CN109861331B - 纯电动汽车用高效充电控制装置及其控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯电动汽车用高效充电控制装置，包括充电设备、充电接口、充电机和电池，充电机和电池连接有电池管理系统，充电机、电池和电池管理系统分别设于纯电动汽车内，充电设备连接有输出电流能力被采集装置，充电接口连接有承受电流被采集装置，输出电流能力被采集装置和承受电流被采集装置分别连接至电池管理系统，充电设备、充电接口和纯电动汽车之间还连通设有导体接地线，还公开了该装置的控制策略，在电池电量低、电压低时，采用较大电流进行充电，等电量慢慢增加、电压升高后，逐步降低充电电流，实现了近似于恒功率的实时变流充电，保证了最大充电功率，节省了充电时间，从而提高了充电能量转化效率。

Description

纯电动汽车用高效充电控制装置及其控制策略

技术领域

本发明涉及纯电动汽车用高效充电技术领域，尤其涉及一种纯电动汽车用高效充电控制装置，还涉及该充电控制装置的具体控制策略。

背景技术

纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。纯电动汽车无内燃机，因此行驶时不会产生废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”，其前景被广泛看好。

纯电动汽车是完全由二次电池(如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池等)提供动力的汽车，在汽车上设有电池管理系统(BMS)，用于实时监控电池状态、优化使用电池能量、延长电池寿命和保证电池的使用安全等。因此电池管理系统对整车的安全运行、整车控制策略的选择、充电模式的选择以及运营成本都有很大影响。电池管理系统无论在车辆运行过程中还是在充电过程中都要可靠地完成电池状态的实时监控和故障诊断，并通过总线的方式告知车辆集成控制器或充电机，以便采用更加合理的控制策略，达到有效且高效使用电池的目的。

目前纯电动汽车的电池管理系统(BMS)控制充电过程为恒流充电，末期降流恒压充电，由于充电过程电池电压不断升高，为保障整个恒流阶段，充电功率限制在最高功率以下，使得在低电压阶段充电的功率与满载功率差值较大，延长了充电时间，而且由于非满载功率情况下，充电机的效率也会有所降低，进一步影响了车辆使用的能耗，基于上述现象，需要开发一种新的充电控制装置来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够近似于恒功率的实时变流充电，能够大大节省充电时间，有助于保护电池的纯电动汽车用高效充电控制装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：纯电动汽车用高效充电控制装置，包括充电设备、充电接口、充电机和电池，所述充电接口电连接于所述充电设备与所述充电机之间，所述充电机电连接至所述电池，所述电池连接有电池管理系统，所述充电机通过CAN总线与所述电池管理系统通讯，所述充电机、所述电池和所述电池管理系统分别设于纯电动汽车内，所述充电设备连接有输出电流能力被采集装置，所述充电接口连接有承受电流被采集装置，所述输出电流能力被采集装置和所述承受电流被采集装置分别连接至所述电池管理系统，所述充电设备、所述充电接口和所述纯电动汽车之间还连通设有导体接地线。

作为优选的技术方案，所述充电设备设置为充电桩，所述充电桩内设有充电桩控制装置，所述充电桩控制装置包括所述输出电流能力被采集装置。

作为优选的技术方案，所述输出电流能力被采集装置包括连接在所述充电桩控制装置的电压输出端上的开关S1，所述开关S1串接有采集电阻R1，所述采集电阻R1的输出端通过所述充电接口分别连接至所述电池管理系统和设于所述纯电动汽车内的采集接地装置，所述采集电阻R1的输出端还直接连接至所述充电桩控制装置，所述开关S1和所述采集电阻R1设于所述充电桩内。

作为优选的技术方案，所述充电桩控制装置上电压输出端的输出电压为12V。

作为优选的技术方案，所述采集接地装置包括与所述采集电阻R1的输出端连接的接地电阻R2，所述接地电阻R2通过接地开关S2连接至所述纯电动汽车内的所述导体接地线，所述接地电阻R2的输入端和所述接地开关S2的输出端之间并联有分压电阻R3。

作为优选的技术方案，所述充电接口设置为充电枪，所述承受电流被采集装置设于所述充电枪内，所述承受电流被采集装置包括连接在所述充电枪内的所述导体接地线上的采集电阻RC，所述采集电阻RC的输入端串联有微动开关S3，所述采集电阻RC的输出端连接至所述电池管理系统，所述微动开关S3两端并联有分压电阻R4。

