CN113306413A - 一种适用于锂电池的具有通讯功能的直流充电器 - Google Patents

一种适用于锂电池的具有通讯功能的直流充电器 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种适用于锂电池的具有通讯功能的直流充电器，包括：输入电路、变换电路、输出电路、电压叠加模块、检测模块、控制电路以及通讯模块；变换电路用于根据控制电路的指令对输入电路输入的电压电流进行调节后发送至输出电路；电压叠加模块，用于将输出电路与外界直流稳压电源输入模块输入的电压进行串联叠加；检测模块与电压叠加模块相连，用于对电压和/或电流进行采样；控制电路，用于根据检测模块的检测结果以及通讯模块接收的信息对输出开关以及变换电路进行控制。本发明提供的直流充电器包括自身的电源并可以与外界稳压电源串联，将电压叠加后输出。这样的充电器能够灵活改变输出电压，以适应不同的电动汽车。

Description

一种适用于锂电池的具有通讯功能的直流充电器
相关申请
本发明为申请号2016107847643、申请日为2016年08月31日、发明名称为“一种电动汽车的通用充电器”的分案申请。
技术领域
本发明属于充电器领域，尤其涉及一种适用于锂电池的具有通讯功能的直流充电器。
背景技术
新能源电动汽车，对作为动力来源的电池包有电压和容量的要求，电池包往往由数千个单体电池，通过串并联组成。系统电压从几十伏到几百伏，电池组容量从几十KWH到几百KWH，各不相同。
现在的充电站(桩)是一台独立的专用设备，根据电动汽车的电池包电压，提供充电电压，根据电动汽车的电池组容量，提供充电电流。充电站或充电桩基本是一个针对某一特定电动汽车专用设备，适应性差，难以满足形形色色的电动汽车的充电要求。
而对于电动汽车，载重和速度各异，需要的电池包的电压和容量不同，很难统一。因此，现在很多的电动汽车找不到合适的充电设备，而不解决电动汽车的充电问题，电动汽车很难推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车的通用充电器(即具有通讯功能的直流充电器)，以解决现有技术中电动汽车的充电设备只针对某一类型的电动汽车，导致电动汽车充电不方便的问题。
本发明公开了一种具有通讯功能的直流充电器(即通用充电器)，所述充电器包括：
输入电路、变换电路、输出电路、电压叠加模块、检测模块、控制电路、以及通讯模块；
所述变换电路与所述输入电路相连，用于根据所述控制电路的指令对输入电路输入的电压电流进行调节后发送至所述输出电路；
所述电压叠加模块，用于将所述输出电路与直流稳压电源输入模块输入的电压进行串联叠加；
所述检测模块与所述电压叠加模块相连，用于对电压和/或电流进行采样；
所述控制电路，用于根据所述检测模块的检测结果以及所述通讯模块接收的信息对输出开关以及所述变换电路进行控制。
优选的，所述通讯模块用于接收发送来的充电网络连接完成的信息和电动汽车电池包的当前电压；
所述控制电路，用于在接收到所述充电网络连接完成的信息后不断提高自身电压直至叠加后的电压与所述电动汽车电池包的当前电压相等时，控制所述输出开关闭合。
优选的，所述通讯模块，用于接收发送来的初始充电电流；
所述控制电路，用于根据所述初始充电电流对所述变换电路进行控制，以按照所述初始充电电流对电动汽车进行充电。
优选的，所述控制电路，还用于在所述检测模块检测到自身的输出电压达到第一设定阈值时，发送降低输出电流的指令至所述变换电路，直至输出的电流为零时，控制所述输出开关断开并发送重新匹配充电网络的指令至所述通讯模块。
优选的，所述通讯模块，还用于接收发送来的减小电流第一指令；
所述控制电路，用于根据所述减小电流第一指令对所述变换电路进行控制以减小电流；
所述减小电流第一指令在所述电池包的任一单节电压达到第二设定阈值时生成，所述第二设定阈值不大于所述单体电池的充电终止电压。
优选的，所述通讯模块，还用于接收发送来的减小电流第二指令；
