CN101554838A - 能量分配器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于混合动力电动车上的能量分配器，该能量分配器是对牵引发电机组、牵引电池组和牵引电机之间的能量流动方向和能量的分配方式进行有效控制的设备；包括执行部分、控制部分和显示部分；所述执行部分分别与牵引发电机组、牵引电池组和牵引电机控制器连接，形成牵引电池组的充、放电控制回路；所述执行部分是通过并联的可控硅和直流接触器控制所述牵引电池组的充放电回路；所述执行部分由所述控制部分驱动。本发明能够很好防止了电池组过量充电的现象，能够保障充电时电网安全接入，保障发电机组安全使用，保障每节动力电池都工作在安全容限内，同时也保障用电设备的能量供应。

Description

能量分配器

技术领域

本发明涉及到一种自动控制***，具体地说，本发明涉及一种用于混合动力电动汽车上、用来控制牵引电池组和牵引电机之间的能量流动方向和能量分配方式的设备。

背景技术

目前，电动汽车的能量供给***的基本结构主要有两种：一种是纯电动汽车。如图1所示，这种车辆是利用电网给车载牵引电池组充电，利用存储在牵引电池组内的能量来维持车辆行驶。牵引电池的能量直接输给牵引电机控制器和辅助设备。这种车辆的主要特点是储能时间长(充电时间)和连续行驶里程短，只能用于固定公交线路使用或短距离环境使用。另一种是混合动力电动汽车。与图1中的纯电动汽车结构相比，混合动力电动汽车***增设了车载发电机组、车载电源、电网切入接口。这种车辆的主要特点是即具有前种车辆的性能，如无污染物排放、能满足特定环境使用；又具有普通燃油车辆的性能，能满足长途行驶要求。本发明所涉及的电动汽车为第二种类型车辆，储能设备为锂动力电池；供能方式是以电网充电为主，备用发电机组为应急备用***，只在应急和特殊环境下才使用。如当储能器能量不足时，起动车载发电机组供能可维持车辆行驶，避免出现车辆不能行驶的现象；在远离城区的环境起动发电机组，维持车辆正常行驶，满足车辆长途使用需求。在以电网充电为主的工作模式下，车辆运行时无任何污染物排放，是真正意义上的环保型车辆。

由于具有多种动力源，混合动力电动车辆需要一种能够安全、可靠、精确地分配能量和控制能量流向的能量分配设备，而目前市场上还没有出现专用的能量分配设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于混合动力电动车辆上的能量分配器，用来控制电网接入方式、车载发电机组接入方式及牵引电池组和牵引电机之间的能量流动方向和能量分配方式。

为实现上述发明目的，本发明提供的用于混合动力电动车上的能量分配器，包括牵引电池输入输出控制接触器、牵引总电源负极输出控制接触器和牵引总电源正极输出控制接触器；所述牵引电池输入输出控制接触器两端分别连接牵引电池组正极接线端子和车载电源正极接线端子，该接触器由并联的主接触器支路和缓冲支路组成，所述缓冲支路包括串联的缓冲电阻和辅助接触器，该接触器还并联一个可控硅，该可控硅的输入级与牵引电池组正接线端子连接，输出级与车载电源正接线端子连接；所述牵引总电源负极输出控制接触器两端分别连接总负极接线端子和牵引总电源负接线端子(所述总负极接线端子连接牵引电池组和车载电源的负极，所述车载电源与牵引发电机组或电网连接)；所述总电源正极输出控制接触器的一端连接牵引总电源正极接线端子，另一端连接车载电源正极接线端子连接。

上述技术方案中，还包括控制部分，其控制方法如下：

1)当牵引电池组中的任何单体电池的储能量低于规定最低放电量的下限时，所述控制部分控制执行部分启动发电机组，牵引电池组进入浮动充电状态；

2)当牵引电池组中的任何单体电池的储能量超过饱和能量上限时，所述执行部分切断所述充电回路，并关闭发电机组。

3)当牵引电池组储能量处于所述能量下限和能量上限之间时，如果所述牵引电机的动力输出量大于所述牵引发电机组的输出功率，所述执行部分控制牵引电池组与所述牵引发电机组同步对牵引电机输出能量，如牵引电机动力输出量小于发电机组输出功率，则所述执行部分控制电池组进入充电状态；

