CN107546793A - 快速充电电池*** - Google Patents

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约翰·保罗·吉博
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Abstract

一种电池***包括壳体、在壳体内的电池阵列、绕开电池阵列的第一路径和电连接到电池阵列的第二线路路径。电池***适于使用交流电力、直流电力或者交流电力与直流电力两者来对电动车辆的电池组进行充电。

Description

快速充电电池***
技术领域
本发明涉及一种用于对电动车辆的电池组进行充电的电池***。充电***包括用于存储能量的电池阵列。可以将存储的能量提供给电动车辆的电池组，以便对电池组进行直流快速充电。
背景技术
众所周知，需要减少机动车燃料消耗和排放。因此，正在开发减少或完全消除依赖内燃机的车辆。电动车辆是当前为此目的而开发的一种车辆。通常，电动车辆与常规机动车辆不同，因为电动车辆由一个或多个电池供电的电机选择性地驱动。相反，传统的机动车辆仅仅依靠内燃机来驱动车辆。
高压电池组通常为电动车辆的电机和其他电负载供电。电池组包括多个电池单元，电池单元必须定期地充电以补充为这些负载供电所需的能量。许多电动车辆用户期望能够对电池组快速、有效和廉价地充电的住宅电池***。
发明内容
一种根据本发明示例方面的电池***，除其他之外包括：壳体、在壳体内的电池阵列、绕开电池阵列的第一线路路径和电连接到电池阵列的第二线路路径。
在上述电池***的另一个非限制性实施例中，第三线路路径在电池阵列和电池***的电源线缆之间延伸。
在上述任一电池***的另一非限制性实施例中，第一线路路径建立用于传输对电动车辆的电池组充电的交流(AC)电力的直达路径，第二线路路径建立用于传输对电池阵列充电的直流(DC)电力的直达路径，并且第三线路路径建立用于传输对电池组充电的直流电力的直达路径。
在上述任何电池***的另一非限制性实施例中，变压器/转换器配置为将来自电网电源的交流电力转换为给电池阵列的多个电池单元充电的直流电力。
在上述任何电池***的另一非限制性实施例中，置位开关具有致动器，该制动器是可移动的以便从电池***的多个充电操作模式中进行选择。
在上述任何电池***的另一个非限制性实施例中，多个充电操作模式包括交流充电操作模式、直流快速充电操作模式和组合的交流/直流充电操作模式。
在上述任何电池***的另一非限制性实施例中，第一接触器设置在第一线路路径中，第二接触器设置在第二线路路径中。
在上述任何电池***的另一非限制性实施例中，控制器配置为控制电池***的操作。
在上述任何电池***的另一非限制性实施例中，控制器配置为选择性地命令通过第二线路路径将直流电力发送到电池阵列。
在上述任何电池***的另一个非限制性实施例中，控制器配置为闭合接触器，以通过第二线路路径将直流电力发送到电池阵列。
在上述任何电池***的另一个非限制性实施例中，第一电源线缆和第二电源线缆延伸到壳体的外部。
在上述任何电池***的另一个非限制性实施例中，电池阵列包括多个电池单元，该电池单元存储用于对与电池***分隔开的电池组进行充电的能量。
一种根据本发明另一个示例方面的方法，除其他之外包括：用电池***对电动车辆的电池组充电，电池***适于使用交流电力、直流电力或交流电力与直流电力二者来给电池组充电。
在上述方法的另一个非限制性实施例中，该方法包括将电池***连接到电网电源，将能量存储在电池***的电池阵列内，并且使用存储在电池阵列中的能量来给电池组充电。
在上述任一方法的另一个非限制性实施例中，该方法包括选择通过电池***对电池组充电的充电操作模式。
在上述任何方法的另一个非限制性实施例中，如果已选择了电池***的交流充电操作模式，该方法包括仅使用交流电力来对电池组进行充电。
在任何前述方法的另一个非限制性实施例中，如果已选择了电池***的直流快速充电操作模式，该方法包括仅使用直流电力对电池组进行充电。
