CN108189694A - 一种用于车载充电机的控制装置和控制方法 - Google Patents

一种用于车载充电机的控制装置和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于车载充电机的控制装置，滤波电容，其连接在充电机输出端正负极之间；第一控制开关，其连接在充电机输出端正极线路上，第一控制开关第一端连接滤波电容的正极端，第一控制开关的控制端连接充电机的控制器；软启动电路，其并联在第一控制开关的两端，软启动电动由串联设置的二极管和电阻构成，电阻的第一端连接滤波电容的正极端，二极管的阴极连接电阻的第二端，二极管的阳极连接第一控制开关第二端，第一控制开关第二端和滤波电容负极端作为充电机的输出端口，蓄电池插接在输出端口上。本发明实现了在车载充电机上，通过普通的低压继电器来切换高压的目的。

Description

一种用于车载充电机的控制装置和控制方法
技术领域
本发明属于充电技术领域，特别是一种用于车载充电机的控制装置和控制方法。
背景技术
车载充电机是指固定安装在电动汽车上的充电机，具有为电动汽车动力电池，安全、自动充满电的能力，充电机依据电池管理系统(BMS)提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程，充电控制器是一类为了保护蓄电池、防止过充电而充电系统中安装的自动充放电控制器件，用于控制车载充电机的充电过程，其最基本功能为当蓄电池饱满时切断充电电流，由于各种蓄电池的充电特性不同，所以，应根据电池类型来选择所使用的充电控制器。
在车载充电机中，为了做电池反接保护，在PCB上目前有两者方案：
1、用对顶的MOS管做导通控制开关；
2、用继电器做开关控制；
其中，第1个方案成本高，损耗大；多数充电机厂家没有采用；第2个方案在输出高压时，需要能通断高压的继电器，成本高，体积大。
发明内容
针对上述技术问题，本发明公开了一种用于车载充电机的控制装置和控制方法，采用通断低压的普通继电器作为控制开关，通过硬件、及软件的组合，使得继电器的导通和关断时，都不涉及高压切换，从而保护继电器，实现了在车载充电机上，通过普通的低压继电器来切换高压的目的。
为了实现根据本发明的目的，提供了一种用于车载充电机的控制装置，包括：
滤波电容，其连接在充电机输出端正负极之间；
第一控制开关，其连接在所述充电机输出端正极线路上，所述第一控制开关第一端连接所述滤波电容的正极端，所述第一控制开关的控制端连接所述充电机的控制器；以及
软启动电路，其并联在所述第一控制开关的两端，所述软启动电动由串联设置的二极管和电阻构成，所述电阻的第一端连接所述滤波电容的正极端，所述二极管的阴极连接所述电阻的第二端，所述二极管的阳极连接所述第一控制开关第二端，所述第一控制开关第二端和所述滤波电容负极端作为所述充电机的输出端口，蓄电池插接在所述输出端口上。
优选的，所述蓄电池上设置有一插接端口，所述插接端口插接在所述输出端口上，所述插接端口通过一第二控制开关连接所述蓄电池的充电端口。
优选的，所述插接端口上通过一第三控制开关连接一用于加热蓄电池的加热电路，所述第二控制开关和第三控制开关的控制端分别与所述控制器连接，且所述第二控制开关和第三控制开关互锁设置。
优选的，所述第一控制开关的第一端和第二端分别设置有一电压采集装置，两个所述电压采集装置的输出端连接所述控制器。
优选的，所述充电机输出端还设置有一交错并联谐振变换器，所述滤波电容连接在所述交错并联谐振变换器输出端正负极之间。
优选的，所述交错并联谐振变换器包括：
第一变换电路，其包括第一直流母线和并联设置在所述第一直流母线之间的三对第一开关组，所述第一开关组由两个串联的可控开关管组成，所述第一直流母线之间连接有一第一母线电容；
