CN105691219B

CN105691219B - 车辆充电系统

Info

Publication number: CN105691219B
Application number: CN201510932961.0A
Authority: CN
Inventors: 胡安·洛佩兹; 诺恩都·G·巴苏基亚斯
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2019-08-30
Anticipated expiration: 2035-12-15
Also published as: DE102015015719A1; US20160167535A1; US9656560B2; CN105691219A

Abstract

本公开涉及一种车辆充电系统。一种车辆包括通过充电端口连接至外部充电器的牵引电池。牵引电池具有最大充电电流。充电器和牵引电池之间的至少一个导电元件被构造为具有小于最大充电电流的持续额定电流。车辆充电系统内的控制器被配置为控制电流流经导电元件，使得传导大于持续额定电流的电流持续小于预定时间的时间，所述预定时间基于导电元件的预期的温度升高。

Description

车辆充电系统

技术领域

本申请总体上涉及为车辆电池充电。

背景技术

电动车辆和插电式混合动力车辆包括牵引电池以为推进和附加负载提供动力。为了有效运行，当电池的荷电状态低于阈值时，牵引电池必须充电。连接至外部电源的充电器可被连接至车辆用于为牵引电池充电。充电器可连接至车辆的充电端口。在充电期间，充电器可向牵引电池提供最大的电池充电电流。车辆内的导电元件被设计为在导电元件的温度不高于预定温度的情况下无限期地传导最大的电池充电电流。

发明内容

一种车辆充电系统，包括导电元件，所述导电元件被构造为将充电器连接至牵引电池，并具有低于最大的充电电流的持续额定电流。车辆充电系统还包括控制器，所述控制器被配置为控制电流流经所述导电元件，使得传导大于所述持续额定电流的电流的时间小于预定时间，所述预定时间是基于由所述电流引起的所述导电元件的预期的温度升高的。所述导电元件可以是具有预定横截面积的导体。所述导电元件可以是连接器插脚或连接器端子。所述导电元件可包括焊接的末端或压接的末端。所述预定时间可随着电流增大而减少。所述预定时间可被选择以将所述导电元件的温度升高限制为低于相对于环境温度的预定温度升高。所述预定时间还可基于所述导电元件的横截面积。所述控制器还可被配置为在所述预定时间后减小电流。所述电流和所述预定时间可从充电电流曲线中选择。所述充电电流曲线可包括多个充电电流和相关联的时间值，所述多个充电电流和相关联的时间值被配置为将所述导电元件的温度限制为低于预定温度。

一种车辆，包括：牵引电池；导电元件，被构造为将充电端口连接至牵引电池，并具有低于最大充电电流的持续额定电流；控制器。所述控制器被配置为控制电流流经所述导电元件，使得传导大于所述持续额定电流的电流持续小于预定时间的时间，所述预定时间是基于所述导电元件的预期的温度升高的。所述导电元件可以是具有预定横截面积的导体。所述导电元件可以是连接器插脚或连接器端子。所述预定时间可随着电流增大而减少。所述预定时间可被选择以将所述导电元件的温度升高限制为低于相对于环境温度的预定温度升高。所述预定时间还可基于所述导电元件的横截面积。所述控制器还可被配置为在所述预定时间后减小电流。

一种方法，包括通过导电元件将牵引电池连接至外部电源，所述导电元件具有低于所述牵引电池的最大充电电流的持续额定电流。所述方法还包括由控制器控制电流流经所述导电元件，使得传导大于所述持续额定电流的电流持续小于预定时间的时间，所述预定时间基于所述导电元件的预期的温度升高。所述预定时间可被选择以将所述导电元件的温度升高限制为低于相对于环境温度的预定温度升高。控制电流流动还可包括在所述预定时间后减小电流。

根据本发明，提供一种车辆，包括：牵引电池；导电元件，被构造为将充电端口连接到牵引电池，并具有小于最大充电电流的持续额定电流；控制器，被配置为控制电流流经导电元件使得大于持续额定电流的电流被传导持续小于预定时间的时间，所述预定时间是基于导电元件的预期的温度升高的。

