CN101927707A - 一种换电池电动汽车的电池及电动机组合使用系统 - Google Patents

Abstract

本发明有关一种通过更换电池补充能源的电动汽车的电池及电动机组合使用系统。该系统通过在使用多组可更换化学蓄电池组的电动汽车中，安装数量大于等于化学蓄电池组数的电动机，来确保不同组的蓄电池不会混用；同时在该电动汽车上固定安装与化学蓄电池组组数相同的大功率飞轮电池，并通过控制电路连接并控制这些电池和电动机，就可以在不发生电池混用的前提下，达到符合用户使用习惯的，既可短时间大功率输出，又可长时间稳定工作，并且不必增重太多的动力系统。同时利用飞轮电池的高耐候性，为化学蓄电池组增加带有可利用飞轮电池能量进行电加热或鼓风的保温外壳，解决了恶劣环境化学蓄电池无法工作以及空调加热节能等问题。

Description

一种换电池电动汽车的电池及电动机组合使用系统

技术领域

本发明有关一种通过更换充电电池补充能源的电动汽车的电池及电动机组合使用系统。

背景技术

电动汽车补充能源的方式目前常见的设计中主要采用充电的方式，也有一部分采用更换电池的方式。其中充电的方式虽然结构相对简单，产品容易设计，但是始终无法解决正常充电时间过长，快充又影响电池寿命的问题，而且快充也需要很长时间并且充电量过少无法充满，对用户的使用会造成极大的不便。在可预见的很长的未来之内，这样的电动汽车与传统的汽柴油车辆相比，用户的使用方便程度必然大幅度下降，产品性能也大打折扣。而采用更换电池的方式固然可以做到迅速补充能源，但是更换电池的方式本身就带来了一系列新的难题，主要是信任问题、电池回收责任问题和不同电池混用的问题。此外，更换电池需要将电池标准化，又可能影响汽车设计制造的灵活性等。其中信任问题和电池回收责任问题可以通过电池的数字认证、网络管理和专门的结构设计等来解决；而不同电池不可以混用的问题，以及影响汽车设计制造灵活性的问题，则必须在电动汽车对电池和电动机的组合使用方法的设计上进行解决。除这些主要问题外，我们还看到一系列电动汽车需要解决的问题：电动车辆在行驶中的功率消耗并不均匀，绝大多数时间需要的功率并不很大，只有少量时间需要大功率输出，而能够满足大功率输出的化学电池必然非常沉重，会严重影响汽车性能；与燃油汽车不同，电动汽车的发热量较少，因而空调制热的热源需要尽量节约能源；在低温或高温的环境下，化学蓄电池无法工作造成汽车无法使用，等等。

目前可以供电动汽车使用的电池主要有多种化学电池如镍氢电池、镍镉电池、锌空气电池、锂离子或锂聚合物电池等，以及较特殊的物理电池——飞轮电池。其中飞轮电池虽然能量密度与化学电池类似，功率密度则远远大于化学电池，除不宜扭动转轴外，对外部环境没有任何要求，充放电次数也不受限制，只是成本过高，安装略为复杂，但这就为我们解决一系列问题提供了一个良好的途径。此前有一些着眼于解决前述部分问题的专利设计，例如利用飞轮电池提高瞬间输出功率和回收能量的专利设计如申请号为200310118998.7、公开号为CN1554545的《电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法》，其设计中未考虑不同电池不宜混用的问题以及如何更好利用飞轮电池增强汽车性能的问题，也没有考虑及时补充飞轮电池能源的设计，未能充分发挥飞轮电池的作用。

本发明的目标就是通过适当设计完整解决前述这些问题，其中，首先要解决的问题，也是该系统可以成立的前提，就是要满足在电池实现标准化后，能够在不影响汽车设计灵活性的前提下，在系统设计上避开电池混用的问题；随后，还要利用飞轮电池特有的大功率输出能力的特性，使得电池系统在能够频繁地提供短时间的大功率输出的前提下，减轻重量；同时，能够让用户在接近现有驾驶习惯的前提下，灵活使用大功率输出；再就是利用飞轮电池工作状态不受外界环境，特别是温度的影响的特征，解决化学蓄电池在低温或高温环境启动的问题；并通过保温装置等，减少不必要的热能损失。

