CN108068642B - 安装在车辆中的充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种安装在车辆中的充电装置。充电装置包括：至少两个功率模块，该至少两个功率模块彼此并联，用于将从外部施加的输入功率转换为用于对高压电池充电的充电功率；至少两个从控制器，用于基于从功率模块输出的充电功率，输出与功率模块中的每一个是否都进入恒定电压充电模式有关的信息；以及主控制器，用于通过利用从从控制器接收的与功率模块中的每一个是否都进入恒定电压充电模式有关的信息，确定至少两个功率模块是否进入恒定电压充电模式，其中，主控制器控制为使得当功率模块进入恒定电压充电模式时，操作功率模块中的一个。

Description

安装在车辆中的充电装置
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2016年11月9日在韩国知识产权局提交的第10-2016-0149061号韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种安装在车辆中的充电装置，其能够控制为使得当进入恒定电压(CV)充电阶段时，尽管包括彼此并联连接的多个功率模块(power module)的车载充电器(OBC)对电池进行充电，但是仅通过一个功率模块对电池进行充电。
背景技术
一般来说，环保型车辆可基于使用的动力源的种类分类为电动车辆、燃料电池车辆、天然气车辆或混合动力车辆。具体地，能够基于电池的容量或纯电动行驶里程，将基于电池的环保型车辆分类为混合电动车辆、插电式混合电动车辆或电动车辆。其中，混合电动车辆和电动车辆必然需要单独的充电装置，用于对大容量电池进行充电，并配备有能够利用家用电源对电池进行充电的安装在车辆上的车载充电器(OBC)。
随着制造电池的技术已经比开发电动车辆的早期阶段进步更多，安装在车辆上的高压电池的容量增加，使得紧随3.3kW的6.6kW OBC产品已经上市。然而，在配备有约50kWh以上的高压电池的车辆的情况下，即使使用6.6kW的OBC，也大约需要8小时来对电池充电。
为了克服相关技术的限制，已经引入了将彼此并联连接的多个功率模块设置在OBC中来提高OBC的额定功率的方案。包括彼此并联连接的多个功率模块的OBC以恒定电流(CC)、恒定功率(CP)和恒定电压(CV)的顺序来实现充电操作。当充电操作进入CV充电阶段时，功率模块之间会发生输出电流不平衡现象(负载不平衡现象)。
为了克服在这种并行驱动期间功率模块之间的输出电流不平衡，根据相关技术，已经提出了下垂(droop)方法和有源电流分布方法。
根据下垂方法，由于每个功率模块的输出电压补偿器的负输入为通过将与由检测输出电流获得的输出电压有关的信息添加至该输出电压补偿器而获得的值，当输出电流增加时，减小作为控制器的最终输出的脉宽调制(PWM)占空比，使得输出电压降低。在这种情况下，当输出电流的感测增益为高时，尽管模块之间的负载电流分布特性得到改善，但输出电压的变化范围被扩大。因此，需要允许电流分布中的一定程度的误差来使电压变化范围变窄。
根据有源电流分布方法，作为每个功率模块的输出电流的目标值(directionvalue)，可根据比例常数的大小来使用代表性模块的输出电流值或所有功率模块的输出电流的平均值。当对应的模块的输出电流与电流目标值相比较大时，通过减小输出电压目标值，减小输出电流。然而，由于需要将与所有功率模块的输出电流有关的信息传送至主控制器，所以配置复杂，并且由于电流检测误差而使可靠性降低。
发明内容
为了解决现有技术中出现的上述问题而做出本发明，同时完整地保持现有技术中的优点。
本发明意欲提供一种安装在车辆中的充电装置，其能够在车载充电器(OBC)对电池进行充电期间，当电池充电操作进入恒定电压(CV)充电阶段时，通过彼此并联连接并包括在OBC中的多个功率模块中的一个来对电池进行充电。
