CN111497683A - 可实现双倍电池包电压的高压快充系统及其使用方法 - Google Patents

可实现双倍电池包电压的高压快充系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可实现双倍电池包电压的高压快充系统，包括型号相同的第一电池模块和第二电池模块、NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管，外接直流电源通过A端经电压放大器分别与NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管的G极电连接，第一电池模块的正极分别与第一PMOS管的S极和经B端与外接直流电源电连接，第一电池模块的负极分别与NMOS管的D极和第二PMOS管的S极电连接，第二电池模块的正极分别与NMOS管的S极和第一PMOS管的D极电连接；第二电池模块的负极与第二PMOS管的D极电连接；本发明通过莫斯管及其他元器件的结合系统实现电池包内电池双模块的串并联，从而具备自动高压快充功能。

Description

可实现双倍电池包电压的高压快充系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，具体涉及一种可实现双倍电池包电压的高压快充系统及其使用方法。
背景技术
随着社会进步，经济发展，环境，能源等方面的问题受到了社会大众的重视，人们意识到保护环境和可持续发展的重要性。随着新能源汽车的发展，续航500公里以上的纯电动车型已逐渐出现并成为市场主流，里程焦虑目前已得到较好的解决，而充电焦虑成为了亟待解决的难题。
纯电动乘用车大功率快速充电就是采用高电压、大电流，短时间内将电动汽车充满电。这一功能的实现在很大程度上决定了用车的便利性。仅就大功率快充而言，其功能实现的目标会对电动汽车的产品设计产生非常大的影响。
提升动力电池充电速度双条路径：增大电流，提升电压。功率电子方面，其核心是高耐压的功率器件，国内现阶段乘用车行业尚未普及高压大功率器件，因为其成本较高，可靠性也待验证，相关法律法规、试验标准也未健全。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种可实现双倍电池包电压的高压快充系统及其使用方法，通过莫斯管及其他元器件的结合系统实现电池包内电池双模块的串并联，从而具备自动高压快充功能
2、本发明提供了一种可实现双倍电池包电压的高压快充系统，其包括型号相同的第一电池模块和第二电池模块、NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管，外接直流电源通过A端经电压放大器分别与NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管的G极电连接，第一电池模块的正极分别与第一PMOS管的S极和经B端与外接直流电源电连接，第一电池模块的负极分别与NMOS管的D极和第二PMOS管的S极电连接，第二电池模块的正极分别与NMOS管的S极和第一PMOS管的D极电连接；第二电池模块的负极与第二PMOS管的D极电连接；第一电池模块的正极作为充电系统的正极输入端，第二电池模块的负极作为充电系统的负极输入端；
当系统为快充模式时，外接直流电源的输出A端和B端均输出高压直流电；NMOS管导通，第一PMOS管和第二PMOS管断开，第一电池模块和第二模块串联输出充电电压；
当系统为普通模式时，外接直流电源的输出B端输出高压直流电，外接直流电源的输出A端不输出高压直流电；NMOS管断开，第一PMOS管和第二PMOS管断开，第一电池模块和第二模块并联输出充电电压。
上述技术方案中，还包括电池管理系统BMS，电池管理系统BMS读取外接直流电源的电压范围、电流范围、输出最大功率以及第一电池模块的状态信息，根据读取的信号判断系统应用快充模式或者普通模式。
上述技术方案中，当外接直流电源的最大输出电压为第一电池模块的额定电压的两倍，外接直流电源的最大输出电流大于第一电池模块当前允许最大充电电流，电池管理系统BMS控制系统采用快充模式；其他情况下电池管理系统BMS控制系统采用普通模式。
上述技术方案中，还包括温度传感器和水冷系统，水冷系统作用于第一电池模块和第二电池模块；温度传感器用于检测第一电池模块和第二电池模块的实时温度，电池管理系统BMS通过温度传感器实时获取第一电池模块和第二电池模块，电池管理系统BMS根据第一电池模块和第二电池模块的实时温度信号控制水冷系统，保证第一电池模块和第二电池模块处于最佳充电倍率温度区间。
