CN110303944A - 一种电动汽车快速充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车快速充电系统及方法，该系统包括动力电池组、电池管理系统、充电接口、充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组，通过结构变换继电器组中的多个结构变换继电器的闭合、断开状态组合改变动力电池组内电池单元的串并联结构，电池管理系统根据充电电压的上限控制充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组内各结构变换继电器的闭合、断开状态切换。通过改变动力电池组的串并联结构在在不提高充电电流的前提下有效提升充电功率，缩短了充电时间，同时提高了锂离子电池的寿命和安全性，减小了锂离子电池因大电流充电而造成的提前老化或过热现象发生的风险，实现动力电池组的安全、快速充电。

Description

一种电动汽车快速充电系统及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车快速充电系统及方法。

背景技术

电动汽车采用电动机作为驱动装置，由车载可充电蓄电池或其他能量储存装置提供能量，具有零排放、高效率、安静、运行平稳、驾驶操作容易、使用维护费用低和所需电能来源广泛等优点，因而在现有的新能源汽车技术中，被视为长期发展目标。

在电动汽车上常用的储能装置为蓄电池组(以下简称电池组)，常用的如锂离子电池模组等，但由于电池特性及充电设施限制，充电时间相对传统燃油汽车加油而言过长，因此限制了电动汽车的产业推广和应用，如何合理缩短电动汽车充电时间成为行业难题。

在满足电动汽车续驶里程性能要求的前提下，通常使用加大充电倍率的方式来缩短充电时间。电池快充时的充电电流为1C或2C，甚至能够达到5C甚至8C等，但充电时的电流除受电池本身性能及安全限制外，还受到充电机功率器件电流限制以及线缆、接插件、开关等器件的限制，过大的充电电流会导致充电系统过热、线缆增重、系统可靠性降低甚至带来安全隐患，因此充电装置的输出电流难以继续提升，充电时间较长。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出一种电动汽车快速充电系统及方法，通过结构变换继电器组改变动力电池组的串并联结构，在不改变充电电流限制的前提下采用提高充电电压的方法增大充电功率，实现电池组的安全、快速充电。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：

一种电动汽车快速充电系统，包括动力电池组和电池管理系统，所述动力电池组包括由若干充电电压上限固定的电池单元构建的串并联结构，其特征在于，还包括充电接口、充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组，所述充电正极继电器连接充电接口正极，所述充电负极继电器连接充电接口负极；

所述结构变换继电器组包括若干结构变换继电器，各结构变换继电器分布在充电正极继电器和动力电池组之间以及动力电池组内的串并联结构中，通过多个结构变换继电器的闭合、断开状态组合改变动力电池组内电池单元的串并联结构；

所述电池管理系统根据充电电压的上限控制所述充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组内各结构变换继电器的闭合、断开状态切换。

进一步地，所述系统特征在于还包括电流传感器或温度传感器，所述电流传感器检测充电系统的实时电流并将检测的数据发送至电池管理系统，所述温度传感器检测动力电池组实时温度并将检测的数据发送至电池管理系统。

进一步地，所述系统特征在于还包括保护继电器，所述保护继电器连接动力电池组和电动汽车用电组件。

进一步地，所述电动汽车用电组件包括驱动电机、电机控制器、车载充电机、DCDC转换器等电动汽车内所安装设置的用电装置。

一种使用如上所述电动汽车快速充电系统的电动汽车快速充电方法，包括如下步骤：

A.将某充电装置连接充电接口，充电系统与充电装置握手并获得充电装置电压范围，电池管理系统判断动力电池组常规充电电压上限、最大充电电压上限以及动力电池组实际工作电压是否匹配充电装置电压；所述动力电池组常规充电电压上限为动力电池组正常放电工作状态下达到的最大充电电压；所述动力电池组最大充电电压上限为动力电池组内电池单元最大可用串联状态下达到的最大充电电压；所述动力电池组实际工作电压为电池单元最大可用串联状态下的串联的电池单体数量计算得到的电压；