本发明构思要解决的技术问题不限于上述问题，并且本发明所属领域的技术人员将从以下描述中清楚地理解本文未提及的任何其它技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种安装在车辆中的充电装置。充电装置包括：至少两个功率模块，该至少两个功率模块彼此并联，用于将从外部施加的输入功率转换为用于对高压电池充电的充电功率；至少两个从控制器，用于基于从至少两个功率模块输出的充电功率，输出与至少两个功率模块中的每一个是否都进入恒定电压充电模式有关的信息；以及主控制器，用于通过利用从至少两个从控制器接收的与至少两个功率模块中的每一个是否都进入恒定电压充电模式有关的信息，确定至少两个功率模块是否进入恒定电压充电模式，其中，主控制器控制为使得当至少两个功率模块进入恒定电压充电模式时，操作至少两个功率模块中的一个。
充电装置还可包括：第一滤波器，用于去除输入功率的开关纹波并将去除纹波后的输入功率输出到至少两个功率模块；和第二滤波器，用于减少从至少两个功率模块输出的充电功率的开关纹波。
至少两个功率模块中的每一个都可包括：功率因数校正转换器，用于将从外部输入的AC电源(电)转换为DC电源(电)并实现功率因数校正；和DC-DC转换器，用于将DC电源(电压)转换为用于对高压电池充电的充电电压。
至少两个从控制器可将输出电流目标值与输出电流阈值进行比较，并且将作为与至少两个功率模块中的每一个是否进入恒定电压充电模式有关的信息的比较结果传送至主控制器。
输出电流目标值可为在恒定电流充电阶段中可允许的最大输出电流值。
输出电流目标值可为通过将恒定电流充电阶段中能够输出的最大输出功率值除以实际测量的输出电压而获得的值。
主控制器可包括或门，用于对从至少两个从控制器输出的与至少两个功率模块是否进入恒定电压充电模式有关的信息进行或运算(对信息实施逻辑分离)。
主控制器可基于或门的输出来确定至少两个从控制器是否进入恒定电压充电模式。
当从至少两个从控制器接收与至少两个功率模块进入恒定电压充电模式有关的信息时，主控制器可确定至少两个功率模块进入恒定电压充电模式。
主控制器可将高压电池的驱动电压范围中的最大值作为输出电压目标值提供给至少两个从控制器中的一个，并且可将“0”作为输出电压目标值提供给剩余的从控制器。
主控制器可将输出电压目标值、可允许的输出电流的最大值、能够输出的输出功率的最大值以及输出电流阈值提供给至少两个从控制器中的每一个。
输出电流阈值可对应于从恒定功率充电阶段切换至恒定电压充电阶段的时间点处的输出电流。
附图说明
根据以下结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将更加明显：
图1是示出根据本发明的实施例的安装在车辆中的充电装置的框图；
图2是示出图1中描绘的充电装置中的单个功率模块的配置的框图；
图3是示出图1中描绘的单个从控制器的配置的框图；
图4是示出确定图1的主控制器是否进入CV充电模式的视图；以及
图5是示出根据本发明的实施例的安装在车辆中的充电装置的电池充电概况的曲线图。
具体实施方式
在整个说明书中，当某些部件“包括”、“包含”或“具有”某些元件时，除非相反地明确描述，否则意味着可进一步包括其它元件，而非排除。
另外，在本说明书中描述的术语“-单元”、“-器”和“模块”是指用于处理至少一种功能或操作的单元，其可以由硬件或软件及其任何组合实施。另外，如说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”、“一种”和“所述”也意图包括复数形式，除非上下文另有明确规定或者另有明确说明。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。
本发明涉及一种安装在车辆中的车载充电器(OBC)，其用于电动车辆(EV)和插电式混合电动车辆(PHEV)，并且从根本上解决问题，考虑到多并联OBC的充电概况，通过提出安装在车辆中的多并联OBC的驱动控制策略，可在平行驱动期间从根本上解决问题。
具体地，根据本发明，包括配置为彼此并联的多个功率模块的多并联OBC以恒定电流(CC)、恒定功率(CP)和恒定电压(CV)的顺序实现充电。由于当OBC进入CV充电阶段时，功率模块之间出现输出电流不平衡现象(负载不平衡现象)，所以OBC仅控制(驱动)一个功率模块(从控制器)对电池进行充电。
图1是示出根据本发明的实施例的安装在车辆中的充电装置的框图。图2是示出图1中描绘的充电装置中的单个功率模块的配置的框图。图3是示出图1中描绘的单个从控制器的配置的框图。图4是示出确定图1的主控制器是否进入CV充电模式的视图。
