对车辆的电池充电的系统和方法与流程

1.本公开涉及一种用于对车辆的主电池充电的系统和方法，更具体地，涉及一种用于对车辆的主电池充电的系统和方法，其不仅可以使用外部的ac电(交流电)而且还使用车辆内置的可更换电池对车辆的主电池充电。


背景技术：

2.设置电池作为车辆中驱动电机的能源的环保车辆(例如，电动车辆或插电式混合动力电动车辆)具有用于将外部ac电转换为dc电(直流电)并利用dc电对电池充电的车载充电器。
3.另一方面，高压电池的价格对环保车辆的成本竞争力具有影响，为了将这种高压电池的价格最低化，已经朝着减小电池的容量和降低电压的方向做了技术开发。然而，这种高压电池的容量减小具有车辆的行驶距离减小并且电机/逆变器输出减小的问题。
4.为了解决上述问题，提出了一种在车辆内安装一个或多个可更换电池并使用一个或多个可更换电池对主电池充电的方案。
5.主电池和可更换电池可以具有相同的最大电压，但是具有取决于充电状态(soc)的可变范围内的电压。因此，如果它们以简单的短路结构连接，则存在由于电压差而引起火灾和元件烧毁的风险。因此，为了使用可更换电池对主电池充电，通常额外需要用于一个可更换电池的一个dc-dc转换器，这导致电池的成本和尺寸增加并导致效率降低。因此，需要一种转换器控制装置来对它们进行改进。
6.前述背景技术的内容仅旨在帮助理解本公开的背景，而并非旨在表示本公开落入本领域技术人员已知的现有技术的范围内。


技术实现要素：

7.本公开的一方面在于提供一种用于对车辆的电池充电的系统和方法，其可以使用车载计算机(obc)的dc-dc转换器，通过将多个可更换电池连接到对主电池充电的obc的多个dc-dc转换器的输入端子，利用可更换电池的电压对主电池充电而无需安装用于多个可更换电池的额外的转换器。本公开不限于上述主题，并且可以从以下描述中导出其他主题。
8.在本公开的一方面，一种车辆的充电系统包括：功率因数校正单元，接收被施加的商用ac电并校正ac电的功率因数；多个链路电容器，联接到功率因数校正单元的输出端子；多个转换器，具有一一对应地连接到链路电容器的输入端子，并对施加到输入端子的电压进行转换；主电池，利用被多个转换器转换的电力充电；多个可更换电池，使用开关连接到转换器的输入端子；以及控制器，通过根据是否施加商用ac电控制多个可更换电池的开关来将多个可更换电池的电压施加到多个转换器的输入端子。
9.多个转换器可以是可以在控制器的控制下以全桥或半桥的形式修改拓扑的dc-dc转换器。
10.在商用ac电被施加到多个转换器的情况下，控制器可以控制多个转换器作为半桥
转换器进行操作。
11.在多个可更换电池的电压被施加到多个转换器的情况下，控制器可以控制多个转换器作为全桥转换器进行操作。
12.功率因数校正单元可以具有升压转换器的结构，并且多个链路电容器可以在升压转换器的输出端子处彼此串联连接。
13.功率因数校正单元可以具有多个降压转换器的结构，并且链路电容器可以连接到降压转换器的输出端子。
14.在商用ac电被施加到车辆的情况下，控制器可以控制开关断开以利用商用ac电对主电池充电。
15.在商用ac电未被施加到车辆的情况下，控制器可以控制开关闭合以通过多个可更换电池对主电池充电。
16.连接到可更换电池的开关可以包括多个继电器，其中多个继电器包括：预充电继电器，一端连接到可更换电池的正极并且对多个链路电容器初始充电；第一主继电器，一端连接到可更换电池的正极；以及第二主继电器，一端连接到可更换电池的负极，并且第一主继电器和第二主继电器在控制器的控制下将可更换电池的电压施加到转换器的输入端子。
17.转换器的输出可以并联连接到主电池。
18.多个可更换电池可以包括多个可更换电池对，多个可更换电池对中的可更换电池可以具有彼此连接的输出端子，并且彼此连接的输出端子可以连接到转换器的输入端子。
19.控制器可以通过交替地断开和闭合可更换电池对中的两个可更换电池的开关来使该两个可更换电池交替地对主电池充电。
20.在本公开的另一方面，一种对车辆的主电池充电的方法包括：由控制器确定商用ac电是否被施加到车辆；当确定商用ac电已经被施加到车辆时，由控制器通过断开多个可更换电池连接到多个转换器的开关来将商用ac电施加到多个转换器，多个转换器将商用ac电转换为用于对主电池充电的电压；并且当确定商用ac电尚未被施加到车辆时，由控制器通过闭合开关来将可更换电池的电压施加到多个转换器。
