CN116442812A - 车辆充电系统和车辆 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及车辆充电领域，具体而言，涉及一种车辆充电系统和车辆。车辆充电系统包括：充电口；包括串联连接的第一电池和第二电池的车载电池组；包括电机和用于驱动电机的逆变器的电驱模块，其中，逆变器与车载电池组并联，电机的中性点连接至控制模块；控制模块，其被配置成：根据充电口处的输入电压是否适于为车载电池组直接充电而选择进入直接充电模式或升压充电模式；以及在升压充电模式下，将输入电压跨接在第一电池两端，并利用电驱系统对第一电池和第二电池进行电荷状态均衡控制，以使第一电池和第二电池具有相等的充电电流。

Description

车辆充电系统和车辆
技术领域
本申请涉及车辆充电领域，具体而言，涉及一种车辆充电系统和车辆。
背景技术
目前，市场上的电动汽车高压系统平台主要为直流400V。随着相关技术及产业链的成熟，为了获取更高的效率和更快捷的充电体验，下一代电动汽车高压系统平台可能会逐步向直流800V或者更高的电压等级演进。然而，主流的直流充电设施电压有500V、750V、1000V等，其中，500V/750V的充电设备不能直接为800V平台的动力电池充电或无法充满动力电池。因此，需要在电动汽车内部新增相应的电压变换装置，将直流500V/750V的充电电压提升后再给动力电池进行充电，从而实现车辆与现有500V/750V充电设备的兼容。
目前有两种主要的方案用于解决电动汽车内部电压变换的问题。一种方案是增加额外的电压变换设备。这种方案技术成熟，然而需要使用大功率器件，因此器件的体积、质量都比较大，在增加整车生产成本的同时也不利于整车空间布置和轻量化的发展方向。另一种方案是复用车用电机和电机驱动系统。这种方案在实现电压变换的同时大大降低整车生产成本、重量，优化了整车空间布置。
然而，在第二种方案中，充电桩不直接连接车载电池，而是通过电驱系统后再连接到车载电池，并且需要在充电接口的输入侧增加输入侧电容器。一方面充电接口输入侧因需要同时兼容低输入电压和高输入电压的充电桩，电容器需以高电压需求规格选型设计，其带来的输入侧电容器成本及体积的增加；另一方面无论是否使用电机驱动系统进行充电，电池充电的过程中都将在电容器中形成至少400至800V的高电压，充电结束后，由高电压存储在电容器中的电荷没有迅速强制放电的情况下存在电击技术员或操作者的危险。
有鉴于此，需要提出一种改进的充电系统。
发明内容
为了解决或至少缓解以上问题中的一个或多个，提供了以下技术方案。本申请的实施例提供了一种车辆充电系统和车辆，其能够在复用电驱模块进行升压充电的同时避免输入侧电容器的使用，从而节省了系统成本。
根据本申请的第一方面，提供一种车辆充电系统，所述车辆充电系统包括：充电口；包括串联连接的第一电池和第二电池的车载电池组；包括电机和用于驱动所述电机的逆变器的电驱模块，其中，所述逆变器与所述车载电池组并联，所述电机的中性点连接至控制模块；控制模块，其被配置成：根据所述充电口处的输入电压是否适于为所述车载电池组直接充电而选择进入直接充电模式或升压充电模式；以及在所述升压充电模式下，将所述输入电压跨接在所述第一电池两端，并利用所述电驱模块对所述第一电池和第二电池进行电荷状态均衡控制，以使所述第一电池和第二电池具有相等的充电电流。
作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的车辆充电系统中，所述控制模块被进一步配置成：若所述输入电压大于或等于所述车载电池组的充电需求电压，则使所述车辆充电系统进入直接充电模式，并将所述输入电压跨接在所述车载电池组两端；以及若所述输入电压小于所述车载电池组的充电需求电压，则使所述车辆充电系统进入升压充电模式。
作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的车辆充电系统中，所述控制模块包括第一开关，所述第一开关为单刀双掷开关，所述第一开关的固定端连接至所述充电口的正极，所述第一开关的活动端连接至所述第二电池的正极或所述车载电池组的中点。
作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的车辆充电系统中，所述控制模块还包括第二开关，所述第二开关的第一端连接至所述车载电池组的中点，所述第二开关的第二端连接至所述电机的中性点。
作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的车辆充电系统中，在所述直接充电模式下，所述第一开关的活动端连接至所述第二电池的正极并且所述第二开关断开；在所述升压充电模式下，所述第一开关的活动端连接至所述车载电池组的中点并且所述第二开关闭合。
