智能不停车电池自动切换系统的制作方法

本发明属于供电系统领域，具体涉及一种智能不停车电池自动切换系统。

背景技术：

目前，纯电动车辆为增加续航里程，采用大电池或多电池组的模式。对于多电池组，单一电池组重量低，便于用户拿回家进行充电。当其中一个电源电量不足时，通过人为手动（机械）切换，另一个电源立即启动提供能量；若在车辆行驶过程实施换电动作时，车身明显会“顿”一下，而且电源的“硬”切换造成的瞬态电流尖峰可能会对整车负载造成损害。为了避免此情况，用户需停车手动切换的第二组，增加了用户使用的复杂性。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种智能不停车电池自动切换系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种智能不停车电池自动切换系统，包括分别与整车负载并联的第一供电系统、第二供电系统和直流支撑电容，还包括电源切换电路和母线电压采集电路；

所述第一供电系统包括串联连接的第一电源和第一电子开关，所述第二供电系统包括串联连接的第二电源和第二电子开关；

所述电源切换电路包括第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关和buck电路，第三电子开关、第四电子开关一端均连接于buck电路输入端，第三电子开关另一端连接于第一电源和第一电子开关之间，第四电子开关另一端连接于第二电源和第二电子开关之间，buck电路输出端串联第五电子开关后连接于检测电位l点处；

所述母线电压采集电路并联于直流支撑电容两端。

在上述技术方案中，所述检测电位l点设置于第一电子开关和第二电子开关之间。

在上述技术方案中，所述第一~五电子开关均为mosfet或igbt。

在上述技术方案中，所述第一~五电子开关均为高边mosfet开关。

在上述技术方案中，所述第一~五电子开关的高边mosfet驱动电路相同。

在上述技术方案中，所述高边mosfet驱动电路包括电光耦合器和隔离dcdc电源，隔离dcdc电源为电光耦合器和驱动电路供电；电光耦合器的3号引脚与电子开关的栅极之间依次串联电阻、推免电路、驱动栅阻，电光耦合器的1号引脚连接于三极管的集电极，2号引脚接地，三极管的基极连接微控制单元，推免电路是由两个三极管组成的图腾柱输出电路。

在上述技术方案中，所述buck电路包括前级控制电路、buck电源电路、电压采集电路和过流保护电路；所述前级控制电路包括单片机控制系统，其输出的pwm信号传输至逻辑与门u8的2号引脚，逻辑与门u8的3号引脚连接q10和q14组成的推免电路，推免电路串联电阻r19后连接nmos管q11的栅极，推免电路中的三极管q10的集电极一路串联电阻r26后连接于三极管q17的基极，另一路连接三极管q9的集电极，三极管q17的集电极和发射极并联于齐纳管d2的两端，三极管q9的基极串联电阻r23后连接于齐纳管d2的阴极，nmos管q11的栅极和齐纳管d2的阳极之间串联电阻r24，nmos管q11的漏极和齐纳管d2的阳极之间串联电容c1和电阻r22，nmos管q11的源极和齐纳管d2的阳极之间串联电阻r21；三极管q9的发射极连接供电电源正极vdd。

在上述技术方案中，所述buck电源电路包括电感线圈l1、二极管d1和d4，电感线圈l1的一端与电阻r21远离q11的一端连接，另一端连接于第五电子开关q5的漏极，二极管d3与并联的电容c2、电阻r31串联后，整体与电感线圈l1并联；分压电阻r32和r36串联，r32一端连接于电感线圈l1与第五电子开关q5的漏极之间的电路上，r36一端接地；二极管d1阳极连接于电感线圈l1与第五电子开关q5的漏极之间的电路上，阴极连接于电阻r22和电容c1之间；二极管d4阴极串联电阻r30后连接于电阻r22和电容c1之间，阳极接地。

在上述技术方案中，所述单片机控制系统的电压采集端mcu_adc2连接电压采集电路，所述电压采集电路包括电阻r39和运算放大器u4a，电阻r39连接运算放大器输出端1，运算放大器的输出端1与反相输入端2之间连接并联的电容c4和电阻r37，反相输入端2串联电阻r38后接地，运算放大器的同相输出端3串联电阻r40后连接于分压电阻r32和r36之间，且运算放大器的同相输出端3串联电容c6后接地，电压采集电路还包括电容c5，其一端连接于电阻r39与单片机控制系统的电压采集端mcu_adc2之间，另一端接地；

