CN114643893A - 车辆中的能量存储器的充电系统和控制其的方法 - Google Patents

车辆中的能量存储器的充电系统和控制其的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及车辆中的能量存储器的充电系统和控制其的方法。充电系统包括：多个并联布置的充电开关单元，每个充电开关单元具有配置为被连接到公共充电端口的输入端和配置为被连接到能量存储器的输出端，并且包括被配置为控制从充电端口到能量存储器的电流的流动的接触器，该接触器被配置为具有可控制的接触力；测量设备，对于每个充电开关单元，该测量设备被配置为确定指示通过充电开关单元的电流路径中的电阻的参数；和充电控制单元，其连接到每个充电开关单元且被配置为，如果多个电流路径中任意两个电流路径之间的电阻差值高于预定的差值阈值，则控制在具有最低电阻的电流路径中的充电开关单元中的接触器的接触力以增加该电流路径的电阻。

Description

车辆中的能量存储器的充电系统和控制其的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制电动或混合动力车辆中的能量存储器的充电的充电系统以及一种用于控制这种充电系统的方法。
本发明能够被应用于重型车辆，如卡车、公共汽车和建筑设备。虽然将相对于卡车描述本发明，但本发明不限于该具体车辆，而是还可以被用于包括能量存储器的其他应用中。
背景技术
随着用于重型车辆(例如卡车、公共汽车和建筑设备等)的电动和混合动力驱动系统的发展，对能量存储器提出了要求，例如与汽车中相比具有更高容量的电池。特别是，高容量能量存储器的充电可能会使汽车中使用的传统充电系统变得紧张，而且车载充电配置可能需要适应重型车辆的高功率要求。
此外，对于重型车辆而言，减少车辆的停机时间更为重要，因为通常需要卡车和公共汽车等长时间运行并具有高可用性。因此，与具有内燃机的传统车辆相比，延长的充电时间将是竞争劣势。
因此，需要为重型车辆提供充电解决方案，其既能够改善诸如充电时间的充电特性，又能够处理高充电功率。
发明内容
鉴于车辆的充电系统的上述期望特性，本发明的一个目的是提供一种充电系统和一种用于控制充电系统对电动或混合动力车辆中的能量存储器进行充电的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于车辆中的能量存储器的充电系统。该充电系统包括：多个并联设置的充电开关单元，每个充电开关单元具有被配置为被连接到公共充电端口的输入端和被配置为被连接到能量存储器的输出端，其中，每个充电开关单元包括被配置为控制从充电端口到能量存储器的电流的流动的接触器，该接触器被配置为具有能够控制的接触力，并且其中，该接触器的电阻取决于接触力；测量设备，对于每个充电开关单元，其被配置为确定指示通过充电开关单元的电流路径中的电阻的参数；以及充电控制单元，其连接到充电开关单元中的每一个，并且被配置为，如果多个电流路径中任意两个电流路径之间的电阻差值高于预定的差值阈值，则控制在具有偏离电阻的电流路径中的充电开关单元中的接触器的接触力以平衡电流路径的电阻。
在所描述的充电系统中，充电开关单元在充电端口和一个或多个能量存储器之间提供多条并联充电路径，从而与仅使用一个充电开关单元的情况相比允许向电池提供更高的功率。并联布置的充电开关单元构成了模块化系统，其中，能够使用常规组件，并且其中，能够通过调整并联布置的充电开关单元的数量来容易地修改充电系统的总容量。充电开关单元可以作为单独的物理单元被提供，但是同样可以在单个封装或模块中布置两个或更多个充电开关单元。公共充电端口是车辆的充电端口，其被配置为被连接到外部充电基础设施，诸如充电站。
本发明基于以下认识：在充电端口与电池之间包括并联电流路径的充电系统中，希望能够处理电流路径中的不平衡以减少对于充电系统的组件的不均匀或夸大的损耗和/或损坏。流过不同电流路径的电流的不平衡能够导致对于充电开关单元和/或充电系统中的其他组件的损坏，并且因此检测和减轻这种电流不平衡很重要。
能够通过观察指示通过充电开关单元的电流路径中的电阻的参数来检测潜在有害的不平衡。基于观察到的参数，能够通过计算电阻直接估计或通过采用测量参数与电阻之间的已知关系间接估计电流路径中的电阻。为了确定系统中存在不平衡，检测多个电流路径中的任意两个之间的差异就足够了。因此，实际上，通过所有充电开关单元的电流路径被监控并相互比较。基于整体系统配置设置预定的差值阈值。
