电动车充电装置、系统及方法与流程

电动车充电装置、系统及方法
1.相关申请的交叉引用本技术要求于2019年8月28日提交的题为“三相交错式20kw 直流-直流电动车充电器（3-phaseinterleaved 20kw dc-dc ev charger）”的美国临时申请（申请号：62/892,800）的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
2.电动车充电广泛地涉及一个或多个方面，并且更具体地，涉及dc-dc（直流到直流，或直流-直流）电动车（ev）充电装置、系统及相关方法。


背景技术：

3.可再充电电池已在广泛的应用中用于电能存储，包括它们在车辆、电动工具、笔记本电脑、移动电话、双向收音机、灯和不间断电源中的使用。使用可充电电池的车辆可以包括汽车、电池电动车、混合动力电动车、船、高尔夫球车和飞行器。充电器和充电方法已被开发并用于为这些可充电电池充电。固定式充电器使用来自电网的电力也已广泛用于为可充电电池充电。例如，已经开发了使用交流电的充电器，并使用一个或多个绕线变压器将交流电从一种电压转换为另一种电压，这可能导致一些充电器体积变得庞大或笨重。
4.存在减小充电器的尺寸和质量以使充电装置能够容易地与电动车一起运输的需要。此外，电动车充电器需要可靠、安全、易于使用和高效。


