CN102055226A - 一种车载电池的充放电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种车载电池的充放电装置，包括：并网开关，用于根据外部电源的不同类型而选择性地连通外部电源和逆变器；充放电选择开关；逆变器；连接在逆变器和并网开关之间的感性器件；信号检测单元，用于检测外部电源、充放电选择开关以及车载电池的相关信号并将这些信号发送给控制器；控制器，用于根据接收到的信号控制并网开关以及逆变器工作。本发明还提供了上述充放电装置的控制方法。本发明根据车载电池的SOC通过控制充放电功率进行充放电，故缩短了充放电时间。同时可以根据外部电源的不同而选择性的闭合并网开关，从而进行充放电。

Description

一种车载电池的充放电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种车载电池的充放电装置及其控制方法。

背景技术

随着科技的发展，环保节能的电动汽车正在扮演着取代燃油车的角色，然而电动汽车的普及还面临着一些问题，其中高能量密度、安全可靠的电池，低成本、小体积、安全可靠的车载快速充电装置，渐渐成为业界关心的主要问题。当设计出大容量高能量密度的电池后，电动汽车面临的主要问题便转到充电问题上来。

大容量的电池，可以提高电动汽车的电动续航能力，但同样大容量的电池又带来了充电时间过长的问题，虽然充电站可以快速的为电池进行充电，但高额的成本和较大站地面积等问题使得这种基础设施的普及还面临着一定的难度。

一般车载充电器采用小功率的充电方式，采用高频隔离DC/DC，该方式充电功率小，充电时间长，并且受限于不同电网的电压等级限制，多数充电器，只能适用于单一指定商用电网。

发明内容

本发明为解决现有技术中车载电池充电时间长且只能适用于单一电源的技术问题，提供一种可以充电时间短且能适用于不同类型电源的车载电池充放电装置及其控制方法。

本发明一方面提供了一种车载电池的充放电装置，其中，该装置包括充放电选择开关、逆变器、控制器、感性器件、信号检测单元以及并网开关；

所述并网开关用于根据外部电源的不同类型而选择性地连通外部电源和逆变器；

所述充放电选择开关用于选择充电或放电；

所述逆变器用于将外部电源的交流电转换成直流电输入到车载电池，以及用于将车载电池的直流电转换成交流电输入到外部电源；

所述感性器件连接在所述逆变器和所述并网开关之间；

所述信号检测单元用于检测外部电源、充放电选择开关以及车载电池的相关信号并将这些信号发送给控制器；

所述控制器用于根据接收到的信号控制所述并网开关以及所述逆变器工作。

进一步地，所述充放电装置还包括预充电阻以及与预充电阻并联的并联开关；

所述预充电阻串联在所述并网开关和所述外部电源之间，所述预充电阻用于充电前储存电能；

所述并联开关用于充电开始前断开以及在充电或放电时闭合；

所述控制器还控制所述并联开关工作。

优选地，所述外部电源与所述逆变器之间通过两条或者三条线路相连，在外部电源与逆变器之间的每一条线路上都串联有一个并网开关。

进一步地，所述充放电装置还包括连接在并网开关和感性器件之间的电容，所述感性器件为电感。

所述信号检测单元包括：

分别用于检测外部电源A、B两相的电压U1、U2的第一电压传感器和第二电压传感器，用于检测车载电池电压U4的第四电压传感器，用于检测车载电池充放电电流I1的第一电流传感器、用于检测车载电池温度的温度传感器以及用于检测车载电池荷电量SOC的电量检测单元。

优选地，所述逆变器为电动车或混合动力车上的逆变器，所述控制器的主芯片为TMS320F2812的DSP芯片，所述电量检测单元为电池管理单元，所述电动车或混合动力车还包括电动机，所述逆变器和电动机之间还连接有断开开关，所述断开开关用于在车载电池充放电时断开车载电池和电动机。