上述技术方案中，包括以下步骤：外接直流电源与A端和B端电连接后，电池管理系统BMS读取第一电池模块和第二电池模块低压信号和外接直流电源的状态信息；电池管理系统BMS根据读取的信号判断采取对应的充电模式；电池管理系统BMS根据确定的充电模式，选择是否由A端或者B端供电；充电完成后，外接直流电源与A端和B端断开电连接，第一电池模块和第二电池模块并联对外负载供电。
上述技术方案中，还包括以下步骤：电池管理系统BMS实时根据温度传感器检测到的温度信号判断第一电池模块和第二电池模块的电芯是否达到最佳充电倍率温度区间；如果电芯未达到最佳充电倍率温度区间，则电池管理系统BMS控制A端和B端的工作状态停止充电，电池管理系统BMS通过外接直流电源为水冷系统供电，水冷系统使第一电池模块和第二电池模块达到最佳充电倍率温度区间；如果电芯达到最佳充电倍率温度区间，则电池管理系统BMS控制A端和B端的工作状态，开始或者继续充电。
本发明包括电池模块、电池管理系统BMS、，电芯温度监控系统和MOS管组，可自动实现动力电池组内模块的串并联结构，从而进行双倍动力电池额定电压的高压快充。本发明提供了一种自动实现串并联结构，具有安全可靠，无风险的特点，当电池管理系统判断外接直流电源状态，通过外接输入电源的方式的变换和MOS组自动通断控制，实现两个电池模块的串联和并联，以实现快充模式和普通模式的切换。温度监控系统通过温度传感温度传感器检测动力电池组温度，将电池温度数据传输给BMS，当电池温度过低或过高时，由充电桩给水冷系统供电，将电池温度控制在最佳充电倍率温度区域内，在不超过电芯最大充电倍率下，提高充电电压缩短充电时间，保护电芯避免出现充电过热现象。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的系统图；
图2是本发明的充电逻辑流程图；
图3是本发明的电池温度控制逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
3、如图1所示，本发明提供了一种可实现双倍电池包电压的高压快充系统，其包括型号相同的第一电池模块M1和第二电池模块M2、NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管，外接直流电源通过A端经电压放大器分别与NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管的G极电连接，第一电池模块的正极分别与第一PMOS管的S极和经B端与外接直流电源电连接，第一电池模块的负极分别与NMOS管的D极和第二PMOS管的S极电连接，第二电池模块的正极分别与NMOS管的S极和第一PMOS管的D极电连接；第二电池模块的负极与第二PMOS管的D极电连接；第一电池模块的正极作为充电系统的正极输入端，第二电池模块的负极作为充电系统的负极输入端；
当系统为快充模式时，外接直流电源的输出A端和B端均输出高压直流电；NMOS管导通，第一PMOS管和第二PMOS管断开，第一电池模块和第二模块串联输出充电电压；
当系统为普通模式时，外接直流电源的输出B端输出高压直流电，外接直流电源的输出A端不输出高压直流电；NMOS管断开，第一PMOS管和第二PMOS管断开，第一电池模块和第二模块并联输出充电电压。
本发明还包括电池管理系统BMS，电池管理系统BMS读取外接直流电源的电压范围、电流范围、输出最大功率以及第一电池模块的状态信息，根据读取的信号判断系统应用快充模式或者普通模式。
上述技术方案中，当外接直流电源的最大输出电压为第一电池模块的额定电压的两倍，外接直流电源的最大输出电流大于第一电池模块当前允许最大充电电流，电池管理系统BMS控制系统采用快充模式；其他情况下电池管理系统BMS控制系统采用普通模式。
本发明还包括温度传感器和水冷系统，水冷系统作用于第一电池模块和第二电池模块；温度传感器用于检测第一电池模块和第二电池模块的实时温度，电池管理系统BMS通过温度传感器实时获取第一电池模块和第二电池模块，电池管理系统BMS根据第一电池模块和第二电池模块的实时温度信号控制水冷系统，保证第一电池模块和第二电池模块处于最佳充电倍率温度区间当环境温度满足快充条件时，直接进行充电，当环境温度过高或过低时，启动水冷系统，将电池包温度调节到电芯高倍率温度范围。
