CN204526866U - 一种汽车用三电压电源*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于汽车上的电源，具体地说是一种汽车用三电压电源***。该***包括12V电源单元、48V电源单元、300V电源单元、DC/DC转换器Z1 Z2；其中所述的DC/DC转换器Z1低压端与12V电源单元中的12V电源电连接、高压端与48V电源单元中的48V电源电连接；所述的DC/DC转换器Z2低压端与48V电源电连接、高压端与300V电源单元中的300V电源电连接；所述的12V电源、48V电源、300V电源、DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2和主控制器之间的信号交互是通过数据线，以CAN网络通信的方式进行。本实用新型是一种克服了汽车车内低压供电电路中电流过大、发动机匹配偏大易导致燃油消耗率过高以及寒冷地区车载锂离子蓄电池难以放电的问题的汽车用三电压电源***。

Description

一种汽车用三电压电源***

技术领域

本实用新型涉及一种用于汽车上的电源，具体地说是一种汽车用三电压电源***。

背景技术

目前汽车的发展面临四个问题：第一是由于能耗和环境的严峻形势，新能源汽车成为未来交通发展的重要方向；第二是锂离子蓄电池低温特性差，在低温下不适合放电；第三是车辆在进行发动机匹配时为了满足动力性要求，将发动机排量选得往往偏大，造成发动机常常不在高效工作区域内工作，此时耗油率较高；第四是汽车电气化程度不断升高，与之对应的是车内电附件的电功率需求不断上升，容易造成低压电路中的电流过大。车内低压电器总功率由传统汽车不足2千瓦的电功率上升到将来汽车中的5千瓦以上。这对于目前轿车的12V低压***将造成巨大压力，比如需要2千瓦的功率时，流过12V电源的电流达到166A；而如果需要5千瓦的功率时，流过12V电源的电流将达到416A。一般来说，当电流超过150A后，线束上的电能损失将会很大，此时***对导线的要求很高，造成线束成本迅速上升。

发明内容

本实用新型针对上述问题提供了一种汽车用三电压电源***，克服了汽车车内低压供电电路中电流过大、发动机因为匹配问题导致燃油消耗率过高以及寒冷地区车载锂离子蓄电池难以放电的问题，有助于新能源汽车的发展。

本实用新型技术方案结合说明书附图说明如下：

一种汽车用三电压电源***，该***包括12V电源单元、48V电源单元、300V电源单元、DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2；其中所述的DC/DC转换器Z1低压端与12V电源单元中的12V电源电连接、高压端与48V电源单元中的48V电源电连接；所述的DC/DC转换器Z2低压端与48V电源电连接、高压端与300V电源单元中的300V电源电连接；所述的12V电源、48V电源、300V电源、DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2和主控制器之间是通过CAN总线相连的。

所述的12V电源单元包括12V电源、负载F1、非必要负载F2、常闭式开关S4、常开式开关S7、电阻丝R1、霍尔式电流传感器C1；所述的48V电源单元包括48V电源、负载F3、常开式开关S5、常开式开关S8、电阻丝R2、霍尔式电流传感器C2；所述的300V电源单元包括300V电源、负载F4、常开式开关S6、霍尔式电流传感器C3、发电机G5；其中所述的DC/DC转换器Z1低压端与12V电源电连接、高压端与48V电源电连接；所述的DC/DC转换器Z2低压端与48V电源连接、高压端与300V电源连接；

所述的12V电源正极分别电连接负载F1、非必要负载F2、DC/DC转换器Z1的低压端正极、常开式开关S7；霍尔式电流传感器C1套在12V电源正极外接总线束上，12V电源负极分别电连接负载F1另一端、常闭式开关S4、DC/DC转换器Z1的低压端负极、电阻丝R1的一端，其中非必要负载F2与常闭式开关S4相连，常开式开关S7与电阻丝R1相连；

所述的48V电源正极电连接常开式开关S5一端，常开式开关S5的另一端分别电连接DC/DC转换器Z1的高压端正极、负载F3、DC/DC转换器Z2的低压端正极、常开式开关S8；霍尔式电流传感器C2套在48V电源正极外接总线束上；48V电源负极分别电连接DC/DC转换器Z1的高压端负极、负载F3另一端、DC/DC转换器Z2的低压端负极、电阻丝R2的一端；其中常开式开关S8与电阻丝R2相连；