一旦检测到超过阈值的不平衡，能够控制接触器的接触力以平衡电阻。例如，在具有最低电阻即最高电流的电流路径中，能够控制接触器增加电阻，从而平衡通过充电开关单元的电流。通过平衡电流，能够防止对充电开关单元或充电系统的其他组件的损坏。替代地或组合地，能够控制具有最高电阻的电流路径的接触器以减小电阻以便平衡多个电流路径的电阻。
充电开关单元的接触器属于接触器电阻取决于施加的接触力的类型。此外，能够知道接触力和接触电阻之间的关系，使得能够通过控制接触力来定量地控制接触器的电阻。
根据本发明的一个实施例，接触器是包括线圈的电磁继电器，该电磁继电器被配置为具有与通过线圈的电流成比例的接触力。能够通过控制流向线圈的电流来控制接触力，从而控制通过接触器的电阻。接触器的不同配置是可行的，其中，接触力随着流向线圈的电流的增加而增加或减少。例如，可能使用弹簧加载的“常开”接触器在低电压或不施加电压的情况下实现一定的接触力。此外，在正常操作条件下并不总是希望施加尽可能高的接触力。因此，接触器能够以许多不同的方式被配置，同时仍然实现导致可控制的电阻的可控制的接触力的所描述的功能。
根据本发明的一个实施例，该接触器包括步进电机，并且其中，能够通过控制该步进电机的位置来控制接触力。通过控制步进电机的位置，能够分步控制接触力，从而控制通过接触器的电阻。
根据本发明的一个实施例，配置为确定指示电阻的参数的测量设备是电流计或电压计。测量设备还可以是配置为确定充电开关单元的温度的温度传感器。电流计可以是用于所有电流路径的公共电流计，其配置为测量通过充电开关单元中的每一个的电流，或者每个充电开关单元可以包括其自己的电流计和/或温度测量单元。温度测量单元可以是任何能够测量充电开关单元的温度的设备或单元，并且不应被限于任何特定的温度测量技术。还应当注意，电流计不必如此布置在充电开关单元内，电流计被布置为测量给定充电开关单元的电流路径中的电流就足够了。
根据本发明的一个实施例，充电控制单元还被配置为控制接触器的接触力以减小通过具有高于预定阈值温度的温度的任何充电开关单元的电流。因此，能够控制没有充电开关单元高于阈值温度。
根据本发明的一个实施例，充电控制单元还被配置为仅当通过充电开关单元的电流高于预定电流阈值时控制充电开关单元的接触器的接触力。通过充电开关单元的电流不平衡本身不一定有害，除非绝对电流水平达到某个水平。换句话说，如果绝对电流水平足够低，则能够允许不平衡持续存在。因此，即使不平衡可以指示充电系统中需要系统维护的故障，这样的不平衡也可能不是修改通过充电开关单元的电流路径的电阻的原因。一旦检测到超过电流阈值的不平衡，就可以采取措施来减少通过至少具有最高电流的充电开关单元的电流以防止对于有充电开关单元的损坏。
根据本发明的一个实施例，充电控制单元还被配置为针对于通过充电开关单元的每个电流路径确定电阻，并且如果任何一个电流路径中的电阻偏离其他电流路径中的电阻大于预定电阻阈值，则控制在具有偏离电阻的一个或多个电流路径中的接触器的接触力，以均衡所有电流路径的所述电阻。通常，期望使每个电流路径的电阻最小化以使系统中的热损失最小化，这意味着在正常操作条件期间将接触器设置在最小或零电阻。如果是这样，则通过根据需要增加所选择的接触器的电阻来实现平衡。然而，在某些应用中，接触器可能被设置在非零电阻值，在这种情况下，如果需要，能够通过降低电阻来实现平衡。对于接触电阻随着所施加的力的增加而减小的一些接触器，在正常操作条件下可能不期望施加太高的力，在这种情况下，如果需要，能够通过增加力来减小电阻。
根据本发明的一个实施例，电控制单元还被配置为选择一个电流路径的电阻作为参考电阻并将其他电流路径中的电阻与该参考电阻进行比较。该参考电阻可以例如是具有最高或最低电阻的电流路径，从而确保能够确定两个电流路径之间的最大差值。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制车辆中的充电系统的方法。该充电系统包括多个并联布置的充电开关单元，每个充电开关单元具有被配置为被连接到公共充电端口的输入端和被配置为被连接到能量存储器的输出端，其中，每个充电开关单元包括被配置为控制从充电端口到能量存储器的电流路径中的电流的流动的接触器，该接触器被配置为具有可控制的接触力。该方法包括：确定每个电流路径的电阻；以及，如果多个充电开关单元中任意两个之间的电阻差值高于预定的差值阈值，则控制在具有偏离电阻的电流路径中的充电开关单元中的接触器的接触力以平衡电流路径的电阻。
