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技术领域

本发明涉及电动汽车供电系统领域，特别涉及混合储能系统的新型快速自 均衡电路。

背景技术

随着人们环保意识的日益提升，电动汽车代替传统汽车成为一种趋势，而 续航问题、电池寿命问题和性能问题又限制了电动汽车的发展。能量回收技术 可以帮助电动车把刹车和减速时产生的能量储存起来，增加电动汽车的续航能 力。超级电容具有功率密度高，充电速度快，大电流放电能力超强的特点，因 此超级电容适合为电动汽车启动或加速时产生足够的功率，同时超级电容还适 合作为能量回收的中间缓冲层，即先把电动车把刹车和减速时产生的能量快速 储存到超级电容中，之后再由超级电容转移到电池中，避免短时间产生的大电 流对电池组寿命的影响，有利于解决了性能问题、续航问题和电池寿命问题。 电池均衡技术则可以确保电动汽车储能系统中的每个储能单元两端的电压基本 相等，有利于延长储能系统的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种混合储能系统的 新型快速自均衡电路，该新型快速自均衡电路利用了超级电容功率密度高，其 充电速度快，大电流放电能力超强的特点，在电动汽车启动或加速时，利用超 级电池组代替电池组为电动汽车供能，实现快速启动和加速；因为电池比能高， 适合长时间放电，当电动汽车启动加速到期望速度后，转为电池组供电。此外， 利用超级电容的特性，可以快速把电动汽车刹车减速产生的能量储存起来，再 转移到电池组中储存；本发明可以实现混合储能系统的电压自动均衡，并且开 关器件相对更少，简化了电路和控制方式。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种混合储能系统的新型快速自均 衡电路，包括：超级电容组单元X、电池组单元Y和电源单元Z；所述超级电容 组单元X包括第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、、第七电容C₇、第八电 容C₈、第九电容C₉、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二 极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第十三二极管D₁₃、第一开关S₁和第 二开关管S₂；所述第一电容C₁到第三电容C₃均为电解电容并且电容值都相等； 第七电容C₇到第九电容C₉均为超级电容且电容值也都相等；所述第一开关S₁为电磁继电器；所述第七电容C₇的正极、第一二极管D₁的阴极和第一开关S₁的一端相连接；所述第七电容C₇的负极、第八电容C₈的正极、第二二极管D₂的阳极和第三二极管D₃的阴极相连接；所述第八电容C₈的负极、第九电容C₉的正极、第四二极管D₄的阳极和第五二极管D₅的阴极相连接；所述第九电容 C₉的负极、第六二极管D₆的阳极和第二开关管S₂的源极相连接；所述第一二极 管D₁的阳极，第二二极管D₂的阴极和第一电容C₁的正极相连接；所述第三二 极管D₃的阳极，第四二极管D₄的阴极和第二电容C₂的正极相连接；所述第五 二极管D₅的阳极，第六二极管D₆的阴极和第三电容C₃的正极相连接；所述第 一电容C₁的阴极、第二电容C₂的阴极、第三电容C₃的阴极、第十三二极管D₁₃阴极和第二开关管S₂的漏极相连接；所述电池组电源Y包括第一电池B₁、第二 电池B₂、第三电池B₃、第四电容C₄、第五电容C₅、第六电容C₆、第七二极管 D₇、第八二极管D₈、第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十一二极管D₁₁、第十 二二极管D₁₂、第十二四极管D₁₄、第三开关S₃和第四开关管S₄；所述第四电容 C₄到第六电容C₆均为电解电容并且电容值都相等；所述第一电池B₁到第三电池 B₃均为容量相等的电池单体；所述第三开关S₃为电磁继电器；所述第一电池B₁的正极、第七二极管D₇的阴极和第三开关S₃的一端相连接；所述第一电池B₁的负极、第二电池B₂的正极、第八二极管D₈的阳极和第九二极管D₉的阴极相 连接；所述第二电池B₂的负极、第三电池B₃的正极、第十二极管D₁₀的阳极和 第十一二极管D₁₁的阴极相连接；所述第三电池B₃的负极、第十二二极管D₁₂的阳极和第四开关管S₄的源极相连接；所述第七二极管D₇的阳极，第八二极管 D₈的阴极和第四电容C₄的正极相连接；所述第九二极管D9的阳极，第十二极 管D₁₀的阴极和第五电容C₅的正极相连接；所述第十一二极管D₁₁的阳极，第十 二二极管D₁₂的阴极和第六电容C₆的正极相连接；所述第四电容C₄的阴极、第 五电容C₅的阴极、第六电容C₆的阴极、第十二四极管D₁₄的阴极和第二开关S₂的漏极相连接；所述超级电容组单元X的另一端和电池组单元Y通过直流母线 上的端口A和B给电动汽车电机供电；所述电源单元Z包括第一充电插头P₁、 第十电容C₁₀、第一电感L₁；所述第十电容C₁₀为电解电容；所述第一充电插头 P₁的正极、第十电容C₁₀的正极、第一电感L₁的正极、超级电容组单元X的第 一开关S₁的另一端和电池组单元Y的第三开关S₃的另一端相连接；所述第一电 感L₁的负极、超级电容组单元X的第十三二极管D₁₃的阳极和电池组单元Y的 第十四二极管D₁₄的阳极相连接；所述第一充电插头P₁的负极、第十电容C₁₀的负极、超级电容组单元X的第二开关管S₂的源极和电池组单元Y的第四开关 管S₄的源极相连接；所述超级电容组单元X通过直流母线上的端口A和C给电 动汽车电机供电；所述电池组单元Y通过直流母线上的端口B和C给电动汽车 电机供电。所述第二开关管S₂、第四开关管S₄的第二驱动信号G₂、第四驱动信 号G₄由基本PWM波直接得到；按电动车工作状态分析，该混合储能系统的新 型快速自均衡电路有种工作状态：

