一種雙電源耦合裝置及其混合動力電動汽車的製作方法

2023-05-02 19:39:31

一種雙電源耦合裝置及其混合動力電動汽車的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種雙電源耦合裝置，包括蓄電池、狀態控制設備、充電控制設備、超級電容和用電設備，其中，所述狀態控制設備，用於控制混合動力電動汽車處於靜止、驅動、制動或充電狀態；所述充電控制設備，用於檢測到混合動力電動汽車處於靜止狀態時，控制所述超級電容給所述蓄電池充電；用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動狀態時，控制所述超級電容和所述蓄電池給所述用電設備供電。本實用新型還提供一種混合動力電動汽車，包括雙電源耦合裝置。本實用新型與現有的DC/DC轉換器相比較，所能實現的有益效果為體積縮小、結構簡單、效率提升以及成本降低，且對於混合動力電動汽車的特殊用途，其效率也非常高。
【專利說明】-種雙電源耦合裝置及其混合動力電動汽車

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及電動汽車領域，尤其涉及一種雙電源耦合裝置及其混合動力電動 汽車。

【背景技術】
[0002] 電動汽車包括純電動汽車和混合動力電動汽車，兩者均需要高性能電池，即要求 電池功率性強，儲能率高。但是，實際上電池的功率性和儲能率是一組矛盾的兩面，功率性 強，就要犧牲儲能能力；而儲能能力的提高，也以犧牲功率性為代價。同時，由於電池是電化 學變化，其功率性和效率特性均不如超級電容，而超級電容的儲能率也遠遠不如電化學反 應的電池。將電池與超級電容有機地組合在一起，尤其是運用在混合動力電動汽車上，即可 很好地獲得超級電容的功率特性，又可以很好獲得電池的儲能特性。
[0003] 但是，由於儲能的蓄電地的電壓外特性與超級電容的電壓外特性相對比，電池電 壓外特性具有不可比擬的剛性。如果直接將電池組與超級電容組並聯應用，超級電容根本 發揮不了功率特性，電池倍率充放電保護也無法得以實現。現有技術中通常採用的是在兩 個蓄能電源之間增加一個DC/DC轉換器（雙向直流轉換器），這類大功率的DC/DC轉換器， 不僅體積大，結構複雜，效率低，同時因元器件使用多，成本昂貴。 實用新型內容
[0004] 本實用新型的主要目的在於提供一種雙電源耦合裝置，旨在解決採用DC/DC轉換 器對蓄電池和超級電容之間進行電壓轉換時所帶來的體積龐大、結構複雜、效率低下以及 成本昂貴的問題。
[0005] 為實現上述目的，本實用新型提供的雙電源耦合裝置，包括蓄電池、狀態控制設 備、充電控制設備、超級電容和用電設備，其中，所述狀態控制設備，與所述蓄電池的正極相 連，用於控制混合動力電動汽車處於靜止、驅動、制動或充電狀態；所述充電控制設備，與所 述狀態控制模塊、超級電容的正極和用電設備相連，用於檢測到混合動力電動汽車處於靜 止狀態時，控制所述超級電容給所述蓄電池充電；用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動 狀態時，控制所述超級電容或/和所述蓄電池給所述用電設備供電；用於檢測到混合動力 電動汽車處於驅動制動狀態時，控制所述用電設備將反饋制動能量存入所述超級電容或所 述蓄電池；以及用於檢測到混合動力電動汽車處於充電狀態時，控制所述用電設備給所述 蓄電池補電。