根据本发明的一个实施例，导电元件是具有预定横截面积的导体。

根据本发明的一个实施例，导电元件是连接器插脚或连接器端子。

根据本发明的一个实施例，预定时间随着电流增加而减小。

根据本发明的一个实施例，选择预定时间以将导电元件的温度升高限制为小于相对于环境温度的预定的温度升高。

根据本发明的一个实施例，预定时间还是基于导电元件的横截面积的。

根据本发明的一个实施例，控制器还被配置为在所述预定时间后减小电流。

根据本发明，提供一种方法，包括：通过导电元件将牵引电池连接到外部电源，所述导电元件具有小于牵引电池的最大充电电流的持续额定电流；通过控制器控制电流流经导电元件，使得大于持续额定电流的电流被传导持续小于预定时间的时间，所述预定时间是基于导电元件的预期的温度升高的。

根据本发明的一个实施例，选择所述预定时间以将导电元件的温度升高限制为小于相对于环境温度的预定的温度升高。

根据本发明的一个实施例，控制电流流动包括在预定时间后减小电流。

附图说明

图1是示出传统动力传动系统和能量存储组件的混合动力车辆的图。

图2是由电池能量控制模块监测和控制的并包括多个电池单元的示例性电池包布置的图。

图3是示出充电端口和牵引电池之间的示例性连接的图。

图4A是示出使用压接连接的示例性的插脚/端子连接系统的图。

图4B是示出使用焊接或锡焊接头的示例性的导体连接系统的图。

图5是示出示例性充电电流曲线的曲线图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种和替代的形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式采用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的各种特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征进行组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定应用或实施方式。

图1描述了典型的插电式混合动力电动车辆(PHEV)。典型的插电式混合动力电动车辆12可包括机械地连接至混合动力传动装置16的一个或更多个电机14。电机14能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置16机械地连接至发动机18。混合动力传动装置16还被机械地连接至驱动轴20，驱动轴20机械地连接至车轮22。电机14能在发动机18开启或关闭时提供推进和减速能力。电机14还可用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动系统中通常作为热损失掉的能量来提供燃料经济效益。电机14还可通过允许发动机18以更有效的速度运行并允许混合动力电动车辆12在特定状况下以发动机18关闭的电动模式运行而减少车辆排放。

牵引电池或电池包24储存可被电机14使用的能量。车辆电池包24通常提供高电压DC输出。牵引电池24电连接至一个或更多个电力电子模块26。一个或更多个接触器42可在断开时将牵引电池24与其它组件隔离，并且在闭合时将牵引电池24连接到其它组件。电力电子模块26还电连接至电机14，并提供在牵引电池24和电机14之间双向传输能量的能力。例如，典型的牵引电池24可提供DC电压，而电机14可使用三相交流(AC)电来运转。电力电子模块26可将DC电压转换为电机14使用的三相AC电。在再生模式下，电力电子模块26可将来自用作发电机的电机14的三相AC电转换为与牵引电池24兼容的DC电压。这里的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力传动装置16可以是连接至电机14的齿轮箱，并且发动机18可以不存在。

除了提供用于推进的能量之外，牵引电池24还可为其它车辆电力系统提供能量。典型的系统可包括DC/DC转换器模块28，DC/DC转换器模块28将牵引电池24的高电压DC输出转换成与其它车辆负载兼容的低电压DC供应。其它高电压负载46(诸如，压缩机和电加热器)可以在不使用DC/DC转换器模块28的情况下直接连接至高电压。低电压系统可被电连接至辅助电池30(例如，12V电池)。

车辆12可以是电动车辆或插电式混合动力车辆，其中，牵引电池24可由外部电源36进行再充电。外部电源36可以连接到接收公用电源的电源插座。外部电源36可电连接至电动车辆供电设备(EVSE)38。EVES 38可提供电路和控制以调节和管理电源36与车辆12之间的能量传输。外部电源36可向EVSE 38提供DC或AC电力。EVSE 38可具有充电连接器40，充电连接器40插入车辆12的充电端口34。充电端口34可以是被配置为从EVSE 38向车辆12传输电力的任意类型的端口。充电端口34可被电连接至充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可对从EVSE 38供应的电力进行调节，以向牵引电池24提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块32可与EVSE 38进行接口连接，以协调对车辆12的电力传输。EVSE连接器40可具有带有与充电端口34的相应插脚匹配的凹入的端子。可选地，被描述为被电连接的各种组件可使用无线感应耦合传输电力。

