[发明专利]一种动力电池-超级电容混合电源控制方法及其系统

说明书

技术领域

本发明属于电源技术领域，特别涉及一种动力电池-超级电容混合电源系统控制方法。

背景技术

动力电池组在电动汽车等新能源技术领域得到了广泛应用。但是，受到动力电池工作原理和制造水平的限制，目前电动汽车用的先进动力电池组(例如：镍氢电池组、锂离子电池组等)的循环使用寿命不尽如人意。随着动力电池组放电电流的增大，其循环使用寿命显著下降。试验研究结果表明，某型号100Ah锂离子动力电池组在100A恒流放电时的循环使用寿命是1200次，200A恒流放电时的循环使用寿命只是600次，而且，随着电池组的荷电状态(SOC)的降低，大电流放电会进一步缩短电池组的使用寿命，从而增加电动汽车的使用成本。动力电池组理想的使用条件应该是持续地小电流放电，但是，当动力电池组直接驱动电动汽车时，这种放电条件会影响电动汽车动力性能的发挥。当采用动力电池组做为电动汽车唯一的能量来源时，由于城市工况下车辆频繁加速的特点，导致动力电池组频繁间歇地大电流放电，降低了电池组的使用寿命，从而影响整车的使用寿命。

另一方面，电动汽车在城区运行时，虽然在车辆加速过程中，要求动力系统提供较大功率，动力电池组处于大电流放电状态，但是，在车辆减速、滑行过程中，动力系统的输出功率很小、甚至为零，这时，动力电池组放电电流小、或者不放电。车辆的城市工况统计结果显示，车辆滑行、减速和怠速导致动力系统零输出的时间约是车辆总的运行时间的30％左右，车用动力电池组的放电特性表现为峰值电流大、平均电流小。

已有的“动力电池-超级电容”混合系统由动力电池和超级电容所组成，该动力电池、超级电容的输出端并联到电源负载上，在该系统中，对电源负载的控制采用基于动力电池和超级电容模型的功率分配策略。由于动力电池输出特性的非线性和动力电池制造工艺的不成熟导致动力电池模型的准确度不高，造成控制效果不理想；同时，现有的功率分配策略实时性较差，难以满足在电动汽车使用条件下的车辆行驶功率急剧变化的要求。

电源外特性，描述了电源负载变化时，电源输出电流和电源端电压之间的关系，一般用“电源输出电流-电源端电压”二维曲线来描述。常见的电源外特性曲线有恒压特性曲线、恒流特性曲线和下降静态外特性曲线(以下简称外特性曲线)。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种动力电池-超级电容混合电源控制方法及其系统，可自适应控制动力电池组和超级电容的输出功率，使电池组放电电流基本稳定在电流平均值附近，放电电流小且变化平缓，提高了电池组的使用寿命。

本发明提出的一种动力电池-超级电容混合电源控制方法，其特征在于：在电源输出斜率为k的外特性曲线L的基础上，另外设置两条外特性曲线，分别是斜率k1的外特性上限外特性曲线L1、斜率k2的外特性下限外特性曲线L2，其中，k1＜k＜k2，外特性曲线L1为动力电池组的固有外特性曲线；外特性曲线L2为应用系统所要求的电压下限；

当混合电源系统处于开路状态时，动力电池组的开路电压为E，将超级电容充电到电压E；当动力电池组输出电流保持不变时，使电源工作点稳定在外特性曲线L上；在动力电池组输出电流增大过程中，使外特性曲线L绕E点顺时针旋转，但不低于外特性下限外特性曲线L2；随着电源输出电流的增大，输出电压减小，带动超级电容自适应放电；当外特性曲线L顺时针旋转到L2后，使外特性曲线L不再随着电源输出电流的增大而旋转；在动力电池组输出电流减小过程中，使外特性曲线L绕E点逆时针旋转，但不高于外特性上限外特性曲线L1；随着电源输出电流的减小，输出电压增大，对超级电容充电，使超级电容组的端电压及时恢复到开路电压E；当动力电池组输出功率再次增大时，使外特性曲线L再次迅速绕E点顺时针旋转，再次带动超级电容迅速放电。

本发明还提出采用如上述方法的动力电池-超级电容混合电源系统，该系统包括动力电池组和超级电容，其特征在于，还包括连接在动力电池输出端的电源变换器，该电源变换器的输出端与超级电容的输出端并联到负载电源上。

本发明的工作原理：

在本发明中，将超级电容看成电源负载的一部分，根据“超级电容放电导致端电压下降”以及“超级电容充电导致端电压上升”的特性，提出一种电源外特性斜率动态变化的控制方法。实时检测动力电池组输出电流的变化，动态调节电源负载的输出电压、自适应控制超级电容的充电和放电过程，抑制动力电池组的放电峰值电流。

本发明的特点及有益效果：