CN200947552Y

CN200947552Y - 电动汽车动力电池智能充放电系统

Info

Publication number: CN200947552Y
Application number: CN 200620200644
Authority: CN
Inventors: 李正熙; 赵仁涛
Original assignee: North China University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology; North China University of Technology
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2016-07-24

Abstract

一种电动汽车动力电池智能充放电系统，它主要包括：一个三相电源变压器电路、一个晶闸管元件组成的三相桥式电路、组态结构电路部分、一个与上位机连接的实现电池系统中自动投入/切除控制、充电/放电模式的安全切换、恒压/恒流/恒功率模式的安全切换、电池电压与电流采集的PLC控制器和一个借助于控制软件与PLC之间通过协议完成每节电池电压的采集、电流实时检测、充电/放电过程中的安时数累计、电池电压异常报警、系统模型的线性化处理、充电/放电模式选择控制或操作的上位机部分。本实用新型的有益效果：(1)用户可以通过上位机的控制实现多模式充电/放电操作；(2)可以保证系统高精度稳定运行；(3)可以将电池放电过程中产生的能量回馈给电网。

Description

电动汽车动力电池智能充放电系统

(一)技术领域

本实用新型涉及一种能够广泛应用于电动汽车上的动力电池智能充放电系统。

(二)背景技术

当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80％以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，且电池的充放电性能直接影响电动汽车的实用化推广，所以为了大力支持动力电池的研究，我国批准了国内几家颇具实力的研究机构从事相关的技术攻关工作。

(三)发明内容

本实用新型的目的是提供一种电动汽车动力电池智能充放电系统，解决根据不同需要，实现对动力电池的充电(恒流充电、恒压充电及恒功率三种充电方式)、放电(恒流放电)操作，将动力电池的性能激发到最佳状态的技术问题。

本实用新型所述的电动汽车动力电池智能充放电系统主要包括：

一个三相电源变压器电路，其初级分别串接有低压断路器，次级分别串接有主回路接触器；

一个晶闸管元件组成的三相桥式电路，该三相桥式电路的输入端经主回路接触器与三相电源变压器电路的输出端相联接，桥式电路输出端为电池充、放电端；在三相桥式电路的两个输出端中分别串接了放电过程控制用接触器ZC4的两个触点，另有充电过程控制用接触器ZC5的两个触点分别交叉连接在所述接触器ZC4的两个触点两端，当用户选择电池进行充电操作并发出开始命令时，PLC自动先断开与其连接的接触器ZC4，经过安全延时后再闭合与其连接的接触器ZC5，此时晶闸管工作在整流状态，反之，当电池需要进行放电时，接触器ZC5先断开，经过安全延时后接触器ZC4闭合，此时晶闸管工作在逆变状态；

组态结构电路部分，包括依次连接的充电/放电方式选择开关SW1、就地控制时恒压/恒流充电选择开关SW2、电压调节器AUR、恒压/恒流充电选择开关SW3、电流调节器ACR、远程/就地控制选择开关SW4、和高精度晶闸管触发电路；其中充电/放电方式选择开关SW1的两个定触点分别接正、负电压端，动触点接就地控制时恒压/恒流充电选择开关SW2的动触点；就地控制时恒压/恒流充电选择开关SW2的恒流方式定触点端与恒压/恒流充电选择开关SW3的对应端相连接，就地控制时恒压/恒流充电选择开关SW2的恒压方式定触点端与电池电流信号端相连后再通过电流调节器ACR与远程/就地控制选择开关SW5的本地控制定触点端连接，远程/就地控制选择开关SW4的远程控制定触点端接PLC的模拟量输出端，远程/就地控制选择开关SW4的动触点端接高精度晶闸管触发电路的输入端，所述的高精度晶闸管触发电路的输出端接三相桥式电路中对应的晶闸管；

一个与上位机连接，实现电池系统中自动投入/切除控制、充电/放电模式的安全切换、恒压/恒流/恒功率模式的安全切换、电池电压与电流采集等工作的PLC控制器；

一个借助于控制软件与PLC之间通过MODBUS望TU协议完成每节电池电压的采集、电流实时检测、充电/放电过程中的安时数累计、充电/放电电压/电流的实时变化曲线的绘制、电池电压异常报警、历史数据存储/查询、系统模型的线性化处理、充电/放电模式选择控制或操作的上位机部分。

