CN104242405B - 一种电动汽车动力电池快速充电***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车动力电池快速充电***及方法，包括故障保护模块，所述故障保护模块的输入端与工频交流输入电网及数字信号处理器的输出端相连，故障保护模块的输出端与输入整流滤波模块，直流电信号再经过半桥逆变电路将储存的能量经过开关管的开通传输到高频变压器，全波整流电路将高频变压器传输出的脉冲电压转换成直流电压传送至输出直流滤波电路，输出直流滤波电路滤成平滑直流电流入电动汽车电池负载，电动汽车电池负载经过去极化模块与故障保护模块的输出端相连，本发明实现了对动力电池进行快速充电，能够有效去除电池极化的现象，能量回收电路提高了充电机效率,提高电池寿命。

Description

一种电动汽车动力电池快速充电***及方法

技术领域

本发明涉及一种动力电池的快速充电技术，尤其涉及一种动力电池快速充电***及方法。

背景技术

电动汽车拥有着节能环保、低排放等方面的优势，已成为现代汽车行业中最有发展前景的一个领域。电动汽车的快速发展，也给电动汽车动力电池充电装置带来了更高要求，具体为：充电快速性，电池无损伤性，充电安全可靠性。如今电动汽车充电市场上充电***缺点可以归纳为以下几类：1、充电方法采用恒流恒压三阶段充电方法或正负脉冲充电。在充电前期，电池可接受大电流充电，而充电后期，电池极化现象严重，充电缓慢，三阶段充电方式不能解决充电后期电池极化现象，而脉冲充电在前期存在停充浪费了充电时间。2、去极化电路拓扑结构上，一般在电池两端串联电阻，利用电阻放电来消除电池极化现象，不仅浪费能量同时也对整个充电***的散热提出了更高的要求，增加了成本也影响了安全性。3、充电结束判断一般采用定时或者电流零增量等综合方法，这些方法都是在采样电压后才做出停充判断，这实际上已经对电池造成了损害，降低了电池寿命。

中国发明专利申请(200610028591.9)公开了一种蓄电池充电控制方法，即三元控制方法，引入充电电量、充电电压和充电电流三阶段进行全程监控，以蓄电池三个阶段的充电量是否达到预定值作为是否结束充电的唯一标准。但其并未考虑到电池的时滞性以及采样的延迟性，判断结束充电时已经存在了过充现象。

中国发明专利申请(201320540206.4)公开了一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源***，其组成包括工频交流电网、主电路、控制电路及电动汽车电池负载。该发明采用正负脉冲充电，消除电池充电中的极化现象，但没注意到充电初期电池极化现象不严重，同时其负脉冲电路采用电阻放电，极大的浪费了能量，降低充电效率。

发明内容

为解决现有快速充电技术存在的不足，本发明公开了一种电动汽车动力电池快速充电***及方法，本发明采用的涓流充电-大电流充电-去极化充电-浮充充电四阶段充电方法，符合充电过程中电池的物理和化学特性，可达快速充电的目的；快速充电***的拓扑结构采用隔离式半桥DC/DC电路和去极化电路结合的新型电路拓扑结构，有效地降低了整个充电机的体积同时可回收去极化放出的能量，极大地提高了整个充电***的效率，同时也提高了充电***的安全性。本发明采用的基于灰色模型预测理论的电压终止判断，可***电池下一时刻电压，可有效避免因电池时滞性或电压采样延迟导致的电池过充现象，从而提高电池寿命。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种电动汽车动力电池快速充电***，包括故障保护模块，所述故障保护模块的输入端与工频交流输入电网及数字信号处理器的输出端相连，故障保护模块的输出端与输入整流滤波模块相连，输入整流滤波模块将工频交流整流滤波变成平滑的直流电信号，直流电信号再经过半桥逆变电路将储存的能量通过开关管的开通传输到高频变压器，高频变压器输出端接到全波整流电路，全波整流电路将高频变压器传输出的脉冲电压转换成直流电压传送至输出直流滤波电路，输出直流滤波电路将其滤成平滑直流电流入电动汽车电池负载，电动汽车电池负载与去极化模块的输入端相连，去极化模块的输出端与半桥逆变模块的输入端相连，电动汽车电池负载经过电流电压采样模块与数字信号处理器的输入端相连，数字信号处理器的输出端通过IGBT驱动模块与输入整流滤波模块及去极化模块的输入端相连。