4)当不使用或需要限制牵引电池组输出能量时，所述执行部分切断牵引电池组的输出回路。

上述技术方案中，所述电源的总正极输出控制接触器由并联的主接触器支路和缓冲支路组成，所述缓冲支路包括串联的缓冲电阻和辅助接触器。

上述技术方案中，还包括用于检测参数变化并给控制部分提供控制参量的检测部分，包括电量检测器、电压检测器和电流检测器；所述电量检测器采用高压隔离模块；所述电流检测器包括分别用于检测电源的总负极回路、牵引电池组输入输出回路和车载电源供能回路电流的电流传感器。

上述技术方案中，该能量分配器还包括与所述控制部分连接的显示模块。

上述技术方案中，该能量分配器还包括与所述控制部分连接的手动操作模块。

上述技术方案中，所述控制方法的情况1)中，所述执行部分是通过闭合接触器K1使牵引电池组进入浮动充电状态。

上述技术方案中，所述控制方法的情况2)中，所述执行部分是通过断开直流接触器K1来切断所述充电回路；所述执行部分的可控硅处于单向通电状态，使得牵引电池组的输出回路不间断。

上述技术方案中，所述控制方法的情况3)中，所述执行部分的可控硅处于关断状态，直流接触器K1处于开路状态；此时牵引电池组对外无连接。

上述技术方案中，所述电量检测器是通过监测牵引电池组的静态总电压值的变化来确定电池组电量的变化的电量检测器。

与现有技术想比，本发明具有如下技术效果：

现有技术中，所有供电和用电设备与动力电池组都是直通连接方式，无中间调整、控制设备，此种结构用于现代电动汽车上，会造成动力电池组燃烧而燃毁车辆。而本发明的专用能量分配器接入电池组、车载电源及负载之间，能够保障充电时电网安全接入，保障发电机组安全使用，保障每节动力电池都工作在安全容限内，同时也保障用电设备(牵引电机控制器、牵引电机和其它辅助设备)的能量供应。另外，本发明还为主接触器提供缓冲支路，能够消除电容负载的冲击作用，有效地保证了电动车工作状态切换时的安全。

本发明直接检测单体电池的电量，并据此进行能量分配，很好防止了过量充电的现象，防止出现电池燃烧、爆裂等损坏现象。本发明特别适合于配备新型锂动力电池组的电动汽车。锂动力电池的能量密度比普通铅酸电池高3-5倍，要求严格控制每节电池的充电饱和量。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1是纯电动汽车的能量流程图；

图2是以牵引电池组储能工作为主的混合动力电动汽车的能量流程图；

图3是能量分配器的核心部分的示意图；

图4是能量分配器的外型CAD图；

图5是能量分配器内部布置示意图；

图6是能量分配器的外型CAD简图；

图7是混合动力电动汽车的整车***框图；

图8是电量检测电路组成图；

图9是电量检测器基本单元电路图；

图10是能量分配器的逻辑连接示意图；

图11是能量分配器的***功能框图；

图12是能量分配器的显示示意图；

图13是能量分配器的***接线图；

图14是报警显示信号的基本电路图；

图15是电网优先切入控制电路示意图；

图16是控制部分的逻辑连接示意图。

具体实施方式

本发明所涉及的能量分配器主要适合于依靠电池储能工作为主，发电机组供能为辅的混合动力电动汽车。如图2所示，相比纯电动汽车，混合动力电动汽车增设了车载发电机组、车载电源、电网切入接口以及用于调整能量设备的能量分配器。车载电源可切换发电机组和电网接入方式，并经整流、调整、控制、驱动、隔离***向能量分配器提供能量。图7是这种混合动力电动汽车的整车***框图。该种车辆的工作状态有以下几种：

1牵引电池组直接驱动车辆，此时发电机组不工作；

2发电机组直接供能给动驱动***，独立驱动车辆行驶；

3发电机组与牵引电池组同时工作，向动力驱动***供能；

4发电机组只为牵引电池组充电；

5刹车时电机变为发电机提供能量给电池组充电；

6通过电网给电池组充电。

其中第1种状态时，在电池组的电量过低时发电机组要及时起动；第2种状态时，发电机组不能出现过载现象；第3种状态时，牵引电池组不能出现过量放电现象和发电机组不能出现过载现象；第4种状态时必须具有限制电压结构来保障牵引电池不出现过量充电现象。本发明涉及的能量分配器是通过检测各单元设备的参数变化，控制各单元设备的工作状态，从而保障能量供给***连续、高效、可靠、安全运行，它是该种车辆的核心设备。

