CN110745002A - 一种纯电动汽车的电气系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源汽车领域，具体公开了一种纯电动汽车的电气系统，包括水冷电机、电机控制器、高压蓄电池组、电池管理系统、发电装置和低压负荷，所述发电装置利用氧化还原产生电压为电气系统的低压部分供电，并且将发电装置分别与水冷电机和电机控制器外部的冷却液管道连接，电解质溶液进行氧化还原的同时，也作为冷却液在冷却液管道内流动，实现对水冷电机以及电机控制器的冷却。另外本发明还公布了一种纯电动汽车电气系统的工作方法。本发明能够减轻汽车重量，节约成本，增加蓄电池系统的当量能量密度，提高纯电动汽车的续航里程。

Description

一种纯电动汽车的电气系统及其工作方法
技术领域
本发明属于新能源汽车领域，具体涉及一种纯电动汽车的电气系统及其工作方法。
背景技术
纯电动汽车的性能主要取决于其蓄电池的性能，然而蓄电池的能量密度较低，电动汽车的续航时间与人们的需求还有很大的差距，虽然可以通过制动能量回馈等方式提高汽车续航里程，但是由于回收率低以及受汽车运行工况约束等问题，回馈的能量仍然较小。电动汽车想要获得更强的动力，最直接的办法就是增加更多的电池，但电池的增加，必然导致机械重量失衡。
纯电动汽车的电气系统包括高压部分和低压部分，高压部分由高压蓄电池组、电机控制器高压部分以及电机组成，低压部分的供电一般是利用12V的蓄电池为电机控制器低压部分、电池管理系统、雨刷车灯等低压负荷供电，并通过电机回馈制动能量为12V蓄电池充电；缺陷在于制动回收率低，回馈的能量小。因此需要一种更加合理的供电装置来给纯电动汽车电气系统的低压部分供电。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种氧化还原产生电压的发电装置为电气系统的低压部分供电的电气系统，其具体技术方案如下：
一种纯电动汽车的电气系统，包括水冷电机、电机控制器、高压蓄电池组、电池管理系统、DC/DC升降压转换器和低压负荷，所述水冷电机与电机控制器电连接，所述电机控制器与高压蓄电池组电连接，所述高压蓄电池组与DC/DC升降压转换器电连接，所述水冷电机的外部和电机控制器的外部分别布置有冷却液管道；还包括发电装置，所述发电装置包括盒体、阴极材料、阳极材料以及电解质溶液，所述阴极材料和阳极材料分别位于盒体内，所述发电装置分别与电池管理系统、电机控制器、低压负荷电连接，所述盒体的中间部位分别设置有出水口和入水口，所述出水口与电机控制器的冷却液管道连接，所述入水口与水冷电机的冷却液管道连接，所述电解质溶液作为冷却液在冷却液管道与发电装置之间循环流动，所述发电装置通过氧化还原反应产生电压为电池管理系统、低压负荷以及电机控制器供电。
进一步的，所述发电装置还包括阳离子交换膜，所述阳极材料为两根且分别位于盒体内部的两侧，所述阴极材料也为两根且分别位于盒体内部的中间部位，所述阳极材料与阴极材料之间通过阳离子交换膜分隔。
进一步的，所述入水口的直径大于出水口。
进一步的，所述盒体包括外壳、端盖以及密封圈，所述端盖可拆卸的安装于外壳的顶部，所述密封圈安装于外壳与端盖之间，所述外壳和端盖内部还分别设置有用于限制阴极材料和阳极材料的卡槽。
进一步的，所述电池管理系统分别与发电装置、DC/DC升降压转换器、水冷电机以及高压蓄电池组信号连接，所述DC/DC升降压转换器分别发电装置、电机控制器、电池管理系统以及低压负荷电连接，通过电池管理系统监控高压蓄电池组和发电装置的荷电状态调整供电策略。
进一步的，所述阴极材料为三碘化物，所述阳极材料为锌、所述电解质溶液为二碘化锌液体。
进一步的，所述低压负荷包括车灯和雨刷。
有益效果：本发明利用原电池的原理制作发电装置，并用该发电装置为纯电动汽车的低压部分供电，同时以发电装置的电解质溶液作为电机和电机控制器的冷却液，冷却液在电机以及电机控制器外部流动时进行水冷冷却，流回发电装置中时发生氧化还原反应产生电压。将冷却流动和能量存储功能结合到一个单一的集成设计中，增加蓄电池系统的当量能量密度，减轻整车重量，节约成本，提高汽车续航里程。