所述输入整流滤波模块包括整流桥D0，整流桥D0输入端与工频交流输入电网相连，输出端与由电感L1和电容C1组成的LC滤波电路相连。

所述半桥逆变电路由电容C2、电容C3和开关管S1、开关管S2组成，所述开关管S1、开关管S2的两端均并联有单向二极管。

所述全波整流电路由快恢复二极管D2和D3组成。

所述输出直流滤波电路由耦合电感原边L2和滤波电容C4组成。

所述去极化模块包括耦合电感原边L2及耦合电感副边L3，耦合电感原边L2、开关管S3及电动汽车电池负载相串联，耦合电感原边L2并联有由齐纳稳压管ZD和二极管Dc组成的嵌位电路，耦合电感副端L3与二极管D1及半桥逆变电路中的电容C2、电容C3构成串联回路。

一种电动汽车动力电池快速充电方法，包括以下步骤：

通过电流电压采样模块采集电动汽车电池负载的端电压，当端电压小于第一设定值U1时，采用涓流充电方式，当端电压不小于第一设定值U1且小于第二设定值U2时，采用大电流恒流充电方式，当端电压在第二设定值U2及第三设定值U3之间时，采用去极化充电方式，当端电压在第三设定值U3及第四设定值U4之间时，采用浮充充电方式，当端电压不小于第四设定值U4时，停止充电(其中U1<U2<U3<U4)。在浮充充电方式时，数字信号处理器控制内嵌的定时器模块定周期地采样电池端电压的电压值，经过灰色模型预测算法，预测下一时刻的电压值，若达到充电终止电压则停止充电。

所述涓流充电方式、大电流恒流充电方式及浮充充电方式的充电过程为：

单相工频交流电经过输入整流滤波模块滤为平滑直流电后，再经过半桥逆变电路、高频变压器、输出直流滤波电路后流入电动汽车电池负载。电流电压采样模块检测电池负载的电流和电压信号，数字信号处理器根据其传送的信号与所需的设定值进行比较，产生误差值，再经PI控制算法后，发给数字信号处理器内嵌的事件管理器，产生两路PWM信号，该信号通过IGBT高频驱动模块控制着半桥逆变电路IGBT的开通和关断，再经过高频变压器和输出直流滤波电路达到充电所需的电流电压值。

所述去极化充电方式，包括正向充电和反向放电，当正向充电时候与涓流充电方式、大电流恒流充电方式及浮充充电方式的充电过程一致，充电电流会有所不同。反向充电过程：电动汽车电池负载经过耦合电感，利用耦合电感的磁场能的传播，把副边的电池能量传输到副边，储存于半桥电路的电容中去，利用开关管的开通和关断可控制去极化电流的大小，数字信号处理器按照正向充电同样的闭环控制方法控制开关管的导通和关断的占空比，同时信号处理模块内部的定时器分配了去极化充电中正向充电和方向放电的周期以及各自的占空比。

所述灰色模型预测算法具体为：DSP控制器通过内部定时器定周期地通过AD采样模块采样电池端电压值，选取最新五组电压历史数据构成数据序列，对数据序列进行一次累加产生新的数据序列，对数据序列紧邻值相加平均产生新数据序列，然后计算其灰色预测跟踪所需的灰作用量，从而得到等维递补灰色单变量一阶时间响应预测模型，通过累减生成，还原为电池端电压的原始数据列值，按均方差检验方法对预测模型的精度进行检验，若不合格进行残差建模，重新开始预测，若合格则预测下一时刻的电池端电压值，若其大于电池充电终止电压，则停止充电。

本发明根据电池充电过程电池的物理和化学特性，采用了涓流充电，大电流恒流充电，去极化充电，浮充充电四阶段充电方式。涓流充电：电池充电之前可能存在过放，若存在过放现象，必须用涓流充电，修复电池；大电流恒流充电：在电量不满时，电池内部的活性物质较多，其充电接受能力较强，采用大电流充电，充入电池大部分电量，减少充电时间；去极化充电：此时，电池内部活性物质较少，电池极化现象比较严重，必须在充电过程中队电池进行短暂的放电以消除电池极化现象的影响，才能提高电池充电的效率可；浮充充电：在充电后期，存在电池自放电，为补偿自放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电。在消除电池极化现象上，一般方法采用在电池两端串联电阻放电的方式，这种方式不仅浪费能量，充电效率低，同时也对充电机的散热提出了更高的要求，增加了成本。本发明采用新型去极化电路拓扑结构，将电池所放电量回收至电容，再利用充电阶段重新放入电池中，可以极大地提高充电效率，避免浪费。同时目前采用的充电终止方法一般为最高电压法或电压零增量法，这些方法因电池滞后效应，充电终止时实际上已经存在过充现象，本发明采用基于灰色模型预测理论的电压终止判断，可有效克服这一问题，提高电池寿命。

