一种标准化增程动力系统及管理方法与流程

本发明涉及新能源电动汽车领域，尤其是涉及电动汽车动力系统标准化和兼容性管理系统以及适用于该系统的兼容性检测方法。

背景技术：

目前环境问题越来越受到人们的关注，绿色出行倍受欢迎，电动汽车的推广也势在必行，现有新能源汽车的动力系统大都采用单一电池包或者电池箱串联的方式，新旧电池，不同容量的电池，或不同特性的电池包无法一起使用；一个电池芯或电池包失效会导致整个电池系统的失效。这些问题大大提高了电池系统的生产和筛选成本，旧电池的二次使用更是难度很大。对电池芯以及电池箱之间的充电状态的均衡和电池特性的均衡有严格的要求，增加了电池系统的生产和筛选的成本。现有专利cn108248397a涉及一种发电控制方法、装置、增程器系统及电动汽车。该方法包括：获取电动汽车的目标发电模式，所述目标发电模式为以下模式中的一项：纯电动模式、里程模式和经济模式；将所述目标发电模式发送给所述发电机控制器；接收所述发电机控制器发送的目标发电功率，所述目标发电功率是所述发电机控制器根据目标发电模式和动力电池的剩余电量来确定的；当所述目标发电功率满足预设的发电条件时，控制串联在所述配电箱与所述动力电池之间的预充接触器吸合，以使得所述配电箱对所述动力电池进行预充电。现有专利cn107599859a涉及一种电动汽车的供电系统包括：电池系统、增程器机组、控制器，用于控制增程器机组的发电状态，控制各所述电池包与所述电动汽车的高压直流总线的连接状态，和/或控制增程器机组与所述电动汽车的高压直流总线的连接状态；多个开关，控制各所述电池包与所述高压直流总线之间的接通或断开，和/或增程器机组与高压直流总线之间的接通或断开；通过调节增程器的发电电流，实现对各个电池包电压均衡的控制，集成维护简单，使得新的增程式动力系统具有较高的可靠性和较低的生产和筛选成本。

这种新的增程式动力系统的特性，允许不同厂家生产、不同健康状态的电池箱或不同厂家生产的增程器在该动力系统下协同工作。然而，由于各生产厂开发的电池箱会有各自不同的尺寸、不同的电气接口、不同的通讯协议而且尺寸和形状也变化很大，很难实现相互间协同工作互相匹配；不同的增程器厂开发的增程器也存在电气接口和通讯协议不匹配的问题。另一方面，为避免未经授权的电池箱和增程器接入该动力系统，发生危险，需要对接入该动力系统的电池箱和增程器的兼容性进行验证；对于想要接入该动力系统的厂家，则需要获取相应的授权。

技术实现要素：

为解决现有技术中动力电池标准箱和标准增程器在多个电动汽车平台上共享和互换的问题，本发明提供了一种标准化增程动力系统及管理方法，具体技术方案如下：

动力电池标准箱组，由多个电池标准箱组成，用于为电动汽车提供主动力；

标准增程器，用于发出直流电为电动汽车提供辅助动力；

标准控制器，包含一个控制单元、多个主开关和副开关，用于管理所述动力电池标准箱组和所述标准增程器，实现电池标准箱和标准增程器之间的监控、切换、连接和供电控制；

所述标准控制器通过can通讯线分别与所述电池标准箱、标准增程器、外部充电机和整车控制器vcu连接，所述电池标准箱和标准增程器分别通过主开关与整车动力直流总线连接，所述各电池标准箱与所述标准增程器之间通过副开关连接；

其特征在于，所述电池标准箱和标准增程器内置标准管理模块，支持标准化增程动力系统的兼容性验证，具有标准的电气接口，支持标准can通讯协议；所述标准控制器用于检验多个所述电池标准箱和所述标准增程器的兼容性，控制多个所述电池标准箱与整车动力直流总线的接入和断开，控制所述标准增程器与所述整车动力直流总线的接入和断开，所述标准控制器还用于监控和检验各电池标准箱及标准增程器的额定电压平台，确定电压平台的兼容性，所述标准控制器还用于控制外部充电机的充电电流，根据各电池标准箱内的材料特性、电池芯电压和温度等确定动态最大允许充电电流并通过can命令发给充电机。