作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的车辆充电系统中，所述车辆充电系统还包括电流传感器，以实时获取所述第一电池的第一充电电流和第二电池的第二充电电流。
作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的车辆充电系统中，利用所述电驱模块对所述第一电池和第二电池进行电荷状态均衡控制包括：接收所述第一电池的第一充电电流和第二电池的第二充电电流；根据所述第一充电电流与第二充电电流的比较关系，控制所述逆变器中的各功率开关元件的导通或关断状态，以使所述第一充电电流和所述第二充电电流为所述充电口处的输入电流的二分之一。
作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的车辆充电系统中，所述控制模块被进一步配置成：基于目标加热功率，确定用于加热所述车载电池组的加热电流；控制所述逆变器中的各功率开关元件的导通或关断状态，以使所述电机的中性点处的交流电流等于所述加热电流，从而利用所述车载电池组的内阻对所述车载电池组进行加热。
作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的车辆充电系统中，流经所述第一电池的第一加热电流和流经所述第二电池的第二加热电流为所述电机的中性点处的所述加热电流的二分之一。
作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的车辆充电系统中，所述控制模块被进一步配置成：若所述输入电压小于所述车载电池组的充电需求电压并且所述输入电压大于所述车载电池组的初始电压，则使所述车辆充电系统进入所述直接充电模式；并且待经过直流充电后的车载电池组的实时电压等于所述输入电压时，将所述车辆充电系统从所述直接充电模式切换到所述升压充电模式。
作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的车辆充电系统中，所述第一电池和所述第二电池的充电需求电压均为200V或400V。
根据本发明的第二方面，提供了一种车辆，该车辆包括根据本发明的第一方面所述的车辆充电系统中的任意一项。
根据本发明的一个或多个实施例的车辆充电方案能够将充电桩直接连接至车载电池，并且通过将车载电池拆分为第一电池和第二电池、在升压充电模式下仅将输入电压跨接在所述第一电池两端，避免了输入侧电容器的使用，从而节省了系统成本。此外，根据本发明的一个或多个实施例的车辆充电方案在升压充电模式下利用电驱模块对第一电池和第二电池进行电荷状态(SOC)均衡控制，在复用电驱模块的升压充电功能的同时，将一半的充电能量实时搬运到第二电池，使得拆分后的电池组具有电量一致性。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本申请的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1示出了根据本申请的一个或多个实施例的车辆充电系统10的示意性框图；以及
图2示出了根据本申请的一个或多个实施例的车辆充电系统20的示意图。
具体实施方式
以下具体实施方式的描述本质上仅仅是示例性的，并且不旨在限制所公开的技术或所公开的技术的应用和用途。此外，不意图受在前述技术领域、背景技术或以下具体实施方式中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。
诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。要理解的是，本公开的技术通常用于电动汽车，其包括但不限于纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)等。
在下文中，将参考附图详细地描述根据本申请的各示例性实施例。
下面参考图1，图1示出了根据本申请的一个或多个实施例的车辆充电系统10的示意性框图。如图1所示，车辆充电系统10包括充电口110、车载电池组120、电驱模块130和控制模块140。图1中还示出了与车载电池组120并联的总线电容C1，以用于辅助车载电池组120输出稳定的电压。
充电口110可以设置在车身一侧或车辆底部，以在充电桩的充电插头接入充电口110后利用充电桩中的电能为车载电池组120充电。示例性地，充电桩能够经由充电口110提供500V、或750V、或1000V的直流输入电压。
车载电池组120包括串联连接的多个电池，包括第一电池121、第二电池122。示例性地，车载电池组120的充电需求电压为400V或800V，其中，第一电池121和第二电池122的充电需求电压均为200V或400V。需要说明的是，虽然在下述实施例中将车载电池组120示出为包括第一电池121和第二电池122，但是本发明并不排除将车载电池组120划分为多于两个电池，例如，车载电池组120还可以包括与第一电池121和第二电池122串联的第三电池。
