CN107757393B - 用于电动车辆的免持导电电池充电器 - Google Patents

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Abstract

用于非车载AC或DC电源和插电式车辆的导电充电***包括导电电枢、电磁继电器，以及开关。电枢直接电连接到电源，并且响应于车辆重量部署为与车辆电接触。开关响应于车辆重量而关闭以将辅助功率设备连接到感应线圈。当开关打开时，继电器移动到将充电耦合器连接到AC‑DC转换器或电池组的第一位置，并且在开关关闭时，继电器移动到绕过充电耦合器的第二位置。车辆包括***、充电耦合器、HV电池组、辅助功率设备，以及电枢。

Description

用于电动车辆的免持导电电池充电器
技术领域
本发明涉及用于电动车辆的自动或“免持”导电电池充电器。
背景技术
电动车辆动力系典型地包括一个或多个高压交流电流(AC)电机，所述高压AC电机中的每个由高压电池组供电。功率逆变器模块从电池组接收直流电流(DC)电压并生成适于给电机供电的AC输出电压。电池组的再充电可在“插电式”电动车辆中通过将车载充电耦合器连接至非车载AC或DC电源，诸如可用墙壁插座或充电站实现。
当电源为AC时，在插电式车辆中使用AC-DC转换器以转换AC充电电压为适于电池组或其他DC设备使用的DC电压。AC-DC转换器可包括无源二极管桥和有源控制的半导体开关，所述无源二极管桥和有源控制的半导体开关共同除去AC充电电压波形的负循环，使所得到的电压输出之后进行滤波以提供所需的DC电压。在DC快速充电***中，DC电源替代AC电源使用，并且因此从充电电路中除去AC-DC转换器，以支持接线盒。
一旦车辆已经电连接至非车载电源，插电式充电过程通过车载控制器自动控制时，典型的电池充电操作需要操作员手动将充电电缆从非车载电源连接入充电耦合器，并且此后启动充电过程。电池组充电的其他方案包括感应充电***和使用充电机器人。然而，这类替换方案在所需的基础构造、车辆重量、成本，以及与家庭或其他电子设备的电磁兼容性和电磁干扰互操作性方面可能未达最优。
发明内容
这里公开的是一种免持导电充电***，以及可与非车载AC或DC电源结合使用以为在插电式车辆或其他移动平台中的高压电池组充电的方法。特别地，为了适用于AC电源，车辆可包括AC-DC功率转换器，例如车载充电模块或高压电池充电器。对于可选DC快速充电实施例，车辆可包括接线盒，替代AC-DC功率转换器，或来自非车载DC电源的DC功率可直接输送到电池组。
一般地，本方案使用诸如当车辆驶入车库或其他设计的充电区域时，响应于与车轮的接触或车辆重量而自动进行部署的导电充电电枢。电枢响应于相反方向上的滚动接触或车辆重量的移除而缩回，诸如当车辆换挡成后退，以及离开车库时。因此，车辆重量提供部署以及致动导电电枢所需的阈值力，因此防止电枢的无意部署。
电枢包括具有合适导电结构充电端，例如导电垫或充电销。当电枢的导电结构与位于车辆底侧或其他可及部分的类似结构对准并接触时，充电电路在车辆上被激活，以使来自非车载电源的功率绕过充电耦合器。根据是否使用AC或DC充电，提供的功率直接到达AC-DC转换器或DC电压总线/HV电池组。
在示例实施例中，公开用于车辆的导电充电***，所述车辆具有AC充电耦合器、高压直流电流(HVDC)电池组、辅助功率设备，以及连接在AC充电耦合器和HV电池组之间的AC-DC转换器。该特别实施例中的***包括具有充电和非充电端的导电电枢。充电端电连接到AC电源并且可操作，用于响应于作用在非充电端上的阈值力而部署为与位于车辆上的导电垫直接电接触。
该***也包括弹簧加载的或其他合适的第一开关，例如机动的、机械的、微型、固态、霍尔效应，和/或光开关，以及具有感应线圈的电磁继电器。位于辅助功率设备和感应线圈之间的第一开关响应于阈值力关闭，而阈值力又由车辆重量提供。开关关闭将辅助功率设备电连接至感应线圈以激活或移动电磁继电器的第二开关。
电磁继电器的第二开关为二进制的，即可以根据感应线圈是否通电实现第一或第二位置。当感应线圈未通电时，第一位置通过充电耦合器将AC-DC转换器连接至电源。当感应线圈通电时，根据使用的为AC还是DC，第二开关直接被激活，将AC-DC转换器或接线盒连接到电源，因此绕过充电耦合器。第一位置到第二位置的转变通过感应线圈上的阈值电感发生。每当第一开关关闭时，阈值电感通过与辅助电池的串联连接生成。