在任何前述方法的另一个非限制性实施例中，该方法包括同时对电池***的电池阵列的电池单元进行充电。
在上述任何方法的另一个非限制性实施例中，如果已选择了电池***的组合的交流/直流充电操作模式，则该方法包括使用交流电力和直流电力二者对电池组进行充电。
在上述任何方法的另一个非限制性实施例中，该方法包括同时对电池***的电池阵列的电池单元进行充电。
可以单独地或以任何组合来采用前述段落、权利要求或以下描述和附图中的实施例、示例和替代方案，包括其各个方面或相应单独特征中的任何一个。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非这些特征互斥。
根据以下说明书，本发明的各种特征和益处对于本领域技术人员将是显而易见的。伴随说明书的附图可以简要描述如下。
附图说明
图1示意地示出了电动车辆的动力传动***；
图2示出了结合图1的动力传动***并且处在相对于电池***的充电位置的电动车辆；
图3示出了用于对电动车辆的电池组充电的电池***；
图4A、4B、4C和4D示意地示出了图3的电池***的各种操作模式；
图5示意地示出了使用图3的电池***对电动车辆充电的控制策略。
具体实施方式
本发明详细描述了用于对电动车辆电池组进行充电的示例的电池***。电池***包括容纳在壳体内的电池阵列和多个线路路径。能量可以存储在电池阵列内，以便随后对电池组充电。电池***可以以各种操作模式操作，从而使用交流(AC)电力、直流(DC)电力或者交流与直流电力的组合来对电池组充电。电池***是一种家用多用途充电器，其可为用户提供在家中(即，电池阵列内)存储能量的能力，以快速、高效、有成本效益地对电动车辆的电池组进行快速充电。电池***还为用户提供从多个充电协议中进行选择的能力，而不需要进行复杂的家用电气基础设施改造。将在本说明书的以下段落中对这些和其他特征进行更详细地讨论。
图1示意地示出了电动车辆12的动力传动***10。尽管描述为电池电动车辆(BEV)，但是应当理解的是，本文所述的概念不限于电池电动车辆，并且可以扩展到其他电动车辆，其他电动车辆包括但不限于插电式混合动力电动车辆(PHEV)。因此，尽管并未在本实施例中示出，电动车辆12可以配备有可以单独使用或与其他能量源组合使用来驱动电动车辆12的内燃机。
在非限制性实施例中，电动车辆12是仅通过电源驱动(例如通过电机14)的全电动车辆，而不需要任何内燃机的辅助。电机14可以作为电动马达、发电机或电动马达与发电机二者来操作。电机14接收电力并提供旋转输出功率。电机14可以连接到齿轮箱16，用于通过预定的齿轮比调整电机14的输出转矩和速度。齿轮箱16通过输出轴20连接到一组驱动轮18。高压总线22通过逆变器26将电机14电连接到电池组24。电机14、齿轮箱16和逆变器26可以统称为变速器28。
电池组24是示例的电动车辆电池。电池组24可以是高压牵引电池组，高压牵引电池组包括能够输出电力来操作电动车辆12的电机14和/或其他电负载的多个电池总成25(即，电池阵列或电池单元群集)。其他类型的能量存储装置和/或输出装置也可以用于对电动车辆12进行供电。
电动车辆12还可以包括用于对电池组24的能量存储装置(例如，电池单元)定期充电的充电***30。充电***30可以连接到外部电源(未示出)，用于接收电力和给能量存储设备分配电力。例如，在一个非限制性实施例中，充电***30包括位于电动车辆12上的充电端口32。充电端口32适于从外部电源选择性地接收电力，例如从连接到外部电源的电源线缆接收电力，然后将电力分配给电池组24，以便对能量存储装置进行充电。
充电***30还可以配备有用于将从外部电源接收的交流电力转换为直流电力的功率电子器件，该直流电力用于为电池组24的能量存储装置充电。充电***30还可以适应于来自外部电源的一个或多个常规电压源(例如，110伏特、220伏特等)。
图1所示的动力传动***10是高度示意的，并不旨在限制本发明。在本发明的范围内，动力传动***10可替换地或附加地使用各种额外部件。