本发明另一方面还提供了一种车载电池的充放电装置的控制方法，其中所述充放电装置为上述的充放电装置，所述控制方法包括以下步骤：

1)判断是否满足充放电条件；

2)如果满足充放电条件，则选择充放电选择开关进行充放电；

3)判断外部电源的类型；

4)根据外部电源的不同类型选择性地闭合并网开关；

5)根据车载电池的SOC，通过控制充放电功率进行充放电。

进一步地，所述控制方法还包括以下步骤：

6)判断车载电池是否完成充放电。

进一步地，所述步骤1)是通过以下步骤实现的：

1-1)判断车载电池的温度是否在给定的温度范围内；

1-1-1)如果车载电池的温度在给定的温度范围内，则满足充放电条件；

1-1-2)如果车载电池的温度超出给定的温度范围，则不满足充放电条件；

1-2)判断车载电池的SOC是否在给定的SOC范围内；

1-2-1)如果车载电池的SOC在给定的SOC范围内，则满足充放电条件；

1-2-2)如果车载电池的SOC超出给定的SOC范围，则不满足充放电条件。

所述步骤3)是通过以下步骤实现的：

3-1)检测外部电源A相和B相的电压；

3-2)计算检测得到的外部电源A相和B相之间的相位差；

3-2-1)当相位差为120±2度时，判断外部电源为三相电源；

3-2-2)当相位差为180±2度时，判断外部电源为单相电源。

所述步骤4)是通过以下步骤实现的：

4-1)当外部电源为单相电源时，闭合两个并网开关；

4-2)当外部电源为三相电源时，闭合三个并网开关。

所述步骤5)是通过以下步骤实现的：

5-1)断开所述并联开关；

5-2)开始充电或放电时闭合所述并联开关；

5-3)根据车载电池当前的SOC确定一个充放电的目标充放电功率；

5-4)测量车载电池的当前的电压和充放电电流计算出当前的充放电功率；

5-5)对当前的充放电功率以目标充放电功率为目标进行比例积分调节；

5-6)控制器发出PWM信号控制逆变器进行充放电。

本发明的一种车载电池的充放电装置及其控制方法，可以根据车载电池当前的SOC通过控制充放电功率进行充放电，在充放电过程中充放电电流是可控的，因此可以缩短充放电时间。同时可以根据外部电源的不同而选择性的闭合并网开关，从而可以根据不同的外部电源进行充放电。

附图说明

图1是本发明实施例提供的车载电池充放电装置的电路示意图；

图2是本发明实施例提供的车载电池充放电装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的车载电池充放电装置的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明的一种实施方式，如图1和图2所示，一种车载电池的充放电装置，其中，该装置包括充放电选择开关、逆变器13、控制器、感性器件、信号检测单元以及并网开关；

并网开关用于根据外部电源的不同类型选择性地连通外部电源和逆变器13；

充放电选择开关用于选择充电或放电；

逆变器用于将外部电源的交流电转换成直流电输入到车载电池，以及用于将车载电池的直流电转换成交流电输入到外部电源；

感性器件连接在逆变器13和并网开关之间；

信号检测单元用于检测外部电源、充放电选择开关以及车载电池的相关信号并将这些信号发送给控制器；

控制器用于根据接收到的信号控制并网开关以及逆变器13工作。

外部电源可以根据需要或者使用环境而不同，即外部电源可以为单相电源15或者三相电源16，例如可以为家用220V电源或者380V电源。在外部电源与车载电池10之间还设置有连接装置50，连接装置50可以为相互配合的插头和插座，也可以为合适的接插件。当连接装置50为相互配合的插头和插座时，由于一般情况下，单相电源15所用的插头为3脚的，三相电源的插头为4脚的，优选地，可以设置两种不同的插头或插座，以便于适应不同的外部电源。

控制器可以选用各种合适的数据处理单元，如控制器的主芯片可以为TMS320F2812的DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片。