所述控制电路，用于根据所述减小电流第二指令对所述变换电路进行控制以减小电流；
所述减小电流第二指令在所述电池包的任一点的温度达到第三设定阈值时生成。
优选的，所述通讯模块，还用于接收发送来的充电终止指令；
所述控制电路，用于根据所述充电终止指令或在检测到充电电流为零时，控制所述输出开关断开。
优选的，所述变换电路包括移相桥软开关电路以及高频变压器。
优选的，所述输入电路包括三相交流输入单元和整流滤波电路；
所述输出电路包括同步整流滤波单元和直流输出单元。
优选的，所述通讯模块通过CAN总线进行通讯。
本发明通过提供一种电动汽车的具有通讯功能的直流充电器，该充电器包括自身的电源并可以将不同数量的外界稳压电源串联，将电压叠加后输出。这样的充电器能够灵活改变输出电压，以适应不同的电动汽车。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的电动汽车通用充电器的结构图；
图2是本发明实施例提供的通用充电器的一种具体结构；
图3是本发明实施例提供的电池包的电压示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
为使本发明更加清楚，首先对以下术语进行描述：
BMS：现在的电动汽车，作为动力来源的电池包，有数千个锂离子单体电池，通过串并联组成，锂离子电池的充电要求严格，过充和过放都有安全隐患，必须严格控制。所以，电动汽车的标准配置，都有一个电池管理系统BMS。BMS负责检测电池组电压，电池包内部的温度和单体(节)电压等电池参数。
充电终止电压：现在对电动汽车充电，是BMS预先人为设定充电终止电压，这个电压等于电池包串联的电池节数与单体电池的理论充电终止电压的乘积，为了防止过充，通常会留有一定余量，如电池厂家规定单体电池的充电终止电压是4.2V，BMS生产厂设定充电电压时，人为设定成4.1V，防止过充。假设电池包由100个单节电池串联而成，设定的充电电压为：100*4.1V＝410V，当电池充电到端电压到410V时，切断充电回路，防止电池过充。
充电电流：充电电流设定是BMS根据特定的电池包的容量，人为设定一个最大电流值，通常设定1C，完成充电的时间理论值1小时，超过这个电流的上限，切断充电回路。
本发明旨在提供一种电动汽车的通用充电器(具有通讯功能的直流充电器)，能够与不同数量的外界稳压电源模块串联，将自身电压与稳压电源模块电压叠加后输出，以满足不同电动汽车的充电需求。
如图1所示，为本发明提供的一种电动汽车通用充电器(具有通讯功能的直流充电器)的结构图，包括：
输入电路11、变换电路12、输出电路13、电压叠加模块15、检测模块16、控制电路17、通讯模块18。其相互间的连接关系如图所示。
所述变换电路12与所述输入电路11相连，用于根据所述控制电路17的指令对输入电路11输入的电压电流进行调节后发送至所述输出电路13。
所述电压叠加模块15，用于将所述输出电路13与外界直流稳压电源输入模块14输入的电压进行串联叠加。
所述检测模块16与所述电压叠加模块15相连，用于对电压和/或电流进行采样。
所述控制电路17，用于根据所述检测模块16的检测结果以及所述通讯模块18接收的信息对充电网络中的输出开关19以及所述变换电路12进行控制。具体的控制策略将在下文进行介绍。
可见，本发明的通用充电器包含电压叠加模块15，能够与外界稳压电源串联，将电压叠加后输出，同时，还可根据需要调整自身的电压，因而能够灵活调节最后的输出电压，以适应不同的电动汽车充电要求。
如图2所示，为本发明通用充电器(具有通讯功能的直流充电器)的一种具体结构，采用开关电源拓扑结构。
其中输入电路包括三相交流输入单元111和整流滤波单元112；变换电路包括电源管理模块121和高频变压器122；输出电路包括同步整流滤波单元131和直流输出单元132，控制电路为单片机171，通讯模块为CAN通讯模块181。除此外还包括直流稳压电源输入模块141，电压叠加模块151以及检测模块161。其中，上述电源管理模块121选用移相桥软开关电路。
