CN115771409A - 一种电动车的模块化电池增程换电结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车的模块化电池增程换电结构及方法，涉及电动车换电技术领域，包括主电池电路、增程电池电路、超级电容、充电回路、预充电路，主电池电路通过将多个主电池模组串联以提高直流供电电压，当主回路电池出现故障可通过每个主电池模组上并联的第二二路互锁开关对电池进行隔离保护；增程电池电路包括多个相互并联的增程电池模组，增程电池模组通过隔离式DC/DC变换器与主电池电路并联，并通过第一二路互锁开关、多路互锁开关、每个隔离式DC/DC变换器上分别串联有断路器的组合控制实现模块化换电电池由并联方式转化为串联方式接入。本发明实现了换电电池模组的串并联灵活转换，提高了电动车的换电便利性、降低换电成本。

Description

一种电动车的模块化电池增程换电结构及方法

技术领域

本发明涉及电动车换电技术领域，尤其涉及一种基于经济型低速电动车的电池增程换电结构及其控制方法。

背景技术

近年来，随着新能源汽车三电成本持续不断的下降、技术成熟度持续提升以及充电基础设施不断完善，新能源汽车越来越赢得用户的喜爱，使得新能源汽车的产销日益增长，其中纯电动汽车由于其良好的经济型和使用便利性，其近年来也取得飞速发展，随着国家环保政策的进一步严格以及锂离子电池成本下降，经济型电动车全锂化已成行业发展的普遍趋势。在现阶段，用户在使用新能源电动车的过程中主要存在以下问题：

充电时间长：目前最常见的充电模式的充电市场为5到10小时，这大大降低了电动车的便利性。快充也要1小时以上，且快充模式会大大降低电池的使用寿命，同时快速充电会对电网产生大的冲击。

续航里程不足，由于电池充电容量的限制，同时对于目前充电桩的大大不足从而影响了用车的体验。

传统的电动车换电模式的成本太高，虽然电动车的换电模式能够有效的解决续航问题。但还是存在前期投入太高、需要专用的换电站、换电机构等，且各生产厂家没有统一标准使电池不能互用等问题，推广效果也不太理想。

近年来，随着动力电池技术的进步，电动摩托车的换电取得了飞速的发展，目前市场上出现大量的标准化的换电电池，通过电池换电柜，可非常便利通过手动方式实现电动摩托车的换电。针对传动电动车存在的问题，本发明提出一种新型的增程换电系统结构及控制方法，可实现电动车电池与摩托车标准电池的兼容，通过将标准化的摩托车电池模组的灵活组合，实现了电动车电池的模块化便捷换电、故障隔离及高效驱动等功能，特别适用于经济型小型电动车。

发明内容

本发明提出了一种电动车的模块化电池增程换电结构及方法，用以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明提供了一种电动车的模块化电池增程换电结构，包括：

预充电路，其与电动车的电机控制器串联；

主电池电路，其包括多个相互串联的主电池模组，其用于向电动车供应电能；所述多个相互串联的主电池模组通过主断路器与预充电路串联后，再与电机控制器相连接，构成串联电路；

增程电池电路，其包括多个相互并联的增程电池模组，其用于向电动车供应增程电能；所述多个相互并联的增程电池模组的两端分别通过第一二路互锁开关、多路互锁开关与串联电路串联；

多个隔离式DC/DC变换器，其相互并联后与串联电路并联，多个增程电池模组分别与多个隔离式DC/DC变换器并联，隔离式DC/DC变换器用于增程电池模组的升压、隔离；每个隔离式DC/DC变换器上分别串联有断路器；

其中，当所述主电池电路发生故障，通过将第一二路互锁开关、多路互锁开关的活动端分别闭合，及将与增程电池模组并联的隔离式DC/DC上的断路器闭合，实现利用增程电池电路中的增程电池模组进行切换，代替发生故障的主电池电路工作。

进一步地，所述第一二路互锁开关与串联电路串联，其活动端及其一个触点分别接入到串联电路中；相互并联的多个所述隔离式DC/DC变换器的其中一个并联节点与第一二路互锁开关的活动端连接，所述相互并联的增程电池模组的其中一个并联节点与第一二路互锁开关的另一个触点连接；

所述多路互锁开关与串联电路串联，其活动端及其一个触点分别接入到串联电路中；多个所述增程电池模组的一端分别与多路互锁开关上的各个触点连接，

当所述主电池电路发生故障，通过第一二路互锁开关由常闭触点打至常开触点，将多路互锁开关的活动端打至电量最多的增程电池模组对应的触点上，及将与增程电池模组并联的隔离式DC/DC上的断路器闭合，实现利用增程电池电路中的增程电池模组进行切换，代替发生故障的主电池电路工作。

