CN217197829U - 电动汽车充电电源、充电管理系统、充电桩及电动汽车 - Google Patents

电动汽车充电电源、充电管理系统、充电桩及电动汽车 Download PDF

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Abstract

本文提供了一种电动汽车充电电源、充电管理系统、充电桩及电动汽车，充电电源包括通讯模块、参数采集模块和主控模块，通讯模块用于与外部控制单元通讯连接，外部控制单元为充电桩或电动汽车内充电管理系统中的控制器；参数采集模块用于实时采集充电电源的电流、电压和温度参数；主控模块分别与参数采集模块、通讯模块通讯连接，用于根据充电电源的电流、电压和温度参数，以及通讯模块传递的外部控制单元的控制信号，控制充电电源以恒流模式或恒压模式给车载电池充电。根据本文的充电电源，其自身具有主控模块，只需要外部控制单元提供充电需求和启停信号，即可由主控模块本身实现以恒流模式或恒压模式充电，而无需外部充电系统去实现相应的功能。

Description

电动汽车充电电源、充电管理系统、充电桩及电动汽车
技术领域
本文涉及新能源电动汽车充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车充电电源、充电管理系统、充电桩及电动汽车。
背景技术
新能源电动汽车的原理是通过电机将电能转化为动能推动汽车运动，其储能系统是蓄电池，要想保证电机正常运转，就必须对蓄电池进行充电。充电时需要用到充电电源(AC/DC)，将交流电转换成直流电。目前，所采用的充电电源一般为恒压模式，即输出电压恒定，如果想改变输出电压，就需要外部控制单元，例如充电系统中的控制模块对其进行控制，当充电系统为恒压充电模式时，操作者需要手动输入比蓄电池电压高一些的恒定电压，如果蓄电池放电深度过深，在刚开始充电时，以恒定电压充电，充电电流会很大，可能导致电源断电或其他故障出现；当充电系统为恒流(恒功率)充电模式时，随着电池电量的增加，充电系统控制模块需要实时检测充电电流，向电源发送命令，控制电源输出电压。这给操作者和充电系统的控制模块增加了大量不必要的负担。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本文的第一方面提供一种电动汽车充电电源，该电源不仅具有恒压输出、恒流(恒功率)输出功能，还可以具有断电自恢复功能，在开发电动汽车充电系统时，使用此充电电源，就不再需要开发人员在充电系统的控制模块中考虑这些功能，进而会节省大量不必要的时间和精力。所述电动汽车充电电源包括：
通讯模块，用于与外部控制单元通讯连接，所述外部控制单元为充电桩或电动汽车内充电管理系统中的控制器；
参数采集模块，用于实时采集所述充电电源的电流、电压和温度参数，其中，所述参数采集模块包括温度采集单元，用于采集所述充电电源的温度参数；第一采集单元，用于采集所述充电电源的前端电压和前端电流；以及第二采集单元，用于采集所述充电电源的后端电压和后端电流；
主控模块，所述主控模块分别与所述参数采集模块、所述通讯模块通讯连接，用于根据所述充电电源的电流、电压和温度参数，以及所述通讯模块传递的所述外部控制单元的控制信号，控制所述充电电源以恒流模式或恒压模式给所述车载电池充电。
作为本文的进一步实施例中，还包括电源转换模块，所述电源转换模块的信号输入端与所述主控模块的信号输出端连接，所述电源转换模块用于根据所述主控模块的控制信号将输入至所述电源转换模块的交流电转换为直流电。
作为本文的进一步实施例中，所述主控模块包括恒压输出单元和恒流输出单元；
所述恒压输出单元用于在接收到所述外部控制单元的恒压输出控制信号时，以所述后端电压为电压初始值进行充电输出，并在所述后端电流小于预设最大截止电流时，使所述电压初始值逐渐升高至预设恒定电压，并以所述预设恒定电压进行充电输出；
所述恒流输出单元用于在接收到所述外部控制单元的恒流输出控制信号时，以所述后端电压为电压初始值进行充电输出，并在所述后端电流小于预设恒定电流时，使所述后端电流逐渐升高至所述预设恒定电流，并以所述预设恒定电流进行充电输出。
作为本文的进一步实施例中，还包括提示模块，所述提示模块与所述主控模块通讯连接，所述提示模块通过所述通讯模块与所述外部控制单元通讯连接，所述提示模块用于在所述恒压模式下，在所述后端电流达到所述预设最大截止电流时，电压还未升高至所述预设恒定电压，提示所述预设恒定电压过高，并将所述预设恒定电压过高的信息发送给所述外部控制单元。
