CN108736552A - 新型车载电动汽车充电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型电动汽车充电电路及其控制方法，电路包括控制单元和主电路，主电路包括高频电路和工频电路，工频电路包括依次连接的充电输入端、半桥PWM整流器、储能电容，半桥PWM整流器输入端连接谐振电路、高频隔离变压器、高压整流滤波电路、低压整流滤波电路、低压输出端和充电输出端构成高频电路，控制单元根据获取的电压电流信息控制半桥PWM整流器和整流滤波电路的工作。本发明实现功率因数校正和高压整流桥的软开关技术，能有效减少充电机所需开关器件数量，减小变压器体积，三绕组变压器的使用可以减少变压器的数量，提高功率传输的效率，降低了系统的体积和成本。

Description

新型车载电动汽车充电机及其控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车充电技术领域，涉及一种新型车载双向电动汽车充电机及其控制方法。

背景技术

随着现代高新技术的发展和当今世界环境、能源两大难题的日益突出，电动汽车以优越的环保特性，成为汽车行业关注的重点。而随着国家对新能源汽车的多项扶植政策的出台，新能源汽车的发展步伐正在加快，充电基础设施的建设步伐也在加快。而目前一些充电机仍采用较为传统的结构，将充电接口、双向AC/DC变换器、双向DC/DC变换器和动力电池简单串联，具有效率低下、功率因数不足、能量密度较低等缺点。专利CN106647332A提供了一种汽车双向充放电设计方法，可以实现双向电能传输，同时可以有效抑制谐波保证功率因数，但是缺乏电气隔离模块，难以保证用户及设备的安全。专利CN102222958A提供了一种电动汽车车载双向充电机，采用了隔离的双有源半桥双向DC/DC变换器，使得变换性能更加高效稳定，但是充电攻率较低，无法满足日益增长的充电速度需求。专利CN102983606A公开了一种用于电动车充电的双向充电系统，由多个双向AC/DC和DC/DC模块构成，提高了充电和放电功率的可调节，可以大功率地实现电能的双向传输，但是由于使用变换器模块较多，体积较大，功率密度较小，且成本较高。因此，目前急需研制一种大功率、高效率、低成本以及高功率密度的双向充电机。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种新型电动汽车充电电路，其中半桥PWM整流器采用开关管半桥结构，同时实现功率因数校正、工频整流、高频逆变等功能，大大减少开关管的使用数量；串联谐振电路将工频电流隔断，通过半桥PWM整流器产生高频电流为高频变压器提供能量，可以有效减小变压器体积。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种新型电动汽车充电电路，所述充电电路包括控制单元和主电路，所述主电路包括高频电路和工频电路，所述工频电路包括依次连接的充电输入端、半桥PWM整流器、储能电容，半桥PWM整流器输入端连接谐振电路、高频隔离变压器、高压整流滤波电路、低压整流滤波电路、低压输出端和充电输出端构成高频电路，所述控制单元获取充电输入端、充电输出端、储能电容、低压输出端的信息，并根据该信息控制半桥PWM整流器和整流滤波电路的工作。该技术方案可以实现功率因数校正和高压整流桥的软开关技术，能有效减少充电机所需开关器件数量，减小变压器体积，三绕组变压器的使用可以减少变压器的数量，提高功率传输的效率，降低了系统的体积和成本。同时，经过控制单元控制方式的变换，可以实现逆向充电功能，从而对外输出功率。

作为本发明的一种改进，所述控制单元包括电压电流采集模块，模数转换器，中央处理单元，开关管驱动单元；电压电流采集模块用于测量得到输入端工频电压、工频电流、储能电容电压和输出端直流电压的模拟信号，数模转换器用于将模拟信号转换为数字信号传入中央处理器中，中央处理单元对信号处理分析发出指令使驱动模块产生驱动信号驱动整流器开关半桥的开关。电压电流采集模块能够进一步地实现功率因数校正。

作为本发明的一种改进，所述半桥PWM整流器包括两个开关管半桥和两个储能电容半桥，PWM整流器输入端与充电输入端相连，且与谐振电路并联；整流器输出端连接储能电容向其充电，所述储能电容端口设有电压采集电路，由控制单元控制储能电容电压稳定。