另外本发明还公开了一种电动汽车的电气系统工作方法，其具体技术方案如下：
一种电动汽车的电气系统工作方法，其特征在于：通过电池管理系统分别检测发电装置的荷电状态、高压蓄电池组的荷电状态、发电装置的剩余功率以及电机需求功率，再根据电动汽车的工作状态，由电池管理系统控制电动汽车的电气系统切换至不同的工作状态，具体的工作状态如下：
S001、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，剩余功率大于电机需求功率，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态大于0.4时，由发电装置为整车供电；
S002、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，剩余功率大于电机需求功率，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态小于等于0.4时，由发电装置为整车供电且发电装置通过DC/DC升降压转换器为高压蓄电池组充电；
S003、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，剩余功率小于电机需求功率，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态大于0.4时，由冷却液发电装置和高压蓄电池组共同供电；
S004、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，剩余功率小于电机需求功率，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态小于等于0.4时，进入充电站为高压蓄电池组充电；
S005、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，电机处于制动状态，高压蓄电池组的荷电状态小于等于0.7时，由发电装置为整车供电，且发电装置通过DC/DC升压转换器为高压蓄电池组充电；
S006、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，电机处于制动状态，高压蓄电池组的荷电状态大于0.7时，切断发电装置与高压蓄电池组的连接；
S007、当满足发电装置的荷电状态小于0.4，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态大于0.4时，由高压蓄电池组为整车供电，且高压蓄电池组通过DC/DC升降压转换器为低压负荷供电；
S008、当满足发电装置的荷电状态小于0.4，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态小于等于0.4时，进入充电站为发电装置和高压蓄电池组充电；
S009、当满足发电装置的荷电状态小于0.4，汽车不处于形式状态时，为发电装置更换冷却液；
所述发电装置的剩余功率为发电装置的发电功率与低压负荷功率之差。
本发明通过对发电装置的荷电状态、高压蓄电池组的荷电状态、发电装置的剩余功率以及电机需求功率进行监测，并结合电动汽车的工作状态，切换成发电装置单独供电，高压蓄电池组单独供电，混合供电等等多种供电方式，使得供电方式更合理，实现对电动汽车的性能的最大化。
附图说明
图1为本发明总体框架图；
图2为本发明发电装置的结构示意图之一；
图3为本发明发电装置的结构示意图之二；
图4为本发明电机的结构示意图；
图5本发明发电装置驱动及辅助驱动与冷却液能量回馈算法示意图；
附图标记：1-阴极材料；2-阳极材料；3-紧定螺钉；4-卡槽；5-入水口；6-入水口水嘴，7-端盖；8-密封圈；9-阳离子交换膜；10-外壳；11-出水口；12-出水口水嘴；13-小凹槽；14-冷却液管道；15-电机入水口；16-电机出水口。
具体实施方式
下面根据具体的实施例对本发明进行进一步的说明。
