CN108110822A - 高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路 - Google Patents

高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其中,包括:功率管控制及电流取样模块、恒流闭环驱动电路模块、MCU微控处理模块以及电流基准产生模块;功率管控制及电流取样模块,用于进行功率管的栅极控制以及充电电流的取样,并将取样结果发送给恒流闭环驱动电路模块;电流基准产生模块,用于向恒流闭环驱动电路模块发送充电电流基准;恒流闭环驱动电路模块,用于根据电流基准产生模块的充电电流基准和取样结果,通过模拟PID控制功率管及电流取样模块的功率管的栅极电压;MCU控制器处理模块,用于对电流基准产生模块以及恒流闭环驱动电路模块进行控制。

Description

高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路
技术领域
本发明属于新能源车辆电子控制领域,特别涉及一种高压直流阶 梯式恒流闭环预充电方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染的与日俱增,新能源车辆技术如雨后春 笋般的进入大力发展的快车道,发展高效、节能、低噪声的新能源车 辆成为国内外汽车企业发展的必然趋势。为了提升新能源车辆的动力 性以及降低车辆电缆的重量,新能源车辆的电压由传统车辆的 12V/24V上升到现在的几百伏,同时新能源车辆的电机控制器以及其 它高压电子控制器内部往往集成有大容量的高压电容,从几百uF到几 千uF不等,在高压上电电容短路的瞬间,电流非常大,足以烧毁高压 电子设备;因此在新能源车辆上需要设计专门的预充电电路对高压负 载进行上电前的预充电管理,其功能设计的合理与否在整个新能源车 辆功能实现中显得尤为重要。
传统的高压预充电技术主要采用限流电阻+高压继电器充电方 式,该模式结构简单、技术门槛较低、易于实现,但同时主要存在如 下缺点:
a、属于变电流充电模式,在负载电压抬升的过程中充电电流逐 渐降低,充电完成时间较长;
b、集成度较低,需要配合外部电压及电流传感器实现过压、过 流保护,导致其体积较大,成本较高;
c、信息化程度较低,不利于整车信息化程度的提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压直流阶梯式恒流闭环预充电电 路,用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其中, 包括:功率管控制及电流取样模块、恒流闭环驱动电路模块、MCU 微控处理模块以及电流基准产生模块;功率管控制及电流取样模块, 用于进行功率管的栅极控制以及充电电流的取样,并将取样结果发送 给恒流闭环驱动电路模块;电流基准产生模块,用于向恒流闭环驱动 电路模块发送充电电流基准;恒流闭环驱动电路模块,用于根据电流 基准产生模块的充电电流基准和取样结果,通过模拟PID控制功率管 及电流取样模块的功率管的栅极电压;MCU控制器处理模块,用于 对电流基准产生模块以及恒流闭环驱动电路模块进行控制。
根据的高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其中,功率 管控制及电流取样模块包括:功率管控制及电流取样模块包括:功率 管本体、稳压二极管、滤波电容、取样电阻以及运放;随着恒流闭环 驱动电路模块的PID积分时间的增加,功率管本体的栅极控制电压逐 渐增大,当栅极控制电压超过稳压二极管的稳态电压时,稳压二极管 导通,使功率管导通;第一运放与取样电阻构成充电电流取样电路, 电流取样模块取样后由运放进行放大输出给恒流闭环驱动电路模块。
根据的高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其中,MCU 微控处理模块通过控制恒流闭环驱动电路模块进行PID调节输出驱动 信号,驱动功率管控制及电流取样模块的功率管恒流工作,对负载进 行充电,通过改变电流基准产生模块的电流比较基准,调整恒流充电 的电流值,从而实现阶梯式恒流充电模式。
根据的高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其中,恒流 闭环驱动电路模块的运放同相输入电压大于反相输入电压,运放输出 高电压,驱动功率管控制及电流取样模块开始工作,充电电流逐渐增 大,运放反相输入电压逐渐逼近同相输入电压,直到充电电流达到平 衡。
根据的高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其中,电流 基准产生模块通过光电耦合器导通的不同组合,实现对电源电压的不 同分压,从而获取不同的电流比较基准。