本发明的有益效果及创新点：

(1)快速充电，电池损伤小；本发明采用涓流充电-大电流恒流充电-去极化充电-浮充充电四阶段充电方法，符合电池充电过程中的物理和化学特性。涓流充电可以对电池过放进行修复，大电流恒流充电可以在短时间内充入大部分电量，去极化脉冲充电可以消除充电后期电池极化现象的影响，提高充电速度，浮充充电补充电池自放电造成的容量损失，保持电量充足。

(2)能量回收，充电效率高；本发明去极化电路采用新的拓扑结构，将原有的输出直流滤波电路的电感换成耦合电感，外加开关管，利用耦合电感的传输作用，将电池能量暂储存在半桥逆变电路的电容中去，再通过充电电路，整个过程避免了能量的浪费，提高了充电机的效率。

(3)***稳定，响应速度快，控制精度高；该***以数字信号处理器DSP为核心，将数字控制技术应用到快速充电***中，通过软件编程，使***实现稳定、可靠的输出，此外，本发明还采用了电流电压反馈的数字化控制技术，采用了DSP技术，使***的动态特性优良、控制精度高，***稳定。

(4)终止判断，准确快速；本发明采用基于灰色模型预测理论的充电终止判断，通过采样过去的五组电池电压电流数据，利用GM(1，1)模型预测未来时刻的充电电压，可以有效地避免对电池的过充，提高了电池寿命。

附图说明

图1为本发明的组成示意图；

图2是本发明的快速充电策略流程图；

图3为本发明的主电路的电路原理图；

图4是本发明的去极化放电电路原理图

图5是本发明基于灰色模型预测理论的终止判断方法流程图；

图6是本发明的DSP数字化控制模块的结构示意图；

图中，1故障保护模块、2输入整流滤波模块、3半桥逆变模块、4高频变压器、5输出整流滤波模块、6去极化模块、7电流电压采样模块、8 DSP数字化控制模块、9 IGBT驱动模块。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种电动汽车快速充电***包括工频交流输入电网、主电路、控制电路及电动汽车电池负载；所述主电路的输入端与工频交流输入电网连接，主电路的输出端与电动汽车负载连接；主电路包括依次电气连接顺序为：故障保护模块1、输入整流滤波模块2、半桥逆变模块3、高频变压器4、输出整流滤波模块5、去极化模块6，控制电路包括电流电压采样7、DSP数字化控制模块8、IGBT驱动模块9；

DSP数字化控制模块8分别与故障保护模块1的输入端、电流电压采样模块7的输出端及IGBT驱动模块9的输入端相连接；故障保护模块1的输入端与工频交流输入电网相连接；电流电压采样模块8的输入端与输出整流滤波模块5的输出端连接。IGBT高频驱动模块9的输出端与半桥逆变模块3的输入端以及去极化模块6输入端连接。去极化模块6的输入端与电池负载端相连，输出端与半桥逆变模块3的输入端相连。

DSP数字化控制模块包括数字信号处理器，所述数字信号处理器采用TMS320F2812芯片。故障保护模块的输入端与工频交流输入电网相连接，所述电流电压采样模块的输入端与输出整流模块的输出端、去极化模块的输出端连接。

如图2所示，快速充电***充电控制策略流程图。充电前，检测电池端电压大小，根据电池端电压电压值，判断其所处的充电阶段，调用其相应充电子程序，充电过程中不断检测电压值，根据其电压值的不同，改变其充电控制策略。

如图3所示，快速充电***主电路原理图。工频交流市电，经过整流桥D0，再经过电感L1和C1电容组成的LC滤波环节变成平滑的直流电，再经过电容C2C3和开关管S1S2组成的半桥逆变电路，在每半个周期，C2和C3储存的能量经过开关管的开通传输到高频变压器，利用开关管的导通时间可以控制传输的能量多少，T1为高频变压器，利用磁场原理传输能量，其可有效降低充电机的体积。高频变压器输出端接入由D2和D3组成的全波整流电路，把高频变压器传输出的脉冲电压转换成直流电压，后接入由耦合电感原边L2和滤波电容C4组成的输出直流滤波环节，滤成平滑直流电流入电池负载。

