CN114987233A - 一种低速电动车的充换电控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源电池及电力电子领域，其公开了一种低速电动车的充换电控制系统和控制方法。低速电动车具有更换掉亏电电池包后第一电池包和第二电池包，充换电控制系统包括：第一高压控制组件；第二高压控制组件；电池主控模块，根据第一电池包的第一电压、第二电池包的第二电压和用电负载设备的预充电压控制第一高压控制组件和第二高压控制组件的工作状态。通过上述技术方案实现了换电过程中不平衡电池包之间在并机时的小电流预充，达到电压平台一致，消除了换电动作时各电池包在存在较大电压差的情形下并机瞬间产生的电“打火”现象可能引发的安全隐患。

Description

一种低速电动车的充换电控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及新能源电池领域及电力电子领域，特别涉及一种低速电动车的充换电控制系统及控制方法。

背景技术

随着快递、外卖等即时配送行业的兴起及火爆，两三轮电动车成为外卖员等配送行业人员的必须品，低速电动车市场需求激增。但是，快递和外卖等即时配送行业需要不间断的续航，每天至少需要充电1～2次，虽然不少居民小区、写字楼、商场及工业园区都已安装了充电桩，但仍无法满足庞大的充电需求，并且楼道充电、“飞线”充电等违规充电行为频现，安全隐患巨大。

在这样的一个市场背景下，低速电动车“以换代充”的新充电模式开始走上风口，并在行业内引起了广泛的关注。所谓“以换代充”，其实就是电动车的换电，低速电动车的电池一般都很方便拆卸，一旦遇到电量不足的情况，如果附近有换电站的话，很容易就能更换一块充满电的电池，相比使用充电桩充满电，效率大大提高。“以换代充”这一新充电模式的出现，为低速电动车充电提供了更为快捷的选择，能很好满足特殊场景下的充电需求，使车主能享受到更加便捷的充电体验。

目前，低速电动车的动力源由电池包提供，电池包放置于电池仓内，由若干锂离子电芯串并联PACK成组，电度数一般在1～10KWh，工作电压等级依据具体车型和动力配置主要有24V、36V、48V、60V、72V、84V以及96V等几种，电池包内部装有电池采集模块（BMU，Battery Management Unit），用来实时监测各单体电芯的电压和温度信息；高压继电器、预充电阻、电池主控模块（BCU）以及分流器等装设在单独的高压箱（PDU）内，PDU提供多个电池包的动力输入接口，以及车载充电机（OBC）的充电输入接口和动力输出接口，允许多个电池包并联是为了增加电度数以便提高续航里程。然而，市场上低速电动车的充换电控制系统采用的电气方案主流还是以“电池硬切换”为主，即所有电池包共用一套高压继电器和预充电回路，各电池包的总正和总负分别采取直接并联的方式进行汇流，其电气方框图如图1所示，详细电气原理图如图2所示。

低速电动车现有的充换电控制系统采用多电池包冗余设计，既可以实现车载充电，又实现了“以换代充”的快速换电，缓解了低速电动车目前充电时间长和充电难的痛点，但是，因为各电池包采取的是“电池硬切换”的直接并联方式进行汇流，骑行人员在电池包亏电而需要更换满容量电池包的时候，就会发生电池包“打火”现象，这种“打火”现象是由于新旧电池包容量和电压差异过大导致，“打火”的实质是并联电池包之间产生了很大的并机环流，它会带来轻则高压器件和电气线路过电流损坏、烧蚀，重则引发电火，继而造成设备损毁和人身伤害的后果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种低速电动车的充换电控制系统及控制方法，实现换电过程中满容量电池包之间在并机时的“软切换”，彻底消除电“打火”现象引发的安全隐患。

一种低速电动车的充换电控制系统，所述低速电动车具有更换掉亏电电池包后的满容量的第一电池包和第二电池包，所述充换电控制系统包括：第一高压控制组件，包含第一放电主回路和第一预充电回路，所述第一放电主回路与所述第一预充电回路并联连接，所述第一放电主回路的输入端与所述第一电池包的总正极连接；第二高压控制组件，包含第二放电主回路和第二预充电回路，所述第二放电主回路与所述第二预充电回路并联连接，所述第二放电主回路的输入端与所述第二电池包的总正极连接，所述第二放电主回路的输出端与所述第一放电主回路的输出端连接，还与用电负载设备连接；电池主控模块，用于根据所述第一电池包的第一电压、所述第二电池包的第二电压和所述用电负载设备的预充电压控制所述第一高压控制组件和所述第二高压控制组件的工作状态。

