CN101442259B - 直流并串联转换供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种将两组直流电源进行并联或串联连接后向用电器供电的技术领域，特别是向电动自行车和电动汽车的供电技术。该供电技术，包括直流并串联转换器12，直流并串联转换器12设有直流电源接线4、直流电源接线5能与直流电源A13、直流电源B14连接，并设有一对正负导线直流输出接线7与用电器正负接线连接。本发明的优点：仅用一个开关实现并串联转换，解决了常见多支开关实现并串转换时的因开关不同步造成的转换失败和电池短路，本发明结构简单，工作可靠，将两组直流电源以常态并联低电压输出和需用时串联高电压输出，减小大电流对电池的损伤，减少废电池组中可用电池的数量，减小充电串行电池支数，提高电池放电效率，高低速分段操作利于安全，可随时装配不同的供电需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种将两组直流电源进行并联或串联连接后向用电器供电的技术领域，特别是向电动自行车和电动汽车供电的技术。
背景技术
目前，公知的电动车直流无刷电机控制器是只接受一路电源输入的用电器，由于目前电动车上使用的电源是由电压为12V的电池串联构成的电压为24V、36V或48V直流电源组，24V电池组使用寿命可长达3到4年，36V电池组使用寿命可达2年左右，但这两种电池组电压都较低，使用这两种电源组的电动车启动无力、上坡困难、续行里程极短。48V电池组虽然能适应电动车启动、上坡、续行里程的要求，但又因电池组单支串联支数过多，串联电池的差异概率增大，这就导致在串联放电及充电过程中容量最小的单支电池始终过度放电和充电量不足，使得单支电池容量衰减过快，往往不到一年容量就低于原容量60％。由于串联电池组的容量等于串联组中最小电池容量，单支电池容量和使用寿命就决定整组电池容量大小及使用寿命长短。所以，串联电池组每增加一支电池，整组电池的循环充放电使用寿命将缩短一倍。由于多支电池在经过长期使用后各种匹配参数变化，变化后的匹配参数又难在电池销售点测定，则就不能在电池销售点提供未坏或还能使用的保留电池参数相匹配的新替换电池。加之商业上的保修期等问题，导致电池组中有一支电池坏了就把还可用的另2支或3支全报废，这既浪费资源、提高费用又多增加了2-3倍的废电池污染。
公知的方式要想提高电动车速度和续行里程，只能依靠增加电源的串联电池数量来完成，即用5支或6支12伏电池串联供电，而增加电池串联支数又会成倍缩短电池使用寿命，并且成倍增加报废电池数量。相配套的充电器也必需相应提高电压和功率，既不安全，也容易产生故障，所以单组的电源供电，限制了电动车的适用性和发展。现在一个电动车控制器只由一个调速转把控制输出电压，控制方式过于单调且无阶段性，使用者往往是从启动开始就将调速转把迅速转至最大角度，从而降低了速度的感知度和安全的警戒度，且供向电机的电压立即到达输入电压的上限，同时导致电机功率上升过快，电流过大，电机发热，电机寿命缩短。
要解决这些问题，就需要多组直流电源并串联转换供电，但常用的并串联转换方式由多个开关、继电器和逻辑阵列协同工作完成，存在着开关不能完全同步而造成并串联转换失败和蓄电池短路的危险。
发明内容
本发明的目的是提供一种可接受两组直流电源输入，并可根据实际用电需要，仅用一个开关实现将两组直流电源进行并联或串联连接后向用电器供电的直流电源供电系统。目前常用的电动车采用铅酸蓄电池作为动力电源，铅酸蓄电池的短时放电最大电流不能超过15A，长时放电电流不能超过6A电流，否则，电池会受到极大的损坏。但实际设计中，公知的电动车供电系统为保障启动的力量和匀加速速度，只能是超过这个电流标准，这就导致电池的使用寿命很短。而本发明在电动车启动或低速行驶时将两组电源并联后向控制器控电，并联的分流作用使得单组电池的分担的启动电流不超过15A，低速匀加速时电流不超过6A，而实际设计中，电流还可以更低。当电动车进入高速行驶时，本供电系统可以将两组电源由并联连接方式切换至串联连接方式后向控制器供电，因为串联电压是分电源电压之和，电机功率不变，本供电系统的限流电路可以将电流限制在6A以下，而保障快速匀加速速度。也就是在电动车低速阶段向电动车的控制器提供并联低电压大电流，在高速阶段向电动车的控制器提供串联高电压小电流的电源，而电动车电池的放电电流总体下降一半，同时将电源的充电串联支数减半，并提供两组电源灵活配组使用的可能，从而成倍减少报废电池数量，大幅增加电池利用率。
