一种可支持直流充电国标的电动汽车充电宝
阅读说明：本技术 一种可支持直流充电国标的电动汽车充电宝 (Can support direct current national standard's that charges electric automobile treasured that charges ) 是由 彭建华 潘继雄 周幼华 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电动汽车充电技术领域,公开了一种可支持直流充电国标的电动汽车充电宝,解决了目前市面上电动汽车充电宝所存在的对车载动力电池充电电流小,充电时间长,自身补电时间也长,以及和2015版直流充电国标接口不匹配的问题,可作为电动汽车充电桩功能的延伸和扩展,兼容2015版国标充电通信协议,可以直接利用随车携带的直流充电枪及连接电缆对电动汽车进行插枪快充,同时充电宝也支持户外直流充电桩和交流充电桩对其自身进行插枪补电,还可以实现户外直流充电桩对电动汽车和充电宝“一枪两充”的双充模式,做到一次性充满两台设备,彻底解决了电动汽车在行驶途中充电难、充电慢、充电不便的弊端,具备较高的市场推广价值。(The invention relates to the technical field of electric vehicle charging, and discloses an electric vehicle charging bank capable of supporting a direct-current charging national standard, which solves the problems that the charging current of a vehicle-mounted power battery is small, the charging time is long, the self-charging time is also long, and the charging bank is not matched with a 2015-version direct-current charging national standard interface in the existing electric vehicle charging bank in the market Slow, the inconvenient drawback of charging, possess higher market spreading value.)
技术领域
本发明涉及电动汽车充电技术领域，特别涉及一种可支持直流充电国标 的电动汽车充电宝。
背景技术
如今虽然大多数电动汽车都支持直流充电桩的快充电模式以及交流充电桩的慢充电模式，但充电地点比较固定，一般是在小区停车场、写字楼停车场和专用的充换电站，因此难免会出现这样一些尴尬情况：行驶在僻远地区或乡村郊区的电动汽车剩余电量难以支撑其行驶到充换电站；行驶在高速公路上的电动汽车剩余电量难以支撑其行驶到下一个设有充电桩的服务区；由于充电时间长，充电站经常要排队等候充电；所住小区没有设立充电桩充电。一旦电动汽车进入缺电状态而又得不到及时补电，就会因电能耗尽而发生“趴窝”，被迫原地等待拖车救援服务，这无疑增加了用户的使用成本，严重影响了用户的驾乘体验。
类似于手机为了延长备电时间，就诞生了手机充电宝一样，电动汽车因 为续航里程有限，为了解决最后1公里的尴尬问题，电动汽车充电宝在此背景 下应运而生。电动汽车充电宝可以随车携带出行，使用方便，属于汽车备用 电源，可作为电动汽车充电桩功能的延伸和扩展，弥补充电桩不能移动的缺 陷，是解决行驶中汽车充电难的有效途径。
目前国内许多研究机构和学者分别提出了多种汽车充电宝电气架构和方 案，比如专利CN209298938U将汽车充电宝分为车用底座和电池能量块两部 分，车用底座连接到高压箱，具备双向DC/DC电源转换的功能，可以将电池 能量块的低压电转换成高压电对车载动力电池进行充电，但充电电流只有 15A；专利CN106992585A通过采用双向AC/DC电源转换模块和双向DC/DC电 源转换模块来实现汽车充电宝对车载动力电池的交流充电和直流充电，以及 外界交流市电对汽车充电宝的补电；专利CN106208249B提出的一种汽车充电宝电气结构应用较为普遍，分为充电组件、蓄电池组件和输出组件，充电组 件支持外界交流市电对蓄电池组件充电，蓄电池组件作为备用电源储存能量， 输出组件将蓄电池组件电压提升后对车载动力电池进行充电。然而，上述专 利所提及的充电宝方案普遍存在充电电流小，对车载动力电池充电时间长， 自身补电时间也长，以及和电动汽车直流充电国标接口不匹配的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种可支持直流充电国标的电动汽车充电宝， 旨在使电动汽车充电宝兼容电动汽车上的直流充电接口，支持2015版国标充 电通信协议，可以对电动汽车进行直流快充，同时充电宝也应支持直流充电 桩和直流充电枪对其自身进行快充补电，彻底解决电动汽车在行驶途中充电 难、充电慢、充电不便的弊端，彻底消除因续航里程有限所带来的“里程焦虑” 问题。
