组合式应急保障电源及其供电方法与流程

本发明涉及一种组合式应急保障电源及其供电方法，属于电路系统应用技术领域。

背景技术：

各种应急保障电源已经成为人们日常交通、旅游及野外生产作业重要的应急用电保障装置，如各种内燃机搭载类车辆、生产作业装备等的应急供电。应急保障电源常用的电气系统如图1所示，主要由储能器件、充电电路、控制电路等构成。应急保障电源作为应急供电装备随车(机)搭载，在野外没有正常供电条件下，当内燃机启动困难时或需要应急供电时使用；当车辆运行过程中由车载发电机对应急保障电源充电，或在有市电供电的地方充电，以备后续应急保障使用。

目前，应急保障电源的储能器件绝大部分采用蓄电池组或者超级电容模块，负责为用电单元提供电能，这种单一的电能供电装置在运行实践中暴露出很多的问题。功率型用电单元和非功率型用电单元的不同用电特性对储能器件性能要求差异很大：功率型用电单元要求储能器件放电倍率性能优异，而非功率型用电单元则要求储能器件具备一定容量即可、倍率性能要求不高。这种情况导致若储能器件采用蓄电池，为满足功率型用电单元所需的瞬态大功率，不得不“超量配置”，使蓄电池占用空间较大，造成资源浪费，而且也不经济；若储能器件采用超级电容，虽然能够满足功率型用电单元瞬间大功率要求，但由于超级电容器能量密度低，其“携带能量少”，使用次数少，用处单一，无法满足野外多种“应急”需求，如侦查、照明、通讯、或者音响设备等的多种需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种组合式应急保障电源及其供电方法，以解决目前采 用能量单元为功率型用电单元供电导致能量单元“超量配置”，对能量单元电流冲击大，造成能量单元寿命降低、其它用电单元供电不稳等问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种组合式应急保障电源，包括电池充电电路和储能器件，所述的储能器件为组合式超级电池，包括能量单元和功率单元，功率单元输出端设置有功率输出接口，用于供电连接功率型用电单元，能量单元输出端设置有能量输出接口，用于供电连接非功率型用电单元，能量单元和功率单元输出端之间连接有隔离充电单元，所述隔离充电单元用于在功率单元给功率型用电单元供电时，断开功率单元与能量单元的电气连接，并在功率单元电量低于设定值且功率型用电单元不工作时，由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，电池充电电路与能量单元连接，用于为能量单元充电，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。

所述的隔离充电单元包括功率单元充电电路，所述的电池充电电路和功率单元充电电路均可采用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。

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或能量单元相适配的直流电输入到功率单元或能量单元。

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或能量单元相适配的直流电输入到功率单元或能量单元，为功率单元或能量单元充电。

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或 能量单元相适配的直流电输入到功率单元或能量单元，为功率单元或能量单元充电。

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或能量单元相适配的直流电输入到功率单元或能量单元，为功率单元或能量单元充电。

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。

本发明还提供了一种组合式应急保障电源的供电方法，该方法将用电设备根据功率特性进行区分，分为功率型用电单元和非功率型用电单元，功率型用电单元由功率单元供电，非功率型用电单元由能量单元供电，功率单元和能量单元之间通过隔离充电单元隔离，当功率型用电单元工作时，由隔离充电单元断开功率单元与能量单元的电气连接，只采用功率单元为功率型用电单元供电，在功率单元电量低于设定值且功率型用电单元不工作时，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。

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。

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。

本发明的有益效果是:本发明采用组合式超级电池作为应急保障电源的储能器件，包括能量单元和功率单元，功率单元输出端设置有功率输出接口，用于供电连接功率型用电单元，能量单元输出端设置有能量输出接口，用于供电连接非功率型用电单元，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功率型用电单元供电时，断开功率单元与能量单元的电 气连接，并在功率单元电量低于设定值且功率型用电单元不工作时，由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。本发明通过仅采用组合式超级电池中的功率单元为功率型用电单元供电，防止因蓄电池过度放电导致功率型用电单元不能工作，影响功率型用电单元的正常工作，能量单元不再承担瞬态大功率作业任务，不会出现瞬时较大电压降的情况，保证了非功率型用电单元能够稳定工作，减少了用电负载因电能质量不稳造成的损坏。

同时能量单元不再承担瞬态大功率作业任务，只负责小功率负载的持续供能，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。

附图说明

图1是传统应急保障电源结构框图；

图2-a是本发明组合式应急保障电源结构框图；

图2-b是本发明组合式应急保障电源结构框图；

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；

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；

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；

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

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明的一种组合式应急保障电源的实施例

在用电单元中，功率型用电单元与非功率型用电单元是相对的概念，功率型用电单元具备持续用电时间短(小于10秒钟)、大功率(额定电流一般在几十安培以上)的用电特征，如启动电机等；非功率型用电单元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，如侦查、照明、通 讯或者音响设备等等。

