CN102201693A - 一种电动汽车车载充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车车载充电系统，包括车载电池、分别与车载电池连接的单/三相功率变换模块、直流充电装置，充电接触器、信号侦测单元及MCU控制单元。所述直流充电装置中包括升压模块和降压模块可实现将外接直流充电电源通过升压或降压后给车载电池充电。所述单相/三相功率变换模块直接复用具有交直流双向逆变功能的电动汽车车载逆变器。本发明将电动汽车三种充电模式整合在一个车载充电系统中，充电方式灵活可选，可接受外界直流、单相交流、三相交流三种不同的充电电压，且具有四种交流充电模式，可满足目前电动汽车充电方式多样化要求；同时将原车载逆变器部件复用，有效降低成本。

Description

一种电动汽车车载充电系统

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，具体是指一种电动汽车车载充电系统。

背景技术

伴随着日益临近的全球能源危机，节能环保的新能源电动汽车迎来了逐步取代传统燃油汽车的发展机会。然而电动汽车的普及仍然面临着诸多问题，其中一个亟待解决的问题便是车载电池的容量问题。在寻找高能量密度，高安全可靠性的车载能量载体的同时，怎样提高电动汽车的续航里程问题便显得格外重要。在当前配套充电设施尚不完善的情况下，如何使电动汽车兼容多种充电设备及外接电源也是当前研究的一个方向。

多数电动汽车只使用外接商用单相或三相交流电源充电方式，或者只使用电动汽车充电站直流快充电源充电方式，不能实现直流/单相/三相三种充电模式的完全兼容。

发明内容

本发明需解决的问题是提供一种能够兼容多种充电模式的电动汽车车载充电系统及其控制方法。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：

一种电动汽车车载充电系统包括车载电池、单/三相功率变换模块、充电接触器、信号侦测单元及MCU控制单元。其中：

车载电池，作为电动汽车车载充电系统能量接收装置，用于存储驱动电动汽车的能量；

单/三相功率变换模块，与车载电池连接，用于将外接交流单相电源或交流三相电源经过处理后转化为直流电能为车载电池的充电；直流充电装置，与车载电池连接，用于将外界提供的直流电源转换后对车载电池进行充电；

充电接触器，包括单相交流充电接触器、三相交流充电接触器和直流充电接触器，受MCU控制单元用于在不同充电模式下切换外部电源对车载电池充电的能量传输路径；所述直流充电接触器一端与外接直流电源连接，另一端连接直流充电装置；所述三相交流充电接触器一组连接端子与驱动电机连接，对应的另一一组连接端子与三相交流电源连接；所述单相交流充电接触器的一端子与外接单相交流电源一端连接，另一端子及交流电源另一端通过选择三相交流充电接触器连接线路的其中两相与车载电池连接；

信号侦测单元，用于侦测各充电接触器两端及车载电池两端的电压电流信号，并将其传输给MCU控制单元；

MCU控制单元，其根据接收到的侦测单元信号控制各充电接触器、单/三相功率变换模块实现不同充电模式下车载充电系统工作控制。

优选的，所述直流充电装置中包括升压模块和降压模块，所述升压模块和降压模块通过MCU控制单元控制实现将外接直流充电电源通过升压或降压后给车载电池充电。

优选的，所述单相/三相功率变换模块直接复用具有交直流双向逆变功能的电动汽车车载逆变器；所述车载逆变器连接一单刀双掷开关中间端子，单刀双掷开关一接触端子与驱动电机连接，另一接触端子与三相交流充电接触器连接；电动汽车处于行驶工况下，车载逆变器输入端与车载电池连接，输出端与驱动电机连接；电动汽车处于充电工况下，车载逆变器输入端与三相交流电源连接，输出端与车载电池连接。

一种具体的方案为：所述单/三相功率变换模块包括由受控于MCU控制单元的六个开关管组成的三相逆变桥；所述三相逆变桥中每相输入线路上均设有LC滤波器，其中一相输入线路通过受控于MCU控制单元的开关连接LC滤波器实现LC滤波器的接入和断开。

