CN102355039B - 一种全数字化高效多频快速充电电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全数字化高效多频快速充电电源。包括高功率因数高效整流模块及双向DC/DC变换模块，高功率因数高效整流模块包括有滤波电路、有源功率因数校正电路、网压检测电路、输入电流检测电路、PFC数字控制系统、功率因数校正驱动电路等；双向DC/DC变换模块包括有双向DC/DC变换器、输出滤波电路、双向DC/DC变换器数字控制系统、双向DC/DC变换器驱动电路等。本发明的有源功率因数校正电路采用了三相三电平三开关的拓扑形式，结合数字控制方式提高了功率因数并降低了电流谐波干扰；双向DC/DC变换器采用四相结构桥式电路，每两相通过耦合电感连接至输出，并结合同相互补、异相移相与多频控制方式，降低输出侧的电流纹波，提高了EMC特性与整机效率。

Description

一种全数字化高效多频快速充电电源

技术领域

本发明是一种涉及电力电子与电力传动、电池充电技术及电动汽车等新能源领域的全数字化高效多频快速充电电源，属于充电电源的创新技术。 

背景技术

 现有动力电池充电通常采用恒流充电、恒压充电的方法；恒流充电时，由于电池可接受电流的能力随着充电过程而下降，充电后期电流主要用于电解水，析出气体而不能有效地转化为化学能，充电效率下降；恒压充电时，由于电池电压不确定，造成充电电流过大，易出现电池极柱弯曲等问题而影响电池寿命。实际应用多采用恒流、恒压分段式充电的方式，要求较长的充电时间。

采用工频交流电作为输入的充电电源中，往往功率因数低，电流失真率大，脉冲充电对电网产生的谐波干扰比较强，大功率充电电源尤其如此；此外，输出部分的DC/DC变换模块效率也成为影响充电电源往大功率快速充电方向发展的瓶颈。

为此，现有技术中出现了对动力电池进行正负脉冲快速充电的一些方法，并且也有一些较高效率的充电电源出现，例如中国专利200710020300，200710022012.4，201010202827.2等都提及了对电池进行快速充电的技术方案，中国专利200710000451.5，200510091141.x提及了提高功率因数与效率的技术方案，但各自的技术方案各不相同，未见同时将高功率因数高效整流与快速充电结合在一起的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种解决大容量电池快速充电的问题的全数字化高效多频快速充电电源。本发明设计合理，方便实用。

本发明的技术方案是：本发明的全数字化高效多频快速充电电源，包括有高功率因数高效整流模块及双向DC/DC变换模块，其中高功率因数高效整流模块包括有滤波电路、有源功率因数校正电路、网压检测电路、输入电流检测电路、PFC数字控制系统、母线电压检测电路、功率因数校正驱动电路及母线超级电容，网压检测电路连接电压保护电路，母线电压检测电路、输入电流检测电路、电压保护电路一起连接至PFC数字控制系统中，PFC数字控制系统通过功率因数校正驱动电路与有源功率因数校正电路连接；双向DC/DC变换模块包括有双向DC/DC变换器、输出滤波电路、双向DC/DC变换器数字控制系统，输出电流检测电路、输出电压检测电路、双向DC/DC变换器驱动电路，输出电流检测电路、输出电压检测电路均连接双向DC/DC变换器数字控制系统，双向DC/DC变换器数字控制系统通过双向DC/DC变换器驱动电路与双向DC/DC变换器连接，双向DC/DC变换器（10）与输出滤波电路相互连接后输出至电池。

