一种车用双电压电源系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车零部件及汽车电子电控领域，特别是指一种车用双电压电源系统及其控制方法。

背景技术

随着汽车工业的快速发展及人们对车辆需求的不断提高，整车的经济性、舒适性越来越多的受到零部件及整车厂家的重视；以48V为代表的双电压整车电源系统，以其成本低、节能效果好、舒适性好等优点，已经成为车辆重要的技术方向；

传统的48V双电压系统，通常是在原车12V或24V的基础上，增加的48V电压平台的点击、电源及DC-DC转换器；通常48V系统是对12V微混动自动启停系统的改进，该系统使用能量较小的功率型锂离子电池作为48V系统电源，除实现增强型的启停之外，还可以实现制动能量回收、辅助驱动等功能；原车12V或24V系统仍保留，支持原有的常规功能；48V系统通过发动机启停、高电压降铜损等方式实现整车燃油经济性的提升及功能的拓展；

车辆低压电压平台一般为12V或24V，当发电机或负载功率较大时，流经设备及导线的电流较大，造成导线及设备成本居高不下，导线及设备的功率损耗较高；传统发电机的容量一般100A左右为限，即可整车低压电压电源系统的额定功率为1400W或2800W，更高的功率需求通常需要为车辆匹配双发电机甚至三发电机，为降低部件效率导致的功率损耗，同时兼顾成本与安全性，当前主流的双电压平台有12V+48V、12V+12V两种，以上双电压平台下通常使用常规低压发电机及双向DC-DC组合，拓展制动能量回收、启停等操作，无法解决当整车负载需求功率高、匹配锂电池组时充电限流等问题。

发明内容

本发明提出一种车用双电压电源系统，通过使用高压发电机、使用能够实现高压与低压的双向电压变换的电源控制器等，解决了当整车负载需求功率高、匹配锂电池组时充电限流等问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种车用双电压电源系统及其控制方法，包括：发电机(1)、电源控制器(2)、高压手动检修开关(3)、高压电源(4)、高压负载(5)、低压电源(6)、电源总开关(7)、低压负载(8)；

所述发电机(1)为高压发电机；

所述发电机(1)与所述电源控制器(2)的高压输入端连接；

所述电源控制器(2)的高压输入端多路通断可控，电源控制器内具有锂电池管理系统、超级电容管理系统，所述电源控制器实现高压与低压的双向电压变换，实现高压电源、低压电源之间的相互补充，实现功率型电源、能量型电源的分布布置；

所述电源控制器(2)的高压输入端与所述高压电源(4)的功率端、所述高压负载(5)连接；

所述电源控制器(2)的低压输出端与所述低压电源(6)的功率端、所述低压负载(8)连接；所述高压负载的正极输入端与所述电源控制器的负载输出端连接；

所述电源控制器(2)的励磁输出端与所述发电机(1)的励磁线圈连接；

所述高压电源(4)的管理输入端与所述高压电源(4)的高压信号端连接；

所述低压电源(6)的管理输入端与所述低压电源(6)的低压信号端连接；

所述发电机(1)、高压电源(4)、高压负载(5)、高压手动检修开关(3)及电源控制器(2)的高压侧组成所述车用双电压电源系统的高压回路，所述高压回路的各部件为共地连接；

所述电源控制器(2)的低压侧、低压电源(6)、电源总开关(7)及低压负载(8)组成所述车用双电压电源系统的低压回路，所述低压回路各部件为共地连接；

所述高压回路与所述低压回路相互隔离；

所述高压手动检修开关(3)实现高压回路近电源端的通断，所述手动检修开关(3)可手动拆卸的安装于所述电源控制器(2)上；

电源总开关位于所述低压电源与所述低压负载之间的回路上，所述电源总开关(7)实现所述低压回路近电源端的通断。

进一步，所述发电机(1)与所述车用双电压电源系统所在的车辆的发动机通过皮带或者齿轮连接，所述发电机(1)通过获取所述发动机的机械能并将其转化为电能，所述发电机(1)的励磁电流受电源控制器(2)控制，根据整车配置，所述发电机(1)的电压平台的取值范围为48V-160V。

进一步，还包括整车通讯端，所述整车通讯端与整车线束连接，所述整车通讯端获取的整车信号包括ON档电、Start信号、发动机转速、环境温度、发动机水温、制动信号、车速、模式信号，上报至整车的信号包括高压电源状态、低压电源状态、电源控制器状态。

