CN102005804A - 一种车载电池的充放电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种车载电池的充放电系统，包括车载电池、充放电选择开关、逆变器、控制器、信号检测模块以及并网开关，并网开关用于连接外部电源和逆变器；充放电选择开关用于选择充电或放电；逆变器用于将外部电源的交流电转换成直流电输入到车载电池，以及用于将车载电池的直流电转换成交流电输入到外部电源；信号检测模块用于检测并网开关的两端、充放电选择开关以及车载电池的相关信号；控制器用于根据接收到的信号控制所述并网开关以及所述逆变器工作。本发明还提供了一种车载电池充放电系统的控制方法。本发明可以根据车载电池当前的SOC通过控制充放电功率进行充放电，充放电电流是可控的，而且本发明在放电时可以逆变为与外部电源等同的交流电。

Description

一种车载电池的充放电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种车载电池的充放电系统及其控制方法。

背景技术

现有车载电池的充电方法一般是以固定电流充电，在整个充电过程中充电电流是固定不变的，即其充电过程是不可控的。而且由于充电电流比较小，因此充电时间较长。

现有的车载电池只是用来为车辆上的各种电器元件供电，如在混合动力车或电动车上为电动机供电从而由电动机提供车辆行驶动力。即现有的车载电池中的直流电无法逆向转换为与外部电源同频、同相、同幅的交流电。

发明内容

本发明为了克服现有的车载电池充电时充电电流不可控以及不能逆变为外部电源的缺点，提供一种充电电流可控并且可以逆变为外部电源的车载电池充放电系统及其控制方法。

本发明一方面提供了一种车载电池的充放电系统，包括车载电池、充放电选择开关、逆变器、控制器、信号检测模块以及并网开关，

所述并网开关用于连接外部电源和逆变器；

所述充放电选择开关用于选择充电或放电；

所述逆变器用于将外部电源的交流电转换成直流电输入到车载电池，以及用于将车载电池的直流电转换成交流电输入到外部电源；

所述信号检测模块用于检测并网开关的两端、充放电选择开关以及车载电池的相关信号并将这些信号发送给控制器；

所述控制器用于根据接收到的信号控制所述并网开关以及所述逆变器工作。

本发明另一方面还提供了一种车载电池的充放电系统的控制方法，其中所述充放电系统为上述的充放电系统，所述控制方法包括以下步骤：

(1)判断是否满足充放电条件；

(2)如果满足充放电条件，则选择充放电选择开关进行充放电；

(3)判断逆变器逆变出的电压与外部电源的电压是否一致；

(4)当逆变器逆变出的电压与外部电源的电压一致时，合上并网开关；

(5)根据车载电池的SOC，通过控制充放电功率进行充放电。

本发明的一种车载电池的充放电系统及其控制方法，可以根据车载电池当前的SOC通过控制充放电功率进行充放电，在充放电过程中充放电电流是可控的，而且本发明在放电时可以逆变为与外部电源等同的交流电。

附图说明

图1是本发明车载电池的充放电系统的一种实施方式的电路示意图；

图2是本发明车载电池的充放电系统的一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明车载电池充放电系统的控制方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

根据本发明的一种实施方式，如图1和图2所示，一种车载电池的充放电系统，包括车载电池、充放电选择开关、逆变器、控制器、信号检测模块以及并网开关，

并网开关用于连接外部电源和逆变器；

充放电选择开关用于选择充电或放电；

逆变器用于将外部电源的交流电转换成直流电输入到车载电池，以及用于将车载电池的直流电转换成交流电输入到外部电源；

信号检测模块用于检测并网开关的两端、充放电选择开关以及车载电池的相关信号并将这些信号发送给控制器；

控制器用于根据接收到的信号控制所述并网开关以及所述逆变器工作。

外部电源可以根据需要或者使用环境而不同，如家用220V电源或者380V电源。优选地为家用220V电源。

控制器可以选用各种合适的数据处理单元，如控制器的主芯片可以为TMS320F2812的DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片。

并网开关可以选择各种合适的开关，如电磁开关、电磁继电器等，只要可以根据控制器的信号来合上或打开从而实现电路的连通或断开即可。并网开关的个数可以根据外部电源的不同而不同，如外部电源为220V家用电时为2个，当外部电源为380V时为3个。

