CN106230063A - 一种直流充电装置、系统及充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流充电装置，包括控制单元和主电路，交流整流单元用于将交流电整流成直流电以及将直流电输出至直流升压单元进行升压；原边全控有源桥用于将直流电转化为方波交流电；隔离变压器用于将方波交流电输出至副边有源桥以整流成直流电输出至负载。本发明还公开了一种充电系统，包括多个相互并联的直流充电组件，各直流充电组件包括多个依次串联的直流充电装置。本发明还公开了一种充电方法，包括独立工作模式和串并联组网工作模式；在独立工作模式时，单台充电装置给单个负载充电；在串并联组网工作模式，多个直流充电组件并联后给单个负载充电。本发明的装置、系统及方法具有兼容多种类型电源输入、以及满足各类负载等优点。

Description

一种直流充电装置、系统及充电方法
技术领域
本发明主要涉及充电技术领域，特指一种直流充电装置、系统及充电方法。
背景技术
随着电动汽车发展，对直流充电装置的需求越来越多，也越来越苛刻；用户对充电装置的输入要求多样化，大部分的充电装置的输入电源是电网的交流电，部分场合需要直接利用光伏电池作为输入，某些应急场合充电装置还可采用其他蓄电池作为输入电源；电动汽车对充电装置的输出需求多样化，例如电动大巴和电动轿车的充电需求不一样，传统的大功率直流充电装置并不能较好的满足多样化的充电需求。
现有充电装置的输入电源种类较多，各类交直流电源均可作为输入电源，其中大多是交流市电，也有部分是直流输入的；各种充电负载（如电动车）的充电需求多样化，电压、电流、功率的需求各不相同；针对输入电源的多样化，现有的充电装置的解决思路是，在输入侧加入逆变单元或整流单元，将不同的电源都统一成交流或直流，这将导致输入电源的多一层变换，影响整体效率；对负载需求的多样化，现有的解决思路为尽可能的提高充电设备的输出功率和输出电压，大功率兼容小功率，高电压兼容低电压，但此种解决方案在充电装置给小负载充电时，存在充电调节精度不足、效率下降、充电容量不能充分利用等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可兼容多种交直流电源输入的直流充电装置，并相应公开一种能够满足各种不同负荷的需求的直流充电系统，并相应公开了一种操作简便的直流充电方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种直流充电装置，包括控制单元、交流输入端、直流输入端和主电路，所述主电路包括依次相连的交流整流单元、直流升压单元、原边全控有源桥、隔离变压器、副边有源桥；所述交流整流单元的交流侧与交流输入端相连，用于将交流电整流成直流电并输出至直流升压单元，所述交流整流单元的直流母线与直流输入端相连，用于将直流电输出至直流升压单元；所述直流升压单元用于对直流电进行升压并输出至原边全控有源桥；所述原边全控有源桥用于将输入的直流电转化为方波交流电并输出至隔离变压器；所述隔离变压器用于实现输入输出隔离并将方波交流电输出至副边有源桥；所述副边有源桥用于将方波交流电整流成直流电输出至负载。
作为上述技术方案的进一步改进：
还包括输入检测单元，所述输入检测单元与控制单元相连、用于检测直流升压单元的输入输出端的电压电流信号；所述控制单元包括升压控制器和斩波PWM发生器，所述斩波PWM发生器的输入端与所述升压控制器相连，输出端与直流升压单元相连；所述升压控制器用于根据预设电压和直流升压单元的输入输出端的电压电流信号生成占空比，所述PWM发生器用于根据占空比调制直流升压单元的PWM波。
还包括输出检测单元，所述输出检测单元与控制单元相连、用于检测副边有源桥的输出电压电流信号；所述控制单元包括输出控制器和移相全桥PWM发生器，所述移相全桥PWM发生器的输入端与输出控制器相连，输出端与原边全控有源桥相连，所述输出控制器用于根据预设电压电流信号和副边有源桥的输出电压电流信号调节移相角度，所述移相全桥PWM发生器用于根据移相角度生成原边全控有源桥的PWM波。
所述控制单元包括故障检测单元，所述故障检测单元与主电路相连、用于检测主电路的输入输出端的电压电流信号以进行过载或短路保护。
