CN103269115A

CN103269115A - 一种便携式电动汽车智能充电机

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Publication number: CN103269115A
Application number: CN2013102211943A
Authority: CN
Inventors: 张浩然; 张争龙; 沈建国
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-06-05
Also published as: CN103269115B

Abstract

本发明提供一种便携式电动汽车智能充电机，包括充电电池、与充电电池连接的弱电控制与保护模块、与弱电控制与保护模块连接的功率因数校正模块，所述充电电池与功率因数校正模块之间还连接有谐振逆变整流模块，所述谐振逆变整流模块上设有与弱电控制与保护模块连接的功率器件驱动模块。能够克服现有电动汽车充电机充电效率低、可靠性低、对电网污染大等缺点，充电效率高，使用安全稳定。

Description

一种便携式电动汽车智能充电机

技术领域

本发明涉及汽车领域，具体涉及一种便携式电动汽车智能充电机。

背景技术

汽车工业的发展对石油资源需求的急剧增加和对环境严重的负面影响日益引起人们的关注，世界各国的政府、学术界和工业界正在加大对电动汽车开发投入的力度，以加速电动汽车的商品化步伐。电动汽车的成败关键之一是蓄电池系统，这固然与蓄电池本身的技术发展有关，然而作为其能量再次补充的充电机也是一个至关重要的设备，它必须具有充电时间短、对蓄电池使用寿命影响小以及充满判断准确的特点，因此研制性能优良、运行可靠的电动汽车蓄电池快速充电系统是十分必要的，在尽可能不影响蓄电池使用寿命的前提下，希望能采用最大的充电电流，在短时间内将电池容量充足，并且在这个过程中，电池既不产生大量气体，又不使电池内部温度过高。

在我国大中城市都普遍存在着十分严重的交通问题和汽车尾气排放污染问题，电动汽车是一种非常理想的中速和短途的日常交通工具，因此在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。根据欧美和日本等先进国家的经验，在进行电动汽车的开发和制造的同时，必须开发电动汽车充电机，为电动汽车的推广提供条件。进行电动汽车的推广示范是一项很有意义的工作，为了作好推广电动汽车这项工作，就必须进行电动汽车充电机及其充电管理系统的开发。

在实际使用中，电动汽车的充电场合大致可以分为四种：（1）车载应急充电；（2）家庭或公共场所充电；（3）充电桩充电；（4）充电站充电。便携式充电机是车载应急充电和家庭充电的有效工具，也是充电桩和充电站的有效补充，它利用220V的单相交流电作为输入电源，功率小于5个千瓦，可以用家庭电网和一般的民用电网供电，是私人电动汽车的理想充电工具。目前我国存在的少量便携式电动汽车充电机普遍存在以下几个问题：（1）不具备对蓄电池的智能充电功能，扩展性差，人机界面不好；（2）充电控制策略落伍，导致了电池的寿命短、效率低和可维护性差；（3）功率因数低，谐波电流大，对电网污染大，不能满足电磁兼容要求；（4）可靠性差，功率电路由于采用硬开关技术，功率器件的电流、电压开关应力大，工作不可靠。因此开发新一代的便携式电动汽车智能充电机是很有意义的一件事情。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种便携式电动汽车智能充电机，能够克服现有电动汽车充电机充电效率低、可靠性低、对电网污染大等缺点，充电效率高，使用安全稳定。

为解决上述充电机现有的技术问题，本发明采用如下方案：一种便携式电动汽车智能充电机，包括充电电池、与充电电池连接的弱电控制与保护模块、与弱电控制与保护模块连接的功率因数校正模块，所述充电电池与功率因数校正模块之间还连接有谐振逆变整流模块，所述谐振逆变整流模块上设有与弱电控制与保护模块连接的功率器件驱动模块。功率因数校正模块和谐振逆变整流模块能够有效的解决充电机对电网污染问题和低效率问题。

作为优选，所述功率因数校正模块包括依次连接的输入电网、工频整流器、磁集成电感、交错并联双boost电路、滤波器，所述交错并联双boost电路上连接交错并联PFC控制器。

作为优选，所述充电电池包括电动汽车用的串联或并联的电池组。

作为优选，所述谐振逆变整流模块包括IGBT全桥逆变器、串联谐振元件、高频变压器、高频整流桥。

作为优选，所述功率器件驱动模块包括图腾柱功放电路、死区关断MOS管、驱动隔离变压器、加速关断电路。采用单独的图腾柱功放电路产生驱动信号，再经过驱动隔离变压器进行放大与隔离，然后再经过一个波形整形电路，以驱动谐振逆变整流模块内的IGBT全桥逆变器，可以有效地防止其他部分电路对驱动电路的干扰，以及做到良好的强弱电隔离。