根据图1所示，一种纯电动汽车的电气系统，包括了水冷电机、电机控制器、发电装置、高压蓄电池组、DC/DC升降压转换器、电池管理系统、车灯雨刷等低压负荷，所述水冷电机与电机控制器之间通过电连接，所述电机控制器与高压蓄电池组电连接，高压蓄电池组输出电压给电机控制器，电机控制器对输入电压进行调制后输出给水冷电机，电机控制器包括了高压部分和低压部分，因此高压蓄电池组在对水冷电机进行供电的同时还给电机控制器的高压部分供电；所述发电装置分别与电机控制器、车灯雨刷等低压负荷、电池管理系统电连接，由发电装置给电机控制器的低压部分、车灯雨刷等低压负荷以及电池管理系统等电气系统的低压部分供电，所述高压蓄电池组与DC/DC升降压转换器电连接，所述DC/DC升降压转换器还分别与电机控制器、车灯雨刷等低压负荷、发电装置以及电池管理系统电连接，当行驶过程中发电装置中电解质溶液耗尽无法供电时，高压蓄电池组可以通过DC/DC升降压转换器为电气系统的低压部分暂时供电，当高压蓄电池组电池容量不足时，发电装置也可以通过DC/DC升降压转换器暂时为电气系统的高压部分供电，所述电池管理系统还分别与发电装置、DC/DC升降压转换器、水冷电机以及高压蓄电池组通过信号连接，通过电池管理系统监控高压蓄电池组和发电装置的荷电状态以及水冷电机的工作状态调整供电策略。
根据图2所示，所述发电装置包括以三碘化物作为阴极的阴极材料1、以锌作为阳极的阳极材料2、以二碘化锌作为电解质的电解质溶液、阳离子交换膜9和盒体；所述阳极材料2有两根，阳极材料2分别位于盒体内部的两侧，所述阴极材料1也为两根，阴极材料1分别位于盒体内部的中间部位，阳极材料2与阴极材料1之间通过阳离子交换膜9分隔，阳极材料2与阴极材料1顶部分别铺置一层1毫米厚的石墨毡，将镍丝和三层不锈钢丝编织到阳极和阴极石墨毡中，通过导线与石墨毡连接，并且导线分别连接至电池管理系统、低压负荷以及电机控制器从而进行供电；所述盒体包括外壳10、端盖7、以及密封圈8，所述端盖7通过紧定螺钉3可拆卸的安装于外壳10上，所述端盖7与外壳10之间通过密封圈8密封，所述端盖7和外壳10的两个侧面上下开设有限制阴极材料1和阳极材料2的卡槽4，所述外壳10前后两个侧面分别开设有限制阳离子交换膜9的小凹槽13；根据图3所示，所述盒体的前后两个侧面还分别开设有入水口5和出水口11，入水口5直径为20mm，出水口11直径为15mm，使入水口5的直径大于出水口11，保证电解质溶液充满整个发电装置的盒体中，入水口5外侧安装有入水口水嘴6，出水口11外侧安装有出水口水嘴12，为了方便阳离子的传输，所述阳极材料2的周围是非流动的电解质液体，阴极材料1则被循环流动的电解质液体包围，流动的电解质液体和非流动的电解质液体由阳离子交换膜9进行分隔。为了增大阳极材料2、阴极材料1与用于冷却的电解质溶液的接触面积，所述阳极材料2、阴极材料1长度小于盒体前后壁的长度且不与前后壁接触。
根据图1所示，所述水冷电机以及电机控制器的外部分别布置有冷却液管道14，所述发电装置的出水口11和入水口5分别与水冷电机和电机控制器外部的冷却液管道14连接，如图4所示，水冷电机外部的冷却液管道14上分别连接有电机出水口16和电机入水口15，电机控制器外部的冷却液管道14上分别连接有控制器出水口和控制器入水口，电机出水口16通过水管与发电装置的入水口水嘴6连接，发电装置的出水口水嘴12通过水管与电机控制器的控制器入水口连接，电机控制器的控制器出水口通过水管与水冷电机的电机入水口15连接，电解质溶液作为冷却液在发电装置的盒体、水冷电机外部的冷却液管道14以及电机控制器外部的冷却液管道14之间循环流动，对水冷电机以及电机控制器进行冷却。
在电解质溶液（即冷却液）在水冷电机的冷却液管道14、电机控制器的冷却液管道14以及发电装置的盒体内部之间循环流动的过程中，不仅能够对水冷电机、电机控制器进行冷却，电解质溶液在发电装置的盒体内部还能够发生氧化还原反应产生电压，从而给电气系统的低压部分供电，具体的过程如下：以二碘化锌作为电解质的电解质溶液流经发电放置的盒体时，阳极材料2锌在放电过程中被氧化，释放出电子和可溶性锌离子，锌离子同时通过电解质溶液和阳离子交换膜9流向阴极，阴极材料1三碘化物被还原成碘离子，平衡电荷。
