CN202455130U - 电动车辆的充放电控制***及电动车 - Google Patents

电动车辆的充放电控制***及电动车 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种电动车辆的充放电控制***及电动车，该***包括：变换装置，用于在电动车辆的电池放电时将电池输出的直流电转换为交流电，及在对电池充电时将电网输出的交流电转换为直流电；开关装置，包括第一开关和第二开关，第一开关连接在电池与所述变换装置之间，第二开关连接在变换装置与所述电网之间；控制装置，用于控制变换装置工作以及控制开关装置的断开和闭合。通过上述技术方案实现了用电低峰时对电动车电池的充电和用电高峰时通过汽车内置的电池将直流经过转化成单相、两相和三相电力源向电网供电，从而降低汽车的使用成本。

Description

电动车辆的充放电控制***及电动车
技术领域
本实用新型涉及一种电动车辆的充放电控制***及电动车。
背景技术
随着科技的发展，环保节能的电动汽车正在扮演着取代燃油车的角色，然而电动汽车的普及还面临着一些问题，其中高能量密度、安全可靠的电池，低成本、小体积、安全可靠的车载快速充电装置，渐渐成为业界关心的主要问题。当设计出大容量高能量密度的电池后，电动汽车面临的主要问题便转到充电问题上来。
对于大容量的电池，可以提高电动汽车的电动续航能力，但同样大容量的电池又带来了充电时间过长的问题，虽然充电站可以快速的为电池进行充电，但高额的成本和较大的占地面积等问题使得这种基础设施的普及还面临着一定的难度。
一般车载充电器采用隔离方式后接整流电路，再通过小功率高频隔离DC/DC进行车载充电。但是，该方式充电功率小，充电时间长，硬件体积较大，功能单一，并且受限于不同电网的电压等级限制，多数充电器，只能适用于单一指定商用电网。
此外，由于工农业建设的迅猛发展和人民生活水平的提高，对电力的需求也是与日俱增，特别是高峰时段用电。虽然国家巨资建设了许多大小规模的发电站，但仍然无法满足电力负荷增长的迫切需求。
因而，需要提供一种能够缓解供电紧张的***。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种电动车辆的充放电控制***及电动车，以解决上述现有技术中的问题。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种电动车辆的充放电控制***，包括：变换装置，用于在电动车辆的电池放电时将电池输出的直流电转换为交流电，以及在对电池充电时将电网输出的交流电转换为直流电；开关装置，包括第一开关和第二开关，第一开关连接在电池与所述变换装置之间，第二开关连接在变换装置与所述电网之间控制装置，用于控制变换装置工作以及控制开关装置的断开和闭合。
本实用新型还提供一种电动车，包括电机和上述的电动车辆的充放电控制***。
通过上述技术方案使用控制装置对电力变换装置、开关装置进行控制，不仅实现了在用电低峰时对电动汽车电池的充电，还可以在用电高峰时通过汽车内置的电池将直流经过转化成单相、两相和三相电力源向电网供电，从而降低了汽车的使用成本。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是根据本实用新型实施例的电动车辆的充放电控制***的方框图；
图2是根据本实用新型实施例的连接有电机的电动车辆的充放电控制***总的电路原理图；
图3是根据本实用新型实施例的电动车辆的充放电控制***工作在电池充电控制状态下或向电网供电控制状态下的等效电路图；
图4是根据本实用新型实施例的电动车辆的充放电控制***工作在电机控制状态下的等效电路图；以及
图5是根据本实用新型实施例的电动车辆的充放电控制***工作在电池低温激活状态下的等效电路图。
附图标记说明
10：电动汽车电池
20：电力转换装置
30：电力变换装置
40：正弦波滤波器
50：充电接插装置
60：电机
70：控制器
71：电池管理器(BMS)
72：电压传感器
74：温度传感器
11：第一可控性开关器件
13：第二可控性开关器件
14：第三可控性开关器件
15：第四可控性开关器件
16：第五可控性开关器件
31：第一电流传感器
73：第二电流传感器
Q1：第一开关管
