專利名稱：車用太陽能-超級電容混合動力電源的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種為電動汽車提供能量的裝置，通過電動車的能量總成 控制使整車根據工作模式最優化工作，可實現制動和減速時能量回饋制動， 實現整車高效性、經濟性、可靠性。
背景技術：
在電動汽車的部件中，電源是關鍵部分。最常用的車載電源是蓄電池。 但是超級電容器由于其特有的優點，正越來越受到人們的重視。尤其在城市
市區運行的電動公交車，其運行線路在20公里以內，運行中頻繁起動、制動、 加速、減速。運用超級電容器為能源的電動公交車， 一次充電續駛里程可達 20公里，充電時間短，在此領域將會有廣闊的應用前景。太陽能-超級電容混 合動力車制動和減速時，可實現能量回收。而且超級電容器的低溫特性優于 蓄電池，尤其在氣候寒冷地區是一個好的選擇。
超級電容器是一種具有超級儲電能力，可提供強大脈沖功率的物理二次 電源。它徹底改變了人們對電容器的傳統印象。它是根據電化學雙電平理論 研制而成的，當向電極充電時，處于理想化電極狀態的電極表面電荷將吸引 周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電荷層，構 成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小(一般在0.5nm以下)，再加之采用 特殊電極結構，使電極表面積成萬倍地增加，從而產生極大的電容量，電容 器的這種極化作用可以儲存電能。
電動汽車對動力電源的要求引起了全世界范圍對超級電容器這一新型儲 能裝置的廣泛重視。傳統動力電池在高功率輸出、快速充電、寬溫度范圍使 用以及壽命等方面存在一定的局限性，有些苛刻條件可能會顯著降低電池的壽命。而超級電容器若與動力電池配合使用，則可減少大電流充放電對電池 的傷害，延長電池的使用壽命，還能通過再生制動系統將瞬間能量回收于超 級電容器中，提高能量利用率，同時其低溫特性也很好。 超級電容器在混合能源電動汽車中的作用
(1) 提供優越的動力性能
由于超級電容器具有非常高的功率密度，因此能較好地滿足電動汽車在 啟動、加速、爬坡時對功率的需求，若與動力電池配合使用，則可減少大電 流充放電對電池的傷害，延長電池的使用壽命。
(2) 具有非常高的能量回收率
汽車在行駛過程中至少有30%的能量因熱量散發和制動而消耗掉，特別是
在城市行駛，經常遇到紅燈，這樣不僅造成能源浪費，而且增加環境污染。 如能把制動所消耗的能量回收起來用于汽車起動、加速，可謂一舉兩得。由 于蓄電池充電是通過化學反應來完成的，所需時間較長，但制動時間較短， 因而回收能量效果不佳。現正處于研究中的燃料電池，由于精度要求高、制 作難度大，短時間還難以進入實用階段。超級電容器獨有的高比功率特性非 常適合用于制動過程中能量回收。
(3) 優化貯能設備性能
超級電容器妥善解決了貯能設備高比功率和高比能量輸出之間的矛盾。 一般說來，比能量高的貯能體系其比功率不會太高；同樣， 一個貯能體系的 比功率比較高，其比能量就不一定會很高；許多電池體系就是如此。超級電 容器在可以提供1 5 kW/kg，高比功率輸出的同時，其比能量可以達到5 20Wh/kg。將它與太陽能電池組合起來，就會成為一個兼有高比能和高比功率 輸出的貯能系統。(4) 極好的低溫性能超級電容具有極好低溫性能，能在低溫情況下保持大電流充放電能力；使得以此為能源的電動汽車能在北方低溫環境下仍然能夠可靠工作，確保持 動力性要求。在寒冷地區，發動機的冷起動對蓄電池提出了特殊的要求，蓄電池必須 提供瞬間大功率，發動機才可能起動。然而， 一般蓄電池不具備這種特性，除非用"起動點火型(SLI)"電池，但是SLI型電池并不適合長時期小電流工 作環境，而且在低溫下經常失效，因此也不適合。通過研究發現，如果把超 級電容和蓄電池聯合用在發動機起動系統，發揮超級電容的獨有特性，構成 新型的起動系統，這個問題就可迎刃而解。
