CN107994663A - 控制用于电动汽车的充电电源模块的直流母线电压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制用于电动汽车的充电电源模块的直流母线电压的方法，包括：基于原边AC/DC变换器的输入端的电网电压来确定直流母线上的电压的极限值；确定副边DC/DC变换器是否处于谐振工作状态；在副边DC/DC变换器处于谐振工作状态的情况下，基于电动汽车的蓄电池电压确定直流母线上的电压的目标值；以及，基于目标值以及极限值来调节直流母线上的电压的实时值。其提高了对电动汽车蓄电池的充电效率，减小了输出电压和电流中的纹波，延长了蓄电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，更具体地说，涉及一种控制用于电动汽车的充电电源模块的直流母线电压的方法。
背景技术
随着新能源汽车的普及，对新能源汽车尤其是电动汽车进行充电的相关技术越来越受到技术人员的关注，它关系着电动汽车的工作状态、行驶里程以及使用寿命等，是衡量用户体验的一项重要指标。
在现有技术中，充电电源模块，例如服务器电源、通信电源和高压直流电源等，它们的输出电压要么是固定的，要么电压范围比较窄，在这样的应用背景下，对于其选用的电力拓扑要求就不会特别高，业界普遍选择的是移相全桥变换器或者LLC谐振变换器。
电动汽车充电电源模块的技术主要来自于通信电源和高压直流电源，基本的拓扑结构也沿用了下来；然而，电动汽车内的蓄电池常采用250V-750V这样超宽范围的输出电压，如果继续使用之前的电路架构和控制策略对其充电，可能会导致电源模块在某些输出电压段的性能下降，进而会影响蓄电池的充电性能，降低蓄电池的寿命，同时也无法通过相应国家标准的检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制用于电动汽车的充电电源模块的直流母线电压的方法。
为实现上述目的，本发明提供一种技术方案如下：
一种控制用于电动汽车的充电电源模块的直流母线电压的方法，其中，充电电源模块包括原边AC/DC变换器、副边DC/DC变换器，原边AC/DC变换器、副边DC/DC变换器经由直流母线相耦合，该方法包括：a)、基于原边AC/DC变换器的输入端的电网电压来确定直流母线上的电压的极限值；b)、确定副边DC/DC变换器是否处于谐振工作状态；c)、在副边DC/DC变换器处于谐振工作状态的情况下，基于电动汽车的蓄电池电压确定直流母线上的电压的目标值；以及d)、基于目标值以及极限值来调节直流母线上的电压的实时值。
优选地，步骤b)具体包括：获得副边DC/DC变换器上的谐振电流或谐振电压；若谐振电流或谐振电压为正弦波，则确定副边DC/DC变换器处于谐振工作状态。
优选地，直流母线上的电压的目标值还基于如下参数来计算：副边DC/DC变换器输出侧的整流后电路上的二极管压降；副边DC/DC变换器在半个开关周期内在整流时导通的二极管个数；副边DC/DC变换器的变压器原副边匝数比；副边DC/DC变换器输入侧的MOSFET在导通时的电压降；以及副边DC/DC变换器在半个开关周期内导通的MOSFET的个数。
优选地，该方法还包括：监测电网电压、蓄电池电压，若电网电压及蓄电池电压其中之一发生变化，则回到步骤a)继续执行。
本发明还公开一种用于电动汽车的充电电源装置，包括：原边AC/DC变换器，用于将电网电压转换为直流母线上的电压；副边DC/DC变换器，经由直流母线与原边AC/DC变换器相耦合，用于将直流母线上的电压转换为输出电压以供电动汽车充电；原边处理器，与原边AC/DC变换器相耦合，用于控制原边AC/DC变换器的工作状态，以及，基于电网电压确定直流母线上的电压的极限值；以及副边处理器，与副边DC/DC变换器相耦合，用于控制副边DC/DC变换器的工作状态，以及，在副边DC/DC变换器处于谐振工作状态时基于电动汽车的蓄电池电压确定直流母线上的电压的目标值，并基于目标值以及极限值来调节直流母线上的电压的实时值。
本发明各实施例提供的控制方法以及充电电源装置，在不改变原充电电源模块/装置的拓扑结构的前提下，以最小的物料成本和时间成本使充电电源模块工作于谐振状态，进而提高了对电动汽车蓄电池的充电效率，减小了输出电压和电流中的纹波，延长了蓄电池的使用寿命。
附图说明
图1示出本发明第一实施例提供的一种控制用于电动汽车的充电电源模块的输出电压的方法的流程示意图。
图2示出本发明第二实施例提供的一种用于电动汽车的充电电源装置的模块结构示意图。