如上所述的电动汽车动力电池智能充放电系统，在电池充、放电端中串接的每节电池两端分别串联同一个接触器的两个触点，然后与另外一个接触器的触点并联，这些接触器均与PLC控制器的控制端相连接，并均由PLC控制器的控制端进行控制；所述每节电池两端的电压信号送至与其连接的PLC控制器电压采集端，当该电池电压达到电压上限值时，串联同一个接触器的两个触点断开，适当延时后另外一个并联接触器的触点再闭合。

本实用新型的有益效果：(1)用户可以通过上位机的控制软件改变系统的组态形式，可以实现多模式充电/放电操作；(2)可以根据建模结果自适应调整控制器结构及参数，保证系统高精度稳定运行；(3)有效利用晶闸管桥式电路的特点，可以将电池放电过程中产生的能量回馈给电网。

(四)附图说明

图1是本系统主电路结构图。

图2是本系统的组态结构示意图。

图3是电池自动切除/投入操作电路图。

具体实施方式

实施例参见图1-3，整个系统主体采用三相晶闸管桥式电路，允许长时间输出500A电流，并可以根据用户需要自动改变系统的控制结构：

1)多模式充电方式，包括恒压充电、恒流充电及恒功率充电方式，为研究动力电池的性能提供了多种途径。

2)恒流放电功能。

3)多种操作方式，包括远程控制方式及就地控制方式。在远程控制方式下，用户可以借助于上位机的控制系统软件进行充电及放电性能测试；当上位机无法对该设备进行控制时，可以临时将系统切换到就地控制方式，用户可以借助于控制柜上的充电/放电选择开关以及恒流/恒压方式选择开关决定系统的具体工作模式，此时系统的电压电流控制均通过模拟控制板实现，由用户手动切除/投入某节电池。

4)电池的状态检测，以及电池的零火花切除/投入操作，大大延长了接触器的使用寿命。由于电池在放电和充电过程中电池本身存在的非线性特性及晶闸管输出电压与控制角之间的非线性因素，采用传统控制器无法保证整个充电/放电过程中系统的稳定运行。

恒流放电过程的控制是整个系统中的难点，原因如下：

1)电池的内阻仅为毫欧级，当系统的放电电压波动几伏时，电流的波动可能达到上百安培；

2)在放电过程中由于电池的数量在不断减少，最后需要将10V左右电池的能量逆变回电网，控制角的可调范围很小；

3)传统放电方式常采用大功率电阻箱作为负载，这样既浪费能源，也会造成热污染，且在大电流下电阻箱的阻值变化明显，寿命缩短，为系统的维护带来困难。

对于放电过程中存在的问题1)、2)，在系统中采用了高精度和一致性的晶闸管触发电路，使控制角的调节精度高于传统的触发器，从而保证了系统在极端情况下，即单节电池以500安培的恒流放电时系统能够长时间稳定运行。

对于问题3)，则充分利用了晶闸管的有源逆变时能量可以反向流动的特点，当电池放电时电池输出的能量可以通过晶闸管逆变桥回馈给电网，既省掉了体积庞大维护量高的电阻箱，又节省了能源。

整个系统可以分为：

模拟控制板及高精度触发器，即组态结构电路部分，构成电压或电流闭环控制系统；

PLC部分实现电池系统中自动投入/切除控制，充电/放电模式的安全切换，恒压/恒流/恒功率模式的安全切换，电池电压、电流的采集；

上位机部分借助于控制软件LABView与PLC之间通过MODBUS-RTU协议完成每节电池电压的采集、电流实时检测、充电/放电过程中的安时数累计、充电/放电电压/电流的实时变化曲线的绘制、电池电压异常报警、历史数据存储/查询、系统模型的线性化处理、充电/放电模式选择等控制或操作。

所谓恒流充电技术即通过在上位机上设定电流值，并将系统外环组态成电流环，此时充电系统呈现大功率恒流源性质，保证在充电结束之前充电电流保持不变；同时考虑到电池的性能差异，系统可以根据上位机设定的电池电压上限值自动切除已经充满电的电池，不断重复该过程直至所有的电池完全充满。

采用恒压充电时整个系统的外环自动组态为电压环，在电池的充电过程中系统自动稳定充电器的输出电压(稳压数值取决于正在充电的电池个数)，此时充电系统呈现大功率阶梯式恒压源性质，保证在充电结束之前每节电池上的平均电压不变；同时考虑到电池的性能差异，系统可以根据上位机设定的电池电压上限值自动切除已经充满电的电池，不断重复该过程直至所有的电池完全充满。

第三种充电方式枛恒功率方式时系统得外环自动配置为功率环，即保证整个充电过程中充电系统的输出功率不变，此时功率的检测采用间接测量方式，即通过电压、电流计算获得功率值。

