本發(fā)明涉及電動(dòng)汽車用充電裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、充電速度快、適用范圍廣的電動(dòng)汽車積木式直流充電樁及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
眾所周知，電動(dòng)汽車能量的補(bǔ)充方式是充電，現(xiàn)階段多數(shù)的充電設(shè)備是充電樁。根據(jù)車載充電機(jī)的有無，又分交流充電樁和直流充電樁，一般而言，直流充電樁用于快充。在實(shí)際應(yīng)用過程中，每種型號(hào)的純電動(dòng)汽車有其設(shè)定的儲(chǔ)能參數(shù)，例如容量（Ah數(shù)），電壓、充電規(guī)范；純電動(dòng)汽車配用的電池，其類型、狀態(tài)也多有不同，甚至有瀕臨損壞的電池。
直流充電樁可以提供從C/4到1C，甚至2C的充電電流，相對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間就是4小時(shí)到1小時(shí)，甚至半小時(shí)。應(yīng)當(dāng)指出，低于C/2充電，有利于保持電池的性能和壽命，缺點(diǎn)是用時(shí)較長(zhǎng)，影響充電站的運(yùn)營。因此，在多數(shù)情況下，充電電流是1C，偶爾會(huì)是2C。這就是說，一方面直流充電樁要滿足最佳充電需求，其輸出的電能相對(duì)較?。涣硪环矫?，也要有大功率輸出能力，滿足1C，偶爾2C的需求?，F(xiàn)有的直流充電樁，或有以下問題：（1）能源損耗大。有的充電樁，其額定電壓較高，對(duì)于標(biāo)稱電壓配置較低的電動(dòng)汽車要靠PWM調(diào)低占空比適應(yīng)之，這會(huì)增加多項(xiàng)損耗。（2）并聯(lián)失衡比較嚴(yán)重；（3） 對(duì)產(chǎn)品的一致性要求較高，適用范圍窄。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了一種結(jié)構(gòu)合理、工作可靠的電動(dòng)汽車積木式直流充電樁及其應(yīng)用。
本發(fā)明可以通過以下措施達(dá)到：
一種電動(dòng)汽車積木式直流充電樁，其特征在于設(shè)有控制器、一組或多組的積木式充電單元、用于檢測(cè)充電回路中充電電路的電流傳感器、觸摸屏、POS機(jī)接口、輸出選擇開關(guān)，控制器分別與觸摸屏、POS機(jī)接口、電流傳感器以及一組或以上的積木式充電單元相連接，積木式充電單元的輸出端與輸出選擇開關(guān)相連接，控制器經(jīng)CAN總線與積木式充電單元相連接，其中每組積木式充電單元設(shè)有分別由三相La、Lb、Lc進(jìn)行供電的三個(gè)單相充電模塊構(gòu)成，每個(gè)單相充電模塊中設(shè)有自動(dòng)功率因數(shù)調(diào)節(jié)模塊APFC以及直流變換器DC/DC模塊。
本發(fā)明所述積木式充電單元工作于恒壓方式，恒定的電壓值由控制器通過通信方式設(shè)定，如積木式充電單元的最高輸出電壓是DC 50V，最大輸出電流是DC 200A，該模塊的最大輸出功率為10KW，該模塊工作于恒壓方式，恒定的電壓值由通信方式設(shè)定，換言之，電壓值是可以改變的，但在兩次變動(dòng)之間是恒定的，就上例而言，可設(shè)定其變動(dòng)范圍是DC 30V到DC 50V。不論輸出電壓值是多少，其輸出電流始終恒定在200A±1%及以內(nèi)的數(shù)值上。
本發(fā)明中積木式充電單元的塊數(shù)選擇按如下規(guī)則確定，本充電樁援用由三個(gè)單相模塊，即A相模塊，B相模塊和C相模塊成組使用，這有利于三相載荷均衡，最高的PF和最低的THD，根據(jù)車用電池的數(shù)據(jù)：最高充電電壓，決定“積木”即積木式充電單元的塊數(shù)，若給出最高充電電壓，以VM表示，則積木塊數(shù)mp=INT.，或mp=INT. +1，當(dāng)為整數(shù)時(shí)，用前者，否則用后者，Mp應(yīng)為3的整數(shù)倍，否則mp應(yīng)加1或加2，以滿足mp為3的整數(shù)倍的要求。