作为优选，所述弱电控制与保护模块包括ARM处理芯片、连接在ARM处理芯片上的LCD显示模块、通信单元、键盘单元、充放电控制模块、连接在ARM处理芯片上并与充电电池连接的温度采集电路和低压端电压电流采集电路、连接在ARM处理芯片上并与功率器件驱动模块连接的谐振变换器控制电路和过流保护模块、连接在ARM处理芯片上并与功率因数校正模块连接的高压端电压电流采集模块。

有益效果：

本发明采用上述技术方案提供一种便携式电动汽车智能充电机，采用了功率因数校正模块和谐振逆变整流模块，有效地克服了传统电动汽车充电机充电效率低、可靠性低、对电网污染大的不足，充电效率高，使用安全稳定。

说明书附图

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明所利用的磁集成技术；

图3为本发明功率因数校正电路主回路示意图；

图4为本发明功率因数校正电路控制回路示意图；

图5为本发明谐振逆变整流电路示意图；

图6为本发明谐振逆变器控制电路示意图；

图7为本发明功率器件驱动电路示意图；

图8为本发明弱电控制与保护电路示意图；

图9为本发明充电控制示意图；

图10为本发明充电策略示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种便携式电动汽车智能充电机，包括充电电池2、与充电电池2连接的弱电控制与保护模块5、与弱电控制与保护模块5连接的功率因数校正模块1，所述充电电池2与功率因数校正模块1之间还连接有谐振逆变整流模块3，所述谐振逆变整流模块3上设有与弱电控制与保护模块5连接的功率器件驱动模块4。所述功率因数校正模块1包括依次连接的输入电网12、工频整流器13、磁集成电感14、交错并联双boost电路15、滤波器16，所述交错并联双boost电路15上连接交错并联PFC控制器11。所述充电电池2包括电动汽车用的串联或并联的电池组。所述谐振逆变整流模块3包括IGBT全桥逆变器31、串联谐振元件32、高频变压器33、高频整流桥34。所述功率器件驱动模块4包括图腾柱功放电路41、死区关断MOS管42、驱动隔离变压器43、加速关断电路44。所述弱电控制与保护模块5包括ARM处理芯片53、连接在ARM处理芯片53上的LCD显示模块51、通信单元52、键盘单元54、充放电控制模块510、连接在ARM处理芯片53上并与充电电池2连接的温度采集电路55和低压端电压电流采集电路57、连接在ARM处理芯片53上并与功率器件驱动模块4连接的谐振变换器控制电路56和过流保护模块58、连接在ARM处理芯片53上并与功率因数校正模块1连接的高压端电压电流采集模块59。

便携式电动汽车智能充电机的主要功率变换电路经过是AC-DC-AC-AC-DC,其中AC-DC中高功率因数PFC的实现和DC-AC高频逆变电路的实现是本发明的两个技术难点。

本发明采用了临界模式CRM，Critical Mode下的交错并联Boost功率因数校正方式，PFC的双电感的实现采用磁集成技术，具体实现见图2，PFC的功率回路的实现电路见图3，PFC的控制回路的实现电路见图4，本发明的PFC电路，由于工作于CRM电流临界模式，PFC的续流二极管可实现ZCS即零电流关断，消除二极管的反向恢复应力和反向恢复损耗；由于采用并联PFC技术，采用两个开关器件来分流，因此主功率器件的电流应力相对较小，提高主回路的工作可靠性和稳定性；因为采用交错PFC技术，两个主功率开关管交错导通，因此电网输入电流的谐波较小，对电网的谐波污染较小。磁性元件在PFC电路中扮演着一个非常重要的角色，如何减小磁性元件体积和提高其效率是设计PFC电路的一个关键问题，本发明采用磁集成技术来设计交错PFC的电感，采用磁集成技术可以有效地减小磁性元件的体积和损耗，提高功率密度和工作效率，改善输出纹波，如图2所示，在磁集成技术中，中心柱磁通相互抵消，降低磁心损耗。磁集成技术比磁分立技术有更小的体积、更低成本、低噪音、高效率、高可靠性、耗材少。

