CN105480103A - 高电压电池非车载充电器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种高电压电池非车载充电器。一种车辆充电系统包括充电器和连接器，所述充电器被配置为从外部电源接收电力。所述连接器被配置为从所述充电器接收电力，并经由高电压电缆将接收到的电力传输至车辆。所述电缆被配置为将所述连接器连接至车辆电池。所述充电器和所述连接器中的每个包括高电压互锁回路(HVIL)，所述高电压互锁回路被配置为当在所述HVIL的一对端口上识别出预定的电压差时使所述充电器停止电力传输。

Description

高电压电池非车载充电器
技术领域
本公开涉及用于车辆的高电压电池非车载充电器。
背景技术
混合动力车辆可具有两种能量源，包括燃料源和电池源。高电压电池可被用于提供足够的电力，以启动车辆的发动机。燃料源可在电池的荷电水平降到特定阈值以下时进而对电池进行充电。当在车辆中发生故障时，电池电荷可在车辆试图启动期间被消耗。当电池荷电状态非常低时，电池可能需要被更换。然而，高电压电池可能没有故障，且对于生产商、经销商和消费者来说，更换该高电压电池可能导致不必要的成本。
发明内容
一种车辆非车载充电器包括充电器组件和网关，所述充电器组件从外部电源接收电力并将接收到的电力传输至车辆，所述网关经由车辆连接与所述车辆进行通信，从车辆控制器接收控制器局域网络(CAN)信息，并响应于指示充电完成或故障被检测到的控制器局域网络信息，停止所述充电器组件的电力传输。
一种用于车辆的非车载充电器包括网关控制器，所述网关控制器与车辆电池控制器和所述充电器的充电器组件进行通信。所述网关控制器从所述车辆接收电池信息，响应于所述电池信息而将恒定电压请求发送至所述充电器组件，从所述电池控制器接收电池接触器状态，响应于指示接触器闭合的电池接触器状态而将电流指令发送至所述充电器组件，从所述电池控制器接收电池荷电信息，并响应于指示电池充电完成的所述电池荷电信息而将零电压消息发送至所述电池控制器。
一种用于车辆的非车载充电器包括：网关控制器，被配置为：与车辆电池控制器和所述充电器的充电器组件进行通信，以从所述车辆接收电池信息，响应于所述电池信息而将恒定电压请求发送至所述充电器组件，从所述电池控制器接收电池接触器状态，响应于指示接触器闭合的电池接触器状态而将电流指令发送至所述充电器组件，从所述电池控制器接收电池荷电信息，响应于指示电池充电完成的所述电池荷电信息而将零电压消息发送至所述电池控制器。
根据本发明的一个实施例，所述网关还被配置为：基于接收到的电池荷电信息来检测故障条件。
根据本发明的一个实施例，所述故障条件包括：与所述车辆电池控制器失去通信、与充电器组件失去通信、充电例程超时、无效的充电电流或无效的充电器输出电压。
根据本发明的一个实施例，所述网关还被配置为：检测无效的充电条件，所述无效的充电条件包括：充电器未准备好的指示、无效的充电例程进入条件或车辆未停车的指示。
根据本发明的一个实施例，所述电池信息指示多个进入条件被满足。
根据本发明的一个实施例，所述多个进入条件包括以下指示：车辆处于停车位置、电池电压在预定义范围内或者所述电池无故障。
根据本发明的一个实施例，所述网关还被配置为：响应于指示电池充电完成的所述电池荷电信息而指示所述电池控制器断开电池接触器。
一种车辆充电系统包括充电器和连接器，所述充电器从外部电源接收电力，所述连接器从所述充电器接收电力并经由高电压电缆将接收到的电力传输至车辆。所述电缆被配置为将所述连接器连接至车辆电池。所述充电器和所述连接器中的每个包括高电压互锁回路(highvoltageinterlockloop，HVIL)，所述高电压互锁回路当在所述高电压互锁回路(HVIL)的一对端口上识别出预定的电压差时使所述充电器停止电力传输。
根据本发明，一种车辆充电系统包括：充电器，被配置为从外部电源接收电力，连接器，被配置为从所述充电器接收电力，并经由高电压电缆将接收到的电力发送至车辆，其中，所述电缆被配置为将所述连接器连接至车辆电池，并且其中所述充电器和所述连接器中的每个包括高电压互锁回路(HVIL)，所述高电压互锁回路被配置为当在所述高电压互锁回路的一对端口上识别出预定的电压差时使所述充电器停止电力传输。
