本發(fā)明涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋁空氣電池與超級(jí)電容的能源裝置。本發(fā)明還涉及一種鋁空氣電池與超級(jí)電容的能源裝置的控制方法。除此之外，本發(fā)明還涉及一種具有該能源裝置的車輛。

背景技術(shù)：

目前道路上行駛的汽車大都使用從原油當(dāng)中提煉的汽油或柴油燃料，相比于這種以化石能源作為動(dòng)力的內(nèi)燃汽車，電動(dòng)汽車具有環(huán)保、節(jié)能的顯著優(yōu)勢(shì)。

目前大多數(shù)電動(dòng)汽車采用的是鋰電池作為儲(chǔ)能電源，鋰電池具有較高的能量密度，能夠滿足車輛續(xù)航里程的要求，但充放電電流過小，難以釋放較大功率，特別是在制動(dòng)環(huán)節(jié)，再生回饋能量效果較差，且電池使用壽命短。

采用燃料電池作為儲(chǔ)能電源的電動(dòng)汽車具有高效和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但燃料電池的響應(yīng)速度較慢，無法匹配車輛實(shí)際運(yùn)行工況，且同樣存在使用壽命短和無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋的問題。

采用鋁空氣電池其功率密度與鋰離子動(dòng)力電池的功率密度有較大差距，僅能滿足當(dāng)前市場(chǎng)上在售極少數(shù)小型低功率電動(dòng)汽車對(duì)電池組的要求，絕大多數(shù)在售純電動(dòng)汽車若單獨(dú)使用鋁空氣電池，則較難滿足駕駛者對(duì)最高車速和加速性能的要求。

采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)能電源解決了使用壽命和大電流充放電的問題，但由于超級(jí)電容是功率型器件，其能量密度較低，無法滿足車輛續(xù)航里程的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鋁空氣電池與超級(jí)電容的能源裝置，該能源裝置采用鋁空氣電池和超級(jí)電容，解決了在急加速和低速行駛時(shí)效率低下的問題。本發(fā)明的另一目的是提供一種能源裝置的控制方法。本發(fā)明的再一目的是提供一種包括上述能源裝置的車輛。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于車輛的鋁空氣電池與超級(jí)電容的能源裝置，包括：

用以放電的鋁空氣電池以及能夠充電和放電的超級(jí)電容，所述鋁空氣電池與所述超級(jí)電容連接雙向DC/DC變換器，且所述雙向DC/DC變換器與用以控制車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的電機(jī)控制器相連；

還包括用以控制所述雙向DC/DC變換器執(zhí)行電壓匹配和/或?qū)λ龀?jí)電容進(jìn)行充電或放電的整車控制器。

相對(duì)于上述背景技術(shù)，本發(fā)明提供的能源裝置，以鋁空氣電池和超級(jí)電容混合為核心，結(jié)合了鋁空氣電池和超級(jí)電容各自的特性,能夠顯著提升車輛整體性能；由于鋁空氣電池在能量密度方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但其功率密度與鋰離子動(dòng)力電池的功率密度有較大差距，而本發(fā)明采用鋁空氣電池和超級(jí)電容混合，并利用整車控制器與雙向DC/DC變換器，使得鋁空氣電池和超級(jí)電容的輸出特性相同，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩者的電壓匹配，滿足在不同工況下的功率需求；還可以將鋁空氣電池所產(chǎn)生的電能或回收再生的電能對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，并防止超級(jí)電容的過充和過放現(xiàn)象的發(fā)生，有效保護(hù)鋁空氣電池和超級(jí)電容組。

優(yōu)選地，所述雙向DC/DC變換器包括相互連接的電能變換器和雙向DC/DC端，所述雙向DC/DC端與DC/DC控制器相連，且所述DC/DC控制器與所述整車控制器連接、用以接收所述整車控制器所發(fā)出的信號(hào)。

優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)，且所述傳動(dòng)系統(tǒng)連接車輛的驅(qū)動(dòng)輪。

本發(fā)明還提供一種車輛，包括上述任一項(xiàng)所述的能源裝置。

優(yōu)選地，所述車輛具體為家用轎車或公共汽車。

本發(fā)明還提供一種用于車輛的鋁空氣電池與超級(jí)電容的能源裝置的控制方法，包括如下步驟：

S1、獲取車輛的指令功率P_comm；

S2、判斷所述指令功率P_comm是否大于鋁空氣電池的額定功率P_1-rated，若是，則進(jìn)入步驟S3；若否，則進(jìn)行步驟S4；

S3、控制所述鋁空氣電池與超級(jí)電容共同放電，且所述鋁空氣電池的放電功率P₁＝P_1-rated，所述超級(jí)電容的放電功率P_2-traction＝P_comm-P₁；