本发明使用专用的CRM交错并联PFC控制芯片，控制回路见图4，控制电路设计简单，实现方便，工作性能稳定。控制电路使PFC始终工作在CRM电流临界状态，同时本发明又调整电感电流的过零检测滤波时间常数，使主功率管MOSFET工作于ZVS零电压开通状态或部分ZVS零电压开通状态，降低MOSFET的开通损耗，而且当负载很轻时在两个交错并联PFC中关闭一个PFC回路，自动切换到单个PFC工作方式，当负载进一步减轻时，单个PFC由CRM工作方式切换到DCM电流断续工作状态，当负载加重时，工作方式自动的反向变化，自动启动关闭的一路PFC。这样的软开关操作和工作方式管理模式可大大减少电路中功率器件的损耗和工作可靠性，提高PFC电路的工作效率，以此来提高充电效率。

在本发明中的PFC电路部分，由于功率较大，存在较大的高频脉动电流，而功率主回路和弱电控制电路是共地的，即弱电地和强电地直接相连，这将对PFC弱电控制部分严重的干扰，继而使控制信号紊乱，造成PFC电路运行的不稳定，以至炸管。因此本发明中PFC电路中的各元器件合理布局，元器件的连线科学布线，尤其注意功率地和信号地的共地问题。

功率器件驱动模块也是便携式电动汽车智能充电机设计的一个关键点，要能很好的驱动IGBT，驱动电路应具备的条件是：提供足够的正向电压、提供足够大的瞬时功率或者说瞬时电流、尽可能小的输入输出延迟时间、足够强大的输入输出隔离性能，而且要求价格经济。本发明选择变压器驱动方式以节省成本，具体电路见图7，但用一个驱动变压器来产生四路驱动信号存在一个问题，就是在两个驱动信号的死区期间，由于变压器存在磁复位问题，会使驱动信号电平的不确定性和过冲问题，这种过冲会造成逆变桥发生直通炸管，为了解决这个问题，本发明在驱动变压器的副边设计了波形整理电路，用一个由稳压管组成的阈值控制电路去控制一个MOSFET的导通，当变压器的副边输出电压低于稳压管的阈值时，MOSFET不会导通，输出电压不会传递到IGBT的门极，这样IGBT就不会导通，确保死区期间器件驱动信号为零电位。

本发明所采用的谐振逆变整流主电路拓扑是串联谐振，其具体的实现电路见图5，串联谐振有两种可能的运行方式：1、当逆变器的开关频率f_s小于0.5倍的谐振频率f_r时f_s<0.5f_r，电路工作于断续电流模式，即DCM模式。2、当f_s>0.5f_r时，电路工作于连续电流模式，即CCM模式。当开关频率小于谐振频率的一半时，即工作于DCM模式，串联谐振拓扑结构有恒流源的特性，即在负载电阻变化时，输出电流几乎不变，输出电压与其成比例变化，因此，电路具有较强的抗短路保护能力。另外DCM的工作方式是一种自然的软开关方式，软开关对于工作在高频状态的充电机是非常有必要的，充电机的高频化有很多优点，比如滤波器、变压器体积和重量减小，可以带来充电装置的小型化、轻量化，也因此节约了生产成本。但是它也会带来一些缺点，比如开关损耗的增加，开关噪音的增加，使开关器件发热量增大，给器件的散热和保护带来了困难，严重时将烧坏开关管。本发明使谐振逆变器工作于DCM状态，使功率器件工作于软开关状态，降低开关损耗和开关噪声，保证充电机电源变换电路的高效可靠工作。

在主电路的设计中，考虑到安规设计，本发明在直流母线与地之间还设置了放电电阻，当充电机断电后，能够迅速将电容中的能量消耗掉，防止电容两端的高压危险，对于放电电阻的选择必须经过精确的计算，否则将造成电能的浪费，降低整机的效率。在充电机的运行过程中，谐振电感由于工作在高频条件下，往往会发热严重，所以本发明在谐振电感制作材料的选择上经过详细的计算和实验，确保谐振电感不会因为温度过高而对充电机的正常运行造成威胁。

