CN201128379Y - 车用太阳能-超级电容混合动力电源 - Google Patents

Abstract

该设计是一种新型的车用太阳能－超级电容混合动力电源，通过太阳能电池、超级电容组、以及相关的控制管理系统(见附图)，实现了为汽车提供高效的动力电源，解决了单纯的超级电容器续航里程短的缺点，并且是清洁替代能源装置，减少了对环境的污染。该设计主要包括：1)太阳能电池及其管理系统；2)超级电容器储能单元及传感器装置；3)控制太阳能电池和超级电容器协调工作的系统控制中心。在整个电动机控制系统中，超级电容、太阳能电池和驱动电机之间需要精确的能量流管理，以此互相协调来驱动电机正常运转。

Description

车用太阳能-超级电容混合动力电源

所属技术领域

本实用新型是一种为电动汽车提供能量的装置，通过电动车的能量总成控制使整车根据工作模式最优化工作，可实现制动和减速时能量回馈制动，实现整车高效性、经济性、可靠性。

背景技术

在电动汽车的部件中，电源是关键部分。最常用的车载电源是蓄电池。但是超级电容器由于其特有的优点，正越来越受到人们的重视。尤其在城市市区运行的电动公交车，其运行线路在20公里以内，运行中频繁起动、制动、加速、减速。运用超级电容器为能源的电动公交车，一次充电续驶里程可达20公里，充电时间短，在此领域将会有广阔的应用前景。太阳能-超级电容混合动力车制动和减速时，可实现能量回收。而且超级电容器的低温特性优于蓄电池，尤其在气候寒冷地区是一个好的选择。

超级电容器是一种具有超级储电能力，可提供强大脉冲功率的物理二次电源。它彻底改变了人们对电容器的传统印象。它是根据电化学双电平理论研制而成的，当向电极充电时，处于理想化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面形成双电荷层，构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小(一般在0.5nm以下)，再加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍地增加，从而产生极大的电容量，电容器的这种极化作用可以储存电能。

电动汽车对动力电源的要求引起了全世界范围对超级电容器这一新型储能装置的广泛重视。传统动力电池在高功率输出、快速充电、宽温度范围使用以及寿命等方面存在一定的局限性，有些苛刻条件可能会显著降低电池的寿命。而超级电容器若与动力电池配合使用，则可减少大电流充放电对电池的伤害，延长电池的使用寿命，还能通过再生制动系统将瞬间能量回收于超级电容器中，提高能量利用率，同时其低温特性也很好。

超级电容器在混合能源电动汽车中的作用

(1)提供优越的动力性能

由于超级电容器具有非常高的功率密度，因此能较好地满足电动汽车在启动、加速、爬坡时对功率的需求，若与动力电池配合使用，则可减少大电流充放电对电池的伤害，延长电池的使用寿命。

(2)具有非常高的能量回收率

汽车在行驶过程中至少有30％的能量因热量散发和制动而消耗掉，特别是在城市行驶，经常遇到红灯，这样不仅造成能源浪费，而且增加环境污染。如能把制动所消耗的能量回收起来用于汽车起动、加速，可谓一举两得。由于蓄电池充电是通过化学反应来完成的，所需时间较长，但制动时间较短，因而回收能量效果不佳。现正处于研究中的燃料电池，由于精度要求高、制作难度大，短时间还难以进入实用阶段。超级电容器独有的高比功率特性非常适合用于制动过程中能量回收。

(3)优化贮能设备性能

超级电容器妥善解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。一般说来，比能量高的贮能体系其比功率不会太高；同样，一个贮能体系的比功率比较高，其比能量就不一定会很高；许多电池体系就是如此。超级电容器在可以提供1～5kW/kg，高比功率输出的同时，其比能量可以达到5～20Wh/kg。将它与太阳能电池组合起来，就会成为一个兼有高比能和高比功率输出的贮能系统。