进一步地，每个所述主电池模组均并联了第二二路互锁开关，每个所述第二二路互锁开关的两个触点分别与该主电池模组的正极、负极连接，每个所述第二二路互锁开关的活动端与其相邻的主电池模组的正极连接；将所述第二二路互锁开关的一个触点与主电池模组的负极连接，实现利用该主电池模组向电机控制器及电机供应电能；

每个所述主电池模组上均并联有二极管，该二极管的阴极与主电池模组的正极连接，阳极与主电池模组上并联的所述第二二路互锁开关的活动端连接；

当任一个所述主电池模组发生故障时，在将该主电池模组切换后，则整个电路的工作电流从与该主电池模组并联的二极管中流过。

进一步地，还包括：

超级电容器，其并联在主电池电路两端，用于减少各个主电池模组的放电倍率；

所述超级电容器的充电方式为，利用相互并联的增程电池模组通过隔离式DC/DC转换器恒流控制实现对超级电容器充电，以及在电动车平稳行驶过程中通过相互串联的多个主电池模组充电；

在电动车启动或者加速的情况下，所述超级电容器先放电，使得多个主电池模组的电流增加至额定电流；

所述超级电容器的电容量的计算公式为：

其中，U_work为超级电容器的最高电压；U_min为超级电容器的最低电压；

I为超级电容器的放电电流；t为超级电容器的放电时间。

进一步地，还包括：

电池模组管理系统，其与多个所述主电池模组、多个所述增程电池模组分别电连接，其用于管理各个电池模组内部的单体电芯、智能开关，并监测各个电池模组的故障数据信息及剩余电量数据信息；

整车上层管理系统，其与所述电机控制器、隔离式DC/DC转换器、第一二路互锁开关、第二二路互锁开关、多路互锁开关、电池模组管理系统分别通信连接；

车载显示器，其与整车上层管理系统通信连接，用于向用户显示整车上层管理系统为用户提供的故障信息及增程电池模组的更换建议；

其中，所述电池模组管理系统将所监测到的各个电池模组的故障数据信息及剩余电量数据信息传送至整车上层管理系统；所述整车上层管理系统根据所接收的数据信息控制各个互锁开关，并控制及分配所述主电池电路、增程电池电路的功率输出；

当所述电池模组管理系统监测到其中一个主电池模组发生故障，则电池模组管理系统将所监测到的故障信息传送至整车上层管理系统，整车上层管理系统控制与该主电池模组并联的第二二路互锁开关开通实现该主电池模组的切除，同时整车上层管理系统将故障信息显示在车载显示器上，以及通过远程大数据为用户提供增程电池模组的更换建议；所述整车上层管理系统还根据所接收的电机控制器传输的功率需求控制隔离式DC/DC转换器的功率输出；

在所述增程电池模组的电量用尽后，所述整车上层管理系统通过控制隔离式DC/DC转换器将增程电池模组切除。

进一步地，还包括：

充电回路，其并联在主电池电路的两端，用于向主电池电路中的各个电池模组充电；

所述整车上层管理系统控制隔离式DC/DC转换器通过充电回路对模块化增程电池充电。

进一步地，所述预充电路包括：

主继电器，其串联定值电阻后，与所述串联电路串联；

副继电器，其与相互串联的主继电器及定值电阻并联。

本发明还提供一种电动车的模块化电池增程换电结构的控制方法，包括以下步骤：

获得电动车的需求功率P_t，并利用分别获得各个主电池模组的总额定功率为P_e，以及各个增程电池模组的电池额定功率分别为P_e；

判断需求功率P_t是驱动功率还是制动功率；

当需求功率P_t是驱动功率，且其小于P_e，则驱动功率全部由主电池电路中的多个主电池模组提供；

当需求功率P_t是驱动功率，且其大于P_e小于2P_e，此时判断增程电池电路中的各个增程电池模组的剩余电量SOC状态，由增程电池电路中剩余电量最多的一个增程电池模组通过隔离式DC/DC转换器输出P_e，其余功率由主电池电路中的各个主电池模组承担；

当需求功率P_t是驱动功率，且其大于2P_e小于3P_e，此时判断增程电池电路中的各个增程电池模组的剩余电量SOC状态，由增程电池电路中剩余电量最多的两个增程电池模组通过隔离式DC/DC转换器输出2P_e，其余功率由主电池电路中的各个主电池模组承担；

当需求功率P_t是驱动功率，且其大于各个增程电池模组的电池额定功率之和时，则增程电池电路中的增程电池模组全部以额定功率输出，且电池电路中的各个主电池模组全部进行功率输出；