B.电池管理系统根据工作电压匹配判断结果选择合适的充电模式，所述充电模式包括普通充电模式、高压快速充电模式和混合快速充电模式；

C1.当电池管理系统判断充电装置电压大于动力电池组常规充电电压上限但小于动力电池组最大充电电压上限时，选用普通充电模式；当使用普通充电模式时，电池管理系统控制充电正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元保持正常放电状态下的串并联结构不变，此时充电装置以匹配动力电池组工作电压的标准电压对动力电池组进行充电直至充满；

C2.当电池管理系统判断充电装置电压大于动力电池组最大充电电压上限时，选用高压快速充电模式；当使用高压快速充电模式时，电池管理系统控制充电正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组各电池单元形成最大可用串联结构，串并联结构变化后的动力电池组工作电压升高，此时充电装置以升高后的动力电池组工作电压对动力电池组进行充电直至充满；

C3.当电池管理系统判断充电装置电压大于动力电池组实际工作电压但小于动力电池组最大充电电压上限时，选用混合快速充电模式；当使用混合快速充电模式时，电池管理系统控制充电正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统首先调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组各电池单元形成最大可用串联结构，串并联结构变化后的动力电池组工作电压升高，此时充电装置以升高后的动力电池组工作电压对动力电池组进行充电；随着充电过程进行，当动力电池组实际工作电压升高至超过充电装置电压时，充电装置电压无法满足动力电池组以快速模式充电，电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元转为正常放电状态下的串并联结构，此时充电装置以匹配动力电池组工作电压的标准电压对动力电池组进行充电直至动力电池组充满；

C4.当电池管理系统判断充电装置电压小于动力电池组常规充电电压上限时，直接结束充电过程。

D1.当使用普通充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，充电过程结束。

D2.当使用高压快速充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元转为正常放电状态下的串并联结构，充电过程结束。

D3.当使用混合快速充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，充电过程结束。

进一步地，所述步骤C2、C3还包括在充电过程中断开保护继电器，当充电结束后闭合保护继电器。

本发明的有益效果为：

采用本发明所述技术方案在充电时利用结构变换继电器组(简称构变继电器组)改变电池组原有的串并联结构，以匹配连接的充电桩的输出充电电压；在同样充电电流限制情况下，可提高动力电池组的充电电压，能够在不提高充电电流的前提下有效提升充电功率，缩短了充电时间，同时提高了锂离子电池的寿命和安全性，减小了锂离子电池因大电流充电而造成的提前老化或过热现象发生的风险；该充电拓扑不改变电池组原有排列结构，使用构变继电器组控制电池组串并联结构，在检测到连接的是高电压充电设备时，通过构变继电器组增加电池组的串联数，同时减少并联数，以提高电池组的工作电压，来适应充电设备的高电压输出，这样，在不超过许用充电电流的情况下，通过提高充电电压，显著提高了充电功率。该充电策略不改变充电桩输出功率及电流限制，通过调整电池组电压以匹配充电桩。

通过电池管理系统(BMS系统)控制构变继电器组闭合/断开状态改变可以提供多种充电模式使动力电池组同时适应普通充电装置与高压大功率充电装置，尤其是当充电装置提供电压不足以支撑电池充电电压上限的时候，前期采用高压快速充电，当充电装置电压与电池电压达到一致时，切换至普通充电模式，使充电形式更多元化、适用范围更广；通过增加保护继电器，使动力电池组充电过程中可以通过断开保护继电器实现电动汽车用电组件与电池组的完全隔离，保护用电组件不受充电高压影响，提高了充电的安全性，提高了纯电动汽车对远距离行驶的适应性；降低了纯电动汽车对一般充电基础设施的依赖性；使车辆的充电形式更加多元化。