S4、判斷所述指令功率P_comm是否小于等于所述鋁空氣電池的最小功率P_1-min，若是，則進(jìn)行步驟S5；若否，則進(jìn)行步驟S6；

S5、判斷當(dāng)前所述超級(jí)電容的能量等級(jí)E是否小于所述超級(jí)電容的最低儲(chǔ)存能量，若否，則進(jìn)行步驟S51，若是，則進(jìn)行步驟S7；

S51、控制所述鋁空氣電池的放電功率P₁＝0，且所述超級(jí)電容的放電功率P_2-traction＝P_comm；

S6、判斷當(dāng)前所述超級(jí)電容的能量等級(jí)E是否大于所述超級(jí)電容的最高儲(chǔ)存能量，若是，則進(jìn)行步驟S61，若是，則進(jìn)行步驟S7；

S61、控制所述鋁空氣電池的放電功率P₁＝P_comm，且所述超級(jí)電容的放電功率P_2-traction＝0；

S7、控制所述鋁空氣電池的放電功率P₁＝P_1-rated，且所述超級(jí)電容的充電功率P_2-charging＝P₁-P_comm。

優(yōu)選地，所述步驟S1具體為：通過車輛的制動(dòng)指令P_b或牽引指令P_tr得到指令功率P_comm。

優(yōu)選地，所述步驟S1與步驟S2之間還包括如下步驟：

判斷所述指令功率P_comm是否小于0，若否，則進(jìn)行所述步驟S3。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的能源裝置的電力耦合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1的控制示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例所提供的能源裝置的控制方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

請(qǐng)參考圖1、圖2和圖3，圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的能源裝置的電力耦合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為圖1的控制示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例所提供的能源裝置的控制方法的流程圖。

本發(fā)明提供的一種用于車輛的鋁空氣電池與超級(jí)電容的能源裝置，如說明書附圖1與附圖2所示，主要包括鋁空氣電池1、超級(jí)電容2、電機(jī)控制器3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)4、整車控制器5、電能變換器6、雙向DC/DC端7、DC/DC控制器8、傳動(dòng)系統(tǒng)9、驅(qū)動(dòng)輪10以及鋁空氣電池控制系統(tǒng)11。

雙向DC/DC變換器包括電能變換器6和雙向DC/DC端7，其是車輛電能流通和組合的重要環(huán)節(jié)，具有良好的升降壓功能及動(dòng)態(tài)特性。由于鋁空氣電池1不可以充電，電流是單向的，而超級(jí)電容2是能夠充電的，電流是雙向的。一般鋁空氣電池1的電壓和超級(jí)電容2的電壓不一致，而兩者輸出特性也不相同，難以匹配。因此要求雙向DC/DC變換器能夠控制不同電源放電時(shí)耦合系統(tǒng)的電力匹配，滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)4在不同工況下的功率需求，還能將鋁空氣電池1所產(chǎn)生的電能或回收再生的電能對(duì)超級(jí)電容2高效地充電，并防止其過充和過放現(xiàn)象的發(fā)生，有效保護(hù)鋁空氣電池1和超級(jí)電容2。

本發(fā)明中，鋁空氣電池1為車用發(fā)電式電源，超級(jí)電容2作為車載儲(chǔ)能電源，兩者通過電力耦合方式驅(qū)動(dòng)，當(dāng)鋁空氣電池1和超級(jí)電容2共同驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，雙向DC/DC變換器起升壓作用。當(dāng)鋁空氣電池1有富余電能或者有回收能量給超級(jí)電容2充電時(shí)，雙向DC/DC變換器起降壓作用。在電力總線與超級(jí)電容2之間的配置的雙向DC/DC端7起到雙向控制和調(diào)節(jié)輸入和輸出電流的作用。

具體來說，DC/DC控制器8接收整車控制器5發(fā)出的信號(hào)，采集雙向DC/DC端7中的相關(guān)信息，并向雙向DC/DC端7發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)雙向DC/DC端7工作。

