CN101702530A - 一种电动汽车车载充电装置 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车车载充电装置，包括依次连接的电压检测单元、电源管理单元及开关电源、分别与电压检测单元、电源管理单元、开关电源连接的微控制器以及与微控制器连接的CAN总线系统；该电源管理单元与CAN总线系统连接，开关电源及CAN总线系统分别与电动汽车的待充电电池连接；其中，电压检测单元包括数转换器、电压比较器及取样电路；电源管理单元包括电源转换器；开关电源包括数控调节的驱动电路CAN总线系统包括包括CAN总线收发电路以及带CAN接口的模数转换芯片。本发明装置可替代固定充电站，根据汽车所在地的电压情况实现就地充电，体现其方便性；且采用的变功率充电技术，使汽车电池充电能够实现不同功率的充电。

Description

一种电动汽车车载充电装置

技术领域

本发明涉及一种电动汽车的车载充电装置，尤其涉及一种为电动汽车在某些情况下可自适应充电的车载便携充电装置。

背景技术

随着电动汽车在国内外的兴起，电动汽车的充电技术备受关注。由于电动汽车电池的容量及输出功率很大，电动汽车电池的充电一般在汽车厂商指定的地点通过特殊的装置如大功率充电站等进行快速充电。而目前充电站受电动汽车技术推广的限制，还没有完全普及，充电站的分布数量有限，在农村地区几乎没有专用的充电站。此外，这些充电站一般都是固定的，不具备车载移动的特性。而且，相对于内燃机驱动的汽车而言，目前的电动汽车因电池技术的限制充一次电仅能跑非常有限的路程，这些情况更加剧了电动汽车充电的困难，影响其普及，特别是在农村地区。

当电动汽车行驶到没有专用充电站的地区时，通常使用随车携带的充电设备来完成充电，有些农村的供电变压器的输出功率非常有限，虽然供电电压满足充电的要求，但是如果按照一般充电的方式，给电动汽车采取固定输出的大功率充电，则可能会由于功率太大，造成电网中的电路损坏，严重影响农村用电。还有一种情况是，有时电动汽车需要充电的地点(农村或城市)经过检测，电网电压由于用户很多，或已经有其它大功率的电器设备在使用而导致电网负荷过重，电压较低，此时强行进行大功率充电可能导致电网电压由于负荷加重，电压更低，对电网造成一定损坏，影响其它用户用电。而如果我们采取等待电网电压恢复的办法，会浪费大量的时间，甚至电压根本就不能恢复，则无法充电。

因此，需要一种在没有专用充电站的情况下可以对电动汽车充电的车载充电设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电动汽车电池的车载充电装置，本发明通过可变功率充电，使充电装置能够在电网电压较高或较低的情况下使用的自适应充电技术，以提高充电电池的充电效率，保护电网，降低电动汽车充电对电网环境的依赖。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电动汽车车载充电装置，包括依次连接的电压检测单元、电源管理单元、开关电源、以及分别与所述电压检测单元、电源管理单元、开关电源连接的微控制器和与所述微控制器连接的CAN总线系统；电源管理单元与CAN总线系统连接，开关电源及所述CAN总线系统分别与电动汽车的待充电电池连接；其中，所述电压检测单元由数转换器、电压比较器及取样电路构成；电源管理单元包括电源转换器；开关电源包括依次连接的第一整流滤波电路、直流变交流逆变电路、变压器、第二整流滤波电路以及分别与直流变交流逆变电路和第二整流滤波电路连接的控制电路；所述CAN总线系统由CAN总线收发电路以及带CAN接口的模数转换芯片构成。

所述取样电路由降压型的变压器构成。

所述取样电路是由分压电阻和光耦隔离电路构成的分压电路，分压电阻将取样电压分压后，再经过光耦隔离电路传递到开关电源里的控制电路(34)，然后经过电压比较器进行比较。