Q2：第二开关管
Q3：第三开关管
Q4：第四开关管
Q5：第五开关管
Q6：第六开关管
Q7：第七开关管
Q8：第八开关管
D21：第一二极管
D22：第二二极管
D31：第三二极管
D32：第四二极管
D33：第五二极管
D34：第六二极管
D35：第七二极管
D36：第八二极管
80：单向或两相商用电网
90：商用三相电网
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
图1是根据本实用新型实施例的电动车辆的充放电控制***的方框图。
如图1所示，该***包括：变换装置30，用于在电动车辆的电池10放电时将电池输出的直流电转换为交流电，以及在对电池10充电时将电网输出的交流电转换为直流电；开关装置，包括第一开关32和第二开关34，第一开关32连接在电池10与所述变换装置30之间，第二开关34连接在变换装置30与所述电网100之间；控制装置70，用于控制变换装置30工作以及控制开关装置的断开和闭合。
当控制器70先控制第一开关32闭合之后，再控制第二开关34闭合时，此时为电池放电为电网充电的状态；当控制器70先控制第二开关34闭合之后，再控制第一开关32闭合时，此时为电网给电池充电的状态。当控制器70控制第一开关32闭合，而第二开关34断开(与电网断开)时，此时为电池低温激活状态。开关装置可以为可控性开关器件。
其中电网100可以是如图2中所示的单向或两相商用电网80或商用三相电网90。
在本实施例中，该***还包括：转换装置，连接在第一开关32与变换装置30之间，用于在电池10放电时将电池10的输出电压升压后输出给变换装置30，在电池10充电时将变换装置30输出的电压降压后输出给电池10；其中，控制装置70还用于控制转换装置工作。
在本实施例中，该***还包括检测装置，用于对电网和电池的电参数进行检测；其中，控制装置根据检测装置的检测结果来控制变换装置和转换装置工作。
其中，检测装置包括：电压传感器，用于测量电网的电压；电流传感器，用于测量电网和电池的电流；电池管理器，用于采集电池的SOC信息和电压信号；控制装置还用于根据电池管理器(BMS)的SOC信息来控制变换装置和转换装置的启动和关闭。
在本实施例中，转换装置包括：第一开关管、第二开关管、第一电容和电感，其中，电感的第一端与第一开关管的第一端和第二开关管的第二端的连接点相连，电感的第二端通过第一开关与电池相连，第一电容的一端与电感的第二端连接，第一电容的另一端与第二开关管的第一端连接。此外，该***还包括第二电容，与转换装置并联形成电池升温装置，其中，所述第二电容的一端与所述第二开关管的第一端连接，第二电容的另一端与所述第一开关管的第二端连接，所述控制装置在控制所述第一开关闭合，而第二开关断开后，还用于控制电池升温装置工作。
在本实施例中，该***还包括温度传感器，用于检测电池的温度。其中，控制装置根据温度传感器检测的温度如下控制电池升温装置：
当所检测的温度小于或等于第一预定温度时，控制装置控制转换装置将电池的电能充入电容中，然后将充入电容中的电能充入电池中，通过电流的循环往复，实现电池加热功能；
当所检测的温度达到第二预定温度时，控制装置控制升温装置关闭。
其中，第一预定温度为0℃，第二预定温度在15至20℃的范围内。
本实用新型还提供一种电动车，包括电机和上述实施例中的电动车辆的充放电控制***。
其中，当电动车辆的充放电控制***中不包括转换装置时，开关装置还包括第三开关，电机通过第三开关与变换装置连接。
可选地，当电动车辆的充放电控制***中包括转换装置时，开关装置还包括第三开关和第四开关，电机通过第三开关与变换装置连接，第四开关连接在电池和变换装置之间。
图2是根据本实用新型实施例的连接有电机的电动车辆的充放电控制***的电路原理图。如图2所示，该***包括电动车辆电池10，电力转换装置(简称转换装置，可以为DC/DC转换器)20，电力变换装置(简称变换装置，可以为AC/DC逆变器)30，正弦滤波器40，充电接插装置50，电机60，控制器70，单向或两相商用电网80，商用三相电网90，电池管理器71，电压传感器72，温度传感器74，第一可控性开关器件11，第二可控性开关器件13，第三可控性开关器件14，第四可控性开关器件15，第五可控性开关器件16，第一电流传感器31，第二电流传感器73，电容C2。