在图1中，GK为低压断路器，V、A分别为电源电压、电流显示仪表，TF为变压器，ZC2为主回路接触器；ZC4、ZC5分别为充电/放电过程控制用接触器。

在远程控制方式下，当用户选择电池进行充电并发出开始命令时PLC自动先断开ZC4，经过安全延时后ZC5闭合，此时晶闸管工作在整流状态，由上位机根据不同的充电模式按照恒压/恒流/恒功率方式控制量的变化规律发送给PLC，再由PLC的模拟量输出通道输出给晶闸管触发器，最后转换成控制角控制晶闸管的输出电压按照既定规律变化，实现几种不同形式的充电方式。反之，当电池需要进行放电时PLC自动先断开ZC5，经过安全延时后ZC4闭合，此时晶闸管工作在逆变状态，由上位机按照恒流控制规律发送控制量给PLC，再由PLC的模拟量输出通道输出给晶闸管触发器，最后转换成控制角控制晶闸管的输出电压，实现恒流放电过程。

当远程控制失灵的情况下，用户可以采用就地控制方式临时替代远程方式。首先通过控制柜上的手动选择开关选定电池进行充电/放电操作，且在测试之前选择需要进行测试的电池，并将控制柜上的电压给定/电流给定电位器调整到最小位置，最后启动充电/放电过程。需要注意的是，在就地控制模式下无法实现恒功率充电操作。

图2给出了系统的组态结构示意图，其中SW1为充电/放电方式选择开关，SW2/SW3为就地控制时恒压/恒流充电选择开关(注意：由于电池放电过程中无法实现恒压放电，所以在放电时不能选择恒压方式)，SW4为远程/就地控制选择开关。图2中的AUR为电压调节器，ACR为电流调节器，且二者均采用PI调节器。显然，当用户选择远程控制模式时，AUR和ACR不参与调节，所有的控制运算均由上位机上的数字调节器完成。由于远程控制时采用控制软件内部的数字调节器实现恒压/恒流/恒功率调节，上位机可以根据最初的建模结果自适应调整调节器的参数以及非线性校正操作，所以远程控制方式下系统的稳定性及控制精度都很高。在一般情况下，系统大都运行在远程控制模式下。

在图3中可以看出每节电池两端分别串联同一个接触器的两个触点，然后与另外一个接触器的触点并联，采用这种连接方式的目的是用户可以自由选择电池进行相应的充电/放电操作，而且在PLC控制下可以完全消除电池投入/切除过程中的电火花！

下面以位于BAT11和BAT12之间的一号电池举例说明该电路的功能：

在充电过程中，当BT11与BT12之间的电池电压达到电压电压上限13.5V时，说明1号电池已经充满应该由系统自动切除，此时在PLC控制下，首先将CJ21的两个触点断开，适当延时(0.1S)后将CJ11闭合完成电池的切除操作。在整个切除过程中，为了保证操作时不出现电火花，晶闸管桥式电路暂时处于截止状态。

同理，当该电池放电过程结束时(即电池电压达到下限10V时)，上位机自动发出1号电池切除命令，在PLC控制下以相同的步骤切除1号电池。

电池的自动投入操作功能允许用户在充电或放电过程中将某节电池投入运行，操作过程与切除过程相反，即：先将所有晶闸管的触发脉冲封锁，然后通过PLC控制CJ11触点断开0.1S后控制CJ21触点闭合，完成1号电池的投入操作，最后将晶闸管恢复到正常工作状态。

Claims

1.一种电动汽车动力电池智能充放电系统，其特征在于：它主要包括：

一个与上位机连接，实现电池系统中自动投入/切除控制、充电/放电模式的安全切换、恒压/恒流/恒功率模式的安全切换、电池电压与电流采集工作的PLC控制器；

一个借助于控制软件与PLC之间通过MODBUS朢TU协议完成每节电池电压的采集、电流实时检测、充电/放电过程中的安时数累计、充电/放电电压/电流的实时变化曲线的绘制、电池电压异常报警、历史数据存储/查询、系统模型的线性化处理、充电/放电模式选择控制或操作的上位机部分。

2.如权利要求1所述的一种电动汽车动力电池智能充放电系统，其特征在于：在电池充、放电端中串接的每节电池两端分别串联同一个接触器的两个触点，然后与另外一个接触器的触点并联，这些接触器均与PLC控制器的控制端相连接；所述每节电池两端的电压信号送至与其连接的PLC控制器电压采集端，当该电池电压达到电压上限值时，串联同一个接触器的两个触点断开，适当延时后另外一个并联接触器的触点再闭合。