本發(fā)明涉及一種組合式應(yīng)急保障電源及其供電方法，屬于電路系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

各種應(yīng)急保障電源已經(jīng)成為人們?nèi)粘＝煌?、旅游及野外生產(chǎn)作業(yè)重要的應(yīng)急用電保障裝置，如各種內(nèi)燃機搭載類車輛、生產(chǎn)作業(yè)裝備等的應(yīng)急供電。應(yīng)急保障電源常用的電氣系統(tǒng)如圖1所示，主要由儲能器件、充電電路、控制電路等構(gòu)成。應(yīng)急保障電源作為應(yīng)急供電裝備隨車(機)搭載，在野外沒有正常供電條件下，當(dāng)內(nèi)燃機啟動困難時或需要應(yīng)急供電時使用；當(dāng)車輛運行過程中由車載發(fā)電機對應(yīng)急保障電源充電，或在有市電供電的地方充電，以備后續(xù)應(yīng)急保障使用。

目前，應(yīng)急保障電源的儲能器件絕大部分采用蓄電池組或者超級電容模塊，負責(zé)為用電單元提供電能，這種單一的電能供電裝置在運行實踐中暴露出很多的問題。功率型用電單元和非功率型用電單元的不同用電特性對儲能器件性能要求差異很大：功率型用電單元要求儲能器件放電倍率性能優(yōu)異，而非功率型用電單元則要求儲能器件具備一定容量即可、倍率性能要求不高。這種情況導(dǎo)致若儲能器件采用蓄電池，為滿足功率型用電單元所需的瞬態(tài)大功率，不得不“超量配置”，使蓄電池占用空間較大，造成資源浪費，而且也不經(jīng)濟；若儲能器件采用超級電容，雖然能夠滿足功率型用電單元瞬間大功率要求，但由于超級電容器能量密度低，其“攜帶能量少”，使用次數(shù)少，用處單一，無法滿足野外多種“應(yīng)急”需求，如偵查、照明、通訊、或者音響設(shè)備等的多種需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種組合式應(yīng)急保障電源及其供電方法，以解決目前采 用能量單元為功率型用電單元供電導(dǎo)致能量單元“超量配置”，對能量單元電流沖擊大，造成能量單元壽命降低、其它用電單元供電不穩(wěn)等問題。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題提供了一種組合式應(yīng)急保障電源，包括電池充電電路和儲能器件，所述的儲能器件為組合式超級電池，包括能量單元和功率單元，功率單元輸出端設(shè)置有功率輸出接口，用于供電連接功率型用電單元，能量單元輸出端設(shè)置有能量輸出接口，用于供電連接非功率型用電單元，能量單元和功率單元輸出端之間連接有隔離充電單元，所述隔離充電單元用于在功率單元給功率型用電單元供電時，斷開功率單元與能量單元的電氣連接，并在功率單元電量低于設(shè)定值且功率型用電單元不工作時，由隔離充電單元通過能量單元或者外接電源為功率單元充電，電池充電電路與能量單元連接，用于為能量單元充電，所述的能量單元為儲能器件，所述的功率單元為高倍率放電的儲能器件。

所述的隔離充電單元包括功率單元充電電路，所述的電池充電電路和功率單元充電電路均可采用AC-DC-AC-DC開關(guān)電路、AC-DC開關(guān)電路、DC-AC-DC開關(guān)電路或DC-DC開關(guān)電路。

所述的AC-DC-AC-DC開關(guān)電路包括依次連接的輸入整流濾波電路、高頻變壓器和輸出整流濾波電路，所述輸入整流濾波電路的輸入端用于連接交流輸入，經(jīng)該開關(guān)電路處理后轉(zhuǎn)換為與功率單元或能量單元相適配的直流電輸入到功率單元或能量單元。

所述的AC-DC開關(guān)電路包括依次連接的變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓及限流電路，該開關(guān)電路的輸入端用于連接交流輸入，經(jīng)該開關(guān)電路處理后轉(zhuǎn)換為與功率單元或能量單元相適配的直流電輸入到功率單元或能量單元，為功率單元或能量單元充電。

