CN103904747A - 基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统及其充电方法，充电系统包括功率变换单元、功率因数校正单元、驱动单元、保护与逻辑控制单元、主控单元、人机交互接口、通信接口、存储器；功率变换单元主要用于完成AC/DC和DC/DC变换；功率因数校正单元完成输入侧功率因数校正并实现单位功率因数；驱动单元主要实现驱动脉冲的产生；保护与逻辑控制单元控制驱动单元的信号输出与封锁，实现各故障输出控制和指示；主控单元完成关键算法实现等；通信接口用于电动汽车动力电池管理系统进行通信；人机交互接口用于实现充电信息的显示、用户充电设置。本发明在保障电池寿命和快速充电的同时，实现真正意义上的无损化快速充电。

Description

基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统及其充电方法

技术领域

本发明涉及一种充电系统及其充电方法，特别是涉及一种基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统及其充电方法。

背景技术

选择合适的充电方法可以提高充电效率，延长使用寿命。锂离子电池的充电方法有很多种，常用的充电方法有恒定电流充电法、恒定电压充电法、恒流／恒压充电法、变流充电法（智能充电法）、脉冲充电法等，具体如下：

一，恒定电流充电法是指在充电过程中全程以恒定不变电流进行充电。锂离子电池的充电可接受电流随着充电时间呈指数规律下降，而充电电流保持不变，若充电电流较大，在恒流充电后期可能出现充电电流超过可接受电流而导致电池电解液发生析气反应，但若充电电流太小，就会延长充电时间，降低充电效率.以上两种方法都比较简单，也都有很多不足之处.恒压充电初期电流过大而恒流充电后期电流过大，因此，可采用先恒流后恒压的充电方法以克服这两种方式在这两个阶段的弊端。

二，恒定电压充电法是指在充电过程中以恒定电压对电池进行充电。在充电初期，由于电池电势较低，因此充电电流较大，随着充电过程的进行，电池电势逐渐升高，充电电流逐渐减小。恒压控制系统结构简单，而且充电电流比较接近可接受充电电流，具有一定的自适应性，但在充电初期电流比较大，有可能造成电池温度上升过快，对电池带来不利影响。

三，恒流限压充电法将充电过程分为三个阶段：（1）预充阶段。接通直流电源后，当检测到电池时，充电芯片启动，进入预充过程，在此期间充电控制器以较小的电流给电池充电，使电池电压、温度恢复到正常状态。（2）恒流充电阶段。在充电初期，充电电路以恒定的电流对锂离子电池充电，一般锂电池大多选用标准充电速率.恒流充电时，电池电压将缓慢上升，一旦电池电压达到所设定的终止电压，恒流充电终止，进入恒压充电过程。（3）恒压充电阶段。在恒压充电过程中，充电电流逐渐衰减，当监测到充电电流降到设置值以下，或满充时间超时转入顶端截止充电，此时充电控制器以极小的充电电流为电池补充能量，一般情况下，该过程可以延长电池5～1O的使用时间。这种充电方法中，为避免电流过大，电池温度过高，在恒流阶段，通常采用较小的充电电流进行充电，充电效率仍然不高.为提高充电效率，可采用变流充电法。

四，变流充电法，锂离子电池可接受的充电电流随充电时间呈指数规律下降，若充电电流曲线在电池可接受充电电流曲线以上会导致电池电解液发生析气反应，影响电池寿命。理想化的充电过程是充电电流始终逼近可接受的充电电流值。在充电初期，充电电流较大，效率较高，克服了恒流／恒压充电阶段初期充电电流设置较小的缺点，随着充电继续，充电电流逐步减小，因此，可以将其原有的恒流充电阶段用分段恒流充电的过程来代替，达到提高充电效率。在变流充电阶段，通过对电池状态进行检测，确定起始的电流进行恒流充电，同时对电池状态进行检测，当电池状态达到该恒流充电分段终止标准时，结束该分段，调整电流值，进入下一分段，直至电池状态达到设定的标准时，终止变流充电，进入恒压充电，以确保电池完全充满。变流充电法的主要困难在于确定各阶段恒流充电电流值，选取适当的参数作为阶段恒流充电终止的判断依据。在变流充电法中，通过提高初始阶段的充电电流来实现快速充电的目的。但实际上，充电电流过大会造成电池产生极化现象而缩短寿命。