(4)极好的低温性能

超级电容具有极好低温性能，能在低温情况下保持大电流充放电能力；使得以此为能源的电动汽车能在北方低温环境下仍然能够可靠工作，确保持动力性要求。

在寒冷地区，发动机的冷起动对蓄电池提出了特殊的要求，蓄电池必须提供瞬间大功率，发动机才可能起动。然而，一般蓄电池不具备这种特性，除非用“起动点火型(SLI)”电池，但是SLI型电池并不适合长时期小电流工作环境，而且在低温下经常失效，因此也不适合。通过研究发现，如果把超级电容和蓄电池联合用在发动机起动系统，发挥超级电容的独有特性，构成新型的起动系统，这个问题就可迎刃而解。

(5)辅助性能

超级电容器除了可以用做混合能源电动汽车的辅助动力系统外，还可用在车载空调、车锁、车窗和车灯等电器的自动开关使用上。综上可以看出，在混合能源系统中，超级电容器的存在减少了主电池的功率负荷、避免了大电流冲击电池、延长了电池寿命。并且，车辆能量回收以及蓄电池的尺寸可小型化可以大大提高能量的利用率。因而，超级电容器是近年来电动车动力系统开发中的重要领域之一。

目前，超级电容电动车实用化的难点在于动力电源的功率性能差和续驶里程低等，这些问题都与超级电容技术密切相关。通常，电动车要求超级电容以较长时间的中等电流持续放电为主，间或辅以大电流放电，用于启动、加速和爬坡。现有的超级电容电动车的最高速度、加速能力和爬坡能力远赶不上燃油汽车。发展超级电容电动车是一个系统工程，从目前的技术水平来看，电动机、传动系统、控制器、车体等部分的技术相对比较成熟，而动力电源——超级电容存在的问题最大，已成为制约超级电容电动车发展的瓶颈。

研究与开发混合型动力电源是解决当前电动车动力电源的一条出路，其一是将超级电容器与太阳能电池并联组合，形成混合型动力电源。因为，超级电容器具有较高的功率密度和快速充放电的性能，这些性能可以和太阳能电池互补，以弥补其不足。因此，在电动车匀速行驶时，由超级电容提供恒定功率；在电动车加速、启动或爬坡时，由太阳能电池补充峰值功率，以满足电动车行使的要求，提高整车动力电源的工作效率。本实用新型设计了基于混合型超级电容器和太阳能电池的电动车混合动力电源系统，为超级电容器在电动车中的应用进行了初步的探索。

发明内容

为了解决现有动力电源在电动车启动、加速和续驶里程等方面无法提供能量不足，本实用新型提供一种车用太阳能—超级电容混合动力电源，该车用太阳能—超级电容混合动力电源不仅能提供足够大的瞬时能量和持久能量，而且全部采用无污染设备。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：车用太阳能—超级电容混合动力电源是在传统动力电源的基础上增加了一套超级电容器储能装置和太阳能电池装置，系统框图如图1所示。该动力电源系统主要包括：1)太阳能电池及其管理系统；2)超级电容器储能单元及传感器装置；3)控制太阳能电池和超级电容器协调工作的系统控制中心。电池管理系统能够测量每只电池的电压、电流和剩余电量以及电池组的总电压和总电流等，并具有多个温度测量点，实现温度控制，以控制电池散热风机的启动。储能装置主要是由超级电容器串、并联组成，总电容量为18F，额定工作电压为360V，储能为1.2MJ。控制管理中心通过检测各种传感器送来的驱动电机运行状态信号、电池管理系统和超级电容器储能装置的数据信号，依照预先设定的程序及算法，控制太阳能电池与超级电容组②和超级电容组①之间电能输出的平滑切换，以达到整个动力系统效率最大化的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1本实用新型混合动力电源系统框图