安装在车辆中的充电装置包括第一滤波器110、至少两个功率模块(功率级)120a至120n、第二滤波器130、至少两个从控制器140a至140n以及主控制器150。
第一滤波器110从外部输入的AC电源(例如，商用电源)中去除开关纹波。换句话说，第一滤波器110去除输入电压中包括的噪声。第一滤波器110可利用电磁干扰(EMI)滤波器来实施。
功率模块120或120a至120n将由第一滤波器110滤波的AC电源转换为DC电源，并将DC电源提供至高压(HV)电池和/或负载。
功率模块120a至120n中的每一个都包括功率因数校正(PFC)转换器121a、121b或121n以及DC-DC转换器122a、122b或122n。
PFC转换器121连接至第一滤波器110的输出端子，以将从第一滤波器110输出的AC电压Vin_n转换为DC电压Vdc_n。另外，PFC转换器121可通过减少对AC电压中的功率传输无贡献的无功分量来提高功率因数。PFC转换器121可利用降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器来实施。
DC-DC转换器122连接至PFC 121的输出端子，以接收从PFC转换器121输出的DC电压(DC电源)。DC-DC转换器122将输入的DC电压转换为充电电压(充电电源、输出电压)，用于以脉宽调制(PWM)方案对高压电池进行充电。因此，DC-DC转换器122控制高电压电池的充电。
另外，DC-DC转换器122可将DC电压输入转换为供电电压(供电电源)，并将供电电压输出到连接至其输出端子的负载，这里负载可包括灯、加热器、空调、雨刮器、防抱死制动系统(ABS)、电动助力转向系统(EPS)等。
电压表和电流表可安装至DC-DC转换器122的输出端。电压表实际测量从每个功率模块120输出的输出电压Vo_n。电流表实际测量从每个功率模块120输出的输出电流Io_n。可在下文将要描述的每个从控制器140中都设置电压表和电流表。
第二滤波器130连接至DC-DC转换器122a、122b和122n的输出端子，以减小输出电压的开关纹波分量。换句话说，第二滤波器130对输出电压进行滤波以去除输出电压中包括的噪声。第二滤波器130将去除噪声后的输出电压供应(传送)至高电压电池和/或负载。
至少两个从控制器140a至140n控制至少两个功率模块120a至120n以分别控制从至少两个功率模块120a至120n输出的输出功率源(输出功率)。换句话说，第一从控制器140a控制第一功率模块120a，第二从控制器140b控制第二功率模块120b，以及第N从控制器140n控制第N功率模块120n。
每个从控制器140(140a、140b或140n)都从主控制器150接收输出电压目标值Vo_ref_n、可允许输出电流的最大值(输出电流极限值)Io_Max、能够输出的输出功率的最大值Po_Max以及输出电流阈值Io_bound(其为从CP充电阶段切换至CV充电阶段的时间点处的输出电流)。
CC充电阶段和CP充电阶段中的输出电压目标值Vo_ref_n在高电压电池的驱动电压范围中被设定为最大值Vbatt_Max，使得CC充电阶段中的输出电流目标值为输出电流限制值Io_Max，并且CP充电阶段中的输出电流目标值为Po_Max/Vo_n。
每个从控制器140都包括第一运算器141、最小值提取器142、比较器143、第二运算器144、第一比例积分(PI)控制器145、第一限制器146、第三运算器147、第二PI控制器148和第二限制器149。
第一运算器141接收输出功率最大值Po_Max和由连接至每个功率模块120的输出端子的电压表实际测量的输出电压Vo_n。第一运算器141实现将输出功率最大值Po_Max除以实际测量的输出电压Vo_n的除法操作。第一运算器141的输出值Po_Max/Vo_n为CP充电阶段中的输出电流目标值。
最小值提取器142将输出电流极限值Io_Max与从第一运算器141输出的运算结果进行比较以输出较小的值(输出电流目标值的大小)。也就是说，从最小值提取器142输出的输出值为输出电流目标值的最高值Io_ref上限。