为解决背景技术中的问题,项目组结合以往的工程经验,查阅了 大量的技术资料,针对高压供电系统中的容性负载预充电技术进行专 门研究,采用恒流充电技术和斩波电路,设计出了一种全新的高压直 流350V阶梯式恒流闭环预充电方法,实现对高压负载的快速充电功 能,缩短预充电时间,降低预充电电路体积,促进新能源车辆预充电 技术的发展。高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路主要采用1只MOS 管实现预充电,MCU控制PID调节驱动电路输出驱动信号,驱动MOS 管恒流工作,对负载进行充电,通过改变恒流充电电路的电流比较基 准,从而可以调整恒流充电的电流值,从而实现阶梯式恒流充电模式, 节省了充电时间。
附图说明
图1所示为本发明高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块 图;
图2所示为充电过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实 施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1所示为本发明高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块 图,如图1所示,功率管控制及电流取样模块1、恒流闭环驱动电路模 块2、MCU微控处理模块3以及电流基准产生模块4。
如图1所示,功率管控制及电流取样模块1主要完成功率管的栅极 控制以及充电电流的取样。功率管控制及电流取样模块1包括功率管 本体Q1、稳压二极管V1、滤波电容C1、取样电阻R1以及运放 LM2904D。随着PID积分时间的增加,功率管本体Q1的栅极控制电压 逐渐增大,当栅极控制电压超过稳压二极管V1的稳态电压时,稳压 二极管V1导通,使功率管可靠导通;运放N1B,型号LM2904D与取 样电阻R1一同构成充电电流取样电路,充电电流经电阻R1取样后由 运放N1B进行放大输出给恒流闭环驱动电路模块2。
如图1所示,恒流闭环驱动电路模块2主要采用模拟PID控制原理 来实现功率管栅极控制电压的输出。由电阻R5、电阻R6、电阻R13、 电阻R17、电容C2、电容C7以及运放LM2904D组成。当运放LM2904D 同相输入电压(基准电压)大于反相输入电压,运放输出高电压,驱 动MOS管开始工作,充电电流逐渐增大,运放反相输入电压逐渐逼 近同相输入电压,直到充电电流达到平衡。
如图1所示,电流基准产生模块4主要实现对充电电流基准的调 整,充电电流基准越大,充电电流就越大,主要由电阻R4、电阻R5、 电阻R7、电阻R9、电阻R28以及电阻R66以及光电耦合器E4以及光电 耦合器E5组成。通过光电耦合器E4导通的不同组合,实现对电源电压的不同分压,从而获取不同的电流比较基准,方便调整充电电流。
如图1所示,MCU控制器处理模块3主要实现对电流基准产生 模块4以及恒流闭环驱动电路模块2的控制,为以上模块提供IO控 制功能。
图2a所示充电电流的示意图,图2b所示为输出电压的示意图, 图2c为功耗示意图,如图1以及图2所示,以负载电容为9000μF, 充电时间控制在6S以内,具体充电步骤如下:
a)MCU微处理器处理模块3控制IO3输出,接通运放N1B和 N1A供电电源;
b)选定预充电电流为0.3A,由MCU微处理器处理模块3控制 IO1和IO2输出,产生基准电压3V,基准电压维持时间为2S;
c)运放N1A的3脚电压大于2脚电压时,1脚输出高电压,驱 动MOS管Q1开始工作;输出电流经过电阻R1进行采样调节,采样 电压值到运放N1B进行放大25倍,再到运放N1A的2脚,直到运 放2脚电压接近N1A的3脚电压时,电流平衡,从而实现了模拟PID 调节;
d)选定预充电电流为0.6A,由MCU微处理器处理模块3控制 IO1和IO2输出,产生基准电压6V,基准电压维持时间为2S;
e)PID调节开始工作,直到电流平衡;
f)选定预充电电流为0.9A,由MCU微处理器处理模块3控制 IO1和IO2输出,产生基准电压9V,基准电压维持时间为1.51S;
g)PID调节开始工作,直到电流平衡;
h)预充电过程结束,MCU微处理器处理模块3控制IO3输出, 关闭运放N1B和N1A供电电源的供电电源。
具体计算过程如下:
设功率管Q1的充电电流为I,充电时间为t,充电电压变化为Δ U,输出电压为U,调整次数为n;
I=0.3A,充电时间t=2s,负载容量C=9000μF,则
I=0.6A,充电时间t=2s,ΔU 2=133V。
输出电压U=ΔU1+ΔU2…+ΔUn。当n=2时,U=66+133=199V, 充电要求电压U=350V,则当n=3,ΔU3=151V,即可达到充电电压 要求。由ΔU3=151V,I=0.9A,得出需充电时间t=1.51s。
通过上述方法计算得出充电时间t=5.51s,电压可达到350V。
