CN110022075B - 一种基于多模式整流器的充电管理系统及方法 - Google Patents

一种基于多模式整流器的充电管理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多模式整流器，包括：第一相控整流器、第二相控整流器、第三相控整流器、第四相控整流器、开关模块以及电感，还包括：第一切换开关以及第二切换开关，第一切换开关的两端分别接于第一相控整流器的第一端与第三相控整流器的第一端，第二切换开关的两端分别接于第二相控整流器的第二端与第四相控整流器的第二端，第一相控整流器的第一端通过电感接与负载的正极，第四相控整流器的第二端接于负载的负极。基于本发明通过增加两个切换开关，从而增加相控整流器的工作模式，新增的工作模式可大幅降低网侧谐波电流含量，同时拓宽输出电压范围，省略DC‑DC调压环节，在大电压范围内适应不同的负载。

Description

一种基于多模式整流器的充电管理系统及方法
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，特别涉及一种基于多模式整流器的充电管理系统及方法
背景技术
为了抑制整流器对电网造成的谐波污染和功率因数问题，可以采用PWM整流或多脉波整流技术，对于多脉波整流技术，现有的变拓扑多脉波整流器是从谐波源着手，通过改造电力电子装置使其谐波下降，它包括两个或多个晶闸管整流桥，其输入电压具有特定的相位差。将不同电角度的正弦电压相互叠加，形成不同幅值的正弦输入电压等级，根据不同的负载情况对输入电压进行选择，满足负载运行情况下的最小电压输入，使晶闸管的触发角尽量小，从而获得较高的功率因数和谐波抑制效果；
现有的变拓扑多脉波整流器如图1所示，其包括四个相控整流器以及由3个切换开关和6个二极管组成的开关模块，通过增加输出电压/电流的脉波数来提高网侧功率因数、抑制谐波电流，仅有串联和并联两种工作模式，当输入输出电压比值较大时，晶闸管的触发角较大，谐波污染严重。因此，在输入电压不变的情况下，输出电压的范围将受到制约，仅有两种工作模式的变拓扑整流器性能有限，难以适应负载需求。
发明内容
本发明公开了一种多模式整流器，通过增加两个切换开关，从而增加多脉波整流器的工作模式，新增的工作模式可大幅降低网侧谐波电流含量，同时拓宽输出电压范围，在大电压范围内适应不同的负载。
一种多模式整流器，包括：第一相控整流器、第二相控整流器、第三相控整流器、第四相控整流器、开关模块以及电感还包括：第一切换开关以及第二切换开关，所述第一切换开关的两端分别接于所述第一相控整流器的第一端与所述第三相控整流器的第一端，所述第二切换开关的两端分别接于所述第二相控整流器的第二端与所述第四相控整流器的第二端，所述第一相控整流器的第一端通过所述电感接与负载的正极，所述第四相控整流器的第二端接于负载的负极。
优选地，所述开关模块包括：第三切换开关、第四切换开关、第五切换开关、第六切换开关、第七切换开关、第八切换开关、第九切换开关、第十切换开关、第十一切换开关；
所述第三切换开关与所述第八切换开关串联后并在所述第二相控整流器的两端，所述第四切换开关与所述第七切换开关串联后并在所述第三相控整流器的两端，所述第五切换开关及所述第六切换开关串联后并在所述第四相控整流器的两端，所述第十一切换开关的两端分别接于所述第一相控整流器的第一端与所述第二相控整流器的第一端，所述第十切换开关的两端分别接与所述第二相控整流器的第一端与所述第三相控整流器的第一端，所述第九切换开关的两端分别接于所述第三相控整流器的第一端与所述第四相控整流器的第一端。
优选地，还包括电源，所述电源的输出端与所述第一相控整流器、第二相控整流器、第三相控整流器、第四相控整流器相连。
一种电池充电管理系统，其特征在于，包括如上任意一项所述的多模式整流器、三相交流电源、三相隔离移相变压器、电池模组及电池管理模块；