本發(fā)明在使用的過程中，根據(jù)被充電汽車的電氣參數(shù)，和車主的意愿選擇“積木”，也就是積木式充電單元的數(shù)目，這種單元只能串聯(lián)，不能并聯(lián)，這種選擇是自動(dòng)的，選擇的依據(jù)是電池的參數(shù)：電池類型，充電規(guī)范，串聯(lián)數(shù)目、額定Ah值，這些參數(shù)通過CAN通信送達(dá)控制器，車主的意愿通過對(duì)話窗口，例如觸摸屏，也送達(dá)控制器，車主的要求不能高于電動(dòng)汽車的充電規(guī)范的上限，也不能高于充電樁的最大電流值；當(dāng)有這種情況發(fā)生時(shí)，控制器將自動(dòng)按充電規(guī)范和充電樁的最大電流值執(zhí)行，并且要求車主確認(rèn)。
本發(fā)明還提出了一種電動(dòng)汽車積木式直流充電樁的應(yīng)用方法，其特征在于包括以下內(nèi)容：
步驟1：系統(tǒng)初始化，充電樁就緒，提示使用者插入充電卡，充電卡正確插入后，提示“請(qǐng)接入充電槍”；
步驟2：通過CAN通信電路向電動(dòng)汽車BMS獲取電池相關(guān)信息，包括電池類型、充電規(guī)范、總電壓、單節(jié)最高電壓、單節(jié)最高溫度、S.O.C、總內(nèi)阻；BMS回復(fù)相關(guān)信息后，觸摸屏顯示電池狀態(tài)，電池狀態(tài)處于規(guī)范以內(nèi)用綠色標(biāo)記，電池狀態(tài)不處于規(guī)范以內(nèi)用紅色標(biāo)記；
步驟3：控制器判斷電池組是否適合充電。首先檢查電池電壓：在整個(gè)電池組中，電壓最高一節(jié)的電壓以Vmax表示，充電規(guī)范的上限以Vm表示，若Vmax>Vm，則顯示：?jiǎn)喂?jié)電壓>Vm，不能充電；其次檢測(cè)電池溫度，判斷電池溫度是否高于使用上限（對(duì)磷酸鐵鋰電池，該值為50℃），或低于使用下限（對(duì)磷酸鐵鋰電池，該值為0℃），在此情況下，則顯示溫度過高或溫度過低，不能充電。如果不能充電，就提示使用者取出充電卡，拔下充電槍，充電作業(yè)中止，充電樁回復(fù)到初始化狀態(tài)。如果充電條件滿足，將充電進(jìn)程繼續(xù)。
步驟4：在電池狀態(tài)適合充電的情況下，充電開始。定期檢測(cè)充電電流，計(jì)算S.O.C，判斷充電電流Ich與波動(dòng)上、下限的關(guān)系。假定Iup為充電電流的上限，Idn為充電電流的下限。若Ich>Iup，通過PI計(jì)算，適當(dāng)降低模塊的輸出電壓；若Ich<Idn，通過PI計(jì)算，適當(dāng)調(diào)高模塊的輸出電壓。
步驟5：當(dāng)任一單節(jié)電池達(dá)到單節(jié)電池最高電壓或達(dá)到單節(jié)電池最高溫度，則停止充電。
本發(fā)明采用恒流充電為主，總的充電回路裝有電流傳感器兩只，這兩只完成相同的功能：測(cè)量充電電流，使用兩只電流傳感器的目的在于確保充電電流的測(cè)量準(zhǔn)確，當(dāng)兩只傳感器的輸出相差2%時(shí)，要進(jìn)行甄別處理。
用調(diào)正模塊電壓的方式保證恒流，這種調(diào)正采用雙遞進(jìn)方式：橫向遞進(jìn)方式和縱向遞進(jìn)方式，所謂縱向遞進(jìn)方式就是設(shè)定一個(gè)新的電壓臺(tái)階，依充電電流的變化，啟動(dòng)橫向遞進(jìn)方式；所謂橫向遞進(jìn)方式就是每個(gè)模塊按序遞增相同的臺(tái)階電壓，直到最上模塊為止，此時(shí)，所有模塊都輸出幾乎相同的電壓。這種調(diào)正的周期是2秒，橫向遞進(jìn)有助于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定和均衡。