根据本发明的一个实施例，所述预定的电压差指示未就位(seated)的连接。
根据本发明的一个实施例，所述系统还包括第二高电压电缆，所述第二高电压电缆被配置为将电力从所述连接器传输至车辆连接器上的车辆电池，其中，所述车辆连接器包括另一高电压互锁回路。
根据本发明的一个实施例，对在任意一个高电压互锁回路上的预定的电压差的识别使所述充电器停止电力传输。
附图说明
结合权利要求中的特征指出了本公开的实施例。然而，通过结合附图参照下面详细的描述，各种实施例的其他特征将变得更加清楚并且将被更好地理解，附图中：
图1示出了高电压充电系统；
图2示出了充电系统的框图；
图3示出了用于充电系统的充电处理的顺序流；
图4示出了用于充电系统的非车载充电器；
图5示出了用于充电处理的流程图。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，其中，本发明可以以各种替代形式来实现。附图不必按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。
当车辆电池的荷电状态非常低时，电池可能不能够启动车辆。通常，这会导致维修人员和技术人员更换电池。然而，更换电池将是昂贵且耗费时间的。在此描述的是具有控制器局域网络(CAN)功能的非车载电池充电器。这种CAN功能可允许充电器与车辆内的电池能量控制模块(BECM)进行通信以获得电池信息，并通过发送和接收诊断消息来自动地启动和停止充电。
充电器可能能够通过与电池控制器和电动车辆供电设备(EVSE)进行接口连接，在充电期间检测和显示充电系统故障。此外，充电器可实现高电压互锁回路(HVIL)。充电器可提供通用的、用户友好的装置，所述装置减少了电池更换的次数和频率，从而节约时间、金钱并且减少环境影响。
图1示出了用于混合动力车辆的高电压充电系统100。系统100可包括车辆105内的高电压电池115。高电压电池115可包括电池组，并且可存储由车辆105的电动马达使用的能量。电池115可提供高电压DC输出。电池115可包括接触器(未示出)，以下被称为主接触器。主接触器由电池控制器185来控制，以接通或断开来自车辆的高电压DC输出。电池115可被电连接至电动马达，并且可在电池115和马达之间提供双向传输能量的能力。例如，典型的电池115可提供DC电压，而电动马达可能需要三相AC电流来运转。除了提供用于推进的能量之外，电池115还可为其它车辆电气系统提供能量。
电池控制器185可包括处理器和存储器，并可控制和监测电池115的性能(比如电池荷电状态(SOC)、电池电流、电池温度以及电池电压)。控制器185还可断开或闭合电池115内部的主接触器，以禁用或启用来自电池115的电力流。在服务期间，电池控制器185还可使用控制器局域网络(CAN)通信经由OBD连接器239和车载诊断(OBD)电缆130将电池数据发送至充电器152并且接收来自充电器152的诊断请求信息。在一些示例中，电池控制器185可以是电池能量控制模块(BECM)。
车辆控制器120可包括处理器和存储器。车辆控制器120可包括高电压连接器(在图2中示出的端口)，其中，所述高电压连接器包括用于从电池115接收高电压的高电压端口，以及用于检测高电压互锁回路开路故障的HVIL端口。在一些示例中，车辆控制器120可以是逆变控制器、DC转换器等。在对高电压电池115充电的服务期间，高电压连接器121(在图2中示出)从车辆控制器120断开连接并且连接至充电器连接器150，其中，高电压连接器121比电池连接器222更容易接入。
充电器152可包括：车载诊断(OBD)电缆130，用于将充电器152连接至电池控制器185以方便CAN通信。充电器152可包括显示器405(在图4中示出)，显示器405被配置为将诊断信息呈现给技术人员110。该信息可包括从电池控制器185接收或由充电器152检测到的充电信息或电池信息。这样的数据可包括充电系统的充电电流、电池115的荷电状态、充电状态、故障信息等。数据或指令可被显示在充电器152上。显示器405可以是集成的屏幕。显示器405还可被包括在独立装置(比如计算机、平板电脑或其它装置)中。显示器还可以是诸如扬声器的音频输出。