第二变换电路，其包括第二直流母线和并联设置在所述第二直流母线之间的三对第二开关组，所述第二开关组由两个串联的可控开关管组成，所述第二直流母线之间连接有一第二母线电容；
三个变压器，其连接所述第一变换电路和第二变换电路；以及
三个谐振电路，其设置在所述第一变换电路上，一个谐振电路对应连接一个所述变压器和一个所述第一开关组；
其中，所述谐振电路包括一个电感和一对串联电容，一对串联电容连接在所述第一直流母线之间，所述电感第一端连接在一个第一开关组的两个串联的可控开关管之间，所述电感第二端连接一个所述变压器原边绕组第一端，该变压器原边绕组第二端连接在一对串联电容之间，该变压器副边绕组第一端连接在一个第二开关组的两个串联的可控开关管之间，各个所述变压器的副边绕组第二端共接。
优选的，所述可控开关管为半导体开关。
优选的，所述第一直流母线连接所述充电机输出端正负极，所述滤波电容连接在所述第二直流母线正负极之间。
优选的，所述第一控制开关为继电器。
一种用于车载充电机的控制方法，包括以下步骤：
将插接端口插接在输出端口上，控制第一至第三控制开关断开；
在充电模式下，检测第一控制开关两端的电压信号，判断蓄电池是否反接：如果检测到第一控制开关第二端电压为负，则判断出蓄电池反接，控制装置发出警告；如果检测到第一控制开关两端电压都为正时，则判断出蓄电池插接正常，控制充电机工作，将第一控制开关第一端电压提升到与第一控制开关第二端电压一致，控制第一控制开关和第二控制开关闭合，对蓄电池进行充电；
充电完成后，充电机收到关机命令后关机，断开第一控制开关和第二控制开关；
在加热模式，闭合第一控制开关和第三控制开关，断开第二控制开关，充电机收到开机指令后，控制充电机工作；充电机收到关机指令后关机，随后断开第一控制开关和第三控制开关。
本发明至少包括以下有益效果：
1、采用通断低压的普通继电器作为控制开关，通过硬件、及软件的组合，使得继电器的导通和关断时，都不涉及高压切换，从而保护继电器，实现了在车载充电机上，通过普通的低压继电器来切换高压的目的；
2、整个控制装置的体积更小，成本更低；
3、本发明在充电机输出端连接一个二次变化器，二次变化器采用对称的LLC结构，自主完成均流，减小了纹波电流，提高了整个充电机电源变化的性能。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是交错并联谐振变换器电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示的是根据本发明的用于车载充电机的控制装置的一种实现形式，其中包括：滤波电容Co、第一控制开关K和软启动电路。
其中，滤波电容Co连接在充电机1输出端正负极之间，用于对充电机1的输出电源进行滤波，以提高电能质量。
第一控制开关K连接在所述充电机1输出端正极线路上，所述第一控制开关K第一端A连接所述滤波电容Co的正极端，所述第一控制开关第二端B和所述滤波电容Co负极端作为所述充电机1的输出端口2，蓄电池插接在所述输出端口2上进行充电。所述第一控制开关K的控制端连接所述充电机1的控制器，用于控制充电机的动作和控制装置的动作。
软启动电路并联在所述第一控制开关K的两端，所述软启动电动由串联设置的二极管D1和电阻R1构成，所述电阻R1的第一端连接所述滤波电容Co的正极端，所述二极管的阴极连接所述电阻R1的第二端，所述二极管的阳极连接所述第一控制开关第二端B。
所述蓄电池上设置有一插接端口，所述插接端口插接在所述输出端口2上，以将蓄电池与充电机连接，进行充电，所述插接端口通过一第二控制开关连接所述蓄电池的充电端口，第二控制开关控制蓄电池是否与输出端口2导电连接。
所述插接端口上通过一第三控制开关连接一用于加热蓄电池的加热电路，第三控制开关控制加热电路是否与输出端口2导电连接，以对蓄电池进行加热。
所述第二控制开关和第三控制开关的控制端分别与所述控制器连接，受控制器控制，且所述第二控制开关和第三控制开关互锁设置，避免第二控制开关和第三控制开关同时导通。