所述三相交流电源与所述三相隔离移相变压器的一次侧相连，所述三相隔离移相变压器的二次侧与所述多模式整流器相连，所述多模式整流器与所述电池模组相连，所述电池管理模块与所述多模式整流器、电池模组及三相隔离移相变压器相连。
优选地，所述电池管理模块包括：DSP控制器及驱动和保护电路；
所述DSP控制器的输出端与所述驱动和保护电路相连，所述DSP控制器的输入端与所述三相隔离移相变压器的二次侧以及所述电池模组相连。
优选地，所述DSP控制器包括：负载检测模块及电源检测模块；
所述负载检测模块与所述电池模组相连，所述电源检测模块与所述三相隔离移相变压器相连。
一种基于如上所述的充电管理系统的充电管理方法，包括：
所述负载检测模块获取所述电池模组电压的大小，并根据所述电池模组电压的大小输出相应的电信号至驱动和保护电路；
所述驱动和保护电路接收所述DSP控制器的电信号，并开断相应的切换开关，使得所述多模式整流器切换至对应的工作模式；
所述DSP控制器根据所述对应的工作模式执行电流预测控制算法，对所述电池模组进行恒流充电。
优选地，所述电流预测控制算法为：
Figure BDA0002000633550000041
其中，IL为电感电流，UL为电感电压，L为电感的值。
优选地，所述工作模式设有混合模式，切换至所述混合模式时，所述第一及第二相控整流器串联后与所述第三及第四相控整流器串联后并联。
基于本发明公开了一种多模式整流器，通过增加两个切换开关，从而增加相控整流器的工作模式，新增的工作模式可大幅降低网侧谐波电流含量，同时拓宽输出电压范围，省略DC-DC调压环节，提高能量的传输效率，在大电压范围内适应不同的负载，通过DSP控制器上的负载检测模块获取电池模组的电压，进而切换至与之对应的工作模式，通过平均值电流预测控制的多段恒流充电策略代替传统的PI控制，负载电流快速响应。
附图说明
图1是现有的变拓扑多脉波整流器；
图2是本发明第一实施例的一种多模式整流器的接线示意图；
图3是本发明第二实施例的一种电池充电管理系统的结构示意图；
图4是本发明第三实施例的一种充电管理方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
本发明公开了一种多模式整流器，通过增加两个切换开关，从而增加多脉波整流器的工作模式，新增的工作模式可大幅降低网侧谐波电流含量，同时拓宽输出电压范围，在大电压范围内适应不同的负载。
请参阅图2，一种多模式整流器，包括：第一相控整流器P1、第二相控整流器P2、第三相控整流器P3、第四相控整流器P4、开关模块以及电感Ld，还包括：第一切换开关S1以及第二切换开关S2，所述第一切换开关S1的两端分别接于第一相控整流器P1的第一端与第三相控整流器P3的第一端，所述第二切换开关S2的两端分别接于第二相控整流器P2的第二端与第四相控整流器P4的第二端，第一相控整流器P1的第一端通过电感Ld接与负载的正极，第四相控整流器P4的第二端接于负载的负极。
其中，在第一至第四相控整流器上，增加两个切换开关，得到一种新的变拓扑整流，使得第一至第四相控整流器的连接方式增加，且所述第一、第二相控整流器串联后与所述第三、第四相控整流器串联后并联的连接方式使得网侧谐波电流含量大幅降低，同时拓宽了输出电压范围，省略DC-DC调压环节，提高能量的传输效率，在大电压范围内适应不同的负载。
优选地，所述开关模块包括：第三切换开关S3、第四切换开关S4、第五切换开关S5、第六切换开关S6、第七切换开关S7、第八切换开关S8、第九切换开关S9、第十切换开关S10、第十一切换开关S11；
所述第三切换开关S3与所述第八切换开关S8串联后并在所述第二相控整流器P2的两端，所述第四切换开关S4与所述第七切换开关S7串联后并在所述第三相控整流器P3的两端，所述第五切换开关S5及所述第六切换开关S6串联后并在所述第四相控整流器P4的两端，所述第十一切换开关S11的两端分别接于所述第一相控整流器P1的第一端与所述第二相控整流器P2的第一端，所述第十切换开关S10的两端分别接与所述第二相控整流器P2的第一端与所述第三相控整流器P3的第一端，所述第九切换开关S9的两端分别接于所述第三相控整流器P3的第一端与所述第四相控整流器P4的第一端。