逆变器可以包括各种桥式逆变电路，只要能实现逆变充放电功能即可，优选采用三相全桥逆变电路，该三相全桥逆变电路包括三组六个高可靠功率开关器件IGBT(Q1-Q6)以及六个反向并联二极管(D1-D6)，如图1所示，每组包括两个串联的开关器件IGBT，每个开关器件IGBT都并联有一个反向二极管，如第一组由Q1与D1并联构成上桥臂开关、Q2与D2并联后构成下桥臂开关，上、下桥臂开关再串联而成，即该三相全桥逆变电路的每一组都包括上桥臂开关和下桥臂开关，三组上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点可以接入三相电网以用来引入交流电信号。当外部电源为家用220V电源时，可以从三组上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点中选择两组与家用220V电源连接。控制器可以产生PWM信号来控制各个IGBT的导通和关断。

进一步地，在外部电源和逆变模块之间还连接有用来滤除杂波的LC滤波电路。根据本发明的一种实施方式，在并网开关K1和第一组上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点之间串联有由电感L1和电容C1组成的一组滤波电路，在并网开关K2和第二组上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点之间串联有由电感L2和电容C2组成的另一组滤波电路。

进一步地，信号检测模块包括：用于测量外部电源电压U1的第一电压传感器SU1，用于测量外部电源电流I1的第一电流传感器SI1，用于测量所述逆变器逆变电压U3的第三电压传感器SU3，用于测量所述逆变器逆变电流I3的第三电流传感器SI3，用于测量车载电池电压U2的第二电压传感器SU2，用于测量车载电池电流I2的第二电流传感器SI2以及用于测量车载电池荷电量SOC的电池管理单元。

第一电压传感器SU1、第二电压传感器SU2和第三电压传感器SU3可以为各种合适的传感器，如可以为霍尔电压传感器。第一电流传感器SI1、第二电流传感器SI2和第三电流传感器SI3可以为各种合适的传感器，如可以为霍尔电流传感器。

对于电动车和混合动力车，为了减化充电系统，优选地，逆变器可以车载逆变器，此时需要在车载电动机和逆变器之间增加三个开关K3、K4、K5。开关K3、K4、K5用于根据控制器的控制指令选择断开或闭合。在车载电池充放电之前，开关K3、K4、K5处于闭合状态。充放电选择开关CF1用于选择充电或放电，可以设置在车辆的中控面板上。车载电池的SOC可以由电池管理单元测得。

本发明还提供了一种车载电池的充放电系统的控制方法，其中充放电系统为上述的充放电系统，该控制方法包括以下步骤：

(1)判断是否满足充放电条件；

(2)如果满足充放电条件，则选择充放电选择开关进行充放电；

(3)判断逆变器逆变出的电压与外部电源的电压是否一致；

(4)当逆变器逆变出的电压与外部电源的电压一致时，合上并网开关；

(5)根据车载电池的SOC，通过控制充放电功率进行充放电；

(6)判断车载电池是否完成充放电。

其中步骤(1)是通过以下步骤实现的：

(1-1)判断车载电池的温度是否在给定的温度范围内；

(1-1-1)如果车载电池的温度在给定的温度范围内，则满足充放电条件；

(1-1-2)如果车载电池的温度超出给定的温度范围，则不满足充放电条件；

(1-2)判断车载电池的SOC是否在给定的SOC范围内；

(1-2-1)如果车载电池的SOC在给定的SOC范围内，则满足充放电条件；

(1-2-2)如果车载电池的SOC超出给定的SOC范围，则不满足充放电条件。

步骤(4)还包括以下步骤：

(4-1)当逆变器逆变出的电压与外部电源的电压不一致时，对逆变器逆变出的电压以外部电源的电压为目标进行比例积分调节。

步骤(5)是通过以下步骤实现的：

(5-1)根据车载电池当前的SOC确定一个充放电的目标充放电功率；

(5-2)测量车载电池的当前的充放电电压U2和充放电电流I2计算出当前的充放电功率；

(5-3)对当前的充放电功率以目标充放电功率为目标进行比例积分调节。

为了车载电池的充放电安全，在步骤(1)中设定一个安全的温度范围，该温度范围可以为0-70摄氏度。当当前的电池温度在该温度范围时，车载电池才可以进行充放电，否则结束，进一步地可以设置一个报警程序，当车载电池的温度超出该温度范围时，进行报警提示。在车载电池整个充当点过程中随时监测车载电池的温度，如果当前的温度超出设定的温度范围，则控制器断开并网开关并进行报警提示。

