一种电动汽车低压电池充电系统及其充电方法
【专利摘要】本发明涉及一种电动汽车低压电池充电系统及其充电方法。充电系统包括主控制回路、电压采样回路、动力电池组、副回路控制开关、副回路选通开关、变压器和主回路控制开关。主控制回路输出端与副回路开关和主回路控制开关相连，电压采样回路输入端分别与动力电池组和主控制回路输出端相连，电压采样回路输出端与主控制回路输入端相连，低压电池通过主回路控制开关与变压器相连，动力电池组通过副回路开关与变压器相连。一种电动汽车低压电池充电方法，通过对动力电池组中电池单体电压值进行采样分析，对有高电压的电池单体放电，对有较低电压的电池单体充电，既实现了低压电池与动力电池组间能量的相互转移，又保证了动力电池组的能量均衡。
【专利说明】—种电动汽车低压电池充电系统及其充电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电动汽车电池【技术领域】，具体涉及一种无车载充电机的电动汽车低压电池充电系统及其充电方法。
【背景技术】
[0002]进入21世纪以来，节能和环保成为了能源问题的焦点。随着新世纪我国汽车工业的高速发展，我国汽车的保有量也不断增加。汽车已大量进入人们的日常生活，随之而来的却是日益严重的环境问题。因此，我们需要对汽车工业的发展拓展出新的环保和节能路径。而电动汽车的出现则可以较好的解决这一困境，电动汽车不存在燃油问题和汽车尾气排放问题，所以对电动汽车的研究与开发已经成为当今世界的热点，国家投入了大量的资金，国内多所高校，各大汽车公司也都研发了各种类型的电动汽车。
[0003]电动汽车的发展也存在许多需要解决和完善的问题，其中就包括动力电池及其高效的充电方法的研究。目前，电动汽车低压电气部分控制采用低压24V或12V电池供电。因为没有车载充电机，所以通常采用一个低压的DC/DC电压转换器将高压转换成低压，给低压电池充电。这种充电方式会使动力电池组的各电池单体之间的电压不均衡，使动力电池组的安全性和使用寿命大大下降。因为DC/DC电压转换器长期工作在高压状态下，所以对其内部器件的耐压性要求较高。当充电电流较大时，会使DC/DC电压转换器因过温或过压而损坏，进而使低压电池工作异常，影响整车正常行驶。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种电动汽车低压电池充电系统及其充电方法，该充电系统及其充电方法通过使电动汽车的动力电池组与低压电池能量进行有效的相互转移，不仅可保证动力电池组与低压电池之间的能量均衡、实现无车载充电机充电，还不会对电动汽车电气部分结构造成损坏、影响正常行驶，具有结构简单、安全高效的特点。
[0005]为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:一种电动汽车低压电池充电系统，包括动力电池组和低压电池，该充电系统还包括主控制回路、电压采样回路、副回路开关、变压器和主回路控制开关；所述的主控制回路的输出端分别与副回路开关和主回路控制开关相连，所述的电压采样回路与主控制回路交互连接，所述的电压采样回路的输入端与动力电池组相连，所述的低压电池通过主回路控制开关与变压器相连，所述的动力电池组通过副回路开关与变压器相连。具体地说，所述的低压电池为24V低压电池或12V低压电池，所述的动力电池组包括多个电池箱。所述的电压采样电路和所述的主控制回路是双向连接的，主控制回路发送控制信号驱动电压采样电路进行采样，在采样完成后，电压采样电路将采样值又返回到主控制回路进行分析判断，以便于主控制回路根据分析判断结果对各开关发出控制信号。
[0006]所述的副回路开关包括副回路控制开关和副回路选通开关，所述的副回路控制开关和副回路选通开关均与主控制回路的输出端相连，所述的动力电池组通过副回路控制开关和副回路选通开关与所述的变压器相连。
[0007]所述的变压器为开关变压器。开关变压器既能够实现电压的转换，又能够在电压转换的过程中保证电压的稳定。
[0008]所述的变压器的一侧线圈通过主回路控制开关与低压电池的正负极相连，另一侧线圈通过副回路选通开关和副回路控制开关与动力电池组的正负极相连。所述的开关变压器为多绕组高频变压器。通过多绕组以及绕组的匝数的不同，在各路开关的配合下，可以实现对不同电压设备的充放电。
