CN107968471A - Lclc谐振电路、宽范围恒功率输出直流充电机及控制方法 - Google Patents

Lclc谐振电路、宽范围恒功率输出直流充电机及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LCLC谐振电路、宽范围恒功率输出直流充电机及控制方法，包括：串联谐振电感、串联谐振电容和并联谐振电感组成的串并联谐振网络；在所述并联谐振电感的支路上串入电容。本发明有益效果：本发明设计的充电机具有更宽的电压输出范围，输出范围为750‑200V；同时本发明设计的充电机具有更高的整体工作效率，尤其充电机低压输出时效率提升明显。

Description

LCLC谐振电路、宽范围恒功率输出直流充电机及控制方法
技术领域
本发明涉及新能源电动汽车直流充电领域，尤其涉及一种LCLC谐振电路、基于LCLC谐振技术的宽范围恒功率输出直流充电机及其控制方法。
背景技术
LLC谐振电路是近来引起业界研究重视的电路，其理论研究已比较成熟。其相比传统的硬开关技术具有一些明显的优势：在可变的频率范围内能实现MOS管ZVS开通，从而降低了电路的开关损耗，提高了变换器的效率；当开关频率低于或等于谐振频率时整流二极管自然关断，消除了整流部分关断损耗和电压尖峰；电流波形为正弦波，传导和辐射干扰较小；电路开关频率高，减小了功率器件以及变换器尺寸，提高模块功率密度。基于以上优点，LLC谐振电路在电动汽车直流充电机上得到广泛的应用。
但LLC谐振电路也存在其固有的缺点：由于其输出/输入的增益曲线较缓，当低压输出时其开关频率升高，功率MOS管开关损耗增大，LLC变换器效率降低。因此必须对LLC谐振电路开关频率进行限制，否则变换器热问题严重。因此为保持高效率输出,LLC谐振电路不适合宽范围输出环境。
随着国家对新能源汽车的不断投入和支持，国内新能源汽车得到长足的发展，各种新能源车型不断推出，但由于相关标准的不完善，国内新能源汽车使用的锂电池充电电压驳杂，范围从200到750V不等。基于传统LLC谐振电路设计的充电机很难实现如此宽范围恒功率输出。
现有的基于LLC谐振技术实现的直流充电机按其输出电压一般分为两类：
1、输出电压500～200V。
2、输出电压750-300V。
以上任何一类都无法满足所有汽车充电的需求，因而变相的增加了汽车充电设施建设的复杂度与成本，影响客户充电时体验。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种LCLC谐振电路、基于LCLC谐振技术的宽范围恒功率输出直流充电机及其控制方法，通过对传统的LLC谐振电路进行改进并采用混合式控制策略实现了电动汽车充电机的宽范围恒功率输出，相较于现有的基于传统LLC技术实现的充电机具有更宽的电压输出范围，更高整体输出效率。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
本发明公开了一种LCLC谐振电路，包括：串联谐振电感、串联谐振电容和并联谐振电感组成的串并联谐振网络；在所述并联谐振电感的支路上串入电容。
本发明还公开了一种宽范围恒功率输出直流充电机，包括：输入模块、整流模块和输出模块；在所述整流模块和输出模块之间连接权利要求1所述的LCLC谐振电路；
所述LCLC谐振电路与DSP控制器连接，所述DSP控制器控制所述LCLC谐振电路在全桥模式和半桥模式之间切换。
进一步地，按照充电机输出电压划分全桥模式与半桥模式的工作区域：当输出电压大于A2时，控制所述LCLC谐振电路工作于全桥模式，输出电压小于A1时，LCLC谐振电路工作于半桥模式；
其中，A1、A2均为设定的电压值。
进一步地，所述DSP控制器控制所述LCLC谐振电路采用PFM、定频调宽或者BurstMode中的一种控制方式，或者采用其中的任两种或者三种相结合的控制方式。