具体地，所述动力电池标准箱组由至少一个同一或不同种型号的电池标准箱构成。

具体地，所述电池标准箱可以由多种电池材料构成，包括超级电容、锌空气电池、铝空气电池、锂空气电池、三元锂电池、钛酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、锂硫电池、石墨烯电池等。

具体地，所述标准增程器可以是不同燃料的标准增程器，包括燃油/燃气增程器、醇醚燃料增程器、压缩空气增程器、金属空气电池增程器和氢燃料电池增程器等。

优选的，所述电池标准箱的外形是长方形的，按照长度分为三个档次，分别是b1＝1600x700x150(mm)、b2＝1400x600x150(mm)、b3＝1200x500x150(mm)，其标准电压平台v0＝510v；所述标准增程器具有与电池标准箱相同的额定电压平台v0，按照额定发电功率分为五个型号，kw1＝15kw、kw2＝20kw、kw3＝25kw、kw4＝30kw、kw5＝35kw等。

具体地，所述内置于电池标准箱的标准管理模块直接控制电池箱负端动力接触器的开/关并直接与can通讯线连接，负责读取和发送两个标准独立数据帧——命令数据帧c和报告数据帧r。

具体地，所述内置于标准增程器的标准管理模块控制标准增程器的供电电源开/关并直接与can通讯线连接，负责读取和发送与电池标准箱相同的两个标准数据帧——命令数据帧c和报告数据帧r。

优选的，所述标准管理模块是一种通用集成ic模块，可直接焊接安装到pcb板上，所述标准管理模块内部包含四个主要部分：mcu、隔离电源、1路接触器驱动输出和can总线驱动装置。所述mcu内置程序有三项基本功能，包括can通讯接收所述命令数据帧c(内含数据种s和使能数据位e)或发出报告数据帧r(内含虚拟钥匙k、额定电压、错误代码等)、根据数据种s计算出虚拟钥匙k＝f(s)和驱动外部接触器。当使能数据位e＝1时，驱动外部接触器闭合，否则保持接触器断开。虚拟钥匙k加密存储在mcu中，所述标准管理模块掉电后虚拟钥匙k自动删除。

具体地，所述标准控制器内置控制单元，所述标准控制器的输入包括电池标准箱的直流动力线、增程器直流动力线、12v电源和can通讯线，所述标准控制器的输出为整车动力直流总线，所述can通讯线分别与多个电池标准箱、充电机、标准增程器及整车控制器vcu通讯。

具体地，所述标准控制器包含多个主开关和副开关，所述主开关设置在所述每个电池标准箱或标准增程器与整车动力直流总线之间，所述副开关设置在所述各电池标准箱与所述标准增程器之间。

优选的，所述电池标准箱具有通用的电气接口，包括动力接口和控制信号接口。其中，动力接口分别由充电动力接口(charge+，charge-)和放电动力接口(power+，power-)组成；控制信号标准电气接口包括如下信号：12v电源，gnd信号地，can通讯can+/can-，电门锁信号vign，充电自锁信号等。

优选的，所述标准增程器通用电气接口包括动力接口和控制信号接口，其中，动力接口包括rep+和rep-；控制信号标准电气接口包括如下信号：12v电源，gnd信号地，can通讯can+/can-，电门锁信号vign等。

具体地，所述标准控制器中的控制单元监控和检验各电池标准箱及标准增程器的额定电压平台，包括所述标准控制器中的控制单元通过所述电池标准箱及标准增程器发出的各报告数据帧r检验多个所述电池标准箱和标准增程器的额定电压，当所述各电池标准箱或标准增程器的额定电压与所述整车动力直流总线的额定电压匹配时，控制所述电池标准箱与所述与整车动力直流总线进行连接；当所述各电池标准箱或标准增程器的额定电压与所述整车动力直流总线的额定电压不匹配时，通过所述命令数据帧c发出禁止命令，同时断开相应非法电池标准箱或标准增程器与整车动力直流总线的连接。

具体地，所述标准控制器中的控制单元还用于控制外部充电机的充电电流，包括所述标准控制器中的控制单元根据电池标准箱组中的各个电池标准箱的材料、充电状态soc、电池芯温度和整车耗电负载等确定标准增程器的发电需求，通过所述命令数据帧c发出标准增程器的发电功率命令，为所述电池标准箱组中的一个或多个电池标准箱充电；当全部标准电池箱都接入整车动力直流总线时，所述标准控制器中的控制单元再根据电池标准箱组的平均充电状态soc、最高电池温度和整车耗电需求等动态确定增程器的发电功率，直接为整车提供辅助电力。