所述电压检测单元直接与电网电压接触，通过取样电路将电网的输入电压按比例缩小后与电压比较器进行比较，通过电平高低来显示电网电压是否正常；同时，缩小后的电压值通过模数转换器进行模数转换，转换成数字量上报给微控制器，所述微控制器根据该电压数值判断电网电压是否正常，根据数值大小可精确得知电网电压值。

所述电源管理单元的电源转换器将电网电压变换为所述开关电源的各功能模块正常工作所需的交流电源和直流电源、以及所述微控制器和所述CAN总线系统工作时所需的直流电源。

所述第一整流滤波电路和所述第二整流滤波电路由整流二极管构成，其作用是将交流电变换成直流电。

所述直流变交流逆变电路由开关管以及驱动开关管的驱动电路构成，直流变交流逆变电路里的驱动电路驱动开关管按照一定的时序开关，将直流电变换为高频交流电，送给变压器按要求进行放大或缩小后送至第二整流滤波电路变换成直流输出；若输出的直流电流或直流电压过大或过小，所述第二整流滤波电路将给控制电路一个电流或电压反馈，所述控制电路控制直流变交流逆变电路的驱动电路调整开关管导通和关闭的时间，使开关电源的输出满足要求。

所述微控制器根据汽车电池参数对开关电源内部的控制电路进行调节，使得驱动电路按照要求输出某种作用于直流变交流逆变电路里的开关管的驱动脉冲，使所述开关电源按要求输出所需要的伏安特性；并根据外部电源的状态控制电源管理单元是否对外部电源做出处理。

根据上述技术方案，本发明的电压检测单元可对电网电压的检测，并将检测结果上报给微控制器；电源管理单元将电网电压变换为开关电源各功能模块正常工作需要的交流电源和直流电源以及微控制器和CAN总线系统工作时所需要的直流电源；由微控制器调节开关电源的直流变交流逆变电路中的驱动电路，使开关电源能够根据不同汽车电池的需求输出不同的伏安特性；微控制器接收电压检测单元内的检测结果，根据检测结果来控制电源管理单元对输入电压做出相应的处理，同时也接收通过CAN总线传来的充电电池的信息，根据电池的信息来决定使用合适的充电参数，并通过更改开关电源的伏安特性，为电池充电；在充电的过程中，本发明充电装置的微控制器还不断监测电池的电量信息，直到电池充满电量为止；CAN总线系统作为微控制器和电池的通讯总线，同时也采集电池的身份特征信息以及电池充电过程中的电压和电流信息。本发明可使电动汽车的充电不局限于在固定充电站进行充电，并根据外部电网电压的波动情况自适应调整电池的充电功率，在保护电网的同时也保证了充电过程能在恶劣的电网环境中正常进行。

附图说明

图1是根据本发明的结构示意图；

图2是是本发明电压检测单元结构图；

图3a是本发明取样电路的一种形式的工作原理图；

图3b是本发明取样电路的另一种形式的工作原理图；

图4是本发明开关电源的原理框图；

图5是根据本发明的工作流程图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

如图1所示：本发明的充电装置包括电压检测单元1，电源管理单元2，开关电源3，微控制器4及CAN(Controller Area Network)总线系统5。

如图2所示，其中，电压检测单元1包括模数转换器10、电压比较器11及取样电路12。电压检测单元1直接与电网电压接触，通过取样电路12将电网的输入电压按比例缩小后与电压比较器11进行比较，通过电平高低来显示电网电压是否正常；同时，缩小后的电压值通过模数转换器10进行模数转换，转换成数字量上报给微控制器4，微控制器4根据该电压数值判断电网电压是否正常，根据数值大小可精确得知电网电压值。电压检测单元1主要完成电网电压的检测，并将检测结果上报给微控制器4。电压检测单元1中的各功能模块可由分立元件构成，模数转换器10可采用8位、12位或其它更高精度的转换器来充当，类似AD574这种12位的模数转换器就可以。参照图3a，取样电路12的一种形式是由一个降压型的变压器构成，它把电网电压如380伏或220伏转换为需要的电压；参照图3b，取样电路12的另一种形式是由普通电阻构成的分压电路，包括分压电阻和光耦隔离电路，分压电阻将取样电压分压后，再经过光耦隔离电路传递到开关电源3里的控制电路34，然后经过电压比较器11进行比较。电压比较器11是一个带有参考电压的比较器件，根据需求来决定使用何种工作电压的比较器。