本發(fā)明中控制器也用于信息接收、處理和輸出，接收的信息包括：車載電池BMS系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，車主通過觸摸屏輸入的數(shù)據(jù)，充電電流和電壓的數(shù)據(jù)，各“積木”模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，POS機(jī)數(shù)據(jù)等，處理包括縱向遞進(jìn)臺(tái)階的計(jì)算，橫向遞進(jìn)的等待與進(jìn)行的時(shí)機(jī)等，輸出包括充電的開始與結(jié)束，遞進(jìn)指令的輸出，POS機(jī)輸出等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、充電速度快、適用范圍廣等顯著的優(yōu)點(diǎn)。
附圖說明：
附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
附圖標(biāo)記：控制器1、觸摸屏2、POS機(jī)接口3、電流傳感器4、積木式充電模塊5、充電輸出插座6、三相交流輸入7、CAN通信電路8、輸出選擇開關(guān)9。
具體實(shí)施方式：
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如附圖所示，本發(fā)明提出了一種電動(dòng)汽車積木式直流充電樁，其特征在于設(shè)有控制器1、一組或多組的積木式充電單元5、用于檢測(cè)充電回路中充電電路的電流傳感器4、觸摸屏2、POS機(jī)接口3、輸出選擇開關(guān)9，控制器1分別與觸摸屏2、POS機(jī)接口3、電流傳感器4以及一組或多組的積木式充電單元5相連接，每組積木式充電單元5的輸出端與輸出選擇開關(guān)相連接，控制器1經(jīng)CAN總線與積木式充電單元5相連接，其中每組積木式充電單元5設(shè)有分別由三相La、Lb、Lc進(jìn)行供電的三個(gè)單相充電模塊，每個(gè)單相充電模塊中設(shè)有自動(dòng)功率因數(shù)調(diào)節(jié)模塊APFC以及直流變換器DC/DC模塊。
本發(fā)明所述積木式充電單元5工作于恒壓方式，恒定的電壓值由控制器通過通信方式設(shè)定，如積木式充電單元5的最高輸出電壓是DC 50V，最大輸出電流是DC 200A，該模塊的最大輸出功率為10KW，該模塊工作于恒壓方式，恒定的電壓值由通信方式設(shè)定，換言之，電壓值是可以改變的，但在兩次變動(dòng)之間是恒定的，就上例而言，可設(shè)定其變動(dòng)范圍是DC 30V到DC 50V。不論輸出電壓值是多少，其輸出電流始終恒定在200A±1%及以內(nèi)的數(shù)值上。
本發(fā)明中積木式充電單元5的個(gè)數(shù)選擇按如下規(guī)則確定，本充電樁援用由三個(gè)單相模塊，即A相模塊，B相模塊和C相模塊成組使用，這有利于三相載荷均衡，最高的PF和最低的THD，根據(jù)車用電池的數(shù)據(jù)：最高充電電壓，決定“積木”即積木式充電單元5的塊數(shù)，若給出最高充電電壓，以VM表示，則積木塊數(shù)mp=INT.，或mp=INT. +1，當(dāng)為整數(shù)時(shí)，用前者，否則用后者，Mp應(yīng)為3的整數(shù)倍，否則mp應(yīng)加1或加2，以滿足mp為3的整數(shù)倍的要求。
本發(fā)明在使用的過程中，根據(jù)被充電汽車的電氣參數(shù)，和車主的意愿選擇“積木”，也就是積木式充電單元5的數(shù)目，這種單元只能串聯(lián)，不能并聯(lián)，這種選擇是自動(dòng)的，選擇的依據(jù)是電池的參數(shù)：串聯(lián)數(shù)目、額定Ah值，這些參數(shù)通過CAN通信送達(dá)控制器，車主的意愿通過對(duì)話窗口，例如觸摸屏，也送達(dá)控制器，車主的要求不能高于電動(dòng)汽車的充電規(guī)范的上限，也不能高于充電模塊的最大電流值；當(dāng)有這種情況發(fā)生時(shí)，控制器將自動(dòng)按充電規(guī)范和充電模塊的最大電流值執(zhí)行，并且要求車主確認(rèn)。