作为本文的进一步实施例中，所述主控模块包括故障诊断单元；
所述故障诊断单元配置为：
根据所述前端电压和所述前端电流计算输入功率，
根据所述后端电压和所述后端电流计算输出功率，
比较所述输入功率与所述输出功率的差值，若所述差值小于功率差值预设阈值，判定所述充电电源充电状态正常；否则，判定所述充电电源处于故障状态。
作为本文的进一步实施例中，所述主控模块包括故障反馈单元，所述故障反馈单元通过所述通讯模块与所述外部控制单元通讯连接，所述主控模块还用于在所述故障诊断单元判定所述充电电源处于所述故障状态时，控制所述故障反馈单元将故障信息发送给所述外部控制单元。
作为本文的进一步实施例中，还包括温度调节模块，所述温度调节模块与所述主控模块通讯连接，所述温度调节模块包括风扇和控制回路，所述主控模块还用于在所述温度参数高于温度预设阈值时，控制所述风扇的转速增加，以及在所述温度参数回落于正常温度区间时，将所述风扇的转速调整至正常值。
本文的第二方面提供一种电动汽车充电管理系统，包括上述任一实施例中所述的电动汽车充电电源，以及控制器，所述电动汽车充电电源与所述控制器通讯连接。
本文的第三方面提供一种充电桩，包括上述的电动汽车充电管理系统。
本文的第四方面提供一种电动汽车，包括上述的电动汽车充电管理系统。
本文提供的电动汽车充电电源，通过将电动汽车充电电源设置成包括：通讯模块，用于与外部控制单元通讯连接，所述外部控制单元为充电桩或电动汽车内充电管理系统中的控制器；参数采集模块，用于实时采集所述充电电源的电流、电压和温度参数，其中，所述参数采集模块包括温度采集单元，用于采集所述充电电源的温度参数；第一采集单元，用于采集所述充电电源的前端电压和前端电流；以及第二采集单元，用于采集所述充电电源的后端电压和后端电流；以及主控模块，所述主控模块分别与所述参数采集模块、所述通讯模块通讯连接，用于根据所述充电电源的电流、电压和温度参数，以及所述通讯模块传递的所述外部控制单元的控制信号，控制所述充电电源以恒流模式或恒压模式给所述车载电池充电，本文的电动汽车充电电源可由主控模块本身与参数采集模块配合实现以恒流模式或恒压模式充电，而无需外部充电系统去实现相应的功能，即不再需要发明人在充电系统的控制器中考虑这些功能，进而会节省大量不必要的时间和精力。
为让本文的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本文实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本文的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本文优选实施例的电动汽车充电电源的结构框图；
图2示出了本文优选实施例的电动汽车充电电源的电路原理图。
附图符号说明：
100、主控模块；
200、温度采集单元；
300、第一采集单元；
400、第二采集单元；
500、温度调节模块；
600、电源转换模块；
700、第一分流器；
800、第二分流器。
具体实施方式
下面将结合本文实施例中的附图，对本文实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本文一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本文中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文保护的范围。
需要说明的是，本文的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本文的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本文实施例提供一种电动汽车充电电源1，安装在充电桩或电动汽车内的充电管理系统中，用于给车载电池充电。本领域技术人员可以理解，本实施例中的电动汽车是指纯电动汽车(Battery Electric vehicle，BEV)、插电式的混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)等，以电力驱动车辆且可以对其动力电池进行充电的电动汽车。此外，本实施例中的充电桩是指用于为电动汽车充电的充电桩。
本实施例的电动汽车充电电源1具体包括：通讯模块、参数采集模块以及主控模块100。