图3A示出DC/DC变换器的第一可选电路结构的示意图。
图3B示出DC/DC变换器的第二可选电路结构的示意图。
图4示出DC/DC变换器的第一可选电路结构处于谐振工作状态时的谐振电压及谐振电流的波形示意图。
图5A、5B、5C分别示出DC/DC变换器的直流母线上电压随蓄电池电压变化的关系图表。
具体实施方式
在以下描述中提出具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域的技术人员将清楚地知道，即使没有这些具体细节也可实施本发明的实施例。在本发明中，可进行具体的数字引用，例如“第一元件”、“第二装置”等。但是，具体数字引用不应当被理解为必须服从于其字面顺序，而是应被理解为“第一元件”与“第二元件”不同。
本发明所提出的具体细节只是示范性的，具体细节可以变化，但仍然落入本发明的精神和范围之内。术语“耦合”定义为表示直接连接到组件或者经由另一个组件而间接连接到组件。
以下通过参照附图来描述适于实现本发明的方法、系统和装置的优选实施例。虽然各实施例是针对元件的单个组合来描述，但是应理解，本发明包括所公开元件的所有可能组合。因此，如果一个实施例包括元件A、B和C，而第二实施例包括元件B和D，则本发明也应被认为包括A、B、C或D的其他剩余组合，即使没有明确公开。
如图1所示，本发明第一实施例提供一种控制用于电动汽车的充电电源模块的直流母线电压的方法，其中，充电电源模块包括原边AC/DC变换器、副边DC/DC变换器，原边AC/DC变换器与副边DC/DC变换器经由直流母线相耦合。原边AC/DC变换器接入交流电网以获取电力，并将交流电压转换为直流母线上的直流电压，副边DC/DC变换器接入电动汽车的电源/蓄电池，并将直流母线上的直流电压转换为适合对该电源/蓄电池进行充电的直流电压。直流母线的一对端子间可以通过电容器相耦合，即，该电容器两端的电压即对应于直流母线上的直流电压。
图3A、3B分别示出DC/DC变换器的第一可选电路结构、第二可选电路结构的示意图。DC/DC变换器可采用第一可选电路结构、或第二可选电路结构，并还可以采用其他适合的电路结构。作为示例，第一可选电路结构在输入侧包括4个MOSFET，示出为Q1、Q2、Q3、Q4，并还选用了电感L及电容C。作为示例，第二可选电路结构在输入侧包括4个MOSFET，示出为Q1、Q2、Q3、Q4，并仅选用了电感L。本发明各实施例在不改变DC/DC变换器所采用的电路结构或拓扑结构的前提下，使得充电电源模块的输出电压尤其适合为电动汽车内的蓄电池充电。
该控制方法能够用于在不改变充电电源模块内拓扑结构的前提下，使得充电电源模块的输出电压能够适应电动汽车的超宽范围的充电电压。该方法具体包括如下步骤。
步骤S10、基于原边AC/DC变换器的输入端的电网电压来确定直流母线上的电压的极限值。
在本文中采用如下符合标记，采集到的输入交流电网电压Vgrid，其上限为Vgridmax，下限为Vgridmin，此电压为相电压值；直流母线电压Vdclink，其上限为Vdclinkmax，下限为Vdclinkmin；输出侧电动汽车的蓄电池电压Vbat的上限为Vbatmax，下限为Vbatmin。
根据该步骤，直流母线电压上限Vdclinkmax一般为420Vdc-430Vdc，这是因为半导体元器件和直流母线电解电容的电压应力是首要的考量因素；其次，直流母线电压下限Vdclinkmin必须大于Vgridmax(此为单相系统限值，三相系统则应大于Vgridmax)，这主要考虑的是保证在电网全输入电压范围内，充电模块内AC/DC变换器都是处于功率因数校正状态，也即是说直流母线电压的最小值Vdclinkmin不能小于电网电压经过不控整流后的电压值。此外，考虑AC/DC变换器线路上的电压降，最小值Vdclinkmin也可以往上做一定的调整。
步骤S11、确定副边DC/DC变换器是否处于谐振工作状态。
具体地，该步骤可以按照如下方式来执行，首先获得副边DC/DC变换器上的谐振电流或谐振电压；若谐振电流或谐振电压为正弦波，则确定副边DC/DC变换器处于谐振工作状态。图4示出副边DC/DC变换器处于最优工作状态(即谐振状态)时各MOSFET的波形以及流过电感L的电流、电容C两端的电压的波形图，可以通过流过电感L的电流波形(iLr)或电容C两端的电压波形(VCr)判断DC/DC变换器的工作状态，具体来说，只要这两个波形中任意一个为正弦波，即判定副边DC/DC变换器此时处于谐振状态。
步骤S12、基于电动汽车的蓄电池电压确定直流母线上的电压的目标值。