所述的300V电源正极电连接常开式开关S6，常开式开关S6另一端分别电连接DC/DC转换器Z2的高压端正极、负载F4、发电机G5；霍尔式电流传感器C3套在300V电源正极外接总线束上；300V电源负极分别电连接DC/DC转换器Z2的高压端负极、负载F4和发电机G5的另一端。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型三电源及DC/DC控制方法设计，是通过分步加热，来实现寒冷环境下对锂离子蓄电池的保护，防止锂离子蓄电池低温放电进而影响电池的使用寿命，12V铅酸电池为48V锂离子蓄电池进行加热，48V锂离子蓄电池为300V高压电池组加热；考虑12V铅酸电池低温放电特性好但是容量有限的特点，通过分步式加热方法，实现整体能量利用效率的提高。2、本实用新型通过升级部分低压部件的电压等级，即增加一个48V电源，分担原12V电源的供电压力，降低低压供电***中的电流值，实现低压供电***的合理控制。对于混合动力汽车中，发动机、离合器、变速箱、传动轴、主减速器和半桥等是传统的驱动汽车车轮的动力***，而此处配备一组高压电池和驱动电机作为第二套驱动汽车车轮的动力***来增加车辆所能达到的最大功率。这样可以实现一种包含三电压电源***的车载电源配置，存在高压动力电池，48V电池和12V低压电池三个电源，可以在整车设计过程中减小发动机规格，即减小排量，实现节省燃油的目的；通过DC/DC转换器高、低压端电源的SOC反馈控制，实现既保证电源有充足的电能，又能防止电源过充电，延长电池寿命。

3、本实用新型通过三电源基于SOC的功率限制，限制负载功率或者隔离负载，有利于各个电源能量快速得到补充，同时延长电源的使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型三电压电源***的原理示意图；

图2—a是本实用新型DC/DC转换器示意图；

图2—b是本实用新型常开式开关的原理示意图；

图2—c是本实用新型常闭式开关的原理示意图；

图3是本实用新型三电压电源***的连接示意图，其中虚线表示信号线，实线表示能量流动；

图4是本实用新型三电压电源***控制方法流程图；

图5—a是本实用新型48V电源基于温度的控制流程图；

图5—b是本实用新型300V电源基于温度的控制流程图；

图6—a是本实用新型12V电源的充放电控制流程图；

图6—b是本实用新型48V电源的充放电控制流程图；

图6—c是本实用新型300V电源的充放电控制流程图；

图7是本实用新型300V电源介入驱动的控制方法。

具体实施方式

参阅图1、图3，一种汽车用三电压电源***，该***包括12V电源单元、48V电源单元、300V电源单元、DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2；其中所述的DC/DC转换器Z1低压端与12V电源单元中的12V电源电连接、高压端与48V电源单元中的48V电源电连接；所述的DC/DC转换器Z2低压端与48V电源电连接、高压端与300V电源单元中的300V电源电连接；所述的12V电源、48V电源、300V电源、DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2和主控制器之间的信号交互是通过数据线，以CAN网络通信方式进行。主控制器即整车控制器，接收各种信号输入，解析驾驶员行驶意图，负责对车载动力***进行控制。主控制器与车上的传感器、电磁继电器构成控制***。12V电源、48V电源和300V电源三种电源同时存在，通过两个降压型DC/DC转换器组成一个三电压电源***。

所述的12V电源单元包括12V电源、负载F1、非必要负载F2、常闭式开关S4、常开式开关S7、电阻丝R1、霍尔式电流传感器C1；

其中12V电源为铅酸蓄电池，容量为60AH，负责为传统的电附件供电，包括灯光、娱乐音响设备、火花塞点火装置和给48V电源加热的电阻丝R1；对于不会影响行车安全的负载，比如娱乐音响设备，称为非必要负载，用负载F2表示。给非必要负载F2断电，不会影车辆的动力安全性，而且可以减少12V电源电量的损耗。对于其他由12V电源供电的电附件，统称为必要负载，用F1表示。

12V电源正极分别连接负载F1、非必要负载F2、DC/DC转换器Z1的低压端正极、常开式开关S7；12V电源负极分别连接负载F1另一端、常闭式开关S4、DC/DC转换器Z1的低压端负极，电阻丝R1的一端；其中非必要负载F2与常闭式开关S4相连，常开式开关S7与电阻丝R1相连；连接方式均是电连接。霍尔式电流传感器C1套在12V电源正极外接总线束上，不是串联在电路中。

所述的48V电源单元包括48V电源、负载F3、常开式开关S5、常开式开关S8、电阻丝R2、霍尔式电流传感器C2；

其中48V电源为锂离子蓄电池，容量为20AH，负责为车辆主动式底盘***、电动空调的空气压缩机和给300V电源加热的电阻丝R2等部件供电。其中，这些由48V电源供电的部件用负载F3表示。

