CN107134839A - 一种基于全数字控制的高功率密度充电模块及方法 - Google Patents

一种基于全数字控制的高功率密度充电模块及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全数字控制的高功率密度充电模块及方法，对三相维也纳PFC电路进行直流母线电压外环和交流电流内环的双环控制，对三电平LLC直流变换器进行电压环和电流环的pi控制运算，同时将电压环和电流环的运算结果进行实时比较，判断较大的值，利用其控制方式来驱动三电平LLC直流变换器，使充电模块处于恒压充电或恒流充电状态。本发明在输出功率等级不变的前提下，通过优化主电路拓扑参数，控制策略等手段实现充电模块的小型化高功率密度，达到实现减小单机充电模块的体积，从而使整个充电系统装置的体积缩小，减小硬件成本和工程调试时的劳动力，轻便也便于维护。

Description

一种基于全数字控制的高功率密度充电模块及方法
技术领域
本发明涉及一种基于全数字控制的高功率密度充电模块及方法。
背景技术
随着电动汽车的推广，充电模块应用的环境和场合也拓宽，充电模块采用数字控制可以实现高精度的控制以及便于调试修改控制策略以适应不同应用场合，控制方式更加灵活，省去了拆装机壳修改模块内部硬件的麻烦。为了实现高功率密度输出，充电模块采用前后两级串联结构，前级实现有源功率因数校正功能，后级实现恒压或恒流或恒功率输出。前级和后级主控均采用DSP数字控制。采用数字控制，通过can通讯技术可以方便灵活的对DSP内部的控制算法进行灵活的更改，这样大大节约的调试时间和人工成本，如果采用硬件控制，在调试过程和现场应用过程中还需要打开机壳更改硬件，这样太麻烦，不便于维护。同时在本发明中前后两级采用的数字控制方法可以更好的实现现有应用场合对充电模块的要求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于全数字控制的高功率密度充电模块及方法，本发明可以减小充电模块的体积，在输出功率等级不变的前提下，通过优化主电路拓扑参数，控制策略等手段实现充电模块的小型化高功率密度，达到实现减小单机充电模块的体积，从而使整个充电系统装置的体积缩小，减小硬件成本和工程调试时的劳动力，轻便也便于维护。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于全数字控制的高功率密度充电模块，包括依次串联的输入EMC滤波电路、三相维也纳PFC电路、三电平LLC直流变换器电路、高频整流电路、输出EMC电路、输出防反接及防倒灌电路，将输入的三相交流电转化成直流电，所述输入EMC滤波电路输出的交流电压、电流信号通过前级数字电路、后级数字电路与监控模块连接，所述后级数字电路采集高频整流电路输出的直流电压和电流信号，所述前级数字电路和后级数字电路通信；
所述前级数字电路对三相维也纳PFC电路进行控制，使三相维也纳PFC电路具有有源功率因数校正功能、为三电平LLC直流变换器提供高压直流母线，所述后级数字电路对三电平LLC直流变换器进行控制，根据输出的电流信号与给定值进行比较后进行PI运算的结果，进而调节三电平LLC直流变换器电路开关管的pwm驱动脉冲的频率和占空比，使充电模块恒压恒流或者恒功率输出。
所述前级数字电路连接有第一辅助电源电路，所述第一辅助电源电路对外产生辅助电源，同时连接第二辅助电源电路，为其提供输入电压，所述第二辅助电源电路连接后级数字电路。
所述三相维也纳PFC电路连接有保护电路，所述前级数字电路检测到保护电路送来的直流母线的过压过流信号时会自动封锁PWM驱动脉冲实现保护三相维也纳PFC电路的目的。
所述输出防反接及防倒灌电路与受控开关S连接后再与电动汽车电池电路连接，使充电电流始终是由充电模块流向电池方向。
所述后级数字电路连接三电平LLC直流变换器，且所述三电平LLC直流变换器连接有第二保护电路，后级数字电路检测到第二保护电路送来的输出过压过流信号时自动封锁PWM驱动脉冲以保护三电平LLC直流变换器。
