电动车电气系统及供电方法
【专利摘要】本发明涉及一种电动车电气系统及供电方法，本发明电动车电气系统采用组合式超级电池提供电能，能量单元输出端通过能量回路隔离单元供电连电机，功率单元输出端通过功率回路隔离单元供电连接电机，能量单元和功率单元输出端之间连接有隔离充电单元，隔离充电单元用于在功率单元给电机功率型用电需求供电时，断开功率单元与能量单元的电流通路，在功率单元电量低于设定值且电机处于非功率型用电需求时为功率单元充电。本发明通过仅采用组合式超级电池中的功率单元为电机功率型用电需求供电，解决了目前采用蓄电池为功率型用电需求供电导致蓄电池受电流冲击大，造成蓄电池寿命降低等问题，并且利用功率单元承受电机回馈能量，提高了能量的回收效率。
【专利说明】
电动车电气系统及供电方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种电动车电气系统及供电方法，属于电路系统应用技术领域。
【背景技术】
[0002]电动车由于具有环保、可替代石油，电能来源多样化的一些特点，作为新能源车的一种，已经得到了许多国家的认可，目前社会各界对发展电动汽车的意义、必要性和紧迫性已达成共识。电气系统是电动车必不可少的一部分，常用的电气系统如图1所示，主要由蓄电池、电机、电机控制器、整车控制器、隔离单元、电池充电电路等构成。电动车在正常行驶时从蓄电池中吸收的平均功率相当低，而刹车、加速和爬坡时的峰值功率又相当高，这就要求蓄电池既要满足电动车小功率长时间续航里程的能量要求，又要满足瞬时大功率刹车、加速和爬坡的功率要求。但现有蓄电池耐受大电流的能力差，造成车辆的爬坡性能、加速性能以及能量回收效率低的问题一直得不到很好的解决，严重制约了电动车的应用与市场拓展。
[0003]为此，有人提出将动力电池与超级电容混合应用，其应用方式主要有以下两种方式:一种是直接并联，其输出的电压低，稳定性差，且无法控制其电压的波动，对于输出瞬间功率的控制也很难实现;另一种是超级电容经由直流电源转换器DC/DC升压后与动力电池并联，虽然这种方式可以达到对输出功率和能量的控制，但是其超级电容的输出功率是受DC/DC的转换器设计所限，往往不能充分发挥超级电容的高比功率的优点，同时提高了装置的成本。虽然上述方案在一定程度上提高了电动车的动力性能、延长了蓄电池的使用寿命，但是蓄电池还是要承担功率型用电需求的供电任务，并没有从根本上解决蓄电池为功率型用电需求供电导致对蓄电池电流冲击大，造成蓄电池寿命降低等问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种电动车电气系统及供电方法，以解决目前采用蓄电池为电机功率型用电需求供电所导致对能量单元功率要求较高，能量单元易受到大电流冲击影响寿命等冋题。
[0005]本发明为解决上述技术问题而提供一种电动车电气系统，包括电机、电池充电电路和储能器件，其特征在于，所述的储能器件采用组合式超级电池，包括能量单元和功率单元，能量单元的输出端通过能量回路隔离单元供电连接电机，功率单元的输出端通过功率回路隔离单元供电连接电机，能量单元和功率单元输出端之间连接有隔离充电单元，当电机处于功率型用电需求时，隔离充电单元断开功率单元与能量单元的电流通路，能量回路隔离单元断开能量单元与电机之间的连接，由功率单元通过功率回路隔离单元为电机供电，当功率单元电量低于设定值且电机处于非功率型用电需求时，隔离充电单元通过能量单元或者外接电源为功率单元充电，所述的能量单元与电池充电电路连接，由电池充电电路为能量单元供电，所述的能量单元为储能器件，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件。
[0006]所述的隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。
[0007]所述的AC-DC-AC-DC开关电路包括依次连接的输入整流滤波电路、高频变压器和输出整流滤波电路，所述输入整流滤波电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元。
[0008]所述的AC-DC开关电路包括依次连接的变压器、整流滤波电路和稳压及限流电路，该开关电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。