本发明的结果是：用一个开关，安全可靠地实现对输入的两组直流电源进行并联或串联转换连接，对一个用电器用两组直流电源供电，其供电分为并联低压供电和串联高压供电的两种方式。其主要技术方案就是由一个开关实现两组电源的并联和串联转换，以获得不同电压和电流的供电电源。
本发明包括直流并串联转换器12、直流电源A13、直流电源B14、用电器15、第一直流电源接线4、第二直流电源接线5、第一直流输出接线6、第二直流输出接线7构成的供电系统，其连接的结构是：直流电源A13的正负导线通过第一直流电源接线4与直流并串联转换器12连接，直流电源B14的正负导线通过第二直流电源接线5与直流并串联转换器12连接，用电器15的正负导线通过第一直流输出接线6和第二直流输出接线7与直流并串联转换器12连接。直流并串联转换器12包括第一开关1、第一整流二极管2、第二整流二极管3、第一直流电源接线4、第二直流电源接线5、第一直流输出接线6、第二直流输出接线7、控制开关电路8、控制信号线9、第二开关10、控制器限流接线11。在第一直流电源接线4、第二直流电源接线5的正导线之间连接有第一整流二极管2，在第一直流电源接线4、第二直流电源接线5的负导线之间连接有第二整流二极管3；当第一开关1为开路状态时，第一直流电源接线4与第二直流电源接线5构成并联连接关系；当第一开关1为闭合状态时，第一直流电源接线4与第二直流电源接线5构成串联连接关系。
本发明总体结构为：与直流并串联转换器12连接的控制信号线9输入的电气特征被控制开关电路8接受后，确定对第一开关1实施开路或是闭合处理，当第一开关1开路时，由第一直流电源接线4和第二直流电源接线5输入的直流电源A13与直流电源B14形成并联连接关系，第一直流输出接线6和第二直流输出接线7的正负导线两端都为并联后的电压；而当控制开关电路8触发闭合第一开关1时，第一直流电源接线4和第二直流电源接线5输入的直流电源A13与直流电源B14形成串联连接关系，第一直流输出接线6对直流电源B14构成输出，而第二直流输出接线7对直流电源A13与直流电源B14构成的串联连接构成输出。
在使用状态中，控制开关电路8通过控制信号线9与电动车调速转把、直流电机、电机控制器及其它具有电气特征的部件相连，当电机转速慢、调速转把角度小或者其它情况下时，控制开关电路8将第一开关1置为开路状态，通过第一直流电源接线4和第二直流电源接线5接入的直流电源A13与直流电源B14形成并联连接，并通过第一直流输出接线6向灯光、仪表、电门锁线等提供直流电源B14的用电电压，同时通过第二直流输出接线7向控制器输出直流电源A13和直流电源B14构成的并联供电电源。因为一组电动车铅酸蓄电池短时间内可以承受最大15A电流，所以，电动车控制器此时就算需要28A启动电流，单组电池也不会超过15A放电电流而损伤电池。随着电动车加速，电机的效率逐渐增加，所需电流逐渐减小，当电动车电机到达匀加速转动时，两组并联电源各自的放电电流比过去单组电源放电时减小一半，电机到达这个电压下的最高转速。如果还需要再增加电机的转速，可以通过控制信号线9向控制开关电路8发出信号，控制开关电路8将第一开关1置为闭合状态，通过第一直流电源接线4和第二直流电源接线5接入的直流电源A13与直流电源A14形成串联连接，并通过第一直流输出接线6将直流电源A14与灯光、仪表、电门锁线等用电器连接，同时通过第二直流输出接线7将直流电源A13与直流电源A14构成的串联电源与用电器15连接，因为串联电压倍增，在保持电机相同转速时，电流可以相对成比例减小，控制开关电路8同时将第二开关10置为闭合状态，控制器限流接线11接通，电池放电电流被限制在合理的状态下，电机逐渐达到此受限电流和串联电压下的最高转速。第一直流电源接线4和第二直流电源接线5构成并联或串联连接，由第一开关1决定，第一开关1的状态由控制开关电路8通过接收到的控制信号线9的电气特征决定。