进一步地，当DSP控制器数字PI输出B2-B3时采用PFM控制方式；当DSP控制器数字PI输出在B1-B2时采用定频调宽的控制方式；当DSP控制器数字PI输出小于B1时采取BurstMode控制方式；
其中，B1、B2、B3均为设定的电压值。
本发明进一步公开了一种宽范围恒功率输出直流充电机的控制方法，包括：
按照充电机输出电压划分全桥模式与半桥模式的工作区域，以充电机当前输出电压作为全桥模式和半桥模式切换依据，控制LCLC谐振电路在全桥模式和半桥模式之间切换；
采用PFM、定频调宽或者Burst Mode的控制方式对LCLC谐振电路进行控制，或者采用上述三种控制方式中的任两种或者三种相结合的控制方式对LCLC谐振电路进行控制。
进一步地，当输出电压大于A2时，控制所述LCLC谐振电路工作于全桥模式，输出电压小于A1时，控制所述LLC谐振电路工作于半桥模式；
其中，A1、A2均为设定的电压值。
进一步地，控制LCLC谐振电路在全桥模式和半桥模式之间切换的具体方法为：
当充电机输出电压大于A2时，LCLC谐振电路工作在全桥模式；DSP控制器首先按照全桥模式输出驱动信号，然后调节前级PFC电路输出相应的母线电压；
当充电机输出电压在A1与A2之间时，无需进行全桥与半桥切换；DSP控制器判断LCLC谐振电路当前所处模式，如处于全桥模式，DSP控制器调节前级PFC电路输出最低母线电压；如处于半桥模式，DSP控制器调节前级PFC电路输出最高母线电压；
当充电机输出电压小于A1时，LCLC谐振电路工作在半桥模式；DSP控制器首先调节前级PFC电路输出最高母线电压，然后按照半桥模式输出驱动信号；
其中，A1、A2均为设定的电压值。
进一步地，当DSP控制器数字PI输出为B2-B3时，采用PFM控制方式；
当DSP控制器数字PI输出为B1-B2时，采用定频调宽的控制方式；此时DSP控制器的开关频率保持在设定频率值，但驱动信号占空比减小；
当DSP控制器数字PI输出小于B1时，采取Burst Mode控制方式；此时DSP控制器间歇性的产生频率设定，占空比设定的驱动信号；
其中，B1、B2、B3均为设定的电压值。
本发明的有益效果：
相比与现有的基于常规LLC谐振电路实现的充电机，本发明设计的充电机具有更宽的电压输出范围，输出范围为750-200V；同时本发明设计的充电机具有更高的整体工作效率，尤其充电机低压输出时效率提升明显。
附图说明
图1是基于LCLC谐振技术实现的宽范围恒功率输出充电机结构框图；
图2是传统LLC全桥谐振电路；
图3是改进后的LCLC串联谐振电路；
图4是传统LLC半桥谐振电路；
图5是按照充电机输出电压LCLC谐振电路全桥与半桥工作区域划分；
图6是充电机DSP芯片控制LCLC谐振电路全桥与半桥切换过程；
图7是LCLC轻载或者空载时PFM+定频调宽+Burst Mode控制策略示意图；
图8是LCLC轻载或者空载时PFM+定频调宽+Burst Mode MOS管驱动波形示意图；
图9是相同Q值不同K值下LCLC谐振电路增益曲线；
图10是全桥模式下功率MOS管典型驱动波形；
图11是半桥模式下功率MOS管典型驱动波形。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
相较于现有的基于传统的LLC谐振技术实现的直流充电机，本发明主要对充电机LLC谐振电路以及其控制方式进行改进，从而扩宽了其电压输出及恒功率范围，提高了其整体运行时效率。以下进行详细说明。
一方面，本发明公开了一种LCLC谐振电路，包括：串联谐振电感、串联谐振电容和并联谐振电感组成的串并联谐振网络；在并联谐振电感的支路上串入电容。以全桥LLC串联谐振电路进行说明。
图2为传统的LLC全桥谐振电路。图3是改进后的LCLC全桥谐振电路。
