CN108306353B - 一种改进式多模块并联的数字均流系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于充电器技术领域，具体涉及一种改进式多模块并联的数字均流系统及方法。本发明所要解决的技术问题是提出一种改进式多模块并联的数字均流系统及方法，解决充电效率低，充电器易损坏的问题。为了解决上述技术问题，本发明提出这样一种改进式多模块并联的数字均流系统及方法，包括多个充电模块、多个电流传感器和多个二极管，还包括采样电阻、均流母线、比较器、均流控制器和数字控制器。本发明具有充电稳定且效率高的效果。

Description

一种改进式多模块并联的数字均流系统及方法
技术领域
本发明属于充电器技术领域，具体涉及一种改进式多模块并联的数字均流系统及方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展及计算机、通讯、空间站等的广泛应用，大功率、高功率密度、高可靠性的电源系统的需求不断提高。如果采用单台电源供电，由于需要处理的功率比较大，给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。另外，一旦电源发生故障，将导致整个系统的崩溃。因此，采用多个电源模块并联运行输出大功率是电源技术发展的重要方向。
大功率负载需求和分布式电源系统的发展，使得开关电源并联技术的重要性日益增加。并联系统中，每个变换器只处理较小功率，降低了应力；还可以应用冗余技术，提高系统可靠性。然而，一般情况下，不允许将电源模块的输出端直接并联，必须采用均流技术确保每个并联模块均匀分担负载电流。否则，有的并联模块可能重载甚至过载运行，而有的模块则轻载或者空载运行，结果热应力分配不均，极易损坏，降低了系统的可靠性。因此，均流技术成为电源并联技术的核心。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种改进式多模块并联的数字均流系统及方法，通过采用斩峰补偿的多个电动汽车充电模块并联的数字均流技术，解决了充电效率低，充电器易损坏的问题，具有充电稳定且效率高的效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种改进式多模块并联的数字均流系统，包括采样电阻、均流控制器、数字控制器、比较器和多个均流模块，每个均流模块是由充电模块、电流传感器和电流放大器串联组成，均流模块均与采样电阻相连，采样电阻的另一端连接至均流母线，采样电阻的两端分别与均流控制器的正、负输入端相连，均流控制器的输出端通过比较器与数字控制器相连，数字控制器分别与各均流模块相连。
优选的，所述均流控制器由控制器以及多个并联的电流反馈射极跟随器构成，各电流反馈射极跟随器分别通过通讯线与控制器连接；电流反馈射极跟随器包括一个运算放大器和多个功率MOS管；其中，各功率MOS管的栅极分别通过一个驱动电阻接于运算放大器的输出端，各功率MOS管的漏极并联，各功率MOS管的源极各自通过一个功率电阻并联，各功率MOS管(的源极分别通过一个反馈电阻接在运算放大器的负端。
优选的，控制器为带有电流采样及D/A输出控制的单片机控制器。
优选的，所述充电模块采用半桥LLC谐振变换器电路。
一种改进式多模块并联的数字均流方法，具体步骤如下：
步骤S1：对各充电模块地址进行比较，执行步骤S2；
步骤S2：检测是否需要均流，否则结束，是则执行步骤S3；
步骤S3：以地址为0000001的模块作为主模块，执行步骤S4；
步骤S4：读取AD采样值，执行步骤S5；
步骤S5：采样值软件滤波，执行步骤S6；
步骤S6：对比额定电流设定的单个模块输出电流允许范围，进行均流算法控制，执行步骤S7；
步骤S7：PFM输出，实现均流控制，返回步骤S1。