充电器152可被配置为经由充电器的高电压电缆181和HVIL电缆176与充电器连接器150进行接口连接，并且经由EVSE电缆162与电动车辆供电设备(EVSE)156进行接口连接。充电器152可将从EVSE156接收的AC电力转换为DC电力。DC电力在充电期间经由高电压电缆180和181传输至电池115。如在图2中详细讨论的，充电器152还可检测并响应于高电压互锁回路开路故障。
尽管在此描述了由技术人员110管理充电器152，但是充电系统100还可由其它受过高电压培训的人员操作，例如经销商、修理人员等。
电动车辆供电设备(EVSE)156被用于连接充电器152和电力网。它可以与充电器152进行握手，以将AC电力连接至充电器152。
连接器150可以是被配置为经由充电器的高电压电缆181和HVIL电缆176与充电器152进行接口连接的装置。连接器150转而可经由高电压电缆180连接至电池115，并且经由HVIL电缆175连接至车辆高电压互锁回路。
图2示出了充电系统100的框图。充电系统100包括充电器套件(kit)及其到车辆105和EVSE156的连接。充电器套件包括非车载充电器152、高电压电缆及其连接器150、OBD电缆及其连接器238、EVSE连接器212。以上在图1中讨论了充电器套件与EVSE156之间的连接以及充电器套件与车辆105之间的连接。
充电器152可包括若干组件，以方便现有的EVSE系统和其它车辆系统以及与现有的EVSE系统和其它车辆系统进行集成。充电器152可包括充电器组件204、用于对充电器组件204进行空气冷却的风扇210、网关控制器218、AC/DC电力供应224、主开关226以及用于方便充电器连接的一些连接器(EVSE连接器212、OBD连接器236和高电压连接器216)。
充电器组件204可包括用于从充电器的EVSE连接器212接收输入的EVSE连接器206。连接器212和206之间的EVSE电缆242和244被实现为符合J1772标准，以有助于EVSE156和充电器组件204之间的握手。EVSE连接器212在电池充电期间被连接至EVSE156。
充电器组件204可包括组件高电压连接器214，其中，所述组件高电压连接器214经由可选连接器216连接至充电器的连接器150。连接器214和150之间的电缆可以足够长以使充电器的连接器150可被连接至车辆的HV连接器121。组件HV连接器214可包括用于通过高电压电缆180将电力从充电器组件204传输至电池115的高电压端口。组件HV连接器214还可包括HVIL端口，所述HVIL端口被充电器组件204用于检测高电压互锁回路开路故障。
充电器组件204还可包括组件电力连接器220。组件电力连接器220可包括用于与电池控制器185和网关控制器218进行通信的由充电器组件204使用的一对CAN端口。组件电力连接器220还可包括用于从AC/DC电力供应224接收电力以对充电器组件204上电的电力端口(VBatt和VPWR)。
AC/DC电力供应224可将来自电力输出口145的AC电力转换为DC电力，以对充电器组件204、网关控制器218和冷却风扇210上电。开关226可被布置为接通或切断电源224。
网关控制器218可被配置为经由OBD连接器236与充电器组件204和电池控制器185通信。网关218可从电池控制器185接收电池信息，并且可通过请求充电器组件204传输期望的充电电流和电压来控制充电。网关218还可经由被包括在充电器152中的显示器405向技术人员110呈现和/或显示从充电器组件204和电池控制器185接收的充电信息和/或故障信息。网关218还可向电池控制器185发送诊断请求消息，以进入诊断充电例程。详细的充电顺序在图4中被示出。
