CN105634085A - 一种双变压器并联的大功率充电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双变压器并联的大功率充电机，充电机的额定输出电压DC750V，额定输出电流200A。充电机采用四个充电模块并联结构，四个模块经由主控板进行协调通信，输出电压电流可设置，多个模块可单独工作也可并机扩容工作，相互独立、互不影响。充电模块主电路采用高频软开关桥式逆变电路，由输入缓冲电路、无源功率因数校正电路、全桥逆变电路和电流防倒灌电路等组成，采用高速的CPU监控输入电压、电流、温度等参数并进行实时保护，各模块既可以单独工作也可以并机扩容工作，相互独立，互不影响，且方便扩充功率等级，充电电压、电流可设置，可以满足不同的充电需求，适用于对大型公交车、船舶、航空、铁路、电动汽车、以及各种铅酸电池、锂电池充电。

Description

一种双变压器并联的大功率充电机

技术领域

本发明涉及一种双变压器并联的大功率充电机。

背景技术

随着工业化进程的不断加深，我国对石油的消费总量也在逐年增加，其中一半以上是在交通运输方面，温室气体的排放已经引起全世界的高度关注，在去年以及今年上半年我国的大多数城市不同程度的遭遇雾霾天气，因此能源和环境问题是汽车工业面临的共同挑战，发展电动汽车也被列为我国“十二五”汽车工业发展的战略方向。

为了解决能源与环境问题，今年北京重点公交线路上电动车将增加700辆，10个郊区县和城区部分、新增出租车全部采用电动汽车，到2017年，电动汽车将不少于4500辆，长安街沿线、三环路环线等重点线路全部采用电动公交车，因此北京市决定今年研究制定在机场、火车站及高速服务区等场所，完成1000个快速充电桩建设，在五环没初步建成5公里半径快速充电网络。其中充电机是电动汽车从电网获取能量的工具。

车载充电机由于受汽车空间结构和搭载重量的限制，所以设计容量较小，充电电流较小，充电时间长。为了适应快速充电的要求，特别是为大型公交车充电，需要充电机的功率越大、体积也越大。

目前市场上出现多种充电机产品，性能参数参差不齐，大多为单台输出模式，由于直流侧大多利用三相整流，所以电压大多是500V，选用耐压值较高的IGBT作为主开关管，如果输出功率较大，势必造成IGBT以及变压器的前级承受更高的电流，开关频率不高，变压器体积大，单台功率小，且充电系统不适合多模块并联使用。不能满足大功率快速充电的要求。

发明内容

基于以上不足之处，本发明提供一种双变压器并联的大功率充电机，可适用于对大型公交车、船舶、航空、铁路、电动汽车、以及搬运行业的各种铅酸电池，锂电池充电。

本发明的所采用的技术如下：一种双变压器并联的大功率充电机，包括四个充电机模块(1)和充电机总控制极，每个充电机模块(1)包括防雷、防电磁干扰单元(2)、三相不控整流单元(3)、平波电抗器单元(4)、全桥逆变电路(5)、两个高频变压整流滤波电路，输出电容器(12)、电流防倒灌电路(13)、充电枪(14)、驱动电路(15)、输入过压/欠压保护单元(16)、Cortex处理器(17)、电流电压采样电路(18)、输出过压/过流/短路保护单元(19)、运行指示灯(20)和CAN通信电路(21)，输入交流AC380V电源通过接触器与防雷、防电磁干扰单元(2)连接，防雷、防电磁干扰单元(2)、三相不控整流单元(3)、平波电抗器单元(4)、全桥逆变电路(5)依次连接，驱动电路(15)与桥逆变电路(5)连接；全桥逆变电路(5)并联连接的两个高频变压整流滤波电路，每个高频变压整流滤波电路包括高频变压器单元(6)、二次整流电路(7)、滤波电感(8)，高频变压器单元(6)、二次整流电路(7)、滤波电感(8)依次连接，两个高频变压整流滤波电路与输出电容器(12)连接，输出电容器(12)与电流防倒灌电路(13)连接，电流防倒灌电路(13)连接与充电枪(14)连接，充电枪(14)输出直流DC750V电源；输出电容器(12)还与电流电压采样电路(18)连接，Cortex处理器(17)分别与驱动电路(15)、输入过压/欠压保护单元(16)、电流电压采样电路(18)和输出过压/过流/短路保护单元(19)、运行指示灯(20)、CAN通信电路(21)连接，充电机总控制板采用CortexM3处理器和电源单元，电源单元为充电机总控制板供电，CortexM3处理器与每个充电机模块通过CAN通信电路(21)连接；每个充电机模块(1)的Cortex处理器(17)通过电流电压采样电路(18)检测输出电容器(12)两端的电压以及输出的电流，将检测到的值与给定的电压和电流信号进行比较，从而产生用于移相的PWM信号，输入驱动电路(15)产生开关管驱动信号，驱动电路(15)连接全桥逆变电路(5)，从而实现充电机对电压和电流的闭环控制，从而组成闭环回路，同时控制输出过压/过流/短路保护单元(19)对接触器产生开关动作；充电机总控制板对四个充电机模块采取均流控制策略，单个充电机模块发生故障，自动退出；充电机总控制板的人际交互界面采用MCGS组态软件构成，充电电流电压能够设置，上位机与充电机总控制板采用采用485通信，通过CAN总线连接四个充电机模块并对其实现均流控制，四个充电机模块输出合并为充电机总输出。