下面结合优选实例对本发明作进一步地描述。

实施例

本实施例的能量分配器连接在所述电动汽车的供能设备与牵引电机之间。该能量分配器的输入连接端子在工作状态下分别与牵引发电机组和牵引电池组连接；在电网接入充电时与电网连接。输出连接端子与牵引电机控制器和辅助设备连接，如图2所示。

本实施例的主要功能包括：电网输入控制、发电机组的电能输出控制、牵引电池的储能量控制、牵引电池组储能的释放量控制、刹车动能回收控制和报警输出控制。

本实施例的能量分配器包括主体部分和外设部分。下面分别描述主体部分和外设部分。

一、主体部分

所述能量分配器的主体部分可参考图3，该图中：牵引电池输入输出控制接触器由可控硅T、主接触器K1、铺助接触器K1-1和限流电阻R1组成，用于控制充电回路、电池组输出回路的通断(能量由车载电源输入电池组的通路为充电回路，能量由电池组输出给负载的通路为电池组输出回路)。K0是牵引总电源负极输出控制接触器。牵引总电源正极输出控制接触器由电源总正输出控制接触器K2，缓冲回路接触器K2-1和缓冲电阻R2组成。A₀是用于检测牵引总电源负极电流的电流传感器、A₁是用于检测牵引电池组输入输出电流的电流传感器、A₂是用于检测所述车载电源输入输出电流的电流传感器。车载电源由电网或车载发电机组供能，其能量输出给车载牵引电池组或车载动力***(包括牵引动力***和其它车载辅助设备)。V是用于检测牵引电源总正、负极之间电压的电压传感器。本实施例中，能量分配器核心部分的接线端子包括：总负极(车载电源和牵引电池组的公共负极)、牵引电池组正极、车载电源正极、牵引电源总负极、牵引电源总正极和辅助电源正极。

参考图10、11，本实施例能量分配器的主体从功能上划分，包括执行部分、检测部分和控制部分。在本实施例中，这三个部分均置于能量分配器壳体的内部。能量分配器主体部分的外型如图4、图6所示(图4中1表示信号接口，2表示接线端子，3表示固定用螺栓孔)，主体部分的内部布置如图5所示。下面分别详细描述本实施例的执行部分、检测部分和控制部分。

①执行部分

执行部分包括牵引电池输入输出控制接触器、牵引总电源负极输出控制接触器和牵引总电源正极输出控制接触器，用于完成相关能量流的通/断。

当牵引电池组中的任何单体电池储能量超过饱和限量时，应切断充电回路；此时主接触器K₁断开、辅助接触器K_1-1断开、可控硅T处于单向通电状态阻断充电回路，但可以释放电池组的能量。

当不使用或需要限制牵引电池组输出能量时，应当切断牵引电池组的输出回路。此时图3中主接触器K1断开、辅助接触器K1-1断开、可控硅T双向阻断。

牵引电池输入输出控制接触器的串朕支路中的电阻R₁和辅助接触器K_1-1是缓冲控制电路，用于保护主接触器K₁的触点。其原理在于：当需要闭合主接触器K₁时，首先闭合辅助接触器K_1-1，利用电阻R₁的限制电流作用限制电容性负载的冲击电流；在消除电容性负载冲击作用后，通过延时接通主接触器K₁。辅助接触器的触点额定电流较小，本实施例中辅助接触器的触点额定电流是主接触器的10％。电容性负载会产生瞬间大电流冲击；电容的容量越大作用越强，可根据负载电容的容量设定缓冲电阻的大小，经2-3秒缓冲就可消除电容负载的冲击作用。

K₀是牵引总电源负极输出控制接触器、K₂是牵引总电源正极输出控制接触器的主接触器，K_2-1、R₂是主接触器K₂的缓冲控制支路。这些接触器由控制部分按一定逻辑进行控制，以达到导通或切断供能回路的目的。

②检测部分

本实施例中，检测部分包括电流传感器A0、A1、A2、电压传感器V和电量检测器。本实施例中的检测部分一方面用于检测各电器的参数变化，检测结果输出给控制部分，为控制部分提供控制参量；另一方面用于检测汽车供能***中各器件的状态，以提供显示和预警。