所述的DC-AC-DC開關(guān)電路包括依次連接的高頻變壓器和輸出整流濾波電路，高頻變壓器的一側(cè)用于連接直流輸入，經(jīng)該開關(guān)電路處理后轉(zhuǎn)換為與功率單元或 能量單元相適配的直流電輸入到功率單元或能量單元，為功率單元或能量單元充電。

所述的DC-DC開關(guān)電路包括依次連接的電壓變換電路和穩(wěn)壓及限流電路，電壓變換電路輸入端用于連接直流輸入，經(jīng)該開關(guān)電路處理后轉(zhuǎn)換為與功率單元或能量單元相適配的直流電輸入到功率單元或能量單元，為功率單元或能量單元充電。

所述的功率單元為超級電容器單體、通過超級電容器單體串并聯(lián)組成的模塊或者電容器陣列。

本發(fā)明還提供了一種組合式應(yīng)急保障電源的供電方法，該方法將用電設(shè)備根據(jù)功率特性進行區(qū)分，分為功率型用電單元和非功率型用電單元，功率型用電單元由功率單元供電，非功率型用電單元由能量單元供電，功率單元和能量單元之間通過隔離充電單元隔離，當(dāng)功率型用電單元工作時，由隔離充電單元斷開功率單元與能量單元的電氣連接，只采用功率單元為功率型用電單元供電，在功率單元電量低于設(shè)定值且功率型用電單元不工作時，功率單元在隔離充電單元的控制下由能量單元或者外接電源充電，所述的能量單元為儲能器件，所述的功率單元為高倍率放電的儲能器件。

所述隔離充電單元具有防反充功能，禁止功率單元向能量單元放電。

所述隔離充電單元包括充電電路，所述的充電電路為AC-DC-AC-DC開關(guān)電路、AC-DC開關(guān)電路、DC-AC-DC開關(guān)電路或DC-DC開關(guān)電路。

本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用組合式超級電池作為應(yīng)急保障電源的儲能器件，包括能量單元和功率單元，功率單元輸出端設(shè)置有功率輸出接口，用于供電連接功率型用電單元，能量單元輸出端設(shè)置有能量輸出接口，用于供電連接非功率型用電單元，能量單元和功率單元輸出端之間連接有隔離充電單元，隔離充電單元用于在功率單元給功率型用電單元供電時，斷開功率單元與能量單元的電 氣連接，并在功率單元電量低于設(shè)定值且功率型用電單元不工作時，由隔離充電單元通過能量單元或者外接電源為功率單元充電。本發(fā)明通過僅采用組合式超級電池中的功率單元為功率型用電單元供電，防止因蓄電池過度放電導(dǎo)致功率型用電單元不能工作，影響功率型用電單元的正常工作，能量單元不再承擔(dān)瞬態(tài)大功率作業(yè)任務(wù)，不會出現(xiàn)瞬時較大電壓降的情況，保證了非功率型用電單元能夠穩(wěn)定工作，減少了用電負載因電能質(zhì)量不穩(wěn)造成的損壞。

同時能量單元不再承擔(dān)瞬態(tài)大功率作業(yè)任務(wù)，只負責(zé)小功率負載的持續(xù)供能，不受大電流沖擊損壞，壽命更長，避免能量單元被“過早”判廢，造成浪費，且在選型配置上可以“瘦身”，實現(xiàn)小型化、輕量化。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)應(yīng)急保障電源結(jié)構(gòu)框圖；

圖2-a是本發(fā)明組合式應(yīng)急保障電源結(jié)構(gòu)框圖；

圖2-b是本發(fā)明組合式應(yīng)急保障電源結(jié)構(gòu)框圖；

圖3-a是本發(fā)明實施例中采用AC-DC-AC-DC開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3-b是本發(fā)明實施例中采用AC-DC開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4-a是本發(fā)明實施例中采用DC-AC-DC開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4-b是本發(fā)明實施例中采用DC-DC開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進一步的說明。

本發(fā)明的一種組合式應(yīng)急保障電源的實施例

在用電單元中，功率型用電單元與非功率型用電單元是相對的概念，功率型用電單元具備持續(xù)用電時間短(小于10秒鐘)、大功率(額定電流一般在幾十安培以上)的用電特征，如啟動電機等；非功率型用電單元具備持續(xù)用電時間可長可短、小功率(額定電流一般在幾十安培以下)的用電特征，如偵查、照明、通 訊或者音響設(shè)備等等。

