具有自适应充电协议的电动车辆充电器
阅读说明：本技术 具有自适应充电协议的电动车辆充电器 (Electric vehicle charger with adaptive charging protocol ) 是由 彼得·易卜拉欣 哈尼·瓦赫迪 让·胡格斯·德切内斯 马克·安德烈·佛盖特 于 2020-03-19 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种充电器,包括AC端口、连接到所述AC端口并且包括具有用于接收充电参数的输入的控制器的可变电压DC电源、可连接到所述连接器和所述DC电源的所述输入的接口,其中,所述接口执行将通过所述充电电缆连接器接收的关于所述电池的充电参数的电池管理系统电压命令转换为用于所述可变电压DC电源的所述输入,或者根据关于所述电池的测量的信息为所述可变电压DC电源产生定义用于所述电池的所述充电参数的所述输入。(The present disclosure provides a charger comprising an AC port, a variable voltage DC power source connected to the AC port and comprising a controller having an input for receiving charging parameters, an interface connectable to the connector and the input of the DC power source, wherein the interface performs conversion of a battery management system voltage command received through the charging cable connector regarding charging parameters of the battery into the input for the variable voltage DC power source or generates the input defining the charging parameters for the battery for the variable voltage DC power source from measured information regarding the battery.)
本申请要求于2019年3月19日提交的美国临时专利申请第62/820,474号的优先权，通过引用将其并入本文。
技术领域
本申请的主题总体上涉及电源管理系统领域，并且更具体地涉及与诸如电动车辆(EV)充电器的功率变换器一起工作的电源管理系统。
背景技术
本部分旨在为权利要求中记载的本发明提供背景或上下文。本文的说明书可以包括可以追求的概念，但不一定是先前已经构想或追求的概念。因此，除非本文另有说明，本节中描述的内容不是本申请中的说明书和权利要求的现有技术，并且不能因包含在本节中而承认为现有技术。
随着越来越多的人对使用太阳能电池板的可再生和环保能源感兴趣，电动汽车变得越来越流行。在大多数情况下，此类技术需要被连接到电网或家庭电线并与之配合工作。此外，在一天中的不同时间的电费可变的地区，如果消费者能够管理他们能源的消耗和生产以从更便宜的能源费用中受益，那么使用电动车辆和/或太阳能可能对消费者更具吸引力。
太阳能电池板或光伏(以下为“PV”)系统作为通常产生直流(DC)电的无污染和无排放的能源具有特定的优势。为了将此能源与家用的装备一起使用，通常会使用逆变器。逆变器是一种电气转换器，可将光伏(PV)太阳能电池板的可变直流(DC)输出转换为公用频率交流电(AC)，该交流电(AC)可以被馈入商业电网或由本地、离网型电网使用。有几种类型的逆变器与太阳能电池板一起使用，例如独立逆变器、并网逆变器、备用电池逆变器和智能混合逆变器。
由于太阳能电池板的发电量是波动的，并且可能不容易与负载的电力消耗同步，当没有太阳能发电生产时，有必要储存能量以备后用，例如在电池或其他储存系统中以使用智能混合(智能电网)逆变器管理能量储存和消耗。
