專利名稱：純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電動(dòng)汽車技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種純電動(dòng)汽車鋰電池的充電裝置，利用本裝置對(duì)純電動(dòng)汽車的電池進(jìn)行充電，可以實(shí)現(xiàn)鋰電池三段式充電模式，提高電池壽命和充電效率。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車的產(chǎn)銷量和保有量都保持著高速穩(wěn)定的發(fā)展態(tài)勢(shì)。有專家指出，按照現(xiàn)在的發(fā)展速度，我國(guó)的燃油生產(chǎn)將面臨更大的壓力，能源供應(yīng)及環(huán)境的壓力正在成為汽車行業(yè)發(fā)展的制約因素。我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的未來(lái)，必然要走發(fā)展更清潔更節(jié)能之路。電動(dòng)汽車以清潔的、可再生的能源為動(dòng)力，必將成為汽車大家庭中的重要成員。純電動(dòng)汽車的電源為電池，受電池容量、體積和成本的限制，一次充電的續(xù)駛里程較短，且隨著行駛工況不一樣，一次充電的續(xù)駛里程還會(huì)發(fā)生變化，因此配備車載充電機(jī)是純電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)。因串聯(lián)電池組的電壓波動(dòng)范圍大，且供電單元的電池量不一樣，電壓波動(dòng)范圍是不一樣的，同時(shí)為了提高電池壽命和充電效率，要求車載充電機(jī)能夠根據(jù)電池的電壓和電流實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電壓和電流并且能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓、恒流的無(wú)擾動(dòng)切換。鑒于車載特殊的使用場(chǎng)合，要求該充電機(jī)必須具備應(yīng)有的設(shè)計(jì)功能和性能，而且也要滿足對(duì)體積、效率、重量、可靠性、電磁干擾與抗干擾性、熱性能、噪聲等方面的特殊要求。隨著純電動(dòng)汽車普及率越來(lái)越大，電動(dòng)汽車用充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的影響越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)車載充電機(jī)的要求越來(lái)越高。結(jié)合現(xiàn)代純電動(dòng)汽車對(duì)車載充電裝置的特殊要求，吸收傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車用充電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，采用多段式充電方式、有源功率調(diào)整技術(shù)、并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和基于CAN的單機(jī)并聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功率大、體積小、效率高、功率因素高的車載充電機(jī)，可以極大的提高系統(tǒng)的可靠性和性價(jià)比。因此，研究在車載動(dòng)力電池一定的情況下，基于有源功率調(diào)整技術(shù)、并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和基于CAN的單機(jī)并聯(lián)技術(shù)的鋰電池充電裝置，對(duì)提高電動(dòng)汽車的運(yùn)行效率和促進(jìn)電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用有明顯重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決上述問(wèn)題，針對(duì)純電動(dòng)汽車而設(shè)計(jì)出一種基于有源功率調(diào)整、并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和基于CAN的單機(jī)并聯(lián)技術(shù)的鋰電池充電裝置。該裝置能適用于各種用于不同型號(hào)、不同功率的純電動(dòng)汽車，通過(guò)更換部分元件和設(shè)定部分參數(shù)可以滿足各種鋰電池電動(dòng)汽車對(duì)車載充電機(jī)的要求，并確保該充電機(jī)具有高功率因素、高效率和高
可靠性。本實(shí)用新型是通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)的上述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，采用模塊化的構(gòu)造方法，包括基于CAN主從模式并聯(lián)的兩臺(tái)單機(jī)；兩臺(tái)所述單機(jī)結(jié)構(gòu)一致，輸出電流和電壓的變化率保持一致。[0010]所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其中所述單機(jī)主要由電性連接的EMI模塊、輸入控制開(kāi)關(guān)、整流單元、有源功率因素調(diào)整單元、高頻逆變單元、諧振單元、高頻隔離單元、輸出濾波單元、檢測(cè)模塊以及控制和保護(hù)單元組成；所述EMI模塊包括輸入EMI單元、EMI處理單元和輸出EMI單元；所述輸入EMI單元抑制輸入對(duì)充電機(jī)的干擾；所述EMI處理單元和輸出EMI單元分別抑制變壓器二次側(cè)的傳導(dǎo)干擾；所述整流模塊包括工頻不可控整流單元和輸出不可控整流單元；所述工頻不可控整流單元將單相交流電變成脈動(dòng)較小的直流電；所述輸出不可控整流單元利用單相橋式不可控整流電路實(shí)現(xiàn)將高頻交流電變換成脈動(dòng)較小的直流電；所述檢測(cè)模塊包括負(fù)載信號(hào)檢測(cè)單元和電壓電流檢測(cè)單元；所述負(fù)載信號(hào)檢測(cè)單元檢測(cè)電池的電壓和電流信號(hào)，判斷充電機(jī)與電池狀態(tài)；所述電壓電流檢測(cè)單元檢測(cè)有源功率因素調(diào)整單元的電感電流、母線電壓以及所述工頻不可控整流單元的輸出電壓。