一种串联式能量供应系统及车辆的制作方法

本发明涉及一种能量供应系统及车辆，具体地，涉及一种特别适合应用于电动车辆的能量供应系统。

背景技术：

电动汽车中最常见的复合电源是将超级电容器与蓄电池结合构成复合电源系统，可以提高电源系统的短时高功率输出能力，同时也具备持久的动力性能。通过超级电容器与电池的组合，充分发挥了超级电容器的高功率密度和电池的高能量密度的优势，满足混合动力汽车在爬坡加速、启动过程中提供强劲的动力。目前，受限于蓄电池的开发技术，还没有能够应用于电动汽车的集高能量和高输出功率的蓄电池，普遍的做法是使用的超级电容与蓄电池的复合电源，为了配合车辆的需求，提供短时大功率输出，超级电容要求提供短时大电流输出。但是目前超级电容和蓄电池的配置方式非常单一，二者之间通过DC-DC转换器进行能量输出和交换，进而输出到负载电动机端。无论是以何种方式进行电源的匹配，目前的主要目标都是结合蓄电池和超级电容的优势，在驱动车辆行驶方面得到性能优异的能量供应源，但是能源的多样化利用却并未被涉及。传统车辆一般对低压电气系统配备有专门的24V低压蓄电池，供应车辆空调、转向等设备。但是对于混合动力汽车和电动汽车，当已经配有蓄电池时，再配备蓄电池会增加车辆成本，对车内空间和电气设计也会造成限制。如果能够利用蓄电池，发挥蓄电池多种用途，在驱动车辆的间隙或同时给车内空调等 设备供电，将节省车辆成本，使车辆内部设计更灵活。

此外，在需要满足低压大电流输出的场合，大容量的超级电容器意味着需要匹配大功率DC-DC转换器，大功率双向DC-DC变换器在电动汽车、储能系统、电能质量调节、可再生能源发电以及超导储能系统等领域具有广阔的应用前景。在追求大功率的同时，也在不断想办法缩小设备的体积，以换取更优质的性能。如能同时满足设计要求，又能降低部件成本，降低系统风险，将能够极大地推动行业的发展。

技术实现要素：

为了解决现有混合动力车辆和电动车辆中蓄电电源用途单一、DC/DC转换器体积过大、成本过高、能量转化效率低、潜在故障危险大等问题，本发明提供了一种能量供应系统，针对混合动力车辆和电动车辆中电能供应提出灵活的解决方案。另一方面，本发明能量供应系统将高密度能源拆分成较小能量组，能够降低能源系统故障时的危害程度，同时，通过使用多个DC-DC转换器，将DC-DC转换器的工作电压降低，提高DC-DC转换器工作频率，进而提高DC-DC转换器工作效率，保障负载安全稳定运行。具体方案如下：

一种串联式能量供应系统，具备多个串联的一级直流储能器和多个串联的二级直流储能器，所述多个一级直流储能器通过隔离式DC-DC转换器一对一地与所述多个二级直流储能器连接，所述串联的一级直流储能器回路连接第一负载，所述串联的二级直流储能器回路连接第二负载。

上述DC-DC转换器包含至少1个开关器件以及至少1个线圈装置。

作为一种优选的实施方式，所述DC-DC转换器全部为升压型转 换器。或者，所述DC-DC转换器中全部为升降压型转换器。

所述一级直流储能器为能量型储能器，所述二级直流储能器为功率型储能器。进一步地，所述一级直流储能器是蓄电池，所述二级直流储能器是超级电容。

此外，提供一种车辆，包括电动机及电动空调，用于驱动所述车辆；还包括具备多个串联的蓄电池和多个串联的超级电容器，所述蓄电池通过隔离式DC-DC转换器一对一地与所述超级电容器连接，所述串联的蓄电池回路连接所述电动空调，所述串联的超级电容器回路连接所述电动机。

一种实施方式下，所述蓄电池设置有可充电接口，用于连接外部电网。所述可充电接口通过三相整流模块连接至所述蓄电池。

基于上述的车辆，还包括整车控制器与能源管理器，以及设置于蓄电池和超级电容的监测装置，所述能源管理器与所述DC-DC转换器连接，所述监测装置与所述整车控制器通信，所述整车控制器与所述能源管理器通信。

