CN116160874A - 一体化充放电装置、包括该装置的动力系统和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车辆的一体化充放电装置，包括：正极端子和负极端子，其分别连接至外部设备的正极和负极，第一接触器，其连接在所述正极端子与所述动力电池的正极之间，第二接触器，其连接在所述负极端子与所述动力电池的负极之间，第三接触器，其连接在所述正极端子与电机的中性点之间，电容，其连接在电机的中性点与所述动力电池的负极之间，和控制单元，其配置为基于用户的请求选择性地控制所述第一接触器、所述第二接触器、所述第三接触器以及所述三相逆变桥中的各桥臂的通断，以使所述一体化充放电装置在不同模式下工作。本发明还公开了包括该一体化充放电装置的车辆动力系统和包括该系统的车辆。

Description

一体化充放电装置、包括该装置的动力系统和车辆

技术领域

本发明涉及车辆领域，更具体而言，本发明涉及一种一体化充放电装置，包括该电机保护装置的车辆动力系统，以及包括该车辆动力系统的车辆。

背景技术

目前，新能源车辆技术的发展日益迅速，至少存在以下的问题之一：对应的充电基础设施并未完善，新能源车辆的续航和充电问题是车辆制造商亟待解决的一大难题，在车辆的使用过程中，如果没有进行合理的路径规划，在到达充电场所或者目的地之前可能出现车辆电池亏电的情况。

发明内容

有鉴于此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于车辆的一体化充放电装置，该车辆包括电机、动力电池以及连接在所述电机与所述动力电池之间的三相逆变桥，所述三相逆变桥包括三个上桥臂和三个下桥臂，每个桥臂的输入端与输出端之间连接有续流二极管，其中，所述一体化充放电装置包括：

正极端子和负极端子，其分别连接至外部设备的正极和负极，

第一接触器，其连接在所述正极端子与所述动力电池的正极之间，

第二接触器，其连接在所述负极端子与所述动力电池的负极之间，

第三接触器，其连接在所述正极端子与电机的中性点之间，

电容，其连接在电机的中性点与所述动力电池的负极之间，和

控制单元，其配置为基于用户的请求选择性地控制所述第一接触器、所述第二接触器、所述第三接触器以及所述三相逆变桥中的各桥臂的通断，以使所述一体化充放电装置在不同模式下工作。

其中，所述控制单元配置为：断开所述第一接触器，闭合所述第二接触器和所述第三接触器，以所述一体化充放电装置在放电模式下工作。

其中，所述放电模式包括第一周期和第二周期，所述控制单元配置为：在所述第一周期中，断开所述三个下桥臂并且使所述三个上桥臂中的一者或多者导通；在所述第二周期中，断开所述三个上桥臂和所述三个下桥臂。

其中，所述控制单元配置为从所述外部设备接收目标信号，并基于所接收的目标信号选择性地导通所述三个上桥臂中的一者或多者。

其中，所述目标信号为所述外部设备的充电电压和/或充电电流。

其中，所述一体化充放电装置还包括电压采集器，用于采集所述动力电池的正负极之间的电压值，并且

所述控制单元进一步配置为基于由所述电压采集器采集的电压值来调整输出至所述三相逆变桥的相应桥臂的控制信号。

其中，所述控制单元配置为：断开所述第三接触器，闭合所述第一接触器和所述第二接触器，以使所述一体化充放电装置在充电模式下工作。

其中，所述外部设备为另一车辆或充电桩。

其中，所述控制单元为电机控制器。

根据本发明的第二方面，还提供了一种车辆动力系统，其中，该系统包括如上所述的一体化充放电装置。

根据本发明的第三方面，还提供了一种车辆，其中，该车辆包括如上所述的车辆动力系统。

根据本发明的一体化充放电装置至少能够实现如下优点之一：

1)可实现大功率直流充电，充电时间短、效率高，可以满足车辆的快充需求，提高了用户的体验；

2)利用车辆现有的变换电路、通过添加简单的开关即可实现快充功能，无需增加额外的升压或降压模块；

3)制造成本较低。

附图说明

通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的装置所具有的其它特征和优点将变得清楚或更为具体地得以说明。

图1示出了根据本发明一示例性实施例的一体化充放电装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图并通过实施例来描述根据本发明的一体化充放电装置。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本发明。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的各个方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定。

为了对电动车辆进行紧急救援，市面上研发出了V2V互充技术，其可以通过充电枪将一台车辆的电能用于向另外一台亏电车辆的动力电池进行充电。这设计到交流电V2V互充技术和直流电V2V互充技术。目前行业内大部分车辆仅能够实现交流电V2V互充。

具体做法是，在车辆内配置双向充电机，采用交流慢充技术对亏电车辆进行补电。申请人研究发现，这种双向充电机的制造成本较高，而且其充电功率一般限制在3.3kw～6.6kw左右，充电效率较低。需要较长的时间才能达到可使车辆重新行驶的电量水平，无法满足车辆快速充电的需求，在一定程度上影响了用户的体验。