五，脉冲充电法，在小电流、恒流区和恒压恒流充电方式是一样的，当电池电压达到恒压门限（4.2V）时，脉冲充电模式开始。在脉冲充电过程中，在充电电流大小逼近电池充电可按受电流的基础上，用脉冲电流对电池充电，充电电源间歇性地对电池以恒定电流充电，充电电流时有时无，充电状态和暂停状态相互交替。根据J.A.Mas所提出的理论，目的是消除极化现象。在脉冲区，随着电池逐渐充满，充电时间越来越短，停充时间越来越长，占空比越来越小。当占空比低于5%至10%时，终止充电。脉冲充电方式有正脉冲充电和正负脉冲充电两种方式，在正脉冲充电方式中，正脉冲空闲时间内，电解液中的离子自由扩散，减小了极化的加剧；在正负脉冲充电方式中，正脉冲空闲时间内加上了负脉冲，电解液中的离子受反向作用力向相反方向运动，有效的抑制了极化现象。

以上方法虽然在一定程度上对电池充电技术进行了优化，提高了电池的充电效率，并在不同程度上减少了充电对电池的影响。但是实际中，随着电池在充电过程中的温度升高，其电池充电电流允许曲线是动态变化的，因此，有可能出现充电电流在允许曲线之内，但是此时的电池温度已经不具备充电条件。智能充电是目前比较先进的充电方法，其原理是在整个充电过程中动态跟踪电池可接受的充电电流，应用du/dt技术，即充电电源根据电池的充电状态自动确定充电参数，使充电电流自始至终保持在可接受的最大充电曲线附近，使电池在很少气体析出的状态下快速充满电，缺点是电池在使用一段时间以后，可接受的理想充电曲线会发生变化，其充电参数也需要调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统及其充电方法，其针对当前电动汽车动力电池成组技术不成熟，成组电池寿命较单体电池寿命大大降低，在电池技术还没有实质性突破的当下，结合快速充电技术的理论依据，在现有充电方法的基础上，将电池温度作为一项重要指标，提出一种基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统及其充电方法，在保障电池寿命和快速充电的同时，实现真正意义上的无损化快速充电。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统，其特征在于，其包括功率变换单元、功率因数校正单元、驱动单元、保护与逻辑控制单元、主控单元、人机交互接口、通信接口、存储器；功率变换单元主要用于完成AC/DC和DC/DC变换并将经AC/DC输出的稳定的直流电压变换成电动汽车所需的端电压/电流输出；功率因数校正单元完成输入侧功率因数校正并实现单位功率因数；驱动单元主要实现驱动脉冲的产生，以驱动功率变换单元和功率因数校正单元的开关管的导通与关断；保护与逻辑控制单元控制驱动单元的信号输出与封锁，实现各故障输出控制和指示；主控单元完成关键算法实现、逻辑控制、指令产生和下发、驱动脉冲控制、人机交互控制、通信功能；存储器存储温度下对应的最优充电电流；通信接口用于电动汽车动力电池管理系统进行通信，实现电池信息及充电信息交互；人机交互接口用于实现充电信息的显示、用户充电设置。

优选地，所述功率变换单元、功率因数校正单元都与驱动单元连接，驱动单元与保护与逻辑控制单元连接，保护与逻辑控制单元、人机交互接口、通信接口、存储器都与主控单元连接。

