CN107248596A - 电动汽车的充电方法和*** - Google Patents

电动汽车的充电方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用充电***对电动汽车、尤其纯电动汽车的充电电池的充电方法，其包括：确定充电***的最高效率功率，其中充电***的最高效率功率定义为充电***的输出功率与输入功率之比、即充电效率达到最高时对应的输出功率；以及以所确定的最高效率功率运行充电***对电动汽车、尤其纯电动汽车的充电电池进行充电。本发明还涉及对应的充电***。

Description

电动汽车的充电方法和***
技术领域
本发明大体上涉及电动汽车、尤其纯电动汽车的充电方法和***，采用本发明的充电方法和***能够显著提高充电效率。
背景技术
在新能源汽车的发展中，电动汽车的发展越来越受到重视。电动汽车的充电技术是电动汽车开发的重点。通常，会为电动汽车的充电电池配设一充电***，这种充电***通常可以理解为是一种将交流电按要求转换成直流电的设备，可以设置在充电站中或者也可以设置在汽车本身上。当汽车电池需要充电时，这种充电***将市用220V交流电按规格转换成直流电，以对汽车的充电电池进行充电。
通常，对电池的充电可以采用三种模式：恒电流模式、恒电压模式(或称恒功率模式)以及涓流模式。恒电流模式通常在对电池进行充电的初期采用，恒电压模式通常在已对电池充满一定电量的情况下采用，涓流模式通常在即将充满电池时采用。对电池充电时，这三种模式依需采用，以达到提高电池电芯一致性的目的。
但是，现有的这种充电方式的关注点主要是充电时间与充电电量之间的关系，充电效率可达90％。对于已知的非常高效的这种充电***而言，充电效率最高可达93％。但是，由于充电***内部的相关电子元器件的发热原因，即使充电效率提高，也还是会有至少6％的能量被热消耗掉。同时，为了对充电***降温，又会需要更多的能量散热，导致充电***的整体充电效率不可能太高。
发明内容
本发明旨在提出一种新颖的电动汽车充电方法和***，所提出的方法和***无需重新设计电动汽车可以直接在现有的电动汽车基础上改造升级，实现起来简单方便技术上可行性强；同时，可以显著提高能量利用效率。
根据本发明的一个方面，提供了一种利用充电***对电动汽车、尤其纯电动汽车的充电电池的充电方法，其包括：
确定充电***的最高效率功率，其中充电***的最高效率功率定义为充电***的输出功率与输入功率之比、即充电效率达到最高时对应的输出功率，
最高效率功率的确定利用“试错实验”过程来实现：在该“试错实验”过程中，先将充电***的输出功率提高至最高功率，然后逐步降低输出功率并测定充电***的充电效率，如果本次测定的充电效率低于上次测定的充电效率，则将上次测定的充电效率所对应的输出功率确定为最高效率功率；替代性地，
最高效率功率利用在充电***内存储的事先确定的温度与功率值的关系数据库来确定，依据充电***的当前温度调取对应的功率值作为最高效率功率；以及
以所确定的最高效率功率运行充电***对电动汽车、尤其纯电动汽车的充电电池进行充电。
可选地，在最高效率功率的确定是以“试错实验”过程实现的情况下，首先将充电***的输出功率提高至比最高功率小95％、90％或85％的功率，然后逐步降低输出功率并测定充电***的充电效率，如果充电效率提高，则继续逐步降低输出功率并返回重复上述过程，如果充电效率未提高，则逐步提高输出功率并返回重复上述过程。
可选地，在最高效率功率的确定是以“试错实验”过程实现的情况下，“试错实验”过程执行多次，输出功率调整的步幅针对每个“试错实验”过程不同，取多个“试错实验”过程确定的最高效率功率的平均值作为充电***的最高效率功率。
可选地，隔一段时间后重新确定充电***的最高效率功率。
可选地，如果事先设定充电***对充电电池进行充电的时间，则依据该时间计算充电***需要输出的平均输出功率；
如果该平均输出功率大于充电***的最高输出功率，则以最高输出功率运行充电***；
如果该平均输出功率小于充电***的最高输出功率，则确定充电***的最高效率功率，仅当最高效率功率大于或等于平均输出功率时才以最高效率功率运行充电***。
可选地，在需要快速充电的情况下，以最高输出功率运行充电***进行充电。
可选地，在最高效率功率的确定是以“试错实验”过程实现的情况下，实时地确定充电***的最高效率功率。