进一步的，所述三相逆变桥中各开关管均采用内部带有反向并联二极管的绝缘栅双极晶体管。这样，使单相交流充电及三相交流充电均具有两种模式可选，即：MCU控制单元可通过控制单相交流充电接触器、三相逆变桥中输入线路上的开关及单/三相功率变换模块实现单相可控整流充电和单相非可控整流充电模式的切换。同样，MCU控制单元还可通过控制单刀双掷开关及单/三相功率变换模块实现三相可控整流充电和三相非可控整流充电模式的切换。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明将电动汽车三种充电模式整合在一个车载充电系统中，充电方式灵活可选，可接受外界直流、单相交流、三相交流三种不同的充电电压，且具有四种交流充电模式，可满足目前电动汽车充电方式多样化要求；同时将原车载逆变器部件复用，有效降低成本。

本发明方案的推广可为电动汽车的发展起到极大的推进作用。

附图说明

图1是所述电动汽车车载充电系统的组成结构示意框图；

图2是所述电动汽车车载充电系统的实施例电路原理示意图；

图3为直流充电装置实施例电路原理示意图；

图4是所述电动汽车车载充电系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了便于本领域的技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明所揭示的电动汽车车载充电系统包括：车载电池、分别与车载电池连接的单/三相功率变换模块、直流充电装置，还包括充电接触器、信号侦测单元及MCU控制单元。

车载电池用于存储驱动电动汽车的驱动电机能量，同时作为电动汽车车载充电器系统能量接收装置。单/三相功率变换模块用于将车载电池的直流电能转换为驱动车载电机的交流电能，同时也作为车载充电系统的一部分，将外接交流单相电源和交流三相电源经过整流、滤波转化为直流电能，为车载电池充电。直流充电装置采用直流-直流转换器，其用于完成电动汽车充电站提供的快充直流电对车载电池的充电，该充电装置内部同时设置升压模块和降压模块，可适用于较宽的输入电压等级，即可通过升压或降压方式给车载电池充电。充电接触器包括单相交流充电接触器、三相交流充电接触器、直流充电接触器，这三种接触器用于在不同的充电模式下提供外部能量对车载电池充电的能量传输路径和通道。信号侦测单元用于侦测充电接触器两端、车载电池相关信号。MCU控制单元用于根据侦测单元接收到的信号控制不同充电模式下车载充电系统工作。MCU控制单元可根据需要选择不同类型的微处理器芯片，如TI公司的C2000系列或Freescale公司系列芯片，优先选用TI公司的芯片TMS320F2808。

本发明所述系统可接受多种充电电压，如直流电源可使用电动汽车充电站或其它专业充电机(柜)提供的快速直流电源(40VDC~700VDC)；交流电源可使用商用交流电源，如单相交流家用电源(85VAC~265VAC)和三相交流电源(110VAC~400VAC)。

如图2所示，具体实施时，单/三相功率变换模块采用由受控于MCU控制单元的开关管Q1-Q6组成的三相逆变桥。三相逆变桥中每相输入线路上均设有LC滤波器，其中一相输入线路通过受控于MCU控制单元的开关SW6连接LC滤波器实现LC滤波器的接入和断开，从而实现单/三相LC滤波器的切换。直流充电接触器如图中可控开关SW1，单相交流充电接触器如图中可控开关SW2，三相交流充电接触器如图中可控开关SW3、SW4、SW5。

信号侦测模块包括用于侦测车载电池电压的第一电压传感器DU1，用于侦测直流充电装置输出电压的第二电压传感器DU2，用于侦测充电直流电流的第一电流传感器DI1，用于侦测交流充电电流的第二电流传感器DI2和第三电流传感器DI3，用于侦测单相交流电源电压的第三电压传感器DU3，用于侦测三相交流电源电压的第四电压传感器DU4和第五电压传感器DU5，用于侦测车载逆变电压的第六电压传感器DU6和第七电压传感器DU7。