可提供一个或更多个车轮制动器44，以使车辆12减速并阻止车辆12的运动。车轮制动器44可以是液压致动的、电力致动的或者它们的一些组合。车轮制动器44可以是制动系统50的一部分。制动系统50可包括其他组件以操作车轮制动器44。为简单起见，附图中描绘了制动系统50和一个车轮制动器44之间的单个连接。制动系统50和其他车轮制动器44之间的连接是隐含的。制动系统50可包括控制器，以监测和协调制动系统50。制动系统50可监测制动组件，并控制车轮制动器44以使车辆减速。制动系统50可响应于驾驶员命令，并且也可以自主操作以实现诸如稳定性控制的功能。当被其他控制器或子功能请求时，制动系统50的控制器可实现施加被请求的制动力的方法。

一个或更多个电力负载46可被连接至高电压总线。电力负载46可具有相关联的控制器，所述控制器当合适时操作和控制电力负载46。电力负载46的示例可以是加热模块或空调模块。

所讨论的各种组件可具有一个或更多个相关联的控制器，以控制和监控组件的操作。所述控制器可通过串行总线(例如控制器局域网(CAN))或通过离散导体进行通信。可存在系统控制器48以协调各个组件的操作。

牵引电池24可根据多种化学配方而构造。典型的电池包化学成分可以是铅酸、镍金属氢化物(NIMH)或锂离子。图2示出了使用N个电池单元72串联配置的典型牵引电池包24。然而，其他电池包24可由串联或并联或者串联和并联的组合连接的任意数量的单个电池单元组成。电池管理系统可具有一个或更多个控制器，诸如监测和控制牵引电池24的性能的电池能量控制模块(BECM)76。BECM 76可利用可包括电池包电流传感器78、电池包电压传感器80和电池包温度传感器82的各种传感器和相关电路监测多个电池包水平特征。BECM76可具有非易失性存储器，使得当BECM 76处于关闭状况时可保留数据。当下次启动周期(key cycle)保留的数据可以是可用的。

除了电池包水平特性，还可测量和监测电池单元72的水平特性。例如，可测量每个电池单元72的终端电压、电流和温度。电池管理系统可利用传感器模块74来测量电池单元72的特性。根据容量，传感器模块74可包括测量一个或多个电池单元72的特性的传感器和电路。电池管理系统可利用多达N_c个传感器模块或电池监测集成电路(BMIC)74来测量所有电池单元72的特性。每个传感器模块74可将测量结果传输至BECM 76用以进一步处理和协调。传感器单元74可将模拟或数字形式的信号传输至BECM 76。在一些实施例中，传感器单元74的功能可被并入BECM 76中。即，传感器单元74的硬件可被集成为BECM 76中的电路的一部分，并且BECM 76可进行对原始信号的处理。

BECM 76可包括电路以与一个或更多个接触器42连接。牵引电池24的正极和负极可由接触器42保护。

图3示出了充电端口34和牵引电池24之间的可能的导体连接的图。导体100可将牵引电池24连接至充电端口34。导体100可传输电流对牵引电池24进行充电。导体100可以是具有横截面积的铜线。第一连接系统102可将导体100连接至牵引电池24。第二连接系统104可将导体100连接至充电端口34。第一连接系统102和第二连接系统104可被不同地构造。可存在额外的导体。此外，其他组件或模块可连接在充电端口34和电池24之间。

充电系统的电流承载能力可由诸如接触设计(端子/插脚系统)、电缆端接策略(例如焊接、压接)和电缆/导体尺寸的参数来确定。一般来说，随着系统的电流承载能力增加，系统的尺寸和成本也随之增加。