所述的48V电源正极连接常开式开关S5一端，常开式开关S5另一端分别连接DC/DC转换器Z1的高压端正极、负载F3一端、DC/DC转换器Z2的低压端正极、常开式开关S8；48V电源负极分别连接DC/DC转换器Z1的高压端负极、负载F3另一端，DC/DC转换器Z2的低压端负极、电阻丝R2的一端，其中常开式开关S8与电阻丝R2电相连。连接方式均是电连接。霍尔式电流传感器C2套在48V电源正极外接总线束上，不是串联在电路中。

所述的300V电源单元包括300V电源、负载F4、常开式开关S6、霍尔式电流传感器C3、发电机G5；

其中300V电源为高压锂离子蓄电池，容量为35AH，负责给驱动电机供电，并回收车辆刹车时的制动能量。其中驱动电机用负载F4表示。

300V电源正极连接常开式开关S6一端，常开式开关S6另一端分别连接DC/DC转换器Z2的高压端正极、负载F4、发电机G5，300V电源负极分别连接DC/DC转换器Z2的高压端负极、负载F4和发电机G5的另一端，连接方式均是电连接。霍尔式电流传感器C3套在300V电源正极外接总线束上，不是串联在电路中。

霍尔式电流传感器C1、C2、C3采用的型号为Honeywell CSLA2EL，它可以将所套住的线束上流过的瞬时电流测量出来并传送到主控制器内。对于回路中的开关，都是串联接在电路中。

参阅图2—a是DC/DC转换器Z1和DC/DC转换器Z2的示意图，其中两端连接的分别是低压电路和高压电路，两端的电路均是直流电路，DC/DC转换器Z1和DC/DC转换器Z2就是负责将直流电从一个电压等级转换到另一个电压等级，可以检测并传送高低压端的实时电压值。本实用新型中用到的DC/DC转换器Z1和Z2均是降压型DC/DC转换器，即把较高电压的直流电转化成较低电压的直流电，DC/DC转换器Z1选用的型号是MDK500-48S24，DC/DC转换器Z2选用的型号是MDM600-300S48。

参阅图2—b是常开式开关的原理示意图，本实用新型中用到的常开式开关S5、S6、S7和S8均是通过常开式电磁继电器实现的，继电器的g、m端口接低压控制电路，1、2端口接实际的被控电路，实现g、m端口间低压控制电路对于1、2端口间高压电路的控制。当g、m端口不通电时，继电器处于初始状态，即1、2端口间的电路处于断开状态；当g、m端口通电时，继电器1、2端口间的电路处于接通状态。g、m端口接的低压控制电路是车载5V电压信号，由主控制器发出。

参阅图2—c是常闭式开关的原理示意图，本实用新型中用到的常闭式开关S4是通过常闭式电磁继电器实现的，继电器的g、m端口接低压控制电路，1、2端口接实际的被控电路，实现g、m端口间低压控制电路对于1、2端口间高压电路的控制。当g、m端口不通电时，继电器处于初始状态，即1、2端口间的电路处于接通状态；当g、m端口通电时，继电器1、2端口间的电路处于断开状态。g、m端口接的低压控制电路是车载5V电压信号，由主控制器发出。

参阅图3是三电源***的信号传递示意图，12V电源、48V电源、300V电源，DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2和主控制器都与CAN总线相连，采用的连接端口都是9芯的RS232接口，即标准的DB9接口。CAN总线上传递的信息有：三个电源的温度、电流、电压信息、DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2的控制字信息，即占空比。其中虚线表示信号线，采用的是CAN总线传递信号；实线表示能量流动线路，连接方式是电连接。

参阅图4，一种汽车用三电压电源***的控制方法，其步骤包括：

步骤一、当驾驶员转动车辆的钥匙给***接通低压电后，此时车辆准备启动，***首先检测电源的温度，此处允许12V电源低温放电，因此只需要检测48V电源和300V电源的温度；如果温度较低，达不到允许电源放电的温度阈值，电源就会进入分步预热的温度控制环节，通过12V电源给48V电源预热，当48V电源温度上升到阈值温度后，12V电源停止给48V电源预热，此时48V电源才具有放电能力，给连接在48V电源的负载F3供电，同时如果检测到300V电源的温度低于阈值，48V电源会给300V电源预热，当300V电源温度上升到阈值温度后，48V电源停止给300V电源预热，此时300V电源才具有放电能力；如果48V电源和300V电源温度都低于阈值，两个电源的加热顺序为：12V电源先给48V电源加热，直到48V电源温度高于锂离子蓄电池适宜放电的温度阈值后，48V电源通过放电再给300V电源加热；