控制信号线9的电气特征及控制开关电路8的实际实现形式不由本发明确定；第一开关1的电气特征不由本发明确定；第二开关10和控制器限流接线11构成的限流控制实际实现形式不由本发明确定。
本发明所述的第一开关1、第一整流二极管2、第二整流二极管3、第一直流电源接线4、第二直流电源接线5和第二直流输出接线7构成的接线方式是能改变直流电源输出电压及电流形式的各种装置的某一种装置。
本发明的优点：
1、仅用一个开关实现并串联转换，结构简单，工作可靠：传统的并串联转换需要多支开关协同完成，容易出现因同步不好造成的触点打火、转换失灵和电池短路，而本发明仅用一个第一开关1实现将直流电源A13与直流电源B14构成并联或串联连接，结构简单，工作可靠。
2、使多组直流电源多档式并串联转换的实现成为可能：将直流电源A13与直流电源B14用本发明代替就可以实现4组直流电源的三档式并串联转换，由于只有一支开关，这种代替可安全可靠地进一步实现更多电源的并串联转换。
3、减小启动电流对电池的损伤：350W电机的启动电流在20A左右，对电池极板的冲击性损伤很大。本发明当直流电源A13与直流电源B14以并联方式连接时，电动车较大的启动电流被并联分流，一组电池只承担10A电流，这大幅减小了启动电流对电池极板的损伤。
4、减小电机快速转动时电流对电池极板的损伤：350W电机在48V电压工作状态时，要维持每小时30公里速度，需要7-8A电流。350W电机使用本发明的两组36V串联高压供电时，维持同样的车速只需要4.5A电流，这样就减小了电流对电池极板的损伤，增加了电池循环使用寿命。
5、减小对电机的损伤：350W电机用单独48V电池供电启动时，控制器激励功率达到960W，很容易因为启动时调速转把转动过快造成控制驱动过快，产生对电机的损伤，而本发明的串联快速行驶档是当电机转速达到一定值为前提的，所以，可以减小了对电机的损伤。
6、提高电池的放电效率，增加续行里程：电池的容量与放电电流成反比，如果一组电池用10A恒定电流放电可以放出10AH容量，那么用5A恒定电流放电就可以放出12AH容量，用3A恒定电流放电可以放出13.5AH容量，当放电电流减小时，电池的放电效率更高。本发明使电池的平均放电电流减小，可以有效增加电池的放电效率，增加电动车的续行里程。
7、两组电池自动形成的互补保护：本发明的并联电路因为整流二极管的单向导通性阻止了电池组间的电荷互相流动，并联状态下的两组电池在荷电状态不同时，内阻小的电池组的分配放电电流大于内阻大的电池组，电势差高的电池组的分配放电电流大于电势差低的电池组，因此，两组电池自动形成互补保护。
8、更加合理高效地分阶段使用电能：当电动车在较为拥堵的道路上骑行时，如果采用单组48V供电设计，最高车速相对道路条件较快，容易产生操作者无意识的非主动超速、频繁刹车制动、启动，浪费掉很多电能。而本发明实现的两种连接方式可以将电动车的骑行划分为并联低速节电行驶和快速行驶的两档位状态，更加合理高效地分阶段使用电能，增加电动车续行里程。
9、减少电池组充电时的串联支数，电池循环使用寿命更长：充电电池组串联支数减半，可提高电池组充电一致性，充电电压减半，充电更安全。另一方面因为第一整流二极管2和第二整流二极管3的单向导通特性可以杜绝电池并联充电的缺陷，从而保持串联电池电压一致性和容量一致性，保障电池的循环使用寿命。
10、为不失水的快速、修复性充电设计的实现提供了可能：本发明的设计将电源分为了两组，这样，就可以对两路电源分别充电，这种分别充电可以使用间歇式轮流充电实现，为实现大电流、低电压、去极化式的快速、修复性充电创造了基础。如采用6A电流间歇充电，可以实现充电一分钟，骑行一分钟。