此外，电动车辆(“EV”)正变得越来越流行。新的“3级”充电系统，例如申请人在作为WO2019/071359在2019年4月18日公开的具有序列号PCT/CA2018/051291的国际PCT专利申请中公开的充电器，除了能够提供交流(AC)电外，还可以为家用充电单元提供直流(DC)电。必须提到的是，尽管产生直流(DC)电，PV电池板输出不能直接馈送到EV车辆以为其电池充电。
由于它们能够使用家庭电网对EV进行快速充电，因此它们可能将巨大的负载引入到家庭电网，并且更多地引入到整个电网。这意味着当3级充电器工作时，向房屋布线系统引入新的负载可能会导致布线系统过载。
同样地，使用多个AC单元或高使用率的电器可能会给家庭的电力预算带来高负载。
因此，需要一种能量管理系统，其允许用户基于他们的优先级来管理他们的能量消耗，包括为他们的电动车辆充电，而不会使他们的家的电网过载，并且不会超过为家庭定义的预算。
另一方面，尽管事实上EV的电池和太阳能电池板是良好的能源，但目前难以使用它们来减少电力负载和/或受益于较低的可能的能量费用。
因此，需要一种能够管理不同负载和源之间的功率以最小化家庭能量支出和/或根据需要帮助电网的电源管理系统。
发明内容
除其他外，本公开为本领域中的上述需求提供新颖的和创新的解决方案，一旦给出本公开，该解决方案对本领域的技术人员将变得显而易见。
本公开提供了一种充电器，其能够通过使用接口来适配由不同EV及其电池管理系统使用的不同的通信协议，以在将其发送到充电器的控制器单元之前转换从BMS接收的协议。
本公开的进一步有利之处在于它为充电器提供了使用单独的接口同时向具有不同的通信协议的两个EV输送功率的能力。
在一个广泛的方面，本公开提供了一种充电器，充电器包括AC端口、连接到AC端口的可变电压DC电源，并且包括控制器，该控制器具有用于接收充电参数的输入，可连接到电池的充电电缆；可连接到连接器和直流(DC)电源的输入的接口，其中，该接口执行以下两项工作之一。首先，将通过充电电缆连接器接收到的关于电池的充电参数的电池管理系统电压命令转换为用于可变电压DC电源的输入。其次，根据关于电池的测量的信息为可变电压DC电源产生定义用于电池的充电参数的输入。
在一些实施例中，接口可以是可替换的以转换不同类型的通信协议。这些通信协议可以是本领域中可用的任何协议，例如CHAdeMO或特斯拉(Tesla)协议。
本领域的技术人员将理解，接口可以被设计和编程为工作任何其他类型的协议，为充电器及其能力提供灵活性。
在一些实施例中，充电器可以具有两个或更多个接口，每个接口以不同的通信协议工作，使得充电器能够同时为多个具有不同协议的车辆充电。例如，一个连接器可以连接到特斯拉(tesla)电缆并为使用特斯拉(Tesla)协议的EV充电，并且另一个连接器可以连接到CHAdeMO电缆并为使用Tesla协议的EV充电。在一个实施例中，充电器的多个接口可以是相同的，从而允许充电器为多个EV充电。
在一些实施例中，充电器可以具有接口，该接口可以是模块化的并且根据电池类型或BMS协议来选择。这可以通过具有可以在其上添加模块化接口的背板来完成，或者可以通过直接安装到充电器的机壳上来完成。
在一些实施例中，充电器可以由三相电源供电并且向EV提供DC充电。或者，充电器可以由单相AC电源供电。
在一些实施例中，可变电压DC电源具有至少一个转换模块。转换模块包括至少一个用于储存升压后的功率的高压电容器及电路。该电路包括至少一个与AC端口串联连接的电感、低压电容器、两个二极管或连接在第一AC输入端与高压电容器相对端之间的高压开关、两个连接到高压电容器的相对端和低压电容器的相对端之间的中间低压开关、以及两个连接到低压电容器的相对端和第二AC端之间的终端低压开关。DC负载可以被连接到高压电容器的相对端。可变电压DC电源进一步包括控制器，该控制器具有至少一个用于感测电路中电流和/或电压的传感器并且连接到两个中间低压开关和两个终端低压功率开关的栅极输入。
在一个实施例中，电路的控制器可以被操作用于使该电路在升压模式下操作，其中，高压电容器的电压高于AC输入的峰值电压，并且两个中间低压功率开关和两个终端低压功率开关响应于低压电容器上存在的电压的测量而以冗余开关状态进行开关，以便将低压电容器保持在用于高压电容器的所需的电压的预定分数，从而将高压电容器保持在所需的高压，整流器电路作为AC输入上具有低谐波的五电平有源整流器为DC负载供电并吸收功率。