在此描述的高电压互锁回路(HVIL)是低电压电路，所述低电压电路可允许低电压在充电器152和车辆105内部的若干个高电压连接器之间传输。如在图1中所示出的，在充电服务期间，充电器的OBD连接器238被连接至车辆105，且高电压连接器121从车辆控制器120断开连接并被连接至充电器的连接器150。HVIL现在可包括在车辆105内部的部分以及在充电器152内部的部分。当电路电线没有故障并且在车辆内部的那些高电压连接器完全就位(seated)时，从车辆的HV连接器121来看，在车辆侧的HVIL是闭合的。在充电器侧的HVIL包括第二HVIL电缆176和177以及充电器高电压连接器216、充电器连接器150、充电器组件204上的组件HV连接器214。如果所有这些高电压连接器都被完全就位并且电路电线没有故障，则充电器侧的HVIL是闭合的。当高电压互锁回路闭合时，由充电器组件204在连接器214的HVIL+和HVIL-上测量的电压水平是相同的并且在预期范围内。如果有任何高电压连接器(即，连接器214、216、150和121)断开，则由充电器组件204在连接器214的HVIL+和HVIL-上测量的电压水平将是不同的或者不在预期的预定义范围内，因此充电器组件204可检测到HVIL开路故障。例如，如果连接器的HVIL+和HVIL-上的电压水平相差大于2V，则HVIL可检测到开路故障。
当充电器组件204检测到高电压互锁开路故障时，其停止输出DC电力，并且将高电压互锁开路故障发送至网关控制器218。网关控制器218随后将退出充电服务例程的请求发送至电池控制器185。电池控制器185首先通过断开电池115内部的主接触器来停止电池115的输出，然后退出充电服务例程。
图3示出了用于充电系统100的处理300，其中，所述充电系统100包括电池控制器185、网关控制器218和充电器组件204。
在充电系统初始化设置之后(例如，将充电器连接器150连接至车辆连接器121、将EVSE156连接至充电器152以及将充电器的OBD连接器238连接至车辆105、将充电器的AC/DC电力供应224连接至电力输出口145)，车辆105被启动并且电池控制器185被上电。在主开关226(在图2和图4中示出)闭合之后，充电器组件204和网关218被上电。在步骤310，网关218可确定CAN通信是否从电池控制器185和充电器组件204被接收到。如果网关218检测到与电池控制器185或充电器组件204失去通信，则网关218可在显示器405上利用失去通信的消息来通知技术人员110，并且停止处理300。否则，处理300可进行步骤315。
在步骤315，网关218可将请求发送到充电器组件204，以停止DC电力输出。这一请求可包括用于传输为0A的电流的指令。
在步骤320中，网关218可确定电池信息是否指示电池115需要被充电。网关218可基于从电池控制器185接收到的电池SOC或电池组电压是否超过预定义的充电完成值来确定电池信息的这一指示。如果网关218确定电池115不需要充电，则网关218可在显示器405上显示充电完成的消息，并且处理300可停止。网关218还可经由从充电器组件204接收的CAN消息确定充电器组件204是否准备好充电。如果充电器组件204没有准备好充电(比如充电器组件204还没有接收到AC电力)，则网关218可在显示器405上显示充电器没有准备好的消息，并且处理300可停止。否则，处理300可进行步骤325。
在步骤325中，网关218可将诊断请求发送至电池控制器185，从而请求电池控制器185进入充电服务例程。在步骤330，如果所有的进入条件都被满足，则电池控制器185可返回正响应。该进入条件可包括但不限于(1)电池组电压在预定义充电范围内(比如大于允许的最小电池组电压，并且小于预定义充电完成电压)；(2)电池控制器185没有与网关218失去通信；(3)车辆的挡位在停车位置；(4)除了由电池过度放电引起的故障(比如低电池SOC故障或低电池电压故障)之外，电池控制器185没有阻止闭合电池115内的主接触器的故障。如果所有充电例程的进入条件都被满足，则在步骤330，电池控制器185进入充电例程并且向网关218发送正响应。否则，电池控制器185返回负响应，并且网关218在显示器405上显示充电失败信息，并且停止处理300。
在332，网关218可将诊断消息发送至电池控制器185，以请求电池控制器185清除诊断故障代码(DTC)。电池控制器185可首先禁用由电池115过度放电引起的特定DTC(比如电池电压或SOC过度放电的DTC)。这些DTC可使得电池控制器通过断开电池115内的主接触器来断开高电压电缆。为了对高电压电池115进行充电，这些代码应该被禁用，以便这些代码不干涉服务处理。然后，BECM185可清除被设置的DTC，并以正响应返回到网关218。