发明内容

在本系统中，首先要解决的就是在设计层面上避开电池混用的问题，因此，使用该系统的电动汽车在使用多组化学蓄电池时，就必须要设计有多个电动机，电动机数量大于等于化学蓄电池组数，这样，就很容易确保每个电动机只从一个化学蓄电池处获得能源，避免了不同的电池混用的问题。当有多个电动机的时候，这些电动机可以分别单独驱动不同的车轮，例如四个车轮配备四个电动机；或者两个电动机分别驱动前轮组和后轮组；也可以多个电动机驱动一根转轴，这根转轴驱动一个或多个车轮，这就为汽车设计提供了足够的灵活性。同时为了提升瞬间功率输出，本系统又配备了飞轮电池，由于飞轮电池特有的大功率输入输出能力，而且汽车驾驶过程中，除了急加速、上坡，高速情况下的加速几种情况外，需要大功率输出的时间并不是很多，因而可以由飞轮电池负责这部分时间对电动机的能量提供。同时考虑到应尽量让飞轮电池的充电时间缩短以满足用户随时可能需要的大功率输出，而又不能由多个化学蓄电池同时为一个飞轮电池充电引起电池混用，同时考虑到飞轮电池价格较高，因而最佳选择是飞轮电池数量与化学蓄电池组数数量相同。电池组如果因为采用更换方式而标准化了的话，则储电能力和持续输出功率也就变成了标准化的情况，对汽车设计而言只能靠增加电池组数来调整，但是固定安装在车上的飞轮电池部分，和使用的电动机功率、组合方式等则可由汽车设计者任意发挥，再加上汽车平稳驾驶等低功率使用的时间居多，此时化学蓄电池的输出功率应该已经满足需求，而大功率输出时又可以用不需要标准化的固定安装在汽车上的飞轮电池负责输出，因而汽车设计者在可更换的电池组被标准化后，依然可以根据需求设计出各种动力水平的电动汽车，设计上的灵活度几乎不受影响，被标准化的蓄电池基本上只相当于传统燃油汽车的油箱容积被标准化，而油箱个数又不受限制。由于考虑到各个化学蓄电池最好能够接近于同步地消耗能量以保证在电能用完之前，所有电池都可以处在工作状态，而无论每个电动机、每个飞轮电池、还是每个车载用电器的消耗都是动态变化的，因而控制电路应该能够灵活地控制每个电池组轮流为各个需要供电的单元，如电动机、飞轮电池和车上其它用电器进行供电，以保证各个化学蓄电池可以基本保证同步消耗电能。当然，在供电过程中，控制电路依然必须保证不能够混用的电池不可同时为一个目标供电。再考虑低温环境运行时化学蓄电池的工作温度问题，由于飞轮电池的工作不受温度限制，因而系统为化学蓄电池设计了保温外壳，并安装了电加热和鼓风降温的装置，在汽车启动温度过低时，首先由飞轮电池为电加热部分供电，让化学蓄电池快速进入工作状态；而化学蓄电池温度过高时，又可以用鼓风机进行散热，同时考虑到电动汽车运行状态发热较少，还可以利用化学蓄电池的发热作为寒冷天气时汽车空调制热能源的补充。基于前面的设计，飞轮电池内储存的电能可以用于多方面用途，且不受环境等的影响，没有充放电次数的限制等，因而控制电路应在化学蓄电池能力所及范围内，尽量为飞轮电池充足电能，如低速行驶、减速、下坡、停车等需要功率较少甚至不需要功率输出的情况，控制电路均应控制化学蓄电池一边为电动机和车载用电器等提供电能，一边为飞轮电池提供电能，并且在汽车刹车反相吸能供电的时候，优先为飞轮电池充电。总之，尽量保持飞轮电池能量满载，随时为驾驶者可能需要的大功率输出做好准备。在驾驶者将车辆完全停下关机之后，也要控制化学蓄电池把飞轮电池充满电以备启动之用；另外更换电池时，还要依赖飞轮电池中的电能继续维持车载用电器的运转。为了让驾驶者能够更清楚地了解目前电池的工作状态，特别是飞轮电池的储能情况，必须有专门的能量显示系统，这样的设计也恰好符合传统驾驶者的习惯，尤其类似于改装车辆常用的NOS氮气加速系统，便于驾驶者掌握其驾驶情况。总之，本发明的设计，系统解决了可更换电池的电动车辆的电池不可混用问题、大功率输出问题、符合用户传统使用习惯问题、高低温环境启动问题、空调制热时节能的问题，以及提供电动汽车设计者足够设计灵活性的问题。