一种标准化增程动力系统兼容性的检测管理方法，包括以下步骤：

1)所述标准化增程动力系统上电后，所述标准控制器进入工作状态前通过can通讯线发送命令数据帧c，断开所述电池标准箱负端开关，断开所述主开关和副开关，闭合所述标准增程器电源开关；

2)所述标准控制器首次启动进入工作状态后，立即随机产生数据种s并通过命令数据帧c发给所述电池标准箱和所述标准增程器中的标准管理模块；

3)所述标准管理模块首次接受命令数据帧c时立即用接受到的数据种s计算虚拟钥匙k＝f(s)，通过报告数据帧r发送给所述标准控制器；

4)所述标准控制器接受到各虚拟钥匙k后立即与采用同样公式计算出的样本虚拟钥匙进行比较，当确认相等时，则立即通过命令数据帧c发出开锁命令；当判断虚拟钥匙k不相等时，发送命令数据帧c给所述标准管理模块断开相应电池标准箱的负端开关或标准增程器的电源开关；

5)所述标准管理模块接到开锁命令后，立即保存开锁命令字，闭合开关，然后继续通过i2c串行通讯读取错误代码和所述电池标准箱电压平台数据，整合信息后通过can通讯线发送报告数据帧r；

6)所述标准控制器通过报告数据帧r读取电池包的电压平台数据，当确认一致且所述电池标准包和标准增程器无故障时进入增程动力控制工作模式；

当确认电压不一致或所述电池标准包有故障或标准增程器有故障时，断开所述电池标准箱或标准增程器的主开关和副开关。

具体地，述步骤3)中数据种s为6位以上的整数d，每个整数d分解为三个2位以上的整数a、b、和c，由所述标准管理模块代入加密计算公式k＝f(s)＝a*b+c或k＝f(s)＝c*(a+b)等多种衍生算法来动态计算出虚拟钥匙k。

本发明的有益效果在于：

一、在整车系统集成开发过程中可以直接按照所选电池标准箱型号和数量确定整车安装空间、安装方式、电气连接接口和标准通讯协议进行整车配置、测试和验证，无需特殊开发专用电池箱，电动车销售时用户可选择市场上同型号下不同能量密度的电池标准箱，实现同一款电动车具有不同的续驶里程配置；

二、本发明具有增程式电动车动力系统平台化、通用化特征，可以有效解决动力电池标准箱和标准增程器在多个电动汽车平台上共享和互换的问题，克服了电动汽车核心部件的规模化生产、多次使用、售后维修和更换等困难，具有高度商业利用价值。在充分发挥增程式电动汽车的优点基础上推动其大规模商业化量产并有效降低生产成本，提高汽车使用的可靠性有着巨大的优势。

三、本发明也提出了标准化增程式动力系统的兼容性管理方法，对于接入该动力系统的电池包和/或增程器机组进行检验，检验其兼容性。同时对于获得合法授权的电池包进行电压匹配，符合该动力系统的额定电压并获得授权的电池包以及获得授权的增程器机组将被允许接入该整车动力直流总线，为电动汽车提供动力。通过本发明的管理方法，被许可厂家可以采购所述标准管理模块并内置在电池标准箱中或标准增程器中，是一种更灵活、更便捷的获取许可的方式，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明标准化增程动力系统的结构示意图；

图2为本发明标准管理模块的结构示意图；

图3为本发明标准增程动力系统的兼容管理流程图；

图4为本发明标准增程动力系统的主控制方法流程图；

图5为本发明标准管理模块控制流程图；

附图标记：1-电池标准箱1,2-电池标准箱2,3-标准增程器，4-标准控制器，5-控制单元，6-标准管理模块，7-直流充电机，8-整车控制器，9-驱动系统；10-可编程ic芯片或模块，11-5v电源模块，12-微处理器mcu，13-低端控制模块lsd，14-can驱动模块。