技术实现要素：

5.电动车充电系统包括交错式dc-dc控制系统，该系统配置为便于从储能装置向电动车电池供电。交错式dc-dc控制系统包括浪涌电流限制电路和三个并联升压转换器，其中三个并联升压转换器中的每个升压转换器被配置为以离散相位运行，并且其中三个并联升压转换器通信耦合到浪涌电流限制电路。此外，交错式dc-dc控制系统包括通信耦合到三个并联升压转换器的单向电流电路。电动车充电系统还包括通信连接到交错式dc-dc控制系统的控制器。控制器包括配置成控制交错式dc-dc控制系统的电子控制电路以及配置成在交错式dc-dc控制系统和电动车电池之间建立充电协议的车辆通信电路，其中车辆通信电路以通信方式耦合到电气控制电路。
6.此外，提供了一种制造电动车充电系统的方法。该方法包括使用电镀来形成包括磁芯电感器、散热器和多股线的交错式dc-dc控制系统，其中电镀产生包括三个并联升压转换器的单个印刷电路板。此外，该方法包括将交错式dc-dc控制系统堆叠在储能装置上，其中堆叠对齐交错式dc-dc控制系统，使得单个印刷电路板具有与储能装置相同的长度和宽度。
7.此外，提供了一种对电动车电池充电的方法。该方法包括由交错式dc-dc控制系统接收来自储能装置的电力输入，该电力输入在交错式dc-dc控制系统的浪涌电流限制电路处接收，其中浪涌电流限制电路包括多个开关元件。通信连接到交错式dc-dc控制系统的控
制器在浪涌电流阶段期间接通和关断多个开关组件，使得电流连续地流向交错式dc-dc控制系统的三个并联升压转换器。三个并联升压转换器将电力输入的输入电压升压到电动车电池的更高电压。交错式dc-dc控制系统的电磁干扰滤波器滤除来自电力输入的噪声。单向电流电路将输入的电能传输到电动车电池。
8.其他特征和优点通过这里描述的概念来实现。
附图说明
9.本文所述的方面在说明书结尾处的权利要求中作为示例被特别指出并明确要求保护。本公开的前述和其他目的、特征和优点从以下结合附图所采取的详细描述中变得显而易见，其中：图1根据本文所述方面，示出了用于ev充电系统的控制器和转换器的示例图的框图；图2是根据本文所述方面，示出图1的ev充电系统的转换器和控制器的示例组件的框图；图3根据本文所述方面，描绘了用于制造电动车充电系统的示例过程；以及图4根据本文描述的方面，描绘了用于对电动车电池充电的示例过程。
具体实施方式
10.本文描述了一种用于对ev电池充电的电动车（ev）充电系统。ev充电系统可以使用直流到直流（dc-dc）转换来提供电荷的单向流动，其中从储能装置接收电输入并通过ev充电系统传输到ev电池。根据各种实施例，ev充电系统可以向ev电池提供跨越宽dc电压输出范围的恒定电流（cc）或恒定电压（cv）的输出。例如，可以通过交错式dc-dc控制系统将直流（dc）电压输出范围提升至输入电压的六倍，以便将较低的电池电压从储能装置传输到较高的车辆电池电压中。有利地，根据本文所述的方面，ev充电系统的效率可以具有超过99%的高峰值效率。
11.图1是图示用于ev充电系统100的控制器104和转换器102的示例图的框图。转换器102包括交错式dc-dc控制系统，如下所述，其可以被配置为便于从电源输入（如储能装置150）向电源输出（如ev电池160）提供电荷。转换器102可以通信连接到控制器104，其中控制器104可以包括用于控制转换器102的交错式dc-dc控制系统的组件。
12.图2是说明图1的ev充电系统100的转换器102和控制器104的示例组件的框图。例如，转换器102包括浪涌电流限制电路106。浪涌电流限制电路106可以包括隔离电流传感器108和高阻抗电压传感器110，它们可以确保控制器104的电子控制电路130在故障的情况下被电隔离。根据一个实施例，当ev电池电连接到ev充电系统100时，浪涌电流限制电路106可以确保ev充电系统100以受控速率充电。有利地，浪涌电流限制电路106可以为ev充电系统100的所有电力组件提供更长的预期寿命和更安全的运行。
13.根据一个实施例，浪涌电流限制电路106的选择性可切换组件被配置为接收来自储能装置的电力输入。选择性可切换组件可以包括可以促进高功率传输的隔离电流传感器108和高阻抗电压传感器110，其中隔离电流传感器108和高阻抗电压传感器110都可以由控制器104控制。控制器104可以被配置为当启动ev充电系统100的运行时，选择性地接通和关
断选择性可切换部件的各种开关。例如，当流过开关的电流达到预定的上限阈值时，可以关断开关。根据一个实施例，可切换组件的切换频率可以是固定的。此外，高阻抗电压传感器110可以包括比浪涌电流限制电路106的其他开关组件更高的阻抗路径，其中更高阻抗的路径有助于控制充电时间。隔离电流传感器108可有助于在发生故障时将输入与输出电路快速隔离。此外，包括在浪涌电流限制电路106中的选择性可切换组件可以降低对存在输出开关元件的需求。
14.在电力输入通过浪涌电流限制电路106之后，电力输入的电压可以由通信连接到浪涌电流限制电路106的交错式升压转换器112升压。具体而言，交错式升压转换器112可以将电力输入的输入电压升高到对应于ev电池电压的更高电压。根据一个实施例，交错式升压转换器112包括三个并联升压转换器114、116、118，除了隔离的电流传感器120之外，每个升压转换器114、116、118的功率为20kw。每个升压转换器114、116、118都被配置为以离散相位运行，以最小化交错式升压转换器112的磁感应器中的纹波电流。例如，控制器104的电子控制电路130可以为每个升压转换器114、116、118设置偏移120度的占空比。
15.根据一个实施例，交错式升压转换器112可以包括多于三个的并行升压转换器114、116、118。例如，交错式升压转换器112可以包括除了升压转换器114、116、118之外的三个附加并行升压转换器（未示出），这样一共有六个升压转换器。这六个升压转换器中的每一个都可以被配置为以彼此以60度的相位差运行。其他实施例可以具有多于六个的升压转换器。例如，交错式升压转换器112可以包括总共九个升压转换器（未示出），它们被配置为以40度的相位差运行。