作为本发明的一种改进，所述谐振电路包括彼此串联的谐振电感和电容；其谐振频率与中央处理单元中脉宽调制模块产生的方波信号或正弦信号同频，大于工频，又小于所述开关频率。所述谐振电路可以将工频电流与高频变压器隔离，阻止工频电流流入高频变压器，以防产生工频环流影响充电电路的效率。

作为本发明的一种改进，所述谐振电路与充电输入端并联，接入半桥PWM整流器的输入端；所述谐振电路的另一端口与高频变压器、高低压整流滤波电路和充电输出端串联。

作为本发明的一种改进，所述高压整流滤波电路及低压整流滤波电路为倍压整流、全波整流、全桥整流、半波整流、半桥整流中的一种。

作为本发明的一种具体实现方式，所述高频变压器为三绕组变压器。

作为本发明的一种具体实现方式，低压供电模块可以去除，仅实施电动汽车蓄电池充电功能，此时，所述高频变压器为双绕组变压器。

本发明还提供了一种适用于该电动汽车充电电路的控制方法，包括如下步骤：

所述控制单元接受充电输入端、充电输出端、储能电容的信息，并根据该信息来控制半桥PWM整流器的工作，其特征在于采用电压外环电流内环的双闭环控制策略；

中央处理单元将储能电容的电压信息作为参考，将电压采集电路的电压信息作为反馈，通过PID闭环处理得到电压外环的调节值；中央处理单元将电压外环的调节值作为参考，将充电输入端的电流信息作为反馈，通过PID闭环处理得到电流内环的调节值，进而得到PWM整流器实现功率因数校正的控制信号。

作为本发明的一种改进，中央处理单元将充电输出端的电压信息作为参考，将充电输出端电压采集电路的电压信息作为反馈，通过PID闭环处理得到方波信号的幅值参考值；所述方波信号的频率与谐振电路频率相同，大于工频，又小于开关频率。

作为本发明的一种改进，中央处理模块将实现功率因数校正功能的控制信号和产生谐振电流的方波信号叠加并输出至中央处理单元中的脉宽调制模块，从而控制脉宽调制模块的PWM信号输出，以驱动半桥PWM整流器的两个开关管，并同时实现功率因数校正、工频整流和高频逆变等功能。

作为本发明的一种具体实现方式，通过控制单元的控制，所述工频电网侧、高压直流侧和低压直流侧可有多种工作状态，诸如并网充电、并网充电—低压供电、离网低压供电、并网逆向充电等状态。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明对工频电流级的控制采用电压外环电流内环的双闭环控制策略，输出直流电压对储能电容充电；通过在调制波信号中叠加一个频率大于工频且小于开关频率的方波信号或正弦信号，电容对谐振电路放电；半桥PWM整流器和LrCr串联谐振以及高频隔离变压器构成串联谐振电路，谐振频率与方波信号或正弦信号频率相同；高频变压器为三绕组变压器，二次侧经高压整流桥整流滤波实现直流输出，为电动汽车电源充电，三次侧经低压整流桥整流滤波实现输出低压直流电，为车内低压用电设备，即照明大灯、雨刷、空调、音响以及仪表等供电，充电效率高，成本低廉。

2.本发明中半桥PWM整流器采用开关管全桥结构，同时实现功率因数校正、工频整流、高频逆变等功能，大大减少开关管的使用数量。

3.串联谐振电路将工频电流隔断，通过半桥PWM整流器产生高频电流为高频变压器提供能量，可以有效减小变压器体积。

4.整流滤波电路可取多种电路结构，在选取开关管全桥结构的情形下可以实现充电电路的逆功率传输，实现电动汽车的放电。

6.高频变压器采用三绕组变压器，在保证充电功能和对车内用电设备供电的前提下，减少了变压器的使用数量。需要时，低压供电模块可以去除，仅实施电动汽车蓄电池充电功能，更为灵活。

7.本发明的新型电动汽车充电电路及其控制方法可以在保证充电机的可靠性和充电效率的前提下，有效减少开关管的使用数量，减小变压器的体积，减少变压器的使用数量，提高充电机的功率密度，有效地降低了电动汽车充电机的生产成本，同时，充电机更加精巧便携，使得电动汽车用户获得更优的充电体验，值得推广应用。

