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CN106515467A - 车辆、铝空气电池与超级电容的能源装置及其控制方法 - Google Patents

车辆、铝空气电池与超级电容的能源装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于车辆的铝空气电池与超级电容的能源装置，包括：用以放电的铝空气电池以及能够充电和放电的超级电容，铝空气电池与超级电容连接双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器与用以控制车辆驱动电机转速的电机控制器相连；还包括用以控制双向DC/DC变换器执行电压匹配和/或对超级电容进行充电或放电的整车控制器。本发明公开了一种铝空气电池与超级电容的能源装置的控制方法。本发明公开了一种包括上述能源装置的车辆。上述能源装置，解决了在急加速和低速行驶时效率低下的问题，并且可以将铝空气电池所产生的电能或回收再生的电能对超级电容进行充电，防止超级电容的过充和过放现象的发生，保护铝空气电池和超级电容组。

Description

车辆、铝空气电池与超级电容的能源装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种铝空气电池与超级电容的能源装置。本发明还涉及一种铝空气电池与超级电容的能源装置的控制方法。除此之外，本发明还涉及一种具有该能源装置的车辆。
背景技术
目前道路上行驶的汽车大都使用从原油当中提炼的汽油或柴油燃料，相比于这种以化石能源作为动力的内燃汽车，电动汽车具有环保、节能的显著优势。
目前大多数电动汽车采用的是锂电池作为储能电源，锂电池具有较高的能量密度，能够满足车辆续航里程的要求，但充放电电流过小，难以释放较大功率，特别是在制动环节，再生回馈能量效果较差，且电池使用寿命短。
采用燃料电池作为储能电源的电动汽车具有高效和环保的优点，但燃料电池的响应速度较慢，无法匹配车辆实际运行工况，且同样存在使用寿命短和无法实现制动能量回馈的问题。
采用铝空气电池其功率密度与锂离子动力电池的功率密度有较大差距，仅能满足当前市场上在售极少数小型低功率电动汽车对电池组的要求，绝大多数在售纯电动汽车若单独使用铝空气电池，则较难满足驾驶者对最高车速和加速性能的要求。
采用超级电容作为储能元件的储能电源解决了使用寿命和大电流充放电的问题，但由于超级电容是功率型器件，其能量密度较低，无法满足车辆续航里程的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝空气电池与超级电容的能源装置，该能源装置采用铝空气电池和超级电容，解决了在急加速和低速行驶时效率低下的问题。本发明的另一目的是提供一种能源装置的控制方法。本发明的再一目的是提供一种包括上述能源装置的车辆。
为实现上述目的，本发明提供一种用于车辆的铝空气电池与超级电容的能源装置，包括：
用以放电的铝空气电池以及能够充电和放电的超级电容，所述铝空气电池与所述超级电容连接双向DC/DC变换器，且所述双向DC/DC变换器与用以控制车辆驱动电机转速的电机控制器相连；
还包括用以控制所述双向DC/DC变换器执行电压匹配和/或对所述超级电容进行充电或放电的整车控制器。
相对于上述背景技术，本发明提供的能源装置，以铝空气电池和超级电容混合为核心，结合了铝空气电池和超级电容各自的特性,能够显著提升车辆整体性能；由于铝空气电池在能量密度方面具有显著的优势，但其功率密度与锂离子动力电池的功率密度有较大差距，而本发明采用铝空气电池和超级电容混合，并利用整车控制器与双向DC/DC变换器，使得铝空气电池和超级电容的输出特性相同，进而实现两者的电压匹配，满足在不同工况下的功率需求；还可以将铝空气电池所产生的电能或回收再生的电能对超级电容进行充电，并防止超级电容的过充和过放现象的发生，有效保护铝空气电池和超级电容组。
优选地，所述双向DC/DC变换器包括相互连接的电能变换器和双向DC/DC端，所述双向DC/DC端与DC/DC控制器相连，且所述DC/DC控制器与所述整车控制器连接、用以接收所述整车控制器所发出的信号。
优选地，所述驱动电机连接车辆的传动系统，且所述传动系统连接车辆的驱动轮。
本发明还提供一种车辆，包括上述任一项所述的能源装置。
优选地，所述车辆具体为家用轿车或公共汽车。
本发明还提供一种用于车辆的铝空气电池与超级电容的能源装置的控制方法，包括如下步骤：