本发明应用于电动车辆具有以下有益效果：

1.拓展了蓄电池的应用范围，通过本发明结构蓄电池不仅可以进行车辆驱动，还可以在闲置期间用于给车辆其它附件供电，如电动空调、散热风扇、各种低压电气设备等；

3.根据需要配备DC-DC的数量，使大功率DC-DC转换器拆分成低功率小单元，提高工作效率，增加散热性能。

2.系统可拓展性强，能够在蓄电池上设置充电接口，当电池电量低时可以通过外部电网给电池充电。

附图说明

图1是本发明涉及的能量供应系统结构示意图；

图2是本发明涉及的车辆供能结构示意图；

具体实施方式

下面，参照形成本说明书的一部分的附图来更详细地说明本发明的实施方式。在所有附图中对同一或类似的部分附加同一参照标记并省略说明。以下实施例分别以本发明复合电源应用于电动汽车为例，并不代表本发明的应用仅限于电动汽车领域，凡是使用本发明原理的任何应用都落入本发明应用范围内。本说明书中对直流储能器的描述，其中“一个”直流储能器表示具有一个正接线柱和一个负接线柱引出引线以连接“一个”直流储能器以外的其它装置的单个直流储能器。以蓄电池为例，该“一个”直流储能器(蓄电池)可能包含1个或者1个以上的多个不可拆分的电池单元；而超级电容器表示包括相互耦合的多个电容器单元的电容器，其中电容器单元可各自具有大于500法拉的电容。本文所使用的术语“蓄电池”描述可以实现大约100W-hr/kg或更大能量密度的高比能量蓄电池或高能量密度蓄电池(例如锂离子、钠金属卤化物、钠-氯化镍、钠硫或锌空气蓄电池)。

参考图1的能量供应系统，具备多个串联的一级直流储能器和多个串联的二级直流储能器，所述多个一级直流储能器通过隔离式DC-DC转换器一对一地与所述多个二级直流储能器连接，所述串联的一级直流储能器回路连接第一负载，所述串联的二级直流储能器回路连接第二负载。

根据本发明的目的，上述的二级直流储能器最有可能被配置为功率型的储电装置，比如超级电容器，能够充分回收负载在制动期间所产生的能量；而上述的一级直流储能器最有可能被配置为能量型储电装置，比如蓄电池/蓄电池装置，能够在二级直流储能器电量低不足以维持负载工作期间向二级直流储能器供电。所以，在上述情况指引 下，上述任意的一级直流储能器输出功率一般小于上述任意的二级直流储能器输出功率，上述任意一级直流储能器电量大于所述任意二级直流储能器电量。

上述的第一负载最有可能是车载电动空调电动机，或者混合动力车辆的散热风扇电动机装置，连接蓄电池/蓄电池装置，由蓄电池向第一负载提供电能；第二负载是用于车辆驱动的电动机，连接超级电容装置，在车辆依靠电动机驱动行驶过程中向电动机提供电能。所述DC-DC转换器包含至少1个开关器件以及至少1个线圈装置。这是能够完成转换器功能的DC-DC转换器的最小单元，当然，在完成其功能的前提下，可能具备多个开关器件或者线圈，以实现更加复杂的功能。蓄电池与超级电容之间通过DC-DC转换器一对一地相连接，且两个以上超级电容串联后连接车辆驱动用电动机，进行能量输出。该供能系统中还可能设置有能源管理器，与各个DC-DC转换器相连接，控制DC-DC转换器中开关的通断。对于本发明供能系统，需要特别注意的是控制系统中各DC-DC转换器的同步，以使各二级供能装置同时接受来自一级供能装置的能量，以免在二级供能装置串联电路上形成大的电压波动，造成供能装置损坏。在其中一个实施例中，可以通过在能源管理器中设置精确的计时器件，对DC-DC转换器进行同时控制。此外，上述每个蓄电池和每个超级电容上分别设置有监测装置，监测装置能够分别监测电池和电容的电压、电流、电量、温度等。上述监测装置与能源管理器或整车控制器通过CAN总线通信相连接，或者能源管理器从整车控制器获得以上信息后根据具体需求控制DC-DC转换器的接通和关断，电能从蓄电池向超级电容转移，最终输出。

对于DC-DC转换器，在同一个供能系统中可能设置有数个隔离 型的DC-DC转换器，在本能量供应系统中，数个隔离型的DC-DC转换器应当保持同样的类型，如全部是升压型，或者全部是降压型，或者全部是升降压型；数个隔离型的DC-DC转换器还应当全部是单向型或者全部是双向型，以满足系统需要。所述DC-DC转换器包含至少1个开关器件以及至少1个线圈装置。这是能够完成转换器功能的DC-DC转换器的最小单元，当然，在完成其功能的前提下，可能具备多个开关器件或者线圈，以实现更加复杂的功能。