根据本发明的一个实施例，控制接触器的接触力包括控制向电磁继电器线圈供应的电流和/或控制接触器中步进电机的位置。因此存在控制接触力并由此控制充电开关单元的接触电阻的不同方式。接触器的接触力与电阻之间的关系可以是已知的，或者可以连续地确定电阻，使得能够使用反馈控制回路来控制接触力以达到期望的电阻。
根据本发明的一个实施例，该方法还可以包括：针对于通过充电开关单元的每个电流路径确定电阻；以及如果任何一个电流路径中的电阻偏离其他电流路径中的电阻大于预定阈值，则控制在具有偏离电阻的一个或多个电流路径中的接触器的接触力，以均衡所有电流路径的电阻。此外，该方法还可以包括选择一个电流路径的电阻作为参考电阻并将其他电流路径中的电阻与该参考电阻进行比较。
还提供了一种计算机程序，其包括用于当该程序在计算机上运行时执行上述实施例中的任一个的步骤的程序代码装置；以及一种承载计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括用于执行上述步骤的程序代码装置。
在以下描述和从属权利要求中公开本发明的进一步优点和有益特征。
附图说明
参考附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。
在图中：
图1是根据本发明实施例的充电系统的示意图；
图2是根据本发明实施例的充电系统的充电开关单元的示意图；
图3是根据本发明实施例的充电系统的充电开关单元的示意图；
图4是根据本发明实施例的充电系统中的充电开关单元的接触器的示意图；
图5是概述根据本发明实施例的方法的步骤的流程图；以及
图6是包括根据本发明实施例的充电系统的车辆的示意图。
具体实施方式
在本详细描述中，主要参考卡车中的充电系统来讨论根据本发明的用于车辆中的能量存储器的充电系统的各种实施例。然而应该注意的是，这绝不限制本发明的范围，因为所描述的发明同样适用于其他类型的车辆，例如小汽车、公共汽车和工程车辆。所描述的充电系统还可以被用于诸如船和轮船的海洋应用以及需要以高功率水平充电的其他应用，例如高容量电池。
图1示意性地图示了用于车辆中的能量存储器102的充电系统100。能量存储器102可以是卡车中的电池，并且由于为重型车辆提供动力所需的高容量电池，可能需要提供能够传输高充电功率以减少充电时间并由此增加车辆的正常运行时间的充电系统。
相应地，充电系统100包括多个并联设置的充电开关单元104a-d，每个充电开关单元104a-d具有：输入端106a-d，其被配置为连接至公共充电端口108；以及输出端110a-d，其被配置为连接到能量存储器102。在图2中更详细地图示了充电开关单元104，其中，能够看出，充电开关单元104包括被配置为控制从充电端口108到能量存储器102的电流的接触器200。充电开关单元104a-d能够被认为是相同的，尽管原则上可以使用具有不同特性的充电开关单元104。然而，通过使用相同的单元，制造、系统组装和维护被简化，因为对于具有不同电力传输能力的系统，充电系统100中的独特组件的数量能够保持相同。
在图1中，能量存储器102被图示为包括多个输入，每个输入用于每个充电开关单元104a-d。然而，取决于能量存储器的配置，经由相应充电开关单元104a-d的不同电流路径可以同样良好地被连接到能量存储器102的单个输入。原则上，与能量存储器的连接能够被配置为适合用于给定应用的特定能量存储器。
充电系统100还包括至少一个测量设备202，其被配置为确定指示通过每个充电开关单元104a-d的电流路径中的电阻的参数。在图2中，测量设备202被图示为欧姆计202，其被布置为测量通过充电开关单元104的电阻。然而，电阻也可以通过测量诸如电流电压和/或温度的参数来确定，如由图3的电压表300、电流表302和温度感测单元304所图示的电流电压和/或温度。在一些实施例中，可以假设去往和来自充电开关单元104的布线的电阻基本上恒定，并且电阻上的显著改变是由于充电开关单元104中的改变，特别是由于充电开关单元104的加热。然而，由于布线中的连接的特性的变化，诸如连接变得松动或腐蚀，也能够发生不平衡。