本发明还公开了纯电动汽车用高效充电控制装置的控制策略，包括以下步骤，

步骤一、所述电池管理系统采集所述充电设备输出的PWM信号的占空比D；

步骤二、所述电池管理系统计算所述充电设备的交流电流输出能力值I_ACmax(CP)，计算公式为：

I_ACmax(CP)＝D*100*0.6，

D——所述充电设备的PWM信号占空比，10％≤D≤85％；

步骤三、所述电池管理系统采集所述充电接口内的所述采集电阻RC的阻值，并确定所述充电接口的电流耐受限值I_ACmax(CC)，两者的对应关系如下：

所述充电接口的RC阻值为1.5kΩ时，所述电流耐受限值I_ACmax(CC)的值为8A；

所述充电接口的RC阻值为680Ω时，所述电流耐受限值I_ACmax(CC)的值为13A；

所述充电接口的RC阻值为220Ω时，所述电流耐受限值I_ACmax(CC)的值为32A；

步骤四、所述电池管理系统通过比较所述交流电流输出能力值I_ACmax(CP)和所述电流耐受限值I_ACmax(CC)，确定最大交流充电电流值I_ACmax，确定公式为：

I_ACmax＝min(I_ACmax(CP)，I_ACmax(CC))；

步骤五、所述电池管理系统根据所述最大交流充电电流值I_ACmax，确定电池需求充电电流I_DCmax，计算公式为：

I_DCmax＝I_ACmax*V_AC*η/V_DC-I_预留，

V_AC——所述充电机的输入电压，所述充电机的输入电压信号通过报文由CAN总线传送至所述电池管理系统；

V_DC——所述充电机输出的实时总电压，所述充电机的输出电压信号通过报文由CAN总线传送至所述电池管理系统；

η——所述充电机效率；

I_预留——电流预留值；

步骤六、所述电池管理系统将计算获得的所述电池需求充电电流I_DCmax通过报文由CAN总线传送至所述充电机，由所述充电机根据接收到的报文调整输出电流向所述电池充电。

作为对上述技术方案的改进，所述步骤五中，所述电池管理系统未收到V_AC值或收到V_AC值低于150V时，V_AC的实际取值为150V；所述充电机效率η取值为93％；电流预留值I_预留取值为0.5A。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：在保证了充电设备不会过载的情况下，将充电设备的最大输出能力充分发挥利用，在电池电量低、电压低时，采用较大电流进行充电，等电量慢慢增加、电压升高后，逐步降低充电电流，实现了近似于恒功率的实时变流充电，保证了最大充电功率，节省了充电时间，同容量电池充电时间能够缩短近五分之一，从而提高了充电能量转化效率。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例的电路原理图；

图2是本发明实施例的充电流程图；

图中：1-充电设备；2-充电接口；3-充电机；4-电池；5-CAN总线；6-电池管理系统；7-导体接地线；8-充电桩控制装置；9-剩余电流保护装置；10-纯电动汽车。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1和图2所示，纯电动汽车用高效充电控制装置，包括充电设备1、充电接口2、充电机3(即图2中的OBC)和电池4，所述充电接口2电连接于所述充电设备1与所述充电机3之间，所述充电机3电连接至所述电池4，所述电池4连接有电池管理系统6，所述充电机3通过CAN总线5与所述电池管理系统6通讯，所述充电机3、所述电池4和所述电池管理系统6分别设于纯电动汽车10内。通过所述充电接口2实现所述充电设备1与所述充电机3的连接，在所述电池管理系统6的控制下，完成所述电池4的电能补充。所述充电设备1和所述充电接口2也可以利用带缆上控制盒的充电枪来代替，在所述充电设备1、所述充电接口2和所述纯电动汽车10之间还连通设有导体接地线7，实现各部分的安全接地，使充电及使用更安全可靠。

本实施例中，所述充电设备1连接有输出电流能力被采集装置，所述充电设备1设置为充电桩，所述充电接口2连接有承受电流被采集装置，所述输出电流能力被采集装置和所述承受电流被采集装置分别连接至所述电池管理系统6。所述充电桩内设有充电桩控制装置8，所述充电桩控制装置8包括所述输出电流能力被采集装置，所述充电桩内还设有剩余电流保护装置9等结构，所述充电桩及其内部的所述充电桩控制装置8、所述剩余电流保护装置9均为本技术领域普通技术人员所熟知的内容，在此不再详细描述。具体地，所述输出电流能力被采集装置包括连接在所述充电桩控制装置8的电压输出端上的开关S1，所述开关S1串接有采集电阻R1，所述采集电阻R1的输出端通过所述充电接口2分别连接至所述电池管理系统6和设于所述纯电动汽车10内的采集接地装置，所述采集电阻R1的输出端还直接连接至所述充电桩控制装置8，该电压输出端的输出电压为12V，所述开关S1和所述采集电阻R1设于所述充电桩内。所述采集接地装置包括与所述采集电阻R1的输出端连接的接地电阻R2，所述接地电阻R2通过接地开关S2连接至所述纯电动汽车10内的所述导体接地线7，所述接地电阻R2的输入端和所述接地开关S2的输出端之间并联有分压电阻R3。

