CN106183880B

CN106183880B - 电动汽车积木式直流充电桩及其应用

Info

Publication number: CN106183880B
Application number: CN201610816343.4A
Authority: CN
Inventors: 王殿学
Original assignee: Shandong Amperex Technology Ltd
Current assignee: Shandong Amperex Technology Ltd
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2019-03-19
Anticipated expiration: 2036-09-12
Also published as: CN106183880A

Abstract

本发明涉及电动汽车用充电装置技术领域，具体的说是一种电动汽车积木式直流充电桩及其应用，其特征在于设有控制器、一组或多组积木式充电单元、电流传感器、触摸屏、POS机接口、输出选择开关，控制器分别与触摸屏、POS机接口、电流传感器，以及积木式充电单元相连接，每组积木式充电单元的输出端与输出选择开关相连接，控制器经CAN总线与积木式充电单元相连接，其中每个积木式充电单元设有由分别由三相La、Lb、Lc进行供电的三个单相充电模块，每个单相充电模块中设有自动功率因数调节模块APFC以及直流变换器DC/DC模块，本发明与现有技术相比，具有结构合理、安全可靠、充电速度快、适用范围广等显著的优点。

Description

电动汽车积木式直流充电桩及其应用

技术领域

本发明涉及电动汽车用充电装置技术领域，具体的说是一种结构合理、安全可靠、充电速度快、适用范围广的电动汽车积木式直流充电桩及其应用。

背景技术

众所周知，电动汽车能量的补充方式是充电，现阶段多数的充电设备是充电桩。根据车载充电机的有无，又分交流充电桩和直流充电桩，一般而言，直流充电桩用于快充。在实际应用过程中，每种型号的纯电动汽车有其设定的储能参数，例如容量（Ah数），电压、充电规范；纯电动汽车配用的电池，其类型、状态也多有不同，甚至有濒临损坏的电池。

直流充电桩可以提供从C/4到1C，甚至2C的充电电流，相对应的充电时间就是4小时到1小时，甚至半小时。应当指出，低于C/2充电，有利于保持电池的性能和寿命，缺点是用时较长，影响充电站的运营。因此，在多数情况下，充电电流是1C，偶尔会是2C。这就是说，一方面直流充电桩要满足最佳充电需求，其输出的电能相对较小；另一方面，也要有大功率输出能力，满足1C，偶尔2C的需求。现有的直流充电桩，或有以下问题：（1）能源损耗大。有的充电桩，其额定电压较高，对于标称电压配置较低的电动汽车要靠PWM调低占空比适应之，这会增加多项损耗。（2）并联失衡比较严重；（3）对产品的一致性要求较高，适用范围窄。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种结构合理、工作可靠的电动汽车积木式直流充电桩及其应用。

本发明可以通过以下措施达到：

一种电动汽车积木式直流充电桩，其特征在于设有控制器、一组或多组的积木式充电单元、用于检测充电回路中充电电路的电流传感器、触摸屏、POS机接口、输出选择开关，控制器分别与触摸屏、POS机接口、电流传感器以及一组或以上的积木式充电单元相连接，积木式充电单元的输出端与输出选择开关相连接，控制器经CAN总线与积木式充电单元相连接，其中每组积木式充电单元设有分别由三相La、Lb、Lc进行供电的三个单相充电模块构成，每个单相充电模块中设有自动功率因数调节模块APFC以及直流变换器DC/DC模块。

本发明所述积木式充电单元工作于恒压方式，恒定的电压值由控制器通过通信方式设定，如积木式充电单元的最高输出电压是DC 50V，最大输出电流是DC 200A，该模块的最大输出功率为10KW，该模块工作于恒压方式，恒定的电压值由通信方式设定，换言之，电压值是可以改变的，但在两次变动之间是恒定的，就上例而言，可设定其变动范围是DC 30V到DC 50V。不论输出电压值是多少，其输出电流始终恒定在200A±1%及以内的数值上。