当需求功率P_t是制动功率时，判断主电池电路中的各个主电池模组的剩余电量SOC状态，制动功率先由主电池电路中的各个主电池模组吸收，再由超级电容器吸收；当制动功率不足时由机械制动提供。

进一步地，还包括：

当所述主电池电路中的任意一个主电池模组发生故障时，则与该主电池模组并联的第二二路互锁开关断开，此时电流在与该主电池模组并联的二极管中流动，同时检测增程电池电路中的各个增程电池模组的剩余电量SOC状态，选取电量最多的一个增程电池模组串入主电池电路；

所述第一二路互锁开关、多路互锁开关均为微控电子开关，当主电路模组发生故障需要将增程电池模组串入主电池时，整车上层管理系统控制第一二路互锁开关活动端切换至另一触点，并控制多路互锁开关的活动端切换至与剩余电量最多的增程电池模组相连的触点，同时控制与增程电池并联的隔离式DC/DC相串联的断路器断开。

进一步地，还包括：

当需要对电动车进行上电时：

对主电池电路、增程电池电路分别进行自检；

与增程电池电路中的各个增程电池模组相联的隔离式DC/DC通过恒流控制对超级电容器进行充电，计算超级电容器的充电指数K_p1，其计算公式如下：

其中，U_b为主电池电路中的各个主电池模组的电压；

U_c1为超级电容器的电压；

当K_p1接近于95％时，超级电容器输出充电完成信号；

当超级电容器充电完成后闭合主断路器接入主电池电路中的各个主电池模组，再接入增程电池电路中的各个增程电池模组；

闭合预充电路的副接触器对电机控制器预充电，计算电机控制器的充电指数K_p2，其计算公式如下：

其中，U_c2为电机控制器中电容的电压；

当K_p2接近于95％时，电机控制器输出充电完成信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明中的电动车供电系统的系统冗余度高，不仅在主电池电路中设置多个串联的主电池模组，实现了电动车日常的正常使用，此外，利用增程电池电路中的增程电池模组之间的随意组合来实现电动车的行使里程增加的目的，并且增程电池模组中的电池不会被电池的新旧、电池的容量所限制。

本发明中的电动车的电池增程换电结构实现了当主电池电路、增程电池电路中的任意一个电池模组发生故障，都不会影响电动车在短时间内的使用。当主电池电路中任意一个主电池模组发生故障，则将增程电池模组中剩余电量最多的一个增程电池模组切换为电动车供应电能，代替发生故障的主电池模组，且切换过程平滑不会中断电能输出。

本发明中通过控制隔离式DC/DC转换器来实现增程电池模组能量的接入，其中隔离式DC/DC转换器采用恒定功率输出模式，如可根据电动车运行特点设定为电池平均放电功率，系统根据驱动总功率的需求实现单组或多组增程电池模组的并入，由于隔离式DC/DC转换器一直只工作在额定工作点附件，不仅大幅降低隔离式DC/DC转换器的成本，也提高系统的综合效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明所提供的一种电动车的模块化电池增程换电结构的结构示意图；

图2为本发明所提供的一种电动车的模块化电池增程换电结构整体系统模块关系图；

图3为本发明所提供的一种电动车的模块化电池增程换电结构的上电过程原理框图；

图4为本发明所提供的一种电动车的模块化电池增程换电结构的实施例中的功率控制策略框图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种电动车的模块化电池增程换电结构，包括预充电路，其与电动车的电机控制器串联；主电池电路，其包括多个相互串联的主电池模组，其用于向电动车供应电能；多个相互串联的主电池模组通过主断路器与预充电路串联后，再与电机控制器相连接，构成串联电路；增程电池电路，其包括多个相互并联的增程电池模组，其用于向电动车供应增程电能；多个相互并联的增程电池模组的两端分别通过第一二路互锁开关、多路互锁开关与串联电路串联；多个隔离式DC/DC变换器，其相互并联后与串联电路并联，多个增程电池模组分别与多个隔离式DC/DC变换器并联，隔离式DC/DC变换器用于增程电池模组的升压、隔离；每个隔离式DC/DC变换器上分别串联有断路器；

其中，当主电池电路发生故障，通过将第一二路互锁开关、多路互锁开关的活动端分别闭合，及将与增程电池模组并联的隔离式DC/DC上的断路器闭合，实现利用增程电池电路中的增程电池模组进行切换，代替发生故障的主电池电路工作。