本发明还公开了一种直流充电系统，包括多个直流充电组件，多个直流充电组件之间相互并联，各直流充电组件包括多个依次串联的如上所述的直流充电装置。
作为上述技术方案的进一步改进：
各直流充电装置之间通过通讯组网单元进行实时通讯；所述通讯组网单元为WLAN、CAN或MODBUS组网网络。
本发明还公开了一种基于如上所述的直流充电系统的充电方法，包括独立工作模式和串并联组网工作模式；在独立工作模式时，单台充电装置给单个负载充电；在串并联组网工作模式，多个直流充电组件并联后给单个负载充电。
作为上述技术方案的进一步改进：
在串并联组网工作模式时，设置各组直流充电组件中的一台直流充电装置为串联主机，每组直流充电组件的直流充电装置与对应组中的串联主机通讯相连；另外其中一台串联主机为总主机，总主机与其余各串联主机通讯相连。
在串并联组网工作模式时，再设定直流充电系统工作于恒压限流模式或恒流限压模式，当恒流模式时，总主机将总输出电流I_ref_total均分，作为给定输出电流I_ref输出至每组直流充电组件的串联主机，串联主机调节对应直流充电组件的输出电压来控制每组直流充电组件的输出电流；在恒压模式时，总主机控制每组直流充电组件的输出电压V_ref_total，再根据输出总电流计算出每组直流充电组件的电流给定值I_ref，各串联主机通过调节本组直流充电组件中各个直流充电装置的输出电压V_ref来实时调节本组直流电组件的输出电流以跟踪电流给定I_ref。
在恒流模式时，各串联主机控制对应直流充电组件的其它直流充电装置的输出电压至给定电压V_ref，以使对应直流充电组件输出电流I_ref。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的直流充电装置，针对输入电源的多样化，分别预留了交流输入端和直流输入端，不用在装置外部进行整流或逆变成统一的电源，装置通过设定输入电源的种类，改变直流升压单元的工作模式，可兼容多种交直流电源输入。
本发明的直流充电系统，采用主从通讯控制各直流充电组件的电压电流，各直流充电装置可单独运行也可任意串并联组合输出，使得较小容量的充电装置通过组合能够匹配各种电压、功率的充电负载，能够满足各种不同负荷的需求，能够提高充电的调节精度、提高工作效率，充分利用现有的充电装置容量等优点。
本发明的直流充电方法，同样具有直流充电系统所述的优点，而且操作简便。
附图说明
图1为本发明的充电装置的方框结构图。
图2为本发明的充电装置中的控制单元的方框结构图。
图3为本发明的充电装置的主电路的电路原理图。
图4为本发明的充电系统的方框结构图。
图中标号表示：1、控制单元；11、升压控制器；12、斩波PWM发生器；13、输出控制器；14、移相全桥PWM发生器；15、故障检测单元；2、主电路；21、交流整流单元；22、直流升压单元；23、原边全控有源桥；24、隔离变压器；25、副边有源桥；3、输入检测单元；4、输出检测单元；5、通讯组网单元；6、人机交互单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1至图3所示，本实施例的直流充电装置，包括控制单元1、交流输入端、直流输入端和主电路2，主电路2包括依次相连的交流整流单元21、直流升压单元22、原边全控有源桥23、隔离变压器24、副边有源桥25；交流整流单元21的交流侧与交流输入端相连，用于将交流电整流成直流电并输出至直流升压单元22，交流整流单元21的直流母线与直流输入端相连，用于将直流电输出至直流升压单元22；直流升压单元22用于对直流电进行升压并输出至原边全控有源桥23；原边全控有源桥23用于将输入的直流电转化为方波交流电并输出至隔离变压器24；隔离变压器24用于实现输入输出隔离并将方波交流电输出至副边有源桥25；副边有源桥25用于将方波交流电整流成直流电输出至负载。本发明的直流充电装置，针对输入电源的多样化，分别预留了交流输入端和直流输入端，不用在装置外部进行整流或逆变成统一的电源，装置通过设定输入电源的种类，改变直流升压单元22的工作模式，可兼容多种交直流电源输入。