上述有源功率因数校正电路包括有电感L1、L2、L3、二极管D1～D18，功率开关管 Q1、Q2、Q3、电容C3、C4，母线超级电容C1、C2、双向DC/DC变换器包括有功率开关管 VT1～VT8、二极管D19～D26、电容C5～C12，电感L4～L7及电容C13、C14，电感L1、L2、L3，二极管D1～D18，功率开关管Q1、Q2、Q3母线中超级电容C1、C2连接构成有源功率因数校正电路；后级由功率开关管 VT1～VT8、二极管D19～D26、电容C5～C12、电感L4～L7及电容C13相互连接构成DC/DC变换器；有源功率因数校正电路中，二极管D7、D8、D9、D10与Q1构成R相的双向开关， D11、D12、D13、D14与Q2构成S相的双向开关，D15、D16、D17、D18与Q3构成T相的双向开关，双向开关的左边分别与输入电感L1、L2、L3相连接，右边同时连接至母线电容的中点，与二极管D1～D6共同构成三相三电平三开关的结构形式，功率开关管 VT1～VT8与反并联的二极管D19～D26、电容C5～C12构成四相桥式的电路，四相上桥臂漏极均与连接有超级电容的直流母线正极连接，四相下桥臂源极均与连接有超级电容的直流母线负极连接，中点分别连接电感L4、L5、L6、L7的左侧，电感L4～L7右侧均接至输出电容C13正极。

上述双向DC/DC变换器中采用的耦合电感L4～L7，L4与L5、L6与L7分别绕在同一个EE磁芯的两边，从左往右看按顺时针方向绕线，电流由b、c流向a或电流由b1、c1流向a1时，所产生的磁通方在磁芯中柱的方向一致，磁芯留有气隙，以确保电感工作时不进入饱和状态，耦合电感的a、a1均接至电容C13正极。

上述VT1、VT2与VT3、VT4驱动信号相位相差180度，VT1、VT2与VT5、VT6驱动信号相位相差90度，VT5、VT6与VT7、VT8驱动信号相位相差180度。

上述双向DC/DC变换器采用双闭环控制方式，电流为内环，电压为外环。

上述L4、L5、L6、L7中安装有用于采集四相电流的电流传感器，电流传感器的信号输出端通过采样调理电路将信号送至双向DC/DC变换器。

上述双向DC/DC变换器采用同相互补、异相移相的控制方式.

上述双向DC/DC变换器数字控制系统根据电流的大小调节双向DC/DC变换器的工作频率。

通过双向DC/DC变换器电流双向流动特性来实现电池充电及短时大电流放电。

本发明根据马斯定律所指出的电池充电过程中间隔的对电池进行短时大电流放电，可使电池去极化，提高充电电流接受率，本发明提供一种全数字化高效多频快速充电电源。该电源通过超级电容或大容量电容将有源功率因数校正电路与双向DC/DC变换器连接在一起，采用三相三电平三开关整流技术、双向DC/DC变换器四相桥式电路结合电感耦合技术与多频控制等技术，解决大容量电池快速充电的问题。本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）本发明的整流器采用三相三电平三开关整流技术结合数字控制技术，功率因数极高，电流失真率极小。

（2）本发明的DC/DC变换器采用四相桥式结构，结合控制方法，实现了软开关，降低了电磁干扰，提高了效率；结合电感耦合技术，降低了电感与电容的体积要求；根据充电电流调节工作频率的变频控制方法，保证了不同输出功率等级下的高效率。

（3）本发明将马斯定律应用于电池充电，结合数字控制系统，实现大功率快速充电。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的全数字化高效多频快速充电电源。