S1、获取车辆的指令功率Pcomm；
S2、判断所述指令功率Pcomm是否大于铝空气电池的额定功率P1-rated，若是，则进入步骤S3；若否，则进行步骤S4；
S3、控制所述铝空气电池与超级电容共同放电，且所述铝空气电池的放电功率P1＝P1-rated，所述超级电容的放电功率P2-traction＝Pcomm-P1；
S4、判断所述指令功率Pcomm是否小于等于所述铝空气电池的最小功率P1-min，若是，则进行步骤S5；若否，则进行步骤S6；
S5、判断当前所述超级电容的能量等级E是否小于所述超级电容的最低储存能量，若否，则进行步骤S51，若是，则进行步骤S7；
S51、控制所述铝空气电池的放电功率P1＝0，且所述超级电容的放电功率P2-traction＝Pcomm；
S6、判断当前所述超级电容的能量等级E是否大于所述超级电容的最高储存能量，若是，则进行步骤S61，若是，则进行步骤S7；
S61、控制所述铝空气电池的放电功率P1＝Pcomm，且所述超级电容的放电功率P2-traction＝0；
S7、控制所述铝空气电池的放电功率P1＝P1-rated，且所述超级电容的充电功率P2-charging＝P1-Pcomm。
优选地，所述步骤S1具体为：通过车辆的制动指令Pb或牵引指令Ptr得到指令功率Pcomm。
优选地，所述步骤S1与步骤S2之间还包括如下步骤：
判断所述指令功率Pcomm是否小于0，若否，则进行所述步骤S3。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的能源装置的电力耦合驱动结构图；
图2为图1的控制示意图；
图3为本发明实施例所提供的能源装置的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1、图2和图3，图1为本发明实施例所提供的能源装置的电力耦合驱动结构图；图2为图1的控制示意图；图3为本发明实施例所提供的能源装置的控制方法的流程图。
本发明提供的一种用于车辆的铝空气电池与超级电容的能源装置，如说明书附图1与附图2所示，主要包括铝空气电池1、超级电容2、电机控制器3、驱动电机4、整车控制器5、电能变换器6、双向DC/DC端7、DC/DC控制器8、传动系统9、驱动轮10以及铝空气电池控制系统11。
双向DC/DC变换器包括电能变换器6和双向DC/DC端7，其是车辆电能流通和组合的重要环节，具有良好的升降压功能及动态特性。由于铝空气电池1不可以充电，电流是单向的，而超级电容2是能够充电的，电流是双向的。一般铝空气电池1的电压和超级电容2的电压不一致，而两者输出特性也不相同，难以匹配。因此要求双向DC/DC变换器能够控制不同电源放电时耦合系统的电力匹配，满足驱动电机4在不同工况下的功率需求，还能将铝空气电池1所产生的电能或回收再生的电能对超级电容2高效地充电，并防止其过充和过放现象的发生，有效保护铝空气电池1和超级电容2。
本发明中，铝空气电池1为车用发电式电源，超级电容2作为车载储能电源，两者通过电力耦合方式驱动，当铝空气电池1和超级电容2共同驱动电机时，双向DC/DC变换器起升压作用。当铝空气电池1有富余电能或者有回收能量给超级电容2充电时，双向DC/DC变换器起降压作用。在电力总线与超级电容2之间的配置的双向DC/DC端7起到双向控制和调节输入和输出电流的作用。
具体来说，DC/DC控制器8接收整车控制器5发出的信号，采集双向DC/DC端7中的相关信息，并向双向DC/DC端7发出指令，驱动双向DC/DC端7工作。
铝空气电池1的输出电压一般比动力总线的电压低，而且电压下降幅度随着输出电流的增加而增大。为使铝空气电池1的输出电压与动力总线电压匹配以及控制铝空气电池1的能量输出，车辆往往需要配置电能变换器6。双向DC/DC端7可以将铝空气电池1所输出的直流电通过升压变换输送到驱动电机4，还可以通过降压变换将电能输送到超级电容2进行储存，而且还具有稳定总线电压，调节整车能量分配的作用。由上述可知，整车控制器5根据相应的控制策略，控制铝空气电池控制系统11、DC/DC控制器8以及超级电容2，进而达到上述技术效果。说明书附图1可知，驱动电机4连接车辆的传动系统9，且传动系统9连接车辆的驱动轮10，从而实现车辆的传动。
说明书附图2示出了能源装置的电力耦合驱动的控制示意图；根据功率或转矩指令(包括来自加速踏板的加速信号或者制动踏板的制动信号)和其它运行信号(包括转速信号、电信号等)，整车控制器5将驱动电机4的功率或转矩输出，以及控制铝空气电池1、超级电容2和传动系统9之间的能量传输。