下面展开描述本实施例中的各种检测部件和检测方法

1、电压检测，采用通用标准隔离形电压检测模块，检测范围：输入DC 0-500V、输出DC 0-5V、模块工作电压DC±15V和中性地。

2、电流检测，采用通用标准隔离形电流检测模块，检测范围：输入DC 0-400A、输出DC 0-4V、模块工作电压DC±15V和中性地。

3、电量检测，电量检测是通过监测牵引电池组的静态总电压值的变化来确定电池组容量的变化。如图8、图9所示：

利用电压比较器对串联回路R1、R2中点电压和串联回路RX、R3中点电压比，可锁定某一特定值的电压变化。

比如：通过调整RX的阻值，当牵引电池的总电压低于DC 388V时，比较器输出为+5V、当牵引电池总电压高于DC 388V时，比较器输出为0V。C1作用是消除瞬间电压变化冲击。DC 388V就是一个电压采样点，通过对牵引电池组的电压最高点和最低点之间的电压连续采样，就可标定出牵引电池组的总容量的变化状态，即为牵引电池组的电量值。如图8所示。以额定电压为288V的牵引电池组为例，其最低放电电压为240V、最高充电电压是336V。牵引电池组在饱和状态下开始放电，其电压变化范围是：

336V-240V＝96V。如果设10个电压采样点，各点的电压应该是240V、249.6V、259.2V、268.8V、278.4、288V、297.6V、307.2V、316.8、326.4、336V。共11个采样点。就可标定出整个牵引电池组的电量变化特性。

4、电网输入状态检测(电网优先切入)，如图15所示，当电网切入时，交流接触器J1的常闭合触点会断开，J2工作回路自动断开；在J1闭合时，J2没有工作条件，电网优先切入。(此电路是***安全控制电路，给能量分配器一个状态控制开关信号。)

5、发电机组的工作状态检测，如图15所示，在无电网切入状态，当发电机工作时，J2会闭合，J2的接入有效触点会闭合，确定发电机处于工作状态。反之确定发动机是不工作状态。

6、电池的饱和状态检测，由电池管理器完成，并向能量分配器提供电池单体的饱和信号、电池单体的欠压信号，并以开关信号形式输出。

③控制部分

本实施例中，控制部分是能量分配器的控制单元，按设定的程序，把各种情况下的相应的控制程序存储在内存里，根据对应的检测参量的变化输出相应的控制模式(就如同电喷发动机上的ECU所具备的性能一样)，用以控制执行部分的各执行部件的操作，具体如下：

1、在电网接入时，K₁回路闭合、K₂回路断开。此程序不受车上的电器开关***控制，限制车辆的动力输出、同时关闭发电机组。电网接入是在充电站内进行，通过插接器件与三相380V动力电网连接。

2、在电网接入充电条件下，当牵引电池组中的任何单体电池的电压超过最高限压时，***自动切断K₁(切断充电回路)，防止任何单体电池出现过量充电现象。

3、在任何条件下，当单体电池的温度超过规定温限时，***自动切断K₀、K₁和K₂。特殊条件下，可手动解除。

4、在发电机组工作条件下，接触器K₁闭合。当出现任何单体牵引电池的电压达到规定上限时接触器K₁断开，此时可控硅处于单向导通状态。在此状态下，当可控硅通过电流大于限定电流允许上限时，在控制部分的控制下接触器K₁自动闭合。

5、在发电机组工作时，电池组电压没有达到截至上限时，K₁重新闭合。

6、在发电机工作时，当牵引电池组的总电量超规定的上限时，控制部分控制发电机组自动关闭。

7、在发电机组不工作时，当牵引电池组的总电量低于规定的下限时，自动启动发电机组。

8、当牵引电池组的总电量低于最低限量时，自动断开K₂。此项功能可手动解除。

9、刹车状态下，接触器K₀、K₁、K₂同时闭合，刹车动能直接回馈给牵引电池组。

10、通过检测A0、A1、A2的电流参数变化，控制发电机组的工作状态。如加速行车时，A0＝A1+A2、静态充电时，A0＝A1＝A2、减速行车时，A0+A1＝A2、制动时，A0+A2＝A1。根据三点的电流状态确定车量的运动状态，从而确定发电机组的发动机的驱动量的增益变化。

二、外设部分

本实施例的能量分配器的外设部分包括显示部分、手动操作部分和***联动控制信号部分。

显示部分，显示控制单元的主要参数如总电压、总电流、总电量、电池组温度、环境温度和***的瞬时电流走向等，如图12所示。

手动操作部分，属手动控制单元，用于在特殊条件下人工操控能量分配器。如发电机组的点火开关的1、2档的控制信号输入。

***联动控制信号部分(接口电路)，如图14所示。除总电流、总电压信号为模拟量外，其它都是数字开关量。用于控制功能指示灯和其它相关功能设备。

本实施例的能量分配器在启动时，需要确定所有的控制模式，这些控制模式存储在控制部分的模式存储器中，如图16所示。

根据设计要求，确定所有的输入状态模式，存入内存1中；针对每种输入状态，确定对应的控制模式并存入内存2中，通过比较器使输入状态与控制方式一一对应，并通过执行部分进行逻辑控制。