在上述技术方案中，所述过流保护电路包括三极管q18、电阻r35和电容c3，三极管q18的集电极连接于逻辑与门u8的1号引脚，发射极和基极之间并联电容c3，基极串联电阻r35后连接于nmos管q11的源极，三极管q18的发射极接地。

在上述技术方案中，所述母线电压采集电路包括光电隔离运算放大器u7和运算放大器u4b，光电隔离运算放大器u7的1号引脚连接电源vdd1，2号引脚依次串联r61、r60、r59、r58后连接于整机负载的电源正极，3、4号引脚连接后连接于整机负载的电源负极，电阻r65一端接入电阻r61和r60之间，另一端接于整机负载的电源负极，5号引脚接地，6号引脚串联串联电阻r64后连接运算放大器u4b的反相输入端，7号引脚串联电阻r62后连接运算放大器u4b的同相输入端，8号引脚连接电源vdd2；运算放大器u4b的输出端串联电阻r63后连接微处理单元采集端口mcu_adc1，运算放大器u4b的反相输入端和同相输入端之间并联电容c9，运算放大器u4b的反相输入端和输出端之间连接并联的电阻r66和电容c1，电阻r63串联电容c10后接地，电阻r62与运算放大器u4b的同相输入端之间的电路并联电阻r57和电容c8组成的串联电路，且电阻r57和电容c8之间接地。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种智能不停车电池自动切换系统，通过控制电路，实现两组电池之间的自动切换，用户无需停车，且切换过程平滑，给了用户很好的一种体验感和便捷性；利用电子开关（mosfet/igbt）取代断路器等机械开关，运用斩波技术对电源进行电能转化，计算机实时检测并操控，在电源切换时起到缓冲作用，避免产生尖峰电流/电压对负载造成冲击；克服了人工手动换电，提高用户驾驶体验，加强整车安全稳定性，保证车辆正常行驶。

附图说明

图1是本发明的拓扑图；

图2是本发明的电路图；

图3是本发明中第一电子开关的驱动电路图；

图4是本发明中第二电子开关的驱动电路图；

图5是本发明中第三电子开关的驱动电路图；

图6是本发明中第四电子开关的驱动电路图；

图7是本发明中第五电子开关的驱动电路图；

图8是本发明中buck电路的电路图；

图9是本发明中母线电压采集电路的电路图。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明

的技术方案。

如图1所示，一种智能不停车电池自动切换系统，包括分别与整车负载并联的第一供电系统、第二供电系统和直流支撑电容，还包括电源切换电路和母线电压采集电路；

所述第一供电系统包括串联连接的第一电源和第一电子开关，所述第二供电系统包括串联连接的第二电源和第二电子开关；

所述电源切换电路包括第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关和buck电路，第三电子开关、第四电子开关一端均连接于buck电路输入端，第三电子开关另一端连接于第一电源和第一电子开关之间，第四电子开关另一端连接于第二电源和第二电子开关之间，buck电路输出端串联第五电子开关后连接于检测电位l点处；

所述母线电压采集电路并联于直流支撑电容两端。

所述检测电位l点设置于第一电子开关和第二电子开关之间。

实施例1

本实施例中，第一~五电子开关均为高边mosfet开关，且驱动电路相同。换电系统中，第一~五电子开关q1、q2、q3、q4、q5一直工作在常开通/常关断的状态。

如图3所示，第一电子开关q1的驱动电路包括：三极管q22和三极管q26组成的推免电路，推免电路一端串联电阻r48后接入电光耦合剂u5的3号引脚，推免电路另一端串联驱动栅阻r47后连接第一电子开关q1的栅极，第一电子开关q1的漏极连接第一电源，其源极连接隔离dcdc电源gnd_12v，隔离dcdc电源gnd_12v与第一电子开关q1的栅极之间串联电阻r56，推免电路中的三极管q26的集电极与电阻r48连接推免电路的一端之间串联电阻r53，电光耦合剂u5的4号引脚串联电阻r41后连接隔离dcdc电源vdd_12v，电光耦合剂u5的1号引脚连接三极管q20的集电极，2号引脚接地，且1、2号引脚之间并联电阻r52，三极管q20的发射极串联电阻r43后连接电源vdd_5v，三极管q20的基极串联电阻r45后连接微控制单元的输入输出端mcu_switch_1。

vdd_12v与gnd_12v为隔离dcdc电源，主要为电光耦合剂u5的光耦二次侧以及驱动供电；q22、q26构成推挽电路（图腾柱）驱动q1；r47为驱动栅阻，其阻值取决mosfet开关特性；r56作用是当驱动电源突然断电时，为q1分布电容cgs放电提供低阻抗泄放路径，加速mosfet关断，提高系统安全性。mcu_switch_1为mcu的gpio，当其输出为0时，q20导通，光耦一次侧工作，q22导通，q1导通；当其输出为1时，情况与之相反。