图2本实用新型混合动力电源原理示意图

图3整车电源控制系统图

图4变结构控制系统图

具体实施方式

车用太阳能—超级电容混合动力电源是在传统动力电源的基础上增加了一套超级电容器储能装置和太阳能电池装置。所以，该动力电源系统主要包括：1)太阳能电池及其管理系统；2)超级电容器储能单元及传感器装置；3)控制太阳能电池和超级电容器协调工作的系统控制中心。电池管理系统能够测量每只电容的电压、电流和剩余电量以及电容器组的总电压和总电流等，并具有多个温度测量点，实现温度控制，以控制电池散热风机的启动。储能装置主要是由超级电容器串、并联组成，总电容量为2600F，额定工作电压为360V，储能为1.2MJ。控制管理中心通过检测各种传感器送来的驾驶室操作指令、驱动电机运行状态信号、电池管理系统和超级电容器储能装置的数据信号，依照预先设定的程序及算法，控制蓄电池组和超级电容器之间电能输出的平滑切换，以达到整个动力系统效率最大化的目的，如图3、图4。控制中心与电机控制器、电池管理系统之间采用CAN总线进行通讯，各个被控系统的状态数据通过CAN总线上传到控制中心，控制中心可以通过CAN总线向各控制器发出执行指令，以实现能量流在太阳能电池、超级电容器和驱动负载之间的优化分配，从而提高电源的工作效率。同时，在保证不超过超级电容的最大电流负荷的情况下，提高整车的功率性能。

动力电源输出性能优化的目的是为了获得最大的整车效率和经济效益。当电动车匀速运行时，所需的动力电流相对较小，这时控制中心根据蓄电池的储能状态，指挥由超级电容输出恒定的功率，太阳能电池负责给超级电容器充电，其输出电流应该在超级电容的安全底线以内；在电动车启动、加速或爬坡时，电动车所需动力电流较大，因此，控制中心指挥太阳能电池和超级电容器同时放电。此时，超级电容仍然提供平均功率；当有制动信号时，部分超级电容器可以回收制动能量，合理地利用能源。

车用太阳能—超级电容混合动力电源原理示意图，如图2所示。太阳能电池和超级电容器储能单元和负载并联连接，其中Rb和Rc分别为太阳能电池与超级电容组②和超级电容组①的内电阻，RL为驱动负载。

在整个电动机控制系统中，超级电容、太阳能电池和驱动电机之间需要精确的能量流管理，以此互相协调驱动电机正常运转。以下是能量管理策略：

1、车速平稳运行时，超级电容组①应该保证平稳的能量供给电机，使汽车正常运转。

2、电机转矩需求能量高于超级电容组①所提供的能量时，太阳能电池充电的超级电容组②供给额外的能量。

3、电机制动时，要回收制动能量，为超级电容组①充电。

4、当超级电容组①荷电不足的时候，由太阳电池充电超级电容组②，以备电机启动加速瞬间使用。或者完全由超级电容组②提供能量。

5、超级电容组②可以由电源电网外充电，保证能量供应的可靠。

Claims (7)

1.一种车用太阳能—超级电容混合动力电源，包括：两组超级电容组，太阳能电池板，单向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器，双向DC/AC变换器以及控制太阳能电池和超级电容组协调工作的系统控制中心，其中，双DC/DC变换器与超级电容组②相连，DC/AC变换器与电机相连，超级电容组①与太阳能电池相连给负载提供电能，超级电容组②与市电充电器相连给负载提供电能，其特征是：利用单片微型控制器控制两组超级电容组的切换，超级电容组①可给超级电容组②供电，提高车辆的续驶里程。

2.根据权利要求1所述的车用太阳能—超级电容混合动力电源，其特征是：两组超级电容间的切换由司机给出的电能需求以及两个电容组所剩余的能量所决定的。

3.根据权利要求1所述的车用太阳能—超级电容混合动力电源，其特征是：用单片微型控制器控双向DC/DC完成2组超级电容组的切换并控制制动回馈使能量流向超级电容组②。

4.根据权利要求1所述的车用太阳能—超级电容混合动力电源，其特征是：太阳能充电过程利用单片微控制器或DSP进行控制。

5.根据权利要求1所述的车用太阳能—超级电容混合动力电源，其特征是：利用单片微型控制器检测动力系统中的参数，根据车辆运行状态，通过能量管理控制，使整车最优化工作。

6.根据权利要求1所述的车用太阳能—超级电容混合动力电源，其特征是：通过CAN总线接口，单片微型控制器所检测到动力系统中的数据和参数、驾驶者的设置状态在显示器上显示出来。

7.根据权利要求1所述的车用太阳能—超级电容混合动力电源，其特征是：驾驶员所需能量信息由车载踏板状态决定。

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