本发明中积木式充电单元的块数选择按如下规则确定，本充电桩援用由三个单相模块，即A相模块，B相模块和C相模块成组使用，这有利于三相载荷均衡，最高的PF和最低的THD，根据车用电池的数据：最高充电电压，决定“积木”即积木式充电单元的块数，若给出最高充电电压，以V_M表示，则单相充电模块的块数m_p=INT^. ，或m_p=INT^. +1，当为整数时，用前者，否则用后者，M_p应为3的整数倍，否则m_p应加1或加2，以满足m_p为3的整数倍的要求。

本发明在使用的过程中，根据被充电汽车的电气参数，和车主的意愿选择“积木”，也就是积木式充电单元的数目，这种单元只能串联，不能并联，这种选择是自动的，选择的依据是电池的参数：电池类型，充电规范，串联数目、额定Ah值，这些参数通过CAN通信送达控制器，车主的意愿通过对话窗口，例如触摸屏，也送达控制器，车主的要求不能高于电动汽车的充电规范的上限，也不能高于充电桩的最大电流值；当有这种情况发生时，控制器将自动按充电规范和充电桩的最大电流值执行，并且要求车主确认。

本发明还提出了一种电动汽车积木式直流充电桩的应用方法，其特征在于包括以下内容：

步骤1：系统初始化，充电桩就绪，提示使用者插入充电卡，充电卡正确插入后，提示“请接入充电枪”；

步骤2：通过CAN通信电路向电动汽车BMS获取电池相关信息，包括电池类型、充电规范、总电压、单节最高电压、单节最高温度、S.O.C、总内阻；BMS回复相关信息后，触摸屏显示电池状态，电池状态处于规范以内用绿色标记，电池状态不处于规范以内用红色标记；

步骤3：控制器判断电池组是否适合充电。首先检查电池电压：在整个电池组中，电压最高一节的电压以Vmax表示，充电规范的上限以Vm表示，若Vmax>Vm，则显示：单节电压>Vm，不能充电；其次检测电池温度，判断电池温度是否高于使用上限（对磷酸铁锂电池，该值为50℃），或低于使用下限（对磷酸铁锂电池，该值为0℃），在此情况下，则显示温度过高或温度过低，不能充电。如果不能充电，就提示使用者取出充电卡，拔下充电枪，充电作业中止，充电桩回复到初始化状态。如果充电条件满足，将充电进程继续。

步骤4：在电池状态适合充电的情况下，充电开始。定期检测充电电流，计算S.O.C，判断充电电流I_ch与波动上、下限的关系。假定I_up为充电电流的上限，I_dn为充电电流的下限，若I_ch>I_up，通过PI计算，适当降低单相充电模块的输出电压；若I_ch<I_dn，通过PI计算，适当调高单相充电模块的输出电压。

步骤5：当任一单节电池达到单节电池最高电压或达到单节电池最高温度，则停止充电。

本发明采用恒流充电为主，总的充电回路装有电流传感器两只，这两只完成相同的功能：测量充电电流，使用两只电流传感器的目的在于确保充电电流的测量准确，当两只传感器的输出相差2%时，要进行甄别处理。

用调正模块电压的方式保证恒流，这种调正采用双递进方式：横向递进方式和纵向递进方式，所谓纵向递进方式就是设定一个新的电压台阶，依充电电流的变化，启动横向递进方式；所谓横向递进方式就是每个模块按序递增相同的台阶电压，直到最上模块为止，此时，所有模块都输出几乎相同的电压。这种调正的周期是2秒，横向递进有助于保持系统的稳定和均衡。

本发明中控制器也用于信息接收、处理和输出，接收的信息包括：车载电池BMS系统的相关数据，车主通过触摸屏输入的数据，充电电流和电压的数据，各“积木”模块的运行数据和状态，POS机数据等，处理包括纵向递进台阶的计算，横向递进的等待与进行的时机等，输出包括充电的开始与结束，递进指令的输出，POS机输出等。