并网开关可以选择各种合适的开关，为了便于控制，并网开关可以为电磁开关、电磁继电器等，只要可以根据控制器的信号来合上或打开从而实现电路的连通或断开即可。为了适应不同类型的外部电源，并网开关的个数可以根据外部电源的不同而不同，如外部电源为单相电源时为2个，当外部电源为三相电源时至少为3个。优选地，并网开关设计为3个，即A、B、C三相的线路上分别设置一个并网开关K1、K3、K5，对于充电来说，外部电源为三相电源时，闭合3个并网开关；外部电源为单相电源时，闭合其中的2个并网开关即可。

逆变器13可以包括各种桥式逆变电路，只要能实现逆变充放电功能即可，优选采用三相全桥逆变电路，该三相全桥逆变电路包括三组六个高可靠功率开关器件IGBT(Q1-Q6)以及六个反向并联二极管(D1-D6)，如图1所示，每组包括两个串联的开关器件IGBT，每个开关器件IGBT都并联有一个反向二极管，如第一组由Q1与D1并联构成上桥臂开关、Q2与D2并联后构成下桥臂开关，上、下桥臂开关再串联而成，即该三相全桥逆变电路的每一组都包括上桥臂开关和下桥臂开关，三组上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点可以接入三相电网以用来引入交流电信号。当外部电源为家用220V电源时，可以从三组上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点中选择两组与家用220V电源连接。控制器可以产生PWM信号来控制各个IGBT的导通和关断。

为了防止并网开关闭合之后、充电开始之前外部电源对逆变器的电能冲击，优选地，在并网开关和外部电源的所有线路上还串联有电阻，如在并网开关和外部电源的三条线路上串联有电阻R1、R2和R3，同时在电阻R1、R2和R3的两端还并联有并联开关K7、K8和K9，在充电开始前并联开关K7、K8和K9断开，在充电或者放电的过程中并联开关K7、K8和K9闭合。由于电阻的存在，因此可以有效降低充电开始前外部电源对逆变器13的电能冲击，进而提高充放电装置的使用安全性，延长充放电装置的使用寿命。

进一步地，为了有效过滤充放电时的杂波信号，在感性器件和并网开关之间还连接有电容，根据本发明的一种实施方式，在并网开关K1和第一组上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点之间串联有电感L1和电容C1；在并网开关K3和第二组上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点之间串联有第二组电感和电容；在并网开关K5和第三组上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点之间串联有第三组电感和电容。

进一步地，信号检测单元包括：

分别用于检测外部电源A、B两相的电压U1、U2的第一电压传感器21和第二电压传感器22，用于检测车载电池10电压U4的第四电压传感器11，用于检测车载电池充放电电流I1的第一电流传感器14、用于检测车载电池温度的温度传感器(图中未示出)以及用于检测车载电池荷电量SOC的电量检测单元(图中未示出)。

进一步地，可以在逆变器与外部电源之间的所有线路上都设置有电压传感器，即信号检测单元还包括用于检测外部电源C相(如果存在的话)电压U3的第三电压传感器23。

在判断外部电源的类型时，可以通过A、B两相电压的相位差来判断，当第三电压传感器23检测到电压信号时，还可以通过A、C两相或者B、C两相电压的相位差来判断。

第一电压传感器21、第二电压传感器22、第三电压传感器23和第四电压传感器11可以为各种合适的传感器，如可以为霍尔电压传感器。第一电流传感器11可以为各种合适的传感器，如可以为霍尔电流传感器。温度传感器可以根据需要而选择不同类型的传感器，如：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和IC温度传感器。