在如上所述的充换电控制系统中，可选地，所述电池主控模块用于若所述第一电池包和所述第二电池包的电压差超过压差阈值，则使所述第一预充电回路和所述第二预充电回路闭合，所述第一放电主回路和所述第二放电主回路断开；若所述第一电池包和所述第二电池包的电压差不超过所述压差阈值，且所述预充电压达到所述第一电池包和所述第二电池包总电压中较高者的预充阈值，则使所述第一预充电回路和所述第二预充电回路断开，所述第一放电主回路和所述第二放电主回路闭合。

在如上所述的充换电控制系统中，可选地，所述压差阈值为0.5V，所述预充阈值为90%。

在如上所述的充换电控制系统中，可选地，所述第一放电主回路和所述第二放电主回路的电路结构相同，所述第一预充电回路和所述第二预充电回路的电路结构相同；所述第一放电主回路包括：主正继电器，所述第一预充电回路包括：预充电阻和预充继电器，所述第一预充电回路与所述主正继电器并联连接，所述主正继电器的一端作为所述第一放电主回路的输入端，并与所述第一电池包的总正极连接，所述主正继电器的另一端作为所述第一放电主回路的输出端。

另一方面提供了一种基于上述充换电控制系统的充换电控制方法，所述充换电控制方法包括：所述电池主控模块获取所述第一电池包的第一电压；获取所述第二电池包的第二电压；根据所述第一电压、所述第二电压和所述用电负载设备的预充电压控制所述第一高压控制组件和所述第二高压控制组件的工作状态。

在如上所述的充换电控制方法中，可选地，所述根据所述第一电压、所述第二电压和所述用电负载设备的预充电压控制所述第一高压控制组件和所述第二高压控制组件的工作状态，包括：若所述第一电池包和所述第二电池包的电压差超过压差阈值，则使所述第一预充电回路和所述第二预充电回路闭合，所述第一放电主回路和所述第二放电主回路断开；若所述第一电池包和所述第二电池包的电压差不超过所述压差阈值，且所述预充电压达到所述第一电池包和所述第二电池包总电压中较高者的预充阈值，则使所述第一预充电回路和所述第二预充电回路断开，所述第一放电主回路和所述第二放电主回路闭合。

在如上所述的充换电控制方法中，可选地，在所述电池主控模块获取所述第一电池包的第一电压和所述第二电池包的第二电压之前，所述充换电控制方法还包括：判断所述低速电动车的用电模式；若所述用电模式为换电模式，则执行步骤所述电池主控模块获取所述第一电池包的第一电压和所述第二电池包的第二电压。

在如上所述的充换电控制方法中，可选地，所述充换电控制方法还包括：

若所述用电模式为充电模式，则对充电控制导引信号进行检测，若检测到所述充电控制导引信号，则进入慢充电模式。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在PDU内将各电池包的高压控制组件分开配置，让各电池包拥有独立的高压继电器和预充电回路，在不增加高压继电器数量的情况下，通过BCU的控制逻辑实现了换电过程中满容量电池包之间存在电压差的情况下在并机时的小电流预充，最终达到电压平台一致，实现了并机时的“软切换”，彻底消除了换电动作时不平衡电池包在并机瞬间产生的电“打火”现象可能引发的安全隐患，具有较高的市场推广价值。

附图说明

图1为现有技术中提供的一种低速电动车广泛采用的充换电控制系统的结构示意图；

图2为现有技术中提供的一种低速电动车广泛采用的充换电控制系统的电气原理图；

图3为本发明实施例提供的一种低速电动车的充换电控制系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种低速电动车的充换电控制系统的电气原理图；

图5为本发明实施例提供的一种低速电动车的充换电控制系统的控制逻辑流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

低速电动车通常指电动自行车、电动摩托车、电动三轮车、电动四轮车，电压平台一般在100V以下，为了增加续航里程，低速电动车通常配有多个电池包，例如两个电池包，其分别为第一电池包（或称1#电池包）和第二电池包（或称2#电池包）。第一电池包和第二电池包属于同等规格的电池包，通常采用相同的电芯，相同的串并联方式，相同的PACK工艺。当电池包处于亏电状态时，通过将亏电电池包从低速电动车的电池仓取出，并将满容量的电池包放进电池仓，实现电池包的更换。但随着长时间的使用，以及环境条件和司机驾驶习惯的差别，电池包会出现不同程度的容量衰减和老化，最终会导致各电池包容量、内阻、电压出现较大差异。为了消除在两电池包电性能不一致的情形下，强行并机所带来的“电打火”现象，参见图3-4，本发明实施例提供了一种低速电动车的充换电控制系统，其设置于PDU内，包括：高压控制组件和电池主控模块。