在一个实施例中，可变电压DC电源包括容纳多个转换模块插座的机壳，每个模块包括电路，这些模块并联工作以提供DC电力。
在一个实施例中，该电路可以是双向整流器/逆变器电路，包括与AC端口串联连接的电感器、低压电容器、连接在第一AC端和高压电容器的相对端之间的两个高压电源开关、连接在高压电容器的相对端与低压电容器的相对端之间的两个中间低压功率开关、以及连接在低压电容器的相对端和第二AC端之间的两个终端低压功率开关；其中，DC端口可以被连接到高压电容器的相对端；控制器是用于整流器模式的第一控制器，该控制器具有至少一个传感器，用于感测双向整流器/逆变器中的电流和/或电压并连接到两个高压功率开关、两个中间低压功率开关和两个终端低压功率开关的栅极输入，用于使整流器电路以升压模式工作，其中，高压电容器的电压高于AC输入的峰值电压，并且两个高压功率开关被控制以在AC输入的频率下开启和关闭，并且两个中间低压功率开关和两个终端低压功率开关响应于对低电压存在的电压的测量而以冗余开关状态进行开关，以便将低压电容器保持在用于高压电容器的所需的电压的预定分数，从而将高压电容器保持在所需的高电压，整流器电路作为AC输入具有低谐波的五电平有源整流器为DC负载供电并吸收功率；并且功率变换器进一步包括用于逆变器模式的第二控制器，其连接到两个高压功率开关、两个中间低压功率开关以及两个终端低压功率开关，并且配置为产生信号波形并将信号波形施加到两个高压功率开关、两个中间低压功率开关和两个终端低压功率开关，信号波形包括用于使低压电容器与DC端口以及AC端口串联连接并充电至与DC端口的电压成比例的预定值的第一控制信号，以及用于使低压电容器与DC端口断开连接并与AC端口串联连接从而使低压电容器放电的第二控制信号。
在一个广泛的方面，本公开提供了一种用于将具有第一通信协议的转换器与电动车辆(EV)一起使用的方法。该方法包括在转换器的连接器接口处以第二通信协议从EV接收EV通信；将EV通信从第二通信协议转换为第一通信协议；并控制转换器相应地响应转换后的EV通信。
在方法的一些示例中，将通信从第二通信协议转换为第一通信协议可以包括确定第二通信协议是否符合转换器的第一通信协议。如果第二通信协议符合转换器的第一通信协议，则无需转换即可中继EV通信。如果第二通信协议不符合转换器的第一通信协议，则将EV通信从第二通信协议转换为第一通信协议。
在方法的一些示例中，可以在转换器的连接器接口处将EV通信从第二通信协议转换为第一通信协议。
在方法的一些示例中，在转换器的控制器处将EV通信从第二通信协议转换为第一通信协议。
在一些其他的示例中，方法还可以包括：以第一通信协议发送转换器通信；将转换器通信从第一通信协议转换为第二通信协议；并将转换器通信发送到EV。在一个示例中，将通信从第一通信协议转换为第二通信协议可以包括确定第一通信协议是否符合EV的第二通信协议。如果第一通信协议符合第二通信协议，则无需转换即可中继转换器通信，如果第一通信协议不符合第二通信协议，则将转换器通信从第一通信协议转换为第二通信协议。
在一些其他的示例中，可以在转换器的连接器接口处将转换器通信从第一通信协议转换为第二通信协议。
在一个示例中，可以在转换器的控制器处将转换器通信从第一通信协议转换为第二通信协议。
附图说明
参考以下附图将更好地理解本申请的实施例：
图1示出了根据本发明的实施例的具有能够与电池管理系统通信的接口的电动车辆充电系统的示意图。
图2示出了根据本发明实施例的具有能够与两个电池管理系统通信的两个不同接口的电动车辆充电系统的示意图。
图3示出了根据本公开的一个实施例的系统的框图，其中，接口转换电池管理系统(BMS)之间的通信，使得充电器能够与BMS通信。
图4是图3中所示系统传送电流所采取的步骤的流程图。
图5示出了根据本公开的一个实施例的系统的框图，其中，充电器具有能够转换从两个不同的BMS接收的两个不同的通信协议的两个接口。
图6是图5中所示的系统传送电流所采取的步骤的流程图。
图7示出了根据本公开的一个实施例的系统的框图，其中，确定电池的充电参数。
图8是图7中所示的系统传送电流所采取的步骤的流程图。
图9是根据本公开的一个实施例的本文公开的方法的流程图。