附图说明

图1为本发明提出的新型车载电动汽车充电机的主电路图；

图2为本发明提出的充电电路中高频电流环路和工频电流环路示意图；

图3为本发明提出的充电电路中工频电流环路的等效图；

图4为本发明提出的充电电路中高频电流环路的等效图；

图5为本发明提出的充电机二次侧整流结构为开关管全桥的电路图；

图6为本发明提出的充电机二次侧整流结构为二极管全桥的电路图；

图7为本发明提出的充电电路中半桥PWM整流器的控制策略；

图8为实施例2调节所提出的充电电路输出端电压的控制策略；

图9为本发明提出的充电电路中各部分在不同状态下功率流动示意图；

图10为本发明提出的新型车载电动汽车充电机在去除低压供电模块时的电路图；

图11为高频变压器为双绕组变压器的充电电路；

图12为本发明提供的新型车载电动汽车充电机电路总体架构图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明的电动汽车充电电路由控制单元和主电路两部分构成，其中主电路分为高频电路和工频电路，工频电路由依次连接的充电输入端、半桥PWM整流器、储能电容构成，半桥PWM整流器采用混频调制为高频和工频电路共用，半桥PWM整流器输入端连接谐振电路、高频隔离变压器、高压整流滤波电路、低压整流滤波电路、低压输出端和充电输出端构成高频电路。半桥PWM整流器由两个开关管半桥和两个储能电容半桥组成，PWM整流器输入端与充电输入端相连，且与谐振电路并联。谐振电路由谐振电感和谐振电容串联构成。谐振电路可以将工频电流与高频变压器隔离，阻止工频电流流入高频变压器，以防产生工频环流影响充电电路的效率。高频隔离变压器一次侧的充电电路被分为工频电路和高频电路，利用了串联谐振电路的频率解耦合的原理，图2中示出了高频电流环路和工频电流环路，高频电路的频率是串联谐振电路的谐振频率，其数值大于工频又小于开关频率，本实例中选为15kHz。

如图12所示，本发明中电动汽车充电电路控制单元包括电压电流采集模块，模数转换器，中央处理单元，开关管驱动单元等模块。具体的说，电压电流采集模块是在充电输入端设有电压采集电路和电流采集电路；电压采集电路和电流采集电路与控制单元相连，进一步地实现功率因数校正。电压电流采集模块通过使用电压电流传感器测量得到输入端工频电压、工频电流、储能电容电压和输出端直流电压的模拟信号，再经数模转换器将模拟信号转换为数字信号传入中央处理器，中央处理器对信号处理分析发出指令使驱动模块产生驱动信号驱动整流器开关半桥的开关。

工频220V，50Hz电源通过Boost半桥PFC变换器给电容充电，本实例中开关频率取为100kHz，电容电压稳定在400V。充电输入端口采集电流值(i_ac)和电压值(u_ac)，在储能电容处采集电压值(U_C)，上述电压电流采集电路将信号传入中央处理模块，通过对开关管半桥的控制，实现输入电流和电压的同相位，降低输入电流的谐波，实现功率因数校正功能，在此电路中半桥PWM整流器具有整流和功率因数校正功能，工频等效电路如图3所示。

高频电路由谐振电路、高频变压器和高频整流电路构成，LC串联谐振电路与充电输入端并联，一端与半桥PWM的输入端相连，与工频电路共用输入端，另一端口与高频变压器一次侧相连，高频电流经整流电流整流生成直流电流。高频等效电路如图4所示，通过控制单元在半桥PWM整流器的调制波中叠加一个15kHz的方波信号(亦可叠加一个同频的正弦信号)，使电容经过半桥放电生成频率15kHz的高频电流，经过LC谐振串联电路对高频变压器供电。高频隔离变压器实现能量的传递和电气隔离，在谐振电容和谐振电压的参数选取中，需要根据公式由谐振频率确定，需要保证既能隔离工频电流又能隔离开关频率电流。