所述前级数字电路和后级数字电路通过通讯电路将前后两级的变量参数和报警信息进行信息交互。
基于上述充电模块的控制方法，对三相维也纳PFC电路进行直流母线电压外环和交流电流内环的双环控制，对三电平LLC直流变换器进行电压环和电流环的pi控制运算，同时将电压环和电流环的运算结果进行实时比较，判断较大的值，利用其控制方式来驱动三电平LLC直流变换器，使充电模块处于恒压充电或恒流充电状态。
对三相维也纳PFC电路的具体控制方法为：电压给定信号与通过与母线电压的采样值进行比较后送入电压外环pi控制器得到计算量A，通过对交流输入电压采样，前级数字电路分别计算出交流有效值的平方C和电压全波整流值B，其中B含有正负母线不平衡系数，将A乘以B再除以C后得到计算值Ir即电流内环的给定值，然后Ir再与采样电流值If比较运算后，再进行电流内环pi控制运算限幅后进行PWM驱动发波，最终通过PWM驱动信号控制主开关管的开通，实现系统电压的稳定。
三电平LLC直流变换器的电压环控制为电压内环给定值与采样得到的输出电压信号进行比较后进行电压环pi控制运算，运算结果经过频率和占空比限幅后，送入后级数字电路内部的PWM生成器，发出PWM驱动脉冲信号，实现充电模块的恒压控制。
三电平LLC直流变换器的电流环控制，电流内环给定值与采样得到的输出电流信号进行比较后进行电流内环pi控制运算，运算结果经过频率和占空比限幅后，送入后级数字电路内部的PWM生成器，发出PWM驱动脉冲信号，实现充电模块的恒流控制。
本发明的有益效果为：
(1)在输出功率等级不变的前提下，通过优化主电路拓扑参数，控制策略等手段实现充电模块的小型化高功率密度，达到实现减小单机充电模块的体积，从而使整个充电系统装置的体积缩小，减小硬件成本和工程调试时的劳动力，轻便也便于维护；
(2)本发明的前、后级数字电路主功率部分全部采用DSP控制，便于精确控制及调试；
(3)采用三相维也纳以及三电平LLC控制技术来实现高功率密度功率高，开关频率高，磁性元器件小，开关损耗小，发热少，同样的输出功率体积小，从而实现高功率密度。采用此电路结构，功率为15kw的充电模块，模块尺寸可以做到88*220*460mm(高*宽*深)；
(4)本发明利用can通讯技术可以支持软件更新控制策略省去了拆机壳修改硬件控制电路的麻烦，同时can通讯也可以直接与外部的上位机监控can通讯，充电模块不必再额外加监控板与外部的上位机监控通讯。
附图说明
图1为本发明的充电模块结构图；
图2为本发明的前级三相维也纳PFC控制结构图；
图3为本发明的前级三相维也纳DSP控制结构图；
图4为本发明的后级三电平LLC控制结构图；
图5为本发明的后级LLC电压环控制结构图；
图6为本发明的后级LLC电流环控制结构图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
充电模块主电路结构框图如图1所示，包括：三相交流输入电路，输入EMC滤波电路，三相维也纳PFC电路及保护电路1，三电平LLC直流变换器电路及保护电路2，高频整流电路，输出EMC电路，输出防反接及防倒灌电路，前级DSP28035数字电路及相应的采样电路，后级DSP28035数字电路及相应的采样电路，辅助源电路1，辅助源电路2，SCI及CAN通讯电路。
三相交流输入电路、输入EMC滤波电路、三相维也纳整流电路、三电平LLC直流变换器电路、高频整流电路、输出EMC电路、输出防反接及防倒灌电路依次串联连接。
输出防反接及防倒灌电路与受控开关S连接后再与电动汽车电池电路连接；辅助源电路1的输入电路是由三相维也纳整流后的电压，辅助源电路1对外产生几路辅助电压，同时为辅助源电路2提供输入电路。前级DSP28035数字电路与后级DSP28035数字电路通过SCI串口通讯；后级DSP28035数字电路实现充电模块的恒流或者恒压工作。
本发明涉及的充电模块是对三相维也纳PFC电路和三电平LLC直流变换器实现全数字软件控制，三相维也纳PFC电路实现有源功率因数校正功能、为后级三电平LLC直流变换器提供高压直流母线即为实现高功率输出提供前提条件。后级三电平LLC电路实现充电模块的恒压恒流或者恒功率输出。