整个电池包额定电压为400V，分为两个均分的电池模块M1和M2，两个模块串联时，电压可达到800V，通过MOS管控制模块的串并联形式实现快充。例如由108个电芯单体组成2并联的电池系统，容量为80kWh，额定电压为400V，以2.9C倍率充电，使用直流高电压快充从10％充到80％仅需要15分钟。
充电时，控制器通过检测，若此时直流充电桩满足800V高压充电能力，则此时外接电源的A端通过电压放大器将电压800放大至810V以上，并分别将放大器输出信号输入到3个MOS管的G极。外接电源的B端接入第一电池分块M1回路，此时NMOS管输入D极电压与输入电压800V相同，其输出级接入第二电池模块M2，此时UG>UD，NMOS管导通；同理，第一PMOS1管G1极输入端电压为810V，S1级输入电压为800V，此时UG<UD，第一PMOS1管隔离；第二PMOS管G2极输入端电压为810V，S2级输入电压为800V，此时UG<UD，第二PMOS2管隔离。第一电池模块M1与第二电池模块M2完成串联系统，电池模块串联成一个高压800V电池组，外接电源(即充电桩)可对其进行双倍的高电压充电。
充电完成后，断开充电接口，A端和B端的外接电源电压为0V，MOS管G极端电压均为0V，NMOS管D极电压为第一电池模块负极电压V1，G端电压为0V，此时UG<UD，NMOS管断开；第一PMOS管S1极端电压为第一电池模块正极电压V2，G端电压为0V，此时UG<Us，第一PMOS管导通；第二PMOS管S2极端电压为第一电池模块负极电压V1，G端电压为0V，此时UG<Us，第二PMOS管导通。电池模块M1与M2并联，实现对外负载放电，拔枪后可自动实现并联模式，不需控制器进行判断，具有安全可靠的优点。
若充电桩输出电压不满足800V，此时不能进行800V高电压充电，按普通快充模式进行充电。充电桩供电400V，B端电压为400V，控制输入A端不供电，MOS管G极端电压均为0V，NMOS管D极电压为充电桩输出电压400V，G端电压为0V，此时UG<UD，NMOS管断开，两个PMOS管S极端电压为充电桩输出电压400V，此时UG>UD，PMOS管导通.电池模块M1与M2并联，实现对电池包的快充。
一种可实现双倍电池包电压的高压快充系统的使用方法，包括以下步骤：
1、带有本系统的电动汽车连接直流快充桩，完成握手动作，电池管理系统BMS获得充电桩电压范围，电流范围，输出最大功率，电池管理系统BMS读取电池包(第一电池模块和第二电池模块)低压信号，包括单体电压，总电压，电芯温度；
2、电池管理系统根据读取的信号判断能否进行快充，充电桩最大输出电压为第一电池模块和第二电池模块的额定电压的2倍，充电桩最大输出电流大于等于第一电池模块和第二电池模块的当前允许最大充电电流。充电桩不满足双倍高压条件时，进行普通快速充电；
3、当满足双倍电压快充条件时，A端和B端的输入电压均为第一电池模块的双倍额定电压，两个电池模块自动串联，实现快充功能。
4、当不满足双倍电压快充时，B端输入电压为第一电池模块的单倍额定电压，A端的输入电压为零，两个电池模块自动并联，实现单倍电压快充。
5、当充电完成后，充电桩输入电压为0V，MOS管识别输入信号，自动完成双电池模块的并联动作，拔掉充电枪后，进入行驶准备状态。
6、充电过程中，电池管理系统BMS实时根据温度传感器检测到的温度信号判断第一电池模块和第二电池模块的电芯是否达到最佳充电倍率温度区间；如果电芯未达到最佳充电倍率温度区间，则电池管理系统BMS控制A端和B端的工作状态停止充电，电池管理系统BMS通过外接直流电源为水冷系统供电，水冷系统使第一电池模块和第二电池模块达到最佳充电倍率温度区间；如果电芯达到最佳充电倍率温度区间，则电池管理系统BMS控制A端和B端的工作状态，开始或者继续充电。