其中，通讯模块用于与外部控制单元通讯连接，外部控制单元可以为充电桩或电动汽车内充电管理系统中的控制器。在本实施例中，外部控制单元为电动汽车内充电管理系统中的控制器，通讯模块为CAN通讯模块。
参数采集模块用于实时采集充电电源的电流、电压和温度参数，具体地，参数采集模块包括温度采集单元200，用于采集充电电源的温度参数；第一采集单元300，用于采集充电电源的前端电压和前端电流；以及第二采集单元400，用于采集充电电源的后端电压和后端电流。
主控模块100分别与参数采集模块、通讯模块通讯连接，用于根据充电电源的电流、电压和温度参数，以及通讯模块传递的外部控制单元的控制信号，控制充电电源以恒流模式或恒压模式给车载电池充电。
由此，本实施例的电动汽车充电电源1可由主控模块100本身与参数采集模块配合实现以恒流模式或恒压模式充电，而无需外部充电系统去实现相应的功能，即不再需要发明人在充电系统的控制器中考虑这些功能，进而会节省大量不必要的时间和精力。
更具体地，参见图2，主控模块100为中央控制单元，其可以是NXP、STM32或51单片机中的任意一个或多个的组合。在其他实施例中，主控模块100也可以是专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit,ASIC)、可编程逻辑硬件(ProgrammableLogic Device,PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammable Logic Device,CPLD)、现场可编程逻辑门阵列(Field-ProgrammableGateArray,FPGA)、通用阵列逻辑(Generic Array Logic,GAL)或其任意组合。
温度采集单元200可以为温度传感器，PT100、PT1000或NTC热敏电阻中的任意一种。在本实施例中，温度采集单元200为NTC热敏电阻。
第一采集单元300和第二采集单元400均可以为ADC采集单元。具体地，在本实施例中，第一采集单元300的引脚V_IN和引脚I_IN连接充电电源的前端，第一采集单元300的引脚V_IN_ADC和引脚I_IN_ADC分别连接主控模块100的引脚V_IN_ADC和引脚I_IN_ADC，以供主控模块100获取充电电源的前端电压和前端电流；第二采集单元400的引脚V_OUT和引脚I_OUT连接充电电源的后端，第二采集单元400的引脚V_OUT_ADC和引脚I_OUT_ADC分别连接主控模块100的引脚V_OUT_ADC和引脚I_OUT_ADC，以供主控模块100获取充电电源的后端电压和后端电流。
其中，对于充电电源电压的采集，由于充电电源前端电压和后端电压比较高，输入端通常为220V或380V，输出端通常也为几百伏，无法直接连接主控模块100的电压采集端，因此通常需要采用若干电阻串联进行分压，以匹配主控模块100的电压采集端的电压。对于充电电源的电流采集，由于电流无法采集，需要设置分流器，通过测量分流器两端的电压，然后再转换成电流，由于分流器两端的电压比较低，直接连接主控模块100的电压采集端，采集误差较大，因此通常需要设置电压放大电路将分流器两端的电压放大，以匹配主控模块100的电压采集端。
当然可以理解，在其他实施例中，第一采集单元300和第二采集单元400均可以集成于主控模块100中，对充电电源的前端电压和前端电流，以及后端电压、后端电流的采集由主控模块100本身的采集功能来实现。在又一实施例中，第一采集单元300和第二采集单元400均可以采用AD7606芯片。
由于电动汽车充电电源1需要将交流电转换为直流电后给车载电池充电，因此，在本实施例中，电动汽车充电电源1还包括电源转换模块600，电源转换模块600的输入端分别与充电电源的前端和所述主控模块100的PWM信号输出端连接，电源转换模块600的输出端与充电电源的后端连接。
进一步地，为了滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，同时避免充电电源本身对外辐射噪声干扰影响其它电子产品，通常电源转换模块600内还设置有EMI滤波模块。
进一步地，为了校正充电电源的输入电压，通常电源转换模块600内还设置有PFC(power factor correction，功率因数校正)模块。