1)三相维也纳PFC电路控制结构图如图2所示，其中，N三相电压中性点，A\B\C交流电网，L1\L2\L3\L4\L5\L6是交流电感，D1\D2\D3\D4\D5\D6是二极管，Q1\Q1S，Q2\Q2S，Q3\Q3S分别是主功率MOSFET开关管，且每一对的PWM驱动是相同的，C1\C2是稳压电解电容，R1\R2是负载，SCI_PFC-DC是三相维也纳PFC电路与三电平LLC电路之间的信息交互，Vd+/Vd-分别是直流母线正向电压和负向电压，Vd是PFC母线总电压，Vd可以根据后级DC输出电压而变化，Vd输出范围是570～800V，通过采集交流电压Vac信号、交流电流Iac信号和直流母线电压Vd+/Vd-信号分别送入DSP28035数字电路中进行运算，最终的运算结果生成PWM脉冲驱动信号驱动开关MOSFET管。DSP28035数字控制算法结构如图3所示。
数字控制算法总体来说是双环控制，直流母线电压外环和交流电流内环控制。控制详述如下：电压给定信号Vr与通过与PFC母线电压Vd的采样值Vf进行比较后送入电压外环pi控制器得到计算量A，通过对交流输入电压Vac采样在DSP内部分别计算出交流有效值的平方C和电压全波整流值B，其中B含有正负母线不平衡系数，将A乘以B再除以C后得到计算值Ir即电流内环的给定值，然后Ir再与采样电流值If比较运算后，再进行电流内环pi控制运算限幅后进行PWM驱动发波，最终通过PWM驱动信号控制主开关管的开通，实现系统电压的稳定。
2)后级三电平LLC控制结构图如图4所示，其中Vd是前级PFC输出母线电压，Cin是输入电解电容，S1A/S1B、S2A/S2B、S3A/S3B、S4A/S4B分别是LLC主MOSFET开关管，Cr是谐振电容，Lm是励磁电感，Lr是谐振电感，T是高频隔离变压器，D7/D8/D9/D10均是整流快恢复二极管，D11是防倒灌二极管，Co是输出电解电容，RL是负载，R3\R4是输出电压采样反馈电阻，r是输出电流采样分流器，输出电压和输出电流分别通过电压采样电路和电流采样电路后送入后级DSP28035数字电路进行控制运算。充电模块通过在电压环和电流环控制实现充电模块的恒压工作或者恒流工作，其中电压环和电流环控制结构图分别如图5和图6所示。
电压环控制实现充电模块的恒压充电，具体控制流程：电压内环给定值为VOref，VOref与采样得到的输出电压信号VOf进行比较后进行电压环pi控制运算，运算结果V_piout经过频率和占空比限幅后，送入DSP内部的PWM生成器，由DSP发出PWM驱动脉冲信号，最终实现充电模块的恒压控制。图6中VOref表示电压给定信号，VOf表示电压采样信号。
电流环控制实现充电模块的恒流充电，具体控制流程：电流内环给定值为IOref，IOref与采样得到的输出电流信号IOf进行比较后进行电流内环pi控制运算，运算结果I_piout经过频率和占空比限幅后，送入DSP内部的PWM生成器，由DSP发出PWM驱动脉冲信号，最终实现充电模块的恒流控制。图6中IOref表示电流给定信号，IOf表示电流采样信号。
电压环与电流之间的转换：在后级DSP28035程序中电压环运算结果V_piout与电流环运算结果I_piout一直实时比较，如果V_piout大于I_piout则处于电压环控制，模块实现恒压输出，如果V_piout小于I_piout则处于电流环控制，模块实现恒流输出，如果V_piout等于I_piout则处于临界状态，这种情况极少。
3)前后级SCI_PFC-DC通讯以及can通讯：前级DSP28035电路与后级DSP28035通过SCI_PFC-DC通讯电路将前后两级的变量参数和报警信息进行信息交互。Can通讯是充电模块与上位机监控进行信息交互，上位机监控通过can通讯控制充电模块的开关机，电压电流指令的下达等，另外也可以通过can通讯接口更新到两级DSP内部的数字控制程序，便于调试和维护。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于全数字控制的高功率密度充电模块，其特征是：包括依次串联的输入EMC滤波电路、三相维也纳PFC电路、三电平LLC直流变换器电路、高频整流电路、输出EMC电路、输出防反接及防倒灌电路，将输入的三相交流电转化成直流电，所述输入EMC滤波电路输出的交流电压、电流信号通过前级数字电路、后级数字电路与监控模块连接，所述后级数字电路采集高频整流电路输出的直流电压和电流信号，所述前级数字电路和后级数字电路通信；