电源管理单元2包括电源转换器(未图示)，电源转换器将电网电压变换为开关电源3的各功能模块正常工作所需的交流电源和直流电源、以及微控制器4和CAN总线系统5工作时所需的直流电源。本发明中的电源转换器主要是一个降压型或升压型的电源管理模块，完成交流到直流的变化或交流到交流的变化，以产生一种或几种交流电源和直流电源。

开关电源3是本发明充电装置的核心，它负责把外部符合工作条件的电压转换为电动汽车电池需要的充电电压。参照图4，开关电源3包括依次连接的第一整流滤波电路30、直流变交流逆变电路31、变压器32、第二整流滤波电路33以及分别与直流变交流逆变电路31和第二整流滤波电路33连接的控制电路34。第一整流滤波电路30和第二整流滤波电路33主要由整流二极管构成，其作用是将交流电变换成直流电；直流变交流逆变电路31主要由开关管以及驱动开关管的驱动电路构成(未图示)，直流变交流逆变电路31里的驱动电路驱动开关管按照一定的时序开关，将直流电变换为高频交流电，然后送给变压器32按要求进行放大或缩小，最后再送给第二整流滤波电路33变换成直流输出。如果输出的直流电流或直流电压过大或过小，这时第二整流滤波电路33将给控制电路34一个电流或电压反馈，此时控制电路34控制直流变交流逆变电路31里的驱动电路调整开关管导通和关闭的时间，使开关电源3的输出满足要求。控制电路34可由单片机、微处理器或微控制器等具有独立控制功能的电路实现。

在充电过程中，微控制器4根据汽车电池参数对开关电源3内部的控制电路34进行调节，使得驱动电路按照要求输出某种驱动脉冲，这种驱动脉冲作用于直流变交流逆变电路31里的开关管，使得开关电源，按要求输出所需要的伏安特性，以保证电池充电顺利可靠地进行。本发明的开关电源3与一般的开关电源的本质区别在于：本发明的伏安特性可根据负载、电网供电情况等因素的要求输出各种不同的伏安特性，开关电源3中的开关管和一般开关电源的开关管没有区别，而直流变交流电路31中的驱动电路则与一般的开关电源有区别，它是一个能够实现数控调节功能的驱动电路，而控制电路34具有单片机控制功能，能进行通讯和执行来自微处理器4的指令，但不限于单片机的控制单元。

微控制器4可为单片机或嵌入式处理器。它的主要作用是接收电压检测单元1的检测结果，并根据外部电源的状态控制电源管理单元2是否对外部电源做出处理。同时，微控制器4还采集电动汽车电池的信息，并根据电池信息设置开关电源3直流变变流逆变电路31中的驱动电路，使开关电源3输出符合该电池的伏安特性。在充电过程中，微控制器4对电池的充电状态以及外部电网的电压波动情况进行监控，根据电网电压的状态，对充电参数进行动态调整，在保证电网安全的情况下，最大限度的缩短电池的充电时间。微控制器4可以是ADUC812类型的带数模及模数转换器的单片机。

CAN总线系统5由CAN总线收发电路以及带CAN接口的模数转换芯片构成(未图示)，其主要是对汽车电池的信息比如电池品牌、温度、充电过程的电压、电流等参数进行采集，并将这些信息中的模拟信息转换为数字信号通过CAN总线系统5传输给微控制器4，便于微控制器4根据这些信息来决定充电参数。本发明中的CAN总线收发电路可以是PCA82C250型收发器，模数转换芯片可以是SJA1000型控制器，当然，除了可以上述规格型号的芯片外，也可以由其它能完成类似功能的芯片构成，方式也不局限于上述方式，只要能完成CAN总线通讯功能所有形式均可。