附图说明：

附图为采用本发明的一种组合使用方式情况的整体原理示意图。

其中，1为三组可更换的化学蓄电池组，每组化学蓄电池分别通过电源线和数据线与控制电路5相连接，2为三个固定安装在电动汽车上的飞轮电池，每个飞轮电池分别通过大功率电源线和数据线与控制电路5相连接，3为一个独立输出动力的电动机，该电动机通过大功率电源线和数据线与控制电路5相连接，4为两个电动机通过组合结构共同驱动一根转轴输出动力的机构，5为本系统的控制电路，6为安装在三组可更换的化学蓄电池组1内的测温装置，该测温装置通过数据线与控制电路5相连，7为针对化学蓄电池组1的电加热设备，通过电源线与控制电路5相连接，8为能量显示系统，通过数据线与控制电路5相连接，9为带有可封闭的进出风口的保温外壳，其内安装有可更换的化学蓄电池组1和针对化学蓄电池组1的电加热设备7，并在进风口处安装有鼓风设备10出风口处安装有可以控制热风通向何处的导流阀门11，12为车载的其他用电器，分别通过多路电源线与控制电路5相连接，13为能量回收装置，通过大功率电源线与控制电路5相连接。

具体实施方式：

根据本发明设计，采用了如附图所示组合方案的电动汽车，当驾驶者启动时，首先由测温装置6检测化学蓄电池组1的温度，如果温度低于可正常工作的最低温度，则通过能量显示系统8提示驾驶者此时需原地热车，同时封闭保温外壳9的进出风口并通过控制电路5接通飞轮电池2和电加热设备7，开始为蓄电池组1加热，车载用电器12由飞轮电池2供电，直到化学蓄电池组1的温度达到最低工作温度，此后车载用电器12由化学蓄电池组1供电；如果启动时测温装置6检测到温度高于正常工作温度范围，则通过能量显示系统8提示驾驶者此时需原地降温，同时打开保温外壳9的进出风口并开始鼓风，车载用电器12由飞轮电池2供电，直到化学蓄电池组1温度达到正常工作温度范围，此后车载用电器12由化学蓄电池组1供电；汽车停止，未启动电动机3和4，化学蓄电池组1工作温度正常，且飞轮电池2能量不满时，控制电路5控制三个化学蓄电池组1分别为三个飞轮电池2供电；汽车的电动机3和4启动时，控制电路5首先使用三个飞轮电池2分别为三个电动机供电以满足启动瞬间的大电流需求，随后如驾驶者没有大油门加速而是正常行驶，电动机3和4的功率需求小于化学蓄电池组1的最大功率输出，则切换到用三组化学蓄电池1分别为三个电动机3和4供电，同时用三组化学蓄电池1分别为三个飞轮电池2补充电能，直到三个飞轮电池2的储电量接近最大容量为止，在供电过程中，如果控制电路5检测到三组化学蓄电池剩余电量产生了一定差别，则可控制三组化学蓄电池1交替输出对象，以控制三组化学蓄电池1的剩余电量尽量接近；如果驾驶者在行驶过程中踩下刹车，则控制电路5立刻停止为电动机3和4供电，也停止通过三个化学蓄电池组1为三个飞轮电池2供电，转为通过能量回收系统13为三个飞轮电池2分别供电，直到三个飞轮电池2的储电量均达到最大容量或刹车停止，如三个飞轮电池2的储电量达到最大容量时驾驶者仍在刹车，汽车仍在前进，能量回收系统13仍在供电，则控制电路5再转为为三组化学蓄电池1分别供电或者直接将这部分能量通过电阻消耗掉；当驾驶者通过能量显示系统8看到飞轮电池能量充足