电驱模块130包括电机M和用于驱动电机的逆变器。示例性地，电机为三相电机且逆变器为三相逆变器。对于三相逆变器，具体地，其包括第一功率开关元件、第二功率开关元件、第三功率开关元件、第四功率开关元件、第五功率开关以及第六功率开关，其中，第一功率开关元件、第三功率开关元件以及第五功率开关元件的输入端共接并构成三相逆变器的第一端，第二功率开关元件、第四功率开关元件以及第六功率开关元件的输出端共接并构成三相逆变器的第二端，三相电机的第一相线圈连接第一功率开关元件的输出端和第四功率开关元件的输入端，三相电机的第二相线圈连接第三功率开关元件的输出端和第六功率开关元件的输入端，三相电机的第三相线圈连接第五功率开关元件的输出端和第二功率开关元件的输入端。逆变器与车载电池组120并联，也即，逆变器的第一端连接至车载电池组120的正极，逆变器的第二端连接至车载电池组120的负极。电机的中性点连接至控制模块140。
控制模块140连接至充电口110的正极，控制模块140被配置成根据充电口110处的输入电压Vin是否适于为车载电池组120直接充电而选择进入直接充电模式或升压充电模式。如上文所述，充电口110通常能够提供500V、或750V、或1000V的直流输入电压Vin，而车载电池组120的充电需求电压通常为400V或800V。可以理解的是，当充电口110处的输入电压Vin适于为车载电池组120直接充电时，可以使车辆充电系统10进入直接充电模式；若充电口110处的输入电压Vin不适于为车载电池组120直接充电，则使车辆充电系统10进入升压充电模式。
可选地，可以根据输入电压与车载电池组的充电需求电压的比较关系确定是否适于为车载电池组120直接充电。示例性地，控制模块140被进一步配置成：若输入电压大于或等于车载电池组120的充电需求电压(例如，Vin为1000V、车载电池组120的充电需求电压为800V)，则使车辆充电系统10进入直接充电模式，并将输入电压跨接在车载电池组120两端；若输入电压小于车载电池组120的充电需求电压(例如，Vin为500V、车载电池组120的充电需求电压为800V时)，则使车辆充电系统10进入升压充电模式。
可选地，控制模块140被进一步配置成：若输入电压小于车载电池组120的充电需求电压并且输入电压大于车载电池组120的初始电压，则使车辆充电系统10进入直接充电模式；待经过直流充电后的车载电池组120的实时电压等于输入电压时，将车辆充电系统10从直接充电模式切换到升压充电模式。示例性地，当输入电压Vin为750V的充电桩连接至充电需求电压(也即，额定电压)为800V的车载电池组120时，若此时车载电池组120处于较低的电荷状态(SOC)并且其实时电压为600V，此时可首先使车辆充电系统10进入直接充电模式，待车载电池组120的实时电压达到750V时，再切换至升压充电模式，以此提高车辆充电系统10的充电效率。
控制模块140可以包括一个或多个开关元件。通过控制一个或多个开关元件的断开或闭合，能够实现直接充电模式和升压充电模式的选择或切换。可选地，控制模块140包括第一开关。示例性地，第一开关为单刀双掷开关，其固定端连接至充电口110的正极，其活动端连接至第二电池122的正极或车载电池组的中点。示例性地，第一开关还可以是互锁的两开关元件。可选地，控制模块140还包括第二开关，其第一端连接至车载电池组120的中点，其第二端连接至电机的中性点。车载电池组120的中点指代第一电池121的正极与第二电池122的负极之间的连线上的任一点。
以此方式，当车辆充电系统10进入直接充电模式时，第一开关的活动端连接至第二电池122的正极并且第二开关断开。此时，充电口110直接跨接在车载电池组120的两端，输入电压Vin将直接对整个车载电池组120(也即，第一电池121和第二电池122)进行充电。
当车辆充电系统10进入升压充电模式时，第一开关的活动端连接至车载电池组120的中点并且第二开关闭合。此时，充电口110直接跨接在第一电池121的两端，来自充电口110的输入电流经由电机的中性点流入电驱模块130，以利用电驱模块130进行升压充电和电荷状态均衡控制。
在升压充电模式下，电驱模块140被配置成对第一电池121和第二电池122进行SOC均衡控制。SOC均衡控制指代使第一电池121和第二电池122具有相同的充电电压，其可以通过控制逆变器中各功率开关元件的导通或关断以使第一电池121和第二电池122具有相等的实时充电电流来实现。
示例性地，当进入升压充电模式时，控制模块140首先控制逆变器的第一功率开关元件、第三功率开关元件以及第五功率开关元件处于关断状态，第二功率开关元件、第四功率开关元件以及第六功率开关元件处于导通状态，以利用流经电机中性点的输入电流Iin为电机内的电感充能。接着，控制模块140可维持逆变器的第一功率开关元件、第三功率开关元件以及第五功率开关元件处于关断状态，并断开第二功率开关元件、第四功率开关元件以及第六功率开关元件。此时，电机的电感中的能量通过第一功率开关元件、第三功率开关元件以及第五功率开关元件中的续流二极管传递到第二电池122，以向第二电池122充电。