也公开一种车辆，该车辆包括充电耦合器、电池组、辅助功率设备，以及具有上述导电电枢的导电充电***。非车载电源可以为AC或DC，其中继电器和开关绕过充电耦合器，在DC实施例中除去上述展示的AC-DC转换器，以支持接线盒。
结合附图，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点很容易从以下用于实施本发明的最佳方式的详细描述中得出。
附图说明
图1为可用于插电式车辆和非车载交流电流电源的导电充电***的示意图。
图1A为图1示出的导电充电***的交替直流电流快速充电实施例的示意图。
图2为充电区域以及由图1中的导电充电***用作基础构造的交流电流电源的示意俯视图。
图3为用作图1所示***的部分的导电电枢的示意侧视图。
图4为图1所示的导电充电***的示意电路图。
图5为描述示例方法的流程图，该示例方法用于中断使用图1所示的导电充电***的有源充电事件。
具体实施方式
参照附图，其中相同的参照数字指代几个图中同样或相同的部件，图1中示意性地示出了导电充电***10。***10可用于具有高压电池组(BHV)26的插电式车辆20，该高压电池组(BHV)26为，例如多电池锂离子、锌空气、镍金属氢化物，或铅酸直流电流(DC)电池组，当车辆20未运转时，该高压电池组(BHV)26可使用非车载电源30选择性地再充电。电池组26也可在车辆20的正在进行的操作中再充电，例如通过再生制动过程。非车载电源30可以体现为图1所示的交流电流(AC)电源，或图1A所示的DC电源130。
如下面将详细描述地，本发明能够通过导电电枢35的无源基于重量的或基于力的控制实现电池组26“免持”导电充电，其示例实施例在图3中示出。来自非车载电源30的功率流130通过两个单独充电路径A和B发生，其中充电路径A为默认常规“插电式”充电路径，充电路径B为这里描述的“免持”充电路径，图2到图4示出的结构能够实现选择充电路径A和B中的一个。图5描述了方法100，该方法可用作退出策略的部分，以便于车辆20正在进行的充电操作的终止。
图1所示的电池组26的电位范围可根据车辆20的配置，从约60到360VDC，或更高。然而，为了本发明的目的，术语“高压”一般指超过典型的12-15VDC辅助电压电平的电压电平。电池组26可用来通过功率逆变器模块(PIM)28使电机(M)29通电，使得电机29最终通过输出构件32生产输出扭矩(箭头TO)以推进车辆20或进行其他工作。
车辆20上的辅助功率通过辅助电池(BAUX)126部分地提供，所述辅助电池(BAUX)126提供辅助电压VAUX，典型地为12VDC。辅助电池126反过来可通过辅助功率模块(APM)31进行通电，所述辅助功率模块(APM)31即为可操作用于减小来自电池组26的电平输出的DC电压至适用于为车辆20上的辅助电***供电的较低辅助电平的电压调节器。APM 31和/或辅助电池126可用作本发明范围内需要的辅助电源。如下参照图4所做的解释，辅助电池126也用作充电电路60的部分以帮助实现电池组26的免持导电充电。
图1示意性示出的导电充电***10，包括充电耦合器22和AC-DC转换器24，其中后者电连接在充电耦合器22和电池组26之间。特别参照图4在此将进行解释的是，***10配置为选择性地在AC电源30和AC-DC转换器24之间提供两个不同充电路径A和B中的一个，并且以此方式以允许电池组26的免持导电充电发生在或沿车辆20的底部15发生。***10具体地提供自动以重量为基础的自动AC-DC继电保护，其可通过图3示出的导电电枢35和图4中的充电电路60实现。
正如本领域所公知的，AC-DC转换器，诸如图1中的AC-DC转换器24，可包括多个协同工作以将来自AC电源30的电压转换为DC电压输出(VDC)的内部电子部件。尽管出于简便说明的目的进行了省略，这种内部结构典型地包括电子元件，诸如输入和输出波形滤波器、无源二极管桥、诸如MOSFET或IGBT的半导体开关、链路电容器，以及变压器。在所有这些部件中，半导体开关具有开/关开关状态，其可被控制器(C)50命令以根据需要打开或关闭AC-DC转换器24。