(5) 輔助性能超級電容器除了可以用做混合能源電動汽車的輔助動力系統外，還可用 在車載空調、車鎖、車窗和車燈等電器的自動開關使用上。綜上可以看出， 在混合能源系統中，超級電容器的存在減少了主電池的功率負荷、避免了大 電流沖擊電池、延長了電池壽命。并且，車輛能量回收以及蓄電池的尺寸可 小型化可以大大提高能量的利用率。因而，超級電容器是近年來電動車動力 系統開發中的重要領域之一。目前，超級電容電動車實用化的難點在于動力電源的功率性能差和續駛 里程低等，這些問題都與超級電容技術密切相關。通常，電動車要求超級電 容以較長時間的中等電流持續放電為主，間或輔以大電流放電，用于啟動、 加速和爬坡。現有的超級電容電動車的最高速度、加速能力和爬坡能力遠趕 不上燃油汽車。發展超級電容電動車是一個系統工程，從目前的技術水平來 看，電動機、傳動系統、控制器、車體等部分的技術相對比較成熟，而動力電源——超級電容存在的問題最大，已成為制約超級電容電動車發展的瓶頸。 研究與開發混合型動力電源是解決當前電動車動力電源的一條出路，其 一是將超級電容器與太陽能電池并聯組合，形成混合型動力電源。因為，超 級電容器具有較高的功率密度和快速充放電的性能，這些性能可以和太陽能 電池互補，以彌補其不足。因此，在電動車勻速行駛時，由超級電容提供恒
定功率；在電動車加速、啟動或爬坡時，由太陽能電池補充峰值功率，以滿 足電動車行使的要求，提高整車動力電源的工作效率。本實用新型設計了基 于混合型超級電容器和太陽能電池的電動車混合動力電源系統，為超級電容 器在電動車中的應用進行了初步的探索。 發明內容
為了解決現有動力電源在電動車啟動、加速和續駛里程等方面無法提供 能量不足，本實用新型提供一種車用太陽能一超級電容混合動力電源，該車 用太陽能一超級電容混合動力電源不僅能提供足夠大的瞬時能量和持久能 量，而且全部采用無污染設備。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是車用太陽能一超級電 容混合動力電源是在傳統動力電源的基礎上增加了一套超級電容器儲能裝置 和太陽能電池裝置，系統框圖如圖l所示。該動力電源系統主要包括1)太 陽能電池及其管理系統；2)超級電容器儲能單元及傳感器裝置；3)控制太 陽能電池和超級電容器協調工作的系統控制中心。電池1;理系統能夠測量每 只電池的電壓、電流和剩余電量以及電池組的總電壓和總電流等，并具有多 個溫度測量點，實現溫度控制，以控制電池散熱風機的啟動。儲能裝置主要 是由超級電容器串、并聯組成，總電容量為18F，額定工作電壓為360V，儲 能為1.2MJ。控制管理中心通過檢測各種傳感器送來的驅動電機運行狀態信號、電池管理系統和超級電容器儲能裝置的數據信號，依照預先設定的程序 及算法，控制太陽能電池與超級電容組②和超級電容組①之間電能輸出的平 滑切換，以達到整個動力系統效率最大化的目的。以下結合附圖
和實施例對本實用新型進一步說明。 圖l本實用新型混合動力電源系統框圖
圖2本實用新型混合動力電源原理示意圖 圖3整車電源控制系統圖 圖4變結構控制系統圖具體實施方式
車用太陽能一超級電容混合動力電源是在傳統動力電源的基礎上增加了 一套超級電容器儲能裝置和太陽能電池裝置。所以，該動力電源系統主要包 括1)太陽能電池及其管理系統；2)超級電容器儲能單元及傳感器裝置；3) 控制太陽能電池和超級電容器協調工作的系統控制中心。電池管理系統能夠 測量每只電容的電壓、電流和剩余電量以及電容器組的總電壓和總電流等， 并具有多個溫度測量點，實現溫度控制，以控制電池散熱風機的啟動。儲能 裝置主要是由超級電寄器串、并聯組成，總電容量為2600F，額定工作電壓為 360V，儲能為1.2MJ。控制管理中心通過檢測各種傳感器送來的駕駛室操作指 令、驅動電機運行狀態信號、電池管理系統和超級電容器儲能裝置的數據信 號，依照預先設定的程序及算法，控制蓄電池組和超級電容器之間電能輸出 的平滑切換，以達到整個動力系統效率最大化的目的，如閨3、圖4。控制中 心與電機控制器、電池管理系統之間采用CAN總線進行通訊，各個被控系統 的狀態數據通過CAN總線上傳到控制中心，控制中心可以通過CAN總線向各控制器發出執行指令，以實現能量流在太陽能電池、超級電容器和驅動負載 之間的優化分配，從而提高電源的工作效率。同時，在保證不超過超級電容 的最大電流負荷的情況下，提高整車的功率性能。