鋁空氣電池1的輸出電壓一般比動(dòng)力總線的電壓低，而且電壓下降幅度隨著輸出電流的增加而增大。為使鋁空氣電池1的輸出電壓與動(dòng)力總線電壓匹配以及控制鋁空氣電池1的能量輸出，車輛往往需要配置電能變換器6。雙向DC/DC端7可以將鋁空氣電池1所輸出的直流電通過升壓變換輸送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)4，還可以通過降壓變換將電能輸送到超級(jí)電容2進(jìn)行儲(chǔ)存，而且還具有穩(wěn)定總線電壓，調(diào)節(jié)整車能量分配的作用。由上述可知，整車控制器5根據(jù)相應(yīng)的控制策略，控制鋁空氣電池控制系統(tǒng)11、DC/DC控制器8以及超級(jí)電容2，進(jìn)而達(dá)到上述技術(shù)效果。說明書附圖1可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)4連接車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)9，且傳動(dòng)系統(tǒng)9連接車輛的驅(qū)動(dòng)輪10，從而實(shí)現(xiàn)車輛的傳動(dòng)。

說明書附圖2示出了能源裝置的電力耦合驅(qū)動(dòng)的控制示意圖；根據(jù)功率或轉(zhuǎn)矩指令(包括來自加速踏板的加速信號(hào)或者制動(dòng)踏板的制動(dòng)信號(hào))和其它運(yùn)行信號(hào)(包括轉(zhuǎn)速信號(hào)、電信號(hào)等)，整車控制器5將驅(qū)動(dòng)電機(jī)4的功率或轉(zhuǎn)矩輸出，以及控制鋁空氣電池1、超級(jí)電容2和傳動(dòng)系統(tǒng)9之間的能量傳輸。

例如，在車輛起動(dòng)或急加速工況下，對(duì)應(yīng)于峰值功率的指令，鋁空氣電池1和超級(jí)電容2兩者都向電機(jī)控制器3提供牽引功率；在緊急制動(dòng)工況下，電動(dòng)機(jī)吸收制動(dòng)能量，以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，從而將此部分能量轉(zhuǎn)換為電能，并且儲(chǔ)存于超級(jí)電容2中。

當(dāng)車輛的負(fù)載功率小于鋁空氣電池1所能提供的額定功率時(shí)，超級(jí)電容2同樣也能從鋁空氣電池1補(bǔ)充、恢復(fù)其能量。所以，根據(jù)本專利以及能量控制策略，車輛入庫(kù)時(shí)，超級(jí)電容2雖然可以由外部電源充電，但這不是必需的，車輛本身完全可以自行解決超級(jí)電容2的充電問題。

車輛駕駛?cè)藛T通過控制加速踏板或者制動(dòng)踏板給出牽引指令或者制動(dòng)指令，即希望由電動(dòng)機(jī)所提供的功率(功率指令)。如此，在牽引工況下，輸入到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電功率可表示為

式中，η_m為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。

在制動(dòng)模式下，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出功率為

P_m-out＝P_mb-commη_m

其中，P_mb-comm為對(duì)電動(dòng)現(xiàn)輸出的制動(dòng)功率指令。由于來自制動(dòng)踏板的制動(dòng)功率指令P_comm不可能全部由再生制動(dòng)提供，所以P_mb-comm與P_comm是不太可能相同的。

車輛控制器根據(jù)相應(yīng)的功率指令和其它信息，比如超級(jí)電容2的能量級(jí)和鋁空氣電池1的最小運(yùn)行功率控制鋁空氣電池1和超級(jí)電容2提供所需的相應(yīng)功率。

本發(fā)明還提供一種用于車輛的鋁空氣電池與超級(jí)電容的能源裝置的控制方法，主要包括如下步驟，如說明書附圖3所示。

S1、獲取車輛的指令功率P_comm；

S2、判斷所述指令功率P_comm是否大于鋁空氣電池的額定功率P_1-rated，若是，則進(jìn)入步驟S3；若否，則進(jìn)行步驟S4；

S3、控制所述鋁空氣電池與超級(jí)電容共同放電，且所述鋁空氣電池的放電功率P₁＝P_1-rated，所述超級(jí)電容的放電功率P_2-traction＝P_comm-P₁；

S4、判斷所述指令功率P_comm是否小于等于所述鋁空氣電池的最小功率P_1-min，若是，則進(jìn)行步驟S5；若否，則進(jìn)行步驟S6；

S5、判斷當(dāng)前所述超級(jí)電容的能量等級(jí)E是否小于所述超級(jí)電容的最低儲(chǔ)存能量，若否，則進(jìn)行步驟S51，若是，則進(jìn)行步驟S7；

S51、控制所述鋁空氣電池的放電功率P₁＝0，且所述超級(jí)電容的放電功率P_2-traction＝P_comm；

S6、判斷當(dāng)前所述超級(jí)電容的能量等級(jí)E是否大于所述超級(jí)電容的最高儲(chǔ)存能量，若是，則進(jìn)行步驟S61，若是，則進(jìn)行步驟S7；