状态I：充电状态。第一开关S₁和第三开关S₃断开，第二开关管S₂和第四 开关管S₄导通，第一充电插头P₁接上电源。电源通过第一充电插头P₁同时给 超级电容组X和电池组Y充电。

状态II：启动和加速状态。第一开关S₁断开，第二开关管S₂导通，第三开 关S₃闭合，第四开关管S₄关断。电池组Y给超级电容组X充电，超级电容组X 通过直流母线给电动汽车电机负载供电。

状态III：行驶状态。第一开关S₁闭合，第二开关管S₂关断，第三开关S₃断开，第四开关管S₄导通。超级电容组X给电池组单元Y充电，电池组Y通过 直流母线给电动汽车电机供电。

状态IV：能量回收第一阶段。第一开关S₁闭合，第二开关管S₂导通，第三 开关S₃断开，第四开关管S₄关断。电动汽车通过直流母线把制动或减速产生的 自动能量给超级电容组X充电。

状态V：能量回收第二阶段。第一开关S₁闭合，第二开关管S₂关断，第三 开关S₃断开，第四开关管S₄导通。超级电容组X给电池组单元Y充电。

本发明具有如下优点：

(1)本发明具有自动实现电压均衡的特点。

(2)本发明使用的开关器件更少，降低电路复杂性，节省空间。

(3)本发明可以回收并利用电动汽车减速时所产生的制动能量，提高能量 的利用效率。

附图说明

图1是本发明所述的混合储能系统的新型快速自均衡电路的结构图。

图2是本发明所述的混合储能系统的新型快速自均衡电路的电池组(超级 电容组)充电时的电压波形图；电池组(超级电容组)充电时的电压波形图走 势趋近均衡。

图3是本发明所述的混合储能系统的新型快速自均衡电路的电池组(超级 电容组)充电时，流过电池组单元Y的第十四二极管D₁₄(超级电容组单元X的 第十三二极管D₁₃)的电流波形图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的内容及特点，以下结合附图对本发明的具体实施方 案进行具体说明。