動力電源輸出性能優化的目的是為了獲得最大的整車效率和經濟效益。 當電動車勻速運行時，所需的動力電流相對較小，這時控制中心根據蓄電池 的儲能狀態，指揮由超級電容輸出恒定的功率，太陽能電池負責給超級電容 器充電，其輸出電流應該在超級電容的安全底線以內；在電動車啟動、加速 或爬坡時，電動車所需動力電流較大，因此，控制中心指揮太陽能電池和超 級電容器同時放電。此時，超級電容仍然提供平均功率；當有制動信號時， 部分超級電容器可以回收制動能量，合理地利用能源。
車用太陽能一超級電容混合動力電源原理示意圖，如圖2所示。太陽能 電池和超級電容器儲能單元和負載并聯連接，其中Rb和Rc分別為太陽能電 池與超級電容組②和超級電容組①的內電阻，RL為驅動負載。
在整個電動機控制系統中，超級電容、太陽能電池和驅動電機之間需要 精確的能量流管理，以此互相協調驅動電機正常運轉。以下是能量管理策略
1、 車速平穩運行時，超級電容組①應該保證平穩的能量供給電機，使汽 車正常運轉。
2、 電機轉矩需求能量高于超級電容組①所提供的能量時，太陽能電池充 電的超級電容組②供給額外的能量。
3、 電機制動時，要回收制動能量，為超級電容組①充電。
4、 當超級電容組①荷電不足的時候，由太陽電池充電超級電容組②，
以備電機啟動加速瞬間使用。或者完全由超級電容組②提供能量。
5、 超級電容組②可以由電源電網外充電，保證能量供應的可靠。
權利要求1.一種車用太陽能-超級電容混合動力電源，包括兩組超級電容組，太陽能電池板，單向DC/DC變換器，雙向DC/DC變換器，雙向DC/AC變換器以及控制太陽能電池和超級電容組協調工作的系統控制中心，其中，雙DC/DC變換器與超級電容組②相連，DC/AC變換器與電機相連，超級電容組①與太陽能電池相連給負載提供電能，超級電容組②與市電充電器相連給負載提供電能，其特征是利用單片微型控制器控制兩組超級電容組的切換，超級電容組①可給超級電容組②供電，提高車輛的續駛里程。
2. 根據權利要求1所述的車用太陽能一超級電容混合動力電源，其特征 是兩組超級電容間的切換由司機給出的電能需求以及兩個電容組所剩余的 能量所決定的。
3. 根據權利要求1所述的車用太陽能一超級電容混合動力電源，其特征 是用單片微型控制器控雙向DC/DC完成2組超級電容組的切換并控制制動 回饋使能量流向超級電容組②。
4. 根據權利要求1所述的車用太陽能一超級電容混合動力電源，其特征 是太陽能充電過程利用單片微控制器或DSP進行控制。
5. 根據權利要求1所述的車用太陽能一超級電容混合動力電源，其特征 是利用單片微型控制器檢測動力系統中的參數，根據車輛運行狀態，通過 能量管理控制，使整車最優化工作。
6. 根據權利要求1所述的車用太陽能一超級電容混合動力電源，其特征 是通過CAN總線接口，單片微型控制器所檢測到動力系統中的數據和參數、 駕駛者的設置狀態在顯示器上顯示出來。
7. 根據權利要求1所述的車用太陽能一超級電容混合動力電源，其特征 是駕駛員所需能量信息由車載踏板狀態決定。
專利摘要該設計是一種新型的車用太陽能-超級電容混合動力電源，通過太陽能電池、超級電容組、以及相關的控制管理系統(見附圖)，實現了為汽車提供高效的動力電源，解決了單純的超級電容器續航里程短的缺點，并且是清潔替代能源裝置，減少了對環境的污染。該設計主要包括1)太陽能電池及其管理系統；2)超級電容器儲能單元及傳感器裝置；3)控制太陽能電池和超級電容器協調工作的系統控制中心。在整個電動機控制系統中，超級電容、太陽能電池和驅動電機之間需要精確的能量流管理，以此互相協調來驅動電機正常運轉。
文檔編號H02J7/35GK201128379SQ20072009466
公開日2008年10月8日 申請日期2007年11月23日 優先權日2007年11月23日
發明者馮思豪, 強 劉, 孫繼元, 超 張, 曲萍萍, 王洪希, 苑廣軍, 郝曉鵬, 陳洪升, 黎妹紅 申請人:吉林市北華航天科技有限公司