然后设置控制信号传递端口，如图13所示。利用开关量接地和悬空两种状态进行逻辑状态控制，不会因连接线的短接或断路造成设备损坏。

本实施例还具有故障显示功能，所有报警显示信号均采用半导体发光二极管为信号源，如图14所示，限流电阻R和发光二极管D在仪表内，经导线与能量分配器内的驱动管Q相连接。这种结构连接线开路或短路时，只能出现显示灯不亮或常亮两种状态，不会造成设备损坏。

值得注意的是，本实施例中虽然包含了执行部分、检测部分、控制部分以及外设部分，但能量分配中对各回路的通/断操作均由执行部分实现，因此本发明的执行部分可以单独成为一个独立的能量分配器，也可以把本发明的执行部分与现有的控制逻辑结合起来使用。同理，本发明中的控制部分和检测部分也可以与现有技术结合做相应扩展，这些扩展都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于混合动力电动车上的能量分配器，包括执行部分，该执行部分包括牵引电池输入输出控制接触器、牵引总电源负极输出控制接触器和牵引总电源正极输出控制接触器；所述牵引电池输入输出控制接触器两端分别连接牵引电池组正极接线端子和车载电源正极接线端子，该接触器由并联的主接触器支路和缓冲支路组成，所述缓冲支路包括串联的缓冲电阻和辅助接触器，该接触器还并联一个可控硅，该可控硅的输入级与牵引电池组正接线端子连接，输出级与车载电源正接线端子连接；所述牵引总电源负极输出控制接触器两端分别连接总负极接线端子和牵引总电源负接线端子；所述总电源正极输出控制接触器的一端连接牵引总电源正极接线端子，另一端连接车载电源正极接线端子连接。

2.根据权利要求1所述的能量分配器，其特征在于，还包括控制部分，所述控制部分包括：

第一控制模块，用于在牵引电池组中的任何单体电池的储能量低于规定最低放电量的下限时，控制所述执行部分启动发电机组，使得牵引电池组进入浮动充电状态；

第二控制模块，用于在牵引电池组中的任何单体电池的储能量超过饱和能量上限时，控制所述执行部分切断所述充电回路，并关闭发电机组；

第三控制模块，用于在牵引电池组储能量处于所述能量下限和能量上限之间时，如果所述牵引电机的动力输出量大于所述牵引发电机组的输出功率，控制牵引电池组与所述牵引发电机组同步对牵引电机输出能量，如牵引电机动力输出量小于发电机组输出功率，则控制电池组进入充电状态；

第四控制模块，用于在不使用或需要限制牵引电池组输出能量时，控制所述执行部分切断牵引电池组的输出回路。

3.根据权利要求1所述的能量分配器，其特征在于，所述电源的总正极输出控制接触器由并联的主接触器支路和缓冲支路组成，所述缓冲支路包括串联的缓冲电阻和辅助接触器。

4.根据权利要求2所述的能量分配器，其特征在于，还包括用于检测参数变化并为所述控制部分提供控制参量的检测部分，包括电量检测器、电压检测器和电流检测器；所述电量检测器采用高压隔离模块；所述电流检测器包括分别用于检测电源的总负极回路、牵引电池组输入输出回路和车载电源供能回路电流的电流传感器。

5.根据权利要求1所述的能量分配器，其特征在于，该能量分配器还包括与所述控制部分连接的显示模块。

6.根据权利要求1所述的能量分配器，其特征在于，该能量分配器还包括与所述控制部分连接的手动操作模块。

7.根据权利要求2所述的能量分配器，其特征在于，所述第一控制模块还用于闭合接触器K1使牵引电池组进入浮动充电状态。

8.根据权利要求2所述的能量分配器，其特征在于，所述第二控制模块还用于断开直流接触器K1来切断所述充电回路；控制所述执行部分的可控硅处于单向通电状态，使得牵引电池组的输出回路不间断。

9.根据权利要求2所述的能量分配器，其特征在于，所述第三控制模块还用于控制所述执行部分的可控硅处于关断状态，直流接触器K1处于开路状态。

10.根据权利要求2所述的能量分配器，其特征在于，所述电量检测器是通过监测牵引电池组的静态总电压值的变化来确定电池组电量的变化的电量检测器。

Images