[0009]所述的主回路控制开关为开关管。通过脉冲信号可以控制开关管高速的进行断开与闭合，从而既避免了直接连接低压电池与变压器使低压电池短路，对低压电池造成损坏，又可以产生大能量使电路稳定。
[0010]本发明还涉及一种上述电动汽车低压电池充电系统的充电方法，该充电方法包括以下步骤:
(1)将动力电池组划分成若干电池箱，采集每个电池箱中各电池单体的电压值；
(2)将采集到的全部电压值进行对比分析，根据对比分析结果，对电池单体进行充电或放电操作；
(3)重复步骤(I)。
[0011]具体地说，步骤(2)中所述的将采集到的全部电压值进行对比分析，根据对比分析结果，对电池单体进行充电或放电操作的具体过程为:
a.比较每个电池箱中全部电池单体电压值的大小，得到最大电压值和最小电压值；
b.设定一个放电标准电压值和一个充电标准电压值，将步骤a中得到的最大电压值与放电标准电压值进行比较，最小电压值与充电标准电压值进行比较；
若最大电压值大于放电标准电压值，则对具有该最大电压值的电池单体进行放电，将该电池单体中的能量转移到低压电池中；
若最小电压值小于充电标准电压值，则对具有该最小电压值的电池单体进行充电，将低压电池中的能量转移到该电池单体中。
[0012]进一步的，步骤(2)中所述的将该电池单体中的能量转移到低压电池中的具体过程为:主控制回路控制该电池单体所在主回路的主回路控制开关闭合，低压电池与变压器的一侧线圈组成动力电池组放电回路；主控制回路控制该电池单体所在副回路的副回路选通开关、副回路控制开关闭合，该电池单体与变压器的另一侧线圈组成低压电池充电回路。
[0013]更进一步的，步骤(2)中所述的将低压电池中的能量转移到该电池单体中的具体过程为:主控制回路控制该电池单体所在主回路的主回路控制开关闭合，使低压电池与变压器的一侧线圈组成低压电池放电回路，主控制回路控制该电池单体所在副回路的副回路选通开关、副回路控制开关闭合，使该电池单体与变压器的另一侧线圈组成动力电池组充电回路。
[0014]本发明的工作原理为:
电动汽车工作所需要的高压由动力电池组提供，动力电池组划分为若干个电池箱，每个电池箱由多个电池单体串联而成。由于材料、生产、制造工艺等不确定因素，各电池单体的电压有一定的差异。随着充放电的循环，这种差异会越来越大。在放电过程中，整个动力电池组的容量取决于所有单体中电压最低的单体；在充电过程中，充入的电量取决于整个动力电池组中所有单体中电压最高的单体。因此，在电动汽车运行时，需要实时对所有电池单体的电压最高或最低的单体进行电压均衡，即进行能量转移。
[0015]本发明所述的充电系统及其充电方法，在主控制回路、主回路控制开关、副回路选通开关、副回路控制开关与变压器的共同配合下，不仅可将动力电池组中电压较高的电池单体的能量转移到低压电池中，实现无车载充电机方式充电，还能够同时将低压电池中的能量反向转移到动力电池组中电压较低的电池单体中。本发明中所用到的变压器为可以进行双向能量转换的多绕组高频变压器。通过多绕组，可在各开关的配合下，通过电磁感应原理进行双向能量的转移。动力电池组包括多个电池箱，在同一时间段，会有多个具有较高电压电池单体的电池箱对低压电池进行充电,也会有低压电池对多个电池箱中电压较低的电池单体进行充电。每一条转移电路的电路为2飞A，通过软件对标准放电电压值与标准充电电压值进行设定，可在整个充电系统中实现数十路同时进行能量转移，总电流可达几十安培。
[0016]如图4所示的动力电池组的充电原理图，其中PK3为主回路控制开关、PKl和PK2为副回路选通开关、Κ1?(5为副回路控制开关、Bl、4为动力电池组的电池单体、Tl为开关变压器，Tl是一个能够进行双向能量转换的多绕组高频变压器。主控制回路通过电压采样回路采集各电池单体Bl、4的电压值，并将电压值进行大小比较，得到最大电压值设为电池单体BI的电压值，且设BI的电压值大于系统中设置的放电标准电压值。那么，主控制回路控制副回路选通开关PK2、副回路控制开关Kl和K2、主回路控制开关PK3闭合。此时，电池单体BI经K1、K2、PK2与开关变压器Tl的右侧线圈的绕组I和2组成动力电池组放电回路，如图4中虚线箭头回路所示。电流从BI的正极经绕组I和2到达BI的负极，形成电流回路。低压电池B经ΡΚ3和开关变压器Tl的绕组4与5组成低压电池充电回路，如图4中实现箭头方向所示。当开关变压器Tl的绕组I与2中有电流流过时，根据电磁感应原理，会在开关变压器Tl的绕组4与5中产生感应电流，此感应电流经主回路开关ΡΚ3流入低压电池，完成了对低压电池的充电，即通过主控制回路、各开关的配合与变压器的能量转换，将具有较高电压值的电池单体的能量转移到了低压电池中。