21.多个转换器可以是可以在控制器的控制下以全桥或半桥的形式修改拓扑的dc-dc转换器，将商用ac电施加到多个转换器可以包括由控制器控制多个转换器作为半桥转换器进行操作，将可更换电池的电压施加到多个转换器可以包括由控制器控制多个转换器作为全桥转换器进行操作。
22.由于可以使用obc的dc-dc转换器，通过将多个可更换电池连接到对主电池充电的obc的多个dc-dc转换器的输入端子，利用可更换电池的电压对主电池充电而无需安装用于多个可更换电池的额外的转换器，因此增加了车辆的行驶距离并且提高了电机和逆变器的效率。
附图说明
23.通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本公开的上述和其它目的、特征和优点，其中：
24.图1是根据本公开的实施例的充电系统的整体框图；
25.图2是示出根据本公开的实施例的充电系统的示图；
26.图3是示出根据本公开的另一实施例的充电系统的示图；
27.图4a和图4b是说明根据本公开的实施例的充电系统的操作过程的示图；
28.图5是示出根据本公开的另一实施例的充电系统的示图；以及
29.图6是示出根据本公开的实施例的充电方法的流程图。
具体实施方式
30.在下文中，将参照附图详细地描述本公开的实施例。
31.本公开涉及一种使用可更换电池对车辆的主电池充电的充电系统和充电方法，在下文中，它们可以简称为“充电系统”和“充电方法”。
32.图1是根据本公开的实施例的充电系统的整体框图。
33.参照图1，根据本公开的实施例的充电系统100包括：功率因数校正单元120，接收从外部施加的商用ac电源110并校正ac电源的功率因数；链路电容器单元130，连接到功率因数校正单元120的输出端子；dc-dc转换器单元140，具有连接到链路电容器单元130的输入端子，并且转换施加到其输入端子的电压；主电池150，利用被dc-dc转换器单元140转换的电压充电；可更换电池单元170，通过开关单元160连接在链路电容器单元130和dc-dc转换器单元140之间；以及控制器，根据是否施加商用ac电源110控制dc-dc转换器单元140和开关单元160。
34.功率因数校正单元120被配置为校正从外部施加的商用ac电源110的功率因数并输出校正后的电压，并且可以由单个或多个转换器组成，并且根据需要，也可以将功率因数校正单元120配置为无桥拓扑。
35.链路电容器单元130形成为使得多个链路电容器131、132和133连接到功率因数校正单元120的单个或多个转换器的输出端子。在这种情况下，为了将由多个dc-dc转换器组成的dc-dc转换器单元140连接到功率因数校正单元120的后端，优选地，多个链路电容器131、132和133具有相同的尺寸。
36.dc-dc转换器单元140可以由多个dc-dc转换器组成，该多个dc-dc转换器将施加到输入端子的电压转换为用于对主电池150充电的电压以输出被转换的电压。在这种情况下，优选地，使用隔离转换器作为dc-dc转换器。
37.此外，在本公开的实施例中，如果dc-dc转换器单元140由可以以全桥或半桥形式修改拓扑的dc-dc转换器组成，则可以通过根据对主电池150充电的充电源(即，外部商用ac电源110或可更换电池171、172和173)的种类修改拓扑来更有效地对主电池150充电。
38.可更换电池单元170可以由多个可更换电池171、172和173组成，并通过开关单元160连接在链路电容器单元130和dc-dc转换器单元140之间。可更换电池单元170是在主电池150未被商用ac电源110充电时对主电池150充电的电压源。通过控制连接到可更换电池单元170的开关单元160，来自可更换电池单元170的电压供应被控制。
39.控制器180可以通过根据是否施加商用ac电源110来控制构成dc-dc转换器单元140的开关的开/关状态来改变dc-dc转换器单元140的拓扑，并且可以通过控制可更换电池单元170的开关单元160的开/关状态来控制来自可更换电池单元170的电压供应。
40.如上所述的控制器180可以以微型计算机的形式实施，该微型计算机包括执行控制所需的算法处理和计算的处理器以及存储处理器进行算法处理和计算所需的信息的存
储器。
41.根据本公开的实施例，为主电池150充电的可更换电池单元170不是通过单独的转换器连接到主电池150，而是通过转换现有的商用ac电源110的dc-dc转换器单元140连接到主电池150，并且当没有施加商用ac电源110时，dc-dc转换器单元140转换来自可更换电池单元170的电压并将被转换的电压供应给主电池150，使得充电系统经济并且具有优异的充电效率。