比较器143将从主控制器150传送的输出电流阈值Io_bound与从最小值提取器142输出的输出值Io_ref上限相互比较，以输出CV充电模式进入/未进入信号CV_mode_n作为比较结果。当Io_bound超过Io_ref上限时，比较器143输出“1”作为CV充电模式进入信息。相反，当Io_bound等于或小于Io_ref上限时，比较器143输出“0”作为CV充电模式未进入信息。
比较器143基于比较结果向主控制器150通知CV充电模式进入/未进入信号。换句话说，比较器143将比较结果发送(传送)至主控制器150。
第二运算器144通过从输出电压目标值Vo_ref_n中减去实际测量的输出电压Vo_n来计算输出电压误差。
第一PI控制器145控制与从第二运算器144输出的输出电压误差成比例的电流控制目标值，并且通过对输出电压误差进行积分以控制输出电压来控制电流控制目标值。
第一限制器146将从第一PI控制器145输出的电流控制目标值和输出电流目标值的最高值Io_ref上限相互比较。当电流控制目标值(输出电流目标值)小于输出电流目标值的最高值Io_ref上限时，第一限制器146输出电流控制目标值本身。同时，当电流控制目标值(输出电流目标值)等于或大于输出电流目标值的最高值Io_ref上限时，第一限制器146输出输出电流目标值的最高值Io_ref上限。
第三运算器147从输出电流实际测量值Io_n中减去从第一限制器146输出的输出值(输出电流目标值)。
第二PI控制器148通过对输出电流实际测量值Io_n与输出电流目标值之间的误差进行积分来控制输出控制值，并且控制与输出电流实际测量值Io_n和输出电流目标值之间的误差成比例的输出电流值，用于控制输出电流。
第二限制器149约束从第二PI控制器148输出的输出控制值，以防止输出控制值偏离占空比最大值duty-max和占空比最小值duty-min。第二限制器149将占空比传送至每个功率模块120的DC-DC转换器122。DC-DC转换器122在PWM控制下基于占空比控制充电电压输出。
主控制器150控制至少两个从控制器140a至140n。主控制器150从每个从控制器140接收与CV充电模式进入/未进入有关的信息CV_mode_n。主控制器150通过或门151实现与CV充电模式进入/未进入有关的信息CV_mode_n的或运算。如果或运算结果为“1”，则主控制器150仅操作从控制器140a至140n中的一个。
换句话说，主控制器150通过利用与从至少两个从控制器140a至140n传送的CV充电模式进入/未进入有关的信息来确定是否进入CV充电模式。当主控制器150从所有至少两个从控制器140a至140n接收“1s”作为与CV充电模式进入有关的信息时，主控制器150将Vbatt_Max传送到至少两个从控制器140a至140n中的仅一个并将“0”传送至其它从控制器作为输出电压目标值Vo_ref_n。因此，可实现电池充电控制，使得在CV充电模式中仅驱动一个功率模块，从而防止负载不平衡现象。
图5是示出根据本发明的实施例的安装在车辆中的充电装置的电池充电概况的曲线图，这里，安装在车辆中的作为10kW充电器的充电装置包括彼此并联连接的三个功率模块来60kWh的高压电池充电。
通常，安装在车辆中的OBC的实际充电区域可包括恒定电流(CC)充电阶段和恒定功率(CP)充电阶段。由于每个从控制器140a至140n通过利用从主控制器150传送的输出电流极限值Io_Max作为电流控制器的目标值来实现电流控制，所以功率模块120a至120n之间不会出现任何不平衡现象。然而，当充电继续以进入CV充电阶段时，即使每个功率模块120a至120n都实现恒定电压控制，但是由于输出端线阻抗不平衡和感测误差，所以出现输出电流不平衡现象。
由于CV充电阶段对实际电池充电时间具有微弱影响，使得不需要单独的复杂电流分布器，所以本发明提出仅驱动多个功率模块120a至120n中的一个的控制策略，从而容易地避免并行驱动中电流不平衡现象的问题。
另外，由于OBC输出端与高电压电池之间存在DC继电器，所以本发明中提出的单独驱动控制策略甚至可应用于初始充电操作。也就是说，在初始充电操作期间，可单独驱动多个功率模块中的一个。