进一步，所述高压电源(4)的工作电压范围在所述发电机(1)的输出电压范围之内；

所述高压负载(5)的额定工作电压在所述高压电源(4)工作电压范围内。

进一步，所述高压电源(4)为锂电池组、铅酸电池组或超级电容组中的一种；

所述低压电源(6)为铅酸电池组或锂电池组中的一种。

更进一步，所述车用双电压电源系统的电压平台与车辆常规低压电气的电压平台一致，且为12V或24V；

所述低压电源匹配锂电池组时，其状态输出端接所述电源控制器(2)。

一种车用双电压电源系统的控制方法，包括以下步骤：

S01：电源控制器接收到整车ON档信号后系统唤醒并进行自检；当系统故障时，上报故障并系统停机；系统无故障时执行主策略；

S02：根据高压电源、发电机的类型，判断是否对高压电源进行充电；

S02A：当发电机匹配高压起动机时，当高压电源的端电压低于标定阈值时，电源控制器将低压电源进行升压并为高压电源进行充电；当高压电源的端电压高于标定阈值，电源控制器无需将低压电源进行升压即可为高压电源进行充电；

S02B：当发电机匹配低压起动机时，电源控制器无需为高压电源进行充电；

S03：电源控制器接收到整车高压负载用电需求时，接通对应的高压负载回路；

S04：电源控制器通过发动机转速信号判断发电机工作状态；当发动机转速高于标定阈值，判定发电机为工作状态，电源控制器基于发电机输入端电压进行发电机励磁电流的控制，并基于低压电源输出端电压执行高压降低压为低压电源充电控制；当高压电源匹配锂电池组时，电源控制器基于锂电池组实时允许充电功率对发电机发电功率进行二次限制；当低压电源匹配锂电池组时，电源控制器基于锂电池组实时允许充电功率对电源控制器由高压降至低压功率进行二次限制。

进一步，所述S02A步骤中的标定阈值通过MAP(发动机温度，环境温度)查表获得。

进一步，所述S04步骤中的标定阈值为低于发动机怠速的某转速值。

更进一步，所述S04步骤中基于发电机输入端电压进行的发电机励磁电流的控制为高频的电流调节，当发电机输入端电压高于标定阈值时，电源控制器减小励磁电流，所述标定阈值为高压负载的设定行车电压；

所述S04步骤中电源控制器基于低压电源输出端电压执行高压降低压为低压电源充电控制(电源控制器为双向的电压转换器，将高压电转为低压电对低压电源进行充电，在电压转换过程中可以进行输出电压控制，通过电流反馈来实现低压电源安全充电电流的限制控制)；当低压电源输出端电压低于标定阈值时，电源控制器增大低压侧的输出电流；当低压电源输出端的电压高于标定阈值时，电源控制器减小低压侧输出电流；所述标定阈值为低压负载的设定行车电压；所述高压电源为锂电池组时或者所述低压电源为锂电池组时所实时允许的充电功率MPA(剩余电量、电池温度)均可查表获得。

本发明所述的有益效果：

1、发电机为高压发电机，可通过较低的成本、较紧凑的体积实现较高的功率，满足车辆更多机械部件电动化的需求，发电机励磁电流受电源控制器控制，可灵活根据负载功率调节发电功率；

2、电源控制器带高压手动检修开关，可手动断开高压，提高系统维修安全性；

3、高压电源、低压电源根据整车功能、电量、成本需求，匹配超级电容组、锂电池组、铅酸电池等，其中超级电容组具备高功率密度、高循环寿命、高工作温度区间等优势，锂电池组具有高能量密度、高循环寿命、低成本等优势，铅酸电池具有低成本、维保简单等优势；

4、电源控制器具备高压负载回路通断控制及过流短路保护功能，基于负载用电需求通断回路，同时提高高压安全性；

5、电源控制器实现高压与低压的双向电压变换，实现高压电源、低压电源之间相互补充，实现功率型电源、能量型电源的分布布置；

6、电源控制器内具有锂电池管理系统、超级电容管理系统，较分立的电池管理系统、超级电容管理系统具有结构紧凑、策略集中、算力利用率高、成本低等优势；

7、基于发电机输入端电压进行发电机励磁电流的控制为高频的电流调节、基于低压电源输出端电压执行高压降低压为低压电源充电控制，有效保持整车高压回路工作电压、低压回路工作电压稳定；

8、当高压电源或低压电源匹配锂电池组时，基于锂电池组实时允许充电功率进行发电机发电功率、DC-DC高压转低压变换功率的调节，有效保护锂电池组，避免过充等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例中的一种车用双电压电源系统及其控制方法的结构示意图；