图2示意地示出了停放在结构34附近的充电位置的图1的电动车辆12。结构34可以是住宅建筑物、商业建筑物、停车库或任何其他结构。在非限制性实施例中，结构34是位于电动车辆12的所有者/操作者的家中的车库。应当理解的是，示意地示出图2的各个部件，以更好地示出本发明的特征，并且不必按比例示出。
可以将用于对电动车辆12的电池组24进行充电的电池***36安装到结构34的表面38(例如壁或地板)上。可以通过第一电源线缆42将电池***36电连接到电源插口40。第二电源线缆44在电池***36和电动车辆12的充电端口32之间延伸。第二电源线缆44的车辆连接器46连接到充电端口32，从而允许将电力从电池***36传输到电动车辆12，更具体地，是传输到电动车辆12的电池组24。
一旦第一电源线缆42连接到电源插口40，电网电源48可以向电池***36供电。在非限制性实施例中，电网电源48是向电池***36输入110伏特或220伏特电力的交流电源。提供给电池***36的电力可以存储在其中，然后选择地用于对电动车辆12的电池组24进行充电。因此，即使当不能从电网48获得电力时，也可以用电池***36对电动车辆12的电池组24进行充电。
电池***36在图3中更详细地示出。电池***36可以包括壳体50、电池阵列52、控制器54、置位开关(setting switch)56、变压器/转换器57和多个线路路径58、60、62。电池***36通过第一电源线缆42接收交流电力(即，采取与电网电源48的连接)，并且可以通过线路路径58、60、62和第二电源线缆44将交流电力、直流电力或交流电力与直流电力二者传输到电动车辆12。
壳体50是容纳电池***36的部件的外壳，壳体50包括但不限于电池阵列52、控制器54、变压器/转换器57、线路路径58、60、62等。在非限制性实施例中，壳体50是密封的外壳。尽管未示出，壳体50可以包括用于接近电池***36的内部组件的一个或多个检修门，例如用于执行维护或修复相关任务的检修门。
电池***36的电池阵列52包括多个电池单元64或其他能量存储装置，该其他能量存储装置能够存储当电池***36电连接到电网电源48时所接收的电力。存储在电池单元64中的能量可以用于给电动车辆12的电池组24充电。虽然在图3中示出了特定数量的电池单元64，但是电池阵列52可以在本发明的范围内使用更多数量或更少数量的电池单元。电池单元64可以并排堆叠，然后使用各种结构(例如，间隔件、轨道、壁、板件、绑定件、母线等)连接在一起，以构造电池阵列52。图3示出了单个电池阵列52，然而在本发明的范围内，电池***36可以包括更多数量或更少数量的电池阵列。
在非限制性实施例中，电池单元64是棱柱形的锂离子电池。然而，在本发明的范围内可以选择地使用具有其它几何形状(圆柱形、袋状等)和/或其它化学物质(镍-金属氢化物、铅酸等)的电池单元。
置位开关56允许用户选择用于使用电池***36对电动车辆12的电池组24进行充电的期望的充电协议。在非限制性实施例中，置位开关56包括如触发器、按钮、旋钮等的致动器66，可以在壳体50的外部访问致动器66，然后致动器66运动以选择电池***36的期望的充电协议或操作模式。
线路路径58、60和62将从电网电源48接收的电力通过电池***36传输。每个线路路径58、60、62可以包括用于通过电池***36传递电力的一个或多个线路或其他电力传输导线管。
在非限制性实施例中，线路路径58配置为将从第一电源线缆42接收的交流电力直接传输到第二电源线缆44。线路路径58因此完全绕开电池阵列52并且直接给电动车辆12传输用于给电池组24充电的交流电力。
线路路径60配置为将电力直接传输到电池阵列52。线路路径60因此电连接到电池阵列52，以便对电池单元64进行充电。
最后，线路路径62配置为将直流电力从电池阵列52直接传输到第二电源线缆44。当连接到充电端口32时，第二电源线缆44将直流电力传输到电动车辆12，以便对电池组24进行充电。
