CN108177540A - 一种易于更换的复合电源系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种易于更换的复合电源系统及控制方法，系统包括：内置储能供电模块，与汽车内部的电动机连接；可扩展储能供电模块，与汽车内部的电动机连接；功率变换模块，分别与电动机、内置储能供电模块、可扩展储能供电模块和汽车内部的控制器连接，用于在控制器的控制下，控制内置储能供电模块和可扩展储能供电模块的供电状态；方法包括：在汽车处于驱动状态时，根据可扩展储能供电模块和内置储能供电模块的内部电量自适应调整二者为电动机的供电方式；若是处于制动或充电状态，则按照内置储能供电模块和能量不足的储能元件的顺序依次进行充电。与现有技术相比，本发明具有便于更换、节省成本以及能量利用率高等优点。

Description

一种易于更换的复合电源系统及控制方法

技术领域

本发明涉及纯电动汽车应用领域，尤其是涉及一种易于更换的复合电源系统及控制方法。

背景技术

电动汽车在近些年得到迅速的发展，然而续驶里程短、充电时间长一直是阻碍电动汽车发展的关键问题。对于电动汽车来说，采用换电方式可以迅速有效地的为车辆提供充足的动力源，在城市中建立多个换电站可从根本上解决电动汽车续驶里程问题。

目前，换电站使用的换电模式分为集中充电模式和充换电模式。集中充电模式是指通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送，并在电池配送站内对电动汽车进行电池更换服务。充换电模式是以换电站为载体，这种电池换电站同时具备电池充电及电池更换功能，站内包括供电系统、充电系统、电池更换系统、监控系统、电池检测与维护管理系统等部分。集中充电统一配送方式所需供电容量很大，一般需依托变电站建设，投资成本很高，还需解决电池箱在集中充电站与配送站之间的物流配送问题。充换电模式下，每座换电站均需配置充电机、电池箱换电设备等，投资大且需要专业维护，日常运营成本高。

专利CN105000001A和专利CN205836786U虽然给出了较为可靠和完备的电池更换方法，但这些方法存在以下一些问题：

1、电池更换成本高：换电系统非常复杂增加换电站基础建设的成本；

2、电池更换速度慢：换电系统虽实现了自动换电，但是换电时间较久；

专利CN104015626A给出了一种复合电源系统的构型和控制方法，通过超级电容和动力电池为汽车内的发动机进行供电，利用超级电容本身的特性有效的提高电源系统的容量，然而该系统仍然只有单一的动力电池作为电动汽车主要能量型储能元件，没有实现电池的模块化设计，而且发动机-发电机组的供电方式，降低了能量转化效率，经济性较差。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种易于更换的复合电源系统及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种易于更换的复合电源系统，所述系统包括：

内置储能供电模块，与汽车内部的电动机连接，用于满足电动机的主要功率特性和补充能量特性；

可扩展储能供电模块，与汽车内部的电动机连接，用于满足电动机的主要能量特性和补充功率特性；

功率变换模块，分别与电动机、内置储能供电模块、可扩展储能供电模块和汽车内部的控制器连接，用于在控制器的控制下，控制内置储能供电模块和可扩展储能供电模块的供电状态。

优选地，所述可扩展储能供电模块包括多个相互并联的储能元件。

优选地，每一个所述储能元件的质量为10kg～20kg。

优选地，所述储能元件包括磷酸铁锂电池、钠离子电池或固态电池。

优选地，所述功率变换模块包括DC/DC变换器和开关，所述开关的数量与储能元件的数量相匹配，每一个开关的两端分别与DC/DC变换器的原边和一个储能元件连接，所述DC/DC变换器的副边与内置储能供电模块连接。