本发明还具有如下技术特征：所述的驱动电路(15)包括开关电源单元、驱动芯片HCPL-316J和推挽输出电路，开关电源部分连接驱动芯片，驱动芯片对输入的PWM信号进行动作，输出至推挽输出电路。

本发明的原理是：三相交流电经过整流和滤波后，得到相对稳定的直流电，直流电压通过高频电子开关电路，把前端变换过后的直流电变换成受控制的高频脉冲电压，然后通过高频变压器将能量传递到输出端，通过二次整流及滤波电感将脉冲电压整流成脉动较小的直流电压，输出的直流电压和直流电流经过采样处理后与给定的电压和电流信号进行比较，从而产生误差控制信号，误差控制信号通过PI作用后产生用于开关管移相的驱动信号，实现对充电机电压和电流的闭环控制。触摸屏通过串口向总控板发指令，总控极接到充电命令后通过CAN总线与各个充电模块进行协调通信，总控板接收到四个模块的应答信号后，向四个模块实行均流控制，若没有收到应答，则再次发送确认，若还是没有收到应答信号，则确定是充电机故障，若缺失一个模块的应答信号，则确认是充电机某模块故障，故障模块自动退出，总控板对其它的模块实行均流控制，所以单模块故障不影响整机的工作。

本发明与现有技术相比的优点在于：充电模块采用双变压器并联模式以及模块之间采用并联工作模式，与单变压器单台充电机相比，具有以下优势：

(1)采用双变压器并联模式，每路变压器的前级承受的电流减半，变压器的体积更小，方便制作，散热也更少，同时变压器后级的二次整流侧的二极管以及滤波通过的电流减半，元器件的体积减小，也更容易选择，相连的第一滤波电感、第二滤波电感的体积变得更小，需要的散热片的体积减小，使模块的功率密度更高，系统的工作也更加可靠。

(2)采用四模块并联的结构，整体设计简洁，各模块既可以单独工作也可以并机扩容工作，相互独立，互不影响，且方便扩充功率等级，充电电压、电流可设置，可以满足不同的充电需求。

本发明提供了大功率充电机的整体结构、各模块之间的控制方法以及模块之间的协调通信方式。一方面实现了对充电机的大功率快速充电的要求，另一方面，各个模块之间互不影响，可以单独也可以并机扩容，满足不同的功率要求。