[0006] 優選地，所述充電控制設備包括電阻、第一開關管、第二開關管和控制迴路，所述 電阻一端與所述狀態控制設備和所述第二開關管的集電極相連，另一端與第一開關管的集 電極相連，第二開關管的基極與所述控制迴路相連，第二開關管的發射極與所述第一開關 管的發射極、所述控制迴路以及所述超級電容的正極相連，用於檢測到混合動力電動汽車 處於靜止狀態且當所述蓄電池的端電壓與所述超級電容的端電壓之間的差值大於設定的 閾值電壓時，所述控制迴路控制第一開關管導通，所述蓄電池第一次給所述超級電容充電； 以及檢測到混合動力電動汽車處於靜止狀態且所述蓄電池的端電壓與所述超級電容的端 電壓之間的差值小於或等於設定的閾值電壓時，控制迴路控制第二開關管導通；所述蓄電 池第二次給所述超級電容充電。
[0007] 優選地，所述充電控制設備用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動狀態且超級電 容的端電壓大於或等於設定的下限電壓時，所述控制迴路控制第一開關管和第二開關管截 止，控制所述超級電容給所述用電設備供電；還用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動狀 態且超級電容的端電壓小於設定的下限電壓時，所述控制迴路控制第一開關管導通，所述 蓄電池給所述用電設備供電；以及當所述蓄電池的端電壓與所述超級電容的端電壓之間的 差值小於設定的閾值電壓時，所述控制迴路控制第二開關管導通，所述蓄電池給所述超級 電容充電，直至所述超級電容的端電壓與所述蓄電池的端電壓相闖。
[0008] 優選地，所述充電控制設備還用於檢測到混合動力電動汽車處於制動狀態且超級 電容的端電壓小於或等於設定的上限電壓時，所述控制迴路控制第一開關管和第二開關管 截止，所述用電設備將反饋制動能量均存入所述超級電容；當所述超級電容的端電壓大於 設定的上限電壓時，所述控制迴路控制第一開關管導通，所述用電設備將反饋制動能量存 入所述蓄電池。
[0009] 優選地，所述充電控制設備，還用於檢測到混合動力電動汽車處於充電狀態，即所 述用電設備為發電機或充電器時，所述用電設備給所述蓄電池補電。
[0010] 優選地，所述第一開關管和第二開關管為IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體）。
[0011] 優選地，所述狀態控制設備包括接觸器或斷路器。
[0012] 優選地，所述蓄電池的數量為兩個以上，各蓄電池之間採用串聯連接。
[0013] 優選地，所述超級電容數量為兩個以上，各超級電容之間採用串聯連接。
[0014] 本實用新型進一步提供一種混合動力電動汽車，包括雙電源耦合裝置。
[0015] 本實用新型提供的雙電源耦合裝置，包括蓄電池、狀態控制設備、充電控制設備、 超級電容和用電設備，其中，所述狀態控制設備，與所述蓄電池的正極相連，用於控制混合 動力電動汽車處於靜止、驅動、制動或充電狀態；所述充電控制設備，與所述狀態控制模塊、 超級電容的正極和用電設備相連，用於檢測到混合動力電動汽車處於靜止狀態時，控制所 述超級電容給所述蓄電池充電；用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動狀態時，控制所述 超級電容和所述蓄電池給所述用電設備供電；用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動制動 狀態時，控制所述用電設備將反饋制動能量存入所述超級電容或所述蓄電池；以及用於檢 測到混合動力電動汽車處於充電狀態時，控制所述用電設備給所述蓄電池補電。本實用新 型與與現有的DC/DC轉換器相比較，所能實現的有益效果為體積縮小、結構簡單、效率提升 以及成本降低，且對於混合動力電動汽車的特殊用途，其效率也非常高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本實用新型雙電源耦合裝置一實施例的結構框圖；
[0017] 圖2為本實用新型雙電源耦合裝置一實施例的電路圖；
[0018] 圖3為圖2中等效電路圖；
