CN1152813A - 电池充电装置和安装此装置的电动汽车 - Google Patents

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Abstract

电池充电单元配备一个充电控制单元，它除了对各电池组的充电功能外被设计用来执行至少下述功能中的一项：间歇模式，此模式将停止对各个电池组的充电；放电模式，此模式将从各个电池组中释放电能。电池充电单元通过充电控制单元控制对各个电池组充电，以预先设定的时间周期重复包括充电模式在内的至少两种模式，这些模式有充电模式、间歇模式和放电模式。此外，还要完成各个充电控制单元间的互控，使操作过程中，至少有一个电池组以预先设定的顺序被置于间歇模式。

Description

电池充电装置和安装此装置的电动汽车
本发明涉及一种连接电负载的电池充电装置，尤其涉及能够快速充电同时又减小尺寸的电池充电装置，还涉及安装此装置的电动汽车。
在技术上众所周知，电池在很短的间隔里被反复充电和间歇(resting)，就能实现用大电流快速充电，而不会使电池承受大的负担。
美国专利No.5,003,244公开“用于多个电池充电的电池充电器”，其中多个电池充电器分配给多个电池予以充电，为了使过充保护有效，各个电池组的每个充电电压保持一致。
用上面提到的脉冲式充电法可以缩短总的充电时间，因为允许大电流流过电池。但是，因为存在充电间歇，所以必须有一个瞬时大电流来补偿这个间歇时间。相应地，为了实现这种脉冲式充电法，能够供给大电流的电池充电器和允许流过这样大电流的电路是必不可少的。这使得这种脉冲式充电法存在一个问题：充电电路的尺寸增大，这是因为随着电流增大，电池充电器和电路的尺寸和重量也同时增大。
本发明的一个目的是提供一种电池充电装置，它能够快速充电而不增大相关的充电电路的尺寸。
本发明的另一个目的是提供一种安装了电池充电装置的汽车，它能够快速充电而不增大相关的充电电路的尺寸。
根据本发明，能够达到上述目的的电池充电装置包括：多个电气上彼此互连的电池组；  多个用于对各个电池组充电的电池充电单元；一个由来自电池组的能量驱动的电负载，其中，每个电池充电单元配备一个充电控制单元，它除了对相应电池组的充电模式操作功能外，被设计用来至少执行下述功能的一项：间歇模式，此模式将停止对相应电池组充电；放电模式，此模式将从相应电池组中释放电能。充电控制单元还用来控制对相应电池组充电，而以预先设定的时间周期重复包括充电模式在内的至少两种模式，这些模式中有充电模式，间歇模式和放电模式。充电控制单元还要完成各个充电控制单元间的相互控制，使得在操作过程中，至少有一个电池组以预先设定的顺序被置于间歇模式。
图1是根据本发明的电池充电装置和安装此装置的电动汽车的一个实施例图。
图2是图1中，时变信号发生器24的示范性输出的概图。
图3A和3B是从图2所示的信号发生器输出的时变信号的波形图。
图4A到4E是根据本发明的示范性电池充电电流的波形图。
图5A和5B是根据本发明和传统装置的电池充电电流的比较的波形图。
图6是根据本发明的安装了电池充电装置的电动汽车和燃料电池的另一个实施例图。
图7是根据本发明的安装了电池充电装置的电动汽车和发动机发电机(engine generator)的另一个实施例图。
下文将参照附图解说根据本发明的一个实施例，它应用在用于驱动电动汽车的电池充电装置上。
图1是根据本发明的电动汽车和电池充电系统的概要图。
附图中，数字1 0代表电动汽车，它包括用于驱动车轮的马达11，驱动马达11的逆变器12，用作逆变器12的驱动电源的多个电池组13，用于给电池组13充电的电池充电单元14，变压器15，它在把所加电压提高后供电给电池充电单元14，以及一个外部交流电源16，用于给变压器15提供最初的电流。
电池充电单元14由下述电路组成：转换电路17，它的每一个由一个充电控制装置(将在后面解释)控制，执行连接或切断变压器15的操作，整流电路18，充电电压控制电路19，每个这样的电路控制相应电池组13的充电电压，以及放电电压控制电路20。编号21是电流传感器，编号22是电压探测装置，编号23-a，23-b，23-c和23-d是充电控制装置，编号24是一个时变信号发生器，编号25是一个变频装置。