改进后的LCLC谐振电路在原LLC谐振电路中变压器励磁电感Lm支路串入电容Cp。Cp的加入使LLC变换器的K值不再固定，其等效的K值随频率变化而变化，频率越低，等效K值越小。其中，K＝Lm_eq/Lr；LLC谐振电路Lm_eq＝Lm；LCLC谐振电路Lm_eq为Lm与Cp串联后的等效电感。
由图9曲线可知，当fs(开关频率)<fr(谐振频率)时，K值越小LLC增益曲线越陡峭，相同开关频率下LCLC输出电压越高，即LCLC谐振电路相较于LLC谐振电路更适合实现宽范围输出。
另一方面，本发明公开了一种宽范围恒功率输出的直流充电机，如图1所示，包括：三相交流输入部分，输入侧滤波器，三相维也纳整流电路(AC-DC)、本发明改进后的LCLC串联谐振电路(DC-DC)、输出滤波、直流输出以及DSP控制器。
三相交流电经输入滤波器滤波后进入三相维也纳整流电路，三相维也纳整流电路对输入进行整流以及功率因数校正得到高压直流母线，高压直流母线经LCLC串联谐振电路进行DC-DC隔离变换输出可调直流电压，该直流电压经输出滤波后可对汽车锂电池进行充电。DSP控制器控制充电机稳定输出所需直流充电电压，并对充电机进行监测与保护。
第三方面，本发明对LCLC谐振电路的控制方式进行了改进。
(1)按照充电机输出电压划分全桥模式与半桥模式的工作区域，控制LCLC谐振电路在全桥模式和半桥模式之间切换；
按照充电机输出电压划分全桥模式与半桥模式的工作区域，如图5所示，当输出电压大于330V时，控制LCLC谐振电路工作于全桥模式，输出电压小于325V时，LCLC谐振电路工作于半桥模式。
图2为传统的LLC全桥串联谐振电路，图4为传统的LLC半桥串联谐振电路。
将图2中MOS管M1关断，M4闭合即可实现图4的半桥拓扑，通过DSP控制M1和M4的驱动信号实现全桥与半桥的切换。
当LCLC全桥谐振电路切换到半桥谐振电路后，相同开关频率及负载下输出增益降为1/2，因此使用全桥切半桥的控制方式能扩展LCLC谐振电路低压段输出范围，提高充电机低压段运行效率。
为防止LCLC谐振电路全桥与半桥切换过程中进入容性区域以及为减小切换过程中输出电压波动，充电机DSP控制LCLC谐振电路按图6流程进行全桥与半桥切换。
DSP控制器实时对充电机输出端电压采样，DSP控制器以充电机当前输出电压作为全桥模式和半桥模式切换依据。
当充电机输出电压大于330V时，LCLC谐振电路应工作在全桥模式。首先DSP控制器按照全桥模式输出驱动信号，如图10所示，然后DSP控制器调节前级PFC电路输出相应的母线电压。
当充电机输出电压在325V与330V之间时，此时LCLC谐振电路可工作在全桥与半桥任何模式，即在此区域无需进行全桥与半桥切换，DSP控制器判断LCLC谐振回路当前所处模式，如处于全桥模式，DSP控制器调节前级PFC电路输出最低母线电压(590V)；如处于半桥模式，DSP控制器调节前级PFC电路输出最高母线电压(790V)；
当充电机输出电压小于325V时，LCLC谐振电路应工作在半桥模式。首先DSP控制器调节前级PFC电路输出最高母线电压(790V)。然后DSP控制器按照半桥模式输出驱动信号，如图11所示。
(2)采用PFM、定频调宽以及Burst Mode相结合的控制方式对LCLC谐振电路进行控制。
本发明充电机采用PFM、定频调宽以及Burst Mode相结合的控制方式。如图7，当DSP控制芯片数字PI输出3-10V时采用PFM控制方式，当PI输出在1-3V时采用定频调宽的控制方式，此时开关频率保持250K，但驱动信号占空比由50％逐渐减小到5％，当PI输出小于1V时采取Burst Mode控制方式，此时DSP控制芯片间歇性的产生频率为250K，占空比为5％的驱动信号，各模式MOS管详细驱动波形见图8。