可选地，所述充电电池是为汽车提供驱动力的动力电池和/或为汽车的低压用电器供电的低压辅助电池。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于电动汽车、尤其纯电动汽车的充电电池的充电***，所述充电***包括：用于将输入交流电转换成输出直流电的电流转换模块、用于检测整个充电***的运行状况的检测单元、用于对充电***的各项参数进行调整的控制单元、以及用于获取外部用户需求的外部需求输入单元，所述控制单元依据权利要求1至8任一所述的充电方法调整所述充电***的运行以对充电电池充电。
可选地，所述检测单元用于确定充电***的温度。
可选地，所述充电***可以选择性地采用传统的充电模式对充电电池进行充电。
附图说明
从后述的详细说明并结合下面的附图将能更全面地理解本发明的前述及其它方面。需要指出的是，各附图的比例出于清楚说明的目的有可能不一样，但这并不会影响对本发明的理解。在附图中：
图1示意性示出了一个充电***的充电效率与(输入)功率的关系曲线图；
图2示意性示出了根据本发明的充电***的框图；
图3示意性示出了根据本发明的一个实施例的用于实测充电***的最高效率功率的流程图；并且
图4示意性示出了根据本发明的一个实施例的用于对充电电池进行充电的流程图。
具体实施方式
在本申请的各附图中，结构相同或功能相似的特征由相同的附图标记表示。
在本发明的申请文件中，电动汽车可以包括纯电动汽车或者混合动力汽车中的电驱动部分。电动汽车的充电电池可以是提供汽车驱动力的动力电池，也可以是为汽车的其它低压用电器供电的低压辅助电池。
在本发明的申请文件中，为充电电池进行充电的充电***主要指的是一种用于将交流电转换为直流电的充电***，其本身的具体构造和相关组成元器件属于本领域技术人员所熟知或可从市场上购得，因此对于它们的介绍在本文中省略。
图1示意性示出了用于对充电电池进行充电的充电***的充电效率与输入功率之间的关系曲线图。这里，充电***例如可以包括交流电转直流电的电子元器件、检测所述充电***的输入和输出功率的装置、为所述电子元器件降温的装置和控制装置等。本申请文件中提到的充电***的充电效率指的是充电***的输出功率与输入功率之比的百分数，其是一种衡量充电***整体效率的参数，也就是说能够影响该充电效率的因素不只是电子元器件的能量转换效率，还例如包括降温装置、控制装置等的能量利用率。
在图1中，横坐标为充电***的输入功率，纵坐标为充电***的输出功率与输入功率之比所得到的充电效率η。可以看出，充电***的最高输入功率点P最高处所对应的充电效率η1小于达到该最高功率点之前的功率点P1处所对应的充电效率η最高。由此可以看出，充电***的最高充电效率点与最高功率点并不重合，最高充电效率点所对应的功率通常位于最高功率点之前。此外，可以清楚在不同电压、环境温度的状态下，最高功率点本身也可能会浮动。需要指出的是，由于存在一定的线性关系，图1中的横坐标也可以是输出功率。
如果希望最高效地利用充电能量，应当将充电***总是维持在其最高功率点附近。基于此点认知，本发明提出了一种新颖的电动汽车充电方法和***。
图2示意性示出了采用本发明的方法的充电***的一个实施例。充电***包括用于将输入交流电转换成输出直流电的电流转换模块1、用于检测整个充电***的运行状况的检测单元2、用于对充电***的各项参数进行调整的控制单元3、以及用于获取外部用户需求的外部需求输入单元4。充电***还可以包括降温模块7，例如冷却风扇，为整个***(包括模块1、单元2和3)提供降温散热。
需要指出的是，本发明并不涉及任何具体电子元器件的解释说明。本领域技术人员在了解本发明的原理后可以采用任何市场上有售的电子元器件来实现。具体在图2所示的实施例中，该充电***可以为任一款已知的能够满足功能需要的充电***，本发明的特色在于可以采用已知的充电***进行相应地控制程序改变就可以实现，因此无需显著增加额外的生产成本。
电流转换模块1的作用是将输入的220V市电转换成符合规格的输出直流电。检测单元2例如可以包括用于检测外部环境温度的传感器、用于检测***内部温度的传感器、用于检测输入/输出功率/电流大小的传感器以及其它相关元器件的状态的传感器等。控制单元3能够依据需要对电流转换模块1中的电子元器件、冷却风扇等进行调整，例如可以改变充电***的输出直流电的输出功率/电流或者可以启停冷却风扇或对其调速。在检测单元2与控制单元3之间设置通信缆线，以实现数据传输。