根据本发明，在通过车载充电器(OBC)对电池进行充电期间，由于当电池充电操作进入恒定电压(CV)充电阶段时，通过彼此并联连接并包括在OBC中的多个功率模块中的一个对电池进行充电，所以可防止CV充电阶段中在功率模块之间发生负载不平衡现象。例如，当采用高容量多并联OBC方案来减少对电动车辆的高压电池充电所花费的时间时，可从根本上防止CV充电阶段中在功率模块之间发生负载不平衡现象。
另外，根据本发明，由于控制器之间发送/接收的信号中不存在与控制周期同步的同时需要更新的任何信息，所以能够容易地通过控制区域网络(CAN)通信实施充电装置。
在以上描述中，尽管本发明的实施例的所有组件可被解释为组装或可操作地连接为单元，但是本发明不意图将其本身限于这些实施例。相反，在本发明的目标范围内，相应的组件可以任何数量选择性地和可操作地组合。而且，每个组件都可由硬件本身来实施，而相应组件可以部分地或作为整体选择性地组合，并且在具有用于执行硬件等同物的功能的程序模块的计算机程序中实施。本领域技术人员可容易地推断出构成这样的程序的代码或代码段。计算机程序可存储在计算机可读介质中，其在操作中可以实现本发明的实施例。

Claims (11)

1.一种安装在车辆中的充电装置，所述充电装置包括：
至少两个功率模块，配置为彼此并联，用于将从外部施加的输入功率转换为用于对高压电池充电的充电功率；
至少两个从控制器，配置为：基于从所述至少两个功率模块输出的充电功率输出与所述至少两个功率模块中的每一个是否都进入恒定电压充电模式有关的信息，以及将输出电流目标值与输出电流阈值进行比较，并将比较结果作为与所述至少两个功率模块中的每一个是否进入恒定电压充电模式有关的信息传送至主控制器；以及
所述主控制器，配置为通过利用从所述至少两个从控制器接收的与所述至少两个功率模块中的每一个是否都进入所述恒定电压充电模式有关的信息，确定所述至少两个功率模块是否进入所述恒定电压充电模式，其中，所述主控制器控制为使得当所述至少两个功率模块进入所述恒定电压充电模式时，操作所述至少两个功率模块中的一个。
2.根据权利要求1所述的充电装置，还包括：
第一滤波器，配置为去除所述输入功率的开关纹波，并且将去除纹波后的输入功率输出至所述至少两个功率模块；以及
第二滤波器，配置为减少从所述至少两个功率模块输出的充电功率的开关纹波。
3.根据权利要求1所述的充电装置，其中，所述至少两个功率模块中的每一个都包括：
功率因数校正转换器，配置为将从外部输入的AC电转换为DC电并且实现功率因数校正；以及
DC-DC转换器，配置为将所述DC电转换为用于对所述高压电池充电的充电电压。
4.根据权利要求1所述的充电装置，其中，所述输出电流目标值为在恒定电流充电阶段中可允许的最大输出电流值。
5.根据权利要求1所述的充电装置，其中，所述输出电流目标值为通过将恒定电流充电阶段中能够输出的最大输出功率值除以实际测量的输出电压而获得的值。
6.根据权利要求1所述的充电装置，其中，所述主控制器包括或门，所述或门配置为对从所述至少两个从控制器输出的与所述至少两个功率模块是否进入所述恒定电压充电模式有关的信息进行或运算。
7.根据权利要求6所述的充电装置，其中，所述主控制器基于所述或门的输出来确定所述至少两个功率模块是否进入所述恒定电压充电模式。
8.根据权利要求6所述的充电装置，其中，当从所述至少两个从控制器接收到与所述至少两个功率模块进入所述恒定电压充电模式有关的信息时，所述主控制器确定所述至少两个功率模块进入所述恒定电压充电模式。
9.根据权利要求1所述的充电装置，其中，所述主控制器将所述高压电池的驱动电压范围中的最大值作为输出电压目标值提供给所述至少两个从控制器中的一个，并且将“0”作为输出电压目标值提供给剩余的从控制器。
10.根据权利要求1所述的充电装置，其中，所述主控制器将输出电压目标值、可允许的输出电流的最大值、能够输出的输出功率的最大值以及输出电流阈值提供给所述至少两个从控制器中的每一个。
11.根据权利要求10所述的充电装置，其中，所述输出电流阈值对应于从恒定功率充电阶段切换至恒定电压充电阶段的时间点处的输出电流。
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