为每个电池包配置一个电池采集模块（Battery Management Unit，BMU）和高压控制组件，与第一电池包对应的是第一电池采集模块和第一高压控制组件，与第二电池包对应的是第二电池采集模块和第二高压控制组件，第一高压控制组件（或称1#高压控制组件）和第二高压控制组件（或称2#高压控制组件）的电路结构相同。

第一电池采集模块用于采集第一电池包的第一电压。第二电池采集模块用于采集第二电池包的第二电压。各高压控制组件包括：放电主回路和预充电回路。放电主回路具有主正继电器，主正继电器的一端作为放电主回路的输入端，并与电池包的总正极B+连接，主正继电器的另一端作为放电主回路的输出端，与用电负载设备连接。预充电回路与主正继电器并联连接，其由预充继电器和预充电阻组成，预充继电器与主正继电器的一端连接，预充电阻与主正继电器的另一端连接。两个主正继电器的另一端连接。各高压控制组件还包括分流器，其连接于用电负载设备和电池包的总负极B-。主正继电器的输出端作为高压箱的输出正极P+，分流器的一端作为高压箱的输出负极P-。

为了便于区别，与第一高压控制组件对应的是第一放电主回路和第一预充电回路，与第一放电主回路对应的是第一主正继电器K1，与第一预充电回路对应的是第一预充继电器K2和第一预充电阻R1。与第二高压控制组件对应的是第二放电主回路和第二预充电回路，与第二放电主回路对应的是第二主正继电器K3，与第二预充电回路对应的是第二预充继电器K4和第二预充电阻R2，第一主正继电器K1的另一端与第二主正继电器K3的另一端连接。

BCU作为充电控制系统的核心控制部件，其主要功能有五个：其一，接收来自于各电池包内BMU实时上传的电压和温度等模拟量信息；其二，根据采样数据，监控各电池包的充放电过程，防止电池出现过充电、过放电、过温、过流和短路等伤害性故障；其三，检测充电控制导引信号CC和CP，负责与OBC的交互通信，并执行预设的充电控制算法和流程，实现OBC对电动车的交流充电任务；其四，采样母线电流，进行电池的剩余电量（SOC）、健康状况（SOH）、功率状态（SOP）等核心算法估算；其五，在换电操作时，采样各电池包电池总压，执行各电池包的预充电逻辑，实现各电池包在并机动作时的小电流预充功能。

BMU取电自电池包本身，而BCU的供电来自于两方面：在放电状态下，由车载铅酸蓄电瓶供电，并被点火钥匙开关信号激活上电；在充电状态下，由OBC的辅助电源供电，并被CC或CP信号激活上电。BCU和BMU以及OBC之间采用CAN总线通信方式，抗干扰能力强，可靠性高。CAN总线通信属于差分通信，有两条通信线：CAN_H和CAN_L。另外，PDU上提供交流充电接口座，BCU支持充电控制导引信号CC或CP唤醒及其检测功能，满足相关要求，支持户外交流充电桩插枪充电，能够同时对各电池包进行交流充电，直至充满。

第一电池包和第二电池包的总正极、总负极分别经由PDU上的动力输入接口连接到PDU内的高压控制组件，经过高压继电器和预充电回路控制后汇流到一起，并通过动力输出接口连接至电机控制器（MCU），MCU将电池包直流电逆变成三相交流电后驱动电机工作。U、V、W为三相交流电的三相电极。

电池主控模块分别与第一电池采集模块、第一高压控制组件、第二电池采集模块、第二高压控制组件和用电负载设备连接，用于根据第一电压、第二电压和用电负载设备的预充电压控制第一高压控制组件和第二高压控制组件的工作状态，该工作状态包括：预充电工作状态和放电工作状态。

具体地，判断第一电池包和第二电池包的电压差与压差阈值的大小关系，若判断第一电池包和第二电池包的电压差超过压差阈值，则使第一预充电回路和第二预充电回路闭合，第一放电主回路和第二放电主回路断开，此时第一高压控制组件和第二高压控制组件的工作状态为预充电工作状态。