附图说明

图1为本发明的每个充电机模块结构组成框图；

图2为本发明中的充电机控制板结构组成框图；

图3为本发明充电机驱动板结构框图；

图4为本发明中充电机模块并联总体结构；

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种双变压器并联的大功率充电机，包括四个充电机模块1和充电机总控制板，每个充电机模块1包括防雷、防电磁干扰单元2、三相不控整流单元3、平波电抗器单元4、全桥逆变电路5、两个高频变压整流滤波电路，输出电容器12、电流防倒灌电路13、充电枪14、驱动电路15、输入过压/欠压保护单元16、Cortex处理器17、电流电压采样电路18、输出过压/过流/短路保护单元19、运行指示灯20和CAN通信电路21，其特征在于，输入交流AC380V电源通过接触器与防雷、防电磁干扰单元2连接，防雷、防电磁干扰单元2、三相不控整流单元3、平波电抗器单元4、全桥逆变电路5依次连接，驱动电路15与桥逆变电路5连接；全桥逆变电路5并联连接的两个高频变压整流滤波电路，每个高频变压整流滤波电路包括高频变压器单元6.9、二次整流电路7.10、滤波电感8.11，高频变压器单元6、二次整流电路7、滤波电感8依次连接，两个高频变压整流滤波电路与输出电容器12连接，输出电容器12与电流防倒灌电路13连接，电流防倒灌电路13连接与充电枪14连接，充电枪14输出直流DC750V电源；输出电容器12还与电流电压采样电路18连接，Cortex处理器17分别与驱动电路15、输入过压/欠压保护单元16、电流电压采样电路18和输出过压/过流/短路保护单元19、运行指示灯20、CAN通信电路21连接，充电机总控制板采用CortexM3处理器和电源单元，电源单元为充电机总控制板供电，CortexM3处理器与每个充电机模块通过CAN通信电路21连接；每个充电机模块1的Cortex处理器17通过电流电压采样电路18检测输出电容器12两端的电压以及输出的电流，将检测到的值与给定的电压和电流信号进行比较，从而产生用于移相的PWM信号，输入驱动电路15产生开关管驱动信号，驱动电路15连接全桥逆变电路5，从而实现充电机对电压和电流的闭环控制，从而组成闭环回路，同时控制输出过压/过流/短路保护单元19对接触器产生开关动作；充电机总控制板对四个充电机模块采取均流控制策略，单个充电机模块发生故障，自动退出；充电机总控制板的人际交互界面采用MCGS组态软件构成，充电电流电压能够设置，上位机与充电机总控制板采用采用485通信，通过CAN总线连接四个充电机模块并对其实现均流控制，四个充电机模块输出合并为充电机总输出。

其中Cortex处理器17通过电流电压采样电路18检测输出电容器12两端的电压以及输出的电流，将检测到的值与给定的电压和电流信号进行比较，从而产生误差控制信号，将误差信号通过PI算法后的值，用于开关管的驱动信号，从而组成闭环回路。同时对输出过压、过流、短路保护19产生动作。

全桥逆变电路5后串联隔直电容连接两路并联的第一高频变压器6、第二高频变压器9，两路变压器并联的结构使变压器自身流过的电流减半，这样使得变压器的制作更方便，同时变压器的体积小，容易散热，同时二次整流二极管以及滤波电感的电流减半，元器件的发热少，工作将更加稳定可靠，

如图2所示，为大功率充电机的控制板结构图，控制板选用Cortex-M3内核的32位微控制器，该控制器具有高性能、低功耗、低电压等特性，同时保持了高集成度和易于开发的优势。控制板电源主要由AC380V通过工频变压器得到AC24V，经过整流后，通过DC/DC模块得到±15V，然后通过电源转换电路得到+5V和+3.3V为控制器及其他的外设供电。JTAG调试接口电路主要用于在线调试和下载程序。继电器控制电路用于控制外部电路的通断。PWM电平转换电路将控制信号由3.3V变为5V，供驱动板使用。AD转换电路将传感器采集到的信号转换到0-3V之间，然后进入控制器。485通信电路主要用于控制板的调试。CAN通信是控制板与总控板之间的通信。系统指示电路用于显示系统的运行状态，此外还包括一些数字输入输出电路。

如图3所示，为大功率充电机得驱动板结构图，驱动板主要包括开关电源部分和驱动电路部分，开关电源为驱动芯片提供+5V的工作电压以及驱动IGBT所需的+15V和-10V电压。推挽电路主要用于增加电路的驱动能力。四路驱动信号为全桥逆变电路提供开关信号。全桥逆变电路通过移相控制实现软开关，该逆变桥的上、下桥臂开关器件180°互补工作，通过改变变换器左右桥臂重叠相角来调节输出电压或电流，变换器中器件的电压电流应力小。两路并联的变压器，将能量传递到输出端，通过二次整流及滤波电感将脉冲电压整流成脉动较小的直流电压。