在步骤335，在从电池控制器185接收到正响应之后，网关218可将恒定电压充电请求发送至充电器组件204。所述请求可包括充电器组件204传输与电池组电压匹配的输出电压的请求。所述请求还可包括电力输出的请求(比如0.1A的充电电流)。这样的请求可使得总线电压(即，由电池控制器185在车辆总线上测量的电池组电压)上升以与电池组电压相匹配。当电池控制器185检测到总线电压与电池组电压相匹配时，电池控制器185闭合电池115内部的主接触器。
在步骤345，网关218可检查从电池控制器185接收到的主接触器状态，并且监测充电空闲计时器是否超时。如果时间长度已经被超过，则充电空闲计时器可能超时。即，如果充电例程已经以超过预定义时间长度的方式被运行，则充电空闲计时器可能超时。在这一情况下，处理300可停止，并且网关185可指示显示器405显示充电失败的空闲超时消息，并且进行步骤370。如果充电空闲计时器没有超时并且在步骤348主接触器被闭合，则处理300进行步骤350。
在步骤350，网关218可指示充电器组件204使用恒定电流充电方法对电池115充电。用恒定电流充电方法对电池115充电的一个示例是请求充电器组件204传输比充电完成电压高出5V的输出电压和5A的充电电流。
在355，网关218可经由CAN通信持续监测从电池控制器185和充电器组件204接收到的信息以确定充电是否完成，或者特定的定义的故障是否被检测到，或者充电计时器是否已经超时，或者电池控制器185是否退出充电例程。如果这些充电条件中的任意一个为真，则处理进行步骤370。充电完成的一个示例是电池115的电池组电压达到与50％SOC对应的电压。如果特定的电池故障被检测到(比如充电电流比预期的电流高或电池单元的温度过高)，则电池控制器185可断开电池115内部的主接触器并退出充电服务例程。在通过发送充电服务例程状态请求的报告进入充电例程之后，网关218可周期性地检查电池控制器185是否处于充电例程中。如果处于充电服务例程则电池控制器185可以以正响应来响应，或者如果没有处于充电服务例程，则电池控制器185可以以负响应来响应。以上描述的进入条件可与充电条件类似，但是不是在启动充电例程之前检查充电条件，充电条件可在该例程期间被持续检查。
在370，网关218可向充电器组件204发送指令，以请求充电器组件204通过输出零电力来停止充电。
在步骤375，网关218可指示电池控制器185退出充电例程。电池控制器185可在380首先断开电池115内部的主接触器，然后向网关218发送充电例程退出的响应，最后退出充电服务例程。当电池控制器退出充电服务例程时，所有的DTC检测应该被重新启用。
在充电例程期间的不同时间，网关218可经由显示器405向技术人员110呈现充电信息。该信息的示例在以下表1中被列出。
警告:
电池控制器失去CAN通信
充电器组件失去CAN通信
由电池控制器检测到充电故障
由充电器组件检测到充电故障
充电器未准备好充电
电池控制器不能进入充电例程
充电电流与请求值不匹配
在充电期间总线电压与电池组电压不匹配
充电信息:
正在充电
充电_完成
表1
图4示出了根据一个实施例的用于充电系统的非车载充电器152。充电器152可包括用于向技术人员110显示信息的显示器405。该显示器可包括屏幕以及输入按钮。屏幕可以是被配置为接收用户输入的触摸屏幕。如以上所描述的，充电器还可包括被配置为激活充电器组件204和网关218的主开关226。充电器152还可容纳充电器HV电缆181、EVSE电缆162和OBD电缆130。充电器152可包括用于连接到电力输出口145的电力供应电缆155(在图2中示出)。
充电器152还可包括指示器，所述指示器被配置为指示充电器152何时在使用。即，指示器可指示充电器152何时在充电例程中正在运行。指示器可被包括在显示器405中，其中，所述显示器405呈现指示充电例程正在运行的消息或图像。指示器还可包括发光二极管，所述发光二极管被配置为在使用期间进行照明。
图5示出了用于在充电服务例程期间的电池充电程序的处理500。
在方框505，电池185可增加例程空闲计时器。在方框510，电池控制器185可通过比较测量的总线电压和电池组电压，来确定充电器152是否已经为总线电压充电以达到电池组电压。电池组电压可以是测量的电压。如以上针对步骤335所描述的，网关218可请求充电器组件对总线电压充电。在此期间，电池控制器185比较测量的总线电压和电池组电压。如果总线电压达到电池组电压，则处理500可进行方框515。否则，处理500可进行方框520。