所述充电接口2设置为充电枪，所述承受电流被采集装置设于所述充电枪内，所述承受电流被采集装置包括连接在所述充电枪内的所述导体接地线7上的采集电阻RC，所述采集电阻RC的输入端串联有微动开关S3，所述采集电阻RC的输出端连接至所述电池管理系统6，所述微动开关S3两端并联有分压电阻R4。

本实施例充电时，所述电池管理系统6通过所述输出电流能力被采集装置采集所述充电桩的输出电流能力，所述电池管理系统6通过所述承受电流被采集装置采集所述充电枪的承受电流能力，所述电池管理系统6选择两个电流值中较小的一个数值，确定最大交流充电电流值，再依据所述电池管理系统6实时采集的所述充电机3的交流输入电压、直流输出电压(电池总电压)和充电效率，计算出电池4的实时充电需求电流，综合考虑采集精度和控制误差后，将电池4的实时需求充电电流发送给所述充电机3，所述充电机3执行输出，达到在充电过程中调整充电电流的目的，实现近似于恒功率的实时变流充电，既能节约充电时间还能保护充电设施。

本实施例中，纯电动汽车用高效充电控制装置的具体控制策略，主要包括以下步骤，

步骤一、所述电池管理系统6采集所述充电设备1输出的PWM信号的占空比D；

步骤二、所述电池管理系统6计算所述充电设备1的交流电流输出能力值I_ACmax(CP)，计算公式为：

I_ACmax(CP)＝D*100*0.6，

D——所述充电设备1的PWM信号占空比，10％≤D≤85％，

上述公式为电动车辆检测的占空比与充电电流限值的映射关系。当所述充电桩和所述充电枪确定后，在充电过程中所述充电桩的占空比D值也不会再变化了。

步骤三、所述电池管理系统采集所述充电接口内的所述采集电阻RC的阻值，并确定所述充电接口的电流耐受限值I_ACmax(CC)，两者的对应关系如下：所述充电接口的RC阻值为1.5kΩ时，所述电流耐受限值I_ACmax(CC)的值为8A；所述充电接口的RC阻值为680Ω时，所述电流耐受限值I_ACmax(CC)的值为13A；所述充电接口的RC阻值为220Ω时，所述电流耐受限值I_ACmax(CC)的值为32A。

步骤四、所述电池管理系统6通过比较所述交流电流输出能力值I_ACmax(CP)和所述电流耐受限值I_ACmax(CC)，确定最大交流充电电流值I_ACmax，确定公式为：

I_ACmax＝min(I_ACmax(CP)，I_ACmax(CC))，在充电过程中所述充电桩的占空比D值也不变，所述最大交流充电电流值I_ACmax不会变化。

步骤五、所述电池管理系统6根据所述最大交流充电电流值I_ACmax，确定电池4需求充电电流I_DCmax，计算公式为：

I_DCmax＝I_ACmax*V_AC*η/V_DC-I_预留，

V_AC——所述充电机3的输入电压，所述充电机3的输入电压信号通过报文由CAN总线5传送至所述电池管理系统6。所述电池管理系统6未收到V_AC值或收到V_AC值低于150V时，V_AC的实际取值为150V；此值为当前充电地点的电网电压，一般在整个充电过程中变化不大，但不同车辆在不同地点充电时此值会有不同，可根据电网电压进行适当调整。

V_DC——所述充电机3输出的实时总电压，所述充电机3的输出电压信号通过报文由CAN总线5传送至所述电池管理系统6。V_DC相当于电池4的总电压，在整个充电过程中此值为不断升高状态。

η——所述充电机3效率，所述充电机3效率η取值一般为93％，可具体依据实际充电机效率来定；

I_预留——电流预留值，即考虑采集精度，控制误差后的电流预留值，电流预留值I_预留取值一般为0.5A。

步骤六、所述电池管理系统6将计算获得的所述电池4需求充电电流I_DCmax通过报文由CAN总线5传送至所述充电机3，由所述充电机3根据接收到的报文调整输出电流向所述电池4充电。同时，所计算而来的I_DCmax还要满足不大于充电机电流和功率输出限值，例如，当前所述充电机3最大输出电流限值18A，最大输出功率6.6kw时，通过所述电池管理系统6的控制，使I_DCmax≤18A&I_DCmax≤6600W/V_DC，可依据不同的所述充电机3参数进行修改。