优选地，所述内置储能供电模块包括多个相互串联的磷酸铁锂基锂离子电池。

一种易于更换的复合电源系统的控制方法，所述方法包括下列步骤：

s1)判断汽车当前状态，若是驱动状态则进入步骤s2)，若是制动或充电状态，则进入步骤s4)；

s2)判断可扩展储能供电模块的内部总能量是否大于设定的可扩展储能供电模块参考储能量，若是则进入步骤s3)，若否则发出需要进入充电状态的提醒，并返回步骤s1)；

s3)根据内置储能供电模块的内部电量值，自适应调节内置储能供电模块和可扩展储能供电模块为电动机的供电方式；

s4)控制电动机工作在发电状态，并自适应的为内置储能供电模块和可扩展储能供电模块进行供电。

优选地，所述步骤s3)包括：

s31)判断内置储能供电模块的内部电量值是否大于设定的内置储能供电模块的参考储能量，若是则进入步骤s32)，若否则进入步骤s33；

s32)可扩展储能供电模块为电动机供电，提供车辆的平均功率，并通过内置储能供电模块同时进行供电，保证电动机工作在顶峰功率状态；

s33)可扩展储能供电模块同时为电动机和内置储能供电模块供电。

优选地，所述可扩展储能供电模块为电动机供电具体为：可扩展储能供电模块内部能量高于设定阈值的储能元件为电动机供电，其余储能元件停止工作。

优选地，所述步骤s4)包括：

s41)控制电动机工作在发电状态，判断内置储能供电模块能量是否充足，若是则为内置储能供电模块充电，若否则进入步骤s42)；

s42)判断可扩展储能供电模块内部是否存在能量不足的储能元件，若是则为能量不足的储能元件进行充电，若否则进入步骤s43)；

s43)判断汽车当前是否为制动状态，若是则采取机械制动，若否则发出充电完成的提示。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的易于更换的复合电源系统，通过内置储能供电元件与可扩展储能供电元件结合的方式为电动汽车提供电能，可以弥补单一储能电源系统的不足，优化能量型与功率型电源系统配置。

(2)可扩展储能供电模块包括多个相互并联的储能元件，各个储能元件之间相互独立，在电量不足需要更换电池时，可以根据需要更换相应的储能元件，比起直接更换整个电池系统来说，换电成本低，也省去了巨额换电设备的基础建设成本。

(3)每一个储能元件的质量为10kg～20kg，质量低，便于抬动，因此无需专业设备和特定人员即可实现车能储能元件的更换，进一步降低了换电成本。

(4)储能元件包括磷酸铁锂电池、钠离子电池或固态电池，实现方式不固定，可以根据车型和需要自行选择，而且这些电池均为市面上常见的电池，无需随车购买，可以根据用户的经济实力自行选取，因此适用范围广，且可以大大降低购车成本。

(5)功率变换模块包括DC/DC变换器和开关，开关的数量与储能元件的数量相匹配，每一个开关的两端分别与DC/DC变换器的原边和一个储能元件连接，实现了每一个储能元件均可以进行独立控制，因此各个储能元件之间不相互影响，即插即用，使用灵活。

(6)内置储能供电模块包括多个相互串联的磷酸铁锂基锂离子电池，这种电池充放电速度快，由于可扩展储能供电模块便于更换，主要用来通过更换来为电动机提供充足电量，而内置储能供电模块则是通过充电的方式来获得电量来为电动机提供功率特性，因此采用磷酸铁锂基锂离子电池可以进一步提供电源系统的充电效率，优化电源性能。

(7)本发明提出的复合电源系统的控制方法，通过可扩展储能供电模块和内置储能供电模块之间的相互配合来为汽车的电动机供电，同时在电动机处于发电状态时为二者自适应的充电，这种方式可以使得能量的利用效率达到最高，尽可能的避免能量的浪费。

(8)在可扩展储能供电模块电量充足时，若是内置储能供电模块的电量充足，则可以通过二者的配合使电动机工作在顶峰功率状态，而若是内置储能供电模块的电量不足，则可以仅通过可扩展储能供电模块为电动机供电，虽然电动机的功率无法达到顶峰状态，但是能保证正常的车辆驱动，从而确保车辆运行的稳定。

(9)通过可扩展储能供电模块供电时，如果存在部分储能元件能量低于阈值，则令该储能元件停止工作，避免对储能元件的过分损耗，提高系统的使用寿命。

(10)在汽车处于充电或制动状态时，利用电动机优先为内置储能供电模块供电，保证系统内的电量尽可能达到充足，提高能量的利用效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中，1为电动机，2为DC/DC变换器，3为内置储能供电模块，4为可扩展储能供电模块，41为储能元件，42为储能元件，4n为储能元件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

为了解决现有电源系统不易换电和充电的问题，本实施例提供了一种易于更换的复合电源系统，包括：内置储能供电模块，与汽车内部的电动机连接，用于满足电动机的主要功率特性和补充能量特性；可扩展储能供电模块，与汽车内部的电动机连接，用于满足电动机的主要能量特性和补充功率特性；功率变换模块，分别与电动机、内置储能供电模块、可扩展储能供电模块和汽车内部的控制器连接，用于在控制器的控制下，控制内置储能供电模块和可扩展储能供电模块的供电状态。