步骤二、当电源温度均达到阈值温度以上后，控制***计算三个电源的SOC，主控制器根据电源的SOC控制三电压电源***进行充电和放电操作，这一过程是可以伴随车辆行驶进行的；

步骤三、行驶过程中，控制***计算车辆的需求功率，当行驶中发动机的高效工作区与车辆的需求功率不匹配时，控制***就会协调确定三个电源和发动机的联合工作模式；

步骤四、重复步骤一到步骤三，直到车辆到达目的地停车后为止。

上述步骤一中12V电源给48V电源预热的具体步骤包括：

1)、控制***不断采集48V电源的温度，当48V电源温度低于阈值时，常开式开关S5断开，常开式开关S7闭合，12V电源给电阻丝R1供电，电阻丝R1产生热量提高48V电源的温度，即12V电源对48V电源进行预热；

2)、当48V电源温度达到阈值温度以上时，48V电源外接电路上的常开式开关S5闭合，此时48V电源才具有对外供电的能力，进而给负载F3供电或者为300V电源预热，此时常开式开关S7断开，12V电源停止给48V电源的预热；

上述步骤一中48V电源给300V电源预热的具体步骤包括：

1)、控制***不断采集300V电源的温度，当300V电源温度低于阈值时，常开式开关S6断开，常开式开关S8闭合，48V电源给电阻丝R2供电，电阻丝R2产生热量提高300V电源的温度，即48V电源对300V电源进行预热；

2)、当300V电源温度达到阈值温度以上时，300V电源外接电路上的常开式开关S6闭合，此时300V电源才具有对外供电的能力，进而给负载F4供电，此时常开式开关S8断开，48V电源停止给300V电源的预热。

参阅图5—a和5—b是三电源***中48V电源和300V电源基于温度的控制流程图。关于加热与温度控制，采用分步预热的方法进行。充分利用铅酸电池低温特性好，但是能量密度小，锂离子蓄电池低温特性差，但是能量密度高的特点。当锂离子蓄电池的工作环境被预热到合适的温度后再进行放电操作，可以提高电源的放电效率，进而整体提高汽车的能量利用效率。关于锂离子蓄电池适宜的温度阈值，由锂离子蓄电池的材质具体确定。在电阻丝的选择上，电阻丝R1选择发热功率为1kW的电阻丝，电阻丝R2选择发热功率为3kW的电阻丝，电阻丝的功率不宜选得过高，防止电池包内部局部过热。本实用新型图5a—5b中的温度控制流程图中以温度阈值设为5摄氏度为例进行说明：

参阅图5—a是48V电源基于温度的控制流程图，控制***时时采集48V电源的温度，当48V电源温度低于阈值时，常开式开关S5保持断开，常开式开关S7闭合，12V电源对48V电源进行预热。12V电源给电阻丝R1供电，电阻丝R1产生热量提高48V电源的温度。当48V电源温度达到阈值温度以上时，图1中48V电源外接电路上的常开式开关S5闭合，此时48V电源才具有对外供电的能力，进而给负载F3供电或者为300V电源预热。此时常开式开关S7断开，12V电源停止给48V电源预热。

参阅图5—b是300V电源基于温度的控制流程图，控制***时时采集300V电源的温度，当300V电源温度低于阈值时，常开式开关S6保持断开，常开式开关S8闭合，48V电源对300V电源进行预热。48V电源给电阻丝R2供电，电阻丝R2产生热量提高300V电源的温度。当300V电源温度达到阈值温度以上时，图1中300V电源外接电路上的常开式开关S6闭合，此时300V电源才具有对外供电的能力，进而给负载F4供电。此时常开式开关S8断开，48V电源停止给300V电源预热。利用各个电源的特点，通过分步式预热控制，实现能量的高效利用。

本实用新型里预热控制中的温度阈值，设为了5摄氏度，但是不局限于所列出的具体温度值，可以根据实际情况具体调整。

本实用新型中的充电控制方法包括三部分：

(1)、当12V电源的SOC低于阈值时，开启DC/DC转换器Z1进行充电，能量从48V电源流向12V电源，而12V电源的SOC达到90％时，DC/DC转换器Z1停止工作；当48V电源的SOC低于阈值时，开启DC/DC转换器Z2进行充电，能量从300V电源流向48V电源，而48V电源的SOC达到90％时，DC/DC转换器Z2停止工作；当300V电源的SOC低于阈值时，开启发电机G5进行充电，能量从发电机G5流向300V电源，而300V电源的SOC达到90％时，发电机G5停止工作；这一过程中，DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2受低压端电源的SOC值控制开启与关闭。