如图4所示，第二电子开关q2的驱动电路包括：三极管q21和三极管q25组成的推免电路，推免电路一端串联电阻r50后接入电光耦合剂u6的3号引脚，推免电路另一端串联驱动栅阻r49后连接第二电子开关q2的栅极，第二电子开关q2的漏极连接第二电源，其源极连接隔离dcdc电源gnd_12v，隔离dcdc电源gnd_12v与第二电子开关q2的栅极之间串联电阻r54，推免电路中的三极管q25的集电极与电阻r50连接推免电路的一端之间串联电阻r55，电光耦合剂u6的4号引脚串联电阻r42后连接隔离dcdc电源vdd_12v，电光耦合剂u6的1号引脚连接三极管q19的集电极，2号引脚接地，且1、2号引脚之间并联电阻r51，三极管q19的发射极串联电阻r44后连接电源vdd_5v，三极管q19的基极串联电阻r46后连接微控制单元的输入输出端mcu_switch_2。

vdd_12v与gnd_12v为隔离dcdc电源，主要为电光耦合剂u6的光耦二次侧以及驱动供电；q21、q25构成推挽电路（图腾柱）驱动q2；r49为驱动栅阻，其阻值取决mosfet开关特性；r54作用是当驱动电源突然断电时，为q2分布电容cgs放电提供低阻抗泄放路径，加速mosfet关断，提高系统安全性。mcu_switch_2为mcu的gpio，当其输出为0时，q19导通，光耦一次侧工作，q21导通，q25导通；当其输出为1时，情况与之相反。

如图5所示，第三电子开关q3的驱动电路包括：三极管q15和三极管q7组成的推免电路，推免电路一端串联电阻r10后接入电光耦合剂u2的3号引脚，推免电路另一端串联驱动栅阻r9后连接第三电子开关q3的栅极，第三电子开关q3的漏极连接第二电源，其源极连接隔离dcdc电源gnd1_12v，隔离dcdc电源gnd1_12v与第三电子开关q3的栅极之间串联电阻r14，推免电路中的三极管q7的集电极与电阻r10连接推免电路的一端之间串联电阻r15，电光耦合剂u2的4号引脚串联电阻r2后连接隔离dcdc电源vdd1_12v，电光耦合剂u2的1号引脚连接三极管q24的集电极，2号引脚接地，且1、2号引脚之间并联电阻r11，三极管q24的发射极串联电阻r4后连接电源vdd_5v，三极管q24的基极串联电阻r6后连接微控制单元的输入输出端mcu_switch_3。

vdd1_12v与gnd1_12v为隔离dcdc电源，主要为电光耦合剂u2的光耦二次侧以及驱动供电；q15、q7构成推挽电路（图腾柱）驱动q3；r9为驱动栅阻，其阻值取决mosfet开关特性；r14作用是当驱动电源突然断电时，为q3分布电容cgs放电提供低阻抗泄放路径，加速mosfet关断，提高系统安全性。mcu_switch_3为mcu的gpio，当其输出为0时，q24导通，光耦一次侧工作，q15导通，q3导通；当其输出为1时，情况与之相反。

如图6所示，第四电子开关q4的驱动电路包括：三极管q6和三极管q8组成的推免电路，推免电路一端串联电阻r8后接入电光耦合剂u1的3号引脚，推免电路另一端串联驱动栅阻r7后连接第四电子开关q4的栅极，第四电子开关q4的漏极连接第一电源，其源极连接隔离dcdc电源gnd1_12v，隔离dcdc电源gnd1_12v与第四电子开关q4的栅极之间串联电阻r16，推免电路中的三极管q8的集电极与电阻r8连接推免电路的一端之间串联电阻r13，电光耦合剂u1的4号引脚串联电阻r1后连接隔离dcdc电源vdd1_12v，电光耦合剂u1的1号引脚连接三极管q23的集电极，2号引脚接地，且1、2号引脚之间并联电阻r12，三极管q23的发射极串联电阻r3后连接电源vdd_5v，三极管q23的基极串联电阻r5后连接微控制单元的输入输出端mcu_switch_4。