简单参照图1A，DC快速充电电源形式的非车载电源130可代替图1示出的AC电源使用。如本领域所公知的，DC快速充电耦合器122代替图1中的充电耦合器22。可选HV接线盒124可替代图1中的AC-DC转换器24使用。这种接线盒124包含HV隔离继电器(R1)以允许必要时的快速HV功率断开。因此，来自非车载电源130的DC功率可直接输送给DC电压总线和/或电池组26。图1中其余的结构细节可用于图1A的替换实施例，并且因此为了简便，这些细节从图1A中省略。
图1中的控制器50也被编程以接收输入信号(箭头CCI)，并且以通过如下文所述的输出信号(箭头CCO)控制车辆20的总充电操作。输入信号(箭头CCI)的特性和范围可随着特别的应用而变化，但是在本发明的范围内可包括电池组26和辅助电池126或其他辅助功率设备的电压或电流，车辆20的速度、车辆20的开/关推进状态，以及其他典型的值，诸如温度和电池组26的充电状态。另外，控制器50被编程以接收、检测，或者确定车辆20的要求停车、后退、空挡、驱动、低速(PRNDL)状态，其中特别的控制动作包括选择性地使AC-DC转换器24不能如如下参照图5进行描述的方法100的部分被执行。
控制器50包括处理器P和存储器M。存储器M包括有形、非瞬时存储器，例如只读存储器，不管是光、磁、闪存，或者其他类型。控制器50也包括足够数量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等，以及高速度时钟、模拟到数字和数字到模拟电路、输入/输出电路和设备，以及合适的信号调节和缓冲电路。控制器50可编程以执行体现退出策略方法100的指令，在下面参照图5给出其示例。
在操作中，图1中的车辆20可在朝向对准障碍物25的表面19上驱动，所述对准障碍物25例如为凸起的水泥或橡胶墙壁、凸块，或者其他允许操作员准备部署导电电枢35时对准车辆20前轮16的合适的固定停止特征部。电枢35直接电连接到示出的非车载电源30上，并且因此直接从非车载电源30接收AC输入电压(VAC)。电枢35可操作用来响应图3中重量(箭头W20)最清楚地示出的车辆20的重量，例如通过位于车辆20下侧15的导电垫46(见图3)，部署为与车辆20直接电接触。
简单参照图2，非车载电源30在指定充电区域27内，即车库地板19的指定部分或表面区域(见图1)或其他指定充电表面内，直接电连接到导电电枢35。当车辆20朝向对准障碍物25在箭头D方向移动，并最终到达对准障碍物25时，如图1中分布所示，车轮16与导电电枢35之间的滚动接触，在车辆20的重量的阈值力作用下，使得电枢35部署为与车辆20直接电接触。来自非车载电源30的AC功率(VAC)，或图1A的实施例中的DC功率，此后被提供给如下所述的导电电枢35。其他实施例可以在本发明范围内预想到。
例如，如图3所示，车辆20的重量(箭头W20)可以利用致动器63使用的阈值力测量或检测，以确定何时车辆20已经适当地定位。之后，致动器63可将电枢35移动在位。以这种方式，致动器63可用作机动开关。导电电枢35的充电端39和非充电端49可与第一构件135和第二构件235整体形成，其中电枢35的端39和49或构件135和235沿着导电电枢35的枢轴轴线A35相交。电枢35可由弹簧35K偏压，该弹簧35K例如为沿着枢轴轴线A35设置的线圈弹簧，以使车轮16之间的直接接触，或更明确地说布置在车轮16中的一个上的轮胎，和/或来自图1中所示车辆20的重量(W20)的阈值力，最终克服弹簧35K的校准弹簧力。这反过来允许电枢35的充电端39朝着车辆20的底侧移动或向上部署。
充电端39可包括导电垫36，诸如一个或多个铜板或铜销，或其他合适电导体。导电垫36配置为与位于车辆20的底侧15的类似结构导电垫46直接电接触。图4中示意性地示出的开关54的弹簧54K需要阈值力，以压缩至足够关闭开关54和开始导电充电操作的程度。在未示出但被本领域一个普通技术人员容易理解的其他实施例中，开关54可位于电枢35的其他位置。
当图1的电池组26的充电为完全的或连续充电不再被需要，车辆20的操作员可将车辆20换挡为后退或驱动，这被检测为正常控制体系结构的部分，并且作为输入信号(箭头CCI)的部分传送到控制器50。一旦其他因素已经被适当评价，并且图1中的车辆20被容许移动，例如使用图5中示出的方法100的描述中展示的因素，导电电枢35的非导电端49通过弹簧35K的返回力或其他合适弹性构件在箭头F方向移动。此后，充电端39被收起在地板19水平下。在旨在发明范围内其他实施例可以轻易预想到，包括弹簧加载的电枢35，其响应于车辆20的重量(箭头W20)垂直上升，而不围绕轴线A35旋转。