例如，在车辆起动或急加速工况下，对应于峰值功率的指令，铝空气电池1和超级电容2两者都向电机控制器3提供牵引功率；在紧急制动工况下，电动机吸收制动能量，以发电机状态运行，从而将此部分能量转换为电能，并且储存于超级电容2中。
当车辆的负载功率小于铝空气电池1所能提供的额定功率时，超级电容2同样也能从铝空气电池1补充、恢复其能量。所以，根据本专利以及能量控制策略，车辆入库时，超级电容2虽然可以由外部电源充电，但这不是必需的，车辆本身完全可以自行解决超级电容2的充电问题。
车辆驾驶人员通过控制加速踏板或者制动踏板给出牵引指令或者制动指令，即希望由电动机所提供的功率(功率指令)。如此，在牵引工况下，输入到电动机驱动系统的电功率可表示为
式中，ηm为电动机驱动系统的效率。
在制动模式下，电动机处于发电机工作状态，此时电动机输出功率为
Pm-out＝Pmb-commηm
其中，Pmb-comm为对电动现输出的制动功率指令。由于来自制动踏板的制动功率指令Pcomm不可能全部由再生制动提供，所以Pmb-comm与Pcomm是不太可能相同的。
车辆控制器根据相应的功率指令和其它信息，比如超级电容2的能量级和铝空气电池1的最小运行功率控制铝空气电池1和超级电容2提供所需的相应功率。
本发明还提供一种用于车辆的铝空气电池与超级电容的能源装置的控制方法，主要包括如下步骤，如说明书附图3所示。
S1、获取车辆的指令功率Pcomm；
S2、判断所述指令功率Pcomm是否大于铝空气电池的额定功率P1-rated，若是，则进入步骤S3；若否，则进行步骤S4；
S3、控制所述铝空气电池与超级电容共同放电，且所述铝空气电池的放电功率P1＝P1-rated，所述超级电容的放电功率P2-traction＝Pcomm-P1；
S4、判断所述指令功率Pcomm是否小于等于所述铝空气电池的最小功率P1-min，若是，则进行步骤S5；若否，则进行步骤S6；
S5、判断当前所述超级电容的能量等级E是否小于所述超级电容的最低储存能量，若否，则进行步骤S51，若是，则进行步骤S7；
S51、控制所述铝空气电池的放电功率P1＝0，且所述超级电容的放电功率P2-traction＝Pcomm；
S6、判断当前所述超级电容的能量等级E是否大于所述超级电容的最高储存能量，若是，则进行步骤S61，若是，则进行步骤S7；
S61、控制所述铝空气电池的放电功率P1＝Pcomm，且所述超级电容的放电功率P2-traction＝0；
S7、控制所述铝空气电池的放电功率P1＝P1-rated，且所述超级电容的充电功率P2-charging＝P1-Pcomm。
可以看出，上述铝空气电池的放电功率P1的大小以及超级电容的放电功率P2-traction的大小根据指令功率Pcomm所处的范围而定，执行相应的判断后确定铝空气电池的放电功率P1以及超级电容的放电功率P2-traction，并且可知超级电容是否进行充电。
上述过程的执行由整车控制器5与双向DC/DC变换器共同完成，从而实现铝空气电池1与超级电容2的电压匹配和/或对超级电容2进行充电或放电的过程。
上述步骤S1可以具体为：通过车辆的制动指令Pb或牵引指令Ptr得到指令功率Pcomm。
在步骤S1与步骤S2之间还包括如下步骤：
S12、判断所述指令功率Pcomm是否小于0，若否，则进行所述步骤S3。
由上述步骤可以看出，驱动系统在车辆的不同行驶工况下具有不同的运行模式及相应的能量控制策略，具体如下：
(1)怠速模式
在此模式下，铝空气电池1和超级电容2都不向驱动电机4供电，驱动电机4处于停止状态，但铝空气电池1可以空载运行。
(2)制动模式(充电模式)
此模式(如紧急制动，下坡滑行等工况)下，铝空气电池1同样空载运行，而驱动电机4处于发电机状态进行发电，超级电容2则根据制动系统的运行特性吸收再生制动能量。
(3)牵引模式
此模式又可分为三种情况：
第一种情况：受指令控制的电动机输入功率大于铝空气电池1的额定功率(如起动、急加速、爬坡等工况)，则应用混合牵引模式，即铝空气电池1和超级电容2同时提供电能，此时铝空气电池1以额定功率运行，而不足功率由超级电容2提供。铝空气电池1的额定功率应处于铝空气电池1的最佳运行功率范围的最高功率处。