[0019] 圖4為本實用新型雙電源耦合裝置檢測到混合動力電動汽車處於靜止狀態且當 蓄電池的端電壓與超級電容的端電壓之間的差值大於設定的閾值電壓時的電壓特性曲線 圖；
[0020] 圖5為本實用新型混合動力電動汽車處於靜止狀態且當蓄電池的端電壓與超級 電容的端電壓之間的差值小於或等於設定的閾值電壓時的電流特性曲線圖；
[0021] 圖6為本實用新型混合動力電動汽車處於靜止狀態且當蓄電池的端電壓與超級 電容的端電壓之間的差值大於設定的閾值電壓時的充電效率圖；
[0022] 圖7為本實用新型混合動力電動汽車處於靜止狀態時整個電壓特性曲線圖；
[0023] 圖8為本實用新型混合動力電動汽車處於靜止狀態時整個電流特性曲線圖。
[0024] 實用新型目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

【具體實施方式】
[0025] 應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本 實用新型。
[0026] 本實用新型提供一種雙電源耦合裝置，參照圖1，在一實施例中，該本實用新型提 供的雙電源耦合裝置，包括蓄電池10、狀態控制設備30、充電控制設備50、超級電容20和用 電設備40,其中，
[0027] 所述狀態控制設備30,與所述蓄電池10的正極相連，用於控制混合動力電動汽車 處於靜止、驅動、制動或充電狀態。
[0028] 混合動力電動汽車的運動狀態包括靜止、運行和充電狀態，其中，運行狀態又包括 驅動和制動狀態，其中驅動為混合動力電動汽車正常運行的狀態，混合動力電動汽車的制 動狀態是指抬起油門踏板，但不踏下離合器，利用發動機的壓縮行程產生的壓縮阻力，內摩 擦力和進排氣阻力對驅動輪形成制動作用，比如說在下陡坡或連續下坡時將車輛換入一個 較低的檔位，以此來控制車速的駕駛方式。因為下坡時長時間的使用剎車，會使剎車片、剎 車盤的溫度急劇升高，溫度越高制動效果越差，甚至會有剎車失靈的危險。運用制動狀態可 較好的控制車速，減少剎車片的剎車時間，延長制動系統的使用壽命，當然，最主要的還是 可以提高駕駛安全性，避免安全事故的發生。
[0029] 所述充電控制設備50,與所述狀態控制模塊30、超級電容20的正極和用電設備40 相連，用於檢測到混合動力電動汽車處於靜止狀態時，控制所述超級電容20給所述蓄電池 10充電。
[0030] 本實施例所述充電控制設備50,用於檢測到混合動力電動汽車處於靜止狀態且當 所述蓄電池10的端電壓與所述超級電容20的端電壓之間的差值大於設定的閾值電壓Λ V 時，控制所述蓄電池10第一次給所述超級電容20充電；以及檢測到混合動力電動汽車處於 靜止狀態且所述蓄電池10的端電壓與所述超級電容20的端電壓之間的差值小於或等於設 定的閾值電壓時，控制所述蓄電池10第二次給所述超級電容20充電。
[0031] 所述充電控制設備50用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動狀態時，控制所述 超級電容20或/和所述蓄電池10給所述用電設備40供電。
[0032] 本實施例所述充電控制設備50用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動狀態且超 級電容20的端電壓大於或等於設定的下限電壓時，控制所述超級電容20給所述用電設備 40供電；還用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動狀態且超級電容20的端電壓小於設定 的下限電壓時，控制所述蓄電池10給所述用電設備供電；以及當所述蓄電池10的端電壓與 所述超級電容20的端電壓之間的差值小於設定的閾值電壓時，控制所述蓄電池10給所述 超級電容20充電，直至所述超級電容20的端電壓與所述蓄電池10的端電壓相闖。