具体实施方式
在整个说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似的语言可以但不一定都指代相同的实施例。
此外，在一个或更多个实施例中，本发明所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。对本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明旨在涵盖本发明的修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。现在将详细参考本发明的优选的实施例。
在一个广泛的方面，本公开提供了一种充电器，包括AC端口、连接到AC端口的可变电压DC电源，并且该充电器包括具有接收充电参数的输入的控制器、可连接到电池的充电电缆控制器；可连接到连接器和DC电源的输入的接口，其中，该接口执行以下两项工作之一。首先，将通过充电电缆连接器接收到的关于电池的充电参数的电池管理系统电压命令转换为用于可变电压DC电源的输入。其次，根据关于电池的测量信息为可变电压DC电源产生定义用于电池的充电参数的输入。
如图1所示，本公开提供了一种充电器100，该充电器100能够通过使用接口102来适配不同的EV及其电池管理系统使用的不同的通信协议，以在将其发送到充电器的控制器单元之前转换从BMS 104接收的协议。
图4展示了图1中所示的充电器的流程图。电池管理系统(BMS)104通过连接器108与接口102通信。连接器108连接到充电电缆和数据电缆，该充电电缆具有承载电流的充电电缆，数据电缆承载充电参数(CP)等信息。连接器108将以BMS通信协议接收的数据传递到接口102。接口转换充电参数并将它们发送到控制器110，控制器110控制可变电压DC电源112。DC电源转换从电源106相应接收的电力并将其发送到连接器108，它将从连接器108被直接发送到EV电池118。
本公开的进一步有利之处在于它可以为充电器100提供使用单独的接口同时向具有不同的通信协议的两个EV输送电力的能力。图2是此实施例的示意图演示。此处，充电器具有两个接口102和102'，与BMS 104和104'独立地通信，能够同时为具有相同的或不同的通信协议的两辆汽车充电。
图3展示了通过AC端口502从电源106接收电流的仅具有一个接口102的充电器100的框图。
同样地，图5展示了本文公开的充电器的实施例的框图，该充电器具有两个连接器108和108'以及两个接口102和102'，向EV电池1和2提供独立充电。
在一些实施例中，接口可以是可替换的以转换不同类型的通信协议。这些通信协议可以是本领域中任何可用的协议，例如CHAdeMO、组合充电系统(CCS)或特斯拉(Tesla)协议。
本领域的技术人员将理解，接口可以被设计和编程为适用于任何其他类型的协议，为充电器及其能力提供灵活性。
在一些实施例中，充电器可以具有两个或更多个接口102，每个接口102以不同的通信协议工作，使得充电器能够同时以不同的协议为多个车辆充电。例如，一个连接器可以连接到特斯拉(Tesla)电缆并为使用Tesla协议的EV充电，并且另一个连接器可以连接到CHAdeMO电缆并为使用Tesla协议的EV充电。在一个实施例中，充电器的多个接口可以是相同的，从而允许充电器为多个EV充电。
图6展示了实施例中的充电器100的流程图，该充电器100具有两个接口并且独立于它们的协议为两个车辆充电。
在一些实施例中，充电器可以具有可以是模块化的并且被选择作为电池类型或BMS协议的函数的接口。这可以通过具有可以在其上添加模块化接口的背板来完成，或者可以通过直接安装到充电器的机壳上来完成。
图7展示了仅具有一个为电池702充电的接口的充电器100。在这种情况下，接口102可以基于其可以接收的不同信息来确定电池702所需的充电参数。接口102所需的信息可以通过用户接口被接收，定义电池类型和所需的充电电压速度等。
或者，接口102可以通过测量工具或传感器接收诸如温度、电压、电流之类的信息并相应地计算充电参数。如本领域中已知的，电池温度可用于调节充电率。
在另一个实施例中，电池可以具有包含充电参数或关于电池的其他信息的电子电路，使得接口能够确定充电参数或转换它们。