电池***36可以另外包括用于控制流过电池***36的电力的一个或多个接触器。例如，在非限制性实施例中，第一接触器68位于线路路径58内，第二接触器70设置在线路路径60内。接触器68、70的作用类似于用于切换电池***36内的电源电流的高压继电器。接触器68、70在断开位置和闭合位置之间选择地致动，以便从电路的其他部分断开/连接线路路径58、60。接触器68、70在图3中均被显示为断开位置。闭合接触器68、70从而允许电力通过线路路径58、60传输。每个接触器68、70的位置(即，断开或闭合)取决于由置位开关56指示的充电操作模式。
电池***36包括位于线路路径62内的第三接触器75。选择地闭合第三接触器75以允许直流电力从电池阵列52流动到第二电源线缆44。第三接触器75在交流充电操作模式下是断开的。
变压器/转换器57位于第一电源线缆42和线路路径58、60之间，并且适于将输入的交流电压转换成可由电池阵列52接受的直流电压，以便对电池单元64充电。尽管总体示出了，变压器/转换器57包括执行交流到直流(AC-to-DC)转换所需的全部电路。在非限制性实施例中，变压器/转换器57从第一电源线缆42接收交流电力，将交流电力转换成直流电力，然后通过线路路径60将直流电力传输到电池阵列52。如果仅需要交流电力，那么变压器/转换器57不执行交流到直流电力转换。
电池***36的控制器54执行多种功能。控制器54配备用于与电池***36的各种部件连接并命令操作的可执行指令。例如，在一个非限制性实施例中，控制器54通过控制器区域网络(CAN)与变压器/转换器57、接触器68、70、电池阵列52和置位开关56中每一个通信，来控制电池***36的操作。控制器54可以配备处理单元和非暂时存储器，用于执行电池***36的各种充电操作模式。下面参考图5讨论一个示例的控制策略。
控制器54的第一示例性功能是检测用户通过置位开关56选择了哪个充电操作模式。例如，控制器54可以根据置位开关56的致动器66的位置来检测是否已经选择交流充电操作模式、直流快速充电操作模式、带有电池单元补给的改进直流快速充电操作模式或组合的交流/直流充电操作模式。将参考图4A至4D对这些充电操作模式中的每一个进行更详细地讨论。
控制器54的另一示例性功能是，例如当希望为电池单元64充电时，控制器54控制变压器/转换器57将交流电力转换为直流电力。然而，如果已经选择了交流充电操作模式，变压器/转换器57将不会将交流电力转换为直流电力，并且仅允许通过线路路径58传输交流电力。然而，如果已经选择了直流充电操作模式之一，控制器54命令变压器/转换器57将交流电力转换成直流电力，并且允许将直流电力通过线路路径60发送到电池阵列52。在另一个实施例中，控制器54在断开和闭合位置之间控制接触器68、70，从而控制通过电池***36的功率通量。
此外，控制器54可以监视电池阵列52的电池单元64。例如，控制器54可以监视每个电池单元64的荷电状态(SOC)和许多其它电池参数。在另一个非限制性实施例中，当电池阵列52的荷电状态低于预定阈值时，控制器54可以自动地命令电池单元64的再充电。
控制器54的另一个示例性功能是，当电池***36连接到电动车辆12时，控制器54与电动车辆12的专用控制***通信。在第一非限制性实施例中，控制器54与电动车辆12的控制***通信来确定电池组24的荷电状态。例如，控制器54和电动车辆12的控制***能够彼此通信，仅在电网电源48的非高峰条件期间对电池阵列52和/或电池组24进行充电。在另一个非限制性实施例中，控制器54、电动车辆12和电网电源48通过电源线通信(PLC)彼此通信。
继续参考图1-3，图4A-4D示意地示出了电池***36的各种充电操作模式。在非限制性实施例中，用户/操作者可以使用电池***36的置位开关56来选择每个充电操作模式。
图4A示出了电池***36的交流充电操作模式。在交流充电操作模式中，控制器54命令第一接触器68闭合，并且命令第二和第三接触器70、75断开，使得来自电网电源48的电力仅在线路路径58上传输。为了仅使用交流电力给电池组24充电，在交流充电操作模式期间线路路径58在电网电源48与电动车辆12之间建立直达路径P1(在图4A中通过加粗箭头示意地示出)。