本发明中的串联谐振逆变电路的控制电路，是由专门的IC芯片产生，其具体实现电路见图6，芯片的外围电路简单，而且输出信号高电平为15V，这样对于IGBT驱动就不需要再增加一级升压电路了。该专用IC的输出信号是定宽调频的，即PFM方式，选用PFM芯片而不是PWM芯片，是因为相对于PWM而言，PFM的响应速度更快。信号产生电路采用专用IC而不是采用微处理器产生，是为了能够使驱动信号的产生尽量稳定，提高抗干扰能力。因为只用硬件产生的驱动信号相对于用软硬件联合来产生的驱动信号更不易出错和受干扰。采用驱动变压器，能够提供足够的电气隔离，防止强电与弱电的相互干扰，而且仅一个变压器就能驱动全桥中的所有开关管。在驱动变压器原边与信号产生芯片输出端口之间，本发明还增加了图腾柱电路，目的是增加芯片输出端口的驱动能力，更为重要的是提供了变压器原边与信号产生芯片之间的电气隔离，防止变压器原边饱和时，烧坏芯片。同时为了防止变压器原边由于直流成分造成的偏磁导致饱和，在图腾柱输出加上了隔直电容，以过滤掉直流成分，以上各点使驱动模块集驱动、保护、隔离于一身。

目前大功率动力电池都是很贵的，一个大电池比一个大功率电源要贵很多的。为了提高充电速度，同时也为了维持电池的寿命，在对蓄电池自身的特性，蓄电池充放电原理和目前各种充电方法以及快速充电方法充分研究的基础上，本发明提出了四阶段的智能充电算法，即修复性预充电---正负脉冲充电---恒压充电--涓流充电，其示意图见图10。这样的智能充电策略即能够加快充电的速度，又能够保护电池不受损坏。原因在于若电池经历过深度放电，而充电初始阶段又就对其进行大电流充电，会对电池造成损伤。当电池的电压上升到修复性预充电截至电压时，可以对电池进行大电流充电，以加快电池的充电速度。但大电流充电容易造成电池极化现象，析出大量气体，电池温度升高，电池内部电解液沸腾的问题，这对电池的寿命是极为不利的。本发明在用正脉冲充电的同时，采用短暂的负脉冲使电池放电，可以有效的减缓极化现象，人为的打破电池接受充电电流大小的规律，使电池保持较高的可接受充电电流，同时还可以吸收热能。所以本充电机第二阶段采用了正负脉冲充电，使电池电量在经过此阶段后达到其容量的80%-90%，为保证此阶段正脉冲充电时，充电电流恒定，正脉冲的电压需不断增高，而且正负脉冲充电的每一个周期内分为正脉冲充电、负脉冲放电、停冲三个步骤，之所以加入停冲这一步是为了让电池内化学反应尽可能完全，并有时间释放产生的热量。随着充电的继续，电池能接受的电流大小不断减小，且通过第二阶段快速的充电，尽管正负脉冲充电的方式已有效的减缓了电池极化现象，但由于充电电流大，通过不断的累积，还是会产生电池极化现象加重，温度升高的问题，所以当电池电压达到正负脉冲截至电压时，本充电机将对电池进行恒压充电，使充电电流不断减小。当电池电压达到恒压截至电压时，电池接近充满，电池的电压很高，电池接受电能的能力很弱，此时，本充电机将对电池进行涓流充电，用很小的电流使电池完全充满，并起到延长电池寿命，养护电池的作用。电池的电压是随着充电时间的增长而不断增加的，当电池电压出现负增长时，表明电池已经充满，另外，为避免测量误差等因素，本充电机将结合电池容量、温度综合决定停止充电的时刻。

由上所述，要实施四阶段的智能充电策略，就必须实时测量电池的电压，在电池电压达到一定值时进行充电阶段的转换；同时电池的温度会影响电池内部的化学反应速率，因此电池温度的高低，就会影响电池充电和放电的速率；所以本充电机将通过传感器采集充电电流、电池电压、电池温度这三个量，通过控制电路的计算，结合功率变换及充放电模块，才能够实现上述四阶段的智能充电策略。具体示意图见图9，智能高效的充电策略是本发明的一个创新点。

本发明所设计的便携式电动汽车智能充电机中的弱电控制回路见图8，核心处理器芯片将完成多个任务和多个数据处理算法，并且这些任务的实时性要求非常强，比如高频DC-AC电路要求以很高的频率去对电压电流传感器采集到的信号量进行高速运算与比较、判断充电机运行状态所需要的一些算法、对故障判断并作出快速响应的过程，对实时性都有较高的要求。如果不能满足这些方面的实时性，将对充电机产生不可逆反的损害。选择具有高速运算能力的处理芯片固然是解决这一问题的重要方面，同时软件的设计也同样重要。本发明将采用ARM处理芯片作为任务及数据处理的硬件核心，软件将采用一个实时多任务操作系统内核来进行任务的调度与管理。从软硬件两方面来保证系统的实时性。