附图说明

图1是本发明的系统整体框图；

图2是本发明的主电路原理图；

图3是本发明采用的耦合电感结构原理图；

图4是本发明的开关器件驱动电路图；

图5(a)是本发明的PFC控制系统主程序流程图；

图5(b)是本发明的PFC控制系统中断程序流程图；

图5(c)是本发明的双向DC/DC变换器控制系统主程序流程图；

图5(d)是本发明的双向DC/DC变换器控制系统中断程序流程图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3所示，如图1所示是本发明的系统整体框图，所述的充电电源，其输入为工频三相交流电，对象是电池，三相交流电通过滤波、整流后，由双向DC/DC变换器将电压变换到适合电池充电的电压后，经输出滤波给电池充电；本发明通过PFC数字控制系统对有源功率因数校正电路进行控制，并通过输入电流检测环节与母线电压检测环节来实现闭环控制，控制系统产生的控制信号通过驱动电路连接有源功率因数校正电路；通过双向DC/DC变换器数字控制系统对双向DC/DC变换器进行控制，并通过输出端的电流检测环节与电压检测环节来实现闭环控制，控制系统产生的控制信号通过驱动电路连接双向DC/DC变换器。本发明在输入端与输出端分别设有滤波电路，以提高电磁兼容特性。

本实施例中，如图2所示为本发明主电路原理图，将有源功率因数校正电路、母线超级电容、DC/DC变换器相互连接构成本发明的主电路，电感L1、L2、L3，二极管D1～D18，功率开关管Q1、Q2、Q3及母线中超级电容C1、C2按图相互连接构成有源功率因数校正电路；后级由功率开关管 VT1～VT8、二极管D19～D26、电容C5～C12、电感L4～L7及电容C13相互连接构成DC/DC变换器。

本实施例中，有源功率因数校正电路中，二极管D7、D8、D9、D10与Q1构成R相的双向开关， D11、D12、D13、D14与Q2构成S相的双向开关，D15、D16、D17、D18与Q3构成T相的双向开关，双向开关的左边分别与输入电感L1、L2、L3相连接，右边同时连接至母线电容的中点，与二极管D1～D6共同构成三相三电平三开关的结构形式。通过电流传感器对电感电流进行实时采样电流传感器输出的信号经运算放大器滤波放大后，叠加1.65V的直流分量后连接至PFC数字控制系统中，通过PFC数字控制系统运算后得到Q1、Q2、Q3的占空比以控制电流相位与电压相位一致。

本实施例中，功率开关管 VT1～VT8与反并联的二极管D19～D26、电容C5～C12构成四相桥式的电路，电路的上、下两端与连接有超级电容的直流母线连接，中点分别连接电感的左侧，电感右侧均接至输出电容C13正极；以上器件相互连接构成双向DC/DC变换器。

本实施例中，如图3所示是本发明双向DC/DC变换器采用的耦合电感， L4与L5、L6与L7分别绕在同一个EE磁芯的两边，绕线方向如图中所示，保证电流由b、c流向a或保证电流由b1、c1流向a1时，所产生的磁通方在磁芯中柱的方向一致，磁芯留有气隙，以确保电感工作时不进入饱和状态。耦合电感的b、c、b1、c1分别接至由VT1～ VT8构成的四相桥式电路中各相的中点。电路工作时，上桥臂部分开关管VT1、VT3、VT5、VT7的占空比相等，下桥臂部分开关管VT2、VT4、VT6、VT8  的占空比相等，上下桥的开关管占空比互补；其中VT1、VT2与VT3、VT4驱动信号相位相差180度，VT1、VT2与VT5、VT6驱动信号相位相差90度，VT5、VT6与VT7、VT8驱动信号相位相差180度。电路工作时，电流经过耦合后在a点的纹波减小。电容C5～C12在开关器件VT1～VT8关断时嵌位器件的电压，配合互补管的反并联二极管，器件电流快速降为零，确保器件软关断。二极管D19～D26处于续流状态时将对于的功率管电压嵌位至零，确保器件的零电压开通。

本实施例中，双向DC/DC变换器采用双闭环控制方式，电流为内环，电压为外环。分别在L4、L5、L6、L7中安装电流传感器用于采集四相的电流，通过采样调理电路将信号送至双向DC/DC变换控制系统参与控制量的运算，同时控制系统将根据总电流大小来调节驱动信号的频率，以改变双向DC/DC变换器的工作频率，确保不同功率等级下高效工作。直流母线电压与电池电压通过电阻分压后，经线性光耦HCPL7840隔离后将信号连接至电压信号调理电路，最终分别将信号送至PFC数字控制系统与双向DC/DC变换器数字控制系统中。

