CN110417100A - 一种车载充电机功能安全架构控制电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载充电机功能安全架构控制电路及控制方法,功率部分用于OBC充放电功能;通过由一个DSP芯片连接控制PFC电路以及LLC电路,将采集到的信息通过形成新的PWM平频率或者占空比,输出给由MOS管组成的开关电路实现充放电;控制部分用于对交流国标接口电路信息的采集以及控制,由另一个DSP芯片连接控制LLC电路部分;DSP在副边采用隔离驱动控制原边的LLC全桥电路,LLC部分的DSP通过检测输出电压流与设定基准的对比,通过PID算法计算出输出PWM信号的频率更改量,通过更改控制MOS管的PWM信号的频率,实现输出的横流或者恒压。
Description
技术领域
本发明车载充电机领域,更具体的涉及一种车载充电机功能安全架构控制电路及控制方法。
背景技术
当前随着电动汽车行业的飞速发展,市场上的电动汽车占比越来越大。并且随着国际上各国相继推出各自燃油车的禁售时间,中国各个省份也相继推出了自己的燃油车禁售时间。由此可见,未来汽车行业一定是电动汽车的天下。随着人们对电动汽车的需求越来越高,以及电动汽车的发展越来越快。电动汽车的安全问题一直是所有人都关注的焦点。由于车载充电机之前一直是在车辆静止的状态下使用,并且由于车载功率器件的失效率非常的高,因此车载充电机一直没有相关功能安全的需求。但是随着电动汽车车载充电机功率的不断扩大;并且随着人们对时间的追求越来越敏感,各个车厂都在推出即充即走的车型;以及DC/DC与OBC的集成。功能安全已经成为了一个不可忽视的目标。
依据ISO 26262分层的理念,当一个安全需求可以分为两个冗余的安全需求的时候,原来的安全需求ASIL等级可以分到两个冗余的需求上。那么ASIL-C可以分解成ASIL-C+QM(C)。因此,对于OBC,我们将整个系统拆解成功率部分以及控制部分,对功率部分做到QM(C),对控制部分做到ASIL-C等级,实现整个系统达到ASIL-C等级。
发明内容
1、本发明的目的
本发明为了解决现有技术问题,而提出了一种可以满足功能安全需求的车载充电机实现电路及方法。
2、本发明所采用的技术方案
本发明公开了一种车载充电机功能安全架构控制电路,包括功率部分、控制部分,具体为:PFC电路、LLC原边电路、LLC副边电路、DC/DC电路、BUCK电路和控制电路;
LLC原边电路由Q7,Q8,Q9,Q10,L6,C1以及变压器原边组成;
LLC副边电路由Q11,Q12,Q13,Q14,L7,C2以及变压器副边组成;
DC/DC电路由Q15,Q16以及变压器副边2组成;
BUCK电路由Q17,Q18,L8,C5组成;
控制电路包括第一DSP芯片、MPC5744P芯片、第二DSP芯片和对LLC电路进行环路控制的模拟电路,第一DSP芯片包括PFC控制环路和变压器原边电路;第一DSP芯片控制环路的输入端分别接PFC电路的输出电压、输出电流、温度的采样端和PFC电路交流电压、交流电流的采样端,输出端接PFC电路MOS开关管Q1-Q10的控制端;MPC5744P芯片控制环路输入端为PFC电路的输出电压、输出电流、温度的采样端和变压器副边2的6号管脚和3号管脚输出电压、输出电流、温度采样端,输出端为为MOS开关管Q1-Q18的控制端;第二DSP芯片控制环路的输入端分别接LLC副边电路4号和5号管脚的输出电压、输出电流、温度的采样端,输出端接高压全桥整流电路MOS开关管Q11-Q14的控制端。
更进一步,第一DSP芯片、第二DSP芯片采用两片TI公司的C2000系列单片机。
本发明公开了一种车载充电机功能安全架构实现方法,包括功率部分、控制部分;
功率部分用于OBC充放电功能;通过由一个DSP芯片连接控制PFC电路以及LLC电路,将采集到的信息通过形成新的PWM平频率或者占空比,输出给由MOS管组成的开关电路实现充放电;