为了使第一电池121和第二电池122具有相同的充电电压，车辆充电系统10还可以包括电流传感器，以实时获取流经第一电池121的第一充电电流和第二电池1222的第二充电电流。控制模块140可以被配置成：在升压充电模式下，接收第一电池121的第一充电电流和第二电池121的第二充电电流；根据第一充电电流与第二充电电流的比较关系，控制逆变器中的各功率开关元件的导通或关断状态，以使第一充电电流和第二充电电流为充电口110处的输入电流Iin的二分之一。示例性地，当检测到第一电池121的第一充电电流大于第二电池121的第二充电电流时，控制模块140可以延长第二功率开关元件、第四功率开关元件以及第六功率开关元件的导通时间；反之，控制模块140可以缩短第二功率开关元件、第四功率开关元件以及第六功率开关元件的导通时间。通过实时调节第一充电电流和第二充电电流的大小，电驱模块130能够实现针对第一电池121和第二电池122的SOC均衡控制，以使得第一电池121和第二电池122具有相同的充电电压(也即，等于输入电压Vin)，且具有相同的充电电流(也即，等于输入电流Iin的二分之一)。
需要说明的是，在现有的升压充电方案中，充电桩均不直接连接车载电池，而是通过电驱系统后再连接到车载电池，并且需要在充电接口的输入侧增加输入侧电容器，通过对输入侧电容器来“欺骗”充电桩，使其认为可以向车载电池充电。如果预充电失败，则无法向车载电池正常充电。此外，现有方案中的输入侧电容器一般承担了所有外部充电电压，无论是否使用驱动系统进行升压充电，输入侧电容器都需要在充电结束后进行强制放电。相比于现有技术，根据本发明的车辆充电系统10能够将充电桩直接连接至车载电池组，并且通过将车载电池拆分为第一电池和第二电池、在升压充电模式下仅将输入电压跨接在第一电池两端，避免了输入侧电容器的使用，从而节省了系统成本。此外，由于不需要进行预充电处理和充电结束后的强制放电，一方面可以简化充电流程，另一方面也避免了无法对输入电容进行预充电导致后续电池充电无法进行的可能性。
需要进一步说明的是，电动汽车动力电池充电时对温度较为敏感，当电池温度较低时，需要对电池加热后再进行充电。目前市面上对电池加热的方案很多，例如，利用汽车加热器(PTC)对电池加热。市面上常见的复用电驱系统的升压充电方案不具备同时实现电池加热功能的能力。对此，根据本发明的一个或多个实施例能利用被复用的电驱系统同时实现电池加热功能，在对电池加热的同时进行升压充电，从而进一步提高充电效率。
具体而言，控制模块140可以被进一步配置成：基于目标加热功率，确定用于加热车载电池组的加热电流；控制逆变器中的各功率开关元件的导通或关断状态，以使电机的中性点处的交流电流等于加热电流，从而利用车载电池组120的内阻对其进行加热。示例性地，控制模块140可以根据车载电池组120的电池特性(例如，实时温度)和/或接收到的目标加热功率计算加热电流的大小。通过控制逆变器中的各功率开关元件的导通或关断状态，可以使电机的中性点处的叠加有具有计算出的加热电流的大小的交流电流IAC。该交流电流IAC流入第一电池121和第二电池122，其中流经第一电池121的第一加热电流I1,AC的幅值和流经第二电池的第二加热电流I2,AC的幅值均为电机的中性点处的加热电流IAC的幅值的二分之一。第一加热电流I1,AC和第二加热电流I2,AC在电池内部电阻产生损耗，从而加热电池。这里需要说明的是，由于直流电流和交流电流天然为解耦的，因此虽然两者都复用电驱模块130，但是充电和电池加热完全可以根据需求设定并且可以同时进行，充电电流为直流电流，电池加热电流为交流电流，二者可以解耦控制。此外，还需要说明的是，在车辆充电系统10的一些实施例中，连接电机中性点的第二开关两端仅需承受电池组一半的电压，而无需承受整个电池组的电压，从而降低了对硬件体积、规格的要求，节约了系统成本。
继续参考图2，图2示出了根据本申请的一个或多个实施例的车辆充电系统20的示意图。
如图2所示，在车辆充电系统20中，车载电池组220包括串联连接第一电池221、第二电池222。第一开关K1的固定端连接至充电口210的正极，第一开关K1的活动端连接至第二电池222的正极或车载电池组的中点(也即，第一电池221和第二电池222的中点)。第二开关K2的第一端连接至车载电池组120的中点，其第二端连接至电机240的中性点N，该第二开关K2两端仅承受了电池组一半的电压。逆变器230与车载电池组220并联，也即，逆变器230的第一端连接至车载电池组220的正极，逆变器230的第二端连接至车载电池组220的负极。图2中还示出了与车载电池组220并联的总线电容C1，以用于辅助车载电池组220输出稳定的电压。