[0033] 所述充電控制設備50用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動制動狀態時，控制 所述用電設備40將反饋制動能量存入所述超級電容20或所述蓄電池10。
[0034] 本實施例所述充電控制設備50還用於檢測到混合動力電動汽車處於制動狀態且 超級電容20的端電壓小於或等於設定的上限電壓時，控制所述用電設備將反饋制動能量 均存入所述超級電容20 ;當所述超級電容20的端電壓大於設定的上限電壓時，控制所述用 電設備40將反饋制動能量存入所述蓄電池10。
[0035] 以及所述充電控制設備50用於檢測到混合動力電動汽車處於充電狀態時，控制 所述用電設備40給所述蓄電池10補電。
[0036] 本實施例所述充電控制設備50用於檢測到混合動力電動汽車處於充電狀態，即 所述用電設備為發電機或充電器時，所述用電設備給所述蓄電池10反向補充電量。
[0037] 本實施例提供的雙電源耦合裝置，包括蓄電池10、狀態控制設備30、充電控制設 備50、超級電容20和用電設備40,其中，所述狀態控制設備30,與所述蓄電池10的正極相 連，用於控制混合動力電動汽車處於靜止、驅動、制動或充電狀態；所述充電控制設備50， 與所述狀態控制模塊30、超級電容20的正極和用電設備40相連，用於檢測到混合動力電 動汽車處於靜止狀態時，所述超級電容20給所述蓄電池10充電；用於檢測到混合動力電動 汽車處於驅動狀態時，所述超級電容20和所述蓄電池10給所述用電設備40供電；用於檢 測到混合動力電動汽車處於驅動制動狀態時，所述用電設備40將反饋制動能量存入所述 超級電容20或所述蓄電池10 ;以及用於檢測到混合動力電動汽車處於充電狀態時，所述用 電設備40給所述蓄電池10補電。與DC/DC轉換器相比較，所能實現的有益效果為體積縮 小、結構簡單、效率提升以及成本降低，且對於混合動力電動汽車的特殊用途，其效率也非 常1?。
[0038] 具體地，如圖2所示，所述充電控制設備50包括電阻R1、第一開關管Q1、第二開關 管Q2和控制迴路51，所述電阻R1 -端與所述狀態控制設備30和所述第二開關管Q2的集 電極相連，另一端與第一開關管Q1的集電極相連，第二開關管Q2的基極與所述控制迴路51 相連，第二開關管Q2的發射極與所述第一開關管Q1的發射極、所述控制迴路51以及所述 超級電容20的正極相連。控制迴路51為觸發迴路，這是常見線路，選用不同的觸發1C元 件和IGBT可以組成不同的迴路，均可在1C元件器應用中查到，本實施例的充電控制設備50 用於檢測到混合動力電動汽車處於靜止狀態且當所述蓄電池10的端電壓與所述超級電容 20的端電壓之間的差值大於設定的閾值電壓Λ V時，控制迴路51控制第一開關管Q1導通， 蓄電池10通過電阻R1第一次給所述超級電容20充電；當檢測到混合動力電動汽車處於靜 止狀態且蓄電池10的端電壓與超級電容20的端電壓之間的差值小於或等於設定的閾值電 壓Λ V時，控制迴路51控制第二開關管Q2導通；蓄電池10通過電阻R1第二次給超級電容 20充電。
[0039] 進一步參見圖2,所述充電控制設備50用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動狀 態且超級電容20的端電壓大於或等於設定的下限電壓時，所述控制迴路51控制第一開關 管Q1和第二開關管Q2截止，控制所述超級電容20給所述用電設備40供電；還用於檢測到 混合動力電動汽車處於驅動狀態且超級電容20的端電壓小於設定的下限電壓時，所述控 制迴路51控制第一開關管Q1導通，所述蓄電池10給所述用電設備40供電；以及當所述蓄 電池10的端電壓與所述超級電容20的端電壓之間的差值小於設定的閾值電壓AV時，所 述控制迴路51控制第二開關管Q2導通，所述蓄電池10給所述超級電容20充電，直至超級 電容20的端電壓與蓄電池10的端電壓相闖。