42.在下文中，将通过各个实施例详细描述根据本公开的充电系统的各个配置。
43.实施例1
44.实施例1是图1的功率因数校正单元120由单个转换器组成的实施例。图2是示出根据实施例1的充电系统的示图。
45.参照图2，根据本公开的实施例的充电系统由功率因数校正转换器121、多个链路电容器131、132和133、多个dc-dc转换器141、142和143、主电池150、多个开关161、162和163以及多个可更换电池171、172和173组成。
46.功率因数校正转换器121被配置为单升压转换器拓扑。在本公开的实施例中，功率因数校正转换器121可以被配置为无桥拓扑。这种升压转换器拓扑是有利的，因为它可以提高功率因数(pf)，并且可以减少总谐波失真(thd)。
47.多个链路电容器131、132和133具有相同的尺寸，并且串联连接到功率因数校正转换器121的输出端子。彼此串联连接的链路电容器131、132和133可以使电压稳定地供应以分别匹配可更换电池171、172和173的电压。
48.多个dc-dc转换器141、142和143与链路电容器131、132和133一一对应地连接，以接收彼此串联连接的多个链路电容器131、132和133的电压的输入。参照图3，由于第一dc-dc转换器141被连接以接收施加到第一链路电容器131的电压的输入，第二dc-dc转换器142被连接以接收施加到第二链路电容器132的电压的输入，第三dc-dc转换器143被连接以接收施加到第三链路电容器133的电压的输入，因此链路电容器131、132和133以一对一的方式对应于dc-dc转换器141、142和143。多个dc-dc转换器141、142、143的输出彼此并联连接，并且被输入到主电池150的输入端子。
49.多个dc-dc转换器141、142和143可以由可以以全桥或半桥形式修改拓扑的dc-dc转换器组成，并且如果详细的电路形式可以在控制器的控制下以全桥或半桥的形式进行修改，则它可以被普通技术人员正确选择和使用。
50.图4a和图4b是示出dc-dc转换器141、142和143的示例的示图，其中拓扑可以以全桥或半桥的形式修改。参照图4a，根据本实施例的转换器可以是包括全桥结构的转换器，其中转换器的输入端子具有第一至第四开关410、420、430和440。
51.根据包括这种全桥结构的转换器，第一至第四开关410、420、430和440的操作由控制器180控制，因此可以以全桥或半桥的形式修改拓扑。
52.图4a示出了dc-dc转换器通过传统的全桥开关控制(第一开关/第四开关控制和第二开关/第三开关控制)以全桥转换器的形式进行操作的情况，图4b示出了dc-dc转换器通过以下方式以半桥转换器的形式进行操作的情况：第二开关420总是被控制器关断以达到断开第二开关420的连接部件的效果，第四开关440总是被接通以达到使第四开关440的连接部件发生短路的效果。
53.多个可更换电池171、172和173通过开关161、162和163分别连接到dc-dc转换器141、142和143。更具体地，参照图2，由于第一可更换电池171通过第一开关161连接到第一dc-dc转换器141的输入端子，第二可更换电池172通过第二开关162连接到第二dc-dc转换器142的输入端子，第三可更换电池173通过第三开关163连接到第三dc-dc转换器143的输入端子，因此来自可更换电池171、172和173的电压可以分别施加到dc-dc转换器141、142和143。
54.多个开关161、162和163可以在控制器180的控制下断开或短路，以使来自多个可更换电池171、172和173的电压分别施加或不施加到多个dc-dc转换器141、142和143。
55.如果开关161、162和163可以控制来自可更换电池171、172和173的电压的施加，则它们可以被普通技术人员适当地选择和使用。
56.根据本公开的实施例，开关161、162和163可以由多个继电器组成。参照图2，根据本公开的实施例的开关161、162和163可以由三个继电器组成，每个继电器分别可以是一端连接到可更换电池171、172和173的正极(anode)并对连接到继电器另一端的链路电容器131、132和133初始充电的预充电继电器、一端连接到可更换电池171、172和173的正极的第一主继电器、以及一端连接到可更换电池的负极(cathode)的第二主继电器。