具体地，电动汽车内的蓄电池所提供的电压在很大范围内变化，例如，250V-750V，为了使充电电源模块的输出电压适合为这样的蓄电池充电，直流母线上的电压Vdclink将直接地取决于蓄电池电压。在蓄电池电压发生变化时，直流母线上的电压Vdclink将随之发生变化。
根据本发明进一步改进的实施例，直流母线上的电压Vdclink的目标值还基于如下各项参数来计算：副边DC/DC变换器输出侧的整流后电路上的二极管压降；副边DC/DC变换器在半个开关周期内在整流时导通的二极管个数；副边DC/DC变换器的变压器原副边匝数比；副边DC/DC变换器输入侧的MOSFET在导通时的电压降；以及副边DC/DC变换器在半个开关周期内导通的MOSFET的个数。
发明人经多次实验发现，直流母线上的电压Vdclink的目标值与电动汽车的蓄电池电压成正相关关系，与DC/DC变换器的变压器原副边匝数比成逆相关关系。
优选情况下，Vdclink的目标值可基于如下公式来计算：
其中，Vbat为电动汽车的蓄电池电压，Vdio为副边DC/DC变换器输出侧的整流后电路上的二极管压降，y为副边DC/DC变换器在半个开关周期内在整流时导通的二极管个数，Ns/Np为副边DC/DC变换器的变压器原副边匝数比，Vmos为副边DC/DC变换器输入侧的MOSFET在导通时的电压降，x为副边DC/DC变换器在该半个开关周期内导通的MOSFET的个数。
步骤S13、基于目标值以及极限值来调节直流母线上的电压的实时值。
在该步骤中，对直流母线上的电压进行实时的调节，使得直流母线上的电压的实时值落入[Vdclinkmin,Vdclinkmax]区间这一前提下，采用以上公式(1)计算所得的结果。换言之，若计算所得的Vdclink的目标值大于Vdclinkmax，则调节直流母线上的电压的实时值为Vdclinkmax；若计算所得的Vdclink的目标值小于Vdclinkmin，则调节直流母线上的电压的实时值为Vdclinkmin；当目标值落入上述区间时，则调节直流母线上的电压的实时值等于该目标值。
以下以具体示例详细说明如何调节直流母线上的电压的实时值。
假设在蓄电池电压标称值为500Vdc，直流母线电压值为400V时，DC/DC变换器处于最优工作状态，即谐振状态。DC/DC变换器在半个开关周期内在输入侧导通的MOSFET的个数x为2，单个MOSFET导通时的压降Vmos约为0.5V，在半个开关周期内输出侧整流时导通的二极管个数y也为2，单个二极管导通时的压降Vdio约为1V，由此可得DC/DC变换器处于谐振工作状态时变压器副边和原边匝数比为当蓄电池电压为250Vdc时，由公式(1)可以计算得到最优的直流母线上电压的目标值应为199.68Vdc，但是在输入电网电压为220Vac时，为保证前级AC/DC变换器功率因数校正功能不丢失，此时直流母线上电压的最小值被限制在而当蓄电池电压为750Vdc时，此时最优的直流母线上电压值应为598Vdc，但是由于与母线相关的电力电子器件的耐压原因，直流母线上电压的最大值被限制在420Vdc，为保证DC/DC变换器正常工作，此时直流母线上电压可以被设定为420Vdc。蓄电池电压在充电的过程中电池电压会从250V逐渐上升到750V。此时，直流母线上电压的调节过程按如图5A所示图表来进行。在输入电网电压变化为264Vac时，直流母线上电压最小值为此时直流母线上电压的调节过程按如图5B所示图表来进行，在输入电网电压为176Vac时，直流母线电压最小值为此时直流母线上电压的调节过程按如图5C所示图表来进行。
根据上述控制策略，在原电路结构不变的条件下，能够以最小的物料成本和时间成本，使充电电源模块工作于谐振状态，进而提高了充电电源模块对电动汽车蓄电池的充电效率，减小了输出电压和电流中的纹波，延长了蓄电池的使用寿命。
根据上述第一实施例进一步改进的实施方式，上述方法还包括以下步骤：监测电网电压、蓄电池电压，若电网电压及蓄电池电压其中之一发生变化(例如，在一定时间内的变化程度超过某一阈值)，则回到步骤S10继续执行，换言之，将重新采集各种参数，并依据公式(1)来重新计算直流母线上电压的目标值，进而再进行步骤S13中的调节过程。
如图2所示，本发明第二实施例提供一种用于电动汽车的充电电源装置，其包括原边AC/DC变换器21、副边DC/DC变换器22、原边处理器23、副边处理器24以及可选的数字隔离器30。