经过长时间的放电，由于电解质被阳离子交换膜9表面的硅树脂吸收，不仅堵塞阳离子交换膜9和电极表面，还导致阴极材料1周围电解质浓度开始下降，即电解质中能量逐渐下降。所以发电装置需定期更换电极材料与阳离子交换膜9，当电解质溶液中能量耗尽时只需更换用于冷却的电解质液体即可。在车辆的行驶过程中，当发电装置中的电解质消耗而无法达到供电要求时，电池管理系统控制高压蓄电池组通过DC/DC升降压转换器给电气系统的低压部分进行供电。
为了进一步保证上述电动汽车的电气系统满足供电需求，本发明还提供了一种电气系统的工作方法，在本发明设计中，发电装置的额定发电功率是低压负荷功率的2倍，冷却液发电装置的剩余功率为冷却液发电装置的发电功率与低压负荷功率之差。
如图5所示，建立了一种发电装置驱动及辅助驱动与冷却液能量回馈控制算法，通过电池管理系统分别检测发电装置的荷电状态、高压蓄电池组的荷电状态、发电装置的剩余功率以及电机需求功率，再根据电动汽车的工作状态，由电池管理系统控制电动汽车的电气系统切换至不同的工作状态（下述以及附图中的SOC表示荷电状态），具体的工作状态如下：当发电装置SOC大于0.4时，（1）若电机处于驱动状态，剩余功率大于电机需求功率，且高压蓄电池组SOC大于0.4，系统进入发电装置驱动模式，即直接由发电装置通过电机为整车提供动力；（2）电机处于驱动状态，剩余功率大于电机需求功率，且高压蓄电池组SOC小于等于0.4，系统进入发电装置驱动模式与高压蓄电池充电模式，即直接由发电装置为电机提供电力，并通过DC/DC升压转换器为高压蓄电池充电；（3）电机处于驱动状态，剩余功率小于电机需求功率，且高压蓄电池组SOC大于0.4，系统进入发电装置辅助驱动模式，即发电装置与高压蓄电池组共同驱动汽车；（4）电机处于驱动状态，剩余功率小于电机需求功率，且高压蓄电池组SOC小于等于0.4，尽快进入充电站为高压蓄电池组充电；（5）若电机处于制动状态，若高压蓄电池组SOC小于等于0.7，由发电装置为整车供电，且发电装置通过DC/DC升压转换器为高压蓄电池组充电；（6）若电机处于制动状态，若高压蓄电池组SOC大于0.7，切断发电装置与高压蓄电池的连接。
当发电装置SOC小于0.4时，（1）若汽车处于行驶状态，电机处于驱动状态，且高压蓄电池组SOC大于0.4，由高压蓄电池驱动电机，同时通过DC/DC降压转换器为低压负荷供电；（2）若汽车处于行驶状态，电机处于驱动状态，且高压蓄电池组SOC小于等于0.4，尽快进入充电站为发电装置和高压蓄电池充电。（3）若汽车不处于行驶状态，计量的发电装置充电次数达到规定次数，则直接更换用于冷却的电解质液体。
应当注意的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纯电动汽车的电气系统，包括水冷电机、电机控制器、高压蓄电池组、电池管理系统、DC/DC升降压转换器和低压负荷，所述水冷电机与电机控制器电连接，所述电机控制器与高压蓄电池组电连接，所述高压蓄电池组与DC/DC升降压转换器电连接，所述水冷电机的外部和电机控制器的外部分别布置有冷却液管道；其特征在于：还包括发电装置，所述发电装置包括盒体、阴极材料、阳极材料以及电解质溶液，所述阴极材料和阳极材料分别位于盒体内，所述发电装置分别与电池管理系统、电机控制器、低压负荷电连接，所述盒体的中间部位分别设置有出水口和入水口，所述出水口与电机控制器的冷却液管道连接，所述入水口与水冷电机的冷却液管道连接，所述电解质溶液作为冷却液在冷却液管道与发电装置之间循环流动，所述发电装置通过氧化还原反应产生电压为电池管理系统、低压负荷以及电机控制器供电。
2.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车的电气系统，其特征在于：所述发电装置还包括阳离子交换膜，所述阳极材料为两根且分别位于盒体内部的两侧，所述阴极材料也为两根且分别位于盒体内部的中间部位，所述阳极材料与阴极材料之间通过阳离子交换膜分隔。
3.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车的电气系统，其特征在于：所述入水口的直径大于出水口的直径。