附图标记说明：发电机1；电源控制器2；高压手动检修开关3；高压电源4；高压负载5；低压电源6；电源总开关7；低压负载8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的具体实施例中，见图1，一种车用双电压电源系统及其控制方法，包括：发电机(1)、电源控制器(2)、高压手动检修开关(3)、高压电源(4)、高压负载(5)、低压电源(6)、电源总开关(7)、低压负载(8)；

所述发电机(1)为高压发电机；

所述发电机(1)与所述电源控制器(2)的高压输入端连接；

所述电源控制器(2)的高压输入端多路通断可控，电源控制器内具有锂电池管理系统、超级电容管理系统，所述电源控制器实现高压与低压的双向电压变换，实现高压电源、低压电源之间的相互补充，实现功率型电源、能量型电源的分布布置；

所述电源控制器(2)的高压输入端与所述高压电源(4)的功率端的正极连接；

所述电源控制器(2)的高压输入端同时与所述高压负载(5)连接；所述高压负载的正极输入端与所述电源控制器的负载输出端连接，所述电源控制器接收整车的高压负载的工作请求信号，控制通过MOSFET或高压继电器实现对应的所述高压负载的高压回路的通断；

所述电源控制器(2)的低压输出端与所述低压电源(6)的功率端、所述低压负载(8)连接；

所述电源控制器(2)的励磁输出端与所述发电机(1)的励磁线圈连接；

所述高压电源(4)的管理输入端与所述高压电源(4)的高压信号端连接，实现高压电源状态的上报；

所述低压电源(6)的管理输入端与所述低压电源(6)的低压信号端连接；

所述发电机(1)、高压电源(4)、高压负载(5)、高压手动检修开关(3)及电源控制器(2)的高压侧组成所述车用双电压电源系统的高压回路，所述高压回路的各部件为共地连接，高压回路上设置有保险丝来实现对高压回路路过流及短路的保护；

所述电源控制器(2)的低压侧、低压电源(6)、电源总开关(7)及低压负载(8)组成所述车用双电压电源系统的低压回路，所述低压回路各部件为共地连接；

所述高压回路与所述低压回路相互隔离；

所述高压手动检修开关(3)实现高压回路近电源端的通断，所述手动检修开关(3)可手动拆卸的安装于所述电源控制器(2)上，高压检修开关(3)内部有高压熔断器，实现高压主回路的短路保护；

电源总开关位于所述低压电源与所述低压负载之间的回路上，所述电源总开关(7)实现所述低压回路近电源端的通断，以在整车停止时降低漏电流；

低压负载为整车常规负载。

进一步，所述发电机(1)与所述车用双电压电源系统所在的车辆的发动机通过皮带或者齿轮连接，所述发电机(1)通过获取所述发动机的机械能并将其转化为电能，所述发电机(1)的励磁电流受电源控制器(2)控制，根据整车配置，所述发电机(1)的电压平台的取值范围为48V-160V。

进一步，还包括整车通讯端，所述整车通讯端与整车线束连接，整车通讯端通过硬线信号及CAN总线与整车进行交互，所述整车通讯端获取的整车信号包括但不限于ON档电、Start信号、发动机转速、环境温度、发动机水温、制动信号、车速、模式信号，上报至整车的信号包括高压电源状态、低压电源状态、电源控制器状态。

进一步，所述高压电源(4)的工作电压范围在所述发电机(1)的输出电压范围之内；

所述高压负载(5)的额定工作电压在所述高压电源(4)工作电压范围内。

进一步，所述高压电源(4)为锂电池组、铅酸电池组或超级电容组中的一种；

所述低压电源(6)为铅酸电池组或锂电池组中的一种。

进一步，所述车用双电压电源系统的电压平台与车辆常规低压电气的电压平台一致，且为12V或24V；

所述低压电源匹配锂电池组时，其状态输出端接所述电源控制器(2)，当锂电池组具有电池管理系统时，电池管理系统通过信号端上报锂电池组单体电压、单体温度、锂电池剩余电量、故障状态、电池功率状态等信息，当其内部无电池管理系统时，其将锂电池单体电压、单体温度信号通过其信号端上报至所述电池管理系统，电池管理系统完成锂电池剩余电量、故障状态、电池功率状态的计算或判断。

进一步，当高压电源为锂电池组时，当其具有电池管理系统时，其通过信号端上报锂电池组单体电压、单体温度、锂电池剩余电量、故障状态、电池功率状态等信息，当其内部无电池管理系统时，其通锂电池单体电压、单体温度信号通过其信号端上报至所述电池管理系统，所述电池管理系统完成锂电池剩余电量、故障状态、电池功率状态的计算或判断；所述高压电源为铅酸电池时，其信号端上报铅酸电池的模组电压；所述高压电源为超级电容组时，当其具有超级电容管理系统时，其通过信号端上报超级电容模组端电压、模组温度及故障状态等，当其内部无超级电容管理系统时，其通过信号端输出超级电容单体端电压、超级模组温度等信号至所述电源控制器，所述电源控制器实现所述超级电容模组单体均衡、端电压监控、故障判断等。