11、减少电池深度放电的可能：使用本发明的电动车采用两组36V电池并串联转换供电设计，比使用单组同容量48V电池设计的电动车骑行里程增加70％，减少了电池深度放电的可能。
12、减少废电池组中可用电池的数量：直流12V电池用在电动车上，其循环充放电次数与电源串联电池支数成反比，基本是每多串联一支电池，整组电池的循环使用寿命下降40％，如，由两支电池串联成的24V电源可循环充放电700次，由三支电池串联成的36V电源可循环充放电次数下降为350次，4支串联的48V循环寿命就只有200次了，而这种整组电池容量的损失只是串联组中的一支电池容量损失造成的，单组电源的设计会因为一支电池的容量损失造成整车电池的报废。本发明的设计，将多支电池分为两组24V或两组36V使用，这样可以定期检测电池容量，重新配组，并逐一将容量减小的单支电池移向直流电源A13的电池组中，保证直流电源B14的容量始终保持在100％，当直流电源A13的容量下降了60％时，整车的续行里程仅下降30％。这时直流电源A13依然具有分流保护和串联升压的作用，只有当整车续行里程下降50％时，直流电源A13电池组才是真正意义的报废，这时仅更换直流电源A13电池组就可以完全恢复整车的续行里程。这样，就成倍地增加了电池的循环使用寿命，减少了电池使用成本和废电池污染。
13、两档式供电更利于保护电池：当电池电量下降到一定程度时，电机转速下降，不能构成对第一开关1的触发闭合条件，电动车只能在并联低压档骑行，电池在并联低压档时的放电电流很小，更利于保护电池，这就将电池放电保护分为了两级，。
14、两档式分段操作更加安全：两档式分段操作将原有的车速分为了两个阶段，在并联状态时可使速度保持在安全限内，在串联状态时通过另行操作实现，这就将电动车行驶分为了安全行驶和快速行驶两个显著的阶段，从而保持操作者对速度的感知度和对安全的警戒度。
15、可随时满足不同的供电需求：对于不同的供电需求，本发明通过是否加载直流电源A13或是否使用串联方式可改变整车重量、最高车速和续行里程，如不需要骑行太远并且不需要快速行驶，可以只使用一组电源，如果需要长距离行驶，可以减少串联状态的使用，如果需要快速行驶，可以采用串联状态，这样一辆电动车可适合更多的使用者。
16、节约电池成本、方便取下电池充电：使用两组36V10AH电池并串联转换供电与使用48伏20AH单一电源供电的电动车续行里程相同，但两组36V10AH电池比一组48V20AH电池成本低20％，而且，一组48V20AH电池重28公斤，很难从电动车上取下来充电，而两组24V或是36V10AH电池可以轻松从电动车上取下来充电。
17、减小电动车“瘫痪”的可能性：电动车是交通工具，路面颠簸可能造成电池盒内连接导线脱落或是电池内极板断裂，公知单一电池组供电时，遇这种情况时，电动车肯定“瘫痪”，而本发明的设计中两组电源可互为备用，电动车不会“瘫痪”，且能迅速确定故障点。
附图说明
图1是本发明的各组件的连接结构示意图；
图中1是第一开关、2是第一整流二极管、3是第二整流二极管、4是第一直流电源接线、5是第二直流电源接线、6是第一直流输出接线、7是第二直流输出接线、8是控制开关电路、9是控制信号线、10是第二开关、11是控制器限流接线、12是直流并串联转换器、13是直流电源A、14是直流电源B、15是用电器。
具体实施方式
1、制作直流并串联转换器12：按图的直流并串联转换器12制成直流并串联转换器，控制开关电路8设有3根连线接受电机转动时从相线感应的馈电，并通过三相桥式整流电路转变为直流电连接到逻辑器件上，由逻辑器件判断电机转速并触发第一开关1和第二开关10。
第一开关1的两个触点与第一直流电源接线4的负导线和第二直流电源接线5的正导线相连。