电压表300、电流表302和/或温度感测单元204可以被集成在充电开关单元104中，但是也可能与充电开关单元104分开提供它们。特别是只要能够测量通过充电开关单元104a-d的每个电流路径中的电流，电流表202就能够被定位在充电端口108与能量存储器102之间的任何地方。如果已知温度与通过充电开关单元104的电流之间的关系，则测量温度就足够了。电流与温度之间的关系可以例如基于数学模型或者可以从基于经验数据的查找表获知。因此，有多种不同的方式能够确定充电开关单元104的电阻。
此外，充电系统包括连接到充电开关单元104a-d中的每一个的充电控制单元116。控制单元116可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备。控制单元116还可以包括或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。在控制单元116包括诸如上述微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器的可编程设备的情况下，处理器还可以包括控制可编程设备的操作的计算机可执行代码。控制单元的功能也可以被分布在多个控制单元或电子控制单元(ECU)上。
充电控制单元116被配置为，如果估计出的多个电流路径中的任意两个之间的电阻差值高于预定的差值阈值，则控制具有偏差电阻的电流路径中的充电开关单元104a-d的接触器200的接触力以平衡电流路径的电阻。电流路径在此被描述为从公共充电端口108、通过一个充电开关单元104a-d并到达能量源的路径。应当说明的是，在具有不同系统配置的实施方式中，电流路径可以被描述为从充电开关单元104a-d的输入端104a-d到对应输出端110a-d的路径。
图4示意性地图示了用于两种不同接触力的示例接触器200。在第一位置400中，接触力低于在第二位置402中的接触力。对于较低的接触力400，接触面积较小，因此与接触面积被增加的较高接触力402相比，电阻较高，并且接触电阻因此被降低。因此，所描述的接触的一般关系是增加的接触力导致减少的接触电阻。在实践中，可以期望使用于正常操作的接触电阻最小化以使损失最小化，并且如果期望增加接触电阻则能够减小接触力。因此，每个充电开关单元104a-d包括用于控制接触器200的接触力的致动器。致动器可以例如是电磁继电器中的线圈，其中，接触力与提供给线圈的电流成比例，或者它可以是是步进电机，其中，接触力与电机的位置成比例。只要在施加的力与接触电阻之间存在可控制的关系，其他类型的接触器也是可行的。
对于图4中所图示的接触器类型，平衡电流路径的电阻可以例如包括识别具有比其他电流路径更低电阻的电流路径，并通过降低接触器的接触力来增加该电流路径的电阻。
图5是概述根据本发明实施例的控制充电系统100的方法的实施例的一般步骤的流程图。该方法包括：确定500通过充电开关单元104a-d的每个电流路径的电阻；并且如果通过充电开关单元104a-d的多个电流路径中的任意两个之间的估计的电阻差值高于预定的差值阈值，则控制502在具有偏离电阻的电流路径中的充电开关单元104中的接触器200的接触力以平衡电流路径的电阻。该方法能够由充电系统100的控制单元116执行。
图6示意性地图示了包括根据任何前述实施例的充电系统100的卡车600。车辆600被配备有外部可访问的充电端口108，用于将充电系统连接到充电站或能够为车辆电池充电的任何其他能源。其他充电类型也是可能的，诸如无线充电或接触式充电，例如借助于安装在车顶上的受电弓。
应当理解，本发明不限于上述和附图所图示的实施例；相反，技术人员将认识到在所附权利要求的范围内可以做出许多改变和修改。

Claims (15)

1.一种用于车辆(500)中的能量存储器(102)的充电系统(100)，包括：
多个并联设置的充电开关单元(104a-d)，每个充电开关单元具有被配置为被连接到公共充电端口(108)的输入端(106a-d)和被配置为被连接到所述能量存储器的输出端(110a-d)，其中，每个充电开关单元包括被配置为控制从所述充电端口到所述能量存储器的电流的流动的接触器(200)，所述接触器被配置为具有能够控制的接触力，并且其中，所述接触器的电阻取决于所述接触力；
测量设备(202)，对于每个充电开关单元，所述测量设备(202)被配置为确定指示通过所述充电开关单元的电流路径中的电阻的参数；以及，