4.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车的电气系统，其特征在于：所述盒体包括外壳、端盖以及密封圈，所述端盖可拆卸的安装于外壳的顶部，所述密封圈安装于外壳与端盖之间，所述外壳和端盖内部还分别设置有用于限制阴极材料和阳极材料的卡槽。
5.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车的电气系统，其特征在于：所述电池管理系统分别与发电装置、DC/DC升降压转换器、水冷电机以及高压蓄电池组信号连接，所述DC/DC升降压转换器分别发电装置、电机控制器、电池管理系统以及低压负荷电连接，通过电池管理系统监控高压蓄电池组和发电装置的荷电状态调整供电策略。
6.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车的电气系统，其特征在于：所述阴极材料为三碘化物，所述阳极材料为锌、所述电解质溶液为二碘化锌液体。
7.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车的电气系统，其特征在于：所述低压负荷包括车灯和雨刷。
8.一种采用如权利要求1~7任一项所述的电气系统的工作方法，其特征在于：通过电池管理系统分别检测发电装置的荷电状态、高压蓄电池组的荷电状态、发电装置的剩余功率以及电机需求功率，再根据电动汽车的工作状态，由电池管理系统控制电动汽车的电气系统切换至不同的工作状态，具体的工作状态如下：
S001、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，剩余功率大于电机需求功率，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态大于0.4时，由发电装置为整车供电；
S002、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，剩余功率大于电机需求功率，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态小于等于0.4时，由发电装置为整车供电且发电装置通过DC/DC升降压转换器为高压蓄电池组充电；
S003、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，剩余功率小于电机需求功率，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态大于0.4时，由冷却液发电装置和高压蓄电池组共同供电；
S004、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，剩余功率小于电机需求功率，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态小于等于0.4时，进入充电站为高压蓄电池组充电；
S005、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，电机处于制动状态，高压蓄电池组的荷电状态小于等于0.7时；由发电装置为整车供电，且发电装置通过DC/DC升压转换器为高压蓄电池组充电；
S006、当满足发电装置的荷电状态大于0.4，电机处于制动状态，高压蓄电池组的荷电状态大于0.7时，切断发电装置与高压蓄电池组的连接；
S007、当满足发电装置的荷电状态小于0.4，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态大于0.4时，由高压蓄电池组为整车供电，且高压蓄电池组通过DC/DC升降压转换器为低压负荷供电；
S008、当满足发电装置的荷电状态小于0.4，电机处于驱动状态，高压蓄电池组的荷电状态小于等于0.4时，进入充电站为发电装置和高压蓄电池组充电；
S009、当满足发电装置的荷电状态小于0.4，汽车不处于行驶状态时，为发电装置更换冷却液；
所述发电装置的剩余功率为发电装置的发电功率与低压负荷功率之差。
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