所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其中所述有源功率因素調(diào)整單元采用有源PFC原理，利用Boost變換器，在調(diào)節(jié)充電機(jī)的功率因素同時(shí)提高逆變橋的母線電壓，并且具備自動(dòng)恒壓和限流功能。所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其中所述輸入控制開(kāi)關(guān)在狀態(tài)檢測(cè)正常后開(kāi)關(guān)閉合，故障時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其中所述諧振單元由電容和電感構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通，形成并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其中所述高頻逆變單元實(shí)現(xiàn)將恒定直流電壓經(jīng)過(guò)電壓型逆變器變換成高頻方波電壓。所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其中所述高頻隔離單元通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸入電壓和輸出電壓的隔尚。所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其中所述輸出濾波單元利用無(wú)源濾波電路實(shí)現(xiàn)將脈動(dòng)直流電變換成恒定的直流電。所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其中所述控制和保護(hù)單元主要實(shí)現(xiàn)PWM脈沖的產(chǎn)生、恒壓、恒流、輸入過(guò)壓保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、充電過(guò)程控制以及輸出電池狀態(tài)檢測(cè)功能。有益效果本實(shí)用新型的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置采用模塊化的構(gòu)造方法，將兩臺(tái)獨(dú)立的電源基于CAN主從模式并聯(lián)起來(lái)，提高輸出功率,保證并聯(lián)時(shí)每臺(tái)電源的輸出電流和電壓的變化率保持一致，達(dá)到較好的均流效果；采用有源PFC原理，利用Boost變換器，使得交流側(cè)的功率因素可以達(dá)到95%以上，同時(shí)逆變橋的母線電壓升高到380V，并且具備自動(dòng)恒壓和限流功能；通過(guò)在主回路中增加諧振環(huán)節(jié)，利用電容和電感產(chǎn)生準(zhǔn)諧振，實(shí)現(xiàn)逆變橋上開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，從而減小開(kāi)關(guān)損耗，提高充電機(jī)的效率。本實(shí)用新型的該充電裝置適用于各種不同功率的電動(dòng)汽車的鋰電池充電，由于采用基于有源功率調(diào)整技術(shù)、并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、硬件電流與電壓PID調(diào)節(jié)技術(shù)、高頻逆變、整流和濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了充電機(jī)寬輸入、高效率、高功率因素，性能可靠，積極推動(dòng)了電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
圖I是本實(shí)用新型純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置的并機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實(shí)用新型純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置的單機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本實(shí)用新型的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，采用模塊化的構(gòu)造方法，包括并聯(lián)的兩臺(tái)單機(jī)，該兩臺(tái)單機(jī)基于CAN主從模式并聯(lián)，形成主單機(jī)A和從單機(jī)B ;主單機(jī)A和從單機(jī)B的結(jié)構(gòu)一致，輸出電流和電壓的變化率保持一致。由于主單機(jī)A和從單機(jī)B的結(jié)構(gòu)一致，下面以主單機(jī)A為例，詳細(xì)說(shuō)明其具體構(gòu)成。如圖2所示，主單機(jī)A主要由電性連接的輸入EMI單元I、輸入控制開(kāi)關(guān)2、工頻不可控整流單元3、有源功率因素調(diào)整單元4、高頻逆變單元5、諧振單元6、高頻隔離單元7、輸出不可控整流單元8、EMI處理單元9、輸出濾波單元10、輸出EMI單元11、負(fù)載信號(hào)檢測(cè)單元12、電壓電流檢測(cè)單元13以及控制和保護(hù)單元14組成。輸入EMI單元1、EMI處理單元9和輸出EMI單元11構(gòu)成EMI模塊；其中輸入EMI單元I抑制輸入對(duì)充電機(jī)的干擾；EMI處理單元9和輸出EMI單元11分別抑制變壓器二次側(cè)的傳導(dǎo)干擾。輸入控制開(kāi)關(guān)2在狀態(tài)檢測(cè)正常后開(kāi)關(guān)閉合，故障時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。