优选地，所述保护与逻辑控制单元由硬件检测电路、CPLD逻辑控制单元构成。

优选地，所述主控单元由单片机及外围电路构成。

本发明还提供一种基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统的充电方法，其包括以下步骤：存储器存储各温度下对应的最优充电电流；主控单元根据不同电池类型，对应存储定期修正的电池温度-无损充电电流曲线；当电动汽车与充电设备建立物理连接后，主控单元通过CAN通信端口与电动汽车电池管理系统进行通信，获取电池基本信息和状态信息；主控单元根据电池当前温度，在存储器内查询该温度下对应的最优充电电流，并与当前电池管理系统提供的允许充电电流进行比对，当最优充电电流大于允许充电电流时，则设定当前充电电流值为允许充电电流值；当最优充电电流小于或等于允许充电电流值时，则设定当前充电电流值为最优充电电流值；充电过程中，主控单元会实时监视电池管理系统发送过来的电池信息，如电池剩余容量达到设定值，或当主控单元接收到用户触发的停止充电指令，或有来自保护与逻辑控制单元的保护信号则自动停止充电。

本发明的积极进步效果在于：本发明在充电曲线和温度曲线有机结合，提出一种基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统及其充电方法，在保障电池寿命和快速充电的同时，实现真正意义上的无损化快速充电。伴随着电动汽车规模化发展，尤其是2014年国外电动乘用车的集中上市（约13款车型将在2014年上市），家用型快速充电装置将具有广阔的市场空间。在快速充电装置均以交流慢充或直流大功率快充（最低30kW）的当下，推出一种适用于家庭使用的、功率可选的、基于温度曲线的基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统及其充电方法将具有良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明基于温度曲线的电动汽车动力电池无损化充电系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统包括功率变换单元、功率因数校正单元、驱动单元、保护与逻辑控制单元、主控单元、人机交互接口、通信接口、存储器，功率变换单元、功率因数校正单元都与驱动单元连接，驱动单元与保护与逻辑控制单元连接，保护与逻辑控制单元、人机交互接口、通信接口、存储器都与主控单元连接；

功率变换单元（主要由IGBT、电容、电感等构成）主要用于完成AC/DC（交流/直流）和DC/DC变换并将经AC/DC输出的稳定的直流电压变换成电动汽车所需的端电压/电流输出；

功率因数校正单元（主要由IGBT、电容、电感等构成）完成输入侧功率因数校正并实现单位功率因数；

驱动单元主要由驱动电源、脉冲隔离单元、驱动芯片、故障反馈单元等构成，实现驱动脉冲的产生，以驱动功率变换单元和功率因数校正单元的开关管的导通与关断；

保护与逻辑控制单元由硬件检测电路、CPLD（Complex ProgrammableLogic Device，复杂可编程逻辑器件）逻辑控制单元构成，其中，硬件检测电路主要包括输入过流检测电路、输出过压/过流检测电路等，检测电路输出信号送至CPLD逻辑控制单元，通过逻辑组合输出，控制驱动单元的信号输出与封锁，实现各故障输出控制和指示；

主控单元由单片机（比如STM32F103型单片机）及外围电路（AD采样电路、PWM输出电路、EEPROM扩展电路、通信接口、IO控制电路等）构成，完成关键算法实现、逻辑控制、指令产生和下发、驱动脉冲控制、人机交互控制、通信等功能；