下面以一種具體的應(yīng)用于內(nèi)燃機啟動的組合式應(yīng)急保障電源為例來進行說明。本實施例中的組合式應(yīng)急保障電源，如圖2-a和2-b所示，包括電池充電電路4和組合式超級電池，組合式超級電池包括功率單元1、隔離充電單元3和能量單元2，隔離充電單元3連接在能量單元2和功率單元1的輸出端之間，功率單元1的輸出端設(shè)置有功率輸出接口5，用于供電連接非功率型用電單元；能量單元2上設(shè)置有能量輸出接口6，用于供電連接非功率型用電單元，電池充電電路4連接到能量單元的輸出端上，用于實現(xiàn)對能量單元2充電。隔離充電單元3用于在功率單元給功率型用電單元1供電時，斷開功率單元1與能量單元2的電氣連接，并在功率單元1電量低于設(shè)定值且功率型用電單元不工作時，由隔離充電單元3通過能量單元2或者外接電源為功率單元2充電。

當(dāng)功率型用電單元工作時，功率單元1與能量單元2之間的電流通路通過隔離充電單元3斷開，僅由功率單元1為功率型用電單元供電，非功率型用電單元由能量單元5供電；當(dāng)功率型用電單元1不工作時，由能量單元2為其它耗電器件提供電能，同時隔離充電單元3判斷功率單元1的電量是否充足，若不足，則功率單元1與能量單元2通過隔離充電單元3并接，能量單元2或外接電源通過隔離充電單元3為功率單元1充電，否則不并接。同時隔離充電單元3具備防反充功能，禁止功率單元1向能量單元2放電。

可見本發(fā)明的應(yīng)急保障電源中的能量單元2不再承擔(dān)瞬態(tài)大功率作業(yè)任務(wù)，只負責(zé)小功率負載的持續(xù)供能，能量單元不會出現(xiàn)瞬時較大電壓降的情況，保證了功率型用電單元能夠穩(wěn)定輸出，且能量單元不受大電流沖擊損壞，壽命更長，避免能量單元被“過早”判廢，造成浪費。能量單元可根據(jù)其它耗電器件的能量要求配置容量，適當(dāng)減小了其體積和重量，在選型配置上實現(xiàn)“瘦身”從而節(jié)約資源、減少環(huán)境污染；僅依靠功率單元為功率型用電單元供電，使功率型用電單 元的供電質(zhì)量更好，防止因能量單元放電過度導(dǎo)致功率型用電單元不能工作的情況。

功率單元1可以是超級電容器單體、由超級電容器單體通過串并聯(lián)組成的模塊，或者傳統(tǒng)電容器陣列，如圖2-a所示。功率單元也可采用倍率性能及低溫性能優(yōu)異的儲能器件，如圖2-b所示，儲能器件可為具備高倍率放電特性蓄電池，比如鋰離子電池(磷酸鐵鋰系、三元系、錳酸鋰系、鈦酸鋰系等)和卷繞式高倍率鉛酸電池，也可以是低溫高倍率鋰電池和低溫高倍率鉛酸電池。能量單元2可以是鉛酸電池，也可以是鎳氫電池，還可以是錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元電池、鈦酸鋰電池等其中的任意一種。

隔離充電單元3具備隔離和充電的作用，能夠?qū)⒐β蕟卧?和能量單元5在電氣上隔離開來，也能對功率單元4進行充電，該隔離充電單元可以通過能量單元、外接交流或直流電源對功率單元充電。根據(jù)充電輸入類型的不同，隔離充電單元的充電電路和電池充電電路4均可采用AC-DC-AC-DC開關(guān)電路、AC-DC開關(guān)電路、DC-AC-DC開關(guān)電路或DC-DC開關(guān)電路。

