CN103855779A

CN103855779A - 智能充电机

Info

Publication number: CN103855779A
Application number: CN201210515047.2A
Authority: CN
Inventors: 张家书; 张品; 张家涛
Original assignee: LUOYANG GRASEN POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: LUOYANG GRASEN POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-11

Abstract

本发明是有关于一种智能充电机，其包括软启动及EMC滤波电路、功率因数校正电路、谐振转换电路、AC/DC直流输出电路、辅助电源电路。还包含电压电流采集电路、电源管理系统，依次位于AC/DC直流输出电路和输出负载之间,电压电流采集电路对AC/DC直流输出电路的电压电流信号进行采集，并将信号送至电源管理系统与内设基准信号进行比对放大处理，电源管理系统实时输出控制信号自动调节PWM和PFM两种工作模式的自动转换。藉由本发明创新的实例为，在充电机的控制电路中引入一种新型的智能控制方式，可使充电机的主功率变换电路实现PWM和PFM两种工作模式的自动转换。

Description

智能充电机

技术领域

本发明涉及一种充电机，特别是涉及一种智能充电机。

背景技术

充电机是新能源概念下的产物，是一种专为电动汽车、充电桩、充换电站、电力通讯、铁路航空及风电储能等场合所使用的蓄电池组充电的电能转换设备，若按蓄电池的种类设计可分为铅酸电池充电机、锂电池充电机、超级电容充电机等。锂电池与铅酸电池的充电特性有很多相似之处，可根据电池的电压与容量来设置充电参数进行充电；而超级电容的充电特性比较特殊，需要从DC0V起开始充电，充电电流较大，且所需最高充电电压在DC850V左右，充电机在实现DC0V起调至DC850V高压充电的转换有较大的技术难度。

超级电容充电机一般有2种控制模式，分别为PWM脉宽控制和PFM脉频控制两种控制模式，他们存在不同的控制特性：

PWM脉宽控制：PWM是利用脉冲宽度（即控制频率的宽和窄）控制输出，脉冲频率恒定不变；可以实现DC0V起调，但是效率低，次级整流二极管无法实现软开关变换，在反向恢复时会出现尖峰电压，出于器件的选择，只能做低压系列。

PFM脉频控制：PFM是频率的有和无的变化，利用脉冲的有无控制输出，脉冲宽度恒定不变；可以实现软开关变换，转换效率高，但是在负载比较小的时候，不稳定，所以适合做高压系列。

分析现有的超级电容充电机，一般是在电路内部设置2套独立控制的大功率充电电源，一套为PWM脉冲宽度控制工作模式，在DC0V低压时开始为超级电容充电；另一套为PFM脉冲频率控制工作模式，可在高压状态下为超级电容进行充电，通过另设的控制系统让两套充电电源在不同工作状态下相互转换，来完成超级电容从DC0V起调到DC850V的充电过程。这种电路设计成本较高，控制也比较复杂，内部两个电源在充电中需要转换，整个环路反应速度较慢；次级整流二极管无法实现软开关，稳定性及转换效率也相对较低，且产品的体积较大，一定程度上限制了一些场合的使用。

由此可见，上述现有的超级电容充电机在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型的智能充电机,实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于，克服传统的充电机难于在一套控制电路中实现PWM和PFM两种工作模式的自动转换，完成从DC0V起调至最高DC850V的输出电压来对超级电容进行充电的缺陷，而提供一种新型的智能充电机,充分利用PWM脉宽控制和PFM脉频控制两种控制模式的不同控制特性，根据负载端的输出变化，及时通过采集系统将所采集的电压电流信号送至管理系统进行处理，用以控制PWM和PFM两种工作模式的自动转换，实现1套主功率电路可完成对超级电容的整个充电过程。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。为达到上述目的，一种智能充电机，其包括软启动及EMC滤波电路、功率因数校正电路、谐振转换电路、AC/DC直流输出电路、辅助电源电路，其特征在于其还包含：

电压电流采集电路、电源管理系统，依次位于AC/DC直流输出电路和输出负载之间,电压电流采集电路对AC/DC直流输出电路的电压电流信号进行采集，并将信号送至电源管理系统与内设基准信号进行比对放大处理，电源管理系统实时输出控制信号自动调节PWM和PFM两种工作模式的自动转换。

本发明的目的以及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

较佳的，前述的智能充电机，其中该智能充电机的电源管理系统更包含输出电压检测端、CPU管理模块，输出电压检测端反馈数值到CPU管理模块，CPU管理模块实时输出控制信号自动调节PWM和PFM两种工作模式的自动转换。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本发明智能充电机至少具有下列优点及有益效果：

1、电源体积小，重量轻。。

2、电源转换效率高，初级开关管及次级整流二极管工作在零电压开关状态下。

3、输出电压范围宽，可实现DC0V-DC850V调节。

4、控制电路响应速度快，一体化电源，实现两种工作模式，整个控制环路响应速度快。

5、使用范围广，可当做开关电源使用；可对铅酸电池、锂电池充电；可实现DC0V起调至DC850V对超级电容充电。

综上所述，本发明利用PWM脉宽控制和PFM脉频控制两种控制模式的不同控制特性，通过两种模式的转换，可以控制电源在负载20%以下时，电路工作于全桥PWM状态，实现PWM控制脉冲宽度，调节占空比控制DC0V起调；当输出负载达到20%以上时，电路自动转换为LLC全桥PFM状态，实现PFM调节脉冲频率控制高压充电。实现在一套控制电路中由PWM和PFM两种工作模式的自动转换。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1为本发明智能充电机的各部分电路功能结构示意图。