为实现上述目的，本发明提出的可支持直流充电国标的电动汽车充电宝， 包括磷酸铁锂电池组、电池管理系统(BMS)、双向DC/DC隔离变换电源、 开关切换单元、整流单元、直流充电接口座、直流供电接口座、交流充电接 口座、触摸屏、AC逆变电源、DC转换电源、12Vdc直流输出接口、Type-C 输出接口、USB-A输出接口以及AC交流输出接口，所述双向DC/DC隔离变 换电源包括直流升压电路和直流降压电路，所述双向DC/DC隔离变换电源、 开关切换单元以及磷酸铁锂电池组依次串联电连接，所述直流充电接口座和 直流供电接口座分别与所述开关切换单元电连接，所述交流充电接口座、整 流单元以及双向DC/DC隔离变换电源依次串联电连接，所述AC逆变电源、 DC转换电源分别与所述磷酸铁锂电池组电连接，所述12Vdc直流输出接口、 Type-C输出接口以及USB-A输出接口分别与所述DC转换电源电连接，所述 AC交流输出接口与所述AC逆变电源电连接，所述电池管理系统(BMS)与 所述磷酸铁锂电池组电连接，所述电池管理系统(BMS)分别通过CAN总线 与所述双向DC/DC隔离变换电源和开关切换单元通信连接，所述电池管理系 统(BMS)分别控制所述双向DC/DC隔离变换电源升压和降压之间的切换动 作以及开关切换单元的切换动作，所述触摸屏与所述电池管理系统(BMS) 电连接。
可选地，所述磷酸铁锂电池组包括16串高倍率单体电芯，且所述高倍率 单体电芯的额定容量均为100Ah，所述16串高倍率单体电芯均为串联电连接。
可选地，所述磷酸铁锂电池组的额定电压为51.2V，所述磷酸铁锂电池组 的额定容量为100Ah，所述磷酸铁锂电池组的总电量为5.12KWh。
可选地，所述双向DC/DC隔离变换电源的总功率为5KW，升压输出电 压范围为200Vdc～750Vdc。
可选地，所述12Vdc直流输出接口输出功率为13.6Vdc/10A。
可选地，所述AC交流输出接口的输出功率为500W。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
1、本发明提出的电动汽车充电宝兼容电动汽车上的直流充电接口，支持 2015版国标充电通信协议，可以直接利用直流充电枪及连接电缆对电动汽车 进行插枪快充，同时也支持户外直流充电桩和交流充电桩对其自身进行插枪 补电；
2、本发明提出的电动汽车充电宝支持户外直流充电桩对电动汽车和充电 宝“一枪两充”的双充模式，优先对电动汽车充电，电动汽车充满电后再对充电 宝进行充电，做到一次性可以充满两台设备；
3、本发明提出的电动汽车充电宝提供12Vdc直流输出接口功能，可以利 用随车携带的汽车搭火线提供应急点火服务；
4、本发明提出的电动汽车充电宝提供220Vac交流输出接口功能、Type-C 输出接口功能以及USB-A输出接口功能，支持对3C数码设备、便携式音视 频设备、电动工具以及中小功率交流用电设备提供充电和供电服务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的 附图。
图1为本发明提出的一种可支持直流充电国标的电动汽车充电宝的外部 连接方框图；
图2为本发明提出的一种可支持直流充电国标的电动汽车充电宝的内部 电气架构及外部连接图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步 说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、 后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位 置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应 地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域 普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现 时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种可支持直流充电国标的电动汽车充电宝。