(2)、车辆制动时，部分车辆的动能会转化为电能，300V电源能接收并储存车辆的再生制动能量；如果在这一过程中，300V电源的SOC因回收制动能量而达到95％以上，DC/DC转换器Z2就会开启，进而给48V电源充电，能量从300V电源流向48V电源，当300V电源的SOC降到95％以下时，DC/DC转换器Z2关闭；如果48V电源的SOC达到95％，DC/DC转换器Z1就会开启，进而给12V电源充电，能量从48V电源流向12V电源，当48V电源的SOC降到95％以下时，DC/DC转换器Z1关闭；这一过程中，DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2受高压端电源的SOC值控制开启与关闭。

(3)、当12V电源的SOC达到98％时，DC/DC转换器Z1停止工作；当48V电源的SOC达到98％时，DC/DC转换器Z2停止工作；当300V电源的SOC达到98％时，电池不再接收再生制动能量；这一过程中，DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2受低压端电源的SOC值控制开启与关闭，300V电源的制动能量回收电路受其SOC控制，当300V电源的SOC超过98％后，只允许300V电源放电，不允许充电。

上述的三种充电方法优先级最高的为(3)、优先级最低的为(1)。具体为：如果出现12V电源因为不断被充电，其SOC由低于40％，上升到90％时，此时根据1)中的控制方法，DC/DC转换器Z1停止工作；同时如果此时48V电源的SOC因为接收300V电源的能量使得48V电源的SOC超过95％，此时按照2)的控制方式，DC/DC转换器Z1应该开启工作；为应对DC/DC转换器Z1出现同时满足不同方法中的开启与关闭条件的现象，在控制方法中定义2)的优先级高于1)的优先级，即同时出现上述情况时，执行优先级高的控制方法，此处DC/DC转换器Z1启动工作。然后，12V电源因为继续接收48V电源的电量输入，造成12V电源的SOC不断升高，当12V电源的SOC上升到98％时，满足3)中的关闭DC/DC转换器Z1的条件；此处定义3)的优先级高于2)的优先级，DC/DC转换器Z1停止工作，避免出现DC/DC转换器Z1一直开启造成12V电源过度被充电现象，防止出现安全隐患。同理，对于DC/DC转换器Z2的控制，与DC/DC转换器Z1的控制一致。如果出现48V电源因为不断被充电，其SOC由低于40％，上升到90％时，此时根据1)中的控制方法，DC/DC转换器Z2停止工作；同时如果此时300V电源的SOC超过95％，此时按照2)中的控制方式，DC/DC转换器Z2应该开启工作；为应对DC/DC转换器Z2出现同时满足不同方法中的开启与关闭条件的现象，在控制方法中定义2)的优先级高于1)的优先级，即同时出现上述情况时，执行优先级高的控制方法，此处DC/DC转换器Z2启动工作。然后，48V电源因为继续接收300V电源的电量输入，造成48V电源的SOC不断升高，当48V电源的SOC上升到98％时，满足3)中的关闭DC/DC转换器Z2的条件；此处定义3)的优先级高于2)的优先级，DC/DC转换器Z1停止工作，避免出现DC/DC转换器Z2一直开启造成48V电源过度被充电现象，防止出现安全隐患。多个控制操作同时满足条件时，执行这几个满足条件的优先级最高的操作。这样是为了优先保护电池，防止电源的SOC超过98％之后仍然充电造成安全隐患，在保证安全的基础上，尽可能的回收制动能量，提高能量利用率。虽然第三种情况极少出现，但是这种设置可以提高电源安全。本实用新型里充电控制方法中的SOC阈值，设为了40％，但是不局限于所列出的具体SOC阈值，可以根据实际情况具体调整。

本实用新型中的放电控制方法包括三部分：

(1)当12V电源的SOC处于高阈值以上时，12V电源电量处于充足状态，12V电源可以进行正常的放电操作；当12V电源的SOC处于低阈值与高阈值之间时，12V电源处于轻亏电状态，控制***启动DC/DC转换器Z1进行48V电源向12V电源充电的操作，此时12V电源仍然对外正常供电；当12V电源的SOC处于低阈值以下时，12V电源处于严重亏电状态，要限制电源的输出功率，通过隔离非必要负载F2的方式进行，断开常闭式开关S4，切断对非必要负载F2的供电，确保电源对必要负载的电量供应；

(2)当48V电源的SOC位于高阈值以上时，48V电源处于电量充足状态，48V电源可以进行正常的放电操作；当48V电源的SOC处于低阈值和高阈值之间时，48V电源处于轻亏电状态，控制***启动DC/DC转换器Z2进行300V电源给48V电源充电的操作，此时12V电源仍然对外正常供电；当48V电源的SOC处于低阈值以下时，48V电源处于严重亏电状态，就要进行部分负载的功率限制；