其中，可扩展储能供电模块包括多个相互并联的储能元件。每一个储能元件的质量为10kg～20kg。储能元件包括磷酸铁锂电池、钠离子电池或固态电池。功率变换模块包括DC/DC变换器和开关，开关的数量与储能元件的数量相匹配，每一个开关的两端分别与DC/DC变换器的原边和一个储能元件连接，DC/DC变换器的副边与内置储能供电模块连接。内置储能供电模块包括多个相互串联的磷酸铁锂基锂离子电池。

根据上述易于更换的复合电源系统的结构，该系统充电时的控制方法具体包括下列步骤：

s1)判断汽车当前状态，若是驱动状态则进入步骤s2)，若是制动或充电状态，则进入步骤s4)；

s2)判断可扩展储能供电模块的内部总能量是否大于设定的可扩展储能供电模块参考储能量，若是则进入步骤s3)，若否则发出需要进入充电状态的提醒，并返回步骤s1)；

s3)根据内置储能供电模块的内部电量值，自适应调节内置储能供电模块和可扩展储能供电模块为电动机的供电方式，包括：

s31)判断内置储能供电模块的内部电量值是否大于设定的内置储能供电模块的参考储能量，若是则进入步骤s32)，若否则进入步骤s33)；

s32)可扩展储能供电模块为电动机供电，提供车辆的平均功率，并通过内置储能供电模块同时进行供电，保证电动机工作在顶峰功率状态；

s33)可扩展储能供电模块同时为电动机和内置储能供电模块供电；

其中，可扩展储能供电模块为电动机供电具体为：可扩展储能供电模块内部能量高于设定阈值的储能元件为电动机供电，其余储能元件停止工作；

s4)控制电动机工作在发电状态，并自适应的为内置储能供电模块和可扩展储能供电模块进行供电，包括：

s41)控制电动机工作在发电状态，判断内置储能供电模块能量是否充足，若是则为内置储能供电模块充电，若否则进入步骤s42)；

s42)判断可扩展储能供电模块内部是否存在能量不足的储能元件，若是则为能量不足的储能元件进行充电，若否则进入步骤s43)；

s43)判断汽车当前是否为制动状态，若是则采取机械制动，若否则发出充电完成的提示。

基于上述系统和方法，本实施例提出了一种具体的复合电源系统，如图1所示，该系统包括电动机1：作为DC/DC变换器副边2的负载，与内置储能供电模块3并联，作为电动汽车动力源；DC/DC变换器2：原边电压源由多个可扩展储能供电模块4并联而成，副边连接内置储能供电模块3，用以将可扩展储能供电模块4电压升压到电动机工作电压；内置储能供电模块3：作为DC/DC变换器2副边电压源，用以满足电动汽车主要功率特性和部分能量特性；可扩展储能供电模块4：作为DC/DC变换器2原边电压源，用以满足电动汽车主要能量特性和部分功率特性。DC/DC变换器2原边采用多路并联、开关管独立控制的控制方式，来分别控制每个储能元件41、42一直到4n。

本实施例中，可扩展储能供电模块由20个模组并联而成，每个模组由300节电池单体通过3并联100串联的方式构成。电池单体选用松下18650磷酸铁锂电池。电池单体电压3.2V，单体容量3.2Ah。单个模组额定电压320V，额定容量9.6Ah，储能量约3kWh，模组质量约15kg。整个储能供电模块额定电压320V，额定容量192Ah，储能量约60kWh，总体质量300kg。内置储能供电模块由400节方形高功率磷酸铁锂基锂离子电池构成，单体电池额定容量8Ah，额定电压3.2V。模块采用100串联，4并联连接方式。模组额定容量32Ah，额定电压320V，储能量约10kWh。

磷酸铁锂电池组通过单向DC/DC变换器并联在一起，高功率型磷酸铁锂基锂离子电池通过双向DC/DC变换器与磷酸体力电池组并联在一起。电源控制器通过控制每个模组对应的MOSFET的开关占空比控制电池输出功率。