图4B示出了电池***36的直流快速充电操作模式。在直流快速充电操作模式中，控制器54命令接触器68和70二者断开，使得电力不会通过线路路径58或线路路径60。然后，控制器54命令闭合第三接触器75，使得存储在电池阵列52上的直流电力通过第二电源线缆44直接从电池阵列52发送到电动车辆12。为了仅使用直流电力为电池组24充电，在直流快速充电操作模式期间，线路路径62在电池阵列52与电动车辆12之间建立直达路径P2(在图4B中通过加粗箭头示意地示出)。
图4C示出了电池***36的改进直流快速充电操作模式。在该操作模式中，将电池***36用于对电动车辆12的电池组24进行充电的同时，可以在对电池阵列52的电池单元64进行再充电。在操作中，控制器54命令接触器68断开并且命令接触器70、75闭合，使得可以仅在线路路径60上传输从第一电源线缆42接收的电力。控制器54还命令变压器/转换器57将交流电力转换为直流电力，从而对电池阵列52的电池单元64进行充电。因此，线路路径60建立用于将直流电力传输到电池阵列52的路径P3(在图4C中通过加粗箭头示意地示出)。
控制器54可以同时命令存储在电池阵列52的电池单元64内的直流电力，通过第二电源线缆44从电池阵列52直接发送到电动车辆12。在该操作模式期间，线路路径62在电池阵列52与电动车辆12之间建立直达路径P4，以便使用直流电力对电池组24的电池进行充电。
图4D示出了电池***36的组合交流/直流充电操作模式。在操作中，控制器54命令接触器68闭合，并且可以将接触器70断开或闭合(例如，取决于电池单元电池阵列52的电池单元64是否需要充电)，使得从第一电源线缆42接收的电力可以通过线路路径58传输，或者可选地通过线路路径58和线路路径60二者传输。控制器54可以同时命令接触器75闭合，使得存储在电池阵列52的电池单元64内的直流电力通过第二电源线缆44从电池阵列52直接发送到电动车辆12。以这种方式，使用交流和直流电力来给电池组24充电。在该操作模式期间，线路路径58在电网电源48与电动车辆12之间建立直达路径P5(见加粗箭头)，线路路径60可选地建立路径P6(见加粗箭头)，以便对电池阵列52的电池单元64充电，并且线路路径62在电池阵列52与电动车辆12之间建立用于对电池组24的电池单元进行充电的另一个直达路径P7。
继续参考前述附图，图5示意地示出了使用电池***36对电动车辆12的电池组24进行充电的控制策略100。控制策略100在框104处开始确认电池***36已经打开。在框104，用户选择电池***36的其中一个充电操作模式。例如，用户可以选择交流充电操作模式、直流快速充电操作模式、具有电池单元补给的改进直流快速充电操作模式或组合的交流/直流充电操作模式。置位开关56可用于选择所需的充电操作模式。
如框106示意地所示，如果已经选择了交流充电操作模式，控制策略100进行到框108，并且如图4A所示地控制电池***36从而使用交流电力对电动车辆12的电池组24进行充电。
或者如框110示意地所示的，如果已经选择了其中一个直流操作模式，控制策略进行到框112并确认是否已经选择了图4B的直流快速充电操作模式(见框114)或者已经选择了图4C的改进直流快速充电模式(见框116)。如果已经选择了改进的直流快速充电模式，那么对电池阵列52的电池单元64进行充电，否则不对电池阵列52的电池单元64进行充电。在框118处，如图4B或图4C所示地控制电池***36，以便使用直流电力对电动车辆12的电池组进行充电。
在另一个非限制性实施例中，如框120示意地所示，如果用户选择电池***36的组合交流/直流充电操作模式，控制策略100进行到框122，并且确认需要哪种类型的直流快速充电。图4B的直流快速充电操作模式在框124处示意地示出，并且在框126处示意地示出图4C的改进直流快速充电模式。换言之，组合的交流/直流充电操作模式可以利用图4B或图4C的直流快速充电操作模式。在框127处示意地示出了交流充电。最后，在框128，如图4D所示地控制电池***36，以便使用交流和直流电力二者对电动车辆12的电池组24进行充电。