附图说明

图1为本发明电动汽车快速充电系统的实施例结构示意图。

图2为本发明电动汽车快速充电方法的实施例充电模式选择工作流程示意图。

附图编号说明：1-BMS系统、2-充电接口、31-充电正极继电器、32-充电负极继电器、R1～R5-构变继电器、4-动力电池组、41-电池单元、5-保护继电器、6-电流传感器/温度传感器、7-用电组件。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。

实施例以一个由200个充电电压上限为4.2V电池单元组成的动力电池组为例。在常规放电工作状态下，该动力电池组内的电池单元串并联结构为两组各100个电池单元组成串联结构后再相互并联形成充电电压上限为420V的动力电池组(即电池组充电电压上限取决于串联结构的电池单元数量乘以单个电池单元的充电电压上限)，同时假设动力电池组与充电桩的充电电流上限均为120A。

本实施例的快速充电系统结构如附图1所示，包括电池管理系统(即BMS系统1)、充电接口2、充电正极继电器31、充电负极继电器32、由结构变换继电器(简称构变继电器)R1～R5组成的结构变换继电器组(简称构变继电器组)、动力电池组4、电池单元41，以及优选组件：保护继电器5、电流传感器/温度传感器6以及用电组件7。其中充电正极继电器、充电负极继电器一端分别连接充电接口正极、负极，另一端通过构变继电器组连接动力电池组；动力电池组与用电组件之间通过保护继电器相连接。各构变继电器R1～R5分布在充电正极继电器31和动力电池组4之间以及动力电池组4内的串并联结构中，通过多个构变继电器R1～R5的闭合、断开状态组合改变动力电池组4内电池单元41的串并联结构。在动力电池组常规放电工作状态下，构变继电器组中R1、R2、R5闭合同时R3、R4断开，形成两组各100个电池单元组成串联结构后再相互并联的电池组结构。

需要说明的是，除图1所示的结构外，本发明所述的结构变换继电器组中的结构变换继电器的数量和分布可以进行改变，可以更多或更少，只需将各结构变换继电器分布在充电正极继电器和动力电池组之间以及动力电池组内的串并联结构中，通过BMS系统控制多个结构变换继电器的闭合、断开状态组合改变动力电池组内电池单元的串并联结构，实现BMS系统根据工作电压匹配判断结果选择合适的充电模式，例如普通充电模式、高压快速充电模式和混合快速充电模式。

所述的普通充电模式是指：当动力电池组工作电压范围与充电桩规格相匹配时，电池组不需要进行串并联结构变换而采用的常规充电模式，充电正极继电器和充电负极继电器闭合，构变继电器组断开，BMS系统控制电池组在标准电压下充电。该运行模式下，电池组与充电桩连接完成后，充电桩以常规电压对电池组进行充电。

所述的高压快速充电模式是指：动力电池组与高压充电桩连接时所采用的模式，此时电动汽车正常工作电压范围远低于充电桩可支持的工作电压上限。该运行模式下，通过构变继电器组增加电池组的串联数，同时减少并联数，提高电池组工作电压，来适应充电设备的高电压输出，在动力电池组本身性能和安全限制范围内，以及充电系统(包括线缆、开关、继电器等)电流能力许用范围内，从而在不超过许用充电电流的情况下，有效提升充电功率。在该运行模式下，为实现电池组高电压充电情况下对车载高压系统其他元件的保护，除动力电池组外的其他高压部件全部进行断路隔离，主要包括：驱动电机，电机控制器，车载充电机，DCDC转换器等车载高压零部件。在该运行模式下，继电器由BMS系统进行控制，也可采用部分继电器由整车控制器控制，其他部分由电池管理系统控制，以降低因控制逻辑错误引起的整车安全风险。完成充电后，电池组恢复原有串并联结构，车辆可正常行驶。