图2为本发明智能充电机的一较佳实施例的电路结构图。

图3为本发明智能充电机的一较佳实施例的电压电流采集电路、电源管理系统电路功能结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的智能充电机其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明,当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

请参阅图1所示，为本发明智能充电机的各部分电路功能结构示意图，请参阅图2所示，为本发明智能充电机的一较佳实施例的电路结构图。

其包括软启动及EMC滤波电路1、功率因数校正电路2、谐振转换电路3、AC/DC直流输出电路4、辅助电源电路5。除此之外，该智能充电机更包括电压电流采集电路6和电源管理系统7，它们依次位于AC/DC直流输出电路和输出负载之间,电压电流采集电路对AC/DC直流输出电路的电压电流信号进行采集，并将信号送至电源管理系统与内设基准信号进行比对放大处理，电源管理系统实时输出控制信号自动调节PWM和PFM两种工作模式的自动转换。

请参阅图3所示，为本发明智能充电机的一较佳实施例的电压电流采集电路、电源管理系统电路功能结构示意图,其中包含输出电压检测端8和CPU管理模块9。

具体而言，该智能充电机的工作方式如下：

设充电机的最大开关频率为100KHz，PWM的最大占空比设48%，通过检测输出端电压电流反馈至电源管理器来控制两种工作模式，具体工作状态及模式转换分析如下：

A、输出电压检测端8检测到输出负载低于20%时，CPU管理模块9控制输出工作模式为全桥PWM脉冲宽度控制，开关频率恒定100KHz，同时CPU管理模块9发出的电流基准为最大电流的20%，保证在PWM模式工作时的输出负载小于等于20%；

B、随着输出负载渐渐增大，PWM也随之增大，当输出负载增大至20%时，此时PWM的最大占空比刚好达到最大值48%，开关频率恒定100KHz；

C、输出电压检测端9检测到输出端负载大于20%时，PWM脉冲宽度控制结束，PWM最大占空比恒定在48%，CPU管理模块9发出PFM调频模式的命令，电路进入PFM脉冲频率调节模式；输出负载增大的同时，开关频率从100KHz慢慢下降；

各电路的作用：

软启动电路及EMC滤波电路1：开关电源内部因有大电解电容滤波，在加电瞬间要汲取一个较大的电流。这个浪涌电流可能达到电源静态工作电流的1O倍～100倍。浪涌电流可能造成其它输入电源电压的降低，足以引起使用同一输入电源的其它动力设备瞬间掉电。因此软启动电路可有效消除开关电源输入端的浪涌电流；EMC滤波电路是指充电机在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指充电机在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指充电机对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

功率因数校正电路2：充电机内部因是桥式整流和大电容滤波来实现AC/DC转换，由于滤波电容的充放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。输入端谐波较大，PF值不超过0.6，功率因数过低和电流斜波含量过高，不仅会造成电能的巨大浪费，而且会对电力系统产生严重污染，影响到整个电力系统的电气环境。因此加入PFC电路后，可以提高用电质量，节约电能，能提高用电设备的利用率，减少线路的功率损失。

谐振转换电路3：是充电机的主电路，它是将AC整流滤波后的直流电，通过功率管和变压器将能量传输到后一级，从而实现对超级电容的充电。

AC/DC直流输出电路4：变压器的次级输出通过整流二极管滤波电容来整流滤波单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压。

电压电流采集电路6：是用来实时采集充电机输出端的电压电流信号，再将采集到的电压电流信号送至电源管理系统与预设基准信号进行比对。

电源管理系统7：是将所采集到的各个电路系统的数据进行集中处理，按照内部预设程序输出相应的控制信号。

辅助电源电路5：是将AC/DC整流后的高电压变换成各个芯片I C所需的稳定的较低的直流电压，给整个充电机信号检测处理及状态指示部分供电。

该控制电路结合了PWM与PFM的优点于一身，通过两种模式的转换实现DC0V起调，转换效率高，输出电压范围宽，功率等级及功率密度高等优点。可以控制电源在负载20%以下时，电路工作于全桥PWM状态，实现PWM控制脉冲宽度，调节占空比控制DC0V起调；当输出负载达到20%以上时，电路自动转换为LLC全桥PFM状态，实现PFM调节脉冲频率控制高压充电。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种智能充电机，其包括软启动及EMC滤波电路、功率因数校正电路、谐振转换电路、AC/DC直流输出电路、辅助电源电路，其特征在于其还包含：

2.根据权利要求1所述的智能充电机，其特征在于所述的电压电流采集电路，其更包括输出电压检测端，输出电压检测端反馈数值到电源管理系统。

3.根据权利要求1或2所述的智能充电机，其特征在于所述的电源管理系统，其更包括CPU管理模块，CPU管理模块实时输出控制信号自动调节PWM和PFM两种工作模式的自动转换。