以上的电流转换模块1、检测单元2和控制单元3均可以直接采用现有技术的充电***中的相关部件。根据本发明的外部需求输入单元4为一个用户输入装置，其作用是按照用户的要求启用对应的充电模式，例如形式可以是一个开关或按钮等。经由该外部需求输入单元4，用户可以指令控制单元3控制充电***是采用高效充电模式还是采用快速充电模式或任何其它模式，具体如后文所述。如图2所述，充电***输出的直流电可以供给充电电池6充电。
为了以最高的能量利用效率输出直流电，图3示意性示出了根据本发明的一个实施例的用于确定充电***的最高效率功率的过程。
如图3所示，首先，经由控制单元3将充电***的输出功率提高到额定的最高功率之前的一个值，例如提高到最高功率的95％、90％或85％等。然后，以一定的步幅例如10W、20W、30W或者最高功率的1％、2％或3％等适当的值降低充电***的输出功率。每降低一次输出功率，通过检测单元2和控制单元3重新测量并确定充电***的充电效率，即充电效率＝输出功率/输入功率。然后，控制单元3判断当前的充电效率是否高于前一次的充电效率。如果判断结果为“否”，则控制单元3以所述步幅继续提高充电***的输出功率，并返回重新判断。如果判断结果为“是”，则控制单元3以所述步幅继续降低充电***的输出功率，同时继续进行判断。接着，如图3所示，如果继续判断充电效率是否提高的结果为“是”，则控制单元3以所述步幅继续降低充电***的输出功率，同时继续进行判断；当继续判断充电效率是否提高的结果为“否”，则控制单元3可以将最后一次降低功率之前所确定的那个充电效率认定为充电***的实际最高充电效率，而将与之对应的输出功率定为最高效率功率。该过程的实质是由充电***本身采用“试错实验”方法寻找如图1所示的最高充电效率点对应的最高效率功率。
本领域技术人员应当清楚，图3仅仅示意性说明了确定最高效率功率的一个示意性过程。实际上，该过程还可以改型为首先就将充电***的输出功率提高至最高功率，然后逐步微降输出功率并判断充电效率是否提高，直至判断出最高效率功率。
此外，为了提高判断精度，如图3所示的过程也可以设计成执行多次，每次执行均采用不同的步幅。例如第一次以20W的步幅执行如图3所示的过程，而第二次以10W的步幅执行如图3所示的过程。各次确定的最高效率功率的平均值定为最终的最高效率功率。
采用如图3所示的“试错实验”方法可以最大程度地逼近充电***的最高效率功率，同时这也是一种闭环的过程，受到外界的干扰小，针对每个单独的充电***可以较为精确地实时确定其最高效率功率。
这种“试错实验”方法适合于具有较高精度的元器件的充电***，通常可以在价格较为昂贵的高端充电***中采用。但对于其它中低端充电***，上述检测精度可能不足以保证精确地确定最高效率功率。在这种情况下，本发明提出可以采用“事先标定”的方法来确定最高功率效率。例如，在工厂生产好充电***后，可以直接由相关试验仪器测定在不同的温度下、不同的功率所对应的充电效率，然后将不同的温度所对应的不同的最高效率功率作为表格存储在控制单元3的数据库内。在充电***的实际使用过程中，按照需要例如按照实测温度的不同调用事先存储的对应输出功率来运行充电***。这里，温度可以指的是充电***本身由于相关部件散热导致的温度、也可以是环境温度。
图4示意性示出了根据本发明的一个实施例的充电方法的流程图。
首先，控制单元3检测外部需求输入单元4是否有外部需求输入。例如，用户经由外部需求输入单元4输入快速充电的要求。如果存在快速充电的需求，则控制单元3控制充电***以最高输出功率模式运行，从而在最短的时间内对充电电池6进行充电。如果不存在快速充电需求，则控制单元3控制充电***自动进入最高效率充电模式。在该最高效率充电模式下，控制单元3能够调用以“事先标定”的方法存储在数据库中的与温度对应的最高效率功率来运行充电***，或者替代性地也能够以如图3所示的“试错实验”方法确定的最高效率功率来运行充电***，从而对充电电池6进行充电。
需要指出的是，最高效率功率的确定应当是一个动态的过程。例如，对于散热状况较好的刚开机情况与运行一段时间之后的情况、例如散热模块7开启之后的情况，充电***的最高效率功率应当是不一样的。因此，充电***可以设定成隔一段时间后由检测单元2实测当前的温度状况，并且控制单元3依据实测结果调用数据库中对应的最高效率功率来运行充电***；或者替代性地由检测单元2和控制单元3测量并确定当前的最高效率功率来运行充电***。