[0017]如图5所示的动力电·池组的放电电原理图，其中ΡΚ6为主回路控制开关、ΡΚ4和ΡΚ5为副回路选通开关、Κ6?(10为副回路控制开关、Β5、8为动力电池组的电池单体、Τ2为开关变压器，Τ2是一个能够双向能量转换的多绕组高频变压器。主控制回路通过电压采样回路采集各电池单体Β5、8的电压值，并将电压值进行大小比较，得到最小电压值设为电池单体Β7的电压值，且设Β7的电压值小于系统中设置的充电标准电压值。那么，主控制回路控制副回路选通开关ΡΚ5、副回路控制开关Κ8和Κ9、主回路控制开关ΡΚ5闭合。此时，电池单体Β7经Κ8、Κ9、ΡΚ5与开关变压器Τ2的右侧线圈的绕组6和7组成动力电池组充电回路，如图5中虚线箭头方向所示。低压电池经ΡΚ6与开关变压器Τ2左侧线圈绕组9和10组成低压电池放电回路，放电回路的电流从B的正极经ΡΚ6、绕组9和10、到达B的负极，形成电流回路，如图5中实线箭头方向所示。当开关变压器Tl的绕组9与10中有电流流过时，根据电磁感应原理，会在绕组6与7中产生感应电流，此感应电流经ΡΚ5、Κ8流入Β7，完成对电池单体Β7的充电。通过主控制回路、各开关的配合与变压器的能量转换，将低压电池中的能量转移到了具有较低电压值的电池单体中。
[0018]本发明的优点: (I)本发明所述的一种电动汽车低压电池充电系统，通过电压采样回路对动力电池组中的每个电池单体的电压值进行实时采集，主控制回路根据采集的电压值控制副回路开关与主回路控制开关的通断以及开关变压器的电压转换，既实现了对低压电池的充电，又保证了动力电池组中能量的均衡。
[0019](2)本发明所述的一种电动汽车低压电池充电方法，通过对动力电池组中电池单体的电压值进行采样分析，对具有较高电压的电池单体进行放电操作，对具有较低电压的电池单体进行充电操作，从而既实现了低压电池与动力电池组之间的能量转移，又保证了动力电池组能量的均衡。
[0020]综上所述，本发明通过在主控制回路、电压采样回路、主回路控制开关、副回路开关与变压器的相互配合下，实现了低压电池与动力电池组之间能量的相互转移。这在取代了常规车载充电机的同时，还实现了对动力电池组电压不一致的电池单体的均衡充放电，提高了充电效率，保证了充电质量，延长了电动汽车的使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明的充电系统的结构示意图；
图2是现有的电动汽车低压电池充电原理图；
图3是本发明的电路原理图；
图4是本发明的动力电池组充电原理图；
图5是本发明的动力电池组放电原理图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明做进一步说明:
如图1所示的一种电动汽车低压电池充电系统，包括动力电池组和低压电池，该充电系统还包括主控制回路、电压采样回路、副回路开关、变压器和主回路控制开关；所述的主控制回路的输出端分别与副回路开关和主回路控制开关相连，所述的电压采样回路与主控制回路交互连接，所述的电压采样回路的输入端与动力电池组相连，所述的低压电池通过主回路控制开关与变压器相连，所述的动力电池组通过副回路开关与变压器相连。具体地说，所述的低压电池为24V低压电池或12V低压电池，所述的动力电池组包括多个电池箱。
[0023]进一步的,所述的副回路开关包括副回路控制开关和副回路选通开关，所述的副回路控制开关和副回路选通开关均与主控制回路的输出端相连，所述的动力电池组通过副回路控制开关和副回路选通开关与所述的变压器相连。
[0024]进一步的，所述的变压器为开关变压器。具体地说，所述的变压器的一侧线圈通过主回路控制开关与低压电池的正负极相连，另一侧线圈通过副回路选通开关和副回路控制开关与动力电池组的正负极相连。
[0025]更进一步的，所述的主回路控制开关为开关管。
[0026]本发明还涉及一种上述电动汽车低压电池充电系统的充电方法，该充电方法包括以下步骤:
(1)将动力电池组划分成若干电池箱，采集每个电池箱中各电池单体的电压值；
(2)将采集到的全部电压值进行对比分析，根据对比分析结果，对电池单体进行充电或放电操作；
(3)重复步骤(I)。
[0027]具体地说，步骤(2)中所述的将采集到的全部电压值进行对比分析，根据对比分析结果，对电池单体进行充电或放电操作的具体过程为:
a.比较每个电池箱中全部电池单体电压值的大小，得到最大电压值和最小电压值；
b.设定一个放电标准电压值和一个充电标准电压值，将步骤a中得到的最大电压值与放电标准电压值进行比较，最小电压值与充电标准电压值进行比较；
若最大电压值大于放电标准电压值，则对具有该最大电压值的电池单体进行放电，将该电池单体中的能量转移到低压电池中；
若最小电压值小于充电标准电压值，则对具有该最小电压值的电池单体进行充电，将低压电池中的能量转移到该电池单体中。
[0028]进一步的，步骤(2)中所述的将该电池单体中的能量转移到低压电池中的具体过程为:主控制回路控制该电池单体所在主回路的主回路控制开关闭合，低压电池与变压器的一侧线圈组成动力电池组放电回路；主控制回路控制该电池单体所在副回路的副回路选通开关、副回路控制开关闭合，该电池单体与变压器的另一侧线圈组成低压电池充电回路。
[0029]更进一步的，步骤(2)中所述的将低压电池中的能量转移到该电池单体中的具体过程为:主控制回路控制该电池单体所在主回路的主回路控制开关闭合，使低压电池与变压器的一侧线圈组成低压电池放电回路，主控制回路控制该电池单体所在副回路的副回路选通开关、副回路控制开关闭合，使该电池单体与变压器的另一侧线圈组成动力电池组充电回路。
[0030]本发明的具体工作过程为:
如图3所示的电路原理图，为便于理解，在图3中将动力电池组简化为两组电池箱，在实际应用过程中，动力电池组中的电池箱的数量、单体电池的数量会因规格不同而不同。其中，Β1?Β8为动力电池组中的电池单体，B4为动力电池组中的一个电池箱，B5?B8为动力电池组中的另一个电池箱，B为低压电池，PK3与PK6为主回路控制开关，PKU PK2、PK4与PK5为副回路选通开关，KfKlO为副回路控制开关。首先，电压采样回路对动力电池组中电池单体的电压值进行采集，并通过比较大小得到每一个电池箱中的最大电压值和最小电压值。其次，根据动力电池组的实际运行情况，通过软件设定一个放电标准电压值和一个充电标准电压值，并将每一个电池箱中得到的最大电压值、最小电压值分别与放电标准电压值、充电标准电压值进行比较。如果最大电压值大于放电标准电压值，则对具有该最大电压值的电池单体进行放电，将该电池单体中的能量转移到低压电池中；如果最小电压值小于充电标准电压值，则对具有该最小电压值的电池单体进行充电，将低压电池中的能量转移到该电池单体中，其他情况下不对动力电池组中的电池单体进行充放电操作。
[0031]假设图3中的上方的电池箱中的具有最大电压值的为电池单体BI，且该最大电压值大于放电标准电压值，具有最小电压值的为电池单体为Β2，且该最小电压值不小于充电标准电压值，那么主回路控制开关ΡΚ3、副回路选通开关ΡΚ2、副回路控制开关Kl与Κ2均闭合，低压电池B经ΡΚ3与变压器的一侧线圈组成低压电池充电闭合回路，电池单体BI经Κ1、Κ2、ΡΚ2与变压器的另一侧线圈组成动力电池组放电闭合回路。在动力电池组放电闭合回路的电流经变压器在低压电池充电闭合回路中产生感应电流，对低压电池进行充电，实现了将上方电池箱中具有最大电压值的电池单体的能量转移到了低压电池中。假设图3中下方电池箱中的具有最大电压值的为电池单体B8，且该最大电压值不大于放电标准电压值，具有最小电压值的为电池单体B5，且该最小电压值小于充电标准电压值，则主回路控制开关PK6、副回路选通开关PK5、副回路控制开关K6与K7均闭合，低压电池经PK6与变压器的一侧线圈组成低压电池放电闭合回路，电池单体B5经K6、K7、PK5与变压器的另一侧线圈组成动力电池组充电闭合回路。在低压电池放电闭合回路中产生的电流经过变压器在动力电池组充电闭合回路中产生感应电流，对电池单体Β8进行充电，从而实现了将低压电池中的能量转移到下方电池箱中具有最小电压值的电池单体中。其他情况依次类推。
[0032]综上所述，本发明所述的一种电动汽车低压电池充电系统，通过电压采样回路对动力电池组中的每个电池单体的电压值进行实时采集，主控制回路根据采集的电压值控制副回路开关与主回路控制开关的通断以及开关变压器的电压转换，既实现了对低压电池的充电，又保证了动力电池组中能量的均衡。本发明所述的一种电动汽车低压电池充电方法，通过对动力电池组中电池单体的电压值进行采样分析，对具有较高电压的电池单体进行放电操作，对具有较低电压的电池单体进行充电操作，从而既实现了低压电池与动力电池组之间的能量转移，又保证了动力电池组能量的均衡。本发明通过在主控制回路、电压采样回路、主回路控制开关、副回路开关与变压器的相互配合下，实现了低压电池与动力电池组之间能量的相互转移。这在取代了常规车载充电机的同时，还实现了对动力电池组电压不一致的电池单体的均衡充放电，提高了充电效率，保证了充电质量，延长了电动汽车的使用寿命O