57.当可更换电池171、172和173开始对主电池150充电时，预充电继电器首先闭合以对其所连接的链路电容器131、132和133初始充电。此后，如果所连接的链路电容器131、132和133的充电完成，则预充电继电器断开并且第一主继电器闭合，使得来自可更换电池171、172和173的电压施加到dc-dc转换器141、142和143。
58.在下文中，将描述根据图2所示的实施例的充电系统的操作。
59.如果车辆当前由从外部施加的商用ac电源110充电，则通过控制器180的控制断开多个开关161、162和163。
60.当多个开关161、162和163断开时，多个可更换电池171、172和173与多个dc-dc转换器141、142和143之间的电路断开，因此来自多个可更换电池171、172和173的电压不被施加到多个dc-dc转换器141、142和143，而车辆的主电池150通过被多个dc-dc转换器141、142和143转换的外部商用ac电源110充电。
61.另一方面，如果在没有来自外部的商用ac电源110的状态下需要对主电池150充电，则通过控制器180的控制来闭合多个开关161、162和163。
62.当多个开关161、162和163闭合时，多个可更换电池171、172和173与多个dc-dc转换器141、142和143之间的电路短路，因此可更换电池171、172和173的电压作为输入被施加到连接到可更换电池171、172和173的dc-dc转换器141、172和173，并且车辆的主电池150通过已经被多个dc-dc转换器141、142和143转换的多个可更换电池171、172和173的电压充电。
63.在本公开的实施例中，多个dc-dc转换器141、142和143可以由控制器180控制，以在主电池150由商用ac电源110充电时作为半桥形式的转换器进行操作，并且可以由控制器180控制，以在主电池150由多个可更换电池171、172和173充电时作为全桥形式的转换器进行操作。如上所述，由于根据对主电池150充电的充电源来修改dc-dc转换器的操作形式，因此可以稳定地执行不同充电源对主电池的充电。
64.根据本实施例的充电系统100，由于用于对主电池150充电的可更换电池171、172
和173通过对现有商用ac电源110转换的dc-dc转换器单元140对主电池150充电而无需增加单独的转换器，因此充电系统经济并且具有优异的充电效率。另外，由于具有升压转换器结构的功率因数校正转换器121执行外部商用ac电源110的功率因数校正，因此可以提高功率因数并且可以减少总谐波失真。
65.此外，由于dc-dc转换器141、142和143分别连接到串联连接到功率因数校正转换器121的输出端子的多个链路电容器131、132和133，因此具有可以将匹配可更换电池171、172和173的电压分别施加到dc-dc转换器141、142和143的技术效果。
66.实施例2
67.实施例2是图1的功率因数校正单元120由多个转换器组成的实施例。图3是示出根据本公开的实施例2的充电系统的示图。
68.参照图3，根据本公开的实施例的充电系统由多个功率因数校正转换器122、123和124、多个链路电容器131、132和133、多个dc-dc转换器141、142和143、主电池150、多个开关161、162和163以及多个可更换电池171、172和173组成。
69.多个功率因数校正转换器122、123和124由彼此并联连接的多个降压转换器组成。在本公开的实施例中，多个功率因数校正转换器122、123和124可以被配置为无桥拓扑。
70.在降压转换器用作功率因数校正转换器122、123和124的情况下，连接到降压转换器的输出端子的多个链路电容器131、132和133可以用作薄膜电容器，这可以增加充电系统100的寿命并且可以提高功率密度。
71.多个链路电容器131、132和133以一一对应的方式连接到功率因数校正转换器122、123和124的输出端子。
72.控制器180可以控制施加到链路电容器131、132和133的电压以匹配多个可更换电池171、172和173的电压。例如，在本公开的实施例中，如果可更换电池171、172和173的电压为48v，则控制器180可以控制施加到链路电容器131、132和133的电压为50v至80v。