参照图4，以上展示出的充电电路60可包括具有辅助电压VAUX的辅助电池126、也示出在图3中的开关54，以及具有感应线圈51和二进制开关57的电磁继电器56。充电电路60可选择性地包括位于开关54和辅助电池126或其他辅助功率设备之间的电传感器62。电传感器62可操作用于测量电值，例如充电电路60中，特别是辅助电池126和感应线圈51之间的电流(箭头IS)，以及可操作用于测量充电耦合器22和非车载电源30之间的连接状态(箭头11)，即本领域所公知的插头(未示出)和充电耦合器22之间的电连接的，充电耦合器22上或中的附加传感器23。例如，附近信号可用作标准的部分以证实非车载电源30已经在充电耦合器22处电连接到车辆20。电流(箭头IS)和连接状态(箭头11)可包括在输入信号(箭头CCI)中，所述输入信号(箭头CCI)传输到图1示出的控制器50。替换地，电流传感器62可体现为逻辑电路，诸如本发明旨在范围内的上拉或下拉电阻性检测电路。
可位于辅助电池126的正极端和感应线圈51之间的开关54，配置为当车辆20如以上解释地移动电枢35时关闭。开关54响应阈值力，例如车辆20的重量(箭头W20)的关闭，将辅助电池126电连接到感应线圈51，因此使感应线圈51通电。随后感应线圈51上生成电感LTH。如果电感(LTH)相对于校准阈值足够高，则电磁继电器56的二进制开关57在箭头E的方向移动以建立如下所述的充电路径B。
进一步相对于图4中充电电路60的结构，电磁继电器56可体现为或包括正常关闭、单极双掷(SPDT)开关，或其他合适的电磁开关配置。电磁继电器56的二进制开关57可具有正常关闭位置，该位置在第一开关54打开时，即默认“插电式”充电A时实现。非车载电源30间接连接到AC-DC转换器24，或者在图1A中，非车载电源130通过充电耦合器22(或122)的中间结构间接连接到接线盒124。
二进制开关57具有建立单独充电路径B的另外位置，其当开关54关闭，并且来自辅助电池126的电流到达感应线圈51时实现。因此，感应线圈51通电，以实现图1的电池组26的“免持”充电模式。如上所展示的，电磁继电器56响应电感LTH的阈值电平在箭头E的方向移动，因此直接将AC-DC转换器24连接到AC电源30。以这种方式，当充电路径A要求充电电流首先通过AC充电耦合器22时，充电路径B同时绕过AC充电耦合器22。
参照图5，方法100可由图1中的控制器50作为退出策略执行，以终止车辆20的充电操作。当参照图1中的非限制性实施例，即AC充电，对图5进行描述时，本领域普通技术人员将理解，对于图1A中所示的DC快速充电，可对方法100进行轻易修改。
从步骤S102开始，车辆20的操作员将车辆20拉进图2指定的充电区域27，并拉进导电电枢35的附近。当车辆20的车轮16接触电枢35，或当车辆20的重量在充电区域27的特定位置超过阈值时，图3的充电端39转动或如以上解释地移动为与车辆20直接接触。免持导电充电操作开始。方法100之后进行到步骤S104。
如本领域所公知的，步骤S104需要图1所示控制器50进行检测，操作员将车辆20的变速器换挡到驱动或后退，例如，通过从停车、后退、空挡、驱动、低速(PRNDL)杆或从来自单独变速器控制模块的PRNDL状态接收位置信号。控制器50可编程以确定车辆20的要求PRNDL状态为图1所示输入信号(箭头CCI)的部分。方法100之后进行到步骤S105。
在步骤S105，方法100确定图4所示电磁继电器56的感应线圈51是否有源地从辅助电池126抽取电流。例如，充电电路60中的传感器62可测量电流(箭头IS)作为传送给图1所示的控制器50的输入信号(箭头CCI)的部分。如果感应线圈51正抽取电流(箭头IS)，则方法100进行到步骤S110。如果感应线圈51未抽取电流(箭头IS)，则替换地，方法100进行到步骤S107。