车辆的组件之间和组件内的连接可使用多种导电元件实现。导电元件可包括诸如导线和汇流条的导体。例如，导体可以是具有横截面积的圆形铜导线。导体通常被设计为在电流水平处于或低于证明的持续额定电流的情况下传输电流持续长时间段。即，当流经导体的电流小于或等于持续额定电流时，导体可无限期工作。在车辆充电系统中，此设计选择可使导体具有相对大的横截面积。众所周知，随着导体的横截面积增大，导体的电流承载能力增强。充电系统中的导体的尺寸可基于牵引电池的最大额定充电电流。

图4A示出了具有插脚108和端子110的连接器的示例，其中导体100、116具有连接至插脚108和端子110的压接末端106。例如，导体100可以是充电端口34的一部分，而导体116可以是EVSE 38的一部分。可使用包括一对连接器的连接系统来连接导体100。连接器可包括两个壳体112、114，两个壳体112、114被构造为相互连接，使得当壳体112、114连接在一起时，壳体112、114的每个内的对应的导电元件108、110相互接触。导电元件108、110可被构造为使得一个壳体114包括导电插脚108而匹配的壳体112可包括具有用于接收插脚108的凹入的导电端子110。典型的连接器包括端子和插脚，端子和插脚被设计为传导处于持续额定电流的电流持续无限的时间段。对于连接器的额外的考虑可确保连接器的温度保持低于预定温度以防止在运行期间损坏连接器。

可使用在插脚或端子处终接导体的不同方法。导体100可通过与另一导电元件压接来终接。例如，插脚108或端子110可在一端提供凹入用以容纳导体100、116。导体100、116可插入凹入并且可在连接器的围绕导体的部分施加力以将导体周围的插脚或端子压紧。

图4B示出了包括将末端122焊接或锡焊至端子124的连接器的示例。端子124可以是限定第一开口的导电材料。端子124可被放置与汇流条126接触。汇流条126可限定与第一开口对齐的第二开口。紧固件128可插入穿过开口。可使用固定紧固件128的螺母130或其他构件。当螺母130被拧紧时，端子124可与汇流条126接触，使得电流可从导体100流至汇流条126。导体100和端子124之间的连接可以是焊接的或锡焊的接头122。

可应用图4A和图4B的元件的各种组合。压接末端106和焊接末端122可交换地用于各种构造中。这里描述的充电系统适用于充电端口34和牵引电池24中的连接以及两者之间的连接。注意：图4A和图4B示出了连接系统的示例，并且描述的系统不限于这些示出的示例。

牵引电池24可以以最大的电池充电电流充电。最大的电池充电电流可以是牵引电池24可接受的用于充电的最大电流。牵引电池24不必在整个充电周期中以最大的电池充电电流充电。然而，车辆12中的导电元件通常被设计为以最大的电池充电电流持续进行充电。典型的车辆应用可设计充电器38和牵引电池24之间的导电元件，使得持续额定电流至少等于最大的电池充电电流。

导电元件的持续额定电流是导电元件在不超过损坏导电元件的温度的情况下可承载的电流量。导体的持续额定电流受导体的横截面积影响。例如，对于导线，持续额定电流随着导线的横截面积增加而增加。对于插脚和端子之间的连接，诸如接触面积的其他因素可影响持续额定电流。持续额定电流可以是在导电元件的温度不会升高超过预定温度(在该温度，导电元件过热)的情况下，导电元件可传导持续无限时间段的最大电流。

为了降低车辆应用的成本和尺寸，可使用具有小于最大的电池充电电流的持续额定电流的导电元件。例如，可使用具有减小的横截面积的导线，使得最大的电池充电电流不能被无限期地传导。然而，具有较小横截面的导电元件可承载最大的电池充电电流持续有限的时间段，而不是持续地承载。可基于导体的横截面积构造充电电流曲线，以限制处于最大的电池充电电流的时间量。

充电电流曲线可以是电流与时间的曲线。随着导电元件的持续额定电流减小，传导最大的电池充电电流的时间量可减少。充电电流曲线可被构造为防止导电元件的温度升高超过可由于过热而损坏导电元件的预定温度。