73.多个dc-dc转换器141、142和143以一一对应的方式联接到链路电容器131、132和133，并且施加到链路电容器131、132和133中的每一个的两个端子的电压被施加到dc-dc转换器141、142和143的输入端子。
74.参照图3，由于第一dc-dc转换器141被连接以接收施加到第一功率因数校正转换器122的第一链路电容器131的电压的输入，第二dc-dc转换器142被连接以接收施加到第二功率因数校正转换器123的第二链路电容器132的电压的输入，第三dc-dc转换器143被连接以接收施加到第三功率因数校正转换器124的第三链路电容器133的电压的输入，因此链路电容器131、132和133以一对一的方式对应于dc-dc转换器141、142和143。
75.多个dc-dc转换器141、142、143的输出彼此并联连接，并且被输入到主电池150的输入端子。
76.多个dc-dc转换器141、142和143可以由可以以全桥或半桥形式修改拓扑的dc-dc转换器组成，并且如果详细的电路形式可以在控制器的控制下以全桥或半桥的形式进行修改，则它可以被普通技术人员正确选择和使用。
77.多个可更换电池171、172和173通过开关161、162和163分别连接到dc-dc转换器141、142和143。更具体地，参照图3，由于第一可更换电池171通过第一开关161连接到第一dc-dc转换器141的输入端子，第二可更换电池172通过第二开关162连接到第二dc-dc转换
器142的输入端子，第三可更换电池173通过第三开关163连接到第三dc-dc转换器143的输入端子，因此来自可更换电池171、172和173的电压可以分别施加到dc-dc转换器141、142和143。
78.多个开关161、162和163可以在控制器180的控制下断开或短路，以使来自多个可更换电池171、172和173的电压分别施加或不施加到多个dc-dc转换器141、142和143。
79.如果车辆当前由从外部施加的商用ac电源110充电，则通过控制器180的控制断开多个开关161、162和163。
80.当多个开关161、162和163断开时，多个可更换电池171、172和173与多个dc-dc转换器141、142和143之间的电路断开，因此来自多个可更换电池171、172和173的电压不被施加到多个dc-dc转换器141、142和143，而车辆的主电池150通过多个dc-dc转换器141、142和143转换的外部商用ac电源110充电。
81.另一方面，如果在没有来自外部的商用ac电源110的状态下需要对主电池150充电，则通过控制器180的控制来闭合多个开关161、162和163。
82.当多个开关161、162和163闭合时，多个可更换电池171、172和173与多个dc-dc转换器141、142和143之间的电路短路，因此可更换电池171、172和173的电压作为输入被施加到连接到可更换电池171、172和173的dc-dc转换器141、142和143，并且车辆的主电池150通过已经被多个dc-dc转换器141、142和143转换的多个可更换电池171、172和173的电压充电。
83.根据本实施例的充电系统100，由于用于对主电池150充电的可更换电池171、172和173通过对现有商用ac电源110转换的dc-dc转换器单元140对主电池150充电而无需增加单独的转换器，因此充电系统经济并且具有优异的充电效率。另外，由于具有降压转换器结构的多个功率因数校正转换器122、123和124执行外部商用ac电源110的功率因数校正，因此可以增加充电系统的寿命。
84.实施例3
85.实施例3表示充电系统100的示例，其中安装了数量比dc-dc转换器141、142和143的数量更多的可更换电池171、172、173、174、175和176。
86.图5示出了根据实施例3的充电系统的配置。在实施例3中，在根据实施例1的充电系统中增加了可更换电池171、172、173、174、175和176的数量，充电系统的配置与根据实施例1的配置相同，除了可更换电池171、172、173、174、175和176的数量不同。
87.尽管实施例3的功率因数校正单元120在图5中被示为单个功率因数校正转换器121，但是对于普通技术人员来说明显的是，即使功率因数校正单元120与实施例2中一样由多个功率因数校正转换器122、123和124组成，也可以获得相同的效果。