工頻不可控整流單元3和輸出不可控整流單元8構(gòu)成整流模塊；其中工頻不可控整流單元3將單相交流電變成脈動(dòng)較小的直流電；輸出不可控整流單元8利用單相橋式不可控整流電路實(shí)現(xiàn)將高頻交流電變換成脈動(dòng)較小的直流電。有源功率因素調(diào)整單元4在調(diào)節(jié)充電機(jī)的功率因素同時(shí)提高逆變橋的母線電壓，采用有源PFC原理，利用Boost變換器，使得交流側(cè)的功率因素可以達(dá)到95%以上，同時(shí)逆變橋的母線電壓升高到380V，并且具備自動(dòng)恒壓和限流功能。高頻逆變單元5實(shí)現(xiàn)將恒定直流電壓經(jīng)過(guò)電壓型逆變器變換成高頻方波電壓。諧振單元6由電容和電感構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通，形成并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)；通過(guò)在主回路中增加諧振環(huán)節(jié)，利用電容和電感產(chǎn)生準(zhǔn)諧振，實(shí)現(xiàn)逆變橋上開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，從而減小開(kāi)關(guān)損耗，提高充電機(jī)的效率。高頻隔離單元7通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸入電壓和輸出電壓的隔離；輸出濾波單元9利用無(wú)源濾波電路實(shí)現(xiàn)將脈動(dòng)直流電變換成恒定的直流電。負(fù)載信號(hào)檢測(cè)單元12和電壓電流檢測(cè)單元13構(gòu)成檢測(cè)模塊，其中負(fù)載信號(hào)檢測(cè)單元12檢測(cè)電池的電壓和電流信號(hào)，判斷充電機(jī)與電池狀態(tài)；電壓電流檢測(cè)單元13檢測(cè)有源功率因素調(diào)整單元的電感電流、母線電壓以及工頻不可控整流單元302的輸出電壓；控制和保護(hù)單元14主要實(shí)現(xiàn)PWM脈沖的產(chǎn)生、恒壓、恒流、輸入過(guò)壓保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、充電過(guò)程控制以及輸出電池狀態(tài)檢測(cè)功能。工作過(guò)程電動(dòng)汽車停車，充電機(jī)輸入控制開(kāi)關(guān)2合上后，控制和保護(hù)單元14進(jìn)入自診斷系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)單元9的負(fù)載信號(hào)檢測(cè)單元12和電壓電流檢測(cè)單元13檢測(cè)供電電壓是否正常、檢測(cè)充電機(jī)輸出端電池是否接上、電池是否反接、輸出是否短路、輸出電壓與輸出電流檢測(cè)是否正常、逆變橋母線電壓是否正常，如果正常輸入控制開(kāi)關(guān)2閉和，如果有一個(gè)出現(xiàn)故障則系統(tǒng)不啟動(dòng)，且以光形式給出故障顯示信息。自診斷系統(tǒng)確認(rèn)正常以后，輸入繼電器合上，進(jìn)入正常工作模式。輸入電壓通過(guò)輸A EMI單元I、工頻不可控整流單元3、有源功率因素調(diào)整單元4為逆變橋提供恒定的直流母線電壓，高頻逆變單元5、諧振單元6以及高頻隔離單元7將恒定的直流電變換成高頻的交流電，通過(guò)輸出不可控整流單元8、EMI處理單元9、輸出濾波單元9和輸出EMI單元11將高頻交流電變換成直流電給鋰電池充電。充電過(guò)程中，控制和保護(hù)單元14實(shí)時(shí)檢測(cè)電池的狀態(tài)，根據(jù)充電輸出轉(zhuǎn)換充電模式，控制充電流程。在工作過(guò)程中，控制和保護(hù)單元14通過(guò)檢測(cè)單元9的負(fù)載信號(hào)檢測(cè)單元12和電壓電流檢測(cè)單元13檢測(cè)是否有出現(xiàn)輸出過(guò)壓、輸出過(guò)流、充電機(jī)過(guò)熱、電池接線松動(dòng)、輸入電壓不正常等情況，一旦出現(xiàn)則進(jìn)入保護(hù)工作模式。保護(hù)工作模式中，當(dāng)出現(xiàn)此類故障時(shí)，控制和保護(hù)單元14進(jìn)入故障保護(hù)處理工作流程，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延時(shí)后，如果故障排除， 系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)進(jìn)入正常工作模式。本實(shí)用新型的鋰電池充電裝置用于鋰電池電動(dòng)汽車的電池車載充電，具有以下特
占-
^ \\\ I、基于CAN的單機(jī)并聯(lián)技術(shù)單機(jī)輸出參數(shù)不能滿足要求，而滿足這種要求的車載充電機(jī)存在著設(shè)計(jì)、調(diào)試以及體積大的麻煩，這樣勢(shì)必增加成本。本申請(qǐng)采用模塊化的構(gòu)造方法，將兩臺(tái)獨(dú)立的電源并聯(lián)起來(lái)，提高輸出功率；并聯(lián)時(shí)基于CAN主從模式，保證并聯(lián)時(shí)每臺(tái)電源的輸出電流和電壓的變化率保持一致，達(dá)到較好的均流效果；2、采用基于有源功率因素調(diào)整技術(shù)采用有源PFC原理，利用Boost變換器，使得交流側(cè)的功率因素可以達(dá)到95%以上，同時(shí)逆變橋的母線電壓升高到380V，并且具備自動(dòng)恒壓和限流功能；3、并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)通過(guò)在主回路中增加諧振環(huán)節(jié)，利用電容和電感產(chǎn)生準(zhǔn)諧振，實(shí)現(xiàn)逆變橋上開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，從而減小開(kāi)關(guān)損耗，提高充電機(jī)的效率。本實(shí)用新型的該充電裝置適用于各種不同功率的電動(dòng)汽車的鋰電池充電，具有的上述特點(diǎn)及采用的基于有源功率調(diào)整技術(shù)、并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、硬件電流與電壓PID調(diào)節(jié)技術(shù)、高頻逆變、整流和濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了充電機(jī)寬輸入、高效率、高功率因素，性能可靠，積極推動(dòng)了電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