本发明与现有技术相比，具有结构合理、安全可靠、充电速度快、适用范围广等显著的优点。

附图说明：

附图1是本发明的结构框图。

附图标记：控制器1、触摸屏2、POS机接口3、电流传感器4、单相充电模块5、充电输出插座6、三相交流输入7、CAN通信电路8、输出选择开关9。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如附图所示，本发明提出了一种电动汽车积木式直流充电桩，其特征在于设有控制器1、一组或多组的积木式充电单元5、用于检测充电回路中充电电路的电流传感器4、触摸屏2、POS机接口3、输出选择开关9，控制器1分别与触摸屏2、POS机接口3、电流传感器4以及一组或多组的积木式充电单元相连接，每组积木式充电单元的输出端与输出选择开关相连接，控制器1经CAN总线与积木式充电单元相连接，其中每组积木式充电单元设有分别由三相La、Lb、Lc进行供电的三个单相充电模块5，每个单相充电模块5中设有自动功率因数调节模块APFC以及直流变换器DC/DC模块。

本发明中单相充电模块的块数的选择按如下规则确定，本充电桩援用由三个单相模块，即A相模块，B相模块和C相模块成组使用，这有利于三相载荷均衡，最高的PF和最低的THD，根据车用电池的数据：最高充电电压，决定“积木”即单相充电模块5的块数，若给出最高充电电压，以V_M表示，则单相充电模块5的块数m_p=INT^. ，或m_p=INT^. +1，当为整数时，用前者，否则用后者，M_p应为3的整数倍，否则m_p应加1或加2，以满足m_p为3的整数倍的要求。

本发明在使用的过程中，根据被充电汽车的电气参数，和车主的意愿选择“积木”，也就是积木式充电单元的数目，这种单元只能串联，不能并联，这种选择是自动的，选择的依据是电池的参数：串联数目、额定Ah值，这些参数通过CAN通信送达控制器，车主的意愿通过对话窗口，例如触摸屏，也送达控制器，车主的要求不能高于电动汽车的充电规范的上限，也不能高于充电模块的最大电流值；当有这种情况发生时，控制器将自动按充电规范和充电模块的最大电流值执行，并且要求车主确认。

步骤2：通过CAN通信电路向电动汽车BMS获取电池相关信息，包括总电压、单节最高电压、单节最高温度、S.O.C、总内阻；BMS回复相关信息后，触摸屏显示电池状态，电池状态处于规范以内用绿色标记，电池状态不处于规范以内用红色标记；

步骤3：控制器判断电池组是否适合充电，首先检查电池电压：在整个电池组中，电压最高一节的电压以Vmax表示，充电规范的上限以Vm表示，若Vmax>Vm，则显示：单节电压>Vm，不能充电；其次检测电池温度，判断电池温度是否高于使用上限（对磷酸铁锂电池，该值为50℃），或低于使用下限（对磷酸铁锂电池，该值为0℃），在此情况下，则显示温度过高或温度过低，不能充电。如果不能充电，就提示使用者取出充电卡，拔下充电枪，充电作业中止，充电桩回复到初始化状态。如果充电条件满足，将充电进程继续。

步骤4：在电池状态适合充电的情况下，充电开始。定期检测充电电流，计算S.O.C，判断充电电流I_ch与波动上、下限的关系。假定I_up为充电电流的上限，I_dn为充电电流的下限。若I_ch>I_up，通过PI计算，适当降低单相充电模块的输出电压；若I_ch<I_dn，通过PI计算，适当调高单相充电模块的输出电压；

本发明中控制器是用于信息接收、处理和输出，接收的信息包括：车载电池BMS系统的相关数据，车主通过触摸屏输入的数据，充电电流和电压的数据，各“积木”模块的运行数据和状态，POS机数据等，处理包括纵向递进台阶的计算，横向递进的等待与进行的时机等，输出包括充电的开始与结束，递进指令的输出，POS机输出等。