88.参照图5，第一可更换电池171和第四可更换电池174的输出端子、第二可更换电池172和第五可更换电池175的输出端子、以及第三可更换电池173和第六可更换电池176的输出端子彼此连接。dc-dc转换器141、142和143的输入端子连接到可更换电池171、172、173、174、175和176对的输出端子。
89.当通过多个可更换电池171、172和173对主电池150充电时，控制器180可以操作以通过控制连接到可更换电池171、172、173、174、175和176对之中的一些可更换电池(例如，第一可更换电池、第二可更换电池和第三可更换电池)的开关161、162和163闭合并控制其
他可更换电池(例如，第四可更换电池、第五可更换电池和第六可更换电池)的开关164、165和166断开以在可更换电池171、172、173、174、175和176对中交替地对主电池150充电。
90.如上所述，在将数量比dc-dc转换器141、142和143的数量更多的可更换电池171、172、173、174、175和176连接到多个dc-dc转换器141、142和143时，在将可更换电池171、172、173、174、175和176对的输出端子彼此连接并将连接后的输出端子连接到多个dc-dc转换器141、142和143的输入端子之后，通过交替地断开和闭合可更换电池171、172、173、174、175和176对的开关来对主电池充电，因此无需任何分离多个dc-dc转换器141、142和143工作即可添加可更换电池，从而可以经济且容易地提高车辆的行驶时间。
91.图6是示出根据本公开的实施例的对车辆的电池充电的方法的流程图。
92.参照图6，在步骤610中，控制器180确定外部商用ac电源110是否被施加到车辆。
93.如果在步骤610中由控制器确定外部商用ac电源110被施加到车辆，则在步骤620中，控制器180控制连接到多个可更换电池171、172和173的多个开关161、162和163以将商用ac电源110的电力施加到主电池150。
94.在本公开的实施例中，控制器180可以通过经由断开开关而阻断多个可更换电池171、172和173与多个dc-dc转换器141、142和143之间的连接来控制将商用ac电源施加到多个转换器141、142、143和144，其中多个可更换电池通过该开关连接到多个dc-dc转换器141、142和143，多个dc-dc转换器141、142和143将商用ac电源110转换为用于对主电池150充电的电压。
95.在这种情况下，控制器可以通过控制配置在dc-dc转换器141、142和143的输入端子上的多个开关来控制dc-dc转换器141、142和143作为半桥形式的转换器进行操作。
96.如果在步骤610中由控制器确定外部商用ac电源110未被施加到车辆，则在步骤630中，控制器180可以通过经由闭合连接到多个可更换电池171、172和173的多个开关而在多个可更换电池171、172和173与多个dc-dc转换器141、142和143之间进行连接来使多个可更换电池171、172和173的电压施加到多个dc-dc转换器141、142和143。施加到多个dc-dc转换器141、142和143的多个可更换电池171、172和173的电压被转换以对主电池150充电。
97.在这种情况下，控制器可以通过控制配置在dc-dc转换器141、142和143的输入端子上的多个开关来控制dc-dc转换器141、142和143作为全桥形式的转换器进行操作。
98.根据本公开的实施例的对车辆的电池充电的系统和方法，由于可以使用obc的dc-dc转换器，通过将多个可更换电池连接到对主电池充电的obc的多个dc-dc转换器的输入端子，利用可更换电池的电压对主电池充电而无需安装用于多个可更换电池的额外的转换器，因此增加了车辆的行驶距离并且提高了电机和逆变器的效率。
99.到目前为止，已经围绕优选实施例描述了本公开。本领域的普通技术人员将能够理解，本公开可以以不脱离本公开的固有特征的范围内的修改形式实施。因此，不应从限制的角度考虑所公开的实施例，而应从解释的角度考虑。本公开的范围并未在上述描述中提出，而是在所附权利要求中提出，等同范围内的所有变化均应理解为包括在本公开中。
100.尽管上面已经讨论了许多示例性方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到，所公开实施例的特征的进一步的修改、置换、添加和子组合仍然是可能的。因此，旨在将所附权利要求和引入的权利要求解释为包括其真实思想和范围内的所有此类修改、置换、添加和子组合。