控制部分用于对交流国标接口电路信息的采集以及控制,由另一个DSP芯片连接控制LLC电路部分;DSP在副边采用隔离驱动控制原边的LLC全桥电路,LLC部分的DSP通过检测输出电压流与设定基准的对比,通过PID算法计算出输出PWM信号的频率更改量,通过更改控制MOS管的PWM信号的频率,实现输出的横流或者恒压。
更进一步,包括前级的PFC电路、一个由Q7,Q8,Q9,Q10,L6,C1以及变压器原边组成的LLC原边电路,一个由Q11,Q12,Q13,Q14,L7,C2以及变压器副边组成的LLC副边电路、一个由Q15,Q16以及变压器副边2组成的DC/DC电路,一个由Q17,Q18,L8,C5组成的BUCK电路和控制电路;
控制电路包括第一DSP芯片、MPC5744P芯片、第二DSP芯片和对LLC电路进行环路控制的模拟电路,第一DSP芯片包括PFC控制环路和变压器原边电路;第一DSP芯片控制环路的输入端分别接PFC电路的输出电压、输出电流、温度的采样端和PFC电路交流电压、交流电流的采样端,输出端接PFC电路MOS开关管Q1~Q10的控制端;MPC5744P芯片控制环路输入端为PFC电路的输出电压、输出电流、温度的采样端和变压器副边2的6号管脚和3号管脚输出电压、输出电流、温度采样端,输出端为为MOS开关管Q1~Q18的控制端;第二DSP芯片控制环路的输入端分别接LLC副边电路4号和5号管脚的输出电压、输出电流、温度的采样端,输出端接高压全桥整流电路MOS开关管Q11~Q14的控制端。
更进一步,第一DSP芯片、第二DSP芯片采用两片TI公司的C2000系列单片机。
更进一步,由MPC5744P负责监控整个功率部分PFC以及LLC部分的信息包括电压,电流,温度;并且实时的与DSP采集到的信息包括电压,电流,温度做对比;如果第一DSP芯片、第二DSP芯片与MPC5744P采集到的电压,电流,温度信息不一致,那么MPC5744P通过隔离驱动直接关断所有MOS的驱动电路以及驱动电路的供电电源,并且通知第一DSP芯片、第二DSP芯片立刻停止输出,关断电源;当出现MPC5744P采集到的信息包括电压,电流,温度有任何一个超过安全范围,那么MPC5744P通过隔离驱动直接关断所有MOS的驱动电路以及驱动电路的供电电源,并且通知DSP立刻停止输出,关断电源;当出现DSP采集到的信息超过设定的安全范围,那么第一DSP芯片、第二DSP芯片立刻关断所有的MOS输出,并且关断MOS驱动部分的供电电源;并且通知MPC5744P通过隔离驱动关断所有MOS的驱动电路以及驱动电路的供电电源;当出现MPC5744与DSP通讯超时时,MPC5744与DSP均各自控制关断MOS驱动以及关断MOS驱动部分的供电电源。
3、本发明所采用的有益效果
本发明功能安全设计方案可使车载充电机系统达到功能安全ASIL-C的设计指标。过充起火和慢充事件功能安全等级为ASIL C,该危害事件暴露概率为E4,严重度等级为S3,可控性等级为C2。本车载充电机系统可以满足绝大多数车厂对于功能安全的需求。
附图说明
图1是本发明的整个车载充电机框图。
图2为本发明的整个车载原理架构图。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图,对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
实施例
本发明通过功能安全要求的拆分理念将车载充电机(以下简称OBC)的控制部分与功率部分分解开,针对控制部分做满足功能安全ASIL-C等级的设计,针对功率部分做QM(C)等级的设计即可。
下面结合图1以及图2详细说明依据本发明提出的方案的细节及工作情况。
如图1:该设计方案分为两大块分别为功率部分以及控制部分。功率部分主要负责OBC充放电功能的实现。即采用两片TI公司的C2000系列单片机控制PFC电路以及LLC电路的功能实现,并且将采集到的电压流温度等信息通过PID算法后形成新的PWM平频率或者占空比,输出给由MOS管组成的开关电路从而实现整个系统的充电功能。
控制部分主要负责对交流国标接口电路信息的采集以及控制,外部请求信号的处理,监控OBC的输入电流,输入电压,输出电流,输出电压,以及各温度点的温度。并且由控制信号可直接关断所有的开关电路。由NXP的满足功能安全等级ASIL-D的单片机MPC5744P实现对电压,电流,温度等信号的监控,并且控制驱动信号关断所有MOS的控制信号。