为了解决上述问题，本发明提出一种用于车辆的一体化充放电装置，其通过在车辆动力电池的高压回路中添加简单的开关电路而使得车辆具备直流快充功能。其基本逻辑是：当车辆处于驻车状态时，基于用户的选择使车辆进入相应的充电模式或放电模式，并利用国标快充协议与对象车辆进行握手，在车辆完成模式确认和握手之后，接通相应的接触器以执行充电或放电操作。该一体化充放电装置采用大功率直流电V2V互充技术，即可以实现对内充电，又可以实现对外放电。

图1示出了根据本发明一示例性实施例的一体化充放电装置的结构示意图。其中，电机M为三相电机，其包括三相绕组L1、L2、L3，电机M由驱动电路进行驱动，该驱动电路连接在车辆的动力电池HV与电机M之间，用于借助动力电池所提供的电力驱动电机旋转。车辆的动力电池HV的两端连接有母线电容Cx1。

在本文的该实施例中，电机驱动电路构造为三相逆变桥10。该三相逆变桥10包括三个上桥臂VT1、VT2、VT3和三个下桥臂VT4、VT5、VT6。各桥臂构造为开关管，特别是IGBT。每个开关管的输入端与输出端之间连接有续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6，各开关管的控制端连接至电机控制器(图1中未示出)。

在驱动电机的正常工作状态下，电机控制器可交替地使三相逆变桥10的六个桥臂中的一部分保持导通，另一部分保持截止，由此切换流过电机各相绕组的电流走向，从而控制电机的运转。

为了复用车辆中现有的电机及其驱动电路来实现车辆的充电功能，本发明提出了一种可与电机及其驱动电路配合使用的一体化充放电装置。

如图1中所示，该一体化充放电装置包括正极端子DC+和负极端子DC-，其分别连接至外部设备的正极和负极，该外部设备可以是另一车辆或充电桩。

此外，该一体化充放电装置还包括三个接触器K1、K2、K3和电容Cx2，其中，第一接触器K1连接在正极端子DC+与车辆动力电池的正极之间，第二接触器K2其连接在负极端子DC-与动力电池的负极之间，第三接触器K3连接在正极端子DC+与电机的中性点之间。电容Cx2连接在电机的中性点与动力电池HV的负极之间。

该一体化充放电装置还包括控制单元，该控制单元可以是车辆中现有的电机控制器，其配置为基于用户的请求选择性地控制接触器K1、K2、K3以及三相逆变桥10中的各桥臂VT1……VT6的通断，以使所述一体化充放电装置在不同模式下工作。

具体地，当接触器K1、K2接通/闭合时，该装置构造为直流快充接口，此时通过外部充电桩或另一车辆给本车的动力电池进行充电(即，“充电”模式)。

当接触器K3、K2接通时，该装置构造为放电接口，其通过与三相逆变桥和电机结合而形成放电电路，以利用本车对另一车辆充电(即，“放电”模式)。

在进行充电或放电之前，通过直流充放电接口将亏电车辆与另一电量充足的车辆(或充电桩)进行连接，随后两台车辆检测彼此是否已完成握手。在完成握手之后，放电车辆MCU与亏电车辆BMS之间利用CAN实现V2V通讯。在车辆显示屏上用户选中相应的工作模式，特别是，在放电车辆上用户选择放电模式，在亏电车辆上用户选择充电模式。

下面结合图1详细描述该一体化充放电装置中的各电子器件在这两种工作模式(“充电”模式和“放电”模式)下的状态。

1)、“放电”模式

首先，亏电车辆向本车发送充电请求，并提供相应的目标信号(例如，充电电压和/或充电电流)，在本车确认充电请求后，所述一体化充放电装置中的控制单元闭合第二和第三接触器K2、K3，第一接触器K1保持断开，车辆进入“放电”模式。

随后，基于亏电车辆所发送的目标信号，该装置、特别是其控制单元向三相逆变桥的各桥臂输出相应的控制信号。具体地，控制单元配置为：基于亏电车辆所提供的目标电压确定其输出信号的占空比，基于亏电车辆所提供的目标电流确定导通上桥臂VT1、VT2、VT3中的一者或多者。

在该放电模式中，涉及到第一周期和第二周期两个阶段，在这两个周期中，下桥臂VT4、VT5、VT6始终保持断开，不同之处在于上桥臂的开关状态。

具体而言，在第一周期中，假设亏电车辆的请求功率较大，需要电机的三相绕组电感都工作，则控制器使三个上桥臂VT1、VT2、VT3全部导通，以为三相电感L1、L2、L3进行励磁充电，交替导通三个桥臂有利于维持充电功率的均衡性以及热负荷和功率器件的寿命。

在绕组电感完成充电后，进入第二周期，此时相应地断开VT1、VT2、VT3，电感进入放电周期，与此同时，下桥臂中的续流二极管导通，以形成向电容Cx2充电的电流回路。