所述的混合快速充电模式是指：电动汽车与充电桩相连接后，充电桩电压能够支撑电动汽车电池变结构后的部分充电需求，但低于电动汽车电池高压快速充电所需的最高电压，此时采用混合快速充电模式。该运行模式下，首先通过构变继电器组改变电池组内部原有串并联结构，提高电池组电压实现快速充电，充电过程中电池电压会持续升高，当充电设施不足以提供充电电压时，将电池组恢复原有串并联结构，此时按照普通充电模式完成电池充电。

对于附图1所示的快速充电系统，当选用普通充电模式时，BMS系统控制构变继电器组中R1、R2、R5闭合同时R3、R4断开，即与常规放电工作状态下动力电池组串并联结构状态相同，此时电池组充电电压上限为420V，理论最大充电功率为50.4kW。当选用高压快速充电模式时，BMS系统控制构变继电器组中R3、R4闭合同时R1、R2、R5断开，形成200个电池单元全部串联在一起的电池组结构，此时电池组充电电压上限为840V，理论最大充电功率为100.8kW。当选用混合快速充电模式，即充电桩电压大于当前所有200个电池单元串联在一起时的实际电压但小于最大可用串联状态下的充电电压上限840V时，首先采用高压快速充电模式，BMS系统控制构变继电器组中R3、R4闭合同时R1、R2、R5断开，形成200个电池单元全部串联在一起的电池组结构，此时电池组充电电压为200个电池单元串联在一起时的实际电压；随着充电过程进行当电池组充电电压达到充电桩电压时，切换为普通充电模式，BMS系统控制构变继电器组中R1、R2、R5闭合同时R3、R4断开，即与常规放电工作状态下动力电池组串并联结构状态相同，此时电池组充电电压上限恢复为420V，充电继续直至电池组充满。当使用高于动力电池组常规放电工作状态下的充电电压进行快速充电时，BMS系统控制保护继电器5(如图1中的R_P)断开，使用电组件与电池组隔离，保护用电组件不受充电高压影响；当使用动力电池组常规放电工作状态下的充电电压进行普通充电时，BMS系统可以有选择的控制保护继电器5(如图1中的R_P)断开，提高充电安全性。

本实施例所述系统充电模式选择的过程如附图2所示，其中充电桩电压上限UC_Max，普通充电模式下动力电池组充电电压上限U1_Max(在本实施例中为420V)，高压快速充电模式下动力电池组充电电压上限U2_Max(在本实施例中为840V)，高压快速充电模式下的当前时刻实际充电电压为U2_Now。首先充电系统在连接充电桩后与充电桩握手获取充电桩电压范围信息，即获得充电桩电压上限UC_Max。首先比较UC_Max与U2_Max，当UC_Max>U2_Max时，可全程采用高压快速充电模式进行充电；当UC_Max<U2_Max但U2_Now<UC_Max≤U2_Max时，采用混合快速充电模式；当UC_Max<U2_Max且U1_Max<UC_Max≤U2_Now时，采用普通充电模式；当UC_Max<U2_Max且UC_Max<U1_Max时，充电桩电压不匹配动力电池组常规充电电压，该充电桩不能对动力电池组进行充电。

本发明所提供的电动汽车快速充电系统以及采用该电动汽车快速充电系统的电动汽车快速充电方法，优点如下：采用构变继电器组进行电池组串并联结构变换，在不超过许用充电电流的情况下有效提升充电功率，缩短了充电时间；兼容普通充电桩与高压大功率充电桩；当充电机电压上限与电池上限不完全匹配时，采用混合快速充电策略，如果充电机电压不足以支撑电池充电电压上限的时候，前期采用高压快速充电，当充电机电压与电池电压达到一致时，切换至普通充电模式，使充电形式更多元化；保持了充电桩的最大许用充电电流不增大，即电池的充电电流不继续增大，最大程度的提高了锂离子电池的寿命和安全性，减小了锂离子电池因大电流充电而造成的提前老化或过热现象发生的风险；不增大充电桩的最大许用输出电流，而通过提高电池组充电电压的方式提高充电桩的输出能力，有效改善了充电系统的负载能力；在充电过程中将非电池组元件与电池组的高压连接全部断开，保持非电池组元件不通电，提高了车辆的充电安全性。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种电动汽车快速充电系统，包括动力电池组和电池管理系统，所述动力电池组包括由若干充电电压上限固定的电池单元构建的串并联结构，其特征在于，还包括充电接口、充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组，所述充电正极继电器连接充电接口正极，所述充电负极继电器连接充电接口负极；