原边AC/DC变换器21用于将电网电压转换为直流母线上的电压Vdclink。副边DC/DC变换器22经由直流母线与原边AC/DC变换器21相耦合，用于将直流母线上的电压Vdclink转换为输出电压以供电动汽车充电。
原边处理器23与原边AC/DC变换器21相耦合，用于控制原边AC/DC变换器21的工作状态，原边处理器23还基于电网电压确定直流母线上电压Vdclink的上下极限值，即[Vdclinkmin,Vdclinkmax]。
副边处理器24与副边DC/DC变换器22相耦合，用于控制副边DC/DC变换器22的工作状态，副边处理器24在副边DC/DC变换器22处于谐振工作状态时将基于电动汽车的蓄电池电压确定直流母线上电压Vdclink的目标值，并基于目标值以及极限值来调节直流母线上的电压的实时值。
可以理解，为采集电网的电压值，原边处理器23可以连接到AC/DC变换器21的输入侧(来自交流电网)来进行采集，也可以直接连接到交流电网来采集。类似地，为采集蓄电池的电压值，副边处理器24可以连接到DC/DC变换器22的输出侧(向蓄电池输出)来进行采集，也可以直接连接到蓄电池来采集。
根据该第二实施例，副边处理器基于如下参数可以按照上述公式(1)来确定直流母线上的电压的目标值：副边DC/DC变换器输出侧的整流后电路上的二极管压降；副边DC/DC变换器在半个开关周期内在整流时导通的二极管个数；副边DC/DC变换器的变压器原副边匝数比；副边DC/DC变换器输入侧的MOSFET在导通时的电压降；以及副边DC/DC变换器在半个开关周期内导通的MOSFET的个数。
在确定副边DC/DC变换器22是否处于谐振工作状态时，副边处理器24可以检测DC/DC变换器22上的谐振电流或谐振电压，并基于该谐振电流或谐振电压呈现为正弦波来得出关于DC/DC变换器22处于谐振工作状态的确定。
数字隔离器30作为优选部件，耦接于原边处理器23与副边处理器24之间，在副边处理器24采集蓄电池的电压状态(电压值)之后，可以通过数字隔离器30将蓄电池的电压状态传递给原边处理器23。为此，数字隔离芯片的延时必须足够低，优选为纳秒(ns)级别，才可以保证输出侧蓄电池在稳态和动态时其状态都能实时地传递到原边侧。数字隔离器30还可以使得原边处理器23与副边处理器24不会互相干扰，从而使得相关的参数检测、目标值计算更加精确。
优选情况下，原边处理器23还监测交流电网电压，并在电网电压发生变化(在一定时间内的变化程度超过某一阈值)时，重新确定直流母线上电压的极限值。同时，副边处理器24还监测蓄电池电压，并在蓄电池电压发生变化时，重新确定直流母线上电压的目标值。在此之后，副边处理器24基于重新确定的目标值及极限值来调节直流母线上的电压的实时值。
上述用于电动汽车的充电电源装置，能够以最小的物料成本和时间成本来对电动汽车蓄电池进行充电，具有极高的充电效率，并减小了输出电压和电流中的纹波，从而延长了蓄电池的使用寿命。
上述说明仅针对于本发明的优选实施例，并不在于限制本发明的保护范围。本领域技术人员可能作出各种变形设计，而不脱离本发明的思想及附随的权利要求。
Claims (10)
1.一种控制用于电动汽车的充电电源模块的直流母线电压的方法，其中，所述充电电源模块包括原边AC/DC变换器、副边DC/DC变换器，所述原边AC/DC变换器、副边DC/DC变换器经由直流母线相耦合，所述方法包括：
a)、基于所述原边AC/DC变换器的输入端的电网电压来确定所述直流母线上的电压的极限值；
b)、确定所述副边DC/DC变换器是否处于谐振工作状态；
c)、在所述副边DC/DC变换器处于谐振工作状态的情况下，基于电动汽车的蓄电池电压确定所述直流母线上的电压的目标值；以及
d)、基于所述目标值以及所述极限值来调节所述直流母线上的电压的实时值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)具体包括：
获得所述副边DC/DC变换器上的谐振电流或谐振电压；
若所述谐振电流或所述谐振电压为正弦波，则确定所述副边DC/DC变换器处于谐振工作状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流母线上的电压的目标值还基于如下参数来计算：
所述副边DC/DC变换器输出侧的整流后电路上的二极管压降；
所述副边DC/DC变换器在半个开关周期内在整流时导通的二极管个数；
所述副边DC/DC变换器的变压器原副边匝数比；
所述副边DC/DC变换器输入侧的MOSFET在导通时的电压降；以及