SOC_P：高功率磷酸铁锂基锂离子电池组(功率型)当前SOC；

SOC_E：松下18650磷酸铁锂电池组(能量型)当前SOC；

SOC_E1、SOC_E2……SOC_E20：20个18650磷酸铁锂电池模组各自SOC；

SOC_P-ref：内置储能供电模块参考SOC，设置为10％；

SOC_E-ref：可扩展储能供电模块参考SOC，设置为10％；

SOC_e-ref：能量型储能模组参考SOC，设置为10％；

当车辆处于驱动状态：

首先判断功率型电池和能量型电池荷电状态，当SOC_E＞10％，且SOC_P＞10％时，如果车辆需求功率小于能量型电池组额定功率，则由能量型电池组提供车辆平均功率；如果车辆需求功率增大，则有能量型电池组提供车辆平均功率，功率型电池组提供车辆顶峰功率；当SOC_E＞10％，且SOC_P＜10％时，由能量型电池组提供车辆平均功率，并向功率型电池组充电，此时，车辆需求功率如果大于能量型电池组额定功率时，需求功率暂时得不到满足；当SOC_E＜10％时，提示车辆急需充电。

假设SOC_E1、SOC_E2……SOC_E20中7、9、10三个模组的当前SOC小于10％，则电源控制器控制DC/DC变换器禁止这三个模组开启，并把这三组编号告知驾驶员，为换电操作提供依据；当车辆处于制动或充电状态时，电机工作在发电状态，优先向内置储能供电模块充电，其次向发出低电量报警的能量型储能模组充电；当所有模块电量充足时，采用机械制动。

Claims (10)

1.一种易于更换的复合电源系统，其特征在于，所述系统包括：

内置储能供电模块，与汽车内部的电动机连接，用于满足电动机的主要功率特性和补充能量特性；

可扩展储能供电模块，与汽车内部的电动机连接，用于满足电动机的主要能量特性和补充功率特性；

功率变换模块，分别与电动机、内置储能供电模块、可扩展储能供电模块和汽车内部的控制器连接，用于在控制器的控制下，控制内置储能供电模块和可扩展储能供电模块的供电状态。

2.根据权利要求1所述的易于更换的复合电源系统，其特征在于，所述可扩展储能供电模块包括多个相互并联的储能元件。

3.根据权利要求2所述的易于更换的复合电源系统，其特征在于，每一个所述储能元件的质量为10kg～20kg。

4.根据权利要求2所述的易于更换的复合电源系统，其特征在于，所述储能元件包括磷酸铁锂电池、钠离子电池或固态电池。

5.根据权利要求2所述的易于更换的复合电源系统，其特征在于，所述功率变换模块包括DC/DC变换器和开关，所述开关的数量与储能元件的数量相匹配，每一个开关的两端分别与DC/DC变换器的原边和一个储能元件连接，所述DC/DC变换器的副边与内置储能供电模块连接。

6.根据权利要求1所述的易于更换的复合电源系统，其特征在于，所述内置储能供电模块包括多个相互串联的磷酸铁锂基锂离子电池。

7.一种易于更换的复合电源系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

s1)判断汽车当前状态，若是驱动状态则进入步骤s2)，若是制动或充电状态，则进入步骤s4)；

s2)判断可扩展储能供电模块的内部总能量是否大于设定的可扩展储能供电模块参考储能量，若是则进入步骤s3)，若否则发出需要进入充电状态的提醒，并返回步骤s1)；

s3)根据内置储能供电模块的内部电量值，自适应调节内置储能供电模块和可扩展储能供电模块为电动机的供电方式；

s4)控制电动机工作在发电状态，并自适应的为内置储能供电模块和可扩展储能供电模块进行供电。

8.根据权利要求7所述的易于更换的复合电源系统的控制方法，其特征在于，所述步骤s3)包括：

s31)判断内置储能供电模块的内部电量值是否大于设定的内置储能供电模块的参考储能量，若是则进入步骤s32)，若否则进入步骤s33)；

s32)可扩展储能供电模块为电动机供电，提供车辆的平均功率，并通过内置储能供电模块同时进行供电，保证电动机工作在顶峰功率状态；

s33)可扩展储能供电模块同时为电动机和内置储能供电模块供电。

9.根据权利要求8所述的易于更换的复合电源系统的控制方法，其特征在于，所述可扩展储能供电模块为电动机供电具体为：可扩展储能供电模块内部能量高于设定阈值的储能元件为电动机供电，其余储能元件停止工作。

10.根据权利要求7所述的易于更换的复合电源系统的控制方法，其特征在于，所述步骤s4)包括：

s41)控制电动机工作在发电状态，判断内置储能供电模块能量是否充足，若是则为内置储能供电模块充电，若否则进入步骤s42)；

s42)判断可扩展储能供电模块内部是否存在能量不足的储能元件，若是则为能量不足的储能元件进行充电，若否则进入步骤s43)；

s43)判断汽车当前是否为制动状态，若是则采取机械制动，若否则发出充电完成的提示。