[0009]所述的DC-AC-DC开关电路包括依次连接的高频变压器和输出整流滤波电路，高频变压器的一侧用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。
[0010]所述的DC-DC开关电路包括依次连接的电压变换电路和稳压及限流电路，电压变换电路输入端用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。
[0011]所述的功率单元为超级电容器单体、通过超级电容器单体串并联组成的模块或者电容器阵列。
[0012]本发明还提供了一种电动车电气系统的供电方法，该方法将电动车的电机按照功率特性进行区分，分为功率型用电需求和非功率型用电需求，当电机处于功率型用电需求时，由功率单元为电机供电，当电机处于非功率型用电需求时，由能量单元为电机供电，功率单元和能量单元之间通过隔离充电单元进行电气隔离，当电机处于功率型用电需求时，由隔离充电单元断开功率单元与能量单元的电气连接，只采用功率单元为电机供电，在功率单元电量低于设定值且电机处于非功率型用电需求时，功率单元在隔离充电单元的控制下由能量单元或者外接电源充电，所述的能量单元为储能器件，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件。
[0013]所述隔离充电单元具有防反充功能，禁止功率单元向能量单元放电。
[0014]所述隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。
[0015]本发明的有益效果是:本发明电动车电气系统采用组合式超级电池提供电能，组合式超级电池包括能量单元和功率单元，能量单元输出端通过能量回路隔离单元供电连电机，功率单元输出端通过功率回路隔离单元供电连接电机，能量单元和功率单元输出端之间连接有隔离充电单元，隔离充电单元用于在功率单元给电机功率型用电需求供电时，断开功率单元与能量单元的电流通路，在功率单元电量低于设定值且电机处于非功率型用电需求时为功率单元充电。本发明通过仅采用组合式超级电池中的功率单元为电机功率型用电需求供电，解决了目前采用蓄电池为功率型用电需求供电导致蓄电池受电流冲击大，造成蓄电池寿命降低等问题，并且利用功率单元承受电机回馈能量，提高了能量的回收效率，同时利用功率单元承担瞬态大功率作业任务，能够提高电机的工作性能。
[0016]同时本发明的电动车电气系统所采用的组合式超级电池中的能量单元不再承担瞬态大功率作业任务，只负责电机平稳运行的持续供能，不受大电流冲击损坏，寿命更长，避免能量单元被“过早”判废，造成浪费，且在选型配置上可以“瘦身”，实现小型化、轻量化和电动车总体布置的便捷化;仅依靠功率单元为功率型用电需求供电，使其供电质量更好，尤其是低温性能;依靠功率单元吸收回馈能量，能够有效提高能量回收效率。
【附图说明】
[0017]图1是传统电动车电气系统结构框图；
[0018]图2-a是本发明电动车电气系统的结构框图；
[0019]图2-b是本发明电动车电气系统结构框图；
[0020]图3-a是本发明实施例中采用AC-DC-AC-DC开关电路的结构示意图；
[0021]图3-b是本发明实施例中采用AC-DC开关电路的结构示意图；
[0022]图4-a是本发明实施例中采用DC-AC-DC开关电路的结构示意图；
[0023]图4-b是本发明实施例中采用DC-DC开关电路的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步的说明。
[0025]本发明的一种电动车电气系统的实施例。
[0026]电动车在运行过程中，加速、爬坡及能量回馈时需要提供或吸收瞬态大功率，这些作为功率型用电需求，本发明采用功率单元独立为其供电。在电机的不同运转过程中，功率型用电需求与非功率型用电需求是相对的概念，功率型用电需求具备持续用电时间短(小于I分钟)、大功率(额定电流一般在几十安培以上)的用电特征，如电机在爬坡、加速及能量回馈时等;非功率型用电需求具备持续用电时间可长可短、小功率(额定电流一般在几十安培以下)的用电特征，如电机在平稳运行时等。