所述副边DC/DC变换器在所述半个开关周期内导通的MOSFET的个数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于如下公式来计算所述目标值：
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>c</mi>
<mi>l</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>k</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mi>a</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>i</mi>
<mi>o</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>*</mo>
<mi>y</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>N</mi>
<mi>s</mi>
<mo>/</mo>
<mi>N</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>*</mo>
<mi>x</mi>
</mrow>
其中，Vbat为所述电动汽车的蓄电池电压，Vdio为所述副边DC/DC变换器输出侧的整流后电路上的二极管压降，y为所述副边DC/DC变换器在半个开关周期内在整流时导通的二极管个数，Ns/Np为所述副边DC/DC变换器的变压器原副边匝数比，Vmos为所述副边DC/DC变换器输入侧的MOSFET在导通时的电压降，x为所述副边DC/DC变换器在所述半个开关周期内导通的MOSFET的个数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
监测所述电网电压、所述蓄电池电压，若所述电网电压及所述蓄电池电压其中之一发生变化，则回到所述步骤a)继续执行。
6.一种用于电动汽车的充电电源装置，包括：
原边AC/DC变换器，用于将电网电压转换为直流母线上的电压；
副边DC/DC变换器，经由所述直流母线与所述原边AC/DC变换器相耦合，用于将所述直流母线上的电压转换为输出电压以供电动汽车充电；
原边处理器，与所述原边AC/DC变换器相耦合，用于控制所述原边AC/DC变换器的工作状态，以及，基于所述电网电压确定所述直流母线上的电压的极限值；以及
副边处理器，与所述副边DC/DC变换器相耦合，用于控制所述副边DC/DC变换器的工作状态，以及，在所述副边DC/DC变换器处于谐振工作状态时基于电动汽车的蓄电池电压确定所述直流母线上的电压的目标值，并基于所述目标值以及所述极限值来调节所述直流母线上的电压的实时值。
7.根据权利要求6所述的充电电源装置，其特征在于，其还包括数字隔离器，所述数字隔离器耦合于所述原边处理器与所述副边处理器之间。
8.根据权利要求6所述的充电电源装置，其特征在于，所述副边处理器检测所述副边DC/DC变换器上的谐振电流或谐振电压，并基于所述谐振电流或所述谐振电压为正弦波来确定所述副边DC/DC变换器处于谐振工作状态。
9.根据权利要求6所述的充电电源装置，其特征在于，所述副边处理器基于如下参数来确定所述直流母线上的电压的目标值：
所述副边DC/DC变换器输出侧的整流后电路上的二极管压降；
所述副边DC/DC变换器在半个开关周期内在整流时导通的二极管个数；
所述副边DC/DC变换器的变压器原副边匝数比；
所述副边DC/DC变换器输入侧的MOSFET在导通时的电压降；以及
所述副边DC/DC变换器在所述半个开关周期内导通的MOSFET的个数。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的充电电源装置，其特征在于，所述原边处理器监测所述电网电压，并在所述电网电压发生变化时，重新确定所述直流母线上的电压的极限值；以及，所述副边处理器监测所述蓄电池电压，并在所述蓄电池电压发生变化时，重新确定所述直流母线上的电压的目标值。
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|---|---|---|---|---|
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2017
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