结合电动汽车的充电场景，通讯模块主要与电池包内的BMS以及充电站的控制中心进行数据交换。以下以此为例，对本发明进行详细描述。
本发明给电动汽车充电的通用充电器(具有通讯功能的直流充电器)，与直流稳压电源串联，直流输出电压为40V～100V，电流和稳压电源的输出电流保持一致，保证系统具备同样的供电能力。
通用充电器(具有通讯功能的直流充电器)采用开关电源拓扑结构，输出电压与稳压电源电压叠加，检测模块检测叠加的总电压和电动汽车电池包当前电压进行对比，当两边电压相等时，控制电路闭合输出开关，避免瞬间大电流，对电动汽车锂离子电池和开关电源的冲击，实现0电流平稳过度。
稳压电源模块和通用充电器组成的充电网络与电动汽车连接以后，电动汽车电池包的BMS首先通过CAN总线发送电池包的规格型号，主要包括电池容量，电池充电终止电压，电池当前电压，电池包内最高温度等。报文在CAN控制器局域网网络上广播。
充电站控制中心收到这些信息，根据当前电压，选择稳压电源模块的数量和规格，匹配充当前电网络。根据电池包的容量，确定通用充电器的充电电流(参考稳压电源和通用充电器的额定电流)，根据电池包的充电终止电压，确定充电最后阶段的充电网络，为最后完成充电做准备。
充电网络接入通用充电器(具有通讯功能的直流充电器)以后，通用充电器的检测模块检测电动汽车电池包当前电压，并提升自身电压，当充电网络和自身的电压叠加后的总电压和电动汽车电池包当前电压相等的瞬间，通用充电器的控制电路即单片机闭合输出开关，实现0电流平稳过渡。随即开始加大电力开关器件的PWM开度，按照电动汽车BMS的电流命令，输出符合要求的电流给电动汽车充电。
充电过程中，电池包内电池并联形成的单节电压和温度都在上升，单节电压大于单体电池的充电终止电压，则为过充，锂离子电池不允许出现过充。当电池包内单节电压的最大值接近锂离子电池的单体电池充电终止电压时，BMS发出电流递减的第一指令，通用充电器通过通讯模块收到该命令，控制电路立刻发出减小电流递减5％～10％的命令给变换电路进行电流的调节。
如图3所示，BMS不断对电池包进行检测，40个单体电池并联，形成两个节点，这两个节点之间的电压，近似等于锂离子电池的单体电压(以下简称单节电压)。39个单节电压串联，叠加形成144V平台电压。
BMS对电池包内部的并联电池的39个节单节电压采样，39个单节电压之和，是电池包的总电压，BMS对采集到的39个单节电压进行比较，确定39个单节电压的最大值，当其中一个单节电压，接近电池生产厂规定的充电终止电压时，向通用充电器发出电流递减的命令。命令的格式必须统一，通用充电器收到CAN总线传送来的电流递减第一指令后，中止对电动汽车充电，停顿并减小充电电流，然后继续充电。递减的幅度和比例，由通用充电器控制。随着充电时间推移，单节电压继续上升，当单节电压的最大值，再次接近充电终止电压时，BMS再次发出“电流递减”命令。如此反复。
锂离子电池，在温度60℃以上进行充放电循环，会导致容量下降，寿命缩短，当电池包内的温度最大值接近55℃时，BMS发出电流递减的第二指令，通用充电器通过通讯模块收到该指令后，控制电路立刻发出减小电流的20％～30％的命令给变换电路进行电流的调节。
第一指令和第二指令两种递减的幅度不同，是因为第一种递减是消除极化，第二种递减受电池包热容量和温度惯性的影响，效果不同。
开关电源电压调整范围，受高频变压器的限制，有一定的范围，超过这个范围，电压提不上去。所以，当电动汽车的电池电压提高到超过通用充电器的电压调节范围后，需要充电站控制中心重新匹配充电网络。
首先，控制中心通过CAN总线，发出中止充电的命令，通用充电器的控制电路立即关断电力开关器件，停止供电。当充电网络输出电流为0时，通用充电器的控制电路控制切断输出开关，控制中心开始切换稳压电源的空气开关，重新匹配充电网络。一切操作智能化，自动化，耗时不超过10秒。充电网络匹配完毕，控制中心发出“开始充电”命令，通用充电器的通讯模块收到该命令后，开始检测电动汽车电池包当前电压和充电网络电压，当两边电压相等的瞬间，闭合充电总开关，重新开始充电。