Claims

1.一种电动汽车积木式直流充电桩，其特征在于设有控制器、多组积木式充电单元、用于检测充电回路中充电电路的电流传感器、触摸屏、POS机接口、输出选择开关，控制器分别与触摸屏、POS机接口、电流传感器以及积木式充电单元相连接，每组积木式充电单元的输出端与输出选择开关相连接，控制器经CAN总线与积木式充电单元相连接，其中每组积木式充电单元设有分别由三相La、Lb、Lc进行供电的三个单相充电模块，每个单相充电模块中设有自动功率因数调节模块APFC以及直流变换器DC/DC模块；

单相充电模块的块数选择按如下规则确定，本充电桩援用由三个单相充电模块，即A相模块，B相模块和C相模块成组使用，这有利于三相载荷均衡，有利于达到最高的功率因数PF和最低的谐波失真THD，根据车用电池的数据：最高充电电压，决定“积木”即单相充电模块的块数，若给出最高充电电压，以V_M表示，则单相充电模块的块数m_p=INT^. ，或m_p=INT^. +1，当为整数时，用前者，否则用后者，m_p应为3的整数倍，否则m_p应加1或加2，以满足m_p为3的整数倍的要求。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车积木式直流充电桩，其特征在于所述积木式充电单元工作于恒压方式，恒定的电压值由控制器通过通信方式设定。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车积木式直流充电桩，其特征在于通过CAN通信电路实现控制器与电动车BMS的数据沟通。

4.一种如权利要求1中所述电动汽车积木式直流充电桩的应用方法，其特征在于包括以下内容：

步骤2：通过CAN通信电路向电动汽车BMS获取电池相关信息，包括总电池类型、充电规范、总电压、单节最高电压、单节最高温度、S.O.C、总内阻；BMS回复相关信息后，触摸屏显示电池状态，电池状态处于规范以内用绿色标记，电池状态不处于规范以内用红色标记；

步骤3：控制器判断电池组是否适合充电；

首先检查电池电压：在整个电池组中，电压最高一节的电压以Vmax表示，充电规范的上限以Vm表示，若Vmax>Vm，则显示：单节电压>Vm，不能充电；其次检测电池温度，判断电池温度是否高于使用上限，对磷酸铁锂电池，该值为50℃，或低于使用下限，对磷酸铁锂电池，该值为0℃，在电池温度高于使用上限或低于使用下限的情况下，则显示温度过高或温度过低，不能充电；

如果不能充电，就提示使用者取出充电卡，拔下充电枪，充电作业中止，充电桩恢复到初始化状态；如果充电条件满足，将充电进程继续；

步骤4：在电池状态适合充电的情况下，充电开始；

定期检测充电电流，计算S.O.C，判断充电电流I_ch与波动上、下限的关系；

假定I_up为充电电流的上限，I_dn为充电电流的下限；

若I_ch>I_up，通过PI计算，适当降低单相充电模块的输出电压；若I_ch<I_dn，通过PI计算，适当调高单相充电模块的输出电压；

5.根据权利要求4所述的一种电动汽车积木式直流充电桩的应用方法，其特征在于直流充电桩总的充电回路采用恒流充电为主，总的充电回路装有电流传感器两只，这两只完成相同的功能：测量充电电流，使用两只电流传感器的目的在于确保充电电流的测量准确，当两只传感器的输出相差2%时，要进行甄别处理。

6.根据权利要求4所述的一种电动汽车积木式直流充电桩的应用方法，其特征在于为了保证直流充电桩总的充电回路恒流充电，用调正模块电压的方式保证恒流，这种调正采用双递进方式：横向递进方式和纵向递进方式，所谓纵向递进方式就是设定一个新的电压台阶，依充电电流的变化，启动横向递进方式；所谓横向递进方式就是每个积木式充电单元按序递增相同的台阶电压，直到最后一个积木式充电单元完成调正为止，此时，所有积木式充电单元都输出相同的电压，这种调正的周期是2秒，横向递进有助于保持系统的稳定和均衡。