为了保证电池系统安全可靠的运行，并考虑到便于系统的维护和电池的更换，本发明中的电池模组采取模块化设计，主电池模组、增程电池模组均为模块化电池，将单体电池按照设计电压的需求进行串联和并联连接组成电池模组，同时主电池电路及增程电池电路，可以根据设计的需求随意增加电池模组的个数。此外，该换电结构也能应用在其它需求功率不高、运行时间长的装备。本发明中的其中将主电池电路设置为多个相互串联的主电池模组，有利于提高直流供电电压。其中增程电池模组可以为标准化的电动摩托车电池模组。

在本发明中，主电池电路中的多个主电池模组构成一个独立的驱动能源提供系统，根据需求电压，可通过相互串联提升供电电压。增程电池电路中的多个增程电池模组，分别构成一个独立的驱动能源提供系统，各个增程电池模组可以采用常见的电动摩托电池随意组装，没有新旧、容量的限制，电池直流轻可以在充电站中手动更换。

主电池电路中的多个主电池模组采用充电回路如车载充电机充电，同时可以采用手动换电，换电时电池模组与主电路电池模组的容量需要相对一致。

增程电池电路中的多个增程电池模组通过隔离式DC/DC转换器安全的更换电池，其安装便利，用户可以自行安装以达到换电的目的。

隔离式DC/DC转换器能够将多个增程电池模组与144V系统隔离开，使用户可以自主、安全的进行换电，同时隔离式DC/DC转换器工作在额定工作点附件，不仅大幅降低DC/DC控制器成本，也提高系统的综合效率。

如图1所示，本发明中的第一二路互锁开关与串联电路串联，其活动端及其一个触点分别接入到串联电路中；相互并联的多个隔离式DC/DC变换器的其中一个并联节点与第一二路互锁开关的活动端连接，相互并联的增程电池模组的其中一个并联节点与第一二路互锁开关的另一个触点连接；

多路互锁开关与串联电路串联，其活动端及其一个触点分别接入到串联电路中；多个增程电池模组的一端分别与多路互锁开关上的各个触点连接，

当主电池电路发生故障，通过第一二路互锁开关由常闭触点打至常开触点，将多路互锁开关的活动端打至电量最多的增程电池模组对应的触点上，及将与增程电池模组并联的隔离式DC/DC上的断路器闭合，实现利用增程电池电路中的增程电池模组进行切换，代替发生故障的主电池电路工作。

每个主电池模组均并联了第二二路互锁开关，每个第二二路互锁开关的两个触点分别与该主电池模组的正极、负极连接，每个第二二路互锁开关的活动端与其相邻的主电池模组的正极连接；将第二二路互锁开关的一个触点与主电池模组的负极连接，实现利用该主电池模组向电机控制器及电机供应电能；

如图1所示，本发明中的每个主电池模组上均并联有二极管，该二极管的阴极与主电池模组的正极连接，阳极与主电池模组上并联的第二二路互锁开关的活动端连接；

当任一个主电池模组发生故障时，在将该主电池模组切换后，则整个电路的工作电流从与该主电池模组并联的二极管中流过。在故障主电池模组切换过程中，不需要断开主断路器，工作电流将通过二极管在电路中流动，从而实现平稳切换的目的。

如图1所示，本发明中还包括超级电容器，其并联在主电池电路两端，用于减少各个主电池模组的放电倍率；通过用于提高电池系统瞬时放电功率，减少主电池电路放电倍率，提高主电池电路中模块化电池组寿命，以及吸收多余的的制动功率。

超级电容器的充电方式为，利用相互并联的增程电池模组通过隔离式DC/DC转换器恒流控制实现对超级电容器充电，以及在电动车平稳行驶过程中通过相互串联的多个主电池模组充电；

在电动车启动或者加速的情况下，超级电容器先放电，使得多个主电池模组的电流增加至额定电流；

超级电容器的电容量的计算公式为：

其中，U_work为超级电容器的最高电压；U_min为超级电容器的最低电压；

I为超级电容器的放电电流；t为超级电容器的放电时间。

如图1-2所示，本发明还包括：

电池模组管理系统，其与多个主电池模组、多个增程电池模组分别电连接，其用于管理各个电池模组内部的单体电芯、智能开关，并监测各个电池模组的故障数据信息及剩余电量数据信息；

整车上层管理系统，其通过自建的CAN局域网与电机控制器、隔离式DC/DC转换器、第一二路互锁开关、第二二路互锁开关、多路互锁开关、电池模组管理系统分别通信连接；

车载显示器，其与整车上层管理系统通信连接，用于向用户显示整车上层管理系统为用户提供的故障信息及增程电池模组的更换建议；

其中，电池模组管理系统将所监测到的各个电池模组的故障数据信息及剩余电量数据信息传送至整车上层管理系统；整车上层管理系统根据所接收的数据信息控制各个互锁开关，并控制及分配主电池电路、增程电池电路的功率输出。