的时候，大油门加速或上坡行驶的话，则控制电路5立刻转为用三个飞轮电池2分别为三个电动机3和4供电，期间三个飞轮电池2亦可交替为三个电动机3和4供电，以控制三个飞轮电池的剩余电量尽量接近；当飞轮电池2能量不足的时候，如驾驶者仍大踩油门的话，则通过能量显示系统8提示驾驶者能量不足，控制电路5继续控制三组化学蓄电池1分别为电动机3和4供电，同时为三个飞轮电池2补充电能，直到飞轮电池2已有一定能量，才在驾驶者大踩油门时，转用飞轮电池2为电动机3和4供电；当用户需要更换化学蓄电池组1的时候，控制电路5在确保飞轮电池2储有足够能源后，再通过能量显示系统8提示用户可以卸载化学蓄电池组1，在更换过程中，汽车的各项用电暂时由飞轮电池2提供；当用户停车并关闭电动汽车时，如控制电路5检测到飞轮电池2的能量不满时，则应控制三组化学蓄电池1分别为三个飞轮电池2充电，期间供电对象可交替，以确保三组化学蓄电池的剩余电量接近相同，直到飞轮电池2的电量全部充满为止；当三组化学蓄电池1被卸下后，无论是充电还是安装到其他车辆上，每辆车上的组与组可以拆散混用，但每组内的一块或多块化学蓄电池仍为一起使用，不得拆散使用；当保温外壳9内温度较高且驾驶者需要热风空调时，导流阀门11可以控制将一部分比例的热风提供给驾驶舱，另一部分比例的热风直接排放掉，当驾驶者不需要热风或者保温外壳9内温度不够高时，导流阀门11也可以将全部风都排放掉，不输送到驾驶舱。

Claims (9)

1.一种换电池电动汽车的电池及电动机组合使用系统，其特征在于，使用该种方法的电动汽车，其为汽车电动机提供电能的储能电池部分，由可方便通过更换电池补充能源的一组或多组化学蓄电池提供，其中每组化学蓄电池为一块单独使用或多块电池串联使用；同时电动汽车上固定安装有与化学蓄电池组数数量相同的飞轮电池，每个飞轮电池的最大输出功率大于一组化学蓄电池的最大输出功率；使用该系统的电动汽车上用于驱动汽车的电动机的数量大于等于化学蓄电池组数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，一个或多个飞轮电池、一组或多组化学蓄电池、电动汽车的一个或多个电动机的电源线路均通过控制电路相连，电流的流向和大小受控制电路控制；飞轮电池、化学蓄电池组、电动汽车的电动机与控制电路之间还有数据线路相连，控制电路可以通过该数据线路检测和控制飞轮电池、化学蓄电池、电动汽车的电动机的工作情况；汽车其他部分的供电如空调音响等也分别通过控制电路从这些电池中获得。

3.根据权利要求1、2所述的系统，其特征在于，化学蓄电池的安装处外部有可以封闭的保温外壳，并在保温外壳内安装有鼓风设备和针对这些化学蓄电池组的电加热设备，且每个电加热设备的电源线路与控制电路相连接；化学蓄电池部分还安装有可以测量温度的装置，该装置通过数据线路与控制电路相连接；在化学蓄电池温度较高时，保温外壳进出风口打开，通过鼓风为电池降温，并可以根据需要用出风处的导流阀门控制以该蓄电池作为热风源向汽车的驾驶舱吹送热风作为空调热源；电池温度过低时则停止鼓风，封闭保温外壳，利用加热设备快速为电池加温；汽车停止使用时，如外围空气过冷，则保温外壳可以封闭保温。