步骤S106包括确定是否AC充电耦合器22保持连接至AC电源30。如本领域所公知的，当车辆20保持插头***AC电源30时，插电式车辆，诸如图1中的示例车辆20的推进功能被防止了。从AC电源30引出的电缆的插头与AC充电耦合器22之间的物理连接可检测为这种故障控制的部分，例如使用图3所示的传感器23，使传感器23传送连接信号(箭头11)作为输入信号(箭头CCI)的部分至控制器50。当检测到该连接时，方法100进行到步骤S107，并且当连接未被检测到时，即当AC电源30不再物理连接到AC充电耦合器22时，进行到步骤S110。
步骤S107包括通过控制器50，相对于车辆20执行控制动作，其中控制动作指示AC电源30和AC充电耦合器22之间的现有连接。例如，作为图1所示的输出信号(箭头CCO)的部分，控制器50可指示车辆20操作员车辆20保持连接至AC电源30，诸如通过点亮仪表板灯、传送报警消息，或者警告操作员这种连接状态。方法100之后进行到步骤S105。
在步骤S110，方法100包括相对于车辆20的充电操作执行控制动作。作为步骤S110的部分，控制器50可通过传送输出信号(箭头CCO)至各种半导体开关以及其他AC-DC转换器24的控制开关元件，自动禁用图1所示的AC-DC转换器24。方法100之后进行到步骤S112。
步骤S112包括使在步骤S104启动的变速器换挡能够实现执行，例如，通过不再防止控制器50或单独变速器控制模块将变速器换挡到要求挡位状态。此后，图1中车辆20的操作员能够从图1A中所示的充电区域27拉离。
用于实施本发明的最佳模式已经得到详细的描述，那些熟悉本发明相关技术的人员将意识到用于实践本发明的各种替换设计和实施例落在所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种导电充电***，其用于非车载电源和具有充电耦合器、辅助功率设备和高压直流电流电池组的车辆，所述导电充电***包括：
导电电枢，其具有充电端和非充电端，其中所述充电端电连接到所述非车载电源，并且可操作用于响应于作用在所述非充电端上的阈值力部署为与位于所述车辆上的导电垫直接电接触；
电磁继电器，其具有定位成与所述辅助功率设备串联的感应线圈和定位成与充电耦合器、交流(AC)-直流(DC)转换器和电池组串联的第二开关；及
第一开关，其串联于所述辅助功率设备和所述感应线圈之间，其中所述第一开关可操作，用于响应于所述阈值力而关闭，从而将所述辅助功率设备电连接到所述感应线圈，从而使所述感应线圈通电；
其中所述第二开关配置为在第一位置和第二位置之间切换，其中：
在第一位置中，所述第二开关将所述充电耦合器连接到所述交流(AC)-直流(DC)转换器和所述电池组，因此当所述感应线圈未通电时使所述电池组“插电式”充电能够沿第一充电路径进行，
在第二位置中，当所述感应线圈通电时，绕过所述充电耦合器并从而使所述电池组“免持”充电能够沿与所述第一充电路径不同的第二充电路径进行。
2.根据权利要求1所述的导电充电***，其进一步包括所述交流(AC)-直流(DC)转换器，其中所述非车载电源为交流(AC)电源，并且所述交流(AC)-直流(DC)转换器电连接到所述充电耦合器和所述电池组之间。
3.根据权利要求1所述的导电充电***，其中所述电磁继电器的第二开关通过所述感应线圈生成的阈值电感从所述第一位置移动到所述第二位置。
4.根据权利要求1所述的导电充电***，其中所述非车载电源为直流(DC)电源，并且其中所述第二开关的所述第一位置将所述充电耦合器连接到所述电池组。
5.根据权利要求1所述的导电充电***，其进一步包括弹簧，所述弹簧配置为当所述车辆的重量从所述导电电枢的所述非充电端移除时，偏压所述充电端离开所述车辆。
6.根据权利要求5所述的导电充电***，其中所述导电电枢的所述充电和非充电端沿所述导电电枢的枢轴轴线相交，并且其中所述导电电枢响应于所述阈值力围绕所述枢轴轴线枢转。
7.根据权利要求1所述的导电充电***，其中所述第一开关为弹簧加载开关。
8.根据权利要求1所述的导电充电***，其中还包括用于将导电电枢移动在位的机动开关。
9.根据权利要求1所述的导电充电***，其中所述电磁继电器为正常关闭、单极、双掷开关。
10.根据权利要求1所述的导电充电***，进一步包括：位于所述第一开关和所述辅助功率设备之间的电流传感器，其中所述电流传感器可操作用于测量所述辅助功率设备和所述感应线圈之间的电流。
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