如图1和2所示，在本发明一实施例中，该可支持直流充电国标的电动 汽车充电宝，包括磷酸铁锂电池组、电池管理系统(BMS)、双向DC/DC隔 离变换电源、开关切换单元、整流单元、直流充电接口座、直流供电接口座、 交流充电接口座、触摸屏、AC逆变电源、DC转换电源、12Vdc直流输出接 口、Type-C输出接口、USB-A输出接口以及AC交流输出接口，所述双向 DC/DC隔离变换电源包括直流升压电路和直流降压电路，所述双向DC/DC隔 离变换电源、开关切换单元以及磷酸铁锂电池组依次串联电连接，所述直流 充电接口座和直流供电接口座分别与所述开关切换单元电连接，所述交流充 电接口座、整流单元以及双向DC/DC隔离变换电源依次串联电连接，所述 AC逆变电源、DC转换电源分别与所述磷酸铁锂电池组电连接，所述12Vdc 直流输出接口、Type-C输出接口以及USB-A输出接口分别与所述DC转换电 源电连接，所述AC交流输出接口与所述AC逆变电源电连接，所述电池管理 系统(BMS)与所述磷酸铁锂电池组电连接，所述电池管理系统(BMS)分 别通过CAN总线与所述双向DC/DC隔离变换电源和开关切换单元通信连接， 所述电池管理系统(BMS)分别控制所述双向DC/DC隔离变换电源升压和降 压之间的切换动作以及开关切换单元的切换动作，所述触摸屏与所述电池管 理系统(BMS)电连接。
具体地，所述磷酸铁锂电池组为充电宝储能电源，用于储存外部电源输 入的电能，经过直流变换后对电动汽车进行充电，磷酸铁锂电池具有温度特 性好、循环寿命长、安全性能高的优点，比较适合作为充电宝储能电源，折 中考虑重量和电量，所述磷酸铁锂电池组选择16串额定容量为100Ah的高倍 率单体电芯串联成组，构成51.2V/100Ah电压/容量规格的备用电源，总电量 5.12KWh，可增加续航里程约40公里。
具体地，所述双向DC/DC隔离变换电源属于充电宝充放电主回路中的核 心电气部件，设计总功率5KW，由直流升压电路和直流降压电路两部分组成， 直流升压电路用于将充电宝储能电源电压平台提升至电动汽车动力电池工作 电压平台，满足绝大多数电动汽车工作电压范围：200Vdc～750Vdc；直流降 压电路用于将户外直流充电桩和交流充电桩输出的高压电降压变换为充电宝 储能电源的工作电压平台，从而实现对充电宝快速充电，充电电流最高可达 到100A。
具体地，电池管理系统(BMS)是充电宝的控制内核，主要职责是为磷 酸铁锂电池的工作过程保驾护航，防止电池出现过充电、过放电、过温、过 流和短路等伤害性故障，同时BMS还担负着同电动汽车和户外直流充电桩交 互通信的任务，BMS充电通信协议完全兼容《GB/T 27930—2015电动汽车非 车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》中之规定，无缝实现充 电宝对电动汽车的直流快充，以及户外直流充电桩对充电宝的快速补电，另 外，BMS与双向DC/DC隔离变换电源、开关切换单元分别建立CAN总线通 信，通过控制双向DC/DC隔离变换电源升压和降压之间的切换动作，执行充 电宝的充电工作流程和放电工作流程；又通过控制开关切换单元实现户外直 流充电桩对充电宝和电动汽车的同时充电，并且优先对电动汽车充电，当电 动汽车充满电后再切换到对充电宝进行充电。
具体地，所述直流充电接口座和直流供电接口座提供充电控制导引信号 CC1、CC2及其检测功能，满足传导充电国标《GB/T 18487.1—2015电动汽 车传导充电系统—第1部分：通用要求》和《GB/T 20234.3—2015电动汽车 传导充电用连接装置—第3部分：直流充电接口》中之规范，属于支持直流 协议充电的物理媒介。
具体地，所述交流充电接口座提供充电控制导引信号CC、CP及其检测 功能，满足传导充电国标《GB/T 18487.1—2015电动汽车传导充电系统—第 1部分：通用要求》和《GB/T 20234.2—2015电动汽车传导充电用连接装置 —第2部分：交流充电接口》中之规范，属于支持交流协议充电的物理媒介。 充电宝支持户外交流充电桩插枪充电，交流市电经过交流充电接口座后进入 整流单元，整流单元将220Vac交流市电转换为311Vdc直流高压电并接入双 向DC/DC隔离变换电源输入端，经降压变换后再对充电宝储能电池进行充电。