本发明通过电芯温度监控系统控制电池温度，保证电池处于最佳充电倍率温度区间，由两个均分的电池模块组成，当快充时电池内模块通过MOS管组自动串联，满足快充条件，充电完成后电池模块通过MOS管组自动切换为并联完成对外负载输出。所述快充的系统及方法可实现自动控制快充时电池包模块的串并联，防止BMS出现错误通讯导致的充放电控制失效风险。通过使用MOS管的导通和隔离作用，插入高压输入电源后自动实现电池包高压快充，具有安全可靠的优点。本发明通过快充装置握手完成对双倍高电压快充条件的确认，满足双倍高电压时可进行双倍高电压快充，不满足时进行普通快充。本发明可在电池快充回路中省去正极快充继电器、负极快充继电器，降低成本。本发明在充电完成后，双电池模块自动并联，电池包内部继电器、保险、预充电阻，预充接触器等功能元器件在电池包额定电压条件下工作，而非双倍高电压平台。NMOS及PMOS管的不同组合形式均可实现通断功能，莫斯管及继电器的配合使用实现快充功能，及在系统原理图中增减其他元器件实现同样效果均属于要求范围。所述MOS管的选择及使用方式，包括系统连接方案可根据系统需求进行调整，本具体实施例仅是其中一种运用。系统中NMOS及PMOS管对换位置可通过回路调整，添加不同元器件而实现同样功能，本具体实施例只是其中一种运用，通过添加继电器的组合电路，从而进行判断控制等是其中的一种应用。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种可实现双倍电池包电压的高压快充系统，其特征在于包括型号相同的第一电池模块和第二电池模块、NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管，外接直流电源通过A端经电压放大器分别与NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管的G极电连接，第一电池模块的正极分别与第一PMOS管的S极和经B端与外接直流电源电连接，第一电池模块的负极(K)分别与NMOS管的D极和第二PMOS管的S2极电连接，第二电池模块的正极分别与NMOS管的S极和第一PMOS管的D极电连接；第二电池模块的负极与第二PMOS管的D极电连接；第一电池模块的正极作为充电系统的正极输入端，第二电池模块的负极作为充电系统的负极输入端；
当系统为快充模式时，外接直流电源的输出A端和B端均输出高压直流电；NMOS管导通，第一PMOS管和第二PMOS管断开，第一电池模块和第二模块串联输出充电电压；
当系统为普通模式时，外接直流电源的输出B端输出高压直流电，外接直流电源的输出A端不输出高压直流电；NMOS管断开，第一PMOS管和第二PMOS管断开，第一电池模块和第二模块并联输出充电电压。
2.根据权利要求1所述的可实现双倍电池包电压的高压快充系统，其特征在于还包括电池管理系统BMS，电池管理系统BMS读取外接直流电源的电压范围、电流范围、输出最大功率以及第一电池模块的状态信息，根据读取的信号判断系统应用快充模式或者普通模式。
3.根据权利要求2所述的可实现双倍电池包电压的高压快充系统，其特征在于当外接直流电源的最大输出电压为第一电池模块的额定电压的两倍，外接直流电源的最大输出电流大于第一电池模块当前允许最大充电电流，电池管理系统BMS控制系统采用快充模式；其他情况下电池管理系统BMS控制系统采用普通模式。
4.根据权利要求2所述的可实现双倍电池包电压的高压快充系统，其特征在于还包括温度传感器和水冷系统，水冷系统作用于第一电池模块和第二电池模块；温度传感器用于检测第一电池模块和第二电池模块的实时温度，电池管理系统BMS通过温度传感器实时获取第一电池模块和第二电池模块，电池管理系统BMS根据第一电池模块和第二电池模块的实时温度信号控制水冷系统，保证第一电池模块和第二电池模块处于最佳充电倍率温度区间。
5.基于权利要求4所述的可实现双倍电池包电压的高压快充系统的使用方法，其特征在于包括以下步骤：外接直流电源与A端和B端电连接后，电池管理系统BMS读取第一电池模块和第二电池模块低压信号和外接直流电源的状态信息；电池管理系统BMS根据读取的信号判断采取对应的充电模式；电池管理系统BMS根据确定的充电模式，选择是否由A端或者B端供电；充电完成后，外接直流电源与A端和B端断开电连接，第一电池模块和第二电池模块并联对外负载供电。
6.根据权利要求5所述的可实现双倍电池包电压的高压快充系统的使用方法，其特征在于还包括以下步骤：电池管理系统BMS实时根据温度传感器检测到的温度信号判断第一电池模块和第二电池模块的电芯是否达到最佳充电倍率温度区间；如果电芯未达到最佳充电倍率温度区间，则电池管理系统BMS控制A端和B端的工作状态停止充电，电池管理系统BMS通过外接直流电源为水冷系统供电，水冷系统使第一电池模块和第二电池模块达到最佳充电倍率温度区间；如果电芯达到最佳充电倍率温度区间，则电池管理系统BMS控制A端和B端的工作状态，开始或者继续充电。
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