[0040] 所述充電控制設備30還用於檢測到混合動力電動汽車處於制動狀態且超級電容 的端電壓小於或等於設定的上限電壓時，所述控制迴路控制第一開關管和第二開關管截 止，所述用電設備將反饋制動能量均存入所述超級電容；當所述超級電容的端電壓大於設 定的上限電壓時，所述控制迴路控制第一開關管導通，所述用電設備將反饋制動能量存入 所述蓄電池。
[0041] 所述的雙電源耦合裝置，用於檢測到混合動力電動汽車處於充電狀態，即所述用 電設備為發電機或充電器時，所述用電設備給所述蓄電池補電。
[0042] 具體地，所述第一開關管和第二開關管為IGBT。
[0043] 本實施例的第一開關管Q1和第二開關管Q1均採用IGBT，IGBT綜合了 BJT (雙極 型三極體）和M0S(絕緣柵型場效應管）的優點，驅動功率小而飽和壓降低，非常適合於混 合動力電動汽車中雙電源耦合裝置的蓄電池和超級電容兩者之間充放電的控制。
[0044] 具體地，所述狀態控制設備包括接觸器31或斷路器。
[0045] 本實施例的狀態控制設備30採用接觸器31或斷路器的斷開或閉合控制整個雙電 源耦合裝置處於靜止、驅動、制動或充電狀態。
[0046] 具體地，所述蓄電池10的數量為兩個以上，各蓄電池10之間採用串聯連接。本實 施例的蓄電池10採用串聯這種連接方式組成蓄電池組，在設計上很靈活，可以用標準的蓄 電池10達到所需要的額定電壓和電流。對蓄電池10而言，串聯的連接方法很常見。最常 用的一種蓄電池組串聯方式是把幾個蓄電池串聯起來使用。注意蓄電池10使用時不要混 用，蓄電池10。在串聯使用時，要選用同一種類型且性能一致的蓄電池10。並注意蓄電池 10的極性，如果有一節蓄電池10的極性裝反了，就會減少整串電池的蓄電池10的電壓，而 不是增加電壓。蓄電池10串聯使用，容量不變，電壓疊加，得到所需要的工作電壓。
[0047] 具體地，所述超級電容20數量為兩個以上，各超級電容20之間採用串聯連接。本 實施例超級電容20的容量都非常大，一般都在幾百法拉以上，幾個超級電容20串聯使用組 成超級電容組，超級電容組連接線短而粗，線路直流電阻極小，僅為毫歐級或更低，充滿電 的情況下，不適合拆裝，因為容易發生短路，燒毀電極或連接線，而應在線進行充放電，為確 保各超級電容的端電壓相同或相近，最理想的方法是加裝一套電壓均衡器，通過電壓均衡 器讓所有超級電容的電壓相等或相近。
[0048] 本實施例進一步提供一種混合動力電動汽車，包括上述所述的雙電源耦合裝置。
[0049] 本實施例雙電源耦合裝置的工作原理如下所示：
[0050] -、初始狀態：即混合動力電動汽車處於靜止狀態
[0051] 接觸器31處於斷開狀態，控制迴路51將第一開關管Q1處於關閉狀態，第二開關 管Q2處於截止狀態。此時，蓄電池10的端電壓值為VI，超級電容20的端電壓值為V。
[0052] 當蓄電池10的端電壓值與超級電容20的端電壓值的差值大於閾值電壓AV(此 處的AV的大小根據蓄電池10和超級電容20直接短接時的最大允許的電壓差所設定）時， 接觸器31閉合，並通過控制迴路51將第一開關管Q1導通並保持第二開關管Q2處於截止 狀態，蓄電池10通過功率電阻R1，給超級電容20充電。其充電電壓，即超級電容20的端壓 電為V，如圖4所示，圖4中顯示了在時間Ο-t Λ區間，超級電容10的端電壓與時間的特 性曲線，超級電容20的端電壓的大小如下公式所示：
[0053] 超級電容20的端電壓為

【權利要求】
