CN108110822B - 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。(图中未示出)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
Figure GDA0003003650080000061
I＝0.6A，充电时间t＝2s，ΔU2＝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(图中未示出)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
Figure GDA0003003650080000071
I＝0.6A，充电时间t＝2s，ΔU2＝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 (3)

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；
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；
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。
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，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。
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