vdd1_12v与gnd1_12v为隔离dcdc电源，主要为电光耦合剂u1的光耦二次侧以及驱动供电；q6、q8构成推挽电路（图腾柱）驱动q4；r7为驱动栅阻，其阻值取决mosfet开关特性；r16作用是当驱动电源突然断电时，为q4分布电容cgs放电提供低阻抗泄放路径，加速mosfet关断，提高系统安全性。mcu_switch_4为mcu的gpio，当其输出为0时，q23导通，光耦一次侧工作，q6导通，q4导通；当其输出为1时，情况与之相反。

如图7所示，第五电子开关q5的驱动电路包括：三极管q13和三极管q16组成的推免电路，推免电路一端串联电阻r28后接入电光耦合剂u3的3号引脚，推免电路另一端串联驱动栅阻r27后连接第五电子开关q5的栅极，第五电子开关q5的漏极连接检测电位l点，其源极连接隔离dcdc电源gnd_12v，隔离dcdc电源gnd_12v与第五电子开关q5的栅极之间串联电阻r33，推免电路中的三极管q16的集电极与电阻r28连接推免电路的一端之间串联电阻r34，电光耦合剂u3的4号引脚串联电阻r17后连接隔离dcdc电源vdd_12v，电光耦合剂u3的1号引脚连接三极管q12的集电极，2号引脚接地，且1、2号引脚之间并联电阻r29，三极管q12的发射极串联电阻r18后连接电源vdd_5v，三极管q12的基极串联电阻r20后连接微控制单元的输入输出端mcu_switch_5。

vdd_12v与gnd_12v为隔离dcdc电源，主要为电光耦合剂u3的光耦二次侧以及驱动供电；q13、q16构成推挽电路（图腾柱）驱动q5；r27为驱动栅阻，其阻值取决mosfet开关特性；r33作用是当驱动电源突然断电时，为q3分布电容cgs放电提供低阻抗泄放路径，加速mosfet关断，提高系统安全性。mcu_switch_5为mcu的gpio，当其输出为0时，q12导通，光耦一次侧工作，q13导通，q5导通；当其输出为1时，情况与之相反。

如图8所示，所述buck电路包括前级控制电路、buck电源电路、电压采集电路和过流保护电路，

前级控制电路包括单片机控制系统，其输出的pwm信号传输至逻辑与门u8的2号引脚，逻辑与门u8的3号引脚连接q10和q14组成的推免电路，推免电路串联电阻r19后连接nmos管q11的栅极，推免电路中的三极管q10的集电极一路串联电阻r26后连接于三极管q17的基极，另一路连接三极管q9的集电极，三极管q17的集电极和发射极并联于齐纳管d2的两端，三极管q9的基极串联电阻r23后连接于齐纳管d2的阴极，nmos管q11的栅极和齐纳管d2的阳极之间串联电阻r24，nmos管q11的漏极和齐纳管d2的阳极之间串联电容c1和电阻r22，nmos管q11的源极和齐纳管d2的阳极之间串联电阻r21；三极管q9的发射极连接供电电源正极vdd。

buck电源电路包括电感线圈l1、二极管d1和d4，电感线圈l1的一端与电阻r21远离q11的一端连接，另一端连接于第五电子开关q5的漏极，二极管d3与并联的电容c2、电阻r31串联后，整体与电感线圈l1并联；分压电阻r32和r36串联，r32一端连接于电感线圈l1与第五电子开关q5的漏极之间的电路上，r36一端接地；二极管d1阳极连接于电感线圈l1与第五电子开关q5的漏极之间的电路上，阴极连接于电阻r22和电容c1之间；二极管d4阴极串联电阻r30后连接于电阻r22和电容c1之间，阳极接地。

单片机控制系统的电压采集端mcu_adc2连接电压采集电路，所述电压采集电路包括电阻r39和运算放大器u4a，电阻r39连接运算放大器输出端1，运算放大器的输出端1与反相输入端2之间连接并联的电容c4和电阻r37，反相输入端2串联电阻r38后接地，运算放大器的同相输出端3串联电阻r40后连接于分压电阻r32和r36之间，且运算放大器的同相输出端3串联电容c6后接地，电压采集电路还包括电容c5，其一端连接于电阻r39与单片机控制系统的电压采集端mcu_adc2之间，另一端接地。

