣的，各DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠彼此獨(dú)立工作，不需進(jìn)行同步控制或功率匹配，降低了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，使該能量存儲(chǔ)器更加安全。并聯(lián)的超級(jí)電容組能夠提供大電流輸出，非常滿足高負(fù)荷車輛短時(shí)大功率輸出需求。此外，上述每個(gè)動(dòng)力電池和每個(gè)超級(jí)電容上分別設(shè)置有監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)裝置能夠分別監(jiān)測(cè)電池和電容的 電壓、電流、電量、溫度等。上述監(jiān)測(cè)裝置與能源管理器或整車控制器通過(guò)CAN總線通信相連接，或者能源管理器從整車控制器獲得以上信息后根據(jù)具體需求控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的接通和關(guān)斷，電能從動(dòng)力電池向超級(jí)電容轉(zhuǎn)移，最終輸出。

復(fù)合能量存儲(chǔ)器應(yīng)用于電動(dòng)汽車時(shí)，可以以如下方式進(jìn)行能量調(diào)配：

車輛啟動(dòng)：整車控制器接收到車輛啟動(dòng)信號(hào)，首先通過(guò)第一能量供應(yīng)鏈供應(yīng)電能，由超級(jí)電容放電提供電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能量，此時(shí)DC-DC轉(zhuǎn)換器關(guān)斷即可。若超級(jí)電容電量不足，則啟用第二能量供應(yīng)鏈，由動(dòng)力電池提供電能，驅(qū)動(dòng)車輛啟動(dòng)。具體為，檢測(cè)超級(jí)電容或者動(dòng)力電池電量情況，如果電量滿足啟動(dòng)條件，由整車控制器向能源管理器發(fā)送啟動(dòng)命令。若使用第二能量代應(yīng)鏈，能源管理器控制DC-DC轉(zhuǎn)換器由動(dòng)力電池向超級(jí)電容供電，由動(dòng)力電池向超級(jí)電容輸出電能，同時(shí)超級(jí)電容向車輛驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)供電，以驅(qū)動(dòng)車輛啟動(dòng)。其中，動(dòng)力電池向超級(jí)電容供電過(guò)程中，不間斷監(jiān)測(cè)超級(jí)電容電量，如果超級(jí)電容電量超過(guò)設(shè)置的電量上限Qm，由能源管理器控制DC-DC轉(zhuǎn)換器關(guān)斷，停止向超級(jí)電容供電；相反，如果超級(jí)電容電量低于設(shè)置的電量下限Qm，由能源管理器控制DC-DC轉(zhuǎn)換器打開，持續(xù)向超級(jí)電容供電。

車輛行駛：車輛行駛過(guò)程中，能源管理器控制DC-DC轉(zhuǎn)換器從動(dòng)力電池向超級(jí)電容輸送電能，再通過(guò)超級(jí)電容向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。其間，動(dòng)力電池可以采用間斷式供電方式，通過(guò)設(shè)置于超級(jí)電容上的監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)超級(jí)電容電量Q和電流I，若電量Q超過(guò)設(shè)置的電量上限Qmax，關(guān)斷動(dòng)力電池于超級(jí)電容連接的DC-DC轉(zhuǎn)換器，停止電能輸出；若電量Q低于設(shè)置的電量下限Qmin或電流 I高于設(shè)定的上限Imax，持續(xù)由動(dòng)力電池向超級(jí)電容輸出電能。這種供電方式主要是為了保護(hù)超級(jí)電容不至于被過(guò)充或過(guò)放造成損壞。具體而言，當(dāng)超級(jí)電容電量達(dá)到或超過(guò)上限Qmax，可以認(rèn)為再繼續(xù)充電會(huì)使超級(jí)電容過(guò)充造成超級(jí)電容損壞，此時(shí)應(yīng)當(dāng)斷開超級(jí)電容與動(dòng)力電池的連接；當(dāng)超級(jí)電容電量Q低于設(shè)置的電量下限Qmin，持續(xù)的放電會(huì)造成超級(jí)電容過(guò)放，此時(shí)應(yīng)當(dāng)連接動(dòng)力電池，給超級(jí)電容充電以保持供電移穩(wěn)定；或者，當(dāng)超級(jí)電容輸出電流I高于設(shè)定的上限Imax，可以認(rèn)為此時(shí)車輛需要持續(xù)大功率輸出電能，應(yīng)當(dāng)保持動(dòng)力電池持續(xù)供應(yīng)電能，以保證車輛正常行駛。以上電量的檢測(cè)和DC-DC轉(zhuǎn)換器的打開關(guān)斷都可以采用本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知的方式實(shí)現(xiàn)，不再贅述。

能量回收：對(duì)于電動(dòng)汽車，制動(dòng)能量回收是其能量轉(zhuǎn)化利用中不可缺少的部分。采用本發(fā)明的復(fù)合電源，剎車時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)回收能量至超級(jí)電容，由超級(jí)電容監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)級(jí)電容電量Q，若達(dá)到電量Q達(dá)到上限Qmax，停止能量回收以保護(hù)超級(jí)電容。

當(dāng)DC-DC轉(zhuǎn)換器為雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，其能量回收方式與單向DC-DC轉(zhuǎn)換器略有不同。對(duì)于電動(dòng)汽車，制動(dòng)能量回收是其能量轉(zhuǎn)化利用中不可缺少的部分。采用本發(fā)明的復(fù)合能量存儲(chǔ)器，剎車時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)回收能量至超級(jí)電容，由超級(jí)電容監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)級(jí)電容電量Q，若達(dá)到電量Q達(dá)到上限Qmax，能源管理器控制DC-DC轉(zhuǎn)換器接通，制動(dòng)能量通過(guò)超級(jí)電容回收至動(dòng)力電池，增加回收效率。

以上詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明技術(shù)方案的具體實(shí)施方式，為了本發(fā)明更好地實(shí)施，以上實(shí)施例中DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)器件可以為MOSFET或碳化硅等高頻開關(guān)器件，使DC-DC轉(zhuǎn)換器具有響應(yīng)快、支持高頻的特點(diǎn)。