所述第一控制开关K的第一端A和第二端B分别设置有一电压采集装置，用于采集第一控制开关K的第一端A和第二端B上的电压，两个所述电压采集装置的输出端连接所述控制器，将采集信号传送至控制中，控制器根据反馈的电信号，对各个控制开关进行操作，完成充电或加热过程。
所述充电机1输出端还设置有一交错并联谐振变换器，所述滤波电容Co连接在所述交错并联谐振变换器输出端正负极之间，也就是说，充电器通过一二次变化器与滤波电容连接，进一步对充电机的输出电源进行变化，以提高电能质量，提高充电效率。
如图2所示，所述交错并联谐振变换器包括：
第一变换电路、第二变换电路、连接第一变换电路和第二变换电路的三个变压器、以及连接在第一变换电路和变压器之间的谐振电路。
其中，第一变换电路包括第一直流母线和并联设置在所述第一直流母线之间的三对第一开关组，所述第一开关组由两个串联的可控开关管组成，具体的，第一对第一开关组由串联的第一可控开关Q1和第二可控开关Q2组成，第二对第一开关组由串联的第三可控开关Q3和第四可控开关Q4组成，第三对第一开关组由第五可控开关Q5和第六可控开关Q6组成，各对第一开关组依次串联在第一直流母线之间。
同时在所述第一直流母线之间连接有一第一母线电容C1，第一母线电容C1设置在第一变换电路的接口处。
第二变换电路包括第二直流母线和并联设置在所述第二直流母线之间的三对第二开关组，所述第二开关组由两个串联的可控开关管组成，具体的，第一对第二开关组由串联的第七可控开关Q7和第八可控开关Q8组成，第二对第二开关组由串联的第九可控开关Q9和第十可控开关Q10组成，第三对第二开关组由第十一可控开关Q11和第十二可控开关Q12组成，各对第二开关组依次串联在第二直流母线之间。
同时在所述第二直流母线之间连接有一第二母线电容C2，第二母线电容C2设置在第二变换电路的接口处。
三个变压器Tr1、Tr2和Tr3，三个变压器连接所述第一变换电路和第二变换电路，每个变压器连接在一个第一开关组和一个第二开关组之间，起到电压变换的作用。
三个谐振电路，其设置在所述第一变换电路上，一个谐振电路对应连接一个所述变压器和一个所述第一开关组。每个所述谐振电路包括一个电感和一对串联电容，一对串联电容连接在所述第一直流母线之间，所述电感第一端连接在一个第一开关组的两个串联的可控开关管之间，所述电感第二端连接一个所述变压器原边绕组第一端，该变压器原边绕组第二端连接在一对串联电容之间，该变压器副边绕组第一端连接在一个第二开关组的两个串联的可控开关管之间，各个所述变压器的副边绕组第二端共接。
具体的，第一对串联电容由串联的第一电容Cr11和第二电容Cr12组成；第二对串联电容由串联的第三电容Cr21和第四电容Cr22组成；第三对串联电容由串联的第五电容Cr31和第六电容Cr32组成。
第一谐振电路包括第一个电感Lr1和串联的第一电容Cr11和第二电容Cr12；第二谐振电路包括第二个电感Lr2和串联的第三电容Cr21和第四电容Cr22；第三谐振电路包括第三个电感Lr3和串联的第五电容Cr31和第六电容Cr32。
第一个电感Lr1第一端连接在第一可控开关Q1和第二可控开关Q2之间，第一个电感Lr1第二端连接在第一个变压器Tr1原边绕组第一端，第一个变压器Tr1原边绕组第二端连接在第一电容Cr11和第二电容Cr12之间；
第二个电感Lr2第一端连接在第三可控开关Q3和第四可控开关Q4之间，第二个电感Lr2第二端连接在第二个变压器Tr2原边绕组第一端，第二个变压器Tr2原边绕组第二端连接在第三电容Cr21和第四电容Cr22之间；
第三个电感Lr3第一端连接在第五可控开关Q5和第六可控开关Q6之间，第三个电感Lr3第二端连接在第三个变压器Tr3原边绕组第一端，第三个变压器Tr3原边绕组第二端连接在第五电容Cr31和第六电容Cr32之间。