实施例

如图1所示，为混合储能系统的新型快速自均衡电路的结构图。混合储能 系统的新型快速自均衡电路，包括超级电容组单元X、电池组单元Y和电源单元 Z；所述超级电容组单元X包括第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、、第七 电容C₇、第八电容C₈、第九电容C₉、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二 极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第十三二极管D₁₃、 第一开关S₁和第二开关管S₂；所述第一电容C₁到第三电容C₃均为电解电容并 且电容值都相等；第七电容C₇到第九电容C₉均为超级电容且电容值也都相等； 所述第一开关S₁为电磁继电器；所述第七电容C₇的正极、第一二极管D₁的阴 极和第一开关S₁的一端相连接；所述第七电容C₇的负极、第八电容C₈的正极、 第二二极管D₂的阳极和第三二极管D₃的阴极相连接；所述第八电容C₈的负极、 第九电容C₉的正极、第四二极管D₄的阳极和第五二极管D₅的阴极相连接；所 述第九电容C₉的负极、第六二极管D₆的阳极和第二开关管S₂的源极相连接； 所述第一二极管D₁的阳极，第二二极管D₂的阴极和第一电容C₁的正极相连接； 所述第三二极管D₃的阳极，第四二极管D₄的阴极和第二电容C₂的正极相连接； 所述第五二极管D₅的阳极，第六二极管D₆的阴极和第三电容C₃的正极相连接； 所述第一电容C₁的阴极、第二电容C₂的阴极、第三电容C₃的阴极、第十三二 极管D₁₃阴极和第二开关管S₂的漏极相连接；所述电池组电源Y包括第一电池 B₁、第二电池B₂、第三电池B₃、第四电容C₄、第五电容C₅、第六电容C₆、第 七二极管D₇、第八二极管D₈、第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十一二极管 D₁₁、第十二二极管D₁₂、第十二四极管D₁₄、第三开关S₃和第四开关管S₄；所述 第四电容C₄到第六电容C₆均为电解电容并且电容值都相等；所述第一电池B₁到第三电池B₃均为容量相等的电池单体；所述第三开关S₃为电磁继电器；所述 第一电池B₁的正极、第七二极管D₇的阴极和第三开关S₃的一端相连接；所述 第一电池B₁的负极、第二电池B₂的正极、第八二极管D₈的阳极和第九二极管 D₉的阴极相连接；所述第二电池B₂的负极、第三电池B₃的正极、第十二极管 D₁₀的阳极和第十一二极管D₁₁的阴极相连接；所述第三电池B₃的负极、第十二 二极管D₁₂的阳极和第四开关管S₄的源极相连接；所述第七二极管D₇的阳极， 第八二极管D₈的阴极和第四电容C₄的正极相连接；所述第九二极管D9的阳极， 第十二极管D₁₀的阴极和第五电容C₅的正极相连接；所述第十一二极管D₁₁的阳 极，第十二二极管D₁₂的阴极和第六电容C₆的正极相连接；所述第四电容C₄的 阴极、第五电容C₅的阴极、第六电容C₆的阴极、第十二四极管D₁₄的阴极和第 二开关S₂的漏极相连接；所述超级电容组单元X的另一端和电池组单元Y通过 直流母线上的端口A和B给电动汽车电机供电；所述电源单元Z包括第一充电 插头P₁、第十电容C₁₀、第一电感L₁；所述第十电容C₁₀为电解电容；所述第一 充电插头P₁的正极、第十电容C₁₀的正极、第一电感L₁的正极、超级电容组单 元X的第一开关S₁的另一端和电池组单元Y的第三开关S₃的另一端相连接；所 述第一电感L₁的负极、超级电容组单元X的第十三二极管D₁₃的阳极和电池组 单元Y的第十四二极管D₁₄的阳极相连接；所述第一充电插头P₁的负极、第十 电容C₁₀的负极、超级电容组单元X的第二开关管S₂的源极和电池组单元Y的 第四开关管S₄的源极相连接；所述超级电容组单元X通过直流母线上的端口A 和C给电动汽车电机供电；所述电池组单元Y通过直流母线上的端口B和C给 电动汽车电机供电。如图2所示，所述第二开关管S₂、第四开关管S₄的第二驱 动信号G₂、第四驱动信号G₄由基本PWM波直接得到；如图3所示，基本的PWM 波由三角载波V_c和直流电压V_m2、V_m4比较得到；按电动车工作状态分析，该混 合储能系统的新型快速自均衡电路有种工作状态：

状态I：充电状态。第一开关S₁和第三开关S₃断开，第二开关管S₂和第四 开关管S₄导通，第一充电插头P₁接上电源。电源通过第一充电插头P₁同时给 超级电容组X和电池组Y充电。

状态II：启动和加速状态。第一开关S₁断开，第二开关管S₂导通，第三开 关S₃闭合，第四开关管S₄关断。电池组Y给超级电容组X充电，超级电容组X 通过直流母线给电动汽车电机供电。

状态III：行驶状态。第一开关S₁闭合，第二开关管S₂关断，第三开关S₃断开，第四开关管S₄导通。超级电容组X给电池组单元Y充电，电池组Y通过 直流母线给电动汽车电机供电。

状态IV：能量回收第一阶段。第一开关S₁闭合，第二开关管S₂导通，第三 开关S₃断开，第四开关管S₄关断。电动汽车通过直流母线把制动或减速产生的 制动能量储存到超级电容组X。

状态V：能量回收第二阶段。第一开关S₁闭合，第二开关管S₂关断，第三 开关S₃断开，第四开关管S₄导通。超级电容组X给电池组单元Y充电。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。