(3)当300V电源的SOC处于高阈值以上时，300V电源处于电量充足状态，300V电源可以进行正常的放电操作，而且不会启动发电机G5发电；当300V电源的SOC处于低阈值和高阈值之间时，300V电源处于轻亏电状态，就要通过控制发动机进行发电操作来给高压电池组补充电能；当300V高压电源SOC处于低阈值以下时，就要进行负载功率的限制。

本实用新型里放电控制方法中SOC的高阈值和低阈值，分别设为40％和30％，但是不局限于所列出的具体SOC阈值，可以根据实际情况具体调整。

由于在低温环境下，锂离子蓄电池难以对外放电。而铅酸电池的低温特性虽然较好，但铅酸电池的能量密度小，储存的电能少。因此，在寒冷地区车辆起步时，针对铅酸电池的低温特性比锂离子蓄电池好的特点，允许铅酸电池在低温下放电，即12V电源可以给负载F1和非必要负载F2供电，并使用12V铅酸电池为锂离子蓄电池预热。

因此，根据48V电源的特性设定某一个温度阈值后，当48V电源温度低于该温度阈值时，常开式开关S7闭合，常开式开关S5保持断开，此时12V电源给48V电源中内置的加热用的电阻丝R1供电，电阻丝R1产生热量将使48V电源的温度升高，当温度达到一定阈值时，常开式开关S5闭合，此时48V电源具有了对外供电的条件，可以给负载F3供电，同时常开式开关S7断开，停止给电阻丝R1供电，以节省能量。48V电源在放电时由于内阻的原因会产生热，这部分热量足以维持48V电源的温度高于温度阈值。此后48V电源就可以正常放电了。同理，针对300V电源，根据300V电源的特性设定某一个温度阈值后，当300V电源温度低于该温度阈值时，常开式开关S8闭合，常开式开关S6保持断开，此时48V电源给300V电源中内置的加热用的电阻丝R2供电，电阻丝R2产生的热量将300V电源的温度提高，当温度达到一定阈值时，常开式开关S6闭合，此时300V电源具有了对外供电的条件，可以给负载F4供电，同时常开式开关S8断开，停止给电阻丝R2供电，以节省能量。300V电源在放电时由于内阻的原因会产生热，这部分热量足以维持300V电源的温度高于温度阈值。此后300V电源就可以正常放电了。采用上述的分步式预热方法，即12V电源给48V电源预热，48V电源给300V电源预热，是由于12V电源虽然可以低温放电，但是铅酸电池的能量密度小，储存的能量较少，因此只能给容量、体积较小的48V电源预热，却无法给容量、体积较大的300V电源预热。而48V电源是锂离子蓄电池，能量密度大，储存的能量多，能够给300V电源预热，但是前提是48V电源要工作在适宜的温度。电源工作中，当锂离子蓄电池的温度再次低于温度阈值时，上述的四个常开式开关S5、S6、S7、S8会重复进行上述操作，避免了锂离子蓄电池做的电源低温放电情况的发生，进而保护锂离子蓄电池。当12V电源的SOC不足时，常闭式开关S4会断开，电源***隔离非必要的用电设备，即停止给非必要负载F2供电，以保证必要的用电设备如负载F1的用电需求，还避免了12V电源的SOC的迅速下降。当300V电源的SOC过低时，发电机G5会启动，进而给300V电源供电。在进行制动能量回收时，驱动电机将会工作在发电状态，用制动产生电能给300V电源充电。

当三电源的电压达到各自的最高电压值时，SOC认为是100％，即此时电源处于满电状态，每次电源上电，主控制器会根据电源的电压值，按照事先存储的电源电压与电源SOC映射关系，给上电初始时的电源SOC赋值，这是电源SOC计算过程中的修正算法。此后，主控制器按照公式(1)计算电源的SOC值。满电状态下，电源不再继续充电，防止因为过充电而产生安全隐患。

三电压电源***的充放电控制是基于电源的SOC作为依据进行三电源的联合控制的，最大的关键是对于SOC的计算要尽可能准确。对于三个电源的SOC计算公式(1)为：

${\mathrm{SOC}}_2={\mathrm{SOC}}_1+\frac{{\∫}_{t1}^{t2}\mathrm{Idt}}{C_{\mathrm{full}}}\×100\%---\left(1\right)$