所述前级数字电路对三相维也纳PFC电路进行控制，使三相维也纳PFC电路具有有源功率因数校正功能、为三电平LLC直流变换器提供高压直流母线，所述后级数字电路对三电平LLC直流变换器进行控制，根据输出的电流信号与给定值进行比较后进行PI运算的结果，进而调节三电平LLC直流变换器电路开关管的pwm驱动脉冲的频率和占空比，使充电模块恒压恒流或者恒功率输出。
2.如权利要求1所述的一种基于全数字控制的高功率密度充电模块，其特征是：所述前级数字电路连接有第一辅助电源电路，所述第一辅助电源电路对外产生辅助电源，同时连接第二辅助电源电路，为其提供输入电压，所述第二辅助电源电路连接后级数字电路。
3.如权利要求1所述的一种基于全数字控制的高功率密度充电模块，其特征是：所述三相维也纳PFC电路连接有保护电路，所述前级数字电路检测到保护电路送来的直流母线的过压过流信号时会自动封锁PWM驱动脉冲实现保护三相维也纳PFC电路的目的。
4.如权利要求1所述的一种基于全数字控制的高功率密度充电模块，其特征是：所述输出防反接及防倒灌电路与受控开关S连接后再与电动汽车电池电路连接，使充电电流始终是由充电模块流向电池方向。
5.如权利要求1所述的一种基于全数字控制的高功率密度充电模块，其特征是：所述后级数字电路连接三电平LLC直流变换器，且所述三电平LLC直流变换器连接有第二保护电路，后级数字电路检测到第二保护电路送来的输出过压过流信号时自动封锁PWM驱动脉冲以保护三电平LLC直流变换器。
6.如权利要求1所述的一种基于全数字控制的高功率密度充电模块，其特征是：所述前级数字电路和后级数字电路通过通讯电路将前后两级的变量参数和报警信息进行信息交互。
7.基于如权利要求1-6中任一项所述的充电模块的控制方法，其特征是：对三相维也纳PFC电路进行直流母线电压外环和交流电流内环的双环控制，对三电平LLC直流变换器进行电压环和电流环的pi控制运算，同时将电压环和电流环的运算结果进行实时比较，判断较大的值，利用其控制方式来驱动三电平LLC直流变换器，使充电模块处于恒压充电或恒流充电状态。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征是：对三相维也纳PFC电路的具体控制方法为：电压给定信号与通过与母线电压的采样值进行比较后送入电压外环pi控制器得到计算量A，通过对交流输入电压采样，前级数字电路分别计算出交流有效值的平方C和电压全波整流值B，其中B含有正负母线不平衡系数，将A乘以B再除以C后得到计算值Ir即电流内环的给定值，然后Ir再与采样电流值If比较运算后，再进行电流内环pi控制运算限幅后进行PWM驱动发波，最终通过PWM驱动信号控制主开关管的开通，实现系统电压的稳定。
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征是：三电平LLC直流变换器的电压环控制为电压内环给定值与采样得到的输出电压信号进行比较后进行电压环pi控制运算，运算结果经过频率和占空比限幅后，送入后级数字电路内部的PWM生成器，发出PWM驱动脉冲信号，实现充电模块的恒压控制。
10.如权利要求7所述的控制方法，其特征是：三电平LLC直流变换器的电流环控制，电流内环给定值与采样得到的输出电流信号进行比较后进行电流内环pi控制运算，运算结果经过频率和占空比限幅后，送入后级数字电路内部的PWM生成器，发出PWM驱动脉冲信号，实现充电模块的恒流控制。
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