4.根据权利要求1、2所述的系统，其特征在于，该系统中有可以提示驾驶者每部分电池最大可储存能量、当前剩余能量及最大输出功率和即时消耗功率以及各组化学蓄电池的温度的能量显示系统，飞轮电池和各组化学蓄电池各自通过数据线路，经过控制电路与能量显示系统连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统中如有多个汽车电动机时，这些电动机的动力输出方式的一种情况为一个电动机单独驱动汽车的一个车轮或一排车轮组；另一种情况为几个电动机共同驱动一个转轴，该转轴可为一个或多个车轮提供驱动。

6.根据权利要求1、2所述系统，其特征在于，当该系统中有多个化学蓄电池组，多个电动机时，任何时刻，每个电动机只能从一个化学蓄电池组或一个飞轮电池处获得电能，但每组化学蓄电池或每个飞轮电池可以为多个电动机供电；每组化学蓄电池亦可在为一个或多个电动机供电的同时，为一个飞轮电池充电。

7.在汽车运行及停止的过程中，控制电路可以根据各组化学蓄电池的剩余电量，交替使用各化学蓄电池组为不同电动机和飞轮电池以及汽车的其他部分如空调、音响等供电，使各组化学蓄电池剩余电量情况接近相同。

8.根据权利要求1、2、3所述的系统，其中的控制电路在汽车正常行驶，消耗功率小于全部化学蓄电池最大可输出功率时，控制由各组化学蓄电池一边为各个电动机提供电能，一边为飞轮电池充电，直到每个飞轮电池电量接近最大可储存能量为止；在汽车上坡或者需要加速的时候，即电动机所需功率大于全部化学蓄电池组最大可输出功率时，如飞轮电池中有足够能量，控制电路可控制一个或多个飞轮电池代替一组或多组化学蓄电池为一个或多个电动机供电，提供一定时间的大功率输出；当汽车制动，能量通过能量回收装置回收，反向供电时，控制电路停止对电动机的供电，并让能量回收系统向各个飞轮电池分别进行供电，直到全部飞轮电池达到最大可储存能量，再向化学蓄电池组轮流供电或者直接将该部分能量通过电阻发热消耗掉；在汽车启动时，如果有化学蓄电池处安装的温度测量装置探测到该化学蓄电池此时温度低于该化学蓄电池的正常工作所需最低温度，且飞轮电池中储备有足够的电能，则通过能量显示系统提示驾驶人员需要对电池加热，需要原地热车，同时封闭保温外壳，控制电路控制飞轮电池为化学蓄电池的电加热设备提供电能，提高该化学蓄电池的温度，直到达到该化学蓄电池正常工作所需的最低温度，再启动该化学蓄电池组；如汽车启动时有化学蓄电池温度过高，且飞轮电池中储备有足够的电能，则通过能量显示系统提示驾驶人员需要对电池降温，需要原地散热，同时打开保温外壳通风口，启动鼓风设备，降低该化学蓄电池的温度，直到达到该化学蓄电池正常工作所需的温度，再启动该化学蓄电池组；在用户将电动车停止的时候，如果飞轮电池组电能没有储满，则控制电路控制各组化学蓄电池组轮流为飞轮电池组充电直到飞轮电池组达到最大可储存能量为止；在汽车从静止启动，或类似瞬时需要电流很大的时候，控制电路控制由飞轮电池组单独进行供电；使用该系统的电动汽车在更换化学蓄电池组时，可以使用飞轮电池中储存的电能维持车载用电设备等的供电。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中的每组化学蓄电池更换时为每组整组更换，非同组电池互不混用。

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