當(dāng)采用交流輸入時，例如市電網(wǎng)，隔離充電單元和電池充電電路可采用AC-DC-AC-DC開關(guān)電路，具體結(jié)構(gòu)如圖3-a所示，包括依次連接的輸入整流濾波電路、高頻變壓器和輸出整流濾波電路，該開關(guān)電路有相應(yīng)控制電路，交流輸入經(jīng)該開關(guān)電路接入功率單元或能量單元。處理過程如下：交流輸入通過整流濾波電路進行整流濾波處理后變換為直流，然后進入到高頻變壓器進行逆變和高頻變換處理，輸出頻率變換后的交流電，最后進入到輸出整流濾波電路，由輸出整流濾波電路對變換后的交流電進行整流、濾波處理，得到與功率單元或能量單元相適配的直流電，為功率單元或能量單元充電。該開關(guān)電路的充電過程由控制電路根據(jù)電壓環(huán)路和電流環(huán)路采集到開關(guān)電路的信號通過驅(qū)動電路進行控制。同時為了實現(xiàn)對開關(guān)電路的保護，該隔離充電單元還設(shè)置有保護電路。

當(dāng)隔離充電單元或電池充電電路采用AC-DC開關(guān)電路時，其具體電路如圖3-b所示，該開關(guān)電路包括依次連接的變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓及限流電路，交流電源經(jīng)該開關(guān)電路接入功率單元或能量單元。該開關(guān)電路的處理過程如下：交流電源通過變壓器變壓后，進入到整流濾波電路對變壓后的交流電進行整流和濾波，通過穩(wěn)壓及限流電路輸入到功率單元或能量單元，實現(xiàn)對功率單元或能量單元的充電。該開關(guān)電路的控制可通過在開關(guān)電路上設(shè)置開關(guān)來實現(xiàn)，同時為了實現(xiàn)對開關(guān)電路的保護，該隔離充電單元還設(shè)置有保護電路。

當(dāng)隔離充電單元或電池充電電路采用DC-AC-DC開關(guān)電路時，其具體電路結(jié)構(gòu)如圖4-a所示，包括依次連接的高頻變壓器和輸出整流濾波電路，以及相應(yīng)的控制電路，直流輸入經(jīng)該開關(guān)電路接入功率單元或能量單元。該開關(guān)電路的處理過程如下：高頻變壓器將直流輸入進行逆變和頻率變換，并將得到變頻后的交流電輸入到輸出整流濾波電路，經(jīng)輸出整流濾波電路對變頻后的交流電進行整流和濾波，得到與功率單元或能量單元相適配的直流電，為功率單元或能量單元充電。整個開關(guān)電路由控制電路控制，控制電路根據(jù)電壓環(huán)路和電流環(huán)路采集到開關(guān)電路的信號通過驅(qū)動電路進行控制。同時為了實現(xiàn)對開關(guān)電路的保護，該隔離充電單元還設(shè)置有保護電路。

當(dāng)隔離充電單元或電池充電電路采用DC-DC開關(guān)電路時，其具體電路結(jié)構(gòu)如圖4-b所示，包括依次連接的電壓變換電路和穩(wěn)壓及限流電路，直流輸入經(jīng)該開關(guān)電路接入功率單元或能量單元進行充電。該開關(guān)電路的處理過程如下：直流輸入通過電壓變換電路變壓后，進入穩(wěn)壓及限流電路，經(jīng)穩(wěn)壓及限流電路得到與功率單元或能量單元相適配的直流電，輸入到功率單元或能量單元，從而實現(xiàn)對功率單元或能量單元的充電。該開關(guān)電路的控制可通過在開關(guān)電路上設(shè)置開關(guān)來實現(xiàn)，同時為了實現(xiàn)對開關(guān)電路的保護，該隔離充電單元還設(shè)置有保護電路。

隔離充電單元和電池充電電路可根據(jù)充電輸入類型的不同選擇不同的充電 結(jié)構(gòu)，當(dāng)充電輸入類型既有交流輸入又有直流輸入時，可將直流輸入對應(yīng)的開關(guān)電路和交流輸入對應(yīng)的開關(guān)電路進行組合。