结束充电有两种选择，第一种：充电站一般不需要将电池充到100％，当BMS检测到电池包的电量达到需要的比例时，下达充电终止的命令至通用充电器的通讯模块，此时控制电路控制输出开关断开。第二种：当电流多次递减，检测模块检测到充电电流小于充电终止电流时，控制电路控制输出开关断开，结束充电，这时的电池已经充饱。
锂离子单体电池充电终止电压4.2V，放电终止电压2.5V，100节单体电池串联，电压窗口为420V～250V，电压窗口170V，大巴车串联的单体电池还要多，窗口更大。选择适当的稳压电源堆叠，与通用充电器(直流充电器)配合，可以满足任何电压等级的电动汽车充电需求。
虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (9)

1.一种适用于锂电池的具有通讯功能的直流充电器，其特征在于，该充电器由开关电源模块和CAN通讯模块组成，具体包括：
输入电路、变换电路、输出电路、电压叠加模块、检测模块、单片机控制电路以及CAN通讯模块，其中，所述CAN通讯模块通过CAN总线进行通讯，所述通讯模块用于接收充电网络连接完成的信息和电动汽车电池包的当前电压；
所述变换电路与所述输入电路相连，用于根据所述控制电路的指令对输入电路输入的电压电流进行调节后发送至所述输出电路；
所述电压叠加模块，用于将所述输出电路与外界直流稳压电源输入模块输入的电压进行串联叠加，所述输出电路的输出电流与所述直流稳压电源的输出电流一致；
所述检测模块与所述电压叠加模块相连，用于对电压和/或电流进行采样；
所述控制电路，用于根据所述检测模块的检测结果以及所述通讯模块接收的信息对充电网络上的输出开关以及所述变换电路进行控制。
2.如权利要求1所述的直流充电器，其特征在于，所述控制电路还用于在接收到所述充电网络连接完成的信息后不断提高所述充电器的自身电压直至叠加后的电压与电动汽车电池包的当前电压相等时，控制所述输出开关闭合。
3.如权利要求1所述的直流充电器，其特征在于，所述通讯模块，用于接收初始充电电流；
所述控制电路，用于根据所述初始充电电流对所述变换电路进行控制，以按照所述初始充电电流对电动汽车进行充电。
4.如权利要求1所述的直流充电器，其特征在于，所述控制电路，还用于在所述检测模块检测到自身的输出电压达到第一设定阈值时，发送降低输出电流的指令至所述变换电路，直至输出的电流为零时，控制所述输出开关断开并发送重新匹配充电网络的指令至所述通讯模块。
5.如权利要求1所述的直流充电器，其特征在于，所述通讯模块，还用于接收减小电流第一指令；
所述控制电路，用于根据所述减小电流第一指令对所述变换电路进行控制以减小电流；
所述减小电流第一指令在所述电动汽车的电池包的任一单节电池的电压达到第二设定阈值时生成，所述第二设定阈值不大于所述单节电池的充电终止电压。
6.如权利要求1所述的直流充电器，其特征在于，所述通讯模块，还用于接收减小电流第二指令；
所述控制电路，用于根据所述减小电流第二指令对所述变换电路进行控制以减小电流；
所述减小电流第二指令在所述电池包的任一点的温度达到第三设定阈值时生成。
7.如权利要求1所述的直流充电器，其特征在于，所述通讯模块，还用于接收充电终止指令；
所述控制电路，用于根据所述充电终止指令或在检测到充电电流为零时，控制所述输出开关断开。
8.如权利要求1-7中的任一项所述的直流充电器，其特征在于，所述变换电路包括移相桥软开关电路以及高频变压器。
9.如权利要求1-7中的任一项所述的直流充电器，其特征在于，所述输入电路包括三相交流输入单元和整流滤波电路；
所述输出电路包括同步整流滤波单元和直流输出单元。
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