在步骤(1)中还可以设置一个SOC的安全充放电范围，如当SOC为99％时，车载电池不可以进行充电，当SOC为10％时，车载电池不可以进行放电。如果当前的SOC超出该SOC范围而且充放电选择开关选择错误如当前SOC为10％还选择放电或当前SOC为99％时还选择充电时，可以通过报警装置报警提示。该报警装置可以是蜂鸣器等各种合适的装置。

当满足充放电条件时，如果是电动车或混合动力车，首先要断开电动机与车载电池的连接开关K3、K4和K5。此时逆变器可以根据充电时的外部电源或放电时模拟的外部电源的电压U1对车载电池中的电压进行逆变，该逆变是通过对逆变器逆变出的电压以外部电源的电压为目标进行比例积分调节实现的。

该比例积分调节具体如下：由于外部电源的频率一般为50HZ，因此逆变器逆变出的电压U3的频率也为50HZ，U3的幅值也与外部电源U1的幅值一致，如220V或380V。

对于相位的调节是这样实现的：控制器内部芯片可以根据采样到的电网电压，捕获到电压下降沿过零点的值；程序中设置一个对逆变电压U3下降沿过零点的计数器，计算出逆变电压过零点后，计数器清零，每次程序执行都加1，直到再次计算出逆变电压下降沿过零点。即假设程序执行一次1ms，外部电源的频率为50hz-即其周期为20ms。程序执行一次，这个计数器累加1，累加到20，清零。如果当前计数器值是10，那么10/20＝0.5，也就是说当前电压在正弦波的中间处。这个计算出来的只是0.5，再乘以360度，得到的就是180度，即此时电压的相位角为180度。控制器通过控制使得电流的相位角也为180度即可实现相位的调节。

当逆变器逆变出的电压U3和外部电源的电压U1的幅值、频率和相位均相同时，认为电压U3和电压U1一致，此时控制器控制并网开关闭合。

此时控制器根据检测得到的车载电池当前SOC确定一个目标充放电功率，当车载电池充电时，目标充电功率为正值；车载电池放电时，目标放电功率为负值。该目标充放电功率与SOC之间呈一反比关系，即随着SOC的增加，目标充放电功率随之减小，随着SOC的减小，目标充放电功率随之增大。

之后测量车载电池的当前的充放电电压U2和充放电电流I2计算出当前的充放电功率；

对充放电功率以目标充放电功率为目标进行比例积分调节，使得当前的充放电功率和目标充放电功率一致。由于并网开关闭合后逆变器逆变出的电压U3与U1一致，此时主要是通过对逆变器逆变出的电流I3和电压U3的相位进行比例积分调节而实现的。此时控制器根据上述内容发出PWM信号控制各个IGBT导通或关断即可使得当前的充放电功率和目标充放电功率一致。

对于是否完成充放电，是通过比较当前SOC是否超出给定的SOC范围实现的。

如图3所示，本发明的车载电池充电系统的具体工作过程如下：

充电过程：首先根据检测的车载电池的SOC和电池温度判断是否满足充电条件，当满足充电条件时，充放电选择开关选择充电，测量外部电源的电压U1以及此时逆变器根据U1逆变出的电压U3，判断U3和U1是否一致，不一致时进行比例积分调节，当U3和U1一致时，合上并网开关，控制器根据当前的SOC给出当前的目标充电功率，控制器根据检测到的车载电池当前的电压U2和当前充电电流I2计算出当前的充电功率，控制器根据当前的目标充电功率和实际的充电功率发出PWM信号控制各个IGBT的导通和关断从而使得实际的充电功率和当前的目标充电功率相一致。之后判断当前的SOC是否达到给定的SOC范围，如果当前的SOC达到给定的SOC充电上限即控制并网开关断开完成充电。