在方框520，电池控制器185可检测例程空闲计时器是否超时。如果超时，则处理500可进行方框521。否则，处理500可进行方框505。在方框521，电池控制器可首先启用所有故障检测，然后退出该充电例程。当网关218发送充电状态请求消息时，电池控制器185将发送具有充电空闲时间过长的指示的负响应消息。
在方框515，电池控制器185可闭合主接触器(与图3中的步骤348类似)。在方框525，电池控制器185可验证充电是否完成。充电完成的一个示例是电池组电压达到50％电池SOC下的电压。如果充电完成，则处理500进行方框530。否则，处理500进行方框535。
在方框530中，电池控制器185可断开主接触器，以充电通过结果退出该充电例程(与图3的步骤380和步骤385类似)。处理500随后可结束。
在方框535，电池控制器185可确定特定的条件(即，故障或无效充电条件)是否已经被检测到或充电计时器是否已经超时。如果特定的条件被识别或充电计时器超时，则处理500进行方框545。否则，处理500进行方框555。
在方框545中，当检测到特定的条件或充电计时器超时，电池控制器185可首先断开电池115内部的主接触器，然后启用所有故障检测(例如，电池过度放电的故障(比如，当在图3中的步骤330进入充电例程时被禁用的过度放电的电池SOC和电池电压)被重新启用)，并最终退出该充电例程。处理500随后可结束。
在方框555，电池控制器185增加充电计时器。处理500在该充电例程中继续，直到充电完成、或者特定的条件被检测到、或者充电计时器超时为止。
因此，在此描述了包括非车载充电器的高电压充电系统。网关控制器与电池控制器通信以获得电池信息，并指示充电器组件和电池控制器自动执行充电。自动充电和故障检测可使非车载充电器更加方便用户。即使当电池单元电压比正常运行范围低得多时，所公开的充电例程仍可在充电期间启用故障检测。该功能可延长电池贮藏寿命以及提高目前的成品(off-shelf)充电器的充电能力。
虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意在描述本发明的所有可能形式。更确切地，说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。此外，可将各种实现的实施例的特征进行组合以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (9)

1.一种车辆非车载充电器，包括：
充电器组件，被配置为从外部电源接收电力并将接收到的电力传输至车辆；
网关，被配置为：经由车辆连接与所述车辆进行通信；从车辆控制器接收控制器局域网络信息；并响应于指示检测到充电完成或故障的所述控制器局域网络信息，停止所述充电器组件的电力传输。
2.如权利要求1所述的充电器，还包括：高电压连接器，被配置为经由高电压电缆和高电压互锁回路电缆连接至所述车辆。
3.如权利要求1所述的充电器，还包括：电动车辆供电设备连接器，被配置为从电动车辆供电设备接收交流电力，其中，所述充电器组件被配置为将接收到的交流电力转换为直流电力。
4.如权利要求1所述的充电器，其中，所述网关被配置为经由车载诊断电缆接收所述控制器局域网络信息，所述车载诊断电缆被配置为连接所述网关和所述车辆控制器。
5.如权利要求1所述的充电器，还包括：开关，用于对所述网关和所述充电器组件上电。
6.如权利要求5所述的充电器，还包括：电力供应端口，被配置为在所述开关激活时从所述外部电源接收电力。
7.如权利要求5所述的充电器，还包括：风扇，用于冷却所述充电器组件。
8.如权利要求1所述的充电器，还包括：显示器，被配置为呈现从所述网关接收到的信息。
9.如权利要求1所述的充电器，其中，所述充电器组件包括高电压互锁回路，所述高电压互锁回路被配置为：响应于在所述高电压互锁回路的一对端口上识别出预定的电压差而停止所述电力传输。
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