[0027]下面以一种具体的电动车电气系统为例来进行说明。本实施例中的电动车电气系统，如图2-a和2-b所示，包括电机1、电机控制器2、功率回路隔离单元3、电池充电电路7、能量回路隔离单元8、整车控制器9和组合式超级电池，由组合式超级电池为电机I供电，组合式超级电池包括并联的瞬态动力功率补偿器和能量单元5，瞬态动力功率补偿器包括串接的功率单元4和隔离充电单元6，能量单元5的输出端通过能量回路隔离单元8供电连接电机I，功率单元4的输出端通过功率回路隔离单元3供电连接电机，能量单元5和功率单元4输出端之间连接有隔离充电单元6，电机控制器2控制连接电机I，电池充电电路7用于实现对能量单元5充电，整车控制器9根据组合式超级电池及电机控制器2的状态控制功率回路隔离单元3和能量回路隔离单元8的通断。
[0028]当电机控制器2不工作时，能量单元5或外接电源首先给功率单元4充电；当电机I处于功率型用电需求时，功率单元4与能量单元5之间的电流通路已经通过隔离充电单元6断开，能量回路隔离单元8断开，功率回路隔离单元3导通，仅由功率单元4为电机I供电或承受电机I的回馈能量；当电机I处于非功率型用电需求时，能量回路隔离单元8导通，功率回路隔离单元3断开，仅由能量单元5为电机I供电，同时隔离充电单元6判断功率单元4电量是否充足，若不足，则能量单元5通过隔离充电单元6为功率单元4充电，若电量充足，则不充电。同时隔离充电单元6具备防反充功能，禁止功率单元4向能量单元5放电。
[0029]功率单元4可以是超级电容器单体、由超级电容器单体通过串并联组成的模块，或者传统电容器阵列，如图2-a所示。功率单元也可采用倍率性能及低温性能优异的储能器件，如图2-b所示，储能器件可为具备高倍率放电特性蓄电池，比如锂离子电池(磷酸铁锂系、三元系、锰酸锂系、钛酸锂系等)和卷绕式高倍率铅酸电池，也可以是低温高倍率锂电池和低温高倍率铅酸电池。能量单元可以是铅酸电池，也可以是镍氢电池，还可以是锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元电池、钛酸锂电池等其中的任意一种。
[0030]隔离充电单元具备隔离和充电的作用，能够将功率单元4和能量单元5在电气上隔离开来，也能对功率单元4进行充电，该隔离充电单元可以通过能量单元、外接交流或直流电源对功率单元充电，根据充电输入类型的不同，隔离充电单元的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。
[0031]当采用交流输入时，例如市电网，隔离充电单元采用AC-DC-AC-DC开关电路，具体结构如图3_a所示，包括依次连接的输入整流滤波电路、高频变压器和输出整流滤波电路，该开关电路有相应控制电路，交流输入经该开关电路接入功率单元。处理过程如下:交流输入通过整流滤波电路进行整流滤波处理后变换为直流，然后进入到高频变压器进行逆变和高频变换处理，输出频率变换后的交流电，最后进入到输出整流滤波电路，由输出整流滤波电路对变换后的交流电进行整流、滤波处理，得到与功率单元相适配的直流电，为功率单元充电。该开关电路的充电过程由控制电路根据电压环路和电流环路采集到开关电路的信号通过驱动电路进行控制。同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。
[0032]当隔离充电单元采用AC-DC开关电路时，其具体电路如图3-b所示，该开关电路包括依次连接的变压器、整流滤波电路和稳压及限流电路，交流电源经该开关电路接入功率单元。该开关电路的处理过程如下:交流电源通过变压器变压后，进入到整流滤波电路对变压后的交流电进行整流和滤波，通过稳压及限流电路输入到功率单元，实现对功率单元的充电。该开关电路的控制可通过在开关电路上设置开关来实现，同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。
[0033]当隔离充电单元采用DC-AC-DC开关电路时，其具体电路结构如图4-a所示，包括依次连接的高频变压器和输出整流滤波电路，以及相应的控制电路，直流输入经该开关电路接入功率单元。该开关电路的处理过程如下:高频变压器将直流输入进行逆变和频率变换，并将得到变频后的交流电输入到输出整流滤波电路，经输出整流滤波电路对变频后的交流电进行整流和滤波，得到与功率单元相适配的直流电，为功率单元充电。整个开关电路由控制电路控制，控制电路根据电压环路和电流环路采集到开关电路的信号通过驱动电路进行控制。同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。
