CN106059033B - 一种电动车直流充电低压电源管理系统 - Google Patents

一种电动车直流充电低压电源管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动车直流充电低压电源管理系统，其在整车中增加独立的辅助充电DC/DC转换器，与现有技术相比，具有如下有益效果：1、解决了非车载充电机不同规格辅助电源（12V/24V）的兼容适应性问题；2、便于统一技术规格；3、实现了在充电过程中任一路出现问题时，充电过程不会因为低压电源中断而使得高压充电回路带载切断，提高了充电低压供电电源系统的可靠性；4、仅需要设计满足充电功率需求的小功率型辅助充电DC/DC转换器，其额定工作转换效率比使用整车行车充电的DC/DC转换器高；5、解决车辆行车充电DC/DC转换器在行车模式和充电模式下均长期频繁使用故障率偏高的问题。

Description

一种电动车直流充电低压电源管理系统
技术领域
本发明涉及新能源电动车辆充电领域，具体是一种电动车直流充电低压电源管理系统。
背景技术
电动车辆充电时整车钥匙电关闭，非车载充电机通过充电枪连接车辆充电口给车辆动力电池充电。在充电启动前和充电过程中，均需要先确保提供额外的低压工作电源给电池管理系统、充电回路继电器等充电用电部件，目前市场上通常的解决方案主要有两种：
第一种、采用非车载充电机的辅助电源作为充电低压供电电源，这种方式在实际使用中存在的主要问题有：（1）电动车低压工作电源只有一种供电电源（12V或24V），而目前市场上的非车载充电机辅助电源配置一般是12V或24V，不同电源的电动车与非车载充电机无法配置使用，车辆充电的通用性和适应性受到影响；（2）不同规格的非车载充电机，低压辅助电源输出功率有差异，无法满足不同的电动车辆在充电时对低压辅助电源功率的需求；（3）不同非车载充电机厂家制造技术水平和配件选型不一致，低压辅助电源的质量和可靠性难以统一保障。因此当非车载充电机提供的辅助电源供电不稳定时，容易造成电动车辆充电回路高压继电器不可控的带载切断，损坏充电继电器的风险。
第二种、由于电动车辆在行车模式下铅酸电池充电的需要，通常都会配置满足整车所有低压用电电器功率需求的行车充电DC/DC转换器，在充电模式下启动该DC/DC转换器提供相应的低压工作电源（12V或24V）。如图1所示，充电时，插入充电枪，非车载充电机检测到充电枪已经连接好后，非车载充电机控制器输出1个低压辅助电源给电动车辆，整车控制器检测到该低压辅助电源有效后。整车控制器控制低压供电继电器给电池管理系统、充电继电器、DC/DC继电器供电，并控制DC/DC继电器闭合，启动行车DC/DC转换器。电池管理系统检测充电插座已经与充电枪连接好了后，按照GB/T 27930与非车载充电机进行通信交互，建立正常的通讯后，电池管理系统闭合充电继电器，开始充电。充电过程中，非车载充电机根据电池管理系统的充电需求，输出相应的电压和电流给动力电池充电。当电池管理系统检测到动力电池充满电后，电池管理系统通过CAN网络发停止充电报文给非车载充电机，非车载充电机停止电力输出，停止充电。行车时，行车钥匙开关打开后，当整车控制器检测到钥匙信号有效后，闭合DC/DC继电器，启动行车DC/DC转换器给车辆低压用电器供电。