若判断第一电池包和第二电池包的电压差不超过压差阈值，且预充电压达到第一电池包或第二电池包总电压的预充阈值，则使第一预充电回路和第二预充电回路断开，第一放电主回路和第二放电主回路闭合，此时第一高压控制组件和第二高压控制组件的工作状态为放电工作状态。

压差阈值选择0.5V，其为100V以下电压平台电池包并机压差的常规选取值，属于安全阈值，如果选择更小的值，会导致预充电时间延长，延缓整车启动时间；预充阈值选择90%，也属于常规选取值。

基于上述的充换电控制系统，本发明实施例还提供了一种充换电控制方法，其包括：

电池主控模块获取第一电池包的第一电压；获取第二电池包的第二电压；根据第一电压、第二电压和用电负载设备的预充电压控制第一高压控制组件和第二高压控制组件的工作状态。

可选地，根据第一电压、第二电压和用电负载设备的预充电压控制第一高压控制组件和第二高压控制组件的工作状态，包括：

若第一电池包和第二电池包的电压差超过压差阈值，则使第一预充电回路和第二预充电回路闭合，第一放电主回路和第二放电主回路断开；若第一电池包和第二电池包的电压差不超过压差阈值，且预充电压达到第一电池包或第二电池包总电压的90%，则使第一预充电回路和第二预充电回路断开，第一放电主回路和第二放电主回路闭合。

可选地，在电池主控模块获取第一电池包的第一电压和第二电池包的第二电压之前，充换电控制方法还包括：判断低速电动车的用电模式；若用电模式为换电模式，则执行步骤电池主控模块获取第一电池包的第一电压和第二电池包的第二电压。

可选地，充换电控制方法还包括：若用电模式为充电模式，则对充电控制导引信号进行检测，若检测到充电控制导引信号，则进入慢充电模式。

参见图5，下面对本低速电动车的充换电控制系统的工作过程进行详细说明：

（1）如果低速电动车在行驶途中电池电量过低或已进入缺电状态，立即将车行驶至附近智能换电柜站点，熄火停车，打开电池仓，取出亏电电池包放入智能换电柜进行充电，同时从智能换电柜取出满容量电池包，装进电池仓内，确认电池高压可靠连接后，拧开钥匙开关，BCU低压上电。亏电电池包指的是电池包容量下降到电池电压欠压保护点附近，容量已经不具备带载能力，继续放电可能会导致电池过放电，满容量电池包容量为100%，一般当电池包容量低于10%时，表明电池包处于亏电状态。

（2）BCU检测1#电池包和2#电池包的电池总压，当两电池包的电压差超过0.5V时，进入预充电工作状态：BCU分别闭合第一预充继电器K2和第二预充继电器K4，1#电池包和2#电池包中电池总压高的对电池总压低的进行小电流预充，同时对用电负载设备，主要是电机控制器，进行预充电，预充电流=｜V_BAT1-V_BAT2｜／(R1+R2)，因为R1和R2具有一定阻值，所以预充电流即并机环流会被控制在较小的范围内。V_BAT1为1#电池包的电池总压，V_BAT2为2#电池包的电池总压，R1为第一预充电阻，R2为第二预充电阻。

（3）随着预充电的进行，两电池包压差逐渐减小，当压差低于0.5V，同时用电负载设备的预充电压达到第一电池包或者第二电池包电池总压的90%时，BCU分别断开第一预充继电器K2和第二预充继电器K4，结束预充电过程；然后，BCU再分别闭合第一主正继电器K1和第二主正继电器K3，两电池包并机汇流，完成高压上电，换电过程结束，电动车进入行车模式；

（4）在下班时间或者非工作时间段，可以将低速电动车行驶至附近设有交流充电桩的场所，利用交流充电桩对电池包进行插枪充电，BCU监测到充电控制导引信号CC、CP后，进入慢充电模式，并通过CAN总线与OBC交互通信，直至充满，交流充电时长一般为5～8小时。

针对目前市面上低速电动车的充换电控制系统广泛采用的“电池硬切换”的直接并联汇流方式所带来的电“打火”现象，本发明实施例提供的一种低速电动车的充换电控制系统及控制方法，通过在PDU内将各电池包的高压控制组件分开配置，让各电池包拥有独立的高压继电器和预充电回路，在不增加高压继电器数量的情况下，通过BCU的控制逻辑实现了换电过程中满容量电池包存在较大电压差的情形下在并机时的小电流预充，最终达到电压平台一致，实现了并机时的“软切换”，彻底消除了换电动作时不平衡电池包之间在并机瞬间产生的电“打火”现象可能引发的安全隐患，具有较高的市场推广价值。