本实施例中，如图4所示是本发明功率开关器件的驱动电路，驱动信号PWMx接至光耦驱动芯片PC929的输入端U1A，U1A阳极接至+5V电源，PC929输出U1B的第11脚连接电阻R21后直接驱动功率开关器件；R2、R19、Z1、D3相互连接组成开关器件短路检测电路，R2、R19的连接点接至PC929的第9脚，以检测开关器件的导通电压以监测通过器件的电流；电阻R5、光耦U3二极管相互连接，短路时PC929第8脚被拉至底电平，光耦U3二极管导通，U3输出与R1连接，该点短路信号F～IPMx被拉至低电平，表示功率开关器件处于短路保护状态。

为达到快速充电的目的，实际工作时对双向DC/DC变换器的工作方式进行了设置，使其符合电池快速充电的要求：正常情况下，以某一固定的电流对电池进行充电，间隔一段时间，对电池进行短时的大电流放电，使电池去极化，该过程依赖双向DC/DC变换器的双向变换能力，将电池的能量反向充给直流母线的超级电容，通过设置充放电曲线可以实现这一功能。

本发明的PFC电路信号调理原理及本发明的双向DC/DC变换器信号调理原理可采用现有的调理原理。

如图5所示是发明的PFC控制程序及双向DC/DC变换器控制程序流程图。其中如图5（a）所示为PFC数字控制系统主程序流程图，开始运行时需要对基本参数进行初始化，并设置采样计数变量i为0，占空比更新标志FLAG0为0，然后进入循环，等待ADC中断对电流及电压进行采样；如图5（b）所示为PFC数字控制系统中断程序流程图，ADC中断程序间隔时间与PFC电路的工作周期一致，确保AD采样可以准确跟踪电流波形，ADC中断程序中每采样一次电流，采样计数变量i加1，当i加到6时对母线电压进行采样，然后进行一次PI调节得到Vm，并采样到的电流I_x进行比较得到新的占空比；如图5（c）所示为双向DC/DC变换器数字控制系统主程序流程图，开始运行时对基本的参数进行初始化，并设置采样计数i为0，充电或放电标志FLAG设置为0，并根据设定的参数定时改变，其改变的时间间隔由电池的特性决定；如图5（d）所示为双向DC/DC变换器数字控制系统中断程序流程图，ADC中断程序用于采样电流及电压值，每个周期采样一次，每6次进行一次滤波并返回采样结果，在主程序里计算得到新的占空比并更新。

本发明的上述实施例具有以下特点：

1)绿色化：本实施例采用三相三电平三开关拓扑的有源功率因数校正电路对三相工频电进行整流，其特点是功率因数高、电流谐波干扰极小；电路对器件的电压及电流应力要求降低，在大功率的场合时很容易实现电路的功能，且对后级的影响减小。

2)全数字化：采用TMS320F2809作为功率因数校正电路与双向DC/DC变换器的控制核心，通过程序容易实现输出特性的控制、充电曲线的编程；控制所需要的PWM信号全由控制核心通过编程方式输出，且独特的控制方式极大程度提高效率及改善EMC特性。

3)简易化：通过修改电池参数、充电、放电曲线等，使充电过程符合马斯定律，从而更易实现电池的快速充电，从结构上看，无需增加额外的放电设置，直接通过拓扑就完成电池短时大电流放电的功能。

Claims (8)

