电池充电装置论文和设计

全文摘要

本申请公开了电池充电装置，其包括充电座、输出线缆、主控制器、电池模拟直直变换器和至少一充电直直变换器；主控制器适于和充电桩进行BMS协议握手通信并在通信成功后通知电池模拟直直变换器启动工作；电池模拟直直变换器适于对BMS供电电源电压进行升压变换以获得模拟电压并将模拟电压输出到充电座，其中模拟电压在充电桩的合法电压范围内；主控制器还适于将充电需求电压和充电需求电流发给充电桩，及响应于检测到充电桩输出电压而通知至少一充电直直变换器启动工作；至少一充电直直变换器适于将经充电桩输出电压变换为电池充电电压以经输出线缆对电池充电。本实用新型使标准充电枪可用于低额定电压电池的充电。

主设计要求

1.一种电池充电装置，包括充电座和输出线缆，其特征在于，所述充电装置还包括主控制器、电池模拟直直变换器和至少一充电直直变换器；主控制器适于响应于获得BMS供电电源电压，和充电桩进行BMS协议握手通信并在通信成功后通知电池模拟直直变换器启动工作；电池模拟直直变换器适于对BMS供电电源电压进行升压变换以获得模拟电压并将模拟电压输出到充电座，其中模拟电压在充电桩的合法电压范围内；主控制器还适于将充电需求电压和充电需求电流发给充电桩，其中充电需求电压大于模拟电压，及响应于检测到充电桩输出电压而通知至少一充电直直变换器启动工作；至少一充电直直变换器适于将经充电座获得的充电桩输出电压变换为电池充电电压以经输出线缆对电池充电。

设计方案

2.根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，电池模拟直直变换器与至少一充电直直变换器中的每一个之间连接有钳位二极管。

3.根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，所述电池充电装置还包括泄放电路，其适于在主控制器确定充电结束或异常时将高电压泄放到安全电压以下。

4.根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，所述电池充电装置还包括人机交互单元，其适于将用户输入传给主控制器和\/或从主控制器接收信息进行显示。

5.根据权利要求1或4所述的电池充电装置，其特征在于，所述电池充电装置还包括状态显示单元，其适于显示所述电池充电装置的当前状态。

6.根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，所述主控制器还适于，响应于达到充电结束条件，通知至少一充电直直变换器和\/或电池模拟直直变换器停止工作。

7.根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，所述主控制器还适于，响应于检测到充电桩输出电压下降到接近模拟电压，1)减小充电需求电流直到充电桩输出电压继续维持在充电需求电压为止；或者2)增大充电需求电压以提升充电桩输出电压；或者3)通知至少一充电直直变换器和\/或电池模拟直直变换器停止工作。

8.根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，所述充电需求电流为充电桩的最大输出能力电流值。

9.根据权利要求5所述的电池充电装置，其特征在于，所述状态显示单元为指示灯、蜂鸣器和\/或触敏显示器。

设计说明书

技术领域

本申请涉及供电或配电的电路装置或系统领域，尤其涉及电池充电装置。

背景技术

作为新能源车核心部件的动力锂电池的产能日益快速扩张，成本不断下降，在部分应用场合逐步替代铅酸电池，如电动助力车、老年代步车、低速车以及一些工程施工特种车如叉车等。但是，这些应用场合的车辆用的锂电池额定电压普遍在200V以下，而目前市场上保有的所有直流快速充电桩的充电规格有 500V和750V两种，绝大部分最低工作电压分别为200V和250V，无法为上述车辆所使用。此外，目前部分已建成的直流充电桩也由于地理位置、用户少等缘故成为闲置桩，造成资源的极大浪费。

实用新型内容

本申请的目标在于提供一种电池充电装置，其使得目前保有的标准高电压充电桩可用于低额定电压电池的充电。

为解决上述技术问题，根据本实用新型的第一方面，提供一种电池充电装置，其包括充电座和输出线缆及主控制器、电池模拟直直变换器和至少一充电直直变换器；主控制器适于响应于获得BMS(电池管理系统)供电电源电压，和充电桩进行BMS协议握手通信并在通信成功后通知电池模拟直直变换器启动工作；电池模拟直直变换器适于对BMS供电电源电压进行升压变换以获得模拟电压并将模拟电压输出到充电座，其中模拟电压在充电桩的合法电压范围内；主控制器还适于将充电需求电压和充电需求电流发给充电桩，其中充电需求电压大于模拟电压，及响应于检测到充电桩输出电压而通知至少一充电直直变换器启动工作；至少一充电直直变换器适于将经充电座获得的充电桩输出电压变换为电池充电电压以经输出线缆对电池充电。