下面以一种具体的应用于内燃机启动的组合式应急保障电源为例来进行说明。本实施例中的组合式应急保障电源，如图2-a和2-b所示，包括电池充电电路4和组合式超级电池，组合式超级电池包括功率单元1、隔离充电单元3和能量单元2，隔离充电单元3连接在能量单元2和功率单元1的输出端之间，功率单元1的输出端设置有功率输出接口5，用于供电连接非功率型用电单元；能量单元2上设置有能量输出接口6，用于供电连接非功率型用电单元，电池充电电路4连接到能量单元的输出端上，用于实现对能量单元2充电。隔离充电单元3用于在功率单元给功率型用电单元1供电时，断开功率单元1与能量单元2的电气连接，并在功率单元1电量低于设定值且功率型用电单元不工作时，由隔离充电单元3通过能量单元2或者外接电源为功率单元2充电。

当功率型用电单元工作时，功率单元1与能量单元2之间的电流通路通过隔离充电单元3断开，仅由功率单元1为功率型用电单元供电，非功率型用电单元由能量单元5供电；当功率型用电单元1不工作时，由能量单元2为其它耗电器件提供电能，同时隔离充电单元3判断功率单元1的电量是否充足，若不足，则功率单元1与能量单元2通过隔离充电单元3并接，能量单元2或外接电源通过隔离充电单元3为功率单元1充电，否则不并接。同时隔离充电单元3具备防反充功能，禁止功率单元1向能量单元2放电。

可见本发明的应急保障电源中的能量单元2不再承担瞬态大功率作业任务，只负责小功率负载的持续供能，能量单元不会出现瞬时较大电压降的情况，保证了功率型用电单元能够稳定输出，且能量单元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。能量单元可根据其它耗电器件的能量要求配置容量，适当减小了其体积和重量，在选型配置上实现“瘦身”从而节约资源、减少环境污染；仅依靠功率单元为功率型用电单元供电，使功率型用电单 元的供电质量更好，防止因能量单元放电过度导致功率型用电单元不能工作的情况。

功率单元1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2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。

隔离充电单元3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和电池充电电路4均可采用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。

当采用交流输入时，例如市电网，隔离充电单元和电池充电电路可采用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或能量单元。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，得到与功率单元或能量单元相适配的直流电，为功率单元或能量单元充电。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。

当隔离充电单元或电池充电电路采用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或能量单元。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或能量单元，实现对功率单元或能量单元的充电。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。

当隔离充电单元或电池充电电路采用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或能量单元。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，得到与功率单元或能量单元相适配的直流电，为功率单元或能量单元充电。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。

当隔离充电单元或电池充电电路采用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或能量单元进行充电。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或能量单元相适配的直流电，输入到功率单元或能量单元，从而实现对功率单元或能量单元的充电。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。

隔离充电单元和电池充电电路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。

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。

本发明的组合式应急保障电源供电方法的实施例

本实施例供电方法针对的是应用到内燃机启动中的组合式应急保障电源，该方法将用电设备根据功率特性进行区分，分为功率型用电单元和非功率型用电单元，本实施例中功率型用电单元指的是启动电机，非功率型用电单元指的是除启动电机之外的其它耗电器件。该应急保障电源采用由功率单元、隔离充电单元和能量单元构成的组合式超级电池供电，功率型用电单元(启动电机)仅由功率单元供电，当启动电机工作时，功率单元与能量单元的电气连接通过隔离充电单元断开，只采用功率单元为启动电机供电；当启动电机不工作时，并且功率单元电量低于设定值时，由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。其中电池充电电路和隔离充电单元的充电电路均可采用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应急保障电源的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

该方法针对应急保障电源实施例中的供电过程如下：当功率型用电单元工作(内燃机启动)时，功率单元1与能量单元2之间的电流通路已经通过隔离充电单元3断开，仅由功率单元1为启动电机1供电，其它耗电器件由能量单元2供 电；当功率型用电单元不工作(内燃机启动完成)时，由能量单元2为其它耗电器件6供电，同时隔离充电单元3判断功率单元1电量是否充足，若不足，则能量单元1或外接电源通过隔离充电单元3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3具备防反充功能，禁止功率单元1向能量单元2放电。当能量单元2电量不足时，通过电池充电电路4给能量单元5充电。

本发明的应急保障电源采用组合式超级电池作为储能器件，利用组合式超级电池的功率单元为功率型用电单元提供电能，使能量单元不再承担瞬态大功率作业任务，能量单元只负责小功率负载的持续供能，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。此外，功率单元仅用于为功率型用电单元供电。隔离充电单元具备防反充功能，任何时候功率单元都不能向能量单元放电，对功率单元有一定的保护作用。同时依靠本发明的应急保障电源为功率型用电单元供电，功率型用电单元供电质量更好，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，保证功率型用电单元能够稳定工作，减少非功率型用电单元因电能质量不稳造成的损坏。

本发明将用电设备分为功率型用电单元和非功率型用电单元，功率型用电单元仅由功率单元供电，非功率型用电单元由与能量单元供电，达到能量供给侧和能量需求侧的匹配和平衡，使应急保障电源得到优化，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。