在根据本发明的充电方法的一个改型例中，如图4所示的外部需求也可以是用户需要对汽车进行充电的时间需求，例如用户在夜晚将汽车停在停车位充电直到第二天再次用车的预计时间段。在此情况下，本发明的充电方法可以设置成充电***的控制单元3首先依据由外部需求输入单元4输入充电的时长计算充电***的平均输出功率。如果该计算后的平均输出功率高于充电***的最高输出功率，则以最高输出功率运行充电***。如果该计算的平均输出功率低于充电***的最高输出功率，则按照如图3所示类似的过程确定最高效率功率，在最高效率功率大于或等于平均输出功率的情况下，采用最高效率功率运行充电***，否则，采用平均输出功率运行充电***。本领域技术人员应当清楚，根据该改型例的充电方法也可以适用于“事先标定”的方法，例如将平均输出功率与事先存储的温度与功率值的关系数据库，针对实测温度调用对应的输出功率，如果所调用的输出功率大于或等于平均输出功率，则采用所调用的输出功率运行充电***。
采用本发明的高效充电方法，可以无需重新设计现有的充电***，而直接通过改变控制单元3的相应的控制程序就可以实施，因此实施成本低，但由于考虑到了充电***整体的充电效率，可以显著提高充电***整体的能量利用率。
尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

Claims (10)

1.一种利用充电***对电动汽车、尤其纯电动汽车的充电电池的充电方法，其包括：
确定充电***的最高效率功率，其中充电***的最高效率功率定义为充电***的输出功率与输入功率之比、即充电效率达到最高时对应的输出功率，
最高效率功率的确定利用“试错实验”过程来实现：在该“试错实验”过程中，先将充电***的输出功率提高至最高功率，然后逐步降低输出功率并测定充电***的充电效率，如果本次测定的充电效率低于上次测定的充电效率，则将上次测定的充电效率所对应的输出功率确定为最高效率功率；替代性地，
最高效率功率利用在充电***内存储的事先确定的温度与功率值的关系数据库来确定，依据充电***的当前温度调取对应的功率值作为最高效率功率；以及
以所确定的最高效率功率运行充电***对电动汽车、尤其纯电动汽车的充电电池进行充电。
2.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，在最高效率功率的确定是以“试错实验”过程实现的情况下，首先将充电***的输出功率提高至比最高功率小95％、90％或85％的功率，然后逐步降低输出功率并测定充电***的充电效率，如果充电效率提高，则继续逐步降低输出功率并返回重复上述过程，如果充电效率未提高，则逐步提高输出功率并返回重复上述过程。
3.根据权利要求1或2所述的充电方法，其特征在于，在最高效率功率的确定是以“试错实验”过程实现的情况下，“试错实验”过程执行多次，输出功率降低的步幅针对每个“试错实验”过程不同，取多个“试错实验”过程确定的最高效率功率的平均值作为充电***的最高效率功率。
4.根据前述权利要求任一所述的充电方法，其特征在于，隔一段时间后重新确定充电***的最高效率功率。
5.根据前述权利要求任一所述的充电方法，其特征在于，如果事先设定充电***对充电电池进行充电的时间，则依据该时间计算充电***需要输出的平均输出功率；
如果该平均输出功率大于充电***的最高输出功率，则以最高输出功率运行充电***；
如果该平均输出功率小于充电***的最高输出功率，则确定充电***的最高效率功率，仅当最高效率功率大于或等于平均输出功率时才以最高效率功率运行充电***。
6.根据前述权利要求任一所述的充电方法，其特征在于，在需要快速充电的情况下，以最高输出功率运行充电***进行充电。
7.根据前述权利要求任一所述的充电方法，其特征在于，在最高效率功率的确定是以“试错实验”过程实现的情况下，实时地确定充电***的最高效率功率。
8.根据前述权利要求任一所述的充电方法，其特征在于，所述充电电池是为汽车提供驱动力的动力电池和/或为汽车的低压用电器供电的低压辅助电池。
9.一种用于电动汽车、尤其纯电动汽车的充电电池的充电***，所述充电***包括：用于将输入交流电转换成输出直流电的电流转换模块、用于检测整个充电***的运行状况的检测单元、用于对充电***的各项参数进行调整的控制单元、以及用于获取外部用户需求的外部需求输入单元，所述控制单元依据权利要求1至8任一所述的充电方法调整所述充电***的运行以对充电电池充电。
10.根据权利要求9所述的充电***，其特征在于，所述检测单元用于确定充电***的温度。
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