作为本实用新型第一方面的改进，电池模拟直直变换器与至少一充电直直变换器中的每一个之间连接有钳位二极管。

作为本实用新型第一方面的另一改进，所述电池充电装置还包括泄放电路，其适于在主控制器确定充电结束或异常时将高电压泄放到安全电压以下。

作为本实用新型第一方面的又一改进，所述电池充电装置还包括人机交互单元，其适于将用户输入传给主控制器和\/或从主控制器接收信息进行显示。

作为本实用新型第一方面的再一改进，所述电池充电装置还包括状态显示单元，其适于显示所述电池充电装置的当前状态。

作为本实用新型第一方面的另一改进，所述主控制器还适于，响应于达到充电结束条件，通知至少一充电直直变换器和\/或电池模拟直直变换器停止工作。

作为本实用新型第一方面的又一改进，所述主控制器还适于，响应于检测到充电桩输出电压下降到接近模拟电压，1)减小充电需求电流直到充电桩输出电压继续维持在充电需求电压为止；或者2)增大充电需求电压以提升充电桩输出电压；或者3)通知至少一充电直直变换器和\/或电池模拟直直变换器停止工作。

作为本实用新型第一方面的再一改进，所述充电需求电流为充电桩的最大输出能力电流值。

通过本实用新型装置，将采用额定电压较低的车辆模拟成一个额定电压大于一定电压如300V的车辆，从而使其能使用目前500V和750V规格的充电桩进行充电，使得目前的充电桩能更大限度地投入使用，创造应有的价值。具体地，本实用新型具有下述优点：

1)适用于任何低额定电压版本的车辆和所有的直流充电桩相连接并进行充电，对于充电桩运营商来说可以增加充电桩的利用率形成经济效益；

2)本实用新型装置可以形成多种额定功率规格，体积大小不一便于放置在不同车辆上，方便使用；

3)本实用新型使得可以将社会上的闲置充电桩充分利用起来，具有很强的社会效益；

4)本实用新型装置的主控制器工作时同时模拟电池和模拟充电桩，一体式设计可靠性高、成本低，适合大规模市场推广；

5)具备电池模拟器功能，保证能被所有充电桩有效识别为有效电池，能顺利进入充电流程控制；

6)本实用新型装置内的主控制器模拟为BMS(电池管理系统)单元给充电桩发送电池信息，如车辆端无BMS则按国标要求发送虚拟且安全电池信息；

7)当车辆遇到电路不足又无法找到合适交流电源时，本实用新型使得可利用现有直流充电桩作为输入电源进行应急充电；

8)本实用新型装置内设计有泄放电路，保证充电结束时快速将高压泄放到安全电压以下；

9)对于车辆端没有BMS的应用场景，本实用新型装置内可以设计多个充电直直变换器，使得一套装置可以给不止一辆车辆充电。

附图说明

图1为根据本实用新型的电池充电装置的一实施例的结构框图。

图2为图1中所示的两个直直变换器的工作原理示意图。

图3为图1中所示的两个直直变换器的结构框图。

图4为根据本实用新型的电池充电装置的运行方法的流程图。

为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本实用新型所必要的细节，而省略其他细节。

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型的实施方式和实施例进行详细说明。

通过下面给出的详细描述，本实用新型的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本实用新型优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。