本发明有益效果是:使用本系统充电效率高，且相应的保护了各个充电模块。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本发明的具体实施方式的整体结构图。
图2是本发明的具体实施方式的比较器工作示意图。
图3是本发明的均流控制器结构示意图。
图4是本发明的电流反馈射极跟随器的结构示意图。
图5是本发明的第一种典型的LLC谐振变换器电路。
图6是本发明的第二种典型的LLC谐振变换器电路。
图7是本发明的具体实施方式的单个半桥LLC谐振变换器的闭环仿真模型图。
图8是本发明的具体实施方式的两充电模块并联后加入均流环节的仿真模型图。
图9是本发明的具体实施方式的工作主流程示意图。
图10是本发明的具体实施方式的工作分流程示意图。
图中：1-控制器，2-电流反馈射极跟随器，3-运算放大器，4-反馈电阻，5-驱动电阻， 6-功率MOS管，7-功率电阻。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1和图2所示，一种改进式多模块并联的数字均流系统，包括多个充电模块、多个电流传感器和多个二极管，还包括采样电阻、均流母线、均流控制器和数字控制器，多个充电模块并联在一起，各充电模块都分别通过一个电流传感器和一个二极管接到同一个采样电阻的一端a点，采样电阻的另一端b点接到一条公共均流母线上，a、b两点还分别与均流控制器的两输入端点相连，均流控制器的输出端通过比较器与数字控制器相连，数字控制器分别与各模块相连。均流母线的电压是多个电源模块代表各自输出电流的电压信号Vi的平均值(即代表电源系统过的平均电流)。其中电流最大的充电模块的电流导通二极管，流过a点产生的电势与b点的电势比较后，通过调节放大器输出一个误差电压Vc，误差电压Vc再和参考电压Vref一起经比较器比较后产生的新的参考电压V’ref，反馈回电流最大的模块，通过数字控制器，使其电流减小，减小的部分，根据能量守恒和功率不变的原则，分流到其余的模块，从而平衡各模块的电流。
由于每次都是相同的参考电压Vref，所以均流的精度也不会很高，所以本发明将每一次的V’ref作为下一个循环的参考电压Vref，即Vref(k+1)＝V’ref(k)(k＝1,2,……)，以提高每一次的参考精度，进而提高均流精度。
如图3和图4所示的均流控制器，多个并联的电流反馈射极跟随器2分别通过通讯线与控制器1连接，该控制器1为带有电流采样及D/A输出控制的单片机控制器。各电流反馈射极跟随器 2包括一个运算放大器3和多个功率MOS管6；其中，各功率MOS管6的栅极分别通过一个驱动电阻5并接在运算放大器3的输出端，各功率MOS管6的漏极并联，各功率MOS管6的源极各自通过一个功率电阻7并联，在各功率MOS管6的源极与对应的功率电阻7之间接有一个反馈电阻4，各反馈电阻4的另一端并接在运算放大器3的负端。
工作原理：当运算放大器的正端施加电压时，即可在电流反馈射极跟随器的输出端得到相应的负载电流，控制器1采集回路电流，并利用D/A输出对多组电流反馈射极跟随器2进行电流控制，从而得到高精度的大电流负载。所述负载电流与功率MOS管的驱动电压无关，只与功率电阻7有关，接入回路的功率电阻能够产生电流负反馈，从而使流过各功率MOS管源极的电流趋于均衡。
本发明的充电模块采用的是半桥LLC谐振变换器电路，图4和图5所示的为两种典型的 LLC谐振变换器电路，图7所示为单个半桥LLC谐振变换器的闭环仿真模型图，图8所示为两充电模块并联后加入均流环节的仿真模型图。LLC变换器是通过PFM控制策略来控制它的输出电压的大小，也就是调节开关管工作频率的大小来调整输出。这个方法能改善PWM控制时的一些不完善的地方，不会有占空比受影响的情况发生，所以它的掉电维持时间特性比较好，且由于输入电压的增大，谐振槽路电流峰值在减小，使得开关管通态损耗、关断损耗都在减小。
由于LLC谐振电路的系统中已经对输出电流进行了采样并存储，所以均流部分只需要读取此AD采样值即可。采样值软件滤波的作用是为了提高采样的精度。