电动汽车10由马达11的动力驱动。来自各个电池组13的直流电经逆变器12转换成马达11可用的动力。在本实施例中，每个电池组13由多个电池串联而成，使用了4个电池组13，但是，电池组13的数量并不限制在4个，这些电池组13的连接也不限制于图示的串联方式。
在电池充电操作中，来自外部交流电源16的交流电被变压器15转换到适于给各个电池组13充电的电压。变压器15采用常见的变压器，有一对初级端子和多对次级端子。经变压器15转换后的电能由电池充电单元14控制成适于给各个电池组13充电的电压、电流，此后便对电池充电。变压器15和电池充电单元14由转换开关电路17连通或切断。从变压器15输出的交流电被各个整流器电路18整流，被各个充电电压控制电路19转变到适于充电的电压，用于对各个电池组13充电。
各个转换开关电路17，充电电压控制电路19和放电电压控制电路20都由各个相应的充电控制装置23-a，23-b，23-c和23-d控制。此外，为了监控各个电池组13的内部状况，各个充电控制装置23-a，23-b，23-c和23-d采集电流传感器21和电压探测装置22的各个输出。这些采集到的信号被用来实现恒压充电或恒流充电(将在后面解释)，也被用来探测各个电池组13的充满情况。例如，当某个电池组13的电压超过了预定电压时，就判定这个电池组13达到了充满状态。当某个电池组13被判定已经达到了充满状态时，充电控制装置23-a，23-b，23-c和23-d中相应的一个命令相应的转换开关电路17把电池充电单元14从变压器15上断开。
通常，充电电压控制电路19根据相应的电池组13的充电状况实行恒压充电或恒流充电。例如，要实行恒压充电，可以用斩波控制来控制充电电压控制电路19。此外，要实行恒流充电，通过引入一根电流控制线反馈电流传感器21的输出，来控制充电电压实现流过一个恒定电流。对这些控制，用通常的电路足够了，它们也被用于对放电电压控制电路20的控制。
时变信号发生器24向电池充电单元14发送时间参考信号(timereference signals)。对各电池组13充电是以预定的时间周期反复执行充电，放电和间歇，因此，电池充电单元14需要时间参考信号。因为这个原因，在本实施例中，电池充电单元14配有时变信号发生装置24。
此外，在本实施例中，出于安全原因，转换开关电路17和充电电压控制电路19由独立的电路实现，但是，充电电压控制电路19也能被用作转换开关电路17。
本发明的电路结构特点在于，多个电池被划分成多个电池组，多个电池组以分时方式被依次接到电池充电器上。因此，本发明所用的方法在下文被称作“分时转换开关充电方法”。
变频装置25把用作充电电源的交流电源的频率转换到高频。因为通常，依据频率变压器的尺寸能够缩小，所以本实施例中提供了变频装置25，它由通常的转换器和逆变器组合而成。
下文参照图2和下面的表1，解释充电控制装置23-a，23-b，23-c和23-d的典型操作。现在，假设电池充电方法是爆发式充电(burpcharglng)和恒流充电的组合。爆发式充电是众所周知的提高了充电效率的脉冲充电法，它在从充电周期到间歇周期的转换过程中有一个瞬间电池放电周期。此外，假设在爆发式充电法中充电周期等于间歇周期，放电周期与充电周期相比非常短，放电电流的绝对值与充电电流大体相同。
图2是时变信号发生装置24在上述预定条件下产生的信号的例子。在本实施例中，信号是从图2所示的两个引脚上出来的数字信号。两个引脚上的信号分别表示为bit0和bit1，按照图3A和3B所示的图形产生。这些信号被输出到图1所示的四个充电控制装置23-a，23-b，23-c和23-d。表1中确定了根据时变信号的变化划分的四种条件I到IV。充电控制装置23-a，23-b，23-c和23-d根据表1所示的各个条件改变它们的操作状态。
表1充电控制单元的操作
时变信号发生装置24的操作   bit1     B     1     1     0
  bit0     1     0     1     0
  条件     I     II     III     IV