如图3本实施例中，交流整流单元21由二极管整流桥构成，可以是3相整流全桥或者是2相整流全桥；直流升压单元22由两个Boost升压电路并联、续流二极管组和输出滤波电容组成，在其它实施例中，也可以采用多路Boost升压电路组成，多路Boost升压电路在一个PWM控制周期中轮流工作；全控有源全桥是由电力电子全控开关器件及其续流二极管组成的全桥电路，或者为全桥Buck有源桥或半桥Buck有源桥；副边有源桥25由二极管组成的整流全桥，其后端接输出滤波电容和电感以对输出电压进行滤波。
如图1和图2所示，本实施例中，还包括输入检测单元3，输入检测单元3与控制单元1相连、用于检测直流升压单元22的输入输出端的电压电流信号；控制单元1包括升压控制器11和斩波PWM发生器12，斩波PWM发生器12的输入端与升压控制器11相连，输出端与直流升压单元22相连；升压控制器11用于根据预设电压和直流升压单元22的输入输出端的电压电流信号生成占空比，PWM发生器用于根据占空比调制直流升压单元22的PWM波。
具体地，输入检测单元3由电流采样传感器、电压采样传感器和相应的滤波放大调理电路组成，用来将主电路2中的交流输入电压（图2中V_LN）、直流母线电流（图2中I_dc）、直流输入电压（图2中V_in_dc）、直流升压输出电压（图2中V_dc）信号转化为控制单元1能够接收的电压信号。升压控制器11依据电压给定V_ref、输入模式设定和检测的输入检测单元3检测的电压电流信号，调节直流升压单元22中升压Boost电路的占空比D，升压控制器11控制输出直流母线电压为k倍V_ref；若设定为交流输入，模式控制升压Boost电路工作于PFC模式调节；若设定为蓄电池输入模式，控制升压Boost电路为升压模式；若设定为光伏电池输入模式，控制升压Boost电路工作为MPPT跟踪模式；升压控制器11输出升压Boost电路的占空比D至斩波PWM发生器12，占空比D的范围为0%~50%；k的值选取应为1.05~2，k值尽量取小，能够减少移相全桥电路的损耗。斩波PWM发生器12，用于调制产生控制Boost升压电路的PWM波pwm1和pwm2，依据升压控制器11输入的占空比D调制pwm1和pwm2，其中pwm1和pwm2相位相差180°（即相差半个PWM调制周期），输出控制Boost升压电路。
如图1和图2所示，本实施例中，还包括输出检测单元4，输出检测单元4与控制单元1相连、用于检测副边有源桥25的输出电压电流信号；控制单元1包括输出控制器13和移相全桥PWM发生器14，移相全桥PWM发生器14的输入端与输出控制器13相连，输出端与原边全控有源桥23相连，输出控制器13用于根据预设电压电流信号和副边有源桥25的输出电压电流信号调节移相角度，移相全桥PWM发生器14用于根据移相角度生成原边全控有源桥23的PWM波。
具体地，输出检测单元4由电流采样传感器、电压采样传感器及其相应的滤波放大调理电路组成，将主电路2中的输出电压（图2中V_out）和输出电流（图2中I_out）转化为控制单元1能够接收的电压信号。输出控制器13依据输出检测单元4检测的输出给定电压、输出给定电流和输出模式来调节移相全桥PWM发生器14的移相角度Φ（范围为0~180°）；若工作在恒流限压输出模式，输出控制器13依据输出给定电流和实际输出电流的差值来调节移相角度Φ；若工作在恒压状态，输出控制器13依据输出给定电压和实际输出电压差值来调节移相角度Φ；输出控制器13输出移相角度至移相全桥PWM发生器14。移相全桥PWM发生器14，用于调制产生控制PWM波（pwm3、pwm4、pwm5、pwm6）；pwm3和pwm4为相位互差180°的方波（即占空比为50%），pwm5和pwm6为相位互差180°的方波，依据输出控制器13输入的移相角Φ调制使得pwm3和pwm5互差角度Φ的PWM波，输出控制原边全控有源桥23。因此，控制单元1采用输入输出两个单独闭环控制主电路2的运行。
如图2所示，本实施例中，控制单元1包括故障检测单元15，故障检测单元15与主电路2相连、用于检测主电路2的输入输出端的电压电流信号，若发生过载和短路过流情况，立即报故障并封锁所有的PWM脉冲。