便携式电动汽车智能充电机，是一个集合了弱电和强电的复杂电子电气系统，工作的环境也存在很多不可确定电磁干扰等问题。在本发明的设计中已经引入了抑制电磁干扰的设计细节。而且，当干扰过分严重或者出现异常故障时，本发明也能够采取一定的措施，以迅速关闭便携式电动汽车智能充电机，防止对充电机造成不可逆转的损害。本发明利用电压电流传感器采集来的信号量，经过进一步的信号调理，送入ARM处理芯片对其进行比较、分析。当发现信号量异常时，如输出过压，过流。ARM处理芯片会立即响应中断，采取相应的保护动作。在本发明的控制回路与保护模块中，有强弱电上电指示、电流检测、电压检测、驱动电路频率调节、温度采集、通信接口、按键输入、LCD显示各个部分。充电机处于工作运行状态时，一方面定时采集主回路中的一些电气参数，通过A/D转换通道将其读入，判断主回路的工作状态和蓄电池的充电状态，并通过一定算法得出充电策略，然后相应的自动调节驱动电路的频率；另一方面根据用户的需求改变系统的设置，接受键盘输入，并通过LCD实时显示充电电流，充电电压，故障、温度等信息。通信接口，用于控制与保护模块和上位PC通信，把采集到的电压电流信息传递到上位机，以便于数据分析与图形显示。相比较现有的充电机，这样做的目的是为了使本发明更加智能化和操作人性化。

散热设计在本发明中被给予了充分的考虑，现有的充电机，很多是因为散热设计的不合理才造成不能长时间的工作。在充电机的功率因素校正模块、IGBT、谐振电感、输出滤波电容、高频高功率变压器部分都会产生热量，这些热量如果不能及时的排到充电机外部，必将造成充电机内部元器件的烧坏，所以本发明先采用热量仿真软件、结构设计软件设计出适合本发明的散热器，再进行散热器的制作和安装，并配合风扇给充电机散热。从器件的主动散热，到风扇的辅助散热两方面保证充电机热量的耗散。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种便携式电动汽车智能充电机，其特征在于：包括充电电池（2）、与充电电池（2）连接的弱电控制与保护模块（5）、与弱电控制与保护模块（5）连接的功率因数校正模块（1），所述充电电池（2）与功率因数校正模块（1）之间还连接有谐振逆变整流模块（3），所述谐振逆变整流模块（3）上设有与弱电控制与保护模块（5）连接的功率器件驱动模块（4）。

2.根据权利要求1所述的一种便携式电动汽车智能充电机，其特征在于：所述功率因数校正模块（1）包括依次连接的输入电网（12）、工频整流器（13）、磁集成电感（14）、交错并联双boost电路（15）、滤波器（16），所述交错并联双boost电路（15）上连接交错并联PFC控制器（11）。

3.根据权利要求1所述的一种便携式电动汽车智能充电机，其特征在于：所述充电电池（2）包括电动汽车用的串联或并联的电池组。

4.根据权利要求1所述的一种便携式电动汽车智能充电机，其特征在于：所述谐振逆变整流模块（3）包括IGBT全桥逆变器（31）、串联谐振元件（32）、高频变压器（33）、高频整流桥（34）。

5.根据权利要求1所述的一种便携式电动汽车智能充电机，其特征在于：所述功率器件驱动模块（4）包括图腾柱功放电路（41）、死区关断MOS管（42）、驱动隔离变压器（43）、加速关断电路（44）。

6.根据权利要求1所述的一种便携式电动汽车智能充电机，其特征在于：所述弱电控制与保护模块（5）包括ARM处理芯片（53）、连接在ARM处理芯片（53）上的LCD显示模块（51）、通信单元（52）、键盘单元（54）、充放电控制模块（510）、连接在ARM处理芯片（53）上并与充电电池（2）连接的温度采集电路（55）和低压端电压电流采集电路（57）、连接在ARM处理芯片（53）上并与功率器件驱动模块（4）连接的谐振变换器控制电路（56）和过流保护模块（58）、连接在ARM处理芯片（53）上并与功率因数校正模块（1）连接的高压端电压电流采集模块（59）。