有关充电口210、车载电池组220、第一电池221、第二电池222、第一开关K1、第二开关K2、逆变器230、电机240的功能的描述可以分别参照上文中对充电口110、车载电池组120、第一电池121、第二电池122、第一开关、第二开关、逆变器、电机的具体描述，相关内容一并引用于此，限于篇幅不在此赘述。
根据本申请的另一方面，提供一种车辆，其包括如上文所述的任意一种车辆充电系统。所述车辆可以是电动汽车，包括但不限于纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)。
提供本文中提出的实施例和示例，以便最好地说明按照本发明及其特定应用的实施例，并且由此使本领域的技术人员能够实施和使用本发明。但是，本领域的技术人员将会知道，仅为了便于说明和举例而提供以上描述和示例。所提出的描述不是意在涵盖本发明的各个方面或者将本发明局限于所公开的精确形式。

Claims (12)

1.一种车辆充电系统，其特征在于，所述车辆充电系统包括：
充电口；
包括串联连接的第一电池和第二电池的车载电池组；
包括电机和用于驱动所述电机的逆变器的电驱模块，其中，所述逆变器与所述车载电池组并联，所述电机的中性点连接至控制模块；
控制模块，其被配置成：
根据所述充电口处的输入电压是否适于为所述车载电池组直接充电而选择进入直接充电模式或升压充电模式；以及
在所述升压充电模式下，将所述输入电压跨接在所述第一电池两端，并利用所述电驱模块对所述第一电池和第二电池进行电荷状态均衡控制，以使所述第一电池和第二电池具有相等的充电电流。
2.根据权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述控制模块被进一步配置成：
若所述输入电压大于或等于所述车载电池组的充电需求电压，则使所述车辆充电系统进入直接充电模式，并将所述输入电压跨接在所述车载电池组两端；以及
若所述输入电压小于所述车载电池组的充电需求电压，则使所述车辆充电系统进入升压充电模式。
3.根据权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述控制模块包括第一开关，所述第一开关为单刀双掷开关，所述第一开关的固定端连接至所述充电口的正极，所述第一开关的活动端连接至所述第二电池的正极或所述车载电池组的中点。
4.根据权利要求3所述的车辆充电系统，其中，所述控制模块还包括第二开关，所述第二开关的第一端连接至所述车载电池组的中点，所述第二开关的第二端连接至所述电机的中性点。
5.根据权利要求4所述的车辆充电系统，其中，
在所述直接充电模式下，所述第一开关的活动端连接至所述第二电池的正极并且所述第二开关断开；
在所述升压充电模式下，所述第一开关的活动端连接至所述车载电池组的中点并且所述第二开关闭合。
6.根据权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述车辆充电系统还包括电流传感器，以实时获取所述第一电池的第一充电电流和第二电池的第二充电电流。
7.根据权利要求1所述的车辆充电系统，其中，利用所述电驱模块对所述第一电池和第二电池进行电荷状态均衡控制包括：
接收所述第一电池的第一充电电流和第二电池的第二充电电流；
根据所述第一充电电流与第二充电电流的比较关系，控制所述逆变器中的各功率开关元件的导通或关断状态，以使所述第一充电电流和所述第二充电电流为所述充电口处的输入电流的二分之一。
8.根据权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述控制模块被进一步配置成：
基于目标加热功率，确定用于加热所述车载电池组的加热电流；
控制所述逆变器中的各功率开关元件的导通或关断状态，以使所述电机的中性点处的交流电流等于所述加热电流，从而利用所述车载电池组的内阻对所述车载电池组进行加热。
9.根据权利要求1所述的车辆充电系统，其中，流经所述第一电池的第一加热电流和流经所述第二电池的第二加热电流为所述电机的中性点处的所述加热电流的二分之一。
10.根据权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述控制模块被进一步配置成：
若所述输入电压小于所述车载电池组的充电需求电压并且所述输入电压大于所述车载电池组的初始电压，则使所述车辆充电系统进入所述直接充电模式；并且
待经过直流充电后的车载电池组的实时电压等于所述输入电压时，将所述车辆充电系统从所述直接充电模式切换到所述升压充电模式。
11.根据权利要求1所述的车辆充电系统，其中，所述第一电池和所述第二电池的充电需求电压均为200V或400V。
12.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求1-11中任一项所述的车辆充电系统。
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