对于电动车和混合动力车，为了减化充电装置，优选地，逆变器可以车载逆变器，此时需要在车载电动机17和逆变器13之间增加三个开关K2、K4、K6。开关K2、K4、K6用于根据控制器的控制指令选择断开或闭合，此时并网开关可以选择为单刀双掷开关。在车载电池10充放电之前，开关K2、K4、K6处于闭合状态，根据需要由车载电池10供电从而带动电动机17工作或者由电动机17发电为车载电池10充电。当车载电池进行充放电时，开关K2、K4、K6处于断开状态。充放电选择开关用于选择充电或放电，可以设置在车辆的中控面板上。车载电池的SOC可以由各种合适的电量检测单元检测，优选地，车载电池的SOC由电池管理单元测得。此时，为了适应不同的外部电源，可以设置在两种不同的充电端口。此时，由于将充电装置集成到了电动车或者混合动力车上，因此在充电时，可以选择普通的家用电源接口或者三相电源接口，即可以不再受限于充电桩或充电站，从而有利于电动车或者混合动力车的推广。

进一步地，在车载电池10和逆变器之间还设置有一个接触器12，该接触器12可以为一常闭开关，当车辆需要维修时，可以断开该接触器12，从而切断电源以保障安全。

本发明还提供了一种车载电池的充放电装置的控制方法，其中所述充放电装置为上述的充放电装置，所述控制方法包括以下步骤：

1)判断是否满足充放电条件；

2)如果满足充放电条件，则选择充放电选择开关进行充放电；

3)判断外部电源的类型；

4)根据外部电源的不同类型选择性地闭合并网开关；

5)根据车载电池的SOC，通过控制充放电功率进行充放电。

进一步地，所述控制方法还包括以下步骤：

6)判断车载电池是否完成充放电。

其中，所述步骤1)是通过以下步骤实现的：

1-1)判断车载电池的温度是否在给定的温度范围内；

1-1-1)如果车载电池的温度在给定的温度范围内，则满足充放电条件；

1-1-2)如果车载电池的温度超出给定的温度范围，则不满足充放电条件；

1-2)判断车载电池的SOC是否在给定的SOC范围内；

1-2-1)如果车载电池的SOC在给定的SOC范围内，则满足充放电条件；

1-2-2)如果车载电池的SOC超出给定的SOC范围，则不满足充放电条件。

为了更好的保护车载电池

所述步骤3)是通过以下步骤实现的：

3-1)检测外部电源A相和B相的电压；

3-2)计算检测得到的外部电源A相和B相之间的相位差；

3-2-1)当相位差为120±2度时，判断外部电源为三相电源；

3-2-2)当相位差为180±2度时，判断外部电源为单相电源。

所述步骤4)是通过以下步骤实现的：

4-1)当外部电源为单相电源时，闭合两个并网开关；

4-2)当外部电源为三相电源时，闭合三个并网开关

所述步骤6)是通过以下步骤实现的：

所述步骤5)是通过以下步骤实现的：

5-1)断开并联开关；

5-2)开始充电或放电时闭合并联开关；

5-3)根据车载电池当前的SOC确定一个充放电的目标充放电功率；

5-4)测量车载电池的当前的电压和充放电电流计算出当前的充放电功率；

5-5)对当前的充放电功率以目标充放电功率为目标进行比例积分调节；

5-6)控制器发出PWM信号控制逆变器进行充放电。

为了车载电池的充放电安全，在步骤1)中设定一个安全的温度范围，该温度范围可以为0-70摄氏度。当当前的电池温度在该温度范围内时，车载电池才可以进行充放电，否则停止充放电，进一步地可以设置一个报警程序，当车载电池的温度超出该温度范围时，进行报警提示。在车载电池整个充当点过程中随时监测车载电池的温度，如果当前的温度超出设定的温度范围，则控制器断开并网开关并进行报警提示。

在步骤1)中还可以设置一个SOC对应的安全充放电范围，如当SOC为99％时，车载电池不可以进行充电，当SOC为10％时，车载电池不可以进行放电。如果当前的SOC超出该SOC范围而且充放电选择开关选择错误如当前SOC为10％还选择放电或当前SOC为99％时还选择充电时，可以通过报警装置报警提示。该报警装置可以是蜂鸣器等各种合适的装置。