充电控制装置23的操作   23-a 恒流充电模式 恒流充电模式 瞬间放电后间歇模式 间歇模式
  23-b 间歇模式 恒流充电模式 恒流充电模式 瞬间放电后间歇模式
  23-c 瞬间放电后间歇模式 间歇模式 恒流充电模式 恒流充电模式
  23-d 恒流充电模式 瞬间放电后间歇模式 间歇模式 恒流充电模式
根据表1中的操作，各个电池组13被供给如图4A到4D所示的电流。在这些附图中，横坐标表示时间，纵坐标表示流过各个电池组13的电流，用正方向表示每个电池组13的充电电流方向，用I表示充电电流的数值。
用4A到4D表示电池组1到4连续重复充电和放电。各个电池组1到4的间歇周期沿时间轴均匀分布，在各个操作状态下，4个电池组1到4中总有一个被置于间歇周期，或被置于瞬间放电周期。对图4A到4D所示的所有充电图形求和，除瞬间放电周期外，大约2I的充电电流流过整个电池组1到4，如图4E所示。
图5A同图4E。图5B是传统的恒流爆发式充电法的整个充电电流的波形图，它不具备本发明中的分时转换充电功能，加进这个图是为了与本发明比较和解释本发明的优点。
当假定电池充电效率是100％时，电池的充电量通常表示为∫idt，其中i是充电电流，t是时间。假定按照图5A所示的充电方法完成充电的整个时间为T，全部充电量就是2I×T，因为当忽略在瞬间短周期内的放电时，整个电池组1到4的充电电流取作2I。
当用传统的恒流爆发式充电法对整个电池组充电时，如图5B所示的充电电流流过整个电池组，其中充电周期和间歇周期的比例也假定为1∶1。在这种情况下，如果要求在相同的时间T内完成充电，就必须流过4I的充电电流，从图5B可以看出这一点。
为了实现这样随时间剧烈变化的电流，首先考虑在相关电路中引入电感线圈和电容，但是，在要求大电流的电动汽车中，就要求引入特别大的电感线圈和电容，这对客车是不合适的。因为这个原因，直到现在，对爆发式和脉冲式充电法，要求有足够容量的电池充电器。
电池充电器和相关电路的尺寸和重量通常随所通过的电流而增加，因此，可以理解，要求较小电流的本实施例，有减小电动汽车及其电池充电器的尺寸和重量的优点。
为了解释本发明的原理和功效，一个简单地爆发式充电法和恒流充电法被结合进根据本发明的分时转换开关充电法，然而，即使采用一个更复杂的充电控制，分时转换开关充电法与传统方法相比在减小尺寸上也更优越。在分时转换充电法中，电池被划分成多个组，在某个电池组的间歇周期，另外一个电池组在充电，使得对所有电池组而言，不存在共同的间歇周期。由此，对整个电池组，根据本发明的分时转换充电法的瞬时充电电流，与脉冲充电法相比，必然减少，因此，如果充电时间设为一定，用分时转换充电法的充电器的尺寸就比用传统方法的要小。
在上述实施例中说明了采用爆发式充电法的分时转换充电法。但是，分时转换充电法可能以脉冲式充电法实行，其中，为了简化结构，充电中的瞬间放电周期被忽略。此外，充电控制装置23可以很容易的改作利用电压探测装置22的输出实行恒压控制。
由上述可知，根据本发明的本实施例的分时转换充电法实现了适于快速充电的脉冲式充电和爆发式充电，而不增加相关电池充电器的尺寸。也减小了安装此快速充电电池充电器的电动汽车的尺寸和重量。
利用根据本发明的分时转换充电法的特点，来组装一个先进的装有燃料电池的电动汽车。图6是根据本发明安装燃料电池的电动汽车的实施例的组成图。
在本实施例中，编号31代表一个燃料电池，编号32代表一个直流-交流转换装置。燃料电池31的电能由直流-交流转换装置32转换成交流电，送往变压器15，在那儿转换成适于给电池组13充电的电压。在本实施例中，变压器15采用这样的变压器：有一个初级线圈，4个与初级线圈隔离的次级线圈。变压器15的输出被送到电池充电单元14，其中输出被转换成适于充电的电压-电流图形，用来对电池组13充电。
在本实施例中，燃料电池31的输出电压定为20V，电动汽车驱动线路电压定为336V。每个电池组由7个电池串联而成，四个电池组，每个84V，串联得到336V的电动汽车驱动线路电压。