存储器存储温度下对应的最优充电电流；

通信接口用于电动汽车动力电池管理系统（BMS）进行通信，实现电池信息及充电信息交互；

人机交互接口用于实现充电信息的显示、用户充电设置等功能。

本发明基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统的充电方法包括以下步骤：存储器存储各温度下对应的最优充电电流（电池温度-无损充电电流曲线）；主控单元根据不同电池类型，对应存储定期修正的电池温度-无损充电电流曲线；当电动汽车与充电设备建立物理连接后，主控单元通过CAN通信端口与电动汽车电池管理系统进行通信，获取电池基本信息（电池类型、端电压、总容量、最大充电电流、最高充电电压等）和状态信息（充电允许状态、当前SOC信息等）；主控单元根据电池当前温度（最高单体电池温度、最低单体电池温度），在存储器内查询该温度下对应的最优充电电流，并与当前电池管理系统提供的允许充电电流进行比对，当最优充电电流大于允许充电电流时，则设定当前充电电流值为允许充电电流值；当最优充电电流小于或等于允许充电电流值时，则设定当前充电电流值为最优充电电流值。充电过程中，主控单元会实时监视电池管理系统发送过来的电池信息，如电池剩余容量（SOC）达到设定值，或当主控单元接收到用户触发的停止充电指令，或有来自保护与逻辑控制单元的保护信号则自动停止充电。

本发明结合电池温度曲线和充电特性曲线，根据电池管理系统获取的电池信息，动态调整充电电流，实现对电池的智能快速无损化充电。本发明既融合了智能充电法的快速充电特点，又将电池的温度曲线作为充电电流动态调整指标，在保证了充电快速性的同时，大大提高了对电池寿命的无损化能力。本发明在硬件方面，采用单相不可控整流和PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）技术，在保证了设备性能的基础上，有效控制了设备成本。本发明将功率设定在2kW、6kW两档可选，能够满足用户在地下车库直接为车辆充电。同时，便携式设计也给用户使用提供了便利。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (5)

1.一种基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统，其特征在于，其包括功率变换单元、功率因数校正单元、驱动单元、保护与逻辑控制单元、主控单元、人机交互接口、通信接口、存储器；

功率变换单元主要用于完成AC/DC和DC/DC变换并将经AC/DC输出的稳定的直流电压变换成电动汽车所需的端电压/电流输出；

功率因数校正单元完成输入侧功率因数校正并实现单位功率因数；

驱动单元主要实现驱动脉冲的产生，以驱动功率变换单元和功率因数校正单元的开关管的导通与关断；

保护与逻辑控制单元控制驱动单元的信号输出与封锁，实现各故障输出控制和指示；

主控单元完成关键算法实现、逻辑控制、指令产生和下发、驱动脉冲控制、人机交互控制、通信功能；

存储器存储温度下对应的最优充电电流；

通信接口用于电动汽车动力电池管理系统进行通信，实现电池信息及充电信息交互；

人机交互接口用于实现充电信息的显示、用户充电设置。

2.如权利要求1所述的基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统，其特征在于，所述功率变换单元、功率因数校正单元都与驱动单元连接，驱动单元与保护与逻辑控制单元连接，保护与逻辑控制单元、人机交互接口、通信接口、存储器都与主控单元连接。

3.如权利要求1所述的基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统，其特征在于，所述保护与逻辑控制单元由硬件检测电路、CPLD逻辑控制单元构成。

4.如权利要求1所述的基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统，其特征在于，所述主控单元由单片机及外围电路构成。

5.一种基于温度曲线的电动汽车无损化充电系统的充电方法，其特征在于，其包括以下步骤：

存储器存储各温度下对应的最优充电电流；

主控单元根据不同电池类型，对应存储定期修正的电池温度-无损充电电流曲线；

当电动汽车与充电设备建立物理连接后，主控单元通过CAN通信端口与电动汽车电池管理系统进行通信，获取电池基本信息和状态信息；

主控单元根据电池当前温度，在存储器内查询该温度下对应的最优充电电流，并与当前电池管理系统提供的允许充电电流进行比对，当最优充电电流大于允许充电电流时，则设定当前充电电流值为允许充电电流值；当最优充电电流小于或等于允许充电电流值时，则设定当前充电电流值为最优充电电流值；

充电过程中，主控单元会实时监视电池管理系统发送过来的电池信息，如电池剩余容量达到设定值，或当主控单元接收到用户触发的停止充电指令，或有来自保护与逻辑控制单元的保护信号则自动停止充电。

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