当满足充放电条件时，如果是电动车或混合动力车，首先要断开电动机17与车载电池10的连接开关K2、K4和K6。然后根据检测到的外部电源的类型控制不同个数的并网开关闭合，即当外部电源为三相电源时，控制并网开关K1、K3和K5闭合；但外部电源为单相电源时，从并网开关K1、K3和K5中任选两个闭合。

此时控制器根据检测得到的车载电池10当前SOC确定一个目标充放电功率，当车载电池10充电时，目标充电功率为正值；车载电池10放电时，目标放电功率为负值。该目标充放电功率与SOC之间呈一反比关系，即随着SOC的增加，目标充放电功率随之减小，随着SOC的减小，目标充放电功率随之增大。

之后测量车载电池的当前的电压U4和充放电电流I1计算出当前的充放电功率；

对充放电功率以目标充放电功率为目标进行比例积分调节，使得当前的充放电功率和目标充放电功率一致。此时控制器根据上述内容发出PWM信号控制各个IGBT导通或关断即可使得当前的充放电功率和目标充放电功率一致。

对于是否完成充放电，是通过比较当前SOC是否超出给定的SOC范围实现的。

如图3所示，本发明的车载电池充放电装置的具体工作过程如下：

充电过程：首先根据检测的车载电池的SOC和电池温度判断是否满足充电条件，当满足充电条件时，进一步判断外部电源的类型，并根据外部电源的类型不同而控制不同数量的并网开关闭合，此时充放电选择开关选择充电。控制器根据当前的SOC给出当前的目标充电功率，控制器根据检测到的车载电池10当前的电压U4和当前充电电流I1计算出当前的充电功率，控制器根据当前的目标充电功率和实际的充电功率发出PWM信号控制各个IGBT的导通和关断从而使得实际的充电功率和当前的目标充电功率相一致。之后判断当前的SOC是否达到给定的SOC范围，如果当前的SOC达到给定的SOC充电上限即控制并网开关断开完成充电。

放电过程：首先根据检测的车载电池的SOC和电池温度判断是否满足放电条件，当满足放电条件时，进一步判断外部电源的类型，此时可以人为输入该外部电源的类型从而控制并网开关的闭合或者直接闭合所有的并网开关，充放电选择开关选择放电，此时控制器根据当前的SOC给出当前的目标放电功率，控制器根据检测到的车载电池当前的电压U4和当前放电电流I1计算出当前的放电功率，控制器根据当前的目标放电功率和实际的放电功率发出PWM信号控制各个IGBT的导通和关断从而使得当前的放电功率和当前的目标放电功率相一致。之后判断当前的SOC是否达到给定的SOC范围，如果当前的SOC达到给定的SOC放电下限即控制并网开关断开完成放电。

本发明的一种车载电池的充放电装置及其控制方法，可以根据车载电池当前的SOC通过控制充放电功率进行充放电，在充放电过程中充放电电流是可控的，因此可以缩短充放电时间。同时可以根据外部电源的不同而选择性的闭合并网开关，从而可以根据不同的外部电源进行充放电。

由于本发明的充放电装置设有一个充放电选择开关，通过选择充电或放电即可实现车载电池的充电或放电，所以本发明除了实现充电之外还可以根据外部环境的需要选择放电，即将车载电池的直流电逆变为与外部电源等同的交流电，从而可以更好的满足实际需要，扩大了车载电池的使用范围。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种车载电池的充放电装置，其特征在于，该装置包括充放电选择开关、逆变器、控制器、感性器件、信号检测单元以及并网开关；