这种方式在实际使用中存在的主要问题有：（1）充电模式下参与充电的低压用电电器相对固定，工作工况较稳定，而行车充电DC/DC转换器主要针对行车时低压负载用电变化工况和最大用电功率设计，工况覆盖范围广，额定能量转化效率较低；（2）目前市场上的行车充电DC/DC转换器，基本是按整车所有低压用电电器功率需求和使用工况设计的工作循环和寿命评估，如果在充电模式下也工作使用，与设计工况不符，频繁启停和长期工作会导致设备的故障率偏高。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动车直流充电低压电源管理系统，其解决了非车载充电机不同规格辅助电源（12V/24V）的兼容适应性问题，并提高了充电低压供电电源系统的可靠性，还解决了额定工作转换效率低、使用故障率偏高的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电动车直流充电低压电源管理系统，包括充电插座、充电继电器、电池管理系统、动力电池、辅助充电继电器、辅助充电DC/DC转换器和铅酸电池；
充电插座用于与非车载充电机的充电枪适配连接，非车载充电机通过充电枪和充电插座与电池管理系统进行通信连接；电池管理系统通过CAN通信控制和监控辅助充电DC/DC转换器；
充电插座的充电连接确认信号输出端连接至电池管理系统的相应输入端，充电插座的低压辅助电源信号输出端连接至辅助充电DC/DC转换器的相应输入端；
辅助充电DC/DC转换器具有控制芯片、延时继电器和高压转低压模块，控制芯片的输出端连接低压延时继电器的控制端，铅酸电池的输出端经延时继电器与高压转低压模块的输出端并联后分别连接至电池管理系统、充电继电器和辅助充电继电器的电源端；
动力电池的电池状态信号采样端连接电池管理系统的相应输入端，电池管理系统的输出端分别连接至充电继电器和辅助充电继电器的控制端，充电插座的高压直流输出端通过充电继电器连接动力电池的充电端，动力电源的输出端经辅助充电继电器连接于高压转低压模块的输入端。
所述电池管理系统具有停机信号输出端，此停机信号输出端连接至所述非车载充电机对所述充电枪连接确认的检测回路中。
所述停机信号输出端通过一常闭继电器连接至所述非车载充电机对所述充电枪连接确认的检测回路中。
采用上述方案后，本发明的一种电动车直流充电低压电源管理系统，整车增加独立的辅助充电DC/DC转换器，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、解决了非车载充电机不同规格辅助电源（12V/24V）的兼容适应性问题；
2、便于统一技术规格，实现车辆的自主控制管理，避免了非车载充电机提供的外部低压辅助电源可靠性不一致的不可控因素；
3、充电模式下的低压用电电器，由辅助充电DC/DC转换器和车辆铅酸电池并联供电，实现了在充电过程中任一路出现问题时，充电过程不会因为低压电源中断而使得高压充电回路带载切断，提高了充电低压供电电源系统的可靠性；
4、仅需要设计满足充电功率需求的小功率型辅助充电DC/DC转换器，其额定工作转换效率比使用整车行车充电的DC/DC转换器高；
5、解决车辆行车充电DC/DC转换器在行车模式和充电模式下均长期频繁使用故障率偏高的问题。
附图说明
图1为现有的电动车直流充电低压电源管理系统的电路原理框图；
图2为本发明实施例一的电路原理框图；
图3为图2的电气原理图；
图4为本发明的主要控制过程示意图；
图5为本发明中辅助充电DC/DC转换器启动的电路原理框图；
图6为本发明中CAN通信确认和充电电路工作的原理框图；
图7为本发明中辅助充电DC/DC转换器关闭的原理框图；
图8为本发明实施例二的电路原理框图；
图9为图8的电气原理图。
具体实施方式
实施例一：
本发明的一种电动车直流充电低压电源管理系统，如图2-3所示，包括充电插座、充电继电器K2-K3、电池管理系统、动力电池、辅助充电继电器K1、辅助充电DC/DC转换器和铅酸电池。
充电插座用于与非车载充电机的充电枪适配连接，非车载充电机通过充电枪和充电插座与电池管理系统进行通信连接；电池管理系统通过CAN通信控制和监控辅助充电DC/DC转换器。