对应上述的连接方式，0为开关断开，1为开关闭合，当S1、S2、S3、S4、S5为0状态且S6、S7、S8、S9、S10、S11为1状态时，所述多模式整流器切至并联24脉波模式，即所述第一至第四相控整流器并联后整流输出至所述电池模组；
当S1、S2、S6、S7、S8、S9、S10、S11为0状态且S3、S4、S5为1状态时，所述多模式整流器切至串联24脉波模式，即所述第一至第四相控整流器串联后整流输出至所述电池模组；
当S4、S6、S7、S8、S9、S10、S11为0状态且S1、S2、S3、S5为1状态时，所述多模式整流器切至混合24脉波模式，即所述第一、第二相控整流器串联后与所述第二、第三相控整流器并联后整流输出至所述电池模组；
当S1、S4、S6、S7、S8、S9、S10、S11为0状态且S2、S3、S5为1状态时，或者S2、S4、S6、S7、S8、S9、S10、S11为0状态且S1、S3、S5为1状态时，所述多模式整流器切至串联12脉波模式，即所述第一、第二相控整流器串联后或者所述第三、第四相控整流器串联后整流输出至所述电池模组；
当S1、S2、S3、S4、S5、S9、S10为0状态且S11、S6、S7、S8为1状态时，或者S1、S2、S3、S4、S5、S7、S8为0状态且S6、S9、S10、S11为1状态时，所述模式整流器切至并联12脉波模式，即所述第一、第二相控整流器并联后或者所述第三、第四相控整流器并联后整流输出至所述电池模组。
优选地，还包括电源，所述电源的输出端与所述第一相控整流器P1、第二相控整流器P2、第三相控整流器P3、第四相控整流器P4相连。
在本实施例中，第一至第四相控整流器采用四组移相电源对应连接，所述电源可以是通过三相隔离变压器产生。
请参阅图3，一种电池充电管理系统，其特征在于，包括如上任意一项所述的多模式整流器2、三相交流电源1、三相隔离移相变压器T、电池模组E及电池管理模块；
所述三相交流电源1与所述三相隔离变压移相变压器T的一次侧相连，所述三相隔离变压移相变压器T的二次侧与所述多模式整流器相连2，所述多模式整流器2与所述电池模组E相连，所述电池管理模块与所述多模式整流器2、电池模组E及三相隔离变压移相变压器T相连。
优选地，所述电池管理模块包括：DSP控制器4及驱动和保护电路3；
所述DSP控制器4的输出端与所述驱动和保护电路3相连，所述DSP控制器4的输入端与所述三相隔离移相变压器T的二次侧以及所述电池模组E相连。
其中，所述驱动保护电路3用于接收所述DSP控制器的电信号，并驱动对应的切换开关断开或者闭合。
优选地，所述DSP控制器4包括：负载检测模块6及电源检测模块5；
所述负载检测模块5与所述电池模组E相连，所述电源检测模块6与所述三相隔离移相变压器T相连。
其中，所述电源检测模块用于采样所述三相隔离移相变压器T的电流电压情况，所述负载检测模块6用于检测所述电池模组E的电压、电流情况及温度情况，并反馈至所述DSP控制器4，所述DSP控制器4根据所述电池模组E的状况输出相应的电信号至所述驱动和保护电路3，驱动所述多模式整流器2切换至与之相对应的工作模式。
请参阅图4，一种基于如上所述的充电管理系统的充电管理方法，包括：
S101，所述负载检测模块获取所述电池模组电压的大小，并根据所述电池模组电压的大小输出相应的电信号至驱动和保护电路；
S102，所述驱动和保护电路接收所述DSP控制器的电信号，并开断相应的切换开关，使得所述多模式整流器切换至对应的工作模式；
S103，所述DSP控制器根据所述对应的工作模式执行电流预测控制算法，对所述电池模组进行恒流充电。
优选地，所述电流预测控制算法为：
其中，IL为电感电流，UL为电感电压，L为电感的值。
优选地，所述工作模式设有混合模式，切换至所述混合模式时，所述第一及第二相控整流器串联后与所述第三及第四相控整流器串联后并联。