上述控制策略实施后，可大幅度节省充电时间，例如原来需要10小时才能充满电的，现在只用8.5小时即可充满；另外，还提高了充电能量转化效率，降低了车辆使用能耗，增强了市场竞争力；在调整车辆的充电控制策略时，只需修改车辆中所述电池管理系统6的程序即可，简单易行，对所有新能源车型都适用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.纯电动汽车用高效充电控制装置，包括充电设备、充电接口、充电机和电池，所述充电接口电连接于所述充电设备与所述充电机之间，所述充电机电连接至所述电池，所述电池连接有电池管理系统，所述充电机通过CAN总线与所述电池管理系统通讯，所述充电机、所述电池和所述电池管理系统分别设于纯电动汽车内，其特征在于：所述充电设备连接有输出电流能力被采集装置，所述充电接口连接有承受电流被采集装置，所述输出电流能力被采集装置和所述承受电流被采集装置分别连接至所述电池管理系统，所述充电设备、所述充电接口和所述纯电动汽车之间还连通设有导体接地线；

所述充电接口设置为充电枪，所述承受电流被采集装置设于所述充电枪内，所述承受电流被采集装置包括连接在所述充电枪内的所述导体接地线上的采集电阻RC，所述采集电阻RC的输入端串联有微动开关S3，所述采集电阻RC的输出端连接至所述电池管理系统，所述微动开关S3两端并联有分压电阻R4；

所述充电设备设置为充电桩，所述充电桩内设有充电桩控制装置，所述充电桩控制装置包括所述输出电流能力被采集装置。

2.如权利要求1所述的纯电动汽车用高效充电控制装置，其特征在于：所述输出电流能力被采集装置包括连接在所述充电桩控制装置的电压输出端上的开关S1，所述开关S1串接有采集电阻R1，所述采集电阻R1的输出端通过所述充电接口分别连接至所述电池管理系统和设于所述纯电动汽车内的采集接地装置，所述采集电阻R1的输出端还直接连接至所述充电桩控制装置，所述开关S1和所述采集电阻R1设于所述充电桩内。

3.如权利要求2所述的纯电动汽车用高效充电控制装置，其特征在于：所述充电桩控制装置上电压输出端的输出电压为12V。

4.如权利要求2所述的纯电动汽车用高效充电控制装置，其特征在于：所述采集接地装置包括与所述采集电阻R1的输出端连接的接地电阻R2，所述接地电阻R2通过接地开关S2连接至所述纯电动汽车内的所述导体接地线，所述接地电阻R2的输入端和所述接地开关S2的输出端之间并联有分压电阻R3。

5.如权利要求1所述的纯电动汽车用高效充电控制装置的控制策略，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、所述电池管理系统采集所述充电设备输出的PWM信号的占空比D；

步骤二、所述电池管理系统计算所述充电设备的交流电流输出能力值I_{ACmax（CP）}，计算公式为：

I_{ACmax（CP）}=D*100*0.6，

D——所述充电设备的PWM信号占空比，10%≤D≤85%；

步骤三、所述电池管理系统采集所述充电接口内的所述采集电阻RC的阻值，并确定所述充电接口的电流耐受限值I_{ACmax（CC）}，两者的对应关系如下：

所述充电接口的RC阻值为1.5kΩ时，所述电流耐受限值I_{ACmax（CC）}的值为8A；

所述充电接口的RC阻值为680Ω时，所述电流耐受限值I_{ACmax（CC）}的值为13A；

所述充电接口的RC阻值为220Ω时，所述电流耐受限值I_{ACmax（CC）}的值为32A；

步骤四、所述电池管理系统通过比较所述交流电流输出能力值I_{ACmax（CP）}和所述电流耐受限值I_{ACmax（CC）}，确定最大交流充电电流值I_ACmax，确定公式为：

I_ACmax=min（I_{ACmax（CP）}，I_{ACmax（CC）}）；

步骤五、所述电池管理系统根据所述最大交流充电电流值I_ACmax，确定电池需求充电电流I_DCmax，计算公式为：

I_DCmax=I_ACmax*V_AC*η/V_DC-I_预留，

V_AC——所述充电机的输入电压，所述充电机的输入电压信号通过报文由CAN总线传送至所述电池管理系统；

V_DC——所述充电机输出的实时总电压，所述充电机的输出电压信号通过报文由CAN总线传送至所述电池管理系统；

η——所述充电机效率；

I_预留——电流预留值；

步骤六、所述电池管理系统将计算获得的所述电池需求充电电流I_DCmax通过报文由CAN总线传送至所述充电机，由所述充电机根据接收到的报文调整输出电流向所述电池充电。

6.如权利要求5所述的纯电动汽车用高效充电控制装置的控制策略，其特征在于：所述步骤五中，所述电池管理系统未收到V_AC值或收到V_AC值低于150V时，V_AC的实际取值为150V；所述充电机效率η取值为93%；电流预留值I_预留取值为0.5A。