所述并网开关用于根据外部电源的不同类型选择性地连通外部电源和逆变器；

所述充放电选择开关用于选择充电或放电；

所述逆变器用于将外部电源的交流电转换成直流电输入到车载电池，以及用于将车载电池的直流电转换成交流电输入到外部电源；

所述感性器件连接在所述逆变器和所述并网开关之间；

所述信号检测单元用于检测外部电源、充放电选择开关以及车载电池的相关信号并将这些信号发送给控制器；

所述控制器用于根据接收到的信号控制所述并网开关以及逆变器工作。

2.如权利要求1所述的充放电装置，其特征在于，所述充放电装置还包括预充电阻以及与预充电阻并联的并联开关；

所述预充电阻串联在所述并网开关和所述外部电源之间，所述预充电阻用于充电前储存电能；

所述并联开关用于充电开始前断开以及在充电或放电时闭合；

所述控制器还控制所述并联开关工作。

3.如权利要求2所述的充放电装置，其特征在于，所述外部电源与所述逆变器之间设有三条线路，在外部电源与逆变器之间的每一条线路上都串联有一个并网开关。

4.如权利要求3所述的充放电装置，其特征在于，所述充放电装置还包括连接在并网开关和感性器件之间的电容，所述感性器件为电感。

5.如权利要求4所述的充放电装置，其特征在于，所述信号检测单元包括：分别用于检测外部电源A、B两相的电压U1、U2的第一电压传感器和第二电压传感器，用于检测车载电池电压U4的第四电压传感器，用于检测车载电池充放电电流I1的第一电流传感器、用于检测车载电池温度的温度传感器以及用于检测车载电池荷电量SOC的电量检测单元。

6.如权利要求5所述的充放电装置，其特征在于，所述逆变器为电动车或混合动力车上的逆变器，所述控制器的主芯片为TMS320F2812的DSP芯片，所述电量检测单元为电池管理单元，所述电动车或混合动力车还包括电动机，所述逆变器和电动机之间还连接有断开开关，所述断开开关用于在车载电池充放电时断开车载电池和电动机。

7.一种车载电池的充放电装置的控制方法，其中所述充放电装置为权利要求1-6中任意一项所述的充放电装置，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)判断是否满足充放电条件；

2)如果满足充放电条件，则选择充放电选择开关进行充放电；

3)判断外部电源的类型；

4)根据外部电源的不同类型选择性地闭合并网开关；

5)根据车载电池的SOC，通过控制充放电功率进行充放电。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括以下步骤：

6)判断车载电池是否完成充放电。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1)是通过以下步骤实现的：

1-1)判断车载电池的温度是否在给定的温度范围内；

1-1-1)如果车载电池的温度在给定的温度范围内，则满足充放电条件；

1-1-2)如果车载电池的温度超出给定的温度范围，则不满足充放电条件；

1-2)判断车载电池的SOC是否在给定的SOC范围内；

1-2-1)如果车载电池的SOC在给定的SOC范围内，则满足充放电条件；

1-2-2)如果车载电池的SOC超出给定的SOC范围，则不满足充放电条件。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3)是通过以下步骤实现的：

3-1)检测外部电源A相和B相的电压；

3-2)计算检测得到的外部电源A相和B相之间的相位差；

3-2-1)当相位差为120±2度时，判断外部电源为三相电源；

3-2-2)当相位差为180±2度时，判断外部电源为单相电源。

11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述步骤4)是通过以下步骤实现的：

4-1)当外部电源为单相电源时，闭合两个并网开关；

4-2)当外部电源为三相电源时，闭合三个并网开关。

12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述步骤5)是通过以下步骤实现的：

5-1)断开所述并联开关；

5-2)开始充电或放电时闭合所述并联开关；

5-3)根据车载电池当前的SOC确定一个充放电的目标充放电功率；

5-4)测量车载电池的当前的电压和充放电电流计算出当前的充放电功率；

5-5)对当前的充放电功率以目标充放电功率为目标进行比例积分调节；

5-6)控制器发出PWM信号控制逆变器进行充放电。

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