第一个变压器Tr1副边绕组第一端连接在第七可控开关Q7和第八可控开关Q8之间，第二个变压器Tr2副边绕组第一端连接在第九可控开关Q9和第十可控开关Q10之间，第三个变压器Tr3副边绕组第一端连接在第十一可控开关Q11和第十二可控开关Q12之间，第一个变压器Tr1、第二个变压器Tr2和第三个变压器Tr3副边绕组第二端共接。
原边绕组第一端和副边绕组第一端为同名端。
上述技术方案中，所述可控开关管为半导体开关，包括金属氧化物场效应晶体管、双向可控金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、可关断晶闸管、二极管。
在所述可控开关管两端并联一反向二极管，使得变化器具有双向流通功能。
还包括一控制器，所述控制器用于控制各个可控开关管的导通和关断，同一对第一开关组中的两个可控开关管开关时序相差180°，第一可控开关Q1、第三可控开关Q3和第五可控开关Q5的开关时序相差120°。
三个所述第一开关组中连接所述第一母线电容C1正极U1的可控开关管分别与三个所述第二开关组中连接所述第二母线电容正极U2的可控开关管一一对应，三个所述第一开关组中连接所述第一母线电容C1负极U1的可控开关管分别与三个所述第二开关组中连接所述第二母线电容负极U1的可控开关管一一对应.
所述控制器还用于控制每个所述第二开关组中连接所述第二母线电容正极的所述可控开关管与对应的所述第一开关组中连接所述第一母线电容C1正极的可控开关管成同步整流状态；以及控制每个所述第二开关组中连接所述第二母线电容负极的可控开关管与对应的所述第一开关组中连接所述第一母线电容C1负极的可控开关管成同步整流状态。
在变换器将第一母线电容C1两端的电压降压到第二母线电容C2两端的电压时，第一开关组处于主开关状态，且三个第一开关组的开关时序相位依次差120°，各第一开关组中，两个半导体开关之间相位差为180°，每个半导体开关的占空比小于50％；在谐振变换器将第二母线电容C2两端的电压升压到第一母线电容C1两端的电压时，第一开关组处于同步整流状态。其中，第一开关组处于主开关状态，即第一开关组中的两个半导体开关均处于主开关状态。第一开关组处于同步整流状态，即第一开关组中的两个半导体开关均处于整流状态。
在谐振变换器将第二母线电容C2两端的电压升压到第一母线电容C1两端的电压时，第二开关管处于主开关状态，且三个第二开关管的开关时序相位依次差120°，各第二开关管中，两个半导体开关之间相位差为180°每个半导体开关的占空比小于50％；在谐振变换器将第一母线电容C1两端的电压降压到第二母线电容C2两端的电压时，第二开关管处于同步整流状态。其中，第二开关管处于主开关状态，即第二开关管中的两个半导体开关均处于主开关状态。第二开关管处于同步整流状态，即第二开关管中的两个半导体开关管均处于整流状态。
本实施例通过采用三相交错并联谐振技术，克服了谐振变换器纹波电流大的固有缺点，每个谐振电路上设置有两个串联的谐振电容，谐振电感连接在两个串联谐振电容之间，起到了均流用用，同时，采用两个串联谐振电容结构，降低了每个谐振电容上的电压，从而减小了谐振电容体积，结合磁集成，可以提升效率，降低磁性元件的总体积，特别是有效减小了低压侧的电容(即第二母线电容C2)纹波电流，进而减少了第二母线电容C2的体积，提升了电源的功率密度，降低了第二母线电容C2的成本。
三个谐振电路用对称的LLC结构，提高了谐振对称性，自主完成均流，提高了两个变换电路之间电流流动的对称性，进一步减小了纹波电流，减小第二母线电容体积，同时减小了谐振电容自身体积和谐振能力。
变压器Tr1、Tr2、Tr3分别根据变化器两端电压的关系设计成一定的匝比，谐振变换器将U1变换到U2为降压变换，此时，可控开关Q1、Q3、Q5对应的三对第一开关处于主开关状态，可控开关Q7、Q9、Q11对应的三对第二开关组处于同步整流状态。谐振变换器将U2变换到U1为升压变换，此时可控开关Q7、Q9、Q11对应的三对第二开关组处于主开关状态，可控开关Q1、Q3、Q5对应的三对第一开关组处于同步整流状态。