本發(fā)明還提出了一種電動(dòng)汽車積木式直流充電樁的應(yīng)用方法，其特征在于包括以下內(nèi)容：
步驟1：系統(tǒng)初始化，充電樁就緒，提示使用者插入充電卡，充電卡正確插入后，提示“請(qǐng)接入充電槍”；
步驟2：通過CAN通信電路向電動(dòng)汽車BMS獲取電池相關(guān)信息，包括總電壓、單節(jié)最高電壓、單節(jié)最高溫度、S.O.C、總內(nèi)阻；BMS回復(fù)相關(guān)信息后，觸摸屏顯示電池狀態(tài)，電池狀態(tài)處于規(guī)范以內(nèi)用綠色標(biāo)記，電池狀態(tài)不處于規(guī)范以內(nèi)用紅色標(biāo)記；
步驟3：控制器判斷電池組是否適合充電。首先檢查電池電壓：在整個(gè)電池組中，電壓最高一節(jié)的電壓以Vmax表示，充電規(guī)范的上限以Vm表示，若Vmax>Vm，則顯示：?jiǎn)喂?jié)電壓>Vm，不能充電；其次檢測(cè)電池溫度，判斷電池溫度是否高于使用上限（對(duì)磷酸鐵鋰電池，該值為50℃），或低于使用下限（對(duì)磷酸鐵鋰電池，該值為0℃），在此情況下，則顯示溫度過高或溫度過低，不能充電。如果不能充電，就提示使用者取出充電卡，拔下充電槍，充電作業(yè)中止，充電樁回復(fù)到初始化狀態(tài)。如果充電條件滿足，將充電進(jìn)程繼續(xù)。
步驟4：在電池狀態(tài)適合充電的情況下，充電開始。定期檢測(cè)充電電流，計(jì)算S.O.C，判斷充電電流Ich與波動(dòng)上、下限的關(guān)系。假定Iup為充電電流的上限，Idn為充電電流的下限。若Ich>Iup，通過PI計(jì)算，適當(dāng)降低模塊的輸出電壓；若Ich<Idn，通過PI計(jì)算，適當(dāng)調(diào)高模塊的輸出電壓。
步驟5：當(dāng)任一單節(jié)電池達(dá)到單節(jié)電池最高電壓或達(dá)到單節(jié)電池最高溫度，則停止充電。
本發(fā)明采用恒流充電為主，總的充電回路裝有電流傳感器兩只，這兩只完成相同的功能：測(cè)量充電電流，使用兩只電流傳感器的目的在于確保充電電流的測(cè)量準(zhǔn)確，當(dāng)兩只傳感器的輸出相差2%時(shí)，要進(jìn)行甄別處理。
用調(diào)正模塊電壓的方式保證恒流，這種調(diào)正采用雙遞進(jìn)方式：橫向遞進(jìn)方式和縱向遞進(jìn)方式，所謂縱向遞進(jìn)方式就是設(shè)定一個(gè)新的電壓臺(tái)階，依充電電流的變化，啟動(dòng)橫向遞進(jìn)方式；所謂橫向遞進(jìn)方式就是每個(gè)模塊按序遞增相同的臺(tái)階電壓，直到最上模塊為止，此時(shí)，所有模塊都輸出幾乎相同的電壓。這種調(diào)正的周期是2秒，橫向遞進(jìn)有助于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定和均衡。
本發(fā)明中控制器是用于信息接收、處理和輸出，接收的信息包括：車載電池BMS系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，車主通過觸摸屏輸入的數(shù)據(jù)，充電電流和電壓的數(shù)據(jù)，各“積木”模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，POS機(jī)數(shù)據(jù)等，處理包括縱向遞進(jìn)臺(tái)階的計(jì)算，橫向遞進(jìn)的等待與進(jìn)行的時(shí)機(jī)等，輸出包括充電的開始與結(jié)束，遞進(jìn)指令的輸出，POS機(jī)輸出等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、充電速度快、適用范圍廣等顯著的優(yōu)點(diǎn)。