具体实施例

以下结合附图对本发明所保护的技术方案做具体说明。

实施例1

本发明提出了一种标准化增程动力系统，图1为该标准化增程动力系统结构示意图。所述标准控制器4中的控制单元5负责系统中电池标准箱1、电池标准箱2和标准增程器3的兼容性管理，同时控制电池标准箱1、电池标准箱2和标准增程器3通过主开关kz1、kz2和kz3与整车动力直流总线之间的连接；或者通过副开关kf1、kf2将标准增程器与电池标准箱连接起来。

所述标准控制器4中的控制单元5通过can2通讯直接与直流充电机7进行通讯，协调最大允许充电电流和充电的起始与结束；通过can3与整车控制器8及标准增程器3通讯，管理增程器的发电状态和发电功率，包括给驱动系统9通过整车动力直流总线供电和/或给电池标准箱1或2充电。

在本实施例中，所述电池标准箱1和2中的bms和所述标准增程器3与所述标准管理模块6通过i2c连接，交换系统状态信息。

本实施例中所述电池标准箱1和2可以由多种电池材料构成，包括超级电容、锌空气电池、铝空气电池、锂空气电池、三元锂电池、钛酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、锂硫电池、石墨烯电池等。

本实施例中所述标准增程器3可以是不同燃料的标准增程器，包括燃油/燃气增程器、醇醚燃料增程器、压缩空气增程器、金属空气电池增程器和氢燃料电池增程器等。

所述电池标准箱1和2具有通用的电气接口，包括动力接口和控制信号接口。其中，动力接口分别由充电动力接口(charge+，charge-)和放电动力接口(power+，power-)组成；控制信号标准电气接口包括如下信号：12v电源，gnd信号地，can通讯can+/can-，电门锁信号vign，充电自锁信号等。

优选的，所述标准增程器3通用电气接口包括动力接口和控制信号接口，其中，动力接口包括rep+和rep-；控制信号标准电气接口包括如下信号：12v电源，gnd信号地，can通讯can+/can-，电门锁信号vign等

所述标准控制器4在管理系统运行在管理电池标准箱1和2与标准增程器3的兼容性时，直接通过can1总线与电池标准箱1和电池标准箱2中的标准管理模块6建立通讯、通过can3与标准增程器3中的管理模块6建立通讯。

图3为本实施例中标准增程动力系统的兼容性检测管理流程图，包括如下步骤：

首先，系统上电后，标准控制器4检查电池系统是否需要启动或工作，如果不需要，标准控制器4首先发送can1命令数据帧c和can3命令数据帧c，断开标准电池箱1和2负端开关l1和l2(40)和闭合标准增程器电源开关lr(41)，同时断开全部主开关(kz1、kz2和kz3)和副开关(kf1和kf2)(42)。在首次启动进入工作状态后，标准控制器4立即随机产生6位以上的数据种s并通过命令数据帧c发给电池标准箱1和2和标准增程器3中的标准管理模块6(43)，等标准管理模块6接收到三个5位数虚拟钥匙kb1、kb2、kr后立即与自己采用同样公式km＝f(s)计算出的样本虚拟钥匙(44)进行比较，如果确认相等，则立即通过命令数据帧c发出使能数据位e＝1的开锁命令(45)，然后标准控制器4进一步通过报告数据帧r读取电池包的电压平台数据v0(46)，确认一致并在电池标准包1和2与标准增程器3无故障情况下(47)进入标准增程动力系统主控制工作模式(48)，否则断开相应电池标准箱1和2或标准增程器3的主开关(kz1/kz2/kz3)和副开关(kf1/kf2)。如果判断虚拟钥匙k不相等，则命令数据帧c发送使能数据位e＝0通过内置的标准管理模块6断开相应电池标准箱的负端开关(l1/l2)或标准增程器的电源开关(lr)(51)。

在启动完成后的循环工作中，标准控制器4随时读取各标准管理模块6的报告数据帧r(49)，如果发现有严重故障代码出现，则立即将出现故障的电池标准箱1或2或标准增程器3隔离，断开相应的主开关(kz1/kz2/kz3)和/或副开关(kf1/kf2)(53)，没有故障存在情况下，进入标准增程动力系统主控制工作模式(50)。

其中，数据种s为6位以上的整数d，每个整数d分解为三个2位以上的整数a、b、和c，由所述标准管理模块6代入加密计算公式k＝f(s)＝a*b+c或k＝f(s)＝c*(a+b)衍生算法来动态计算出虚拟钥匙k。