尽管将不同的非限制性实施例示出为具有特定的组件或步骤，但是本发明的实施例不限于那些特定的组合。可以将来自任何非限制性实施例的一些部件或特征与来自任何其他非限制性实施例的特征或部件进行结合使用。
应当理解的是，在几个附图中相同的附图标记表示相应的或相似的元件。应当理解的是，尽管在这些示例性实施例中公开并且示出了特定的部件设置，但是其它设置也可以从本发明的教导中受益。
前述描述应被解释为说明性的，而不具有任何限制的意义。本领域普通技术人员将理解，某些修改可能落入本发明的范围内。由于这些原因，应研究以下权利要求来确定本发明的真实范围和内容。

Claims (15)

1.一种电池***，包含：
壳体；
在所述壳体内的电池阵列；
绕开所述电池阵列的第一线路路径；和
电连接到所述电池阵列的第二线路路径。
2.根据权利要求1所述的电池***，包含第三线路路径，所述第三线路路径在所述电池阵列与所述电池***的电源线缆之间延伸。
3.根据以上任意权利要求所述的电池***，其中所述第一线路路径建立用于传输对电动车辆的电池组充电的交流电力的直达路径，所述第二线路路径建立用于传输对所述电池阵列充电的直流电力的直达路径，并且所述第三线路路径建立用于传输对所述电池组充电的直流电力的直达路径。
4.根据以上任意权利要求所述的电池***，包含变压器/转换器，所述变压器/转换器配置为将来自电网电源的交流电力转换为用于对所述电池阵列的多个电池单元进行充电的直流电力。
5.根据以上任意权利要求所述的电池***，包含置位开关，所述置位开关具有从所述电池***的多个充电操作模式中进行选择的可移动的致动器，并且可选择地，其中所述多个充电操作模式包括交流充电操作模式、直流快速充电操作模式和组合交流/直流充电操作模式。
6.根据以上任意权利要求所述的电池***，包含设置在所述第一线路路径中的第一接触器和设置在所述第二线路路径中的第二接触器。
7.根据以上任意权利要求所述的电池***，包含配置为控制所述电池***操作的控制器，并且其中所述控制器可选择地配置为选择性地命令将直流电力通过所述第二线路路径发送到所述电池阵列，以及其中所述控制器可选择地配置为闭合接触器来将所述直流电力通过所述第二线路路径发送到所述电池阵列。
8.根据以上任意权利要求所述的电池***，包含延伸到所述壳体的外部的第一电源线缆和第二电源线缆。
9.根据以上任意权利要求所述的电池***，其中所述电池阵列包括多个电池单元，所述多个电池单元存储用于对与所述电池***分隔开的电池组充电的能量。
10.一种方法，包含：
用电池***对电动车辆的电池组进行充电，所述电池***适于使用交流电力、直流电力或交流电力与直流电力二者来对所述电池组充电。
11.根据权利要求10所述的方法，包含：
将所述电池***连接到电网电源；
在所述电池***的电池阵列内存储能量；和
使用存储在所述电池阵列内的能量来对所述电池组充电。
12.根据权利要求10或11所述的方法，包含：
选择通过所述电池***对所述电池组充电的充电操作模式。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，如果选择了所述电池***的交流充电操作模式，所述方法包括：
仅使用交流电力来对所述电池组充电；或
其中，如果选择了所述电池***的直流快速充电操作模式，所述方法包括：
仅使用直流电力来对所述电池组充电。
14.根据权利要求13所述的方法，包含：
同时对所述电池***的所述电池阵列的电池单元进行充电。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，如果选择了所述电池***的组合交流/直流充电操作模式，所述方法包括：
使用交流电力和直流电力来对所述电池组充电。
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