如图1所示，本实施例中，还包括人机交互单元6和通讯组网单元5；控制单元1由微处理器及其外围接口电路组成，用来运行控制策略，依据用户指令、检测到的输入输出电流电压和与其他充电设备通讯的信息来控制充电设备的主电路2工作；微处理器与主电路2相连，输出pwm1~pwm2和pwm3~pwm6的脉宽调制电压至主电路2；控制单元1与输入检测单元3相连，接收输入检测单元3检测的主电路2输入升压侧的直流电压电流；控制单元1与输出检测单元4相连，接收输出检测单元4检测的输出侧电压电流；控制单元1与人机交互单元6相连，接收人机交互单元6的用户指令，输出充电设备运行信息至人机交互单元6。人机交互单元6由触摸屏组成，用于接收用户指令，用户设置输入电源的种类、通讯组别、串并联组合模式或独立运行、充电模式（电压源或电流源）、充电参数，人机交互单元6与控制单元1相连，向控制单元1输入接收的用户指令，同时接收控制单元1的充电设备运行信息，向用户显示充电设备运行信息。通讯组网单元5由通讯组网控制器及其接口电路组成，用于各个充电装置的通讯组网，实现充电装置之间的实时通讯；该通讯组网可以为WLAN（无线局域网络），也可以为CAN（控制器局域网络）或者是MODBUS组网网络等。
如图4所示，本发明还公开了一种直流充电系统，包括多个直流充电组件，多个直流充电组件之间相互并联，各直流充电组件包括多个依次串联的如上所述的直流充电装置。本发明的直流充电系统，采用主从通讯控制各直流充电组件的电压电流，各直流充电装置可单独运行也可任意串并联组合输出，使得较小容量的充电装置通过组合能够匹配各种电压、功率的充电负载，能够满足各种不同负荷的需求，能够提高充电的调节精度、提高工作效率，充分利用现有的充电装置容量等优点。本实施例中，各直流充电装置之间通过通讯组网单元5进行实时通讯；通讯组网单元5为WLAN、CAN或MODBUS组网网络。
本发明还公开了一种基于如上所述的直流充电系统的充电方法，包括独立工作模式和串并联组网工作模式；在独立工作模式时，单台充电装置给单个负载充电，通过人机接口单元将其设置为独立工作模式，设置为恒压限流模式或恒流限压模式，恒压限流模式设置输出电压参考值V_ref、电流限流值I_ref，恒流限压模式设置电流参考值I_ref和电压限制值V_ref。在串并联组网工作模式，多个直流充电组件并联后给单个大负载充电。
本实施例中，在串并联组网工作模式时，设置各组直流充电组件中的一台直流充电装置为串联主机，每组直流充电组件的直流充电装置与对应组中的串联主机通讯相连；另外其中一台串联主机为总主机，总主机与其余各串联主机通讯相连。具体为：直流充电系统为n个充电装置先串联，m组充电组件（串联组）再并联；组网地址的设置方法为：串并联地址设置为m.n，其中m代表为并联组的位置，n代表处于串联组的位置，装置m.n即表示该装置处于第m个串联组的第n个装置；串并联组网的工作方式：将第一行第一列的装置（即装置0.0）定义为总主机，每列的第一行装置定义为串联主机，总主机控制整个串并联组的工作，串主机控制该串组装置工作；每个串联组中的装置m.n将自己的状态信息（即输出电流、电压）通讯传输至本串联主机装置m.0， m.0装置计算出本串联组的总电压和总电流；串主机装置m.0再将每个串联组状态信息（串总电压和串总电流）通讯至总主机装置0.0。
本实施例中，在串并联组网工作模式时，再设定直流充电系统工作于恒压限流模式或恒流限压模式，当恒流模式时，总主机将总输出电流I_ref_total均分，作为给定输出电流I_ref输出至每组直流充电组件的串联主机，串联主机调节对应直流充电组件的输出电压来控制每组直流充电组件的输出电流，即各串联主机控制对应直流充电组件的其它直流充电装置的输出电压至给定电压V_ref，以使对应直流充电组件输出电流I_ref；在恒压模式时，总主机控制每组直流充电组件的输出电压V_ref_total，再根据输出总电流计算出每组直流充电组件的电流给定值I_ref，各串联主机通过调节本组直流充电组件中各个直流充电装置的输出电压V_ref来实时调节本组直流电组件的输出电流以跟踪电流给定I_ref。