權(quán)利要求1.一種純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其特征在于所述裝置采用模塊化的構(gòu)造方法，包括基于CAN主從模式并聯(lián)的兩臺(tái)單機(jī)；兩臺(tái)所述單機(jī)結(jié)構(gòu)一致，輸出電流和電壓的變化率保持一致。
2.如權(quán)利要求I所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其特征在于所述單機(jī)主要由電性連接的EMI模塊、輸入控制開(kāi)關(guān)、整流單元、有源功率因素調(diào)整單元、高頻逆變單元、諧振單元、高頻隔離單元、輸出濾波單元、檢測(cè)模塊以及控制和保護(hù)單元組成； 所述EMI模塊包括輸入EMI單元、EMI處理單元和輸出EMI單元；所述輸入EMI單元抑制輸入對(duì)充電機(jī)的干擾；所述EMI處理單元和輸出EMI單元分別抑制變壓器二次側(cè)的傳導(dǎo)干擾； 所述整流模塊包括工頻不可控整流單元和輸出不可控整流單元；所述工頻不可控整流單元將單相交流電變成脈動(dòng)較小的直流電；所述輸出不可控整流單元利用單相橋式不可控整流電路實(shí)現(xiàn)將高頻交流電變換成脈動(dòng)較小的直流電； 所述檢測(cè)模塊包括負(fù)載信號(hào)檢測(cè)單元和電壓電流檢測(cè)單元；所述負(fù)載信號(hào)檢測(cè)單元檢測(cè)電池的電壓和電流信號(hào)，判斷充電機(jī)與電池狀態(tài)；所述電壓電流檢測(cè)單元檢測(cè)有源功率因素調(diào)整單元的電感電流、母線電壓以及所述工頻不可控整流單元的輸出電壓。
3.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其特征在于所述有源功率因素調(diào)整單元采用有源PFC原理，利用Boost變換器，在調(diào)節(jié)充電機(jī)的功率因素同時(shí)提高逆變橋的母線電壓，并且具備自動(dòng)恒壓和限流功能。
4.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其特征在于所述輸入控制開(kāi)關(guān)在狀態(tài)檢測(cè)正常后開(kāi)關(guān)閉合，故障時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。
5.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其特征在于所述諧振單元由電容和電感構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通，形成并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。
6.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其特征在于所述高頻逆變單元實(shí)現(xiàn)將恒定直流電壓經(jīng)過(guò)電壓型逆變器變換成高頻方波電壓。
7.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其特征在于所述高頻隔離單元通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸入電壓和輸出電壓的隔離。
8.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其特征在于所述輸出濾波單元利用無(wú)源濾波電路實(shí)現(xiàn)將脈動(dòng)直流電變換成恒定的直流電。
9.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其特征在于所述控制和保護(hù)單元主要實(shí)現(xiàn)PWM脈沖的產(chǎn)生、恒壓、恒流、輸入過(guò)壓保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、充電過(guò)程控制以及輸出電池狀態(tài)檢測(cè)功能。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種純電動(dòng)汽車鋰電池充電裝置，其采用模塊化的構(gòu)造方法，包括基于CAN主從模式并聯(lián)的兩臺(tái)單機(jī)；兩臺(tái)所述單機(jī)結(jié)構(gòu)一致，輸出電流和電壓的變化率保持一致；單機(jī)回路中設(shè)有有源功率因素調(diào)整單元和諧振單元。該充電裝置適用于各種不同功率的電動(dòng)汽車的鋰電池充電，由于采用基于有源功率調(diào)整技術(shù)、并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、硬件電流與電壓PID調(diào)節(jié)技術(shù)、高頻逆變、整流和濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了充電機(jī)寬輸入、高效率、高功率因素，性能可靠，積極推動(dòng)了電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
文檔編號(hào)H02J7/00GK202524136SQ20122016879
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者張凱, 梅建偉, 王思山, 程登良, 蔣偉榮 申請(qǐng)人:湖北點(diǎn)元電子信息技術(shù)有限公司