当电容完成充电后，使VT1、VT2、VT3按需导通，以进入下一个周期对电感L进行充电，同时充满电的电容Cx2对外部负载(即，亏电车辆)放电。

根据一可选实施例，根据本发明的充放电装置还可包括一电压采集器，用于采集车辆的动力电池两端的电压值AD。控制单元可将所采集的电压值与亏电车辆所请求的目标电压进行比较，并基于比较结果相应地调整输出至VT1、VT2、VT3的控制信号，由此保证充放电装置的输出电压的稳定性。

2)、“充电”模式

在充电模式下，根据本发明的一体化充放电装置的正极端子DC+和负极端子DC-连接至外部充电桩或另一充电车辆，充电车辆通过内部的转换电路将其输出电压调整到与受电车辆(即，本车)的目标电压相当的水平，例如使电压差值保持为5V。

控制单元闭合接触器K1、K2，充电车辆借助BMS模块向本车的动力电池HV充电。在充电过程中，车辆MCU和BMS实时监测充电电压、充电电流、温度等参数，以确保充电的安全性。

此外，本申请还涉及一种包括图1中所示的一体化充放电装置的车辆动力系统。该车辆动力系统可以是集成了一体化充放电装置、电机的动力驱动系统，也可以是集成了一体化充放电装置、电机和减速器的动力驱动系统，这些举例仅是示例性的，而非限制性的，因而不构成对本申请保护范围的约束。

如参考图1的实施例中所示，根据本发明的一体化充放电装置通过在车辆动力电池的高压回路中添加简单的开关电路而使得车辆具备直流快充功能，该一体化充放电装置采用大功率直流电V2V互充技术，即可以实现对内充电，又可以实现对外放电，其至少具有如下优点之一：

1)可实现大功率直流充电，充电时间短、效率高，可以满足车辆的快充需求，提高了用户的体验；

2)利用车辆现有的变换电路、通过添加简单的开关即可实现快充功能，无需增加额外的升压或降压模块；

3)制造成本较低。

本领域技术人员可以理解的是，在本发明中，诸如“第一”、“第二”、“第三”等之类的用语并不表示元器件或数值在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各元器件或数值之用。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与修改，均应纳入本发明的保护范围内，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.用于车辆的一体化充放电装置，该车辆包括电机(M)、动力电池(HV)以及连接在所述电机与所述动力电池之间的三相逆变桥(10)，所述三相逆变桥包括三个上桥臂和三个下桥臂，每个桥臂的输入端与输出端之间连接有续流二极管，其中，所述一体化充放电装置包括：

正极端子(DC+)和负极端子(DC-)，其分别连接至外部设备的正极和负极，

第一接触器(K1)，其连接在所述正极端子与所述动力电池的正极之间，

第二接触器(K2)，其连接在所述负极端子与所述动力电池的负极之间，

第三接触器(K3)，其连接在所述正极端子与电机的中性点之间，

电容(Cx2)，其连接在电机的中性点与所述动力电池的负极之间，和

控制单元，其配置为基于用户的请求选择性地控制所述第一接触器、所述第二接触器、所述第三接触器以及所述三相逆变桥中的各桥臂的通断，以使所述一体化充放电装置在不同模式下工作。

2.根据权利要求1所述的一体化充放电装置，其中，所述控制单元配置为：断开所述第一接触器，闭合所述第二接触器和所述第三接触器，以所述一体化充放电装置在放电模式下工作。

3.根据权利要求2所述的一体化充放电装置，其中，所述放电模式包括第一周期和第二周期，所述控制单元配置为：在所述第一周期中，断开所述三个下桥臂并且使所述三个上桥臂中的一者或多者导通；在所述第二周期中，断开所述三个上桥臂和所述三个下桥臂。

4.根据权利要求3所述的一体化充放电装置，其中，

所述控制单元配置为从所述外部设备接收目标信号，并基于所接收的目标信号选择性地导通所述三个上桥臂中的一者或多者。

5.根据权利要求4所述的一体化充放电装置，其中，所述目标信号为所述外部设备的充电电压和/或充电电流。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的一体化充放电装置，其中，

所述一体化充放电装置还包括电压采集器，用于采集所述动力电池的正负极之间的电压值(AD)，并且

所述控制单元进一步配置为基于由所述电压采集器采集的电压值(AD)来调整输出至所述三相逆变桥的相应桥臂的控制信号。

7.根据权利要求1所述的一体化充放电装置，其中，所述控制单元配置为：断开所述第三接触器，闭合所述第一接触器和所述第二接触器，以使所述一体化充放电装置在充电模式下工作。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的一体化充放电装置，其中，所述外部设备为另一车辆或充电桩。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的一体化充放电装置，其中，所述控制单元为电机控制器。

10.一种车辆动力系统，其中，该系统包括根据权利要求1至9中任一项所述的一体化充放电装置。

11.一种车辆，其中，该车辆包括根据权利要求10所述的车辆动力系统。

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