如图4所示，为大功率充电机的总体结构图，充电机采用四个模块并联组成，单模块输出DC750V、电流50A，总输出为DC750V、电流200A，模块与总控制板采用CAN通信，总控制板对四模块采取均流控制策略，单模块发生故障，自动退出，不影响整机工作。人际交互界面采用MCGS组态软件构成，操作方便，充电电流电压可设置，上位机与总控制板采用采用485通信，充电机模块化结构，总体设计简洁，方便扩充功率等级，可满足不同功率的充电需求。

本发明大功率充电机单模块采用双变压器并联结构，运用先进的DC/DC变换技术，高密度磁集成技术、模块间并联均流技术，整机具体积小、功率密度高、性能可靠的优点，充电机输出总功率150KW，能满足大型的公交车，电动汽车快速充电的需求。

Claims (2)

1.一种双变压器并联的大功率充电机，包括四个充电机模块(1)和充电机总控制板，每个充电机模块(1)包括防雷、防电磁干扰单元(2)、三相不控整流单元(3)、平波电抗器单元(4)、全桥逆变电路(5)、两个高频变压整流滤波电路，输出电容器(12)、电流防倒灌电路(13)、充电枪(14)、驱动电路(15)、输入过压/欠压保护单元(16)、Cortex处理器(17)、电流电压采样电路(18)、输出过压/过流/短路保护单元(19)、运行指示灯(20)和CAN通信电路(21)，其特征在于，输入交流AC380V电源通过接触器与防雷、防电磁干扰单元(2)连接，防雷、防电磁干扰单元(2)、三相不控整流单元(3)、平波电抗器单元(4)、全桥逆变电路(5)依次连接，驱动电路(15)与桥逆变电路(5)连接；全桥逆变电路(5)并联连接的两个高频变压整流滤波电路，每个高频变压整流滤波电路包括高频变压器单元(6)、二次整流电路(7)、滤波电感(8)，高频变压器单元(6)、二次整流电路(7)、滤波电感(8)依次连接，两个高频变压整流滤波电路与输出电容器(12)连接，输出电容器(12)与电流防倒灌电路(13)连接，电流防倒灌电路(13)连接与充电枪(14)连接，充电枪(14)输出直流DC750V电源；输出电容器(12)还与电流电压采样电路(18)连接，Cortex处理器(17)分别与驱动电路(15)、输入过压/欠压保护单元(16)、电流电压采样电路(18)和输出过压/过流/短路保护单元(19)、运行指示灯(20)、CAN通信电路(21)连接，充电机总控制板采用CortexM3处理器和电源单元，电源单元为充电机总控制板供电，CortexM3处理器与每个充电机模块通过CAN通信电路(21)连接；每个充电机模块(1)的Cortex处理器(17)通过电流电压采样电路(18)检测输出电容器(12)两端的电压以及输出的电流，将检测到的值与给定的电压和电流信号进行比较，从而产生用于移相的PWM信号，输入驱动电路(15)产生开关管驱动信号，驱动电路(15)连接全桥逆变电路(5)，从而实现充电机对电压和电流的闭环控制，从而组成闭环回路，同时控制输出过压/过流/短路保护单元(19)对接触器产生开关动作；充电机总控制板对四个充电机模块采取均流控制策略，单个充电机模块发生故障，自动退出；充电机总控制板的人际交互界面采用MCGS组态软件构成，充电电流电压能够设置，上位机与充电机总控制板采用采用485通信，通过CAN总线连接四个充电机模块并对其实现均流控制，四个充电机模块输出合并为充电机总输出。

2.根据权利要求1所述的一种双变压器并联的大功率充电机，其特征在于，所述的驱动电路(15)包括开关电源单元、驱动芯片HCPL-316J和推挽输出电路，开关电源部分连接驱动芯片，驱动芯片对输入的PWM信号进行动作，输出至推挽输出电路。