本实施例涉及到一个混合电源型电动汽车，要在电动汽车10上安装一个燃料电池和电池组做为它的能源。通常，燃料电池单位重量贮藏着大量能量，但是很难跟上要求的瞬时功率波动。这是因为，燃料氢和氧以气体形式供给，即时控制这些气体的流速以满足要求产生的电功率是很困难的。因此，仅用燃料电池作电动汽车的主电能供应源是不方便的。相反的，与燃料电池相比，电池能轻易的跟上要求的瞬时功率波动，但是单位重量的电池贮藏的能量少。因此，在本实施例中，主要的电能存储在燃料电池31中，电池组13不断的被燃料电池31的电能充电。逆变器12的能量供应由电池组13完成，就有可能满足当电动汽车要求爬山坡时，或要求突然加速时所产生的对突发大电流的要求。
下文将解释根据本发明的充电方法应用在上述的使用燃料电池的混合电源型电动汽车上的优点。
电动汽车10行驶时，电池组13消耗能量。电池组13必须在行驶中在小负载情况下快速充电，因此，上面提到的脉冲式充电法和爆发式充电法很合适。但是，如果电池以传统的方式全都作脉冲式充电或者爆发式充电，充电电流将如联系图5B所示的说明那样突然变化。如上解释，燃料电池不能满足上述充电电流的突然变化。因此，用熟知的便于快速充电的脉冲式充电或爆发式充电，这被认为有快充优势，是有困难的。
但是，根据本发明，瞬时充电电流通过转换操作加以分配，因此，如图5A所示在整个充电操作中，充电电流大体保持恒定，本发明的特征是能很方便的弥补诸如燃料电池这样的电能存储装置很难适应即时电功率波动的缺点。
上面是一个将本发明应用于安装了燃料电池的电动汽车的实施例。根据本发明的电池充电装置也能应用在发动机-电池混合型电动汽车上。图7是应用了本发明的发动机-电池混合型电动汽车的实施例图。在本实施例中，编号30代表发动机-电池混合型电动汽车。编号33代表发动机，编号34代表发电机。发动机33带动发电机34旋转，向变压器15输出电能。
在本实施例中，电池用作辅助能源，在诸如加速和爬坡等需要瞬时大电流时起动。为了减小所讨论的电动汽车的尺寸，最好使电池的容量限制在满足要求的最低水平，并且当发动机33有过剩能量时能在短时间内快速充电。
此外，由于热机的效率和材料消耗极大地受运转条件的影响，因此，最好使热机在最大效率运转点和最小消耗运转点附近以大体恒定速度运转。
在本实施例中，如图1实施例所示的变频装置25被省略了。这是因为由发动机发电机34产生的交流电的频率可以认为足够高。例如，假定内燃机的正常转速是6000rpm，发动机发电机34的磁极对数是8，所发交流电的频率是800Hz，那么，用在本实施例中的变压器的尺寸能被足够减小，因为变压器的工作频率与50～60Hz的商业电频率相比已足够高。
另一方面，如果内燃机使用在低转速运转条件下，所发交流电频率会降低到与商业电频率相当的水平，因此会增大相关变压器的尺寸。在这种情况下，为了减小相关电池充电器的尺寸，提供变频装置25是有益的。
在根据本发明的本实施例中，即使在采用适于快速充电的脉冲式充电和爆发式冲电时，电能的波动也非常小，因此，发动机的运转条件可以保持大体恒定。相应地，就能设计出具有满意的效率和较轻的电池的发动机-电池混合型电动汽车。
根据本发明，电池充电单元配有一个充电控制单元，它除对相应电池组完成充电功能外，还被设计用来至少执行下述功能的一项：间歇模式，此模式将停止对相应电池组充电；放电模式，此模式将从相应电池组中释放电能。它还执行分时转换充电操作，以控制对相应电池组充电，方式是在充电模式、间歇模式和放电模式中，以预先设定的时间周期重复包括充电模式在内的至少两种模式，此外，还要完成各个电池组之间的相互控制，使得在操作过程中，至少有一个电池组以预先设定的顺序处于间歇模式。因此，即使采用适于快速充电的脉冲式充电和爆发式充电，也能抑制瞬态电流的增加，就能实现能够快速充电而尺寸又小的电池充电装置。
此外，把这样一个缩小了尺寸又能够快速充电的电池充电装置用在电动汽车上，电动汽车的尺寸也能减小。

Claims (12)

1.一种电池充电装置包括：
多个电气互联的电池组；
对所述各个电池组充电的电池充电单元；及