其中，SOC₂表示后一时刻的电源SOC值，SOC₁表示前一时刻的电源SOC值，t1和t2是两个时刻，其中t2时刻晚于t1时刻，因此t2-t1为两个时刻的时间间隔，为了计算准确，积分算法中取的时间间隔应该尽可能小。I表示流经电源正极的电流，是由霍尔式电流传感器C1、C2、C3测得的，当电源处于充电状态时，I为正数；当电源处于放电状态时，I为负数。C_full表示电源在满电时刻所储存的电量，该值在电池生产出来时就已经确定。

参阅图6—a、6—b、6—c是本实用新型三电压电源***中基于SOC对电源的控制方法，控制方法中涉及到的三个电源的SOC阈值，可以根据实际需求确定，在本实用新型中将此处的SOC阈值分别设为40％和30％。

参阅图6—a是本实用新型12V电源的充放电控制流程图，与该电源相连接的负载F1主要是传统的电附件，包括照明***、娱乐***、火花塞点火***和48V电源的电加热***等。当SOC处于40％以上时，认为此时电源电量是充足的，电源可以正常进行放电操作。但是当电源SOC处于30％—40％时，认为此时电源处于轻亏电状态，此时启动DC/DC转换器Z1对12V电源以1kW的恒功率充电，但此时12V电源仍然对外正常供电；当SOC低于30％时，DC/DC转换器Z1继续保持给12V电源以1kW恒功率充电，同时认为此时电源处于严重亏电状态，要限制电源的输出功率，通过隔离非必要负载的方式进行，只保留必要负载的正常用电，这一过程通过断开图1中的常闭式开关S4实现。

参阅图6—b是本实用新型48V电源的充放电控制流程图，与该电源相连接的负载F3是主动式底盘***，电动空调的空气压缩机等。当SOC位于40％以上时，认为电源是电量充足的，此时电源可以正常进行放电操作，当SOC处于30％—40％时，认为此时电源处于轻亏电状态，此时启动DC/DC转换器Z2为48V电源以3kW的恒功率充电，但此时48V电源仍然对外正常供电；当SOC低于30％时，DC/DC转换器Z2继续保持给48V电源以3kW恒功率充电，同时认为此时电源处于严重亏电状态，要进行部分负载的功率限制，比如控制空调***只能工作在低档位，限制空调的用电功率，但是不会影响底盘主动控制等必要部件的供电操作，以确保能满足车辆的刚性需求。通过48V***的设置，不仅可以保证汽车车内低压用电设备不断增高的用电需求，而且将空调压缩机的驱动由传统汽车中的发动机带动改为48V电源带动。因为空调只在较冷或者较热的环境中才被使用，而在传统车中匹配发动机时必须要考虑空调开启的情况，因此如果车辆在适宜温度下行驶时就存在一定的功率浪费。通过让48V电源驱动空调***，在进行发动机匹配设计时，就不需要考虑空调负载，可以减小发动机的目标功率，选择较小排量的发动机即可，达到降低燃油消耗的目的。

参阅图6—c是本实用新型300V电源的充放电控制流程图，与该电源相连接的负载F4就是驱动电机。当SOC位于40％以上时，认为电源电量是充足的，此时电源可以正常进行放电操作，而且发电机G5不会启动。这可以降低发动机平常工作的外接负载的总功率，匹配时就可以选择排量较小的发动机，达到降低油耗的目的。当SOC处于30％—40％时，认为此时电源处于轻亏电状态，就要通过控制发动机带动发电机G5发电来给高压电池组补充电能。发动机与发电机G5接合，带动发电机G5转动发电给300V电源充电，但此时300V电源仍然对外正常供电。当SOC低于30％时，此时认为电源处于严重亏电状态，此时发动机仍然继续带动发电机给300V电源充电，同时要进行负载的功率限制，比如控制驱动电机只能工作在低功率状态,降低允许电机工作的最大功率。

三电源开始充电后，当电源的SOC上升到40％时，充电过程并不会立刻停止，而是一直到电源SOC达到90％后才会停止，避免充电操作频繁启动，具体为：对于12V电源，其SOC达到90％后，充电过程才会停止，即DC/DC转换器Z1停止工作。对于48V电源，其SOC达到90％后，充电过程才会停止，即DC/DC转换器Z2停止工作。对于300V电源，其SOC达到90％后，充电过程才会停止，即发电机G5停止工作。这一过程中，DC/DC转换器受低压端电源的SOC值控制开启与关闭，目的是保证三个电源充电完成后可以储存充足的能量以供使用。