过流保护电路设置于逻辑与门u8的1号引脚和q11的源极之间。

所述过流保护电路包括三极管q18、电阻r35和电容c3，三极管q18的集电极连接于逻辑与门u8的1号引脚，发射极和基极之间并联电容c3，基极串联电阻r35后连接于nmos管q11的源极，三极管q18的发射极接地。

单片机控制的buck电路是衔接整个换电过程的重要桥梁，该电路模块具备过流保护、可调节pwm占空比、无需额外隔离电源供电等优势。

当发生换电动作时，自举电容c1由电池ev1/ev2充电，随着电压升到齐纳管d2稳压值，q9、q17先后导通，vdd与vdd-持续为驱动侧电路供电；此刻单片机系统输出pwm信号，经逻辑与门，推挽电路驱动q11，buck电路开始正常启动，q11关断时，c2经二极管d1、d4稳压为c1充电，维持前级驱动部分的能量供应，每个斩波周期都会进行一次；r32、r36为分压电阻，单片机系统通过采样经u4运放电路调理的分压信号，调节输出pwm占空比，改变buck输出电压，目的是尽可能接近电量充足的电池电压，实现低损耗换电；r21即电流采样电阻，q18、r35、c3构成过流保护电路（电流环），避免换电过程中电流过大，烧毁电子元件/整车负载，例如mosfetq11。

如图9所示，所述母线电压采集电路包括光电隔离运算放大器u7和运算放大器u4b，光电隔离运算放大器u7的1号引脚连接电源vdd1，2号引脚依次串联r61、r60、r59、r58后连接于整机负载的电源正极，3、4号引脚连接后连接于整机负载的电源负极，电阻r65一端接入电阻r61和r60之间，另一端接于整机负载的电源负极，5号引脚接地，6号引脚串联串联电阻r64后连接运算放大器u4b的反相输入端，7号引脚串联电阻r62后连接运算放大器u4b的同相输入端，8号引脚连接电源vdd2；运算放大器u4b的输出端串联电阻r63后连接微处理单元采集端口mcu_adc1，运算放大器u4b的反相输入端和同相输入端之间并联电容c9，运算放大器u4b的反相输入端和输出端之间连接并联的电阻r66和电容c1，电阻r63串联电容c10后接地，电阻r62与运算放大器u4b的同相输入端之间的电路并联电阻r57和电容c8组成的串联电路，且电阻r57和电容c8之间接地。

图2中的c7为薄膜电容，本系统中，需实时检测dc-link电压来实现换电过程母线电压采集使用的是“电阻分压+隔离+信号调理”电路方案，r58、r59、r60、r65为分压电阻，u7为光电隔离运算放大器；u9及其外围元件构成调理电路，便于mcuadc采集。母线电压即图中l点电位采集。

本发明的工作过程为：

本系统通过检测l点电位以及双电源ev1、ev2电压来实现智能自动切换的目的。切换包含两个过程，即ev1切换至ev2；或者ev2切换至ev1。下面将简单描述电源切换过程：

（1）电池ev1切换至电池ev2

工作伊始，q1导通，ev1为整车供电；当l点电位降到设定阈值（或电池soc低于设定阈值）时，q3、q5先后导通，此时，ev2经buck降压与ev1并网；关断q1，调节pwm占空比，使l点电位提升；当其电位接近ev2电压时，导通q2，关断q3、q5，切换至ev2为整车负载供电。

（2）电池ev2切换至电池ev1

ev2为整车供电期间，假设ev1通过某种形式获取能量补充，电量充足的情况下，当l点电位降到设定阈值时，q4、q5先后导通，此时，ev1经buck降压与ev2并网；关断q2，调节pwm占空比，使l点电位提升；当其电位接近ev1电压时，导通q1，关断q4、q5，实现换电目的。

本发明提供了一种智能不停车电池自动切换系统，通过控制电路，实现两组电池之间的自动切换，用户无需停车，且切换过程平滑，给了用户很好的一种体验感和便捷性；利用电子开关（mosfet/igbt）取代断路器等机械开关，运用斩波技术对电源进行电能转化，计算机实时检测并操控，在电源切换时起到缓冲作用，避免产生尖峰电流/电压对负载造成冲击；克服了人工手动换电，提高用户驾驶体验，加强整车安全稳定性，保证车辆正常行驶。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。