图8示出了当接口102用于为电池702充电时充电器使用的流程图。
现在参考图9，已经示出了用于在具有第一通信协议的转换器和具有第二通信协议的EV之间的通信的方法的示例。方框S902展示了在接口102处接收通信。在一些示例中，这可能以两种方式发生，意味着转换器和EV可以通过接口102彼此通信。然后通信被转换为如方框906中的其他的通信协议并且将被转发。
在一些示例中，如方框904中的，接口102可以确定通信协议是否相符合。这对于将通信从一种通信协议不必要地转换为另一种通信协议是有利的。在此示例中，仅在通信不符合其他的通信协议的情况下，才对该通信进行转换，否则，如方框S908中，将仅对该通信进行中继。
在一些其他的示例中，接口被预定义用于两个特定的通信协议之间的通信并且安装有连接器108，而在一些实施例中，该接口可以是能够接收不同的协议的通用接口。
本领域的技术人员将理解，尽管在不同的图中将插图作为单独的元件，但它可以是转换器的控制器的集成部分。
在一些实施例中，转换器可以由三相电源供电并且向EV提供DC充电。或者，转换器可以由具有合适的整流器电路的单相AC电源供电。
在一些实施例中，可变电压DC电源具有至少一个转换模块。转换模块可以是开关功率转换模块，其从AC市电(例如，分相240V AC)汲取电力，同时考虑接近单位功率因数。
转换模块可以包括至少一个用于储存处于一定电压的电力的高压电容器和电路。该电路可以包括与AC端口串联的至少一个电感器、低压电容器、连接在第一AC输入端和高压电容器的相对端之间的两个二极管或高压开关、连接在高压电容器的相对端和低压电容器的相对端之间的两个中间低压开关、以及连接在低压电容器的相对端和第二AC端之间的两个终端低压开关。DC负载可以被连接到高压电容器的相对端。该电路进一步包括控制器，该控制器具有用于感测电路中电流和/或电压的至少一个传感器，并且连接到两个中间低压开关和两个终端低压功率开关的栅极输入。
在一个实施例中，电路的控制器可操作地用于使电路在升压模式下操作，其中，高压电容器的电压高于AC输入的峰值电压，并且两个中间低压功率开关和两个终端低压功率开关响应于低压电容器上存在的电压的测量而以冗余开关状态被开关，以便将低压电容器保持在高压电容器的所需的电压的预定分数，从而将高压电容器保持在所需的高压，整流器电路作为AC输入上具有低谐波的五电平有源整流器为DC负载供电并吸收功率。
在一个实施例中，可变电压DC电源包括容纳多个转换模块插座的机壳，每个模块包括电路，这些模块并联工作以提供DC电力。
在一个实施例中，电路可以是双向整流器/逆变器电路，电路包括与AC端口串联的电感器、低压电容器、连接在第一AC端和高压电容器的相对端之间的两个高压功率开关、连接在高压电容器的相对端和低压电容器的相对端之间的两个中间低压功率开关、以及连接在低压电容器的相对端和第二AC端之间的两个终端低压功率开关；其中，DC端口可以被连接到高压电容器的相对端；控制器是用于整流器模式的第一控制器，控制器具有至少一个传感器，用于感测双向整流器/逆变器中的电流和/或电压，且该传感器连接到两个高压功率开关，两个中间低压功率开关和两个终端低压功率开关的栅极输入，用于使整流器电路工作在升压模式，其中，高压电容器的电压高于AC输入的峰值电压，并且两个高压功率开关被控制开启和关闭AC输入的频率，并且两个中间低压功率开关和两个终端低压功率开关响应于对在低电压电容器处存在的电压的测量而切换为冗余开关状态，以便将低压电容器保持在用于高压电容器所需的电压的预定分数，从而将高压电容器保持在所需的高电压，整流器电路作为AC输入上具有低谐波的五电平有源整流器为DC负载供电并吸收功率；并且功率变换器进一步包括用于逆变器模式的第二控制器，该第二控制器连接到两个高压功率开关、两个中间低压功率开关以及两个终端低压功率开关，并且配置为产生信号波形并将信号波形施加到两个高压功率开关，两个中间低压功率开关和两个终端低压功率开关，信号波形包括用于使低压电容器与DC端口和AC端口串联连接并被充电至与DC端口的电压成正比的预定值的第一控制信号，以及用于使低压电容器从DC端口断开连接并与AC端口串联连接从而使低压电容器放电的第二控制信号。
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