下面结合图5对本发明技术方案的实施作进一步地详细描述。

步骤一：安装充电装置：首先把充电装置的输出端与待充电电池的充电接头连接，然后把充电装置的输入端与电网电压的输出端接口连接，接通电源；

步骤二：获取电池信息：连接好充电装置后，微控制器4通过CAN总线系统5读取电动汽车待充电电池的相关信息，如电池自身的的ID(Identification Identity)等，待充电电池充电前的电压值通过CAN总线系统5的模数转换芯片转换为数字信号后传送给微控制器4；微控制器4根据这个电池ID从自身的存储器中找出对应该电池ID的相关信息，判断该电池的特征类型；同时结合当前电池的电压值来决定电池的充电参数，并兼顾电池温度的保证电池安全充电，避免电池过热；

步骤三：获取外部电网信息：充电装置与外部电网接通后，电压检测单元1对外部电压进行取样，取样电路12将输入电压按比例缩小后与电压比较器11进行比较，通过电平高低来显示电网电压是否正常；同时，数模转换器10对外部电网的取样电压进行模数转换，将转换的结果上报给微控制器4；

步骤四：配置充电参数：微控制器4获取电池信息以及外部电网信息后进行充电参数的配置，这是充电前非常重要的步骤。在配置参数时，微控制器4结合电池的相关信息确定开关电源3直流变变流逆变电路31中的驱动电路输出的伏安特性，设置好驱动电路的伏安特性，确保开关电源3的输出电压及电流能够保证该类型电池安全可靠地充电；另一方面同时结合外部电网的情况来决定充电装置的输出功率，根据外部电网电压的波动情况来动态调整充电参数；

第五步：充电：在充电过程中，电压检测单元1不断地采样电网电压，并转换为数字信号上报给微控制器4，如果发现电网电压由于电池充电的原因而出现降低，且降低的幅度可能会危及用户用电的安全时，此时有可能是电网接入了大功率的负载，因负荷过重而导致电网电压降低，此时微控制器4重新调整充电参数，特别是调整开关电源3的伏安特性，降低开关电源3的输出功率，即降低电池的充电功率，然后执行步骤四，重新配置充电参数，直到电网电压、电池充电都达到一个合理的状态，即此时的充电参数使得电网电压的波动在一个合理的范围，此时电池由于处在限制功率状态下充电，充电时间会长于正常充电时间；如果在充电过程中电压检测单元1发现电网电压在回升，说明电网负荷减少，微控制器4也会及时调整充电参数，特别是调整开关电源3的伏安特性，在电池许可的工作条件下，增大开关电源的输出功率，加快电池充电，然后执行步骤四，重新配置充电参数，直到电网电压、电池充电都达到一个合理的状态，此时电网电压在一个合理的范围内波动，电池由于采用大功率充电会明显缩短充电时间；同时，CAN总线系统5的模数转换芯片还及时采样电池的电压及充电电流，转换为数字量并报给微控制器4，微控制器4根据该电池的特性信息来判断电池充电状态；在充电过程中可能会根据外部电源电压的波动情况采用不同的充电功率，来提高充电设备的适应性和电网的安全性，这个过程将一直持续到电池充满为止。

本发明提出的自适应式的车载充电装置，可使电动汽车的充电不局限于在固定充电站进行充电，特别适合还没有普及大功率充电站的广大农村及小功率电网区域，充电过程中，该装置能够根据外部电网电压的波动情况自适应调整电池的充电功率，在保护电网的同时也极大地缩短电池充电时间，因此本发明的涉及的方法及装置充分体现了使用区域的普遍性，充电过程的自适应性，电池充电的高效性及对电网电压的保护性。