其中电力转换装置20包括两个开关管(第七开关管Q7和第八开关管Q8)和电容C1和电感L1，每个开关管附带一个续流二极管，开关管可以是大功率金属氧化物半导体(MOS)晶体管，也可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
其中电力变换装置30包括六个开关管(第一开关管Q1，第二开关管Q2，第三开关管Q3，第四开关管Q4，第五开关管Q5，第六开关管Q6)，每个开关管附带一个续流二极管，开关管可以是大功率MOS晶体管，也可以是IGBT。电力变换装置30和商用电网之间通过开关性器件相连，同时电力变换装置30通过第三可控性开关器件14连接到电机60的绕组一端。
在电力转换装置20中，两个分别配有二极管的开关管的连接点与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端通过第二可控性开关器件13与电动车辆电池10相连。电容C1的一端与电感L1的第二端连接，电容C1另一端与电力总线1连接。两个分别配有二极管的开关管(Q7和Q8)的另外两端分别与电力总线1相连。
电力变换装置30的桥臂的两端分别接入电力总线1，电力变换装置30的三个中心点(A、B和C)中的任意两个通过第三可控性开关器件与电机60的三相线中任意两个相连，电力变换装置30剩余的中心点与电机60的相线直接相连，电力总线1通过第一可控性开关器件11与电动车辆电池10相连。
可选地，电力变换装置30的桥臂的两端分别接入电力总线1，电力变换装置30的三个中心点(A、B和C)均通过接触器与电机60的三相线相连，电力总线1通过第一可控性开关器件11与电动车辆电池10相连。
电力变换装置30的输出通过第四可控性开关器件15与正弦波滤波器40输入端相连，正弦波滤波器40输出端和商用电网(单向或两相商用电网80，商用三相电网90)之间通过第五可控性开关器件和充电接插装置50相连。
电容C2可以直接连接在电力总线1之间(与电力转换装置20并联)。其中，电容C2为大容量电容，由电力转换装置20和电容C2组成实现电池低温激活的主要部件。
正弦滤波器40包括电感L2、L3、L4，电感L2、L3、L4一端分别与C3、C4、C5一端相连接，C3、C4、C5的另一端连接在一起。
控制器70，控制器可以选用高速数字信号处理芯片(DSP)，以保证控制精度，其中的驱动部分可以采用IGBT驱动模块进行驱动。
该***中采用装置可控性开关器件11、13、15、16完成变换装置功能的改变和电力总线之间的切换，可控性开关器件11、13、15、16由控制器70控制，并且提供状态反馈给控制器70，以确定***状态。
图3是根据本实用新型实施例的电动车辆的充放电控制***工作在电池充电控制状态下或向电网供电控制状态下的等效电路图。具体地：
当充电插接装置50连接至商用电网时，通过电压传感器对电网电压和交流电压进行采样(如图中2和3分别所示)，并将采样信号发送给控制器70，控制器70根据该采样信号对电网(单相、双相或是三相)的频率，导向角等参数进行采样计算。控制器70控制第四可控性开关器件15和第五可控性开关器件16闭合，第一可控性开关器件11、第二可控性开关器件13和第三可控性开关器件14断开。通过电压传感器对AC电力总线4的交流电压进行采样，获得AC电力总线4每相线的电压和相位，并将采样结果发送给控制器70。控制器70发送PWM信号给电力变换装置30，电力变换装置30交替导通Q1和Q4、Q2和Q5、Q3和Q6，以从而实现将AC电力总线4上的交流电转换为电力总线1上的直流电(电力变换装置30起整流作用将输入电压设定为直流脉动电压输出)。
通过电池管理器71采集电池的SOC信息和电压信号以及第二电流传感器73采集电池的电流信号，从而确定电动车辆电池10充电的初始状态。控制器70控制第二可控性开关器件13闭合，控制器70向电力转换装置20发送PWM信号，此时，第七开关管Q7和第八开关管Q8、电感L1以及电容C1组成降压电路，实现对电力总线1上的电流和电压的改变(例如，控制器70根据当前电池电压和目标电压将输出电压调整为目标电压)，以从而完成对电池的充电。在这个过程中，可以通过电池管理器71和第二电流传感器73实时监测电力转换装置20的工作状态，并且控制器70根据接收到的电池的SOC等信息，来确定电力转换装置20的启动和关闭。