如图1以及图2所示,本发明采用功率管IPW65R037构成的可 调恒流源对容性负载进行充电。充电电流可由基准电压Vref2控制, 整个控制过程是由运放LM2904D构成的PID调节电路来实现。充电 过程如下:
a)MCU通过控制IO1和IO2调整基准输出,通过光耦E1控制 运放供电电源的输出;运放N1A的3脚电压(Vref2)大于2脚电压 时,1脚输出高电压,驱动MOS管开始工作;输出电流经过电阻R1、 R29进行采样调节,采样电压值到运放N1B进行放大,再到N1A的 2脚,直到2脚电压接近N3的3脚电压时,电流平衡,从而实现了 模拟PID调节。
b)通过控制光耦E4、E5来实现电流比较基准Vref2的输出,当 Vref增大时,运放N1A的3脚电压增大,运放重新开始进行PID调 节,电流增大,直到电流平衡;当Vref减小时,即运放N1A的3脚 电压减小,运放重新开始进行PID调节,电流减小,直到电流平衡; 从而可以根据工况改变充电电流的大小,实现充电电流的阶梯式变 化。
c)充电过程计算:设功率管充电电流为I,充电时间为t,充电 电压变化为ΔU,输出电压为U,调整次数为n。
I=0.3A,充电时间t=2s,负载容量C=9000μF,则
I=0.6A,充电时间t=2s,ΔU 2=133V。
输出电压U=ΔU1+ΔU2…+ΔUn。当n=2时,U=66+133=199V,充电 要求电压U=350V,则当n=3,ΔU3=151V,即可达到充电电压要求。 由ΔU3=151V,I=0.9A,得出需充电时间t=1.51s。
本发明高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路,为解决背景技术中 的问题,项目组结合以往的工程经验,查阅了大量的技术资料,针对 高压供电系统中的容性负载预充电技术进行专门研究,采用恒流充电 技术和斩波电路,设计出了一种全新的高压直流350V阶梯式恒流闭 环预充电方法,实现对高压负载的快速充电功能,缩短预充电时间, 降低预充电电路体积,促进新能源车辆预充电技术的发展。高压直流 阶梯式恒流闭环预充电电路主要采用1只MOS管实现预充电,MCU 控制PID调节驱动电路输出驱动信号,驱动MOS管恒流工作,对负 载进行充电,通过改变恒流充电电路的电流比较基准,从而可以调整 恒流充电的电流值,从而实现阶梯式恒流充电模式,节省了充电时间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领 域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以 做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其特征在于,包括:
功率管控制及电流取样模块、恒流闭环驱动电路模块、MCU微控处理模块以及电流基准产生模块;
功率管控制及电流取样模块,用于进行功率管的栅极控制以及充电电流的取样,并将取样结果发送给恒流闭环驱动电路模块;
电流基准产生模块,用于向恒流闭环驱动电路模块发送充电电流基准;
恒流闭环驱动电路模块,用于根据电流基准产生模块的充电电流基准和取样结果,通过模拟PID控制功率管及电流取样模块的功率管的栅极电压;
MCU控制器处理模块,用于对电流基准产生模块以及恒流闭环驱动电路模块进行控制。
2.如权利要求1所述的高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其特征在于,功率管控制及电流取样模块包括:功率管本体、稳压二极管、滤波电容、取样电阻以及运放;随着恒流闭环驱动电路模块的PID积分时间的增加,功率管本体的栅极控制电压逐渐增大,当栅极控制电压超过稳压二极管的稳态电压时,稳压二极管导通,使功率管导通;第一运放与取样电阻构成充电电流取样电路,电流取样模块取样后由运放进行放大输出给恒流闭环驱动电路模块。
3.如权利要求1所述的高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其特征在于,MCU微控处理模块通过控制恒流闭环驱动电路模块进行PID调节输出驱动信号,驱动功率管控制及电流取样模块的功率管恒流工作,对负载进行充电,通过改变电流基准产生模块的电流比较基准,调整恒流充电的电流值,从而实现阶梯式恒流充电模式。
4.如权利要求1所述的高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其特征在于,恒流闭环驱动电路模块的运放同相输入电压大于反相输入电压,运放输出高电压,驱动功率管控制及电流取样模块开始工作,充电电流逐渐增大,运放反相输入电压逐渐逼近同相输入电压,直到充电电流达到平衡。
5.如权利要求1所述的高压直流阶梯式恒流闭环预充电电路的模块,其特征在于,电流基准产生模块通过光电耦合器导通的不同组合,实现对电源电压的不同分压,从而获取不同的电流比较基准。
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