经过上述控制方法，实现了充电机的宽范围恒功率输出。
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 (9)

1.一种LCLC谐振电路，包括：串联谐振电感、串联谐振电容和并联谐振电感组成的串并联谐振网络；其特征在于，在所述并联谐振电感的支路上串入电容。
2.一种宽范围恒功率输出直流充电机，包括：输入模块、整流模块和输出模块；其特征在于，在所述整流模块和输出模块之间连接权利要求1所述的LCLC谐振电路；
所述LCLC谐振电路与DSP控制器连接，所述DSP控制器控制所述LCLC谐振电路在全桥模式和半桥模式之间切换。
3.如权利要求2所述的一种宽范围恒功率输出直流充电机，其特征在于，按照充电机输出电压划分全桥模式与半桥模式的工作区域：当输出电压大于A2时，控制所述LCLC谐振电路工作于全桥模式，输出电压小于A1时，LCLC谐振电路工作于半桥模式；
其中，A1、A2均为设定的电压值。
4.如权利要求2所述的一种宽范围恒功率输出直流充电机，其特征在于，所述DSP控制器控制所述LLC谐振电路采用PFM、定频调宽或者Burst Mode中的一种控制方式，或者采用其中的任两种或者三种相结合的控制方式。
5.如权利要求4所述的一种宽范围恒功率输出直流充电机，其特征在于，当DSP控制器数字PI输出B2-B3时采用PFM控制方式；当DSP控制器数字PI输出在B1-B2时采用定频调宽的控制方式；当DSP控制器数字PI输出小于B1时采取Burst Mode控制方式；
其中，B1、B2、B3均为设定的电压值。
6.一种如权利要求2所述的宽范围恒功率输出直流充电机的控制方法，其特征在于，包括：
按照充电机输出电压划分全桥模式与半桥模式的工作区域，以充电机当前输出电压作为全桥模式和半桥模式切换依据，控制LCLC谐振电路在全桥模式和半桥模式之间切换；
采用PFM、定频调宽或者Burst Mode的控制方式对LCLC谐振电路进行控制，或者采用上述三种控制方式中的任两种或者三种相结合的控制方式对LCLC谐振电路进行控制。
7.如权利要求6所述的一种宽范围恒功率输出直流充电机的控制方法，其特征在于，
当输出电压大于A2时，控制所述LCLC谐振电路工作于全桥模式，输出电压小于A1时，控制所述LLC谐振电路工作于半桥模式；
其中，A1、A2均为设定的电压值。
8.如权利要求6所述的一种宽范围恒功率输出直流充电机的控制方法，其特征在于，控制LLC谐振电路在全桥模式和半桥模式之间切换的具体方法为：
当充电机输出电压大于A2时，LCLC谐振电路工作在全桥模式；DSP控制器首先按照全桥模式输出驱动信号，然后调节前级PFC电路输出相应的母线电压；
当充电机输出电压在A1与A2之间时，无需进行全桥与半桥切换；DSP控制器判断LCLC谐振电路当前所处模式，如处于全桥模式，DSP控制器调节前级PFC电路输出最低母线电压；如处于半桥模式，DSP控制器调节前级PFC电路输出最高母线电压；
当充电机输出电压小于A1时，LCLC谐振电路工作在半桥模式；DSP控制器首先调节前级PFC电路输出最高母线电压，然后按照半桥模式输出驱动信号；
其中，A1、A2均为设定的电压值。
9.如权利要求6所述的一种宽范围恒功率输出直流充电机的控制方法，其特征在于，
当DSP控制器数字PI输出为B2-B3时，采用PFM控制方式；
当DSP控制器数字PI输出为B1-B2时，采用定频调宽的控制方式；此时DSP控制器的开关频率保持在设定频率值，但驱动信号占空比减小；
当DSP控制器数字PI输出小于B1时，采取Burst Mode控制方式；此时DSP控制器间歇性的产生频率设定，占空比设定的驱动信号；
其中，B1、B2、B3均为设定的电压值。
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