当充电接插装置50连接到商用电网，功能模式调整为由电动车电池向商用电网供电时(可以通过模式设定方式或控制器自动判定方式对商用电网进行并网供电)，通过电池管理器71采集电池的SOC信息和电压信号以及第二电流传感器73采集电池的电流信号，确定电力转换装置20的初始状态。控制器70控制第二可控性开关器件13和第四可控性开关器件15闭合，第一可控性开关器件11、第三可控性开关器件14和第五可控性开关器件16断开，控制器70向电力转换装置20发送PWM信号，此时，第七开关管Q7和第八开关管Q8、电感L1以及电容C1组成的升压电路，实现对电力总线1上的电流和电压的改变(例如，控制器70根据当前电池电压和目标电压将输出电压调整为目标电压)，以从而完成对电池的充电。在这个过程中，可以通过电池管理器71和第二电流传感器73实时监测电力转换装置20的工作状态，并且控制器70根据接收到的电池的SOC等信息，来确定电力转换装置20的启动和关闭。
通过电压传感器对电网电压和交流电压进行采样(如图中2和3分别所示)，并将采样信号发送给控制器70，控制器70根据该采样信号对电网(单相、双相或是三相)的频率，导向角等参数进行采样计算。控制器70控制第四可控性开关器件15和第五可控性开关器件16闭合，第一可控性开关器件11、第二可控性开关器件13和第三可控性开关器件14断开。通过电压传感器对AC电力总线4的交流电压进行采样，获得AC电力总线4每相线的电压和相位，并将采样结果发送给控制器70。控制器70发送PWM信号给电力变换装置30，电力变换装置30交替导通Q1和Q4、Q2和Q5、Q3和Q6，以从而实现将AC电力总线4上每相线的电压和相位调整到与商用电网的电压和相位一致(根据当前商用电网当前的相数、频率、电压、导向角，将目标电压转换为与商用电网相匹配的值)。同时，控制器70控制第五可控性开关器件16闭合，向商用电网供电。其中，控制器70通过电池管理器71、电压传感器72和第二电流传感器73，实时监测电力转换装置20的工作状态，通过第一电流传感器31，对交流电压进行采样，实时监测电力变换装置30的工作状态。并且通过接收到的电池端的SOC等信息，确定电力转换装置20和电力变换装置30的启动和关闭。
图4是根据本实用新型实施例的电动车辆的充放电控制***工作在电机控制状态下的等效电路图。如图4所示，控制器70控制第一可控性开关器件11和电力变换装置30与电机60之间的第三可控性开关器件14闭合。此时，电力变换装置30可以在控制器70的控制下驱动电机运转。具体地，控制器结合相应的电机转子位置检测，控制电力变换装置30中的六个开关管交替导通，通过绕组电流产生相应的电磁转矩，给予电机在一个方向上的转矩。
电动车辆电池10通过电力变换装置30驱动电机60工作，电机60工作期间不需要电力转换装置20参与，减少了电能损耗，提高了逆变器的工作效率。
图5是根据本实用新型实施例的电动车辆的充放电控制***工作在电池低温激活状态下的等效电路图。
如图5所示，电力转换装置20和电容C2组成实现电池低温激活的主要部件(电池升温装置)。温度传感器74用于检测电动车辆电池10的温度，当检测到电动车辆电池10的温度较低(例如0℃或0℃以下)时，控制器70控制第二可控性开关器件13闭合，第一可控性开关器件11、第三可控性开关器件14、第四可控性开关器件15和第五可控性开关器件16断开，控制器70控制电力转换器20(构成升压电路)将电池电能通过升压后充到大容量电容C2中，然后又通过控制电力转换器20(构成降压电路)将大电容中储存的电能通过降压后充回电池，对电池循环充放电使得电池的温度上升到最佳工作温度范围。
其中，控制器70通过电池管理器71、电压传感器72和第二电流传感器73，实时监测电力转换装置20的工作状态，由于充放电的作用，温度不断上升到最佳工作温度范围，温度传感器74检测到电动车辆电池10的温度达到预定温度(例如15-20℃)时控制器70控制电力转换装置20关闭。C1与C2为电容性元件，充电过程中起到为电力转换装置20滤波的作用，电容C2跨接在电力总线1之间。