进一步地，电源转换模块600内还设置有DC-DC调节模块，用于根据所述主控模块100的PWM信号将PFC模块校正后的直流电调节为车载电池所需电压的直流电。
在充电电源的前端与电源转换模块600之间设置有第一分流器700，在电源转换模块600与充电电源的后端之间设置有第二分流器800。分流器根据直流电流通过电阻时，在电阻两端产生电压的原理制成，分流器接入电路中，测量两端电压，即可得知电路中的电流。因此，第一采集单元300的引脚V_IN测量充电电源前端正极相对负极的电压，引脚I_IN测量第一分流器700前端相对负极的电压，第二采集单元400的引脚V_IN测量充电电源后端正极相对负极的电压，引脚I_IN测量第二分流器800前端相对负极的电压。
返回参照图1，主控模块100可以包括恒压输出单元和恒流输出单元。
恒压输出单元用于在接收到外部控制单元的恒压输出控制信号时，以后端检测到的电压为电压初始值进行充电输出，并在后端电流小于预设最大截止电流时，使电压初始值逐渐升高至预设恒定电压，并以预设恒定电压进行充电输出。
恒流输出单元用于在接收到外部控制单元的恒流输出控制信号时，以后端检测到的电压为电压初始值进行充电输出，并在后端电流小于预设恒定电流时，使后端电流逐渐升高至预设恒定电流，并以预设恒定电流进行充电输出。
需要说明的是，上述的最大截止电流、预设恒定电流以及预设恒定电压，都是根据车载电池的特性随时设定的，在一个实施例中，比如车载电池的电压为300V，在恒压模式下，预设恒定电压可以设定为320V，在恒流模式下，预设恒定电流可以设定为50A，最大截止电流可以设定为100A(安全电流，用于保护充电系统电路和蓄电池)。应当理解，恒压模式和恒流模式进行充电已经是本领域较为成熟的技术手段，在此为了行文简洁不再赘述。
进一步地，如图1所示，电动汽车充电电源1还可以包括提示模块，提示模块的输入端与主控模块100的输出端连接，提示模块通过通讯模块与外部控制单元通讯连接。提示模块用于在恒压模式下，在后端电流达到预设最大截止电流时，电压还未升高至预设恒定电压，提示预设恒定电压过高，并将预设恒定电压过高的信息发送给外部控制单元。提示信息的方式可以为声音、文字或LED灯光显示。
进一步地，如图1所示，主控模块100还可以包括故障诊断单元。故障诊断单元配置为：根据前端电压和前端电流计算输入功率，根据后端电压和后端电流计算输出功率，比较输入功率与输出功率的差值，若差值小于功率差值预设阈值，判定充电电源充电状态正常；否则，判定充电电源处于故障状态。通常情况下，功率差值预设阈值可以设定为0.5kw。可以理解，故障诊断单元可以为主控模块100中的计算单元和判断单元，即主控模块100自身即可实现诊断过程。并且，可以理解，输入功率和输出功率的差值是充电电源内部消耗的能量，如果差值较小，例如没有超过0.5kw，代表电源内部没有出现故障，可以继续充电；如果输入功率远大于输出功率，例如差值超过0.5kw，代表电源内部出现故障。
进一步地，如图1所示，主控模块100还可以包括故障反馈单元，故障反馈单元通过通讯模块与外部控制单元通讯连接，主控模块100还用于在故障诊断单元判定充电电源处于所述故障状态时，控制故障反馈单元将故障信息发送给外部控制单元。由此，可以使外部控制单元及时作出故障应急机制。
继续参考图1，电动汽车充电电源1还可以包括温度调节模块500，温度调节模块500与主控模块100通讯连接。温度调节模块500可以包括风扇和控制回路。主控模块100还用于在温度参数高于温度预设阈值时，控制风扇的转速增加，以及在温度参数回落于正常温度区间时，将风扇的转速调整至正常值。通常情况下，温度预设阈值可以设定为70℃。
接下来，详细说明本实施例电动汽车充电电源1的工作流程。
(1)为了保护系统电路，上电对前端电压、系统温度和风扇状态进行一次预检测，检测过程中提示正在检测，通常此过程很快就会完成。检测完成后，如果未出现故障，继续向下执行；如果出现故障，停止向下执行，并通过通讯模块将故障信息反馈给外部控制单元。
(2)如果接收到外部控制单元发来恒压模式指令，进入恒压模式进行充电；如果接收到外部控制单元发来恒流(恒功率)模式指令，进入恒流(恒功率)模式进行充电。
(3)实时检测前端电压、前端电流、后端电压和后端电流。并根据前端电压和前端电流计算出输入功率，根据后端电压和后端电流计算出输出功率。如果两功率相差较小，代表电源内部没有出现故障，继续充电；如果输入功率远大于输出功率，代表电源内部出现故障，立即断电并通过通讯模块将故障信息反馈给外部控制单元。