具体地，所述AC交流输出接口用于220Vac交流输出，充电宝储能电池 经过AC逆变电源逆变后可以为外界提供220Vac交流电，设计功率500W， 可以接笔记本电脑、电动工具等交流负载。
具体地，所述12Vdc直流输出接口、Type-C输出接口以及USB-A输出接 口为充电宝对外的附加直流输出端口，均由DC转换电源将充电宝储能电池能 量降压转换而得到。所述12Vdc直流输出接口提供13.6Vdc/10A输出功率， 通过汽车打火线可以为汽车电瓶充电，提供应急点火服务；所述Type-C输出 接口支持USB-PD快充协议，输出电压自适应5Vdc/9Vdc/12Vdc/15Vdc/20Vdc， 设计最大电流/功率为3A/60W，兼容APPLE2.4A、DCP1.5A、QC3.0/4-12V、 QC2.0/9V/12V、SamsungAFC9V、HuaweiFCP9V等多种快充协议；所述USB-A 输出接口提供5Vdc/2.4A输出功率，可以为手机、小型音视频娱乐设备、便 携式电动玩具等提供充电服务。
具体地，所述触摸屏为充电宝的人机界面，用于对外显示交流、直流输 入以及输出电压、电流和功率等参数，显示充电宝内各部件设备的工作状态 以及储能电池充放电电流和SOC等数据，另外，还可以通过触摸屏强制控制 充电宝对电动汽车进行充电及自身补电操作，并可以对AC交流输出、12Vdc 直流输出、Type-C输出以及USB-A输出的通断进行控制。
本发明提出的电动汽车充电宝可随车携带出行，安全可靠，使用方便， 其工作过程及操作步骤描述如下：
(1)如果电动汽车在行驶途中电池电量过低或已进入缺电状态，立即将 车行驶至安全地带，熄火停车，打开后备箱，拿出直流充电枪及连接电缆， 一头插入充电宝上的直流供电接口座，一头插入电动汽车上的直流充电接口 座，然后按下充电宝上的电源开关，启动充电宝，一切准备就绪后，再通过 触摸屏选择“直流插枪充电”，充电宝即开始执行对电动汽车的直流充电流程；
(2)通过查看触摸屏，了解充电状态、充电电流以及SOC等参数，当 电动汽车动力电池SOC增长到足以让汽车行驶至设有充电桩的运营站点时， 可通过触摸屏选择“终止充电”，结束直流充电过程，并关闭充电宝电源，拔下 充电电缆；
(3)将车行驶至设有充电桩的运营站点后，可以通过直流充电桩对电动 汽车和充电宝进行同时充电，先将随车携带的直流充电枪及连接电缆分别对 插充电宝上的直流供电接口座和电动汽车上的直流充电接口座，然后将运营 站点的直流充电枪插入到充电宝上的直流充电接口座，一切准备就绪后，再 通过触摸屏选择“一枪两充”，即开启直流充电桩对电动汽车和充电宝的双充模 式，“一枪两充”分优先等级，优先对电动汽车充电，电动汽车充满电后再对充 电宝进行充电；
(4)如果用户所住小区停车场设有交流充电桩，可以在晚上停车期间， 利用交流充电桩对充电宝进行交流充电，交流充电时间要比直流充电时间长， 直接将交流充电枪插入充电宝上的交流充电接口座，再通过触摸屏选择“交流 插枪补电”，即开始执行对充电宝的交流充电流程；
(5)如果汽车铅酸蓄电池亏电，导致钥匙开关点火失败，可以利用随车 附带的汽车搭火线从充电宝的12Vdc直流输出接口连接到车载铅酸蓄电池的 正、负极柱，再通过触摸屏选择“启动12Vdc直流输出”来提供应急点火服务；
(6)如果需要使用充电宝上的AC交流输出功能、Type-C输出功能以及 USB-A输出功能，只需要将相应负载设备插入到对应的输出接口，然后再通 过触摸屏分别选择“启动AC交流输出”、“启动Type-C输出”以及“启动USB-A 输出”即可对外供电。
具体地，本发明针对目前市面上电动汽车充电宝所存在的对车载动力电 池充电电流小，充电时间长，自身补电时间也长，以及和2015版直流充电国 标接口不匹配的问题，提出了一种可支持直流充电国标的电动汽车充电宝， 可作为电动汽车充电桩功能的延伸和扩展，兼容2015版国标充电通信协议， 可以直接利用随车携带的直流充电枪及连接电缆对电动汽车进行插枪快充， 同时充电宝也支持户外直流充电桩和交流充电桩对其自身进行插枪补电。另 外，本发明提出的电动汽车充电宝还可以实现户外直流充电桩对电动汽车和 充电宝“一枪两充”的双充模式，做到一次性充满两台设备，彻底解决了电动汽 车在行驶途中充电难、充电慢、充电不便的弊端，具备较高的市场推广价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构 变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范 围内。
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