当电池模组管理系统监测到其中一个主电池模组发生故障，则电池模组管理系统将所监测到的故障信息传送至整车上层管理系统，整车上层管理系统控制与该主电池模组并联的第二二路互锁开关开通实现该主电池模组的切除，同时整车上层管理系统将故障信息显示在车载显示器上，以及通过远程大数据为用户提供增程电池模组的更换建议；整车上层管理系统还根据所接收的电机控制器传输的功率需求控制隔离式DC/DC转换器的功率输出；

在增程电池模组的电量用尽后，整车上层管理系统通过控制隔离式DC/DC转换器将增程电池模组切除。

在行驶过程中，整车上层管理系统综合考虑整车驱动需求、制动需求情况，通过与隔离式DC/DC转换器的通讯与控制，从而控制多个增程电池模组的功率输出，达到增加续航里程的目的。

如图1-2所示，本发明还包括充电回路，其并联在主电池电路的两端，用于向主电池电路中的各个电池模组充电，同时整车上层管理系统也能控制隔离式DC/DC转换器通过充电回路对模块化增程电池充电。具体的充电回路为车载充电器。

如图1所示，本发明预充电路包括：

主继电器，其串联定值电阻后，与串联电路串联；

副继电器，其与相互串联的主继电器及定值电阻并联。

实施例2

本发明提供一种电动车的模块化电池增程换电结构的控制方法，包括以下步骤：

利用电机控制器获得电动车的需求功率P_t，并利用电池模组管理系统分别获得多个主电池模组的总额定功率为P_e，以及各个增程电池模组的电池额定功率分别为P_e；

利用整车上层管理系统判断需求功率P_t是驱动功率还是制动功率；

当需求功率P_t是驱动功率，且其小于P_e，则驱动功率全部由主电池电路中的多个主电池模组提供；

当需求功率P_t是驱动功率，且其大于P_e小于2P_e，此时判断增程电池电路中的各个增程电池模组的剩余电量SOC状态，由增程电池电路中剩余电量最多的一个增程电池模组通过隔离式DC/DC转换器输出P_e，其余功率由主电池电路中的各个主电池模组承担；

当需求功率P_t是驱动功率，且其大于2P_e小于3P_e，此时判断增程电池电路中的各个增程电池模组的剩余电量SOC状态，由增程电池电路中剩余电量最多的两个增程电池模组通过隔离式DC/DC转换器输出2P_e，其余功率由主电池电路中的各个主电池模组承担；

当需求功率P_t是驱动功率，且其大于各个增程电池模组的电池额定功率之和时，则增程电池电路中的增程电池模组全部以额定功率输出，且电池电路中的各个主电池模组全部进行功率输出；

当需求功率P_t是制动功率时，此时判断主电池电路中的各个主电池模组的剩余电量SOC状态，制动功率首先由主电池电路中的各个主电池模组吸收，其次由超级电容器吸收，当制动功率还不足时由机械制动提供。

本发明中的一种电动车的模块化电池增程换电结构的控制方法，还包括：

当整车上层管理系统接收到主电池电路中的任意一个主电池模组发生故障的信息时，则整车上层管理系统接控制与该主电池模组并联的第二二路互锁开关断开，此时电流在与该主电池模组并联的二极管中流动，同时整车上层管理系统检测增程电池电路中的各个增程电池模组的剩余电量SOC状态，选取电量最多的一个增程电池模组串入主电池电路。

第一二路互锁开关、多路互锁开关均为微控电子开关，当主电路模组发生故障需要将增程电池模组串入主电池时，整车上层管理系统控制第一二路互锁开关活动端切换至另一触点，并控制多路互锁开关的活动端切换至与剩余电量最多的增程电池模组相连的触点，同时，控制与增程电池并联的隔离式DC/DC相串联的断路器断开。