上述各传感器均可选用合适参数的传感器，其中，第一电压传感器、第二电压传感器优选直流霍尔电压传感器；第三电压传感器、第四电压传感器、第五电压传感器、第六电压传感器、第七电压传感器优选交流霍尔电压传感器。第二电流传感器、第三电流传感器优选交流霍尔电流传感器。另外，对于车载电池电量SOC数据的获取可通过电池管理单元测量得到。本发明通过上述传感器检测系统电路中各处的电流，传输给MCU控制单元，MCU控制单元依照这些数据作出各种不同的判断进而实现系统控制和系统保护。例如，根据检测到的外接直流电源电压与车载电池电压的关系，进而选择升压模块或降压模块进行直流充电。

如图3为直流充电装置实施例电路示意图。该电路包括与电感L1、L2，二极管D1、D2、电容C1、C2及开关管VT1、VT2。当外接直流电源电压低于车载动力电池电压时，MCU控制开关管VT1开通和关断并控制开关管VT2一直处于直通状态，实现升压充电；当外接直流电源电压高于车载动力电池电压时，MCU控制开关管VT2开通和关断并控制开关管VT1一直处于断开状态，实现降压充电。

如图4，本发明所述系统的充电控制方法即工作方法如下：

（1）当选择外部直流电源充电时，MCU控制单元接收信号传感器DU1、DU2、DI1、DU1侦测到的车载电池电压，DU2传感器侦测直流电源电压，DI1传感器侦测直流充电电流，当满足充电条件时可吸合接触器SW1，然后微处理器MCU控制直流充电电流，当信号侦测电源侦测到车载电池电压或者电量SOC已达到充满标准时，控制直流充电装置停止充电，同时断开SW1，完成直流充电；该直流充电装置的输入电压范围较宽，既可实现外部高压直流电源向车载电池充电，同时还可实现外部低压直流电源向车载高压电池充电，即该直流充电装置是智能型升压/降压充电装置；

（2）若选择单相交流充电，其中包含两种充电方式，一种优选方法是可控单相交流充电方法，该方法通过微处理器MCU控制选择功率变换模块(车载逆变器)的其中两相作为单相交流充电通道。通过微处器单元MCU吸合接触器SW2，并控制机功率变换模块的两相逆变桥臂，比如可选择IGBT或者MOSFET的Q1、Q2、Q3、Q4的通断来实现单相充电，在功率变换模块与外部电源之间由三相LC滤波器L1、L2、L3、C1、C2、C3相连接，在单相交流充电时，同样需选择关闭其中一相LC滤波器，例如关闭L3、C3，可控制SW6断开即可。另一种单相交流充电的方法是不可控单相交流充电方法，该方法不需要微处理单元MCU控制Q1、Q2、Q3、Q4，而只需通过分别反向并联的续流二极管D1、D2、D3、D4便可实现单相整流，功率变换器件的输出端为直流BUS电容，可实现整流电压的滤波，从而实现单相交流充电，该方法同样需要微处理单元MCU在开始充电前吸合SW2，断开SW6，同时需要注意的是，当选择不可控单相交流充电方法时，对单相交流电源电压等级有一定要求，即单相交流电源电压峰值需高于车载电池电压。

（3）若选择三相交流充电，同样包含两种充电方式，一种优选方法是可控三相交流充电方法，该方法通过微处理器MCU控制选择功率变换模块(车载逆变器)的全部三相作为三相交流充电通道。微处器单元MCU将单刀双掷开关SW3、SW4、SW5分别由车载电机端掷向外部三相交流电源端，同时吸合SW6，通过控制功率变换模块的三相逆变桥的上下开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的通断来实现三相交流充电，三相LC滤波器需要同时开通，即接触器SW6需吸合，保证L3、C3通道的畅通；另一种三相交流充电的方法是不可控三相交流充电方法，该方法不需要微处理单元MCU控制Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，而只需通过分别反向并联的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6便可实现不可控三相整流，功率变换器件的输出端为直流BUS电容，可实现整流电压的滤波，从而实现三相交流充电，该方法同样需要微处理单元MCU在开始充电前将单刀双掷开关SW3、SW4、SW5分别由车载电机端掷向外部三相交流电源端，同时吸合SW6，同时需要注意的是，当选择不可控三相交流充电方法时，对三相交流电源电压等级有一定要求，即三相交流电线电压峰值需高于车载电池电压。