图1示出了本实用新型电池充电装置的一优选实施例的结构。该实施例的电池充电装置包括充电座、输出线缆、电源电路、主控制器、电池模拟直直变换器、充电直直变换器、人机交互单元及泄放电路。充电座采用最新国家标准的充电座接口，用于在电池充电装置工作时与直流充电桩的充电枪相连。输出线缆用于在电池充电装置工作时与车辆端直流充电口连接，该线缆满足行业标准或者国家标准并带有插头，内部除有功率线缆外还可有用于连接确认的信号线。电源电路的输入由充电桩上的充电枪BMS供电电源提供，电源电路支持9- 36V宽电压范围输入，保证能兼容提供24V和12V BMS供电电源的充电桩，电源电路对BMS提供的电源进行一些处理如滤波处理，电源电路的输出供给主控制器、电池模拟直直变换器、可能及车辆端BMS、其它元件如接触器和指示灯等。在其它实施例中，主控制器、电池模拟直直变换器等的工作电压也可直接从BMS供电电源获得。主控制器针对充电桩端执行车辆端BMS模拟功能、针对车辆电池端执行充电桩模拟功能、以及控制两个直直变换器的起停和运行参数。主控制器适于响应于获得BMS供电电源电压，按照国标协议和充电桩进行BMS 协议握手通信并在通信成功后根据相应国家标准通知电池模拟直直变换器启动工作，保证充电桩能采样到合法电压值后充电桩控制器能正确进入下一步交互流程。两个直直变换器是用于实现能量变换的功率单元和模拟电池电压的功能，可以是变压器隔离型或无变压器非隔离型。电池模拟直直变换器工作在升压模式，适于对BMS供电电源电压进行升压变换以模拟电池电压并将模拟的电池电压输出到充电座，该模拟的电池电压在充电桩的合法电压范围内，使得具有低额定电压的车辆电池可被充电桩识别。使模拟的电池电压在充电桩的合法电压范围内主要是让充电桩检测到的电压在充电桩的充电输出范围(正常工作范围) 内。合法电压范围通常为充电桩的额定电压输出范围，结合目前国内充电桩存在500V和750V两种规格，这个合法电压范围可以取200～500V，结合不同产品应用再选取一个最优值。主控制器还适于将充电需求电压和充电需求电流发给充电桩，其中充电需求电压大于模拟的电池电压，充电需求电流可为充电桩的最大输出能力电流值。主控制器还响应于检测到充电桩输出电压而通知充电直直变换器启动工作，充电直直变换器工作在降压模式，输入电压为充电桩的功率输出电压，将充电桩充电枪输出的直流电压降压输出给车辆电池端，实现充电功能。对于一些特种车辆，如果电压高压500V，则充电直直变换器应设计为升降压模式。充电时(充电直直变换器工作时)，电池模拟直直变换器可以停止工作也可以继续工作。泄放电路用于在主控制器确定充电结束或者异常结束时快速将装置内输入端和输出端的不安全高压泄放到安全电压以下。人机交互单元可由屏幕、按键等组成或者配置为更先进的触摸屏，通过手动设定可以设定低压侧的充电电流，此种情形适合电池端没有BMS的应用场景，可以结合自己的需求来定充电电流的大小，如车辆端也有BMS则按BMS的协议进行充电。在某些应用场景如无触摸屏，此时可通过外部通信接口或者拨码开关等对该装置进行功能配置，如配置车辆端是否有BMS、充电电流大小等。在其它实施例中，电池充电装置还可包括状态显示单元如指示灯、蜂鸣器等，其适于显示电池充电装置的当前状态。人机交互单元和\/或状态显示单元的具体组成可结合成本控制进行合理增删。

在其它实施例中，电池充电装置也可不包括人机交互单元、状态显示单元和\/或泄放电路。

在其它实施例中，电池充电装置可包括两个以上充电直直变换器，两个以上直直变换器中的每一个与其它部件之间的连接和工作关系与结合图1所述的一样，以实现同时对两个以上车辆电池充电。

图2示出了图1中的两个直直变换器的工作原理。V4为充电桩输出的BMS供电电源电压，对于不同的充电桩，此电压存在有12V和24V两种。车辆端电池电压为V2，模拟电池直直变换器将电压V 4升压后得到V1，充电直直变换器不工作，主控制器向充电桩发出的充电需求电压是V3，需求电流按充电桩最大输出电流给出，V3＞V1＞V2＞V4。充电桩启动后，由于充电直直变换器没有工作，此时由于钳位二极管的存在，充电桩工作在恒压模式，恒压点为V3，模拟电池直直变换器仍旧输出V1，但装置的端口电压将由V1上升为V3。钳位二极管用于阻断充电桩输出电压对电池模拟直直变换器的影响，同时在充电过程中可停止工作，以便降低充电桩BMS供电电源的负荷。主控制器通知充电直直变换器启动工作，此时充电需求由车辆端BMS给定及电池充电装置设置好的给定来决定，两者取小值作为充电需求电流值，如车辆为无BMS型号，充电电流为控制器设定值。此种方法的特点是充电桩主要工作在恒压模式，如车辆端充电需求过大导致充电桩进入恒流模式，即主控制器检测到电压V3即将小于V1时，此时可有3种处理算法：1)充电装置通过减少需求电流直到充电桩输出电压继续维持V3，此种方法会降低充电功率和速度；2)充电装置通过增大充电需求电压将充电桩输出电压提升到另一合理电压V5，此种方案能维持充电功率和速度不变；3)当以上两种方案都不能解决问题则装置内的控制器给出充电停机指令。以上3种控制方式需要装置内的控制器结合充电直直变换器的技术参数和车辆端电池电压进行最优判决并执行。例如，充电装置内置参数配置项，用户可以选择方法1)或者方法2)作为首选执行方案。充电装置也可以配置为自动适应，首选按方法2)执行，如果发现通过提高充电需要电压到最大值仍然不能保证电压V3恒住，则开始按方法1)执行，降低充电侧的充电电流、降低充电功率。两个直直变换器的优点在于彼此独立，是两套电路，分别工作来实现给车辆电池充电和模拟一个可供充电桩正常识别的电池电压，保证直流桩能给车辆充电。