本发明中的一种电动车的模块化电池增程换电结构的控制方法，还包括：

当需要对电动车进行上电时：

整车上层管理系统对整个电池系统进行自检；

与主电池电路中的各个主电池模组并联的放电电容通过DC/DC恒流控制对超级电容器进行充电，计算超级电容器的充电指数K_p1，其计算公式如下：

其中，U_b为主电池电路中的各个主电池模组的电压；

U_c1为超级电容器的电压；当K_p1接近于95％时，超级电容器输出充电完成信号；

当超级电容器充电完成后闭合主断路器接入主电池电路中的各个主电池模组，再接入增程电池电路中的各个增程电池模组；

闭合预充电路的副接触器对电机控制器预充电，计算电机控制器的充电指数K_p2，其计算公式如下：

其中，U_c2为电机控制器中电容的电压。

当K_p2接近于95％时，电机控制器输出充电完成信号；

当电机控制器预充完成后，在闭合预充电路的主继电器；

在电动车正常行驶过程中通过主电池电路中的各个主电池模组对放电电容进行充电。

下面结合具体的实施例对本发明做具体实施方式的说明。

1、如图1-2所示，在本实施例中，取主电池电路中有3个主电池模组，且由3块串联48V三元锂电池做为主电池电路可以满足日常的正常使用，其通过车载充电机进行串行充电；

取增程电池电路中有3个模块化的增程电池模组，且由3块并联48V电池作为增程电池电路，用户可以自行通过电动摩托车换电柜更换，来达到增加车辆行驶里程的目的，3块并联电池可以随意的组合没有新旧、容量的限制，同时三块并联电池定义为增程电池，其安装随意能实现3-6块电池的匹配安装。

隔离式DC/DC转换器，将48V电池升压至144V并联串联电池模组中，同时可以将系统与电池隔离开来形成安全隔离，人员可以与电池模组进行物理接触能够自主的进行换电。对于48V三元锂电池其额定放电功率为500W，为了控制隔离式DC/DC成本，则隔离式DC/DC转换器的额定功率为500W。

超级电容器，用于减少串联电池模组的放电倍率，提高电池模组的使用寿命，在需要输出大电流时，例如在起步、加速、爬坡，电容器先输出电流，电池电流可以缓慢的增加至额定电流，为了控制电容器的成本，设定电容器最高电压160V,最低电压120V，假定需要以100A放电，持续30S，则依据公式(1)计算超级电容器的电容量：

2、并联的第一二路互锁开关K4，每个增程电池模组的负极与第一二路互锁开关K4的一个触点相连接，第一二路互锁开关K4的另外一个触点与增程电池模组的正极相连，第一二路互锁开关K4的活动端与相邻的增程电池模组的正极相连，同时还并联了一个电池模组管理系统对电池模组的状态进行管理。

当其中某个主电池模组出现故障时，与之并联的第二二路互锁开关(K1、K2、K3中的一个)的活动端由1触点打至2触点将故障的主电池模组切除出电路，此时电流通过二级管流动，电路电压瞬间为96V，同时电池模组管理系统将剩余电量SOC状态上传给整车管理系统，整车管理系统选取剩余电量最多的增程电池模组串入主电源之中，同时将故障信息在车载显示器上显示以及通过远程大数据为用户提供更换建议。

3、第一二路互锁开关K4、多路互锁开关K5均为微控电子开关，当主电路模组发生故障需要将增程电池模组串入主电池时，整车上层管理系统控制第一二路互锁开关K4活动端切换至另一触点，并控制多路互锁开关K5的活动端切换至与剩余电量最多的增程电池模组相连的触点，同时，控制与增程电池并联的隔离式DC/DC相串联的断路器断开。

4、如图3所示电池模组的功率控制策略：

S1：通过电机控制器获得需求功率P_t，整车上层管理系统判断是驱动功率还是制动功率；

S2：当驱动功率P_t小于500W时，驱动功率全部由1#-3#主电池模组提供；

S3：当驱动功率P_t大于500W小于1000W时，判断4#-6#增程电池模组的剩余电量SOC状态，由电量最多的一个电池模组通过隔离式DC/DC转换器输出P_e，其余功率由1#-3#主电池模组承担；

S4：当驱动功率P_t大于1000W小于1500W时，判断4#-6#增程电池模组的剩余电量SOC状态，由电量最多的两个电池模组通过隔离式DC/DC转换器输出1000W功率，其余功率由1#-3#主电池模组承担；

S5：当驱动功率大于1500W时，4#-6#增程电池模组全部以额定功率输出。

S6：当需求功率为制动功率时，充分考虑1#-3#主电池模组的剩余电量SOC状态，制动功率首先由1#-3#主电池模组吸收，其次由超级电容器吸收，还不足时由机械制动提供。

如图4所示，电池系统的上电包括如下步骤：

S1：整车上层管理系统对电路系统进行检查。

S2：检查无误后，隔离式DC/DC工作在恒流模式对超级电容器充电。

S3：计算充电指数K_p1:

式中U_b为1#-3#串联的主电池模组的电压；U_c1为超级电容器的电压。

当K_p1≈95％时，输出充电完成信号。

S4：合上主断路器S1。

S5：合上预充电路副继电器S3。

S6：计算充电指数K_p2:

式中U_c2为电机控制器中电容的电压；当K_p2≈95％时，输出预充电完成信号。

S7：闭合预充电路主继电器S2。

最后说明的是：以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电动车的模块化电池增程换电结构，其特征在于，包括：

预充电路，其与电动车的电机控制器串联；

主电池电路，其包括多个相互串联的主电池模组，其用于向电动车供应电能；所述多个相互串联的主电池模组通过主断路器与预充电路串联后，再与电机控制器相连接，构成串联电路；

增程电池电路，其包括多个相互并联的增程电池模组，其用于向电动车供应增程电能；所述多个相互并联的增程电池模组的两端分别通过第一二路互锁开关、多路互锁开关与串联电路串联；

多个隔离式DC/DC变换器，其相互并联后与串联电路并联，多个增程电池模组分别与多个隔离式DC/DC变换器并联，隔离式DC/DC变换器用于增程电池模组的升压、隔离；每个隔离式DC/DC变换器上分别串联有断路器；

其中，当所述主电池电路发生故障，通过将第一二路互锁开关、多路互锁开关的活动端分别闭合，及将与增程电池模组并联的隔离式DC/DC上的断路器闭合，实现利用增程电池电路中的增程电池模组进行切换，代替发生故障的主电池电路工作。

2.据权利要求1所述的一种电动车的模块化电池增程换电结构，其特征在于：所述第一二路互锁开关与串联电路串联，其活动端及其一个触点分别接入到串联电路中；相互并联的多个所述隔离式DC/DC变换器的其中一个并联节点与第一二路互锁开关的活动端连接，所述相互并联的增程电池模组的其中一个并联节点与第一二路互锁开关的另一个触点连接；

所述多路互锁开关与串联电路串联，其活动端及其一个触点分别接入到串联电路中；多个所述增程电池模组的一端分别与多路互锁开关上的各个触点连接，

当所述主电池电路发生故障，通过第一二路互锁开关由常闭触点打至常开触点，将多路互锁开关的活动端打至电量最多的增程电池模组对应的触点上，及将与增程电池模组并联的隔离式DC/DC上的断路器闭合，实现利用增程电池电路中的增程电池模组进行切换，代替发生故障的主电池电路工作。

3.据权利要求1所述的一种电动车的模块化电池增程换电结构，其特征在于：每个所述主电池模组均并联了第二二路互锁开关，每个所述第二二路互锁开关的两个触点分别与该主电池模组的正极、负极连接，每个所述第二二路互锁开关的活动端与其相邻的主电池模组的正极连接；将所述第二二路互锁开关的一个触点与主电池模组的负极连接，实现利用该主电池模组向电机控制器及电机供应电能；

每个所述主电池模组上均并联有二极管，该二极管的阴极与主电池模组的正极连接，阳极与主电池模组上并联的所述第二二路互锁开关的活动端连接；

当任一个所述主电池模组发生故障时，在将该主电池模组切换后，则整个电路的工作电流从与该主电池模组并联的二极管中流过。

4.据权利要求1所述的一种电动车的模块化电池增程换电结构，其特征在于：还包括：

超级电容器，其并联在主电池电路两端，用于减少各个主电池模组的放电倍率；

所述超级电容器的充电方式为，利用相互并联的增程电池模组通过隔离式DC/DC转换器恒流控制实现对超级电容器充电，以及在电动车平稳行驶过程中通过相互串联的多个主电池模组充电；

在电动车启动或者加速的情况下，所述超级电容器先放电，使得多个主电池模组的电流增加至额定电流；

所述超级电容器的电容量的计算公式为：

其中，U_work为超级电容器的最高电压；U_min为超级电容器的最低电压；

I为超级电容器的放电电流；t为超级电容器的放电时间。

5.根据权利要求1所述的一种电动车的模块化电池增程换电结构，其特征在于：还包括：

电池模组管理系统，其与多个所述主电池模组、多个所述增程电池模组分别电连接，其用于管理各个电池模组内部的单体电芯、智能开关，并监测各个电池模组的故障数据信息及剩余电量数据信息；

整车上层管理系统，其与所述电机控制器、隔离式DC/DC转换器、第一二路互锁开关、第二二路互锁开关、多路互锁开关、电池模组管理系统分别通信连接；

车载显示器，其与整车上层管理系统通信连接，用于向用户显示整车上层管理系统为用户提供的故障信息及增程电池模组的更换建议；

其中，所述电池模组管理系统将所监测到的各个电池模组的故障数据信息及剩余电量数据信息传送至整车上层管理系统；所述整车上层管理系统根据所接收的数据信息控制各个互锁开关，并控制及分配所述主电池电路、增程电池电路的功率输出；