一种车用双电压电源系统的控制方法，通过基于负载、端电压实时状态实现发电机的功率控制，基于用电需求输入控制高压配电回路，基于低压端、高压端用电需求进行电能的双向电压变换等控制方法，实现匹配锂电池的电源系统基于锂电池实时充放电功率限制的充放电控制，避免锂电池出现过压、过流充放电等问题；

包括以下步骤：

S01：电源控制器接收到整车ON档信号后系统唤醒并进行自检；当系统故障时，上报故障并系统停机；系统无故障时执行主策略；

S02：根据高压电源、发电机的类型，判断是否对高压电源进行充电；

S02A：当发电机匹配高压起动机时，当高压电源的端电压低于标定阈值时，电源控制器将低压电源进行升压并为高压电源进行充电；当高压电源的端电压高于标定阈值，电源控制器无需将低压电源进行升压即可为高压电源进行充电；

S02B：当发电机匹配低压起动机时，电源控制器无需为高压电源进行充电；

S03：电源控制器接收到整车高压负载用电需求时，接通对应的高压负载回路；

S04：电源控制器通过发动机转速信号判断发电机工作状态；当发动机转速高于标定阈值，判定发电机为工作状态，电源控制器基于发电机输入端电压进行发电机励磁电流的控制，并基于低压电源输出端电压执行高压降低压为低压电源充电控制；当高压电源匹配锂电池组时，电源控制器基于锂电池组实时允许充电功率对发电机发电功率进行二次限制；当低压电源匹配锂电池组时，电源控制器基于锂电池组实时允许充电功率对电源控制器由高压降至低压功率进行二次限制。

进一步，所述S02A步骤中的标定阈值通过MAP(发动机温度，环境温度)查表获得。

进一步，所述S04步骤中的标定阈值为低于发动机怠速的某转速值。

更进一步，所述S04步骤中基于发电机输入端电压进行的发电机励磁电流的控制为高频的电流调节，当发电机输入端电压高于标定阈值时，电源控制器减小励磁电流，所述标定阈值为高压负载的设定行车电压；

所述S04步骤中电源控制器基于低压电源输出端电压执行高压降低压为低压电源充电控制(电源控制器为双向的电压转换器，将高压电转为低压电对低压电源进行充电，在电压转换过程中可以进行输出电压控制，通过电流反馈来实现低压电源安全充电电流的限制控制)；当低压电源输出端电压低于标定阈值时，电源控制器增大低压侧的输出电流；当低压电源输出端的电压高于标定阈值时，电源控制器减小低压侧输出电流；所述标定阈值为低压负载的设定行车电压；所述高压电源为锂电池组时或者所述低压电源为锂电池组实时时所允许的充电功率MPA(剩余电量、电池温度)均可查表获得。

本发明所述的有益效果：

1、发电机为高压发电机，可通过较低的成本、较紧凑的体积实现较高的功率，满足车辆更多机械部件电动化的需求，发电机励磁电流受电源控制器控制，可灵活根据负载功率调节发电功率；

2、电源控制器带高压手动检修开关，可手动断开高压，提高系统维修安全性；

3、高压电源、低压电源根据整车功能、电量、成本需求，匹配超级电容组、锂电池组、铅酸电池等，其中超级电容组具备高功率密度、高循环寿命、高工作温度区间等优势，锂电池组具有高能量密度、高循环寿命、低成本等优势，铅酸电池具有低成本、维保简单等优势；

4、电源控制器具备高压负载回路通断控制及过流短路保护功能，基于负载用电需求通断回路，同时提高高压安全性；

5、电源控制器实现高压与低压的双向电压变换，实现高压电源、低压电源之间相互补充，实现功率型电源、能量型电源的分布布置；

6、电源控制器内具有锂电池管理系统、超级电容管理系统，较分立的电池管理系统、超级电容管理系统具有结构紧凑、策略集中、算力利用率高、成本低等优势；

7、基于发电机输入端电压进行发电机励磁电流的控制为高频的电流调节、基于低压电源输出端电压执行高压降低压为低压电源充电控制，有效保持整车高压回路工作电压、低压回路工作电压稳定；

8、当高压电源或低压电源匹配锂电池组时，基于锂电池组实时允许充电功率进行发电机发电功率、DC-DC高压转低压变换功率的调节，有效保护锂电池组，避免过充等问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。