本发明还要求保护一种车辆，包括电动机及电动空调，用于驱动所述车辆；包括具备多个串联的蓄电池和多个串联的超级电容器，所述蓄电池通过隔离式DC-DC转换器一对一地与所述超级电容器连接，所述串联的蓄电池回路连接所述电动空调，所述串联的超级电容器回路连接所述电动机。上述车辆中蓄电池连接电动空调，只是本发明所想表达的一种方案，作为一种储能器，蓄电池还可能连接车辆上设置的除电动机以外的其它用电设备，如混合动力车辆中用于散热的风扇电动机。作为车辆的完善功能，还包括整车控制器与能源管理器，以及设置于蓄电池和超级电容的监测装置，所述能源管理器与所述DC-DC转换器连接，所述监测装置与所述整车控制器通信，所述整车控制器与所述能源管理器通信。

所述蓄电池还可以设置有可充电接口，用于连接外部电网。该可充电接口可以是设置于车辆上的直流充电接口，也可能是交流充电接口。当设置交流充电接口时，所述可充电接口通过三相整流模块连接至所述蓄电池。

下面以混合动力辆为例，详细说明本发明要求保护车辆的供能系统的工作方式。

车辆启动：整车控制器接收到车辆启动信号，首先检查蓄电池和超级电容电量情况，如果电量满足启动条件，由整车控制器向能源管理器发送启动命令，能源管理器分配控制DC-DC转换器工作，由蓄电池和超级电容向电动机供电，驱动车辆启动；如果蓄电池电量不满足启动条件，则由整车控制器向发动机发出启动命令，由发动机驱动车辆启动。当车辆通过电池供电启动时，能源管理器控制DC-DC转换器由蓄电池向超级电容供电，由蓄电池向超级电容输出电能，同时超级电容向车辆驱动电动机供电，以驱动车辆启动。在启动过程中，蓄电池向超级电容供电过程中，不间断监测超级电容电量，如果超级电容电量超过设置的电量上限Qm，由能源管理器控制DC-DC转换器关断，停止向超级电容供电；相反，如果超级电容电量低于设置的电量下限Qm，由能源管理器控制DC-DC转换器打开，持续向超级电容供电。

车辆行驶：车辆行驶过程中，在电动机驱动工况下，首先检测蓄电池电量SOC，若蓄电池电量SOC低于预设值SOCmin，则启动发动机进行车辆驱动；若蓄电池电量SOC高于SOCmin满足行驶条件，由能源管理器控制DC-DC转换器从蓄电池向超级电容输送电能，再通过超级电容向驱动电动机供电，驱动车辆行驶。其间，蓄电池可以采用间断式供电方式，通过设置于超级电容上的监测装置监测超级电容电量Q和电流I，若电量Q超过设置的电量上限Qmax，关断蓄电池于超级电容连接的DC-DC转换器，停止电能输出；若电量Q低于设置的电量下限Qmin或电流I高于设定的上限Imax，持续由蓄电池向超级电容输出电能。这种供电方式主要是为了保护超级电容不至于被过充或过放造成损坏。具体而言，当超级电容电量达到或超过上限Qmax，可以认为再继续充电会使超级电容过充造成超级电容损坏， 此时应当断开超级电容与蓄电池的连接；当超级电容电量Q低于设置的电量下限Qmin，持续的放电会造成超级电容过放，此时应当连接蓄电池，给超级电容充电以保持供电移稳定；或者，当超级电容输出电流I高于设定的上限Imax，可以认为此时车辆需要持续大功率输出电能，应当保持蓄电池持续供应电能，以保证车辆正常行驶。在发动机驱动工况下，DC-DC转换器根据需要部分或全部启动隔离，以蓄电池向车辆除电动以外的其它全部或部分用电设备供电。以上电量的检测和DC-DC转换器的打开关断都可以采用本技术领域人员所熟知的方式实现，不再赘述。

能量回收：对于电动汽车，制动能量回收是其能量转化利用中不可缺少的部分。采用本发明的能量供应系统，刹车时通过驱动电动机回收能量至超级电容，由超级电容监测装置监测级电容电量Q，若达到电量Q达到上限Qmax，停止能量回收以保护超级电容，或者可以选择回收至蓄电池。

以上通过实施例说明了本发明技术方案的具体实施方式，为了本发明更好地实施，以上实施例中DC-DC转换器开关器件可以为MOSFET或碳化硅等高频开关器件，使DC-DC转换器具有响应快、支持高频的特点。