本发明未具体介绍的功能模块均可采用现有技术中常用的只要能够实现该功能的电路模块即可，在此不再赘述。

上述实施例为发明实现的优选方案，并非限定性穷举，在相同构思下本发明还可以有其他变换形式，需要说明的是，在不脱离本发明构思前提下，任何显而易见的替换和微小变化均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动汽车车载充电系统，其特征在于,包括：

车载电池，作为电动汽车车载充电系统能量接收装置，用于存储驱动电动汽车的能量；

单/三相功率变换模块，与车载电池连接，用于将外接交流单相电源或交流三相电源经过处理后转化为直流电能为车载电池的充电；

直流充电装置，与车载电池连接，用于将外界提供的直流电源转换后对车载电池进行充电；

充电接触器，包括单相交流充电接触器、三相交流充电接触器和直流充电接触器，受MCU控制单元用于在不同充电模式下切换外部电源对车载电池充电的能量传输路径；所述直流充电接触器一端与外接直流电源连接，另一端连接直流充电装置；所述三相交流充电接触器一组连接端子与驱动电机连接，对应的另一一组连接端子与三相交流电源连接；所述单相交流充电接触器的一端子与外接单相交流电源一端连接，另一端子及交流电源另一端通过选择三相交流充电接触器连接线路的其中两相与车载电池连接；

信号侦测单元，用于侦测各充电接触器两端及车载电池两端的电压电流信号，并将其传输给MCU控制单元；

MCU控制单元，其根据接收到的侦测单元信号控制各充电接触器、单/三相功率变换模块实现不同充电模式下车载充电系统工作控制。

2.根据权利要求1所述的电动汽车车载充电系统，其特征在于，所述直流充电装置中包括升压模块和降压模块，所述升压模块和降压模块通过MCU控制单元控制实现将外接直流充电电源通过升压或降压后给车载电池充电。

3.根据权利要求2所述的电动汽车车载充电系统，其特征在于，所述单相/三相功率变换模块直接复用具有交直流双向逆变功能的电动汽车车载逆变器；所述车载逆变器连接一单刀双掷开关中间端子，单刀双掷开关一接触端子与驱动电机连接，另一接触端子与三相交流充电接触器连接；电动汽车处于行驶工况下，车载逆变器输入端与车载电池连接，输出端与驱动电机连接；电动汽车处于充电工况下，车载逆变器输入端与三相交流电源连接，输出端与车载电池连接。

4.根据权利要求3所述的电动汽车车载充电系统，其特征在于，所述单/三相功率变换模块包括由受控于MCU控制单元的开关管Q1-Q6组成的三相逆变桥。

5.根据权利要求4所述的电动汽车车载充电系统，其特征在于，所述三相逆变桥中每相输入线路上均设有LC滤波器，其中一相输入线路通过受控于MCU控制单元的开关（SW6）连接LC滤波器实现LC滤波器的接入和断开。

6.根据权利要求5所述的电动汽车车载充电系统，其特征在于，所述三相逆变桥中各开关管均采用内部带有反向并联二极管的绝缘栅双极晶体管；MCU控制单元通过控制单相交流充电接触器（SW2）、三相逆变桥中输入线路上的开关（SW6）及单/三相功率变换模块实现单相可控整流充电和单相非可控整流充电模式的切换。

7.根据权利要求6所述的电动汽车车载充电系统，其特征在于，MCU控制单元通过控制单刀双掷开关（SW3，SW4，SW5）及单/三相功率变换模块实现三相可控整流充电和三相非可控整流充电模式的切换。

8.根据权利要求2所述的电动汽车车载充电系统，其特征在于，所述直流充电装置包括电感L1、L2，二极管D1、D2、电容C1、C2及开关管VT1、VT2；当外接直流电源电压低于车载动力电池电压时，MCU控制开关管VT1开通和关断并控制开关管VT2一直处于直通状态，实现升压充电；当外接直流电源电压高于车载动力电池电压时，MCU控制开关管VT2开通和关断并控制开关管VT1一直处于断开状态，实现降压充电。

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