如图4所示为去极化放电电路原理图。电动汽车电池负载经过耦合电感L2原边，开关管S3相连。耦合电感利用磁场原理传输电池负载放电的能量，开关管的导通和关断时间影响着每周期输出能量的多少；耦合电感原边L2并联由齐纳稳压管ZD和二极管DZ组成的嵌位电路，其作用是防止感应电压过大，击穿开关管S3。耦合电感副端L3接入二极管D1及半桥电路中的电容C2C3。二极管D1的作用防止电容C2C3中的能量反向流动。至此电池的能量可有效地暂储存在电容里，当正向充电时，电容能量可由上所述的充电电路重新充入电池，避免了能量的浪费。

如图5所示为基于灰色模型预测理论的终止判断方法流程图。DSP控制器定过内部定时器定周期通过AD采样模块采样电池端电压值，选取最新五组历史电压值构成数据序列，对数据序列进行一次累加产生新的数据序列，对数据序列紧邻值相加平均产生新数据序列，计算其灰色预测跟踪所需的灰作用量，从而得到等维递补灰色变量一阶时间响应预测模型，通过累减生成，还原为电池端电压的原始数据列值，按均方差检验方法对预测模型的精度进行检验，若不合格进行残差建模，重新开始预测，若合格则预测下一时刻的电池端电压值，若其大于电池最终充电电压给定值，则停止充电。

如图6所示，DSP数字化控制模块主芯片为TMS320F2812，其外接PWM信号，提供开关管的驱动信号；外接USB模块，存储充电过程所需数据；外接人机界面LCD接口，用来动态显示充电***相关参数的变化同时可对充电参数进行设置；外接CAN通讯模块，并与电池管理***相互连接，利用CAN通讯可以实现充电***和电池管理***有机结合，电池管理***可以共享充电参数，并设置充电参数。外接AD模块，接受充电***中电流电压温度等参数，根据不同参数值采用不同控制策略。

本发明的工作原理：

本发明充电控制策略采用涓流充电-大电流充电-去极化充电-浮充充电四阶段快速充电策略。涓流充电，大电流充电，浮充充电采用半桥式高频拓扑结构，结构具有效率高体积小的特点。去极化电路中的放电部分，采用耦合电感传输及电容存储的新拓扑结构，可有效地储存放电能量，避免能量的浪费，提高充电机的效率。充电终止判断采用基于灰色模型预测理论的电压终止判断，可预测充电电压防止过充。控制方法，采用数字化PI双闭环控制，可有效地控制充电电流和电压满足充电需求。

电压电流检测模块检测电池端电压电压值，根据电压值判断充电所处充电阶段，根据所处阶段的不同调用其对应的充电子程序。

正向充电过程(涓流充电，大电流充电，浮充充电)：单相工频交流电经过输入整流滤波模块整流为平滑直流电后，再通过半桥逆变电路，然后通过高频变压器、输出整流模块流入电动汽车电池。DSP数字化控制模块通过IGBT驱动模块控制该模块IGBT的开通与关断，同时DSP数字化控制模块根据电流电压采样模块检测到输出直流滤波电路输出的电流和电压信号，把检测到的信号与给定的相关参数进行比较，经过DSP数字化控制模块的PI控制算法运算后，发给DSP数字化控制模块内嵌事件管理器，产生两路PWM信号，该信号通过IGBT高频驱动模块控制半桥逆变电路IGBT的开通和关断，再经过高频变压器和输出直流滤波电路转换成所需的电流电压。

去极化充电过程包括正向充电和方向放电。DSP数字化控制模块内嵌的定时器模块，控制着充电周期以及正向和反向充电时间。当正向充电时候，与上述正向充电过程一致，反向充电过程如下所述：电动汽车电池负载经过耦合电感，把能量传输到电容中去，利用开关管的开通和关断可控制输出电流的大小。

基于灰色模型预测理论的终止判断：在浮充阶段，DSP数字化控制内嵌的定时器模块定周期地采样电池端电压的电压值，经过灰色模型预测算法，预测下一时刻的电压值，若达到终止电压则停止充电。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种电动汽车动力电池快速充电***，其特征是，包括故障保护模块，所述故障保护模块的输入端与工频交流输入电网及数字信号处理器的输出端相连，故障保护模块的输出端与输入整流滤波模块相连，输入整流滤波模块将工频交流整流滤波变成平滑的直流电信号，直流电信号再经过半桥逆变电路将储存的能量经过开关管的开通传输到高频变压器，高频变压器利用磁场原理传输能量，高频变压器的输出端接到全波整流电路，全波整流电路将高频变压器传输出的脉冲电压转换成直流电压传送至输出直流滤波电路，输出直流滤波电路滤成平滑直流电流入电动汽车电池负载，电动汽车电池负载经过去极化模块与故障保护模块的输出端相连，电动汽车电池负载经过电流电压采样模块与数字信号处理器的输入端相连，数字信号处理器的输出端通过IGBT驱动模块与输入整流滤波模块相连，IGBT驱动模块还与去极化模块相连；