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流充电装置，其特征在于，包括控制单元（1）、交流输入端、直流输入端和主电路（2），所述主电路（2）包括依次相连的交流整流单元（21）、直流升压单元（22）、原边全控有源桥（23）、隔离变压器（24）、副边有源桥（25）；所述交流整流单元（21）的交流侧与交流输入端相连，用于将交流电整流成直流电并输出至直流升压单元（22），所述交流整流单元（21）的直流母线与直流输入端相连，用于将直流电输出至直流升压单元（22）；所述直流升压单元（22）用于对直流电进行升压并输出至原边全控有源桥（23）；所述原边全控有源桥（23）用于将输入的直流电转化为方波交流电并输出至隔离变压器（24）；所述隔离变压器（24）用于实现输入输出隔离并将方波交流电输出至副边有源桥（25）；所述副边有源桥（25）用于将方波交流电整流成直流电输出至负载。
2.根据权利要求1所述的直流充电装置，其特征在于，还包括输入检测单元（3），所述输入检测单元（3）与控制单元（1）相连、用于检测直流升压单元（22）的输入输出端的电压电流信号；所述控制单元（1）包括升压控制器（11）和斩波PWM发生器（12），所述斩波PWM发生器（12）的输入端与所述升压控制器（11）相连，输出端与直流升压单元（22）相连；所述升压控制器（11）用于根据预设电压和直流升压单元（22）的输入输出端的电压电流信号生成占空比，所述PWM发生器用于根据占空比调制直流升压单元（22）的PWM波。
3.根据权利要求1或2所述的直流充电装置，其特征在于，还包括输出检测单元（4），所述输出检测单元（4）与控制单元（1）相连、用于检测副边有源桥（25）的输出电压电流信号；所述控制单元（1）包括输出控制器（13）和移相全桥PWM发生器（14），所述移相全桥PWM发生器（14）的输入端与输出控制器（13）相连，输出端与原边全控有源桥（23）相连，所述输出控制器（13）用于根据预设电压电流信号和副边有源桥（25）的输出电压电流信号调节移相角度，所述移相全桥PWM发生器（14）用于根据移相角度生成原边全控有源桥（23）的PWM波。
4.根据权利要求1或2所述的直流充电装置，其特征在于，所述控制单元（1）包括故障检测单元（15），所述故障检测单元（15）与主电路（2）相连、用于检测主电路（2）的输入输出端的电压电流信号以进行过载或短路保护。
5.一种直流充电系统，其特征在于，包括多个直流充电组件，多个直流充电组件之间相互并联，各直流充电组件包括多个依次串联的如权利要求1至4中任意一项所述的直流充电装置。
6.根据权利要求5所述的直流充电系统，其特征在于，各直流充电装置之间通过通讯组网单元（5）进行实时通讯；所述通讯组网单元（5）为WLAN、CAN或MODBUS组网网络。
7.一种基于权利要求5或6所述的直流充电系统的充电方法，其特征在于，包括独立工作模式和串并联组网工作模式；在独立工作模式时，单台充电装置给单个负载充电；在串并联组网工作模式，多个直流充电组件并联后给单个负载充电。
8.根据权利要求7所述的充电方法，其特征在于，在串并联组网工作模式时，设置各组直流充电组件中的一台直流充电装置为串联主机，每组直流充电组件的直流充电装置与对应组中的串联主机通讯相连；另外其中一台串联主机为总主机，总主机与其余各串联主机通讯相连。
9.根据权利要求8所述的充电方法，其特征在于，在串并联组网工作模式时，再设定直流充电系统工作于恒压限流模式或恒流限压模式，当恒流模式时，总主机将总输出电流I_ref_total均分，作为给定输出电流I_ref输出至每组直流充电组件的串联主机，串联主机调节对应直流充电组件的输出电压来控制每组直流充电组件的输出电流；在恒压模式时，总主机控制每组直流充电组件的输出电压V_ref_total，再根据输出总电流计算出每组直流充电组件的电流给定值I_ref，各串联主机通过调节本组直流充电组件中各个直流充电装置的输出电压V_ref来实时调节本组直流电组件的输出电流以跟踪电流给定I_ref。
10.根据权利要求9所述的充电方法，其特征在于，在恒流模式时，各串联主机控制对应直流充电组件的其它直流充电装置的输出电压至给定电压V_ref，以使对应直流充电组件输出电流I_ref。
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