S61、控制所述鋁空氣電池的放電功率P₁＝P_comm，且所述超級(jí)電容的放電功率P_2-traction＝0；

S7、控制所述鋁空氣電池的放電功率P₁＝P_1-rated，且所述超級(jí)電容的充電功率P_2-charging＝P₁-P_comm。

可以看出，上述鋁空氣電池的放電功率P₁的大小以及超級(jí)電容的放電功率P_2-traction的大小根據(jù)指令功率P_comm所處的范圍而定，執(zhí)行相應(yīng)的判斷后確定鋁空氣電池的放電功率P₁以及超級(jí)電容的放電功率P_2-traction，并且可知超級(jí)電容是否進(jìn)行充電。

上述過程的執(zhí)行由整車控制器5與雙向DC/DC變換器共同完成，從而實(shí)現(xiàn)鋁空氣電池1與超級(jí)電容2的電壓匹配和/或?qū)Τ?jí)電容2進(jìn)行充電或放電的過程。

上述步驟S1可以具體為：通過車輛的制動(dòng)指令P_b或牽引指令P_tr得到指令功率P_comm。

在步驟S1與步驟S2之間還包括如下步驟：

S12、判斷所述指令功率P_comm是否小于0，若否，則進(jìn)行所述步驟S3。

由上述步驟可以看出，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在車輛的不同行駛工況下具有不同的運(yùn)行模式及相應(yīng)的能量控制策略，具體如下：

(1)怠速模式

在此模式下，鋁空氣電池1和超級(jí)電容2都不向驅(qū)動(dòng)電機(jī)4供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)4處于停止?fàn)顟B(tài)，但鋁空氣電池1可以空載運(yùn)行。

(2)制動(dòng)模式(充電模式)

此模式(如緊急制動(dòng)，下坡滑行等工況)下，鋁空氣電池1同樣空載運(yùn)行，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)4處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行發(fā)電，超級(jí)電容2則根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性吸收再生制動(dòng)能量。

(3)牽引模式

此模式又可分為三種情況：

第一種情況：受指令控制的電動(dòng)機(jī)輸入功率大于鋁空氣電池1的額定功率(如起動(dòng)、急加速、爬坡等工況)，則應(yīng)用混合牽引模式，即鋁空氣電池1和超級(jí)電容2同時(shí)提供電能，此時(shí)鋁空氣電池1以額定功率運(yùn)行，而不足功率由超級(jí)電容2提供。鋁空氣電池1的額定功率應(yīng)處于鋁空氣電池1的最佳運(yùn)行功率范圍的最高功率處。

第二種情況：如果受指令控制的電動(dòng)機(jī)的輸入功率小于設(shè)定的鋁空氣電池1的最低功率(同樣要位于鋁空氣電池1最佳運(yùn)行功率范圍)，而且超級(jí)電容2需要充電(即超級(jí)電容2的電量不足)，則鋁空氣電池1可以以額定功率運(yùn)行，其輸出的功率一部分要全部滿足電動(dòng)機(jī)所需功率，剩余部分能量用于給超級(jí)電容2充電；如果是另一種情況，即超級(jí)電容2不需要充電(電量基本滿額)，則鋁空氣電池1以空載狀態(tài)運(yùn)行，且由超級(jí)電容2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。一般情況下，在后一種狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容2輸出的峰值功率要大于電動(dòng)機(jī)所需功率(指令功率)。

第三種情況：如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)4負(fù)載功率處于設(shè)定的鋁空氣電池1最低功率和額定功率之間，且超級(jí)電容2不需要充電，則鋁空氣電池1以部分功率運(yùn)行，并單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。若超級(jí)電容2需要充電，則鋁空氣電池1以額定功率運(yùn)行，輸出功率一部分用于驅(qū)動(dòng)車輛，一部分用于向超級(jí)電容2充電。

上述控制方法可以結(jié)合上文所述的能源裝置的描述進(jìn)行理解，除此之外，本發(fā)明還提供一種車輛，包括上文所述的能源裝置，并且車輛可以具體為家用轎車、或公共汽車或其他類型的車輛。

說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相似部分互相參見即可。對(duì)于實(shí)施例公開的裝置而言，由于其與實(shí)施例公開的方法相對(duì)應(yīng)，所以描述較為簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。

專業(yè)人員還可以進(jìn)一步意識(shí)到，結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或者二者的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件的方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。專業(yè)人員可以對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用來使用不同方法來實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的車輛、能源裝置以及能源裝置的控制方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。