(4)实时检测系统温度，如果系统温度过高，风扇转数增加，加速降温；如果系统温度恢复正常，风扇转数恢复到正常状态。
(5)实时检测充电电流是否小于预设的最大截止电流，如果小于预设的最大截止电流，代表后端没有出现故障，继续充电；如果大于预设的最大截止电流，代表后端出现故障，立即断电并通过通讯模块将故障信息反馈给外部控制单元。
(6)在断电后，立即对出现故障部分进行再检测。如果故障消失，立即恢复充电；如果再检测3次之后，还是有故障，代表此部分的确有故障，不再恢复，并将出现的故障和不可恢复信息通过通讯模块反馈给外部控制单元。
(7)当接收到外部控制单元发来停止充电命令时，代表充电系统充电结束，断电停止充电。
本文另一实施例还提供一种电动汽车充电管理系统，包括上述任一实施例所述的新型电动汽车充电电源1，以及控制器，新型电动汽车充电电源1与控制器通讯连接。
本文另一实施例还提供一种充电桩，包括所述的电动汽车充电管理系统。
本文另一实施例还提供一种电动汽车，包括所述的电动汽车充电管理系统。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本文。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本实用新型已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种电动汽车充电电源，安装在充电桩或电动汽车内的充电管理系统中，用于给车载电池充电，其特征在于，包括：
通讯模块，用于与外部控制单元通讯连接，所述外部控制单元为充电桩或电动汽车内充电管理系统中的控制器；
参数采集模块，用于实时采集所述充电电源的电流、电压和温度参数，其中，所述参数采集模块包括温度采集单元，用于采集所述充电电源的温度参数；第一采集单元，用于采集所述充电电源的前端电压和前端电流；以及第二采集单元，用于采集所述充电电源的后端电压和后端电流；
主控模块，所述主控模块分别与所述参数采集模块、所述通讯模块通讯连接，用于根据所述充电电源的电流、电压和温度参数，以及所述通讯模块传递的所述外部控制单元的控制信号，控制所述充电电源以恒流模式或恒压模式给所述车载电池充电。
2.如权利要求1所述的电动汽车充电电源，其特征在于，还包括电源转换模块，所述电源转换模块的信号输入端与所述主控模块的信号输出端连接，所述电源转换模块用于根据所述主控模块的控制信号将输入至所述电源转换模块的交流电转换为直流电。
3.如权利要求1所述的电动汽车充电电源，其特征在于，所述主控模块包括集成于所述主控模块内的恒压输出单元和恒流输出单元。
4.如权利要求3所述的电动汽车充电电源，其特征在于，还包括提示模块，所述提示模块的输入端与所述主控模块的输出端连接，所述提示模块通过所述通讯模块与所述外部控制单元通讯连接，所述提示模块用于在所述恒压模式下，在所述后端电流达到预设最大截止电流时，电压还未升高至预设恒定电压，提示所述预设恒定电压过高，并将所述预设恒定电压过高的信息发送给所述外部控制单元。
5.如权利要求3所述的电动汽车充电电源，其特征在于，所述主控模块还包括集成于所述主控模块内的故障诊断单元。
6.如权利要求5所述的电动汽车充电电源，其特征在于，所述主控模块包括故障反馈单元，所述故障反馈单元通过所述通讯模块与所述外部控制单元通讯连接，所述主控模块还用于在所述故障诊断单元判定所述充电电源处于所述故障状态时，控制所述故障反馈单元将故障信息发送给所述外部控制单元。
7.如权利要求1所述的电动汽车充电电源，其特征在于，还包括温度调节模块，所述温度调节模块与所述主控模块通讯连接，所述温度调节模块包括风扇和控制回路，所述主控模块还用于在所述温度参数高于温度预设阈值时，控制所述风扇的转速增加，以及在所述温度参数回落于正常温度区间时，将所述风扇的转速调整至正常值。
8.一种电动汽车充电管理系统，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的电动汽车充电电源，以及控制器，所述电动汽车充电电源与所述控制器通讯连接。
9.一种充电桩，其特征在于，包括权利要求8所述的电动汽车充电管理系统。
10.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求8所述的电动汽车充电管理系统。
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