1. 一種雙電源耦合裝置，其特徵在於，包括蓄電池、狀態控制設備、充電控制設備、超級 電容和用電設備，其中， 所述狀態控制設備，與所述蓄電池的正極相連，用於控制混合動力電動汽車處於靜止、 驅動、制動或充電狀態； 所述充電控制設備，與所述狀態控制模塊、超級電容的正極和用電設備相連，用於檢測 到混合動力電動汽車處於靜止狀態時，控制所述超級電容給所述蓄電池充電； 用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動狀態時，控制所述超級電容或/和所述蓄電池 給所述用電設備供電； 用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動制動狀態時，控制所述用電設備將反饋制動能 量存入所述超級電容或所述蓄電池；以及 用於檢測到混合動力電動汽車處於充電狀態時，控制所述用電設備給所述蓄電池補 電。
2. 如權利要求1所述的雙電源耦合裝置，其特徵在於，所述充電控制設備包括電阻、第 一開關管、第二開關管和控制迴路，所述電阻一端與所述狀態控制設備和所述第二開關管 的集電極相連，另一端與第一開關管的集電極相連，第二開關管的基極與所述控制迴路相 連，第二開關管的發射極與所述第一開關管的發射極、所述控制迴路以及所述超級電容的 正極相連，用於檢測到混合動力電動汽車處於靜止狀態且當所述蓄電池的端電壓與所述超 級電容的端電壓之間的差值大於設定的閾值電壓時，所述控制迴路控制第一開關管導通， 所述蓄電池第一次給所述超級電容充電；以及檢測到混合動力電動汽車處於靜止狀態且所 述蓄電池的端電壓與所述超級電容的端電壓之間的差值小於或等於設定的閾值電壓時，控 制迴路控制第二開關管導通；所述蓄電池第二次給所述超級電容充電。
3. 如權利要求2所述的雙電源耦合裝置，其特徵在於，所述充電控制設備用於檢測到 混合動力電動汽車處於驅動狀態且超級電容的端電壓大於或等於設定的下限電壓時，所述 控制迴路控制第一開關管和第二開關管截止，控制所述超級電容給所述用電設備供電；還 用於檢測到混合動力電動汽車處於驅動狀態且超級電容的端電壓小於設定的下限電壓時， 所述控制迴路控制第一開關管導通，所述蓄電池給所述用電設備供電；以及當所述蓄電池 的端電壓與所述超級電容的端電壓之間的差值小於設定的閾值電壓時，所述控制迴路控制 第二開關管導通，所述蓄電池給所述超級電容充電，直至所述超級電容的端電壓與所述蓄 電池的端電壓相闖。
4. 如權利要求2所述的雙電源耦合裝置，其特徵在於，所述充電控制設備還用於檢測 到混合動力電動汽車處於制動狀態且超級電容的端電壓小於或等於設定的上限電壓時，所 述控制迴路控制第一開關管和第二開關管截止，所述用電設備將反饋制動能量均存入所述 超級電容；當所述超級電容的端電壓大於設定的上限電壓時，所述控制迴路控制第一開關 管導通，所述用電設備將反饋制動能量存入所述蓄電池。
5. 如權利要求2所述的雙電源耦合裝置，其特徵在於，所述充電控制設備還用於檢測 到混合動力電動汽車處於充電狀態，即所述用電設備為發電機或充電器時，所述用電設備 給所述蓄電池補電。
6. 如權利要求2所述的雙電源耦合裝置，其特徵在於，所述第一開關管和第二開關管 為 IGBT。
7. 如權利要求1所述的雙電源耦合裝置，其特徵在於，所述狀態控制設備包括接觸器 或斷路器。
8. 如權利要求1所述的雙電源耦合裝置，其特徵在於，所述蓄電池的數量為兩個以上， 各蓄電池之間採用串聯連接。
9. 如權利要求1所述的雙電源耦合裝置，其特徵在於，所述超級電容數量為兩個以上， 各超級電容之間採用串聯連接。
10. -種混合動力電動汽車，其特徵在於，包括如權利要求1至9任一項所述的雙電源 奉禹合裝置。
【文檔編號】H02J7/34GK203840047SQ201420231176
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月7日 優先權日:2014年5月7日
【發明者】苗華強 申請人:上海浩銳動力科技有限公司