图1所示高频变压器二次侧和三次侧连接的整流电路结构可以根据实际情况需要选择不同的结构，包括但不局限于倍压整流、全波整流、全桥整流、半波整流、半桥整流等整流方式，图5是本发明提出的充电机二次侧整流结构为开关管全桥的电路图，图6是本发明提出的充电机二次侧整流结构为二极管全桥的电路图，图7是本发明提出的充电机二次侧整流结构为二极管半桥的电路图。同时，在选取开关管全桥或半桥等结构的情况下，可在特定情形实施功率逆向传输，可对电网放电或为家用电器供电，同时可对车内低压用电设备供电。

在充电输出端采集电压值(U_dc)，传输至控制单元，经反馈调节所叠加至半桥PWM整流器的控制信号中的15kHz方波信号或正弦信号的幅值，从而控制输出电压值的大小。

实施例2：

如图8所示，对半桥PWM整流器的控制采用电压外环电流内环的双闭环控制策略，将储能电容电压U_c1和U_c2作为电压外环的控制对象，将工频电路中的电流i_ac作为电流内环的控制对象，经过PI调节和坐标变换得到调制波的信号，并且往得到的调制波信号中叠加一个高频的正弦信号或方波信号，该信号的频率与谐振电路的谐振频率相等，为f_h，且该频率大于工频，同时又小于开关频率。同时，将输出端电压U_hdc作为控制对象，经过PI调节，控制叠加至调制波信号中的正弦信号或方波信号的幅值。

具体实现过程为：

对PWM整流器的控制采用电压外环电流内环的双闭环控制策略，电压外环的作用主要是控制单相电压型PWM整流器直流侧电压，而电流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，可实现电网侧正弦波电流输入控制控制。

对电动汽车充电电路中PWM整流器端口的储能电容电压Uc、工频交流电源电压uac以及工频交流侧电源电流iac进行采样。

对采样得到的工频交流电源电压uac进行PLL锁相环锁相得到相位角θ，生成一个与电压同相位的正弦信号cos(ωt+θ)。

将采样得到的储能电容电压值U_c1和U_c2与其参考电压值Uc_ref进行比较，并对其输出的电压差值进行电压环PI调节，PI调节器输出为一直流电流信号i_d，i_d乘以和输入交流电压同相位的正弦信号cos(ωt+θ)，得到交流电流的正弦指令信号I^*。I^*与电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号i_d成正比，这是PWM整流器运行时所需的交流电流指令信号。指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对器件进行控制，可使实际交流输入电流跟踪指令值。

在得到的交流电压调制波信号u_ref中叠加一个高频的正弦波或方波信号，频率为f_h，该信号的频率与串联谐振电路的谐振频率相等，大于工频，同时又小于开关频率，且该高频信号的幅值小于调制波参考信号的幅值，得到一个新的电压调制波信号u_{ref_new}；

其中，对输出高压直流电压值的调控，即对所叠加的高频信号幅值的控制过程如下：

如图9所示，对电动汽车充电电路的输出端口的直流电压U_hdc进行采样，将其与参考电压U_{hdc_ref}进行比较，并对其输出的电流差值进行PI调节，得到的输出经溢出控制后叠加一个基准值，最终得到正弦信号或者方波信号的幅值，并叠加至PWM调制波中，最终实现输出恒定的电压值对电动汽车充电。高频变压器三次侧低压直流电压值的调控方式为现有方式，此处不再赘述电动汽车放电时的控制方法与上述方法同理，此处亦不再赘述。

实施例3：

如图10所示，所述工频电网侧、高压直流侧和低压直流侧可有多种工作状态，诸如并网充电、并网充电—低压供电、离网低压供电、并网逆向充电等状态。

将低压整流滤波电路关断，充电电路并网获得功率，高频变压器二次侧经高压整流滤波电路为蓄电池供电，此时，充电电路工作在并网充电状态，车内低压用电设备处在空载状态。

充电电路并网获得功率，高频变压器二次侧经高压整流滤波电路为蓄电池供电，同时高频变压器三次侧经低压整流滤波电路为车内用电设备供电，此时，充电电路工作在并网充电-低压供电的工作状态。