充电插座的充电连接确认信号输出端CC2连接至电池管理系统的相应输入端，充电插座的低压辅助电源信号输出端A+、A-连接至辅助充电DC/DC转换器的相应输入端。
辅助充电DC/DC转换器具有控制芯片、延时继电器K4和高压转低压模块（DC/DC模块），辅助充电DC/DC转换器的设计要求为：DC/DC模块的高压输入电源适应范围为（200～800V），控制芯片的低压工作电源适应范围为（9～30V）。控制芯片的输出端连接低压延时继电器K4的控制端，铅酸电池的输出端经延时继电器K4与DC/DC模块的输出端并联后分别连接至电池管理系统、充电继电器K2-K3和辅助充电继电器K1的电源端。
动力电池的电池状态信号采样端连接电池管理系统的相应输入端，电池管理系统的输出端分别连接至充电继电器K2-K3和辅助充电继电器K1的控制端，充电插座的高压直流输出端DC+、DC-通过充电继电器K2-K3连接动力电池的充电端，动力电源的输出端经辅助充电继电器K1连接于DC/DC模块的输入端。
结合图4所示，本发明的工作原理如下：
①、充电时，当非车载充电机的充电枪插入车辆的充电插座后，操作人员对非车载充电机进行充电设置并启动充电过程，非车载充电机通过检测充电连接确认信号（CC1）判断充电枪与车辆充电插座是否完全连接。正常连接后，非车载充电机会在充电枪的A+,A-端口之间输出一个低压辅助电源（12V/24V），A+，A-低压辅助电源通过充电插座给辅助充电DC/DC转换器的控制芯片供电，辅助充电DC/DC转换器的控制芯片工作并控制延时继电器K4闭合，使得铅酸电池给电池管理系统、充电继电器K2-K3和辅助充电继电器K1提供低压常电电源。电池管理系统通过检测充电连接确认信号（CC2）判断充电枪与充电插座已经完全连接，控制辅助充电继电器K1闭合，并发送CAN通信控制报文启动辅助充电DC/DC转换器内的DC/DC模块工作，DC/DC模块正常工作后，和铅酸电池并联供电。在辅助充电DC/DC转换器的DC/DC模块故障或输出丢失的情况下，由于铅酸电池常电回路并联，确保了充电继电器K2-K3、电池管理系统和辅助充电继电器K1电源不会瞬间丢失，提高了充电低压电源系统的可靠性。电池管理系统按照GB/T 27930与非车载充电机进行通信交互，建立正常的通讯后，电池管理系统闭合充电继电器K2-K3，开始给动力电池充电。充电过程中，非车载充电机根据车辆控制器的充电需求，输出相应的电压和电流给动力电池充电。当电池管理系统检测到动力电池充满电后，电池管理系统通过CAN网络发停止充电报文给非车载充电机，非车载充电机停止电力输出，停止充电。
②、行车时，电池管理系统没有检测到充电枪插入，不启动辅助充电DC/DC转换器。
本发明中，辅助充电DC/DC转换器启动的原理如下：
如图5所示，当车辆停入充电车位后连接充电枪，操作人员对非车载充电机进行设置后启动充电。非车载充电机输出低压辅助电源给辅助充电DC/DC转换器的控制芯片，控制芯片启动后控制低压延时继电器闭合，使得铅酸电池给电池管理系统、充电继电器和辅助充电继电器提供低压常电电源。电池管理系统检测到充电连接确定认信号（CC2）有效时，发送闭合指令闭合辅助充电继电器，并发送启动报文给辅助充电DC/DC转换器。辅助充电DC/DC转换器的高压转低压模块启动工作后，动力电池的高压电源经过高压转低压模块转换成低压工作电源，为电池管理系统、充电继电器、辅助充电继电器提供持续电源，以及在需要时为铅酸电池补充电量。
本发明中，CAN通信确认和充电电路工作原理如下：
如图6所示，辅助充电DC/DC转换器在充电过程中，将控制芯片输入电源、低压延时继电器状态、高压转低压模块工作状态等信息，通过CAN通信报文实时发送给电池管理系统，电池管理系统负责监控充电过程中辅助充电DC/DC转换器是否处在正常工作状态。当充电过程出现以下故障时执行相应的保护策略：