将U1降压到U2时，可控开关Q1、Q3、Q5对应的三对第一开关组的开关时序相位依次差120°，第一开关组上下可控开关的相位相差180°，占空比略小于50％，定义谐振电路的谐振频率为f，开关频率在谐振频率f与3f之间变化，可控开关Q7，Q9，Q11为同步整流桥臂，第二开关组的开关时序与Q1，Q3，Q5分别对应，相位依次差120°，由于采用了交错并联技术，通过电容C1和C2的纹波电流频率将是开关频率的6倍，使得滤波器更容易滤除纹波电流，从而所用的滤波器(这里是第二母线电容C2)的体积可以更小，同时，三相交错120°后，接合采用对称式的结构，电流会相互叠加而变的平坦，使得纹波电流值显著减小，因此采用较小的电容C1、C2即可满足大功率输出要求。
将U2升压到U1的升压变换可看作U1到U2变换的逆变换，可控开关Q7、Q9、Q11对应的第二开关组成为开关桥臂，即第二开关组处于主开关状态，开关桥臂的可控开关Q7、Q9、Q11工作时序依次相差120°，可控开关Q1、Q3、Q5为对应的第一开关组成为同步整流桥臂，即第一开关组处于同步整流状态。由于U1为高压，第一开关组流过的电流较小。
所述第一直流母线连接所述充电机1输出端正负极，所述滤波电容Co连接在所述第二直流母线正负极之间。交错并联谐振变换器通过检测蓄电池上的电流电压信号，来调整交错并联谐振变换器的输出电压电流，充电机的输出电源经过交错并联谐振变换器二次变化后，电压电流更加符合蓄电池的充电要求，提高充电效率。
本发明中，所述第一控制开关K采用的是低压的普通继电器，过硬件、及软件的组合，使得继电器的导通和关断时，都不涉及高压切换，从而保护继电器，实现了普通的低压继电器来切换高压的目的。
具体的，将插接端口插接在输出端口2上，控制第一至第三控制开关断开，以对蓄电池进行充电或对蓄电池进行加热操作。
在充电模式下，检测第一控制开关K两端的电压信号，判断蓄电池是否反接：如果检测到第一控制开关K第二端电压为负，则判断出蓄电池反接，控制装置发出警告，此时不会吸合继电器K，蓄电池上的负压加在软启动二极管D1上，从而实现充电机的电池反接保护；如果检测到第一控制开关K两端电压都为正时，则判断出蓄电池插接正常，蓄电池电压由B点通过软启动二极管D1、软启动电阻R1加到A点，通过电压采集单元采集A、B点都有电压，进验证后，控制充电机1工作，将第一控制开关K第一端A电压提升到与第一控制开关K第二端电压一致，再吸合继电器K，第二控制开关闭合，从而实现继电器0电压吸合，对蓄电池进行充电。
充电完成后，充电机1收到关机命令后关机，此时A、B间压差为0，电流为0，然后再断开K，断开第二控制开关，从而实现继电器0电压、0电流断开。
在加热模式，充电机1收到开机指令后，先吸合继电器K，闭合第三控制开关，断开第二控制开关，此时继电器0电压、0电流吸合；然后控制充电机1工作；充电机1收到关机指令后关机，输出电压电流都快速降到0，然后断开继电器，断开第三控制开关，实现继电器的0电压、0电流断开。
由上所述，本发明采用通断低压的普通继电器作为控制开关，通过硬件、及软件的组合，使得继电器的导通和关断时，都不涉及高压切换，从而保护继电器，实现了在车载充电机上，通过普通的低压继电器来切换高压的目的；同时，整个控制装置的体积更小，成本更低；进一步的，本发明在充电机输出端连接一个二次变化器，二次变化器采用对称的LLC结构，自主完成均流，减小了纹波电流，提高了整个充电机电源变化的性能。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用于车载充电机的控制装置，其特征在于，包括：
滤波电容，其连接在充电机输出端正负极之间；