控制过程中，当控制器70得到相应的状态切换信号，开始检测***传感器信号，当检测到AC电力总线4上的电压大于或等于目标电动车辆电池10的电压时，进入充电状态，根据外部的电压信号和电流信号，计算充电功率，控制量转换为占空比，由控制器将转化的PWM信号传递给开关器件，开关器件根据控制信号做出相应的响应。
从上述实施例中可以看出，通过上述技术方案使用控制装置对电力变换装置、开关装置进行控制，不仅实现了在用电低峰时对电动汽车电池的充电，还可以在用电高峰时通过汽车内置的电池将直流经过转化成单相、两相和三相电力源向电网供电，从而降低了汽车的使用成本。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (13)

1.一种电动车辆的充放电控制***，其特征在于，该***包括：
变换装置，用于在电动车辆的电池放电时将所述电池输出的直流电转换为交流电，以及在对所述电池充电时将电网输出的交流电转换为直流电；
开关装置，包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述电池与所述变换装置之间，所述第二开关连接在所述变换装置与所述电网之间；
控制装置，用于控制所述变换装置工作以及控制所述开关装置的断开和闭合。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括：
转换装置，连接在所述第一开关与所述变换装置之间，用于在所述电池放电时将电池的输出电压升压后输出给所述变换装置，在所述电池充电时将所述变换装置输出的电压降压后输出给所述电池；
其中，所述控制装置还用于控制所述转换装置工作。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，还包括
检测装置，用于对所述电网和所述电池的电参数进行检测；
其中，所述控制装置根据检测装置的检测结果来控制所述变换装置和所述转换装置工作。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述检测装置包括：
电压传感器，用于测量所述电网的电压。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述检测装置还包括：
电流传感器，用于测量所述电网和所述电池的电流。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述检测装置还包括：
电池管理器，用于采集所述电池的SOC信息和电压信号；
其中，所述控制装置还用于根据所述电池的SOC信息来控制所述变换装置和所述转换装置的启动和关闭。
7.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述转换装置包括：第一开关管、第二开关管、第一电容和电感，其中，电感的第一端与所述第一开关管的第一端和所述第二开关管的第二端的连接点相连，电感的第二端通过所述第一开关与所述电池相连，所述第一电容的一端与电感的第二端连接，所述第一电容的另一端与所述第二开关管的第一端连接。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，该***还包括第二电容，与所述转换装置并联形成电池升温装置，其中，所述第二电容的一端与所述第二开关管的第一端连接，所述第二电容的另一端与所述第一开关管的第二端连接，所述控制装置还用于控制所述电池升温装置工作。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，该***还包括：
温度传感器，用于检测所述电池的温度。
10.一种电动车，包括电机和权利要求1所述的电动车辆的充放电控制***。
11.根据权利要求10所述的电动车，其特征在于，所述开关装置还包括第三开关，所述电机通过所述第三开关与所述变换装置连接。
12.一种电动车，包括电机和权利要求2-9中任一项权利要求所述的电动车辆的充放电控制***。
13.根据权利要求12所述的电动车，其特征在于，所述开关装置还包括第三开关和第四开关，所述电机通过所述第三开关与所述变换装置连接，所述第四开关连接在所述电池和所述变换装置之间。
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