2、连接安装：按图把直流电源A13的正负导线与第一直流电源接线4连接，把直流电源B14的正负导线与第二直流电源接线5连接；用电器15的电机相线与控制信号线9连接；第一直流输出接线6的正导线连接用电器15的仪表、灯光、电门锁，电门锁出线接连用电器15电动车控制器，第一直流输出接线6的负导线与所有用电器的负极连接；第二直流输出接线7的正导线连接用电器15电动车控制器的正导线；控制器限流接线11与电动车控制器限流限速线连接；用电器如果是电动车的控制器、直流电机、灯光、仪表等的集合，则该电动车就是有两组电池并联低压和串联高压的分两档供电的电动车。在第一直流电源接线4、第二直流电源接线5的正导线之间连接有第一整流二极管2，在第一直流电源接线4、第二直流电源接线5的负导线之间连接有第二整流二极管3；
本发明用于电动自行车或电动汽车时，电池组可以是由多支电池串联构成的24V、30V、36V等种常用电池组，并联低压常用行驶时，第一开关1开路，两组电池并联连接，第二直流输出接线7分别以24V、30V或36V向电动车控制器供电；当速度到达一定值时，电机相线馈电电压上升，控制开关电路8将第一开关1闭合，两组电池串联连接，第二直流输出接线7分别以48V、60V或72V向电动车控制器供电。
控制开关电路8也可以接受其它形式的判断条件和连接，以确定对第一开关1和第二开关10的触发闭合。控制器限流接线11也可单独设计为限流电路。
Claims (7)
1.直流并串联转换供电系统，包括直流并串联转换器(12)，直流并串联转换器(12)设有能与两组直流电源连接的第一直流电源接线(4)和第二直流电源接线(5)，直流并串联转换器设有能与用电器连接的第一直流输出接线(6)和第二直流输出接线(7)，其特征在于：在第一直流电源接线(4)、第二直流电源接线(5)的正导线之间连接有第一二极管(2)，在第一直流电源接线(4)、第二直流电源接线(5)的负导线之间连接有第二二极管(3)；当第一开关(1)为开路状态时，由第一直流电源接线(4)和第二直流电源接线(5)输入的直流电源A(13)与直流电源B(14)形成并联连接关系；当第一开关(1)为闭合状态时，第一直流电源接线(4)和第二直流电源接线(5)输入的直流电源A(13)与直流电源B(14)形成串联连接关系；直流并串联转换器(12)中还设有控制开关电路(8)，控制开关电路(8)中设有控制信号线(9)，控制信号线(9)与用电器(15)中的电机相线连接，接受电机转动时从相线感应的馈电，将馈电转变为直流电连接到控制开关电路(8)内部的逻辑器件上，由逻辑器件判断电机转速并触发直流并串联转换器(12)中的第一开关(1)和第二开关(10)。
2.根据权利要求1所述的直流并串联转换供电系统，其特征在于：直流并串联转换器(12)还包括控制信号线(9)与控制器限流接线(11)；其中，直流电源A(13)的正负导线分别与第一直流电源接线(4)的正负导线连接，直流电源B(14)的正负导线分别与第二直流电源接线(5)的正负导线连接；第一直流输出接线(6)的正导线与用电器(15)中的仪表、灯光和电门锁相连接，电门锁出线接连用电器(15)中的电动车控制器，第一直流输出接线(6)的负导线与用电器(15)中的仪表、灯光和电门锁的负极连接；第二直流输出接线(7)的正导线连接用电器(15)电动车控制器的正导线；控制器限流接线(11)与电动车控制器限流限速线连接；第一开关(1)的两个触点分别与第一直流电源接线(4)的负导线和第二直流电源接线(5)的正导线相连。
3.根据权利要求1所述的直流并串联转换供电系统，其特征在于：仅由一个第一开关(1)完成两路直流输入的并串联连接转换。
4.根据权利要求1所述的直流并串联转换供电系统，其特征在于：直流并串联转换器(12)还能够对2组以上的直流电源进行并、串联转换。
5.根据权利要求1所述的直流并串联转换供电系统，其特征在于：直流并串联转换器(12)设有当直流电源A(13)与直流电源B(14)串联时接通限流电路。
6.根据权利要求1所述的直流并串联转换供电系统，其特征在于：直流并串联转换器(12)位于电动自行车或电动汽车控制器内部。
7.根据权利要求1所述的直流并串联转换供电系统，其特征在于：直流电源A(13)、直流电源B(14)是电动自行车或电动汽车直流12-60伏直流电源。
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