1.一种全数字化高效多频快速充电电源，其特征在于包括有高功率因数高效整流模块及双向DC/DC变换模块，其中高功率因数高效整流模块包括有滤波电路（1）、有源功率因数校正电路（2）、网压检测电路（3）、输入电流检测电路（4）、PFC数字控制系统（5）、母线电压检测电路（6）、功率因数校正驱动电路（7）及母线超级电容（8），网压检测电路（3）连接电压保护电路（9），母线电压检测电路（6）、输入电流检测电路（4）、电压保护电路（9）一起连接至PFC数字控制系统（5）中，PFC数字控制系统（5）通过功率因数校正驱动电路（7）与有源功率因数校正电路（2）连接；双向DC/DC变换模块包括有双向DC/DC变换器（10）、输出滤波电路（11）、双向DC/DC变换器数字控制系统（12），输出电流检测电路（13）、输出电压检测电路（14）、双向DC/DC变换器驱动电路（15），输出电流检测电路（13）、输出电压检测电路（14）均连接双向DC/DC变换器数字控制系统（12），双向DC/DC变换器数字控制系统（12）通过双向DC/DC变换器驱动电路（15）与双向DC/DC变换器（10）连接，双向DC/DC变换器（10）与输出滤波电路（11）相互连接后输出至电池；上述有源功率因数校正电路（2）包括有电感L1、L2、L3、二极管D1～D18，功率开关管 Q1、Q2、Q3、电容C3、C4，母线超级电容C1、C2，双向DC/DC变换器（10）包括有功率开关管 VT1～VT8、二极管D19～D26、电容C5～C12，电感L4～L7及电容C13、C14，有源功率因数校正电路中，二极管D7、D8、D9、D10与功率开关管Q1构成R相的双向开关，二极管 D11、D12、D13、D14与功率开关管Q2构成S相的双向开关，二极管D15、D16、D17、D18与功率开关管Q3构成T相的双向开关，双向开关的左边分别与输入电感L1、L2、L3相连接，右边同时连接至母线超级电容的中点，与二极管D1～D6共同构成三相三电平三开关的结构形式，功率开关管 VT1～VT8与反并联的二极管D19～D26、电容C5～C12构成四相桥式的电路，四相上桥臂漏极均与连接有母线超级电容的直流母线正极连接，四相下桥臂源极均与连接有母线超级电容的直流母线负极连接，中点分别连接电感L4、L5、L6、L7的左侧，电感L4～L7右侧均接至电容C13正极。

2.根据权利要求1所述的全数字化高效多频快速充电电源，其特征在于上述双向DC/DC变换器（10）中采用的电感L4～L7，L4与L5、L6与L7分别绕在同一个EE磁芯的两边，从左往右看按顺时针方向绕线，电流由电感L4、L5的一端b、c流向电感L4、L5另一端的共同连接点a或电流由电感L6、L7的一端b1、c1流向电感L6、L7另一端的共同连接点a1时，所产生的磁通方向与磁芯中柱的方向一致，磁芯留有气隙，以确保电感工作时不进入饱和状态，共同连接点a、a1均接至电容C13正极。

3.根据权利要求1所述的全数字化高效多频快速充电电源，其特征在于VT1、VT2与VT3、VT4驱动信号相位相差180度，VT1、VT2与VT5、VT6驱动信号相位相差90度，VT5、VT6与VT7、VT8驱动信号相位相差180度。

4.根据权利要求1所述的全数字化高效多频快速充电电源，其特征在于上述双向DC/DC变换器（10）采用双闭环控制方式，电流为内环，电压为外环。

5.根据权利要求2所述的全数字化高效多频快速充电电源，其特征在于上述L4、L5、L6、L7中安装有用于采集四相电流的电流传感器，电流传感器的信号输出端通过采样调理电路将信号送至双向DC/DC变换器（10）。

6.根据权利要求1所述的全数字化高效多频快速充电电源，其特征在于上述双向DC/DC变换器（10）采用同相互补、异相移相的控制方式。

7.根据权利要求1所述的全数字化高效多频快速充电电源，其特征在于上述双向DC/DC变换器数字控制系统（12）根据电流的大小调节双向DC/DC变换器(10)的工作频率。

8.根据权利要求1所述的全数字化高效多频快速充电电源，其特征在于通过双向DC/DC变换器(10)电流双向流动特性来实现电池充电及短时大电流放电。

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