[0034]当隔离充电单元采用DC-DC开关电路时，其具体电路结构如图4-b所示，包括依次连接的电压变换电路和稳压及限流电路，直流输入经该开关电路接入功率单元进行充电。该开关电路的处理过程如下:直流输入通过电压变换电路变压后，进入稳压及限流电路，经稳压及限流电路得到与功率单元相适配的直流电，输入到功率单元，从而实现对功率单元的充电。该开关电路的控制可通过在开关电路上设置开关来实现，同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。
[0035]隔离充电单元可根据充电输入类型的不同选择不同的充电结构，当充电输入类型既有交流输入又有直流输入时，可将直流输入对应的开关电路和交流输入对应的开关电路进行组合。
[0036]此外，根据需要，本发明所采用的组合式超级电池还包括相应的外围电路，该外围电路包括检测电路、保护及均衡电路和管理及显示模块，通过检测电路实时检测功率单元的电量，通过保护及均衡电路实现功率单元的均衡保护、充电保护、放电保护、过压保护、欠压保护、过流保护、过温保护和短路保护功能等，通过管理及显示模块实现对功率单元的管理和参数显示。检测电路、保护及均衡电路和管理及显示模块可根据需要实现的功能进行设计，各功能电路的实现对本领域的技术人员而言属于常规技术手段，这里不再给出具体的电路说明。
[0037]本发明的电动车电气系统的供电方法的实施例
[0038]本实施例中的供电方法针对的是电动车电气系统，该方法将电动车的电机根据功率特性进行区分，分为功率型用电需求和非功率型用电需求，本实施例中功率型用电需求指的是电机在爬坡、加速及能量回馈时的电能要求，非功率型用电需求指的是电机在平稳运行时的电能要求，该电气系统采用由功率单元、隔离充电单元和能量单元构成的组合式超级电池供电，功率型用电需求由功率单元供电，当功率型用电需求需要供电时，由隔离充电单元断开功率单元与能量单元的电气连接、由能量回路隔离单元断开能量单元与电机控制器的电气连接、由功率回路隔离单元导通功率单元与电机控制器的电气连接，只采用功率单元为功率型用电需求供电；非功率型用电需求由与瞬态动力功率补偿器并联的能量单元供电，当非功率型用电需求需要供电时，由能量回路隔离单元导通能量单元与电机控制器的电气连接、由功率回路隔离单元断开功率单元与电机控制器的电气连接，只采用能量单元为非功率型用电需求供电；隔离充电单元具备防反充功能，禁止功率单元向能量单元放电，实现了能量供给侧和能量需求侧的匹配和平衡。隔离充电单元包括充电电路，充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路，各开关电路的具体实现方式已在供电系统的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。
[0039]该方法针对电动车电气系统的供电过程如下:当电机控制器2不工作时，能量单元5或外接电源首先给功率单元4充电；当电机I处于功率型用电需求时，功率单元4与能量单元5之间的电流通路已经通过隔离充电单元6断开，能量回路隔离单元8断开，功率回路隔离单元3导通，仅由功率单元4为电机I供电或承受电机I的回馈能量；当电机I处于非功率型用电需求时，能量回路隔离单元8导通，功率回路隔离单元3断开，仅由能量单元5为电机I供电，同时隔离充电单元6判断功率单元4电量是否充足，若不足，则能量单元5通过隔离充电单元6为功率单元4充电，若电量充足，则不充电。同时隔离充电单元6具备防反充功能，禁止功率单元4向能量单元5放电。当能量单元5电量不足时，通过电池充电电路7给能量单元5充电。
[0040]本发明的电动车电气系统采用组合式超级电池供电，利用组合式超级电池的功率单元为电机功率型用电需求提供电能或吸收回馈能量，使能量单元不再承担瞬态大功率作业任务，能量单元(蓄电池)只负责电机平稳运行的持续供能，避免了能量单元受大电流冲击，可有效提高其使用寿命。同时，在能量单元选型配置上可以“瘦身”，实现小型化、轻量化。同时依靠本发明的瞬态动力功率补偿器为电机功率型用电需求供电或吸收回馈能量，电机供电质量更好，尤其是低温性能更好，能量单元不会出现瞬时较大电压降的情况，保证电动车电气系统能够稳定工作，同时回馈能量的吸收效率更高，能够有效提高续航里程。