参阅图7是本实用新型300V电源介入驱动的控制方法流程图。

车辆在低功率状态行驶时，300V电源就不需要介入工作。因此，这种三电源式结构可以达到减小发动机规格的作用，汽车的发动机只需要工作在高效功率区内，而且当发动机在这一范围内工作时，燃油消耗率低。车辆在运行过程中，控制***不断计算车辆的需求功率，并将需求功率与车辆配置的发动机的高效工作区间进行对比。

本实用新型中涉及的需求功率的计算公式为(2)：

$P_{\mathrm{require}}=P_{\max }\×\frac{D_{\mathrm{pedal}}}{D_{\mathrm{full}}}---\left(2\right)$

其中，P_require表示需求功率；P_max表示动力***所能提供的最大功率，数值上等于发动机与驱动电机动力耦合后所能达到的最大功率值；D_full表示油门踏板所能达到的最大行程，即所能踩下去的最大深度；D_pedal表示油门踏板实际被踩下的深度。

当检测到整车的需求功率大于发动机的高效工作区间上限时，即需求功率超过设定的功率阈值1时，300V电源就带动驱动电机工作，与发动机共同驱动车辆，300V电源可以实现对发动机功率的有效补充。通过配置300V电源，可以实现车辆高功率行驶时电机的快速切入，增大车辆所能达到的峰值功率。而当整车需求功率介于阈值1和阈值2之间时，只由发动机驱动车辆行驶，此时驱动电机既不给行驶***提供动力，也不会被发动机拖动进行发电。如果车辆的需求功率小于设定的功率阈值2时，即发动机的功率有剩余，此时发动机不仅驱动车辆行驶，还会拖动驱动电机发电，让驱动电机工作在发电状态产生电能，给300V电源充电。其中阈值1大于阈值2，两个阈值分别表示发动机高效区域的功率上限值和下限值。每一款发动机都有自身的高效工作区间，在此区间内，发动机工作平稳，而且燃油消耗率较低，发动机高效区域具体的功率上限值和下限值通过发动机的万有特性图确定。因此在进行发动机匹配时，不需要将发动机功率匹配得很大，只需要考虑高效工作区域恰好覆盖车辆的平均需求功率即可，这样发动机尽最大可能地工作在低油耗功率区域内，降低了油耗。

Claims (2)

1.一种汽车用三电压电源***，其特征在于，该***包括12V电源单元、48V电源单元、300V电源单元、DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2；其中所述的DC/DC转换器Z1低压端与12V电源单元中的12V电源电连接、高压端与48V电源单元中的48V电源电连接；所述的DC/DC转换器Z2低压端与48V电源电连接、高压端与300V电源单元中的300V电源电连接；所述的12V电源、48V电源、300V电源、DC/DC转换器Z1、DC/DC转换器Z2和主控制器之间是通过CAN总线相连的。

2.根据权利要求1所述的一种汽车用三电压电源***，其特征在于，所述的12V电源单元包括12V电源、负载F1、非必要负载F2、常闭式开关S4、常开式开关S7、电阻丝R1、霍尔式电流传感器C1；所述的48V电源单元包括48V电源、负载F3、常开式开关S5、常开式开关S8、电阻丝R2、霍尔式电流传感器C2；所述的300V电源单元包括300V电源、负载F4、常开式开关S6、霍尔式电流传感器C3、发电机G5；其中所述的DC/DC转换器Z1低压端与12V电源电连接、高压端与48V电源电连接；所述的DC/DC转换器Z2低压端与48V电源连接、高压端与300V电源连接；

所述的12V电源正极分别电连接负载F1、非必要负载F2、DC/DC转换器Z1的低压端正极、常开式开关S7；霍尔式电流传感器C1套在12V电源正极外接总线束上，12V电源负极分别电连接负载F1另一端、常闭式开关S4、DC/DC转换器Z1的低压端负极、电阻丝R1的一端，其中非必要负载F2与常闭式开关S4相连，常开式开关S7与电阻丝R1相连；

所述的48V电源正极电连接常开式开关S5一端，常开式开关S5的另一端分别电连接DC/DC转换器Z1的高压端正极、负载F3、DC/DC转换器Z2的低压端正极、常开式开关S8；霍尔式电流传感器C2套在48V电源正极外接总线束上；48V电源负极分别电连接DC/DC转换器Z1的高压端负极、负载F3另一端、DC/DC转换器Z2的低压端负极、电阻丝R2的一端；其中常开式开关S8与电阻丝R2相连；

所述的300V电源正极电连接常开式开关S6，常开式开关S6另一端分别电连接DC/DC转换器Z2的高压端正极、负载F4、发电机G5；霍尔式电流传感器C3套在300V电源正极外接总线束上；300V电源负极分别电连接DC/DC转换器Z2的高压端负极、负载F4和发电机G5的另一端。