图4为本实施例中标准增程动力系统的主控制方法流程图，包括如下步骤：

首先，系统上电后，标准控制器4检查电池标准箱1和2的实际电压(61)，然后判断电压是否一致。如果一致，判断电池标准箱1和2和标准增程器3有无故障，若检查报告数据帧r发现电池标准箱1或2或标准增程器3出现故障，则立即断开相应的主开关(kz1/kz2/kz3)和副开关(kf1/kf2)(63)；在确认电池标准箱1和2与标准增程器3无故障后，立即闭合各电池箱的主开关(kz1和kz2)(62)，然后标准控制器4检测电池充电状态，若soc<30％，则启动增程器机组，进入增程发电模式，否则所有电池标准箱1和2接入整车动力直流总线。

第二，若电池标准箱1和2电压不一致，则首先找出电压最高的电池标准箱1或2，将该电池标准箱1或2接入整车动力直流总线(64)，将另外标准电池箱2或1与标准增程器3连接(66)，启动增程器机组，进入增程均衡工作模式；直到标准电池箱1或2电压进入一致状态，将另外的电池标准箱接入整车动力直流总线(65)。

实施例2

与上述实施例相比，本实施例提供了标准管理模块6的内部电路结构，参见图2。所述标准管理模块6是一种可编程ic芯片或模块10，包括微处理器mcu12负责通讯管理和实施控制、can驱动模块14负责can通讯、低端控制模块lsd13进行开关控制、5v电源模块11为标准管理模块6独立供电。其中can驱动模块14将内部tx/rx通讯与外部can+/can-通讯线进行隔离，允许can通讯信号地浮动。

本实施例的标准管理模块6与电池管理bms及标准增程器3之间通过i2c串行通讯交换状态数据，包括电池标准箱1和2的额定电压值v0、错误代码和标准管理模块6的运行状态字等。

所述微处理器mcu12内置程序有三项基本功能，包括can通讯接收所述命令数据帧c(内含数据种s和使能数据位e)或发出报告数据帧r(内含虚拟钥匙k、额定电压v0、错误代码等)、根据数据种s计算出虚拟钥匙k＝f(s)和驱动外部接触器。当使能数据位e＝1时，驱动外部接触器闭合，否则保持接触器断开。虚拟钥匙k加密存储在微处理器mcu12中，所述标准管理模块6掉电后虚拟钥匙k自动删除。

所述标准管理模块6具有统一的通讯协议和控制功能，在收到来自于标准控制器4的命令数据帧后以其中包含的数据种s为输入以函数k＝f(s)计算出模拟钥匙k，通过报告数据帧r发给标准管理器4进行兼容性匹配管理。当所述电池标准箱1或2经所述标准控制器4判定为兼容时，所述标准管理模块6通过can1通讯接收来自所述标准控制器4的开锁命令，控制所述电池箱负端开关l1或l2闭合，使得所述电池标准箱1或2接入所述整车动力直流总线；当所述标准增程器3被标准控制器4判定为兼容时，所述标准增程器3中的标准管理模块6接收来自所述标准控制器4的开锁命令，控制电源开关lr闭合，使得所述标准增程器3启动进入工作状态。

图5为本实施例标准管理模块6控制流程图。所述标准管理模块6具有通用的控制流程，通过内置的程序执行。

所述标准管理模块6在启动后首先等待接收来自标准控制器4的命令数据帧c(70)，首次接收命令数据帧c时立即用接收到的数据种s计算虚拟钥匙k(71)，通过报告数据帧r发送给标准控制器4(72)，如果标准管理模块6接到开锁命令(使能数据位e＝1)，则立即保存开锁命令字(73)然后完成控制开关(l1、l2和lr)的闭合控制(74)，继续通过i2c串行通讯读取错误代码和电池标准箱1和2的电压平台数据v0(75)，整合信息后通过can1和can3通讯发送报告数据帧r(76)；如果标准管理模块6没有接到开锁命令(使能数据位e＝0)，则控制开关(l1、l2和lr)断开(80)。

在后续的工作状态下，标准管理模块6连续读取电池箱的额定电压平台数据v0和错误代码(78)，通过can1和can3通讯发送报告数据帧r给标准控制器4(79)，如果收到断开命令(使能数据位e＝0)则控制断开开关(l1、l2和lr)(77)。

以上所述仅为本发明的实施例子，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。