[0041]本发明将电动车的电机根据用电功率特性分为功率型用电需求和非功率型用电需求，功率型用电需求仅由瞬态动力功率补偿器中的功率单元供电，非功率型用电需求由与瞬态动力功率补偿器并联的能量单元供电，达到能量供给侧和能量需求侧的匹配和平衡，使电动车供电系统得到优化，延长寿命，提高性能，减少资源浪费和系统维护工作量，并通过轻量化和更高效率的功率单元的采用，实现有效节能。
【主权项】
1.一种电动车电气系统，包括电机、电池充电电路和储能器件，其特征在于，所述的储能器件采用组合式超级电池，包括能量单元和功率单元，能量单元的输出端通过能量回路隔离单元供电连接电机，功率单元的输出端通过功率回路隔离单元供电连接电机，能量单元和功率单元输出端之间连接有隔离充电单元，当电机处于功率型用电需求时，隔离充电单元断开功率单元与能量单元的电流通路，能量回路隔离单元断开能量单元与电机之间的连接，由功率单元通过功率回路隔离单元为电机供电，当功率单元电量低于设定值且电机处于非功率型用电需求时，隔离充电单元通过能量单元或者外接电源为功率单元充电，所述的能量单元与电池充电电路连接，由电池充电电路为能量单元供电，所述的能量单元为储能器件，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件。2.根据权利要求1所述的电动车电气系统，其特征在于，所述的隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。3.根据权利要求2所述的电动车电气系统，其特征在于，所述的AC-DC-AC-DC开关电路包括依次连接的输入整流滤波电路、高频变压器和输出整流滤波电路，所述输入整流滤波电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元。4.根据权利要求2所述的电动车电气系统，其特征在于，所述的AC-DC开关电路包括依次连接的变压器、整流滤波电路和稳压及限流电路，该开关电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。5.根据权利要求2所述的电动车电气系统，其特征在于，所述的DC-AC-DC开关电路包括依次连接的高频变压器和输出整流滤波电路，高频变压器的一侧用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。6.根据权利要求2所述的电动车电气系统，其特征在于，所述的DC-DC开关电路包括依次连接的电压变换电路和稳压及限流电路，电压变换电路输入端用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。7.根据权利要求1所述的电动车电气系统，其特征在于，所述的功率单元为超级电容器单体、通过超级电容器单体串并联组成的模块或者电容器阵列。8.—种电动车电气系统的供电方法，其特征在于，该方法将电动车的电机按照功率特性进行区分，分为功率型用电需求和非功率型用电需求，当电机处于功率型用电需求时，由功率单元为电机供电，当电机处于非功率型用电需求时，由能量单元为电机供电，功率单元和能量单元之间通过隔离充电单元进行电气隔离，当电机处于功率型用电需求时，由隔离充电单元断开功率单元与能量单元的电气连接，只采用功率单元为电机供电，在功率单元电量低于设定值且电机处于非功率型用电需求时，功率单元在隔离充电单元的控制下由能量单元或者外接电源充电，所述的能量单元为储能器件，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件。9.根据权利要求8所述的电动车电气系统的供电方法，其特征在于，所述隔离充电单元具有防反充功能，禁止功率单元向能量单元放电。10.根据权利要求8所述的电动车电气系统的供电方法，其特征在于，所述隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。
【文档编号】B60L11/00GK106080243SQ201610545549
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】庄淑君, 刘国良, 孙艺虔, 孙远, 庄胤
【申请人】洛阳尹太科智能科技有限公司