此外，根據(jù)需要，本發(fā)明所采用的組合式超級電池還包括相應(yīng)的外圍電路，該外圍電路包括檢測電路、保護及均衡電路和管理及顯示模塊，通過檢測電路實時檢測功率單元的電量，通過保護及均衡電路實現(xiàn)功率單元的均衡保護、充電保護、放電保護、過壓保護、欠壓保護、過流保護、過溫保護和短路保護功能等，通過管理及顯示模塊實現(xiàn)對功率單元的管理和參數(shù)顯示。檢測電路、保護及均衡電路和管理及顯示模塊可根據(jù)需要實現(xiàn)的功能進行設(shè)計，各功能電路的實現(xiàn)對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言屬于常規(guī)技術(shù)手段，這里不再給出具體的電路說明。

本發(fā)明的組合式應(yīng)急保障電源供電方法的實施例

本實施例供電方法針對的是應(yīng)用到內(nèi)燃機啟動中的組合式應(yīng)急保障電源，該方法將用電設(shè)備根據(jù)功率特性進行區(qū)分，分為功率型用電單元和非功率型用電單元，本實施例中功率型用電單元指的是啟動電機，非功率型用電單元指的是除啟動電機之外的其它耗電器件。該應(yīng)急保障電源采用由功率單元、隔離充電單元和能量單元構(gòu)成的組合式超級電池供電，功率型用電單元(啟動電機)僅由功率單元供電，當(dāng)啟動電機工作時，功率單元與能量單元的電氣連接通過隔離充電單元斷開，只采用功率單元為啟動電機供電；當(dāng)啟動電機不工作時，并且功率單元電量低于設(shè)定值時，由隔離充電單元通過能量單元或者外接電源為功率單元充電。其中電池充電電路和隔離充電單元的充電電路均可采用AC-DC-AC-DC開關(guān)電路、AC-DC開關(guān)電路、DC-AC-DC開關(guān)電路或DC-DC開關(guān)電路，各開關(guān)電路的具體實現(xiàn)方式已在應(yīng)急保障電源的實施例中進行了詳細說明，這里不再贅述。

該方法針對應(yīng)急保障電源實施例中的供電過程如下：當(dāng)功率型用電單元工作(內(nèi)燃機啟動)時，功率單元1與能量單元2之間的電流通路已經(jīng)通過隔離充電單元3斷開，僅由功率單元1為啟動電機1供電，其它耗電器件由能量單元2供 電；當(dāng)功率型用電單元不工作(內(nèi)燃機啟動完成)時，由能量單元2為其它耗電器件6供電，同時隔離充電單元3判斷功率單元1電量是否充足，若不足，則能量單元1或外接電源通過隔離充電單元3為功率單元4充電，若電量充足，則不充電。同時隔離充電單元3具備防反充功能，禁止功率單元1向能量單元2放電。當(dāng)能量單元2電量不足時，通過電池充電電路4給能量單元5充電。

本發(fā)明的應(yīng)急保障電源采用組合式超級電池作為儲能器件，利用組合式超級電池的功率單元為功率型用電單元提供電能，使能量單元不再承擔(dān)瞬態(tài)大功率作業(yè)任務(wù)，能量單元只負責(zé)小功率負載的持續(xù)供能，避免了能量單元受大電流沖擊，可有效提高其使用壽命。同時，在能量單元選型配置上可以“瘦身”，實現(xiàn)小型化、輕量化。此外，功率單元僅用于為功率型用電單元供電。隔離充電單元具備防反充功能，任何時候功率單元都不能向能量單元放電，對功率單元有一定的保護作用。同時依靠本發(fā)明的應(yīng)急保障電源為功率型用電單元供電，功率型用電單元供電質(zhì)量更好，尤其是低溫性能更好，能量單元不會出現(xiàn)瞬時較大電壓降的情況，保證功率型用電單元能夠穩(wěn)定工作，減少非功率型用電單元因電能質(zhì)量不穩(wěn)造成的損壞。

本發(fā)明將用電設(shè)備分為功率型用電單元和非功率型用電單元，功率型用電單元僅由功率單元供電，非功率型用電單元由與能量單元供電，達到能量供給側(cè)和能量需求側(cè)的匹配和平衡，使應(yīng)急保障電源得到優(yōu)化，延長壽命，提高性能，減少資源浪費和系統(tǒng)維護工作量，并通過輕量化和更高效率的功率單元的采用，實現(xiàn)有效節(jié)能。