充电控制单元(116)，所述充电控制单元(116)连接到所述充电开关单元中的每一个，并且被配置为，如果所述多个电流路径中任意两个电流路径之间的电阻差值高于预定的差值阈值，则控制在具有偏离电阻的电流路径中的充电开关单元中的接触器的所述接触力以平衡所述电流路径的所述电阻。
2.根据权利要求1所述的充电系统，其中，所述接触器是包括线圈(302)的电磁继电器(300)，所述电磁继电器被配置为具有与通过所述线圈的电流成比例的接触力。
3.根据权利要求1所述的充电系统，其中，所述接触器包括步进电机(310)，并且其中，通过控制所述步进电机的位置能够控制所述接触力。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的充电系统，其中，被配置为确定指示电阻的参数的所述测量设备是电流计或电压计。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的充电系统，其中，被配置为确定指示电阻的参数的所述测量设备是被配置为确定所述充电开关单元的温度的温度传感器。
6.根据权利要求5所述的充电系统，其中，所述充电控制单元还被配置为控制接触器的所述接触力以减小通过具有高于预定阈值温度的温度的任何充电开关单元的所述电流。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的充电系统，其中，所述充电控制单元还被配置为仅当通过所述充电开关单元的电流高于预定电流阈值时控制充电开关单元的接触器的所述接触力。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的充电系统，其中，所述充电控制单元还被配置为针对于通过充电开关单元的每个电流路径确定电阻，并且如果任何一个电流路径中的电阻偏离其他电流路径中的电阻大于预定电阻阈值，则控制在具有所述偏离电阻的所述一个或多个电流路径中的接触器的所述接触力，以均衡所有电流路径的所述电阻。
9.根据权利要求8所述的充电系统，其中，所述充电控制单元还被配置为选择一个电流路径的电阻作为参考电阻并且将所述其他电流路径中的电阻与所述参考电阻进行比较。
10.一种车辆(600)，包括根据前述权利要求中的任一项所述的充电系统。
11.一种用于控制车辆(500)中的充电系统(100)的方法，所述充电系统包括多个并联布置的充电开关单元(104a-d)，每个充电开关单元具有被配置为被连接到公共充电端口(108)的输入端(106a-d)和被配置为被连接到能量存储器(102)的输出端(110a-d)，其中，每个充电开关单元包括被配置为控制从所述充电端口到所述能量存储器的电流路径中的电流的流动的接触器(200)，所述接触器被配置为具有能够控制的接触力，并且其中，所述接触器的电阻取决于所述接触力，其中，所述方法包括；
确定(500)每个电流路径的电阻；以及
如果所述多个充电开关单元中任意两个之间的电阻差值高于预定的差值阈值，则控制(502)在具有偏离电阻的电流路径中的充电开关单元中的接触器的所述接触力以平衡所述电流路径的所述电阻。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，控制所述接触器的所述接触力包括控制向电磁继电器的线圈供应的所述电流。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，控制所述接触器的所述接触力包括控制在所述接触器中步进电机的位置。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，所述充电控制单元还被配置为控制所述接触力以减小具有高于预定阈值温度的温度的任何充电开关单元中的所述电流。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，还包括：
针对于通过充电开关单元的每个电流路径确定电阻；以及
如果任何一个电流路径中的电阻偏离其他电流路径中的电阻大于预定阈值，则控制在具有所述偏离电阻的所述一个或多个电流路径中的所述接触器的所述接触力，以均衡所有电流路径的所述电阻。
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