所述结构变换继电器组包括若干结构变换继电器，各结构变换继电器分布在充电正极继电器和动力电池组之间以及动力电池组内的串并联结构中，通过多个结构变换继电器的闭合、断开状态组合改变动力电池组内电池单元的串并联结构；

所述电池管理系统根据充电电压的上限控制所述充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组内各结构变换继电器的闭合、断开状态切换。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括电流传感器或温度传感器，所述电流传感器检测充电系统的实时电流并将检测的数据发送至电池管理系统，所述温度传感器检测动力电池组实时温度并将检测的数据发送至电池管理系统。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括保护继电器，所述保护继电器连接动力电池组和电动汽车用电组件。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述电动汽车用电组件包括驱动电机、电机控制器、车载充电机、DCDC转换器。

5.一种使用权利要求1-4之一所述系统的电动汽车快速充电方法，包括如下步骤：

A.将某充电装置连接充电接口，充电系统与充电装置握手并获得充电装置电压范围，电池管理系统判断动力电池组常规充电电压上限、最大充电电压上限以及动力电池组实际工作电压是否匹配充电装置电压；所述动力电池组常规充电电压上限为动力电池组正常放电工作状态下达到的最大充电电压；所述动力电池组最大充电电压上限为动力电池组内电池单元最大可用串联状态下达到的最大充电电压；所述动力电池组实际工作电压为电池单元最大可用串联状态下的串联的电池单体数量计算得到的电压；

B.电池管理系统根据工作电压匹配判断结果选择合适的充电模式，所述充电模式包括普通充电模式、高压快速充电模式和混合快速充电模式；

C1.当电池管理系统判断充电装置电压大于动力电池组常规充电电压上限但小于动力电池组最大充电电压上限时，选用普通充电模式；当使用普通充电模式时，电池管理系统控制充电正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元保持正常放电状态下的串并联结构不变，此时充电装置以匹配动力电池组工作电压的标准电压对动力电池组进行充电直至充满；

C2.当电池管理系统判断充电装置电压大于动力电池组最大充电电压上限时，选用高压快速充电模式；当使用高压快速充电模式时，电池管理系统控制充电正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组各电池单元形成最大可用串联结构，串并联结构变化后的动力电池组工作电压升高，此时充电装置以升高后的动力电池组工作电压对动力电池组进行充电直至充满；

C3.当电池管理系统判断充电装置电压大于动力电池组实际工作电压但小于动力电池组最大充电电压上限时，选用混合快速充电模式；当使用混合快速充电模式时，电池管理系统控制充电正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统首先调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组各电池单元形成最大可用串联结构，串并联结构变化后的动力电池组工作电压升高，此时充电装置以升高后的动力电池组工作电压对动力电池组进行充电；随着充电过程进行，当动力电池组实际工作电压升高至超过充电装置电压时，充电装置电压无法满足动力电池组以快速模式充电，电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元转为正常放电状态下的串并联结构，此时充电装置以匹配动力电池组工作电压的标准电压对动力电池组进行充电直至动力电池组充满；

C4.当电池管理系统判断充电装置电压小于动力电池组常规充电电压上限时，直接结束充电过程；

D1.当使用普通充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，充电过程结束；

D2.当使用高压快速充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元转为正常放电状态下的串并联结构，充电过程结束；

D3.当使用混合快速充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，充电过程结束。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤C2、C3还包括在充电过程中断开保护继电器，当充电结束后闭合保护继电器。