第一控制开关，其连接在所述充电机输出端正极线路上，所述第一控制开关第一端连接所述滤波电容的正极端，所述第一控制开关的控制端连接所述充电机的控制器；以及
软启动电路，其并联在所述第一控制开关的两端，所述软启动电动由串联设置的二极管和电阻构成，所述电阻的第一端连接所述滤波电容的正极端，所述二极管的阴极连接所述电阻的第二端，所述二极管的阳极连接所述第一控制开关第二端，所述第一控制开关第二端和所述滤波电容负极端作为所述充电机的输出端口，蓄电池插接在所述输出端口上。
2.如权利要求1所述的用于车载充电机的控制装置，其特征在于，所述蓄电池上设置有一插接端口，所述插接端口插接在所述输出端口上，所述插接端口通过一第二控制开关连接所述蓄电池的充电端口。
3.如权利要求2所述的用于车载充电机的控制装置，其特征在于，所述插接端口上通过一第三控制开关连接一用于加热蓄电池的加热电路，所述第二控制开关和第三控制开关的控制端分别与所述控制器连接，且所述第二控制开关和第三控制开关互锁设置。
4.如权利要求1所述的用于车载充电机的控制装置，其特征在于，所述第一控制开关的第一端和第二端分别设置有一电压采集装置，两个所述电压采集装置的输出端连接所述控制器。
5.如权利要求1所述的用于车载充电机的控制装置，其特征在于，所述充电机输出端还设置有一交错并联谐振变换器，所述滤波电容连接在所述交错并联谐振变换器输出端正负极之间。
6.如权利要求5所述的用于车载充电机的控制装置，其特征在于，所述交错并联谐振变换器包括：
第一变换电路，其包括第一直流母线和并联设置在所述第一直流母线之间的三对第一开关组，所述第一开关组由两个串联的可控开关管组成，所述第一直流母线之间连接有一第一母线电容；
第二变换电路，其包括第二直流母线和并联设置在所述第二直流母线之间的三对第二开关组，所述第二开关组由两个串联的可控开关管组成，所述第二直流母线之间连接有一第二母线电容；
三个变压器，其连接所述第一变换电路和第二变换电路；以及
三个谐振电路，其设置在所述第一变换电路上，一个谐振电路对应连接一个所述变压器和一个所述第一开关组；
其中，所述谐振电路包括一个电感和一对串联电容，一对串联电容连接在所述第一直流母线之间，所述电感第一端连接在一个第一开关组的两个串联的可控开关管之间，所述电感第二端连接一个所述变压器原边绕组第一端，该变压器原边绕组第二端连接在一对串联电容之间，该变压器副边绕组第一端连接在一个第二开关组的两个串联的可控开关管之间，各个所述变压器的副边绕组第二端共接。
7.如权利要求6所述的用于车载充电机的控制装置，其特征在于，所述可控开关管为半导体开关。
8.如权利要求7所述的用于车载充电机的控制装置，其特征在于，所述第一直流母线连接所述充电机输出端正负极，所述滤波电容连接在所述第二直流母线正负极之间。
9.如权利要求3所述的用于车载充电机的控制装置，其特征在于，所述第一控制开关为继电器。
10.如权利要求9述的用于车载充电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将插接端口插接在输出端口上，控制第一至第三控制开关断开；
在充电模式下，检测第一控制开关两端的电压信号，判断蓄电池是否反接：如果检测到第一控制开关第二端电压为负，则判断出蓄电池反接，控制装置发出警告；如果检测到第一控制开关两端电压都为正时，则判断出蓄电池插接正常，控制充电机工作，将第一控制开关第一端电压提升到与第一控制开关第二端电压一致，控制第一控制开关和第二控制开关闭合，对蓄电池进行充电；
充电完成后，充电机收到关机命令后关机，断开第一控制开关和第二控制开关；
在加热模式，闭合第一控制开关和第三控制开关，断开第二控制开关，充电机收到开机指令后，控制充电机工作；充电机收到关机指令后关机，随后断开第一控制开关和第三控制开关。
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