一个电负载，由来自所述电池组的能量驱动。其中所述电池充电单元具有一个充电控制单元，后者除对上述各电池组的充电功能外，还被设计用来执行至少下述功能中的一项：间歇模式，此模式将停止对所述各个电池组充电；放电模式，此模式将从所述各个电池组中释放电能；所述电池充电单元通过所述充电控制单元控制对所述各个电池组充电，而以预先设定的时间周期重复包括充电模式在内的至少两种模式，这些模式有充电模式、间歇模式和放电模式，此外，充电控制单元还要完成各个充电控制单元间的相互控制，使得在操作过程中，至少有一个电池组以预先设定的顺序被置于间歇模式。
2.根据权利要求1的电池充电装置，其中所述充电控制单元根据充电状况控制对所述各个电池组的充电量。
3.根据权利要求1的电池充电装置进一步包括：
变压器，有一个初级线圈和多个次级线圈及转换开关装置，设计用来独立地把各个次级线圈的输出同相应的电池组连通或断开。
4.根据权利要求3的电池充电装置还包括变频装置，它被放置在所述变压器的初级线圈一侧。
5.一种电动汽车包括：
变压器，有一个初级线圈和多个次级线圈，
多个电气互连的电池组；
给所述各个电池组充电的电池充电单元；及
一个电动机，利用来自所述电池组的能量驱动汽车，其中所述电池充电单元配备有一个充电控制单元，它除了对所述各电池组的充电模式操作功能外，还设计用来至少执行下述功能的一项：间歇模式，此模式将停止对所述各个电池组充电；放电模式，此模式将从所述各个电池组中释放电能；所述电池充电单元通过所述充电控制单元控制对所述各个电池组充电，而以预先设定的时间周期重复包括充电模式在内的至少两种模式，这些模式有充电模式，间歇模式和放电模式，此外，充电控制单元还完成各个充电控制单元间的相互控制，使得在操作过程中，至少有一个电池组以预先设定的顺序被置于间歇模式。
6.一种电动汽车包括：
燃料电池；
多个电气互连的电池组；
给所述各个电池组充电的电池充电单元；及
电动机，利用来自所述电池组的能量驱动汽车，其中所述电池充电单元配备一个充电控制单元，它除了对所述各电池组的充电功能外，被设计用来至少执行下述功能中的一项：间歇模式，此模式将停止对所述各个电池组充电；放电模式，此模式将从所述各个电池组中释放电能；所述电池充电单元通过所述充电控制单元控制对所述各个电池组充电，而以预先设定的时间周期重复包括充电模式在内的至少两种模式，这些模式有充电模式，间歇模式和放电模式，此外，还完成各个充电控制单元间的相互控制，使得在操作过程中，至少有一个电池组以预先设定的顺序被置于间歇模式。
7.根据权利要求5的电动汽车，其中所述充电控制单元，根据充电状况控制对所述各个电池组的充电量。
8.根据权利要求6的电动汽车，其中所述充电控制单元，根据充电状况控制对所述各个电池组的充电量
9.根据权利要求6的电动汽车，其中所述电池充电单元还包括：变压器，有一个初级线圈和多个次级线圈；转换装置，被设计用于独立地将各个次级线圈的输出同相应的电池组连通或断开。
10.发动机-电池混合型电动汽车包括：
多个电气互连的电池组；
给所述各个电池组充电的电池充电单元；
发动机发电机，通过所述各个电池充电单元给所述各个电池组充电，及
电动机，利用来自所述电池组的能量驱动汽车，其中所述电池充电单元配备一个充电控制单元，它除了对所述各电池组的充电模式操作功能外，设计用来至少执行下述功能的一项：间歇模式，此模式将停止对所述各个电池组充电；放电模式，此模式将从所述各个电池组中释放电能；所述电池充电单元通过所述充电控制单元控制对所述各个电池组充电，以预先设定的时间周期重复包括充电模式在内的至少两种模式，这些模式包括充电模式、间歇模式如放电模式，此外，充电控制单元还完成各个充电单元间的相互控制，使得在操作过程中，至少有一个电池组以预先设定的顺序被置于间歇模式。
11.根据权利要求10的发动机-电池混合型电动汽车，其中所述充电控制单元根据充电状况控制对所述各个电池组的充电量。
12.用于多个串联电池组的电池充电装置包括：
用于各个电池组的多个电池充电单元；及
一个公共的电池充电控制单元，控制所述各个电池充电单元执行一系列预定的周期：充电模式、短暂放电模式和间歇模式，这样使得在对各个电池组的充电操作过程中的每一时刻，至少有一个电池组被置于间歇模式。
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