[0033]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种电动汽车低压电池充电系统，包括动力电池组和低压电池，其特征在于:该充电系统还包括主控制回路、电压采样回路、副回路开关、变压器和主回路控制开关；所述的主控制回路的输出端分别与副回路开关和主回路控制开关相连，所述的电压采样回路与主控制回路交互连接，所述的电压采样回路的输入端与动力电池组相连，所述的低压电池通过主回路控制开关与变压器相连，所述的动力电池组通过副回路开关与变压器相连。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车低压电池充电系统，其特征在于:所述的副回路开关包括副回路控制开关和副回路选通开关，所述的副回路控制开关和副回路选通开关均与主控制回路的输出端相连，所述的动力电池组通过副回路控制开关和副回路选通开关与所述的变压器相连。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车低压电池充电系统，其特征在于:所述的变压器为开关变压器。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车低压电池充电系统，其特征在于:所述的动力电池组包括多个电池箱。
5.根据权利要求3所述的一种电动汽车低压电池充电系统，其特征在于:所述的变压器的一侧线圈通过主回路控制开关与低压电池的正负极相连，另一侧线圈通过副回路选通开关和副回路控制开关与动力电池组的正负极相连。
6.根据权利要求1或5所述的一种电动汽车低压电池充电系统,其特征在于:所述的主回路控制开关为开关管。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车低压电池充电系统的充电方法，其特征在于:该充电方法包括以下步骤: (1)将动力电池组划分成若干电池箱，采集每个电池箱中各电池单体的电压值； (2)将采集到的全部电压值进行对比分析，根据对比分析结果，对电池单体进行充电或放电操作； (3)重复步骤(1)。
8.根据权利要求7所述的一种电动汽车低压电池充电系统的充电方法,其特征在于:步骤(2)中所述的将采集到的全部电压值进行对比分析，根据对比分析结果，对电池单体进行充电或放电操作的具体过程为: a.比较每个电池箱中全部电池单体电压值的大小，得到最大电压值和最小电压值； b.设定一个放电标准电压值和一个充电标准电压值，将步骤a中得到的最大电压值与放电标准电压值进行比较，最小电压值与充电标准电压值进行比较； 若最大电压值大于放电标准电压值，则对具有该最大电压值的电池单体进行放电，将该电池单体中的能量转移到低压电池中； 若最小电压值小于充电标准电压值，则对具有该最小电压值的电池单体进行充电，将低压电池中的能量转移到该电池单体中。
9.根据权利要求7所述的一种电动汽车低压充电系统的充电方法，其特征在于:步骤(2)中所述的将该电池单体中的能量转移到低压电池中的具体过程为:主控制回路控制该电池单体所在主回路的主回路控制开关闭合，低压电池与变压器的一侧线圈组成动力电池组放电回路；主控制回路控制该电池单体所在副回路的副回路选通开关、副回路控制开关闭合，该电池单体与变压器的另一侧线圈组成低压电池充电回路。
10.根据权利要求7所述的一种电动汽车低压电池充电系统的充电方法,其特征在于:步骤(2)中所述的将低压电池中的能量转移到该电池单体中的具体过程为:主控制回路控制该电池单体所在主回路的主回路控制开关闭合，使低压电池与变压器的一侧线圈组成低压电池放电回路， 主控制回路控制该电池单体所在副回路的副回路选通开关、副回路控制开关闭合，使该电池单体与变压器的另一侧线圈组成动力电池组充电回路。
【文档编号】H02J7/00GK103580252SQ201310558620
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】吴成加, 王龙群, 张海洋 申请人:安徽安凯汽车股份有限公司