放电过程：首先根据检测的车载电池的SOC和电池温度判断是否满足放电条件，当满足放电条件时，充放电选择开关选择放电，根据模拟的外部电源的电压U1以及此时逆变器根据U1逆变出的电压U3，判断U3和U1是否一致，不一致时进行比例积分调节，当U3和U1一致时，合上并网开关，控制器根据当前的SOC给出当前的目标放电功率，控制器根据检测到的车载电池当前的电压U2和当前放电电流I2计算出当前的放电功率，控制器根据当前的目标放电功率和实际的放电功率发出PWM信号控制各个IGBT的导通和关断从而使得当前的放电功率和当前的目标放电功率相一致。之后判断当前的SOC是否达到给定的SOC范围，如果当前的SOC达到给定的SOC放电下限即控制并网开关断开完成放电。

本发明的车载电池的充放电系统及其控制方法，能够根据当前车载电池的SOC确定一个目标充放电功率，通过控制使得实际的充放电功率和目标充放电功率相一致从而达到控制充放电电流的目的，因此可以有效缩短充放电时间。

由于本发明的充放电系统设有一个充放电选择开关，通过选择充电或放电即可实现车载电池的充电或放电，所以本发明除了实现充电之外还可以根据外部环境的需要选择放电，即将车载电池的直流电逆变为与外部电源等同的交流电，从而可以更好的满足实际需要，扩大了车载电池的使用范围。

Claims (10)

1.一种车载电池的充放电系统，其特征在于，该系统包括车载电池、充放电选择开关、逆变器、控制器、信号检测模块以及并网开关，

所述并网开关用于连接外部电源和逆变器；

所述充放电选择开关用于选择充电或放电；

所述逆变器用于将外部电源的交流电转换成直流电输入到车载电池，以及用于将车载电池的直流电转换成交流电输入到外部电源；

所述信号检测模块用于检测并网开关的两端、充放电选择开关以及车载电池的相关信号并将这些信号发送给控制器；

所述控制器用于根据接收到的信号控制所述并网开关以及所述逆变器工作。

2.根据权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，所述系统还包括连接在并网开关和逆变器之间的滤波电路。

3.根据权利要求2所述的充放电系统，其特征在于，所述信号检测模块包括：用于测量外部电源电压U1的第一电压传感器，用于测量外部电源电流I1的第一电流传感器，用于测量所述逆变器逆变电压U3的第三电压传感器，用于测量所述逆变器逆变电流I3的第三电流传感器，用于测量车载电池电压U2的第二电压传感器，用于测量车载电池电流I2的第二电流传感器以及用于测量车载电池荷电量SOC的电池管理单元。

4.根据权利要求3所述的充放电系统，其特征在于，所述逆变器为电动车或混合动力车上的逆变器。

5.根据权利要求4所述的充放电系统，其特征在于，所述控制器的主芯片为TMS320F2812的DSP芯片。

6.一种车载电池的充放电系统的控制方法，其中所述充放电系统为权利要求1-5中任意一项所述的充放电系统，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)判断是否满足充放电条件；

2)如果满足充放电条件，则选择充放电选择开关进行充放电；

3)判断逆变器逆变出的电压与外部电源的电压是否一致；

4)当逆变器逆变出的电压与外部电源的电压一致时，合上并网开关；

5)根据车载电池的SOC，通过控制充放电功率进行充放电。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括以下步骤：

6)判断车载电池是否完成充放电。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1)是通过以下步骤实现的：

1-1)判断车载电池的温度是否在给定的温度范围内；

1-1-1)如果车载电池的温度在给定的温度范围内，则满足充放电条件；

1-1-2)如果车载电池的温度超出给定的温度范围，则不满足充放电条件；

1-2)判断车载电池的SOC是否在给定的SOC范围内；

1-2-1)如果车载电池的SOC在给定的SOC范围内，则满足充放电条件；

1-2-2)如果车载电池的SOC超出给定的SOC范围，则不满足充放电条件。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述步骤4)还包括以下步骤：

4-1)当逆变器逆变出的电压与外部电源的电压不一致时，对逆变器逆变出的电压以外部电源的电压为目标进行比例积分调节。

10.根据权利要求9述的控制方法，其特征在于，所述步骤5)是通过以下步骤实现的：

5-1)根据车载电池当前的SOC确定一个充放电的目标充放电功率；

5-2)测量车载电池的当前的充放电电压和充放电电流计算出当前的充放电功率；

5-3)对当前的充放电功率以目标充放电功率为目标进行比例积分调节。

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