本发明的车载充电装置，具有以下特点：

1、该装置在没有固定充电站的情况下根据汽车所在地的电压情况实现就地充电，体现其方便性；

2、该装置采用的变功率充电技术，使汽车电池充电能够实现不同功率的充电，其功率动态调整的特性体现其自适应的高效性；

3、该装置可在用电功率有限的农村或电网电压由于负载过重导致低电压的情况下进行充电，体现其使用的可靠性和普遍性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动汽车车载充电装置，其特征在于：包括依次连接的电压检测单元(1)、电源管理单元(2)、开关电源(3)、以及分别与所述电压检测单元(1)、电源管理单元(2)、开关电源(3)连接的微控制器(4)和与所述微控制器(4)连接的CAN总线系统(5)；

所述电源管理单元(2)与CAN总线系统(5)连接，所述开关电源(3)及所述CAN总线系统(5)分别与电动汽车的待充电电池连接；

其中，所述电压检测单元(1)由数转换器(10)、电压比较器(11)及取样电路(12)构成；

所述电源管理单元(2)包括电源转换器；

所述开关电源(3)包括依次连接的第一整流滤波电路(30)、直流变交流逆变电路(31)、变压器(32)、第二整流滤波电路(33)以及分别与直流变交流逆变电路(31)和第二整流滤波电路(33)连接的控制电路(34)；

所述CAN总线系统(5)由CAN总线收发电路以及带CAN接口的模数转换芯片构成。

2.如权利要求1所述的电动汽车车载充电装置，其特征在于：所述取样电路(12)由降压型的变压器构成。

3.如权利要求1所述的电动汽车车载充电装置，其特征在于：所述取样电路(12)是由分压电阻和光耦隔离电路构成的分压电路，分压电阻将取样电压分压后，再经过光耦隔离电路传递到开关电源(3)里的控制电路(34)，然后经过电压比较器(11)进行比较。

4.如权利要求1所述的电动汽车车载充电装置，其特征在于：所述电压检测单元(1)直接与电网电压接触，通过取样电路(12)将电网的输入电压按比例缩小后与电压比较器(11)进行比较，通过电平高低来显示电网电压是否正常；同时，缩小后的电压值通过模数转换器(10)进行模数转换，转换成数字量上报给微控制器(4)，所述微控制器(4)根据该电压数值判断电网电压是否正常，根据数值大小可精确得知电网电压值。

5.如权利要求1所述的电动汽车车载充电装置，其特征在于：所述电源管理单元(2)的电源转换器将电网电压变换为所述开关电源(3)的各功能模块正常工作所需的交流电源和直流电源、以及所述微控制器(4)和所述CAN总线系统(5)工作时所需的直流电源。

6.如权利要求1所述的电动汽车车载充电装置，其特征在于：所述第一整流滤波电路(30)和所述第二整流滤波电路(33)由整流二极管构成，其作用是将交流电变换成直流电。

7.如权利要求1所述的电动汽车车载充电装置，其特征在于：所述直流变交流逆变电路(31)由开关管以及驱动开关管的驱动电路构成，直流变交流逆变电路(31)里的驱动电路驱动开关管按照一定的时序开关，将直流电变换为高频交流电，送给变压器(32)按要求进行放大或缩小后送至第二整流滤波电路(33)变换成直流输出；若输出的直流电流或直流电压过大或过小，所述第二整流滤波电路(33)将给控制电路(34)一个电流或电压反馈，所述控制电路(34)控制直流变交流逆变电路(31)的驱动电路调整开关管导通和关闭的时间，使开关电源(3)的输出满足要求。

8.如权利要求7所述的电动汽车车载充电装置，其特征在于：所述微控制器(4)根据汽车电池参数对开关电源(3)内部的控制电路(34)进行调节，使得驱动电路按照要求输出某种作用于直流变交流逆变电路(31)里的开关管的驱动脉冲，使所述开关电源(3)按要求输出所需要的伏安特性；并根据外部电源的状态控制电源管理单元(2)是否对外部电源做出处理。

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