充电电路输入端不连接电网，所述高压整流电路使用开关管全桥结构且工作在逆变状态时，由电动汽车蓄电池供电，高频变压器三次侧经低压整流滤波电路为车内用电设备供电，此时，充电电路工作在离网低压供电的工作状态。

充电电路输入端连接电网，所述高压整流电路使用开关管半桥结构且工作在逆变状态时，由电动汽车蓄电池供电，高频变压器一次侧经半桥PWM整流器为电网输送功率，此时，充电电路工作在并网逆向充电的工作状态。

不同情况下，充电电路还可工作于其他工作状态，此处不再一一详述。

同时，所述低压供电模块可以去除，仅实施电动汽车蓄电池充电功能，此时，所述高频变压器为双绕组变压器，其充电电路如图11所示。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型电动汽车充电电路，其特征在于：包括控制单元和主电路，所述主电路包括高频电路和工频电路，所述工频电路包括依次连接的充电输入端、半桥PWM整流器、储能电容，半桥PWM整流器输入端连接谐振电路、高频隔离变压器、高压整流滤波电路、低压整流滤波电路、低压输出端和充电输出端构成高频电路，所述控制单元获取充电输入端、充电输出端、储能电容、低压输出端的信息，并根据该信息控制半桥PWM整流器和整流滤波电路的工作。

2.根据权利要求1所述的新型电动汽车充电电路，其特征在于：所述控制单元包括电压电流采集模块，模数转换器，中央处理单元，开关管驱动单元；电压电流采集模块用于测量得到输入端工频电压、工频电流、储能电容电压和输出端直流电压的模拟信号，数模转换器用于将模拟信号转换为数字信号传入中央处理器中，中央处理单元对信号处理分析发出指令使驱动模块产生驱动信号驱动整流器开关半桥的开关。

3.根据权利要求1所述的新型电动汽车充电电路，其特征在于：所述半桥PWM整流器包括两个开关管半桥和两个储能电容半桥，PWM整流器输入端与充电输入端相连，且与谐振电路并联；整流器输出端连接储能电容向其充电，所述储能电容端口设有电压采集电路，由控制单元控制储能电容电压稳定。

4.根据权利要求1所述的新型电动汽车充电电路，其特征在于：所述谐振电路包括彼此串联的谐振电感和电容；谐振电路与充电输入端并联，一端接入半桥PWM整流器的输入端；

另一端口与高频变压器、高低压整流滤波电路和充电输出端串联，其谐振频率与脉宽调制模块产生的方波信号或正弦信号同频，大于工频小于开关频率。

5.根据权利要求1所述的新型电动汽车充电电路，其特征在于：所述高压整流滤波电路及低压整流滤波电路为倍压整流、全波整流、全桥整流、半波整流、半桥整流中的一种。

6.根据权利要求1所述的新型电动汽车充电电路，其特征在于：所述高频变压器为三绕组变压器或双绕组变压器。

7.一种新型电动汽车充电电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述控制单元接受充电输入端、充电输出端、储能电容的信息，并根据该信息来控制半桥PWM整流器的工作，其特征在于采用电压外环电流内环的双闭环控制策略；

中央处理单元将储能电容的电压信息作为参考，将电压采集电路的电压信息作为反馈，通过PID闭环处理得到电压外环的调节值；中央处理单元将电压外环的调节值作为参考，将充电输入端的电流信息作为反馈，通过PID闭环处理得到电流内环的调节值，进而得到PWM整流器实现功率因数校正的控制信号。

8.根据权利要求7所述的新型电动汽车充电电路的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：中央处理单元将充电输出端的电压信息作为参考，将充电输出端电压采集电路的电压信息作为反馈，通过PID闭环处理得到方波信号的幅值参考值；所述方波信号的频率与谐振电路频率相同，大于工频，又小于开关频率。

9.根据权利要求7所述的新型电动汽车充电电路的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：中央处理模块将实现功率因数校正功能的控制信号和产生谐振电流的方波信号叠加并输出至脉宽调制模块。

10.根据权利要求7所述的新型电动汽车充电电路的控制方法，其特征在于：工频电网侧、高压直流侧和低压直流侧包括如下工作状态：并网充电、并网充电—低压供电、离网低压供电、并网逆向充电。