第二种情况：如果受指令控制的电动机的输入功率小于设定的铝空气电池1的最低功率(同样要位于铝空气电池1最佳运行功率范围)，而且超级电容2需要充电(即超级电容2的电量不足)，则铝空气电池1可以以额定功率运行，其输出的功率一部分要全部满足电动机所需功率，剩余部分能量用于给超级电容2充电；如果是另一种情况，即超级电容2不需要充电(电量基本满额)，则铝空气电池1以空载状态运行，且由超级电容2单独驱动车辆行驶。一般情况下，在后一种状态时，超级电容2输出的峰值功率要大于电动机所需功率(指令功率)。
第三种情况：如果驱动电机4负载功率处于设定的铝空气电池1最低功率和额定功率之间，且超级电容2不需要充电，则铝空气电池1以部分功率运行，并单独驱动车辆。若超级电容2需要充电，则铝空气电池1以额定功率运行，输出功率一部分用于驱动车辆，一部分用于向超级电容2充电。
上述控制方法可以结合上文所述的能源装置的描述进行理解，除此之外，本发明还提供一种车辆，包括上文所述的能源装置，并且车辆可以具体为家用轿车、或公共汽车或其他类型的车辆。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述较为简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上对本发明所提供的车辆、能源装置以及能源装置的控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于车辆的铝空气电池与超级电容的能源装置，其特征在于，包括：
用以放电的铝空气电池(1)以及能够充电和放电的超级电容(2)，所述铝空气电池(1)与所述超级电容(2)连接双向DC/DC变换器，且所述双向DC/DC变换器与用以控制车辆驱动电机(4)转速的电机控制器(3)相连；
还包括用以控制所述双向DC/DC变换器执行电压匹配和/或对所述超级电容(2)进行充电或放电的整车控制器(5)。
2.根据权利要求1所述的能源装置，其特征在于，所述双向DC/DC变换器包括相互连接的电能变换器(6)和双向DC/DC端(7)，所述双向DC/DC端(7)与DC/DC控制器(8)相连，且所述DC/DC控制器(8)与所述整车控制器(5)连接、用以接收所述整车控制器(5)所发出的信号。
3.根据权利要求1或2所述的能源装置，其特征在于，所述驱动电机(4)连接车辆的传动系统(9)，且所述传动系统(9)连接车辆的驱动轮(10)。
4.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的能源装置。
5.根据权利要求4所述的车辆，其特征在于，所述车辆具体为家用轿车或公共汽车。
6.一种用于车辆的铝空气电池与超级电容的能源装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取车辆的指令功率Pcomm；
S2、判断所述指令功率Pcomm是否大于铝空气电池的额定功率P1-rated，若是，则进入步骤S3；若否，则进行步骤S4；
S3、控制所述铝空气电池与超级电容共同放电，且所述铝空气电池的放电功率P1＝P1-rated，所述超级电容的放电功率P2-traction＝Pcomm-P1；
S4、判断所述指令功率Pcomm是否小于等于所述铝空气电池的最小功率P1-min，若是，则进行步骤S5；若否，则进行步骤S6；
S5、判断当前所述超级电容的能量等级E是否小于所述超级电容的最低储存能量，若否，则进行步骤S51，若是，则进行步骤S7；
S51、控制所述铝空气电池的放电功率P1＝0，且所述超级电容的放电功率P2-traction＝Pcomm；
S6、判断当前所述超级电容的能量等级E是否大于所述超级电容的最高储存能量，若是，则进行步骤S61，若是，则进行步骤S7；
S61、控制所述铝空气电池的放电功率P1＝Pcomm，且所述超级电容的放电功率P2-traction＝0；
S7、控制所述铝空气电池的放电功率P1＝P1-rated，且所述超级电容的充电功率P2-charging＝P1-Pcomm。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：通过车辆的制动指令Pb或牵引指令Ptr得到指令功率Pcomm。
8.根据权利要求6或5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1与步骤S2之间还包括如下步骤：
判断所述指令功率Pcomm是否小于0，若否，则进行所述步骤S3。
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