16.在电力输入通过交错式升压转换器112之后，电磁干扰（emi）滤波器122可以抑制噪声传递到ev电池。在被过滤之后，电力输入通过单向电流电路124，该电路防止ev电池向ev充电系统100提供回电（即放电）。有利地，单向电流电路124确保仅向ev电池供电，并且不会从ev电池中移除供电。单向电流电路124还可以包括隔离电流传感器126和高阻抗电压传感器128。
17.包括上述电子控制电路130的控制器104控制转换器102的交错式dc-dc控制系统。此外，控制器104包括配置成在交错式dc-dc控制系统和电动车电池之间建立充电协议的车辆通信电路132。
18.根据一个实施例，ev充电系统100可以包括安全电路，该安全电路被配置为由于电力故障而使ev充电系统100快速放电。安全电路可以包括电阻和与电阻并联的多个电容器。此外，安全电路可以包括储能组件，该储能组件被配置为在ev充电系统100例如在紧急关闭模式下失电时自动接合。特别地，安全电路有助于在没有外部负载的情况下运行ev充电系统100。根据一个实施例，可以根据命令打开和关闭安全电路以促进在正常运行期间更快地关闭。
19.根据一个实施例，ev充电系统100是可运输的，并且包括堆叠在提供电荷的储能装置上的多层印刷电路板。根据一个实施例，储能装置包括直流电池模块，多层印刷电路板包括转换器102和控制器104，转换器102包括交错式直流-直流控制系统。
20.图3描绘了用于制造电动车充电系统的示例过程300。在框302，电镀用于形成交错式dc-dc控制系统，该系统包括磁芯电感器、散热器和多股线，例如李兹线。散热器可以包括被配置为将由电子和/或机械装置产生的热量传递到流体介质（例如空气或液体冷却剂）的
任何无源热交换器。根据一个实施例，可以通过用于获得所需尺寸的挤压切割来切割散热器。电镀可以产生单个印刷电路板，该印刷电路板包括三个并联升压转换器，它们都位于同一电路板上。有利地，磁芯电感器和散热器的组合可以以小尺寸提供高功率传输。由电镀形成的交错式dc-dc控制系统可以包括浪涌限制电路以及电磁干扰滤波器，该电磁干扰滤波器被配置为抑制噪声传递到电动车电池。所形成的交错式dc-dc控制系统还可以包括被配置为防止从电动车电池放电的单向电流电路。
21.过程300还包括，在框304，将交错式dc-dc控制系统堆叠在诸如电池模块之类的储能装置上。堆叠包括对齐交错式dc-dc控制系统，使得包括三个并联升压转换器的单个印刷电路板具有与储能装置相同的长度和宽度。根据一个实施例，单个印刷电路板可以是多层印刷电路板，大功率元件和细间距元件位于其上。有利地，多个层可以促进高电流相的电流共享。此外，制造过程300避免了必须将较小的控制组件放置在与高功率组件分开的板上。
22.根据各种实施例，制造过程300还可以包括形成控制器，该控制器包括被配置为控制交错式dc-dc控制系统的电子控制电路，并且还包括被配置为在交错dc-dc控制系统和电动车电池之间建立充电协议的车辆通信电路。制造过程300还可以包括形成安全电路，该安全电路被配置为由于电力故障而使电动车充电系统放电。安全电路可以包括一个电阻和多个电容，其中多个电容与该电阻并联。
23.图4描绘了用于对电动车电池（例如，ev电池160）充电的示例过程400。在框402处，交错式dc-dc控制系统接收来自储能装置的电力输入。可以在交错式dc-dc控制系统的浪涌电流限制电路处接收电力输入，其中浪涌电流限制电路包括多个开关组件。在框404处，通信连接到交错式dc-dc控制系统的控制器可以在浪涌电流相位期间接通和关断多个开关组件，使得电流连续流向交错式dc-dc控制系统的三个并联升压转换器。根据一个实施例，多开关元件中的一个开关元件包括比另一开关元件更高的阻抗路径。在框406，三个并联升压转换器可以将电力输入的输入电压升压到电动车电池的更高电压。根据一个实施例，三个并联升压转换器中的每一个都可以是20kw dc-dc转换器，它们以离散相位偏移运行，其中每个相位偏移120度。控制器还可以包括转换器控制电路，其从三个并联升压转换器的电流传感器读取传感器值，并基于此设置三个并联升压转换器的占空比。根据一个实施例，交错式dc-dc控制系统可以包括多于三个并联升压转换器，例如偏移60度的六个升压转换器，或偏移40度的九个升压转换器。在框408，交错式dc-dc控制系统的电磁干扰滤波器可以滤除来自电力输入的噪声。在框410，可以通过单向电流电路将电力输入传输到电动车电池。例如，电动车电池可以接收50kw的标准充电速度。根据一个实施例，示例过程400还可以包括基于检测到电源故障来激活安全电路，该安全电路被配置为对电力输入进行放电，其中该安全电路包括与电容器并联的电阻。
24.尽管提供了各种示例，但在不背离所要求保护方面的精神的情况下，可以有多种变化。例如，以上描述的系统和方法涉及对ev电池充电。该系统和方法可用于为其他便携式和固定电池充电，例如电网电池、便携式设备电池和非车辆移动储能装置应用。
25.本文使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不是限制性的。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该（所述）”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。要进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了所述特征、整数、步骤、运行、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、运
行、元素、组件和/或它们的组合。
26.以下权利要求中的所有装置或步骤加上功能元件的相应结构、材料、动作和等同物（如果有的话）旨在包括用于与特别要求保护的其他要求保护的元件结合执行功能的任何结构、材料或动作。一个或多个实施例的描述是为了说明和描述的目的而呈现的，但并不旨在穷举或限于所公开的形式。许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释各个方面和实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解具有适合预期的特定用途的各种修改的各种实施例。