本发明实施例提供的一种充换电控制方法既实现了对电池包的车载充电，又实现了“以换代充”的快速换电，同时消除了换电动作时各电池包在并机瞬间产生的电“打火”现象，杜绝了可能造成设备损毁和人身伤害的后果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低速电动车的充换电控制系统，所述低速电动车具有更换掉亏电电池包后的满容量的第一电池包和第二电池包，其特征在于，所述充换电控制系统包括：

第一高压控制组件，包含第一放电主回路和第一预充电回路，所述第一放电主回路与所述第一预充电回路并联连接，所述第一放电主回路的输入端与所述第一电池包的总正极连接；

第二高压控制组件，包含第二放电主回路和第二预充电回路，所述第二放电主回路与所述第二预充电回路并联连接，所述第二放电主回路的输入端与所述第二电池包的总正极连接，所述第二放电主回路的输出端与所述第一放电主回路的输出端连接，还与用电负载设备连接 ；

电池主控模块，用于根据所述第一电池包的第一电压、所述第二电池包的第二电压和所述用电负载设备的预充电压控制所述第一高压控制组件和所述第二高压控制组件的工作状态。

2.根据权利要求1所述的充换电控制系统，其特征在于，所述电池主控模块用于：

若所述第一电池包和所述第二电池包的电压差超过压差阈值，则使所述第一预充电回路和所述第二预充电回路闭合，所述第一放电主回路和所述第二放电主回路断开；

若所述第一电池包和所述第二电池包的电压差不超过所述压差阈值，且所述预充电压达到所述第一电池包和所述第二电池包总电压中较高者的预充阈值，则使所述第一预充电回路和所述第二预充电回路断开，所述第一放电主回路和所述第二放电主回路闭合。

3.根据权利要求2所述的充换电控制系统，其特征在于，所述压差阈值为0.5V，所述预充阈值为90%。

4.根据权利要求1所述的充换电控制系统，其特征在于，所述第一放电主回路和所述第二放电主回路的电路结构相同，所述第一预充电回路和所述第二预充电回路的电路结构相同；

所述第一放电主回路包括：主正继电器；

所述第一预充电回路包括：预充电阻和预充继电器，所述第一预充电回路与所述主正继电器并联连接，所述主正继电器的一端作为所述第一放电主回路的输入端，并与所述第一电池包的总正极连接，所述主正继电器的另一端作为所述第一放电主回路的输出端。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的充换电控制系统的充换电控制方法，其特征在于，所述充换电控制方法包括：

所述电池主控模块获取所述第一电池包的第一电压；

获取所述第二电池包的第二电压；

根据所述第一电压、所述第二电压和所述用电负载设备的预充电压控制所述第一高压控制组件和所述第二高压控制组件的工作状态。

6.根据权利要求5所述的充换电控制方法，其特征在于，所述根据所述第一电压、所述第二电压和所述用电负载设备的预充电压控制所述第一高压控制组件和所述第二高压控制组件的工作状态，包括：

若所述第一电池包和所述第二电池包的电压差超过压差阈值，则使所述第一预充电回路和所述第二预充电回路闭合，所述第一放电主回路和所述第二放电主回路断开；

若所述第一电池包和所述第二电池包的电压差不超过所述压差阈值，且所述预充电压达到所述第一电池包和所述第二电池包总电压中较高者的预充阈值，则使所述第一预充电回路和所述第二预充电回路断开，所述第一放电主回路和所述第二放电主回路闭合。

7.根据权利要求5所述的充换电控制方法，其特征在于，在所述电池主控模块获取所述第一电池包的第一电压和所述第二电池包的第二电压之前，所述充换电控制方法还包括：

判断所述低速电动车的用电模式；

若所述用电模式为换电模式，则执行步骤所述电池主控模块获取所述第一电池包的第一电压和所述第二电池包的第二电压。

8.根据权利要求7所述的充换电控制方法，其特征在于，所述充换电控制方法还包括：

若所述用电模式为充电模式，则对充电控制导引信号进行检测，若检测到所述充电控制导引信号，则进入慢充电模式。

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