当所述电池模组管理系统监测到其中一个主电池模组发生故障，则电池模组管理系统将所监测到的故障信息传送至整车上层管理系统，整车上层管理系统控制与该主电池模组并联的第二二路互锁开关开通实现该主电池模组的切除，同时整车上层管理系统将故障信息显示在车载显示器上，以及通过远程大数据为用户提供增程电池模组的更换建议；所述整车上层管理系统还根据所接收的电机控制器传输的功率需求控制隔离式DC/DC转换器的功率输出；

在所述增程电池模组的电量用尽后，所述整车上层管理系统通过控制隔离式DC/DC转换器将增程电池模组切除。

6.根据权利要求5所述的一种电动车的模块化电池增程换电结构，其特征在于：还包括：

充电回路，其并联在主电池电路的两端，用于向主电池电路中的各个电池模组充电；

所述整车上层管理系统控制隔离式DC/DC转换器通过充电回路对模块化增程电池充电。

7.根据权利要求1所述的一种电动车的模块化电池增程换电结构，其特征在于：所述预充电路包括：

主继电器，其串联定值电阻后，与所述串联电路串联；

副继电器，其与相互串联的主继电器及定值电阻并联。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种电动车的模块化电池增程换电结构的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

获得电动车的需求功率P_t，并利用分别获得各个主电池模组的总额定功率为P_e，以及各个增程电池模组的电池额定功率分别为P_e；

判断需求功率P_t是驱动功率还是制动功率；

当需求功率P_t是驱动功率，且其小于P_e，则驱动功率全部由主电池电路中的多个主电池模组提供；

当需求功率P_t是驱动功率，且其大于P_e小于2P_e，此时判断增程电池电路中的各个增程电池模组的剩余电量SOC状态，由增程电池电路中剩余电量最多的一个增程电池模组通过隔离式DC/DC转换器输出P_e，其余功率由主电池电路中的各个主电池模组承担；

当需求功率P_t是驱动功率，且其大于2P_e小于3P_e，此时判断增程电池电路中的各个增程电池模组的剩余电量SOC状态，由增程电池电路中剩余电量最多的两个增程电池模组通过隔离式DC/DC转换器输出2P_e，其余功率由主电池电路中的各个主电池模组承担；

当需求功率P_t是驱动功率，且其大于各个增程电池模组的电池额定功率之和时，则增程电池电路中的增程电池模组全部以额定功率输出，且电池电路中的各个主电池模组全部进行功率输出；

当需求功率P_t是制动功率时，判断主电池电路中的各个主电池模组的剩余电量SOC状态，制动功率先由主电池电路中的各个主电池模组吸收，再由超级电容器吸收；当制动功率不足时由机械制动提供。

9.根据权利要求8所述的一种电动车的模块化电池增程换电结构的控制方法，其特征在于：还包括：

当所述主电池电路中的任意一个主电池模组发生故障时，则与该主电池模组并联的第二二路互锁开关断开，此时电流在与该主电池模组并联的二极管中流动，同时检测增程电池电路中的各个增程电池模组的剩余电量SOC状态，选取电量最多的一个增程电池模组串入主电池电路；

所述第一二路互锁开关、多路互锁开关均为微控电子开关，当主电路模组发生故障需要将增程电池模组串入主电池时，整车上层管理系统控制第一二路互锁开关活动端切换至另一触点，并控制多路互锁开关的活动端切换至与剩余电量最多的增程电池模组相连的触点，同时控制与增程电池并联的隔离式DC/DC相串联的断路器断开。

10.根据权利要求9所述的一种电动车的模块化电池增程换电结构的控制方法，其特征在于：还包括：

当需要对电动车进行上电时：

对主电池电路、增程电池电路分别进行自检；

与增程电池电路中的各个增程电池模组相联的隔离式DC/DC通过恒流控制对超级电容器进行充电，计算超级电容器的充电指数K_p1，其计算公式如下：

其中，U_b为主电池电路中的各个主电池模组的电压；

U_c1为超级电容器的电压；

当K_p1接近于95％时，超级电容器输出充电完成信号；

当超级电容器充电完成后闭合主断路器接入主电池电路中的各个主电池模组，再接入增程电池电路中的各个增程电池模组；

闭合预充电路的副接触器对电机控制器预充电，计算电机控制器的充电指数K_p2，其计算公式如下：

其中，U_c2为电机控制器中电容的电压；

当K_p2接近于95％时，电机控制器输出充电完成信号。

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