此外数据的比较和计算需要在一个主充电模块中进行，那么主充电模块的选择就要做出要求，由于每个充电模块之间的数据通讯是通过CAN通讯进行的，那么通过拨码开关设置各充电模块的地址，比如设置地址为0000001的充电模块为主充电模块，进行相应的计算，并通过 CAN传输命令。这里的地址是在CAN的ID里设置的，在29位的CAN的ID里，用其中的7位来分配节点地址。
如果在工作过程中，设定的主充电模块发生故障无法继续正常工作，那么由于CAN总线是一种多主总线，所以在之前已经设定过地址的剩余的充电模块中，自动将地址最低的充电模块升级为主充电模块，进而继续整个系统的正常运行。
一种改进式多充电模块并联的数字均流方法，具体步骤如下：
步骤S1：对各充电模块地址进行比较，执行步骤S2；
步骤S2：检测是否需要均流，否则结束，是则执行步骤S3；
步骤S3：以地址为0000001的充电模块作为主充电模块，执行步骤S4；
步骤S4：读取AD采样值，执行步骤S5；
步骤S5：采样值软件滤波，执行步骤S6；
步骤S6：对比额定电流设定的单个充电模块输出电流允许范围，进行均流算法控制，执行步骤S7；
步骤S7：PFM输出，实现均流控制，返回步骤S1。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种改进式多模块并联的数字均流系统，其特征在于,包括采样电阻、均流控制器、数字控制器、比较器和多个均流模块，每个均流模块是由充电模块、电流传感器和电流放大器串联组成，各充电模块并联在一起,均流模块均与采样电阻的一端a点相连，采样电阻的另一端b点连接至一条均流母线，采样电阻的两端分别与均流控制器的正、负输入端相连，均流控制器的输出端通过比较器与数字控制器相连，数字控制器分别与各充电模块相连；
电流最大的充电模块的电流导通，流过a点产生的电势与b点的电势比较后，通过均流控制器输出一个误差电压Vc，误差电压Vc再和参考电压Vref一起经比较器比较后产生的新的参考电压V’ref，反馈回数字控制器，通过数字控制器，使电流最大的充电模块的电流减小，减小的部分，根据能量守恒和功率不变的原则，分流到其余的充电模块，从而平衡各充电模块的电流。
2.根据权利要求1所述的改进式多模块并联的数字均流系统，其特征在于，所述均流控制器由控制器(1)以及多个并联的电流反馈射极跟随器(2)构成，各电流反馈射极跟随器(2)分别通过通讯线与控制器(1)连接；电流反馈射极跟随器(2)包括一个运算放大器(3)和多个功率MOS管(6)；其中，各功率MOS管(6)的栅极分别通过一个驱动电阻(5)接于运算放大器(3)的输出端，各功率MOS管(6)的漏极并联，各功率MOS管(6)的源极各自通过一个功率电阻(7)并联，各功率MOS管(6)的源极分别通过一个反馈电阻(4)接在运算放大器(3)的负端。
3.根据权利要求2所述的改进式多模块并联的数字均流系统，其特征在于，控制器(1)为带有电流采样及D/A输出控制的单片机控制器。
4.根据权利要求1所述的改进式多模块并联的数字均流系统，其特征在于，所述充电模块采用半桥LLC谐振变换器电路。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的改进式多模块并联的数字均流系统的均流方法，具体步骤如下：
步骤S1：对各充电模块地址进行比较，执行步骤S2；
步骤S2：检测是否需要均流，否则结束，是则执行步骤S3；
步骤S3：以地址为0000001的模块作为主模块，执行步骤S4；
步骤S4：读取AD采样值，执行步骤S5；
步骤S5：采样值软件滤波，执行步骤S6；
步骤S6：对比额定电流设定的单个模块输出电流允许范围，进行均流算法控制，执行步骤S7；
步骤S7：PFM输出，实现均流控制，返回步骤S1。
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