基于本发明公开了一种多模式整流器，通过增加两个切换开关，从而增加相控整流器的工作模式，新增的工作模式可大幅降低网侧谐波电流含量，同时拓宽输出电压范围，省略DC-DC调压环节，提高能量的传输效率，在大电压范围内适应不同的负载，通过DSP控制器上的负载检测模块获取电池模组的电压，进而切换至与之对应的工作模式，通过平均值电流预测控制的多段恒流充电策略代替传统的PI控制，负载电流快速响应。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多模式整流器，包括：第一相控整流器、第二相控整流器、第三相控整流器、第四相控整流器、开关模块以及电感，其特征在于，还包括第一切换开关以及第二切换开关，所述第一切换开关的两端分别接于所述第一相控整流器的第一端与所述第三相控整流器的第一端，所述第二切换开关的两端分别接于所述第二相控整流器的第二端与所述第四相控整流器的第二端，所述第一相控整流器的第一端通过所述电感接与负载的正极，所述第四相控整流器的第二端接于负载的负极；
其中，所述开关模块包括：第三切换开关、第四切换开关、第五切换开关、第六切换开关、第七切换开关、第八切换开关、第九切换开关、第十切换开关、第十一切换开关；
所述第三切换开关与所述第八切换开关串联后并在所述第二相控整流器的两端，所述第四切换开关与所述第七切换开关串联后并在所述第三相控整流器的两端，所述第五切换开关及所述第六切换开关串联后并在所述第四相控整流器的两端，所述第十一切换开关的两端分别接于所述第一相控整流器的第一端与所述第二相控整流器的第一端，所述第十切换开关的两端分别接与所述第二相控整流器的第一端与所述第三相控整流器的第一端，所述第九切换开关的两端分别接于所述第三相控整流器的第一端与所述第四相控整流器的第一端。
2.根据权利要求1所述的一种多模式整流器，其特征在于，还包括电源，所述电源的输出端与所述第一相控整流器、第二相控整流器、第三相控整流器、第四相控整流器相连。
3.一种电池充电管理系统，其特征在于，包括如权利要求1至2任意一项所述的多模式整流器、三相交流电源、三相隔离移相变压器、电池模组及电池管理模块；
所述三相交流电源与所述三相隔离移相变压器的一次侧相连，所述三相隔离移相变压器的二次侧与所述多模式整流器相连，所述多模式整流器与所述电池模组相连，所述电池管理模块与所述多模式整流器、电池模组及三相隔离移相变压器相连。
4.根据权利要求3所述的一种电池充电管理系统，其特征在于，所述电池管理模块包括：DSP控制器及驱动和保护电路；
所述DSP控制器的输出端与所述驱动和保护电路相连，所述DSP控制器的输入端与所述三相隔离移相变压器的二次侧以及所述电池模组相连。
5.根据权利要求4所述的一种电池充电管理系统，其特征在于，所述DSP控制器包括：负载检测模块及电源检测模块；
所述负载检测模块与所述电池模组相连，所述电源检测模块与所述三相隔离移相变压器相连。
6.一种基于权利要求5所述的一种充电管理系统的充电管理方法，其特征在于，包括：
所述负载检测模块获取所述电池模组电压的大小，并根据所述电池模组电压的大小输出相应的电信号至驱动和保护电路；
所述驱动和保护电路接收所述DSP控制器的电信号，并开断相应的切换开关，使得所述多模式整流器切换至对应的工作模式；
所述DSP控制器根据所述对应的工作模式执行电流预测控制算法，对所述电池模组进行恒流充电。
7.根据权利要求6所述的一种充电管理方法，其特征在于，所述电流预测控制算法为：
Figure FDA0002277017760000031
其中，IL为电感电流，UL为电感电压，L为电感的值。
8.根据权利要求6所述的一种充电管理方法，其特征在于，所述工作模式设有混合模式，切换至所述混合模式时，所述第一及第二相控整流器串联后与所述第三及第四相控整流器串联后并联。
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