1、若非车载充电机低压辅助电源丢失，低压延时继电器将延时一定时间后断开连接铅酸电池的常电触点，以保证电池管理系统通过通信报文告知非车载充电机及时停止充电，避免高压回路带载切断；
2、若辅助充电DC/DC转换器的高压转低压模块出现故障，辅助充电DC/DC转换器发送故障状态报文给电池管理系统，电池管理系统读取到故障信息后通过通信报文告知非车载充电机停止充电；
3、充电过程中，若电池管理系统与辅助充电DC/DC转换器CAN通信报文中断，电池管理系统通过通信报文告知非车载充电机停止充电。
如图7所示，当动力电池充满电后，非车载充电机停止高压直流输出，电池管理系统首先发断开指令断开充电继电器。当非车载充电机低压辅助电源停止输出后，辅助充电DC/DC转换器内部的低压延时继电器延时一定时间后断开，铅酸电池常电回路正常切断。当操作人员拔出充电枪后，电池管理系统检测到充电连接确认信号（CC2)丢失，发送停止报文给辅助充电DC/DC转换器停止高压转低压模块工作，充电过程正常结束。
实施例二：
如图8-9所示，本实施例与实施列一的区别仅在于：电池管理系统具有停机信号输出端，此停机信号输出端通过常闭继电器K5连接至非车载充电机对充电枪连接确认的检测回路中。
本实施例的正常充电原理与实施例一相同。
正常情况下，当电池管理系统检测到动力电池充满电后，电池管理系统通过CAN网络发停止充电报文给非车载充电机，非车载充电机停止电力输出，停止充电。当出现电池管理系统通过CAN网络发停止充电报文停止充电，但是非车载充电机不响应停机命令，或者当出现电池管理系统已断开充电继电器，但是电池管理系统实际还检测到动力电池一直存在充电电压和充电电流时，电池管理系统控制断开常闭继电器K5，从而断开非车载充电机对充电枪连接确认的检测回路，非车载充电机会进入国标定义的充电枪连接信号丢失的紧急停机流程，立即停止高压直流输出。

Claims (3)

1.一种电动车直流充电低压电源管理系统，其特征在于：包括充电插座、充电继电器、电池管理系统、动力电池、辅助充电继电器、辅助充电DC/DC转换器和铅酸电池；
充电插座用于与非车载充电机的充电枪适配连接，非车载充电机通过充电枪和充电插座与电池管理系统进行通信连接；电池管理系统通过CAN通信控制和监控辅助充电DC/DC转换器；
充电插座的充电连接确认信号输出端连接至电池管理系统的相应输入端，充电插座的低压辅助电源信号输出端连接至辅助充电DC/DC转换器的相应输入端；
辅助充电DC/DC转换器具有控制芯片、延时继电器和高压转低压模块，控制芯片的输出端连接低压延时继电器的控制端，铅酸电池的输出端经延时继电器与高压转低压模块的输出端并联后分别连接至电池管理系统、充电继电器和辅助充电继电器的电源端；
动力电池的电池状态信号采样端连接电池管理系统的相应输入端，电池管理系统的输出端分别连接至充电继电器和辅助充电继电器的控制端，充电插座的高压直流输出端通过充电继电器连接动力电池的充电端，动力电源的输出端经辅助充电继电器连接于高压转低压模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种电动车直流充电低压电源管理系统，其特征在于：所述电池管理系统具有停机信号输出端，此停机信号输出端连接至所述非车载充电机对所述充电枪连接确认的检测回路中。
3.根据权利要求2所述的一种电动车直流充电低压电源管理系统，其特征在于：所述停机信号输出端通过一常闭继电器连接至所述非车载充电机对所述充电枪连接确认的检测回路中。
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