所述去极化模块包括耦合电感原边L2及耦合电感副端L3，耦合电感原边L2、开关管S3及电动汽车电池负载相串联，耦合电感原边L2并联有由齐纳稳压管ZD和二极管Dc组成的嵌位电路，耦合电感副端L3与二极管D1及半桥逆变电路中的电容C2、电容C3构成串联回路；

充电前，检测电池端电压大小，根据电池端电压电压值，判断其所处的充电阶段，调用其相应充电子程序，充电过程中不断检测电压值，根据其电压值的不同，改变其充电控制策略；

充电控制策略采用涓流充电-大电流充电-去极化充电-浮充充电四阶段快速充电策略。

2.如权利要求1所述的一种电动汽车动力电池快速充电***，其特征是，所述输入整流滤波模块包括整流桥D0，整流桥D0输入端与工频交流输入电网相连，输出端与由电感L1和电容C1组成的LC滤波电路相连。

3.如权利要求1所述的一种电动汽车动力电池快速充电***，其特征是，所述半桥逆变电路由电容C2、电容C3和开关管S1、开关管S2组成，所述开关管S1、开关管S2的两端均并联有单向二极管。

4.如权利要求1所述的一种电动汽车动力电池快速充电***，其特征是，所述全波整流电路由串联在高频变压器输出端的线圈上的二极管D2和D3组成。

5.如权利要求1所述的一种电动汽车动力电池快速充电***，其特征是，所述输出直流滤波电路由耦合电感原边L2和滤波电容C4组成。

6.基于权利要求1所述的一种电动汽车动力电池快速充电***的方法，其特征是，包括以下步骤：

通过电流电压采样模块采集电动汽车电池负载的端电压，当端电压小于第一设定值U1时，采用涓流充电方式，当端电压不小于第一设定值U1且小于第二设定值U2时，采用大电流恒流充电方式，当端电压在第二设定值U2及第三设定电压值U3之间时，采用去极化充电方式，当端电压在第三设定电压值U3及第四设定电压值U4之间时，采用浮充充电方式，当端电压不小于第四设定电压值U4时，停止充电，其中U1<U2<U3<U4，在浮充充电方式时，数字信号处理器控制内嵌的定时器模块定周期地采样电池端电压的电压值，经过灰色模型预测算法，预测下一时刻的电压值，若达到充电终止电压值时则停止充电。

7.如权利要求6所述的方法，其特征是，所述涓流充电方式、大电流恒流充电方式及浮充充电方式的充电过程为：

单相工频交流电经过输入整流滤波模块整流为平滑直流电后，再通过半桥逆变电路，然后通过高频变压器、输出直流滤波电路流入电动汽车电池，数字信号处理器通过IGBT驱动模块控制IGBT管的开通与关断，同时数字信号处理器根据电流电压采样模块检测到输出直流滤波电路输出的电流和电压信号，把检测到的信号与给定的相关参数进行比较，经过数字信号处理器的PI控制算法运算后，发给数字信号处理器内嵌事件管理器，产生两路PWM信号，该信号通过IGBT高频驱动模块控制半桥逆变电路IGBT的开通和关断，再经过高频变压器和输出直流滤波电路转换成电池所需的电流电压。

8.如权利要求6所述的方法，其特征是，所述去极化充电方式，包括正向充电和反向放电，当正向充电时候与涓流充电方式、大电流恒流充电方式及浮充充电方式的充电过程一致，反向充电过程：电动汽车电池负载经过耦合电感，把能量传输到电容中去，利用开关管的开通和关断控制输出电流的大小，采用数字信号处理器数字化闭环控制开关管的导通时间。

9.如权利要求6所述的方法，其特征是，所述灰色模型预测算法具体为：DSP控制器通过内部定时器定周期，通过AD采样模块采样电池端电压值，选取最新五组电压值构成数据序列，对数据序列进行一次累加产生新的数据序列，对数据序列紧邻值相加平均产生新数据序列，计算其灰色预测跟踪所需的灰作用量，从而得到等维递补灰色变量一阶时间响应预测模型，通过累减生成，还原为电池端电压的原始数据列值，按均方差检验方法对预测模型的精度进行检验，若不合格进行残差建模，重新开始预测，若合格则预测下一时刻的电池端电压值，若其大于电池最终充电电压给定值，则停止充电。