使用具有较小横截面的导电元件的优点包括更低的成本和导电元件的改进的封装。由于导体和连接器可仅需满足较低的持续额定电流，则整体成本可降低。由于牵引电池24在充电周期中通常可能不持续吸取最大的电池充电电流，则对充电性能的影响会极小。

电池管理系统可被配置为限制导电元件的温度升高以满足汽车标准。控制策略可在使用较小的导电元件的车辆12中实现，以限制导电元件的温度升高速率和最大温度。控制策略可被设计为确保具有最低持续额定电流的导电元件不会经历高于预定温度的温度。流经导电元件的电流可被控制以确保不超过导电元件的温度限制。

温度可被约束为升高不超过高于环境温度的预定温度以满足工业标准。例如，电流工业标准允许升高高于环境温度多达50摄氏度。标准可在未来改变。用于为牵引电池充电的电流曲线可被配置为将导电元件的温度限制为低于预定温度。

诸如BECM 76的控制器可被配置为实施充电电流曲线。控制器76可与EVSE 38通信以控制从外部电源36流至牵引电池24的电流量。控制器76可测量和监测流经牵引电池24的实际电流。实际或要求的电流可用来与电流曲线结合。此外，可存在温度传感器82以测量牵引电池24和导电元件的温度。控制器76可使用测量的温度来限制电流以避免过高的温度。

图5示出了用于为牵引电池充电的可能的电流曲线。电流曲线可以是电流与时间的曲线200。最大的电池充电电流202可被传导持续有限的时间段206。在有限的时间段206之后，电流可减小。持续额定电流204可小于最大的电池充电电流202。随着时间，电流可减小以小于持续额定电流204。电流曲线可从实验数据中得到。

作为示例，具有200安培的最大的电池充电电流的牵引电池可被设计为持续承受满电流。50mm²的导体尺寸可使充电系统能够持续流动200安培电流。然而，在温度从环境温度升高50摄氏度之前，200安培的电流可由横截面积为35mm²的导体承载持续大约30分钟。控制器可实现为允许200安培的最大的电池充电电流持续少于30分钟。在此时间后，电流可减小。实际上，控制器可在少于30分钟(例如20分钟)的时间后减小电流以允许一些余量和元件的差异。

在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机，或者通过所述处理装置、控制器或计算机实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任意现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可被存储为可由控制器或计算机以多种形式执行的数据或指令，其中，所述多种形式包括但不限于被永久地存储于不可写存储介质(诸如，ROM装置)中的信息，以及被可变地存储于可写存储介质(诸如，软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁介质和光学介质)中的信息。所述处理、方法或算法也可以以软件可执行对象的形式来实现。可选地，可使用合适地硬件组件(诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器、或其它硬件组件或装置)或硬件、软件和固件的组合来整体或部分地实现所述处理、方法或算法。

虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述权利要求所包含的所有可能形式。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，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各个实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各个实施例已经被描述为提供优点或在一个或更多个期望特性方面优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，根据特定应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、寿命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实现方式合意的实施例并非在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims

1.一种车辆充电系统，包括：

导电元件，被构造为将充电器连接至牵引电池，并具有小于最大充电电流的持续额定电流；

控制器，被配置为控制电流流经所述导电元件，使得大于所述持续额定电流的电流被传导的时间小于预定时间，所述预定时间是基于由所述电流引起的所述导电元件的预期的温度升高而决定的。

2.如权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述导电元件是具有预定横截面积的导体。

3.如权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述导电元件是连接器插脚或连接器端子。

4.如权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述导电元件包括焊接的末端或压接的末端。

5.如权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述预定时间随着所述电流增大而减少。

6.如权利要求1所述的车辆充电系统，其中，选择所述预定时间以将所述导电元件的温度升高限制为低于相对于环境温度的预定温度升高。

7.如权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述预定时间还是基于所述导电元件的横截面积的。

8.如权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述控制器还被配置为在所述预定时间后减小所述电流。

9.如权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述电流和所述预定时间从充电电流曲线中选择。

10.如权利要求9所述的车辆充电系统，其中，所述充电电流曲线包括多个充电电流和相关联的时间值，所述多个充电电流和相关联的时间值被配置为将所述导电元件的温度限制为低于预定温度。