图3示出了两个直直变换器的示意性结构。直流输入滤波电容用于滤除外部输入的电磁干扰以及减少自身对外界的干扰。母线电容C用来稳定直流输入电压，保证充电过程的稳定性。功率开关逆变电路由功率MOS管或IGBT和与之配套的驱动电路组成，用于对输入直流电压进行高频切换通断。变压器采用高频变压器方案，将原边的方波电压进行升压或者降压，由变换器控制芯片决定，如采用不隔离方案此变压器可以不采用。功率整流电路将交流方波电压整流成直流电压，电压值由控制芯片决定。输出滤波电路用于降低滤除变换器自身产生的电路干扰，减少对外界电路的影响。控制芯片根据装置的主控系统给出的运行指令，启动或者停止工作，启动时需要采样输出的电压，电流值并按算法计算出电平信号到功率开关逆变电路的驱动电路，最终得到需要的输出电压值。针对不同应用，充电直直变换器可以设计为降压模式也可设计为升压模式，或者具备宽输出范围的设计(兼容升压和降压)，此设计的不同主要体现在装置的制造成本，不影响本实用新型的实现和结果。本实用新型中的直直变换器为通用设计，本领域技术人员均可设计完成，只是在成本、可靠性以及实现原理拓扑上有差异，但以上差异并不会影响到本实用新型的最终实现原理和装置的可用性。

图4示出了本实用新型的电池充电装置的使用和运行方法。在步骤S10，将充电装置的输出线缆和车辆连接。在步骤S11，将充电桩的充电枪插入充电装置的充电座。这两步操作没有必然的先后关系。当装置的两端连接完毕后，在步骤S12，在充电桩上进行充电操作，充电桩按国标协议要求进行自检，自检无异常后通过充电枪输出BMS供电电源。在步骤S13，电池充电装置得到BMS 供电电源后，主控制器被唤醒，开始模拟BMS的工作，按照国标协议和充电桩开始BMS协议握手通信，在握手成功后，主控制器通知电池模拟直直变换器工作并输出电压，保证充电桩能采样到合法电压值后充电桩控制器能正确进入下一步交互流程，同时可进行状态显示以及异常处理(步骤S20)。在步骤S14，按国标协议交互流程，电池充电装置给充电桩发出充电需求指令，该指令中的电压值为一个适当值，但该值必须大于电池模拟直直变换器的输出电压，而电流值可为充电桩的最大输出能力电流值，充电桩按国标协议已经下发该电流值给电池充电装置的主控制器。在步骤S15，充电桩输出电压，此时充电桩工作恒压模式，该恒压点由主控制器通过通信给充电桩发出。在电池充电装置和充电桩进行充电国标协议握手流程过程中，如果车辆端存在BMS，则同时还进行步骤S30，装置内的主控制器和车辆BMS进行握手通信。在步骤S31，电池充电装置与车辆BMS交互完成后，进入等待状态。在步骤S16，主控制器检测到充电桩输出电压后启动充电直直变换器工作，给车辆电池进行充电。在步骤S17，达到结束条件后，进入停机流程，按国标流程进行停机处理，装置控制器让两个直直变换器停止工作。结束条件可由车辆端BMS给出，或者由电池充电装置给出或者由充电桩给出。在步骤S18，充电桩进行停机处理。在步骤S19，充电完成，车辆端恢复到原始待机状态，拔出输出线缆和充电枪，整个充电流程结束。以上步骤如出现异常则进入异常处理步骤S20，表现结果为充电无法进行或者停止充电。

在此所述的多个不同实施例或者其特定特征、结构或特性可在本实用新型的一个或多个实施方式中适当组合。

除非明确指出，在此所用的单数形式“一”、“该”均包括复数含义(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和\/或“包含”表明存在所述的特征、操作、元件和\/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、操作、元件、部件和\/或其组合。如在此所用的术语“和\/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。

前面说明了本实用新型的一些优选实施例，但是应当强调的是，本实用新型不局限于这些实施例，而是可以本实用新型主题范围内的其它方式实现。本领域技术人员可以在本实用新型技术构思的启发和不脱离本实用新型内容的基础上对本实用新型作出各种变型和修改，这些变型或修改仍落入本实用新型的保护范围之内。

设计图

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