由图2,本发明公开了一种新型集成式OBC-LDC电路的实现方法,包括前级的PFC电路、一个由Q7,Q8,Q9,Q10,L6,C1以及变压器原边组成的LLC原边电路,一个由Q11,Q12,Q13,Q14,L7,C2以及变压器副边组成的LLC副边电路、一个由Q15,Q16以及变压器副边2组成的DC/DC电路,一个由Q17,Q18,L8,C5组成的BUCK电路和控制电路,控制电路包括第一DSP芯片、MPC5744P芯片、第二DSP芯片和对LLC电路进行环路控制的模拟电路,第一DSP芯片包括PFC控制环路和变压器原边电路;第一DSP控制环路的输入端分别接PFC电路的输出电压、输出电流、温度的采样端和PFC电路交流电压、交流电流的采样端,输出端接PFC电路MOS开关管(Q1~Q10)的控制端;MPC5744P芯片控制环路输入端为PFC电路的输出电压、输出电流、温度的采样端和变压器副边2的6号管脚和3号管脚输出电压、输出电流、温度采样端,输出端为为MOS开关管(Q1~Q18)的控制端;第二DSP控制环路的输入端分别接LLC副边电路4号和5号管脚的输出电压、输出电流、温度的采样端,输出端接高压全桥整流电路MOS开关管(Q11~Q14)的控制端;
可知整个系统的工作原理为:由一个DSP芯片控制PFC电路部分,并且采集输入输出的电压流,温度等信息,通过输入输出电压流与设定基准的对比,利用PI算法算出PWM站控比的调节量,通过更改控制MOS管的PWM信号占空比,从而实现输出电压的稳压。由另一个DSP芯片控制LLC电路部分,由于DSP在副边因此可以采用隔离驱动控制原边的LLC全桥电路。与PFC电路的控制原理相似,LLC部分的DSP通过检测输出电压流与设定基准的对比,通过PID算法计算出输出PWM信号的频率更改量,通过更改控制MOS管的PWM信号的频率,实现输出的横流或者恒压。
由MPC5744P负责监控整个功率部分PFC以及LLC部分的电压,电流,温度等信息。并且实时的与DSP采集到的电压,电流,温度等信息做对比。如果DSP与MPC5744P采集到的电压,电流,温度信息不一致,那么MPC5744P通过隔离驱动直接关断所有MOS的驱动电路以及驱动电路的供电电源,并且通知DSP立刻停止输出,关断电源。当出现MPC5744P采集到的电压,电流,温度等信息有任何一个超过安全范围,那么MPC5744P通过隔离驱动直接关断所有MOS的驱动电路以及驱动电路的供电电源,并且通知DSP立刻停止输出,关断电源。当出现DSP采集到的电压,电流,温度等信息超过设定的安全范围,那么DSP立刻关断所有的MOS输出,并且关断MOS驱动部分的供电电源;并且通知MPC5744P通过隔离驱动关断所有MOS的驱动电路以及驱动电路的供电电源。当出现MPC5744与DSP通讯超时时,MPC5744与DSP均各自控制关断MOS驱动以及关断MOS驱动部分的供电电源。
由上面分析可知,采用拆分的理念配合相应的处理逻辑,即使OBC的功率部分失效率较高,在其失效的情况之下,那么由满足ASIL-D等级的MPC5744P单片机组成的控制系统以整个系统ASIL-C的高可靠性依然关断整个输出,从而实现整个系统的保护。并且DSP与MPC5744之间互相作为冗余,有效的避免了单点失效的出现。使整个系统可满足ASIL-C等级的功能安全需求。从而使充电机从整车安全的隐患点变成了一个可靠的安全部件。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种车载充电机功能安全架构控制电路,其特征在于:包括功率部分、控制部分,具体为:PFC电路、LLC原边电路、LLC副边电路、DC/DC电路、BUCK电路和控制电路;
LLC原边电路由Q7,Q8,Q9,Q10,L6,C1以及变压器原边组成;
LLC副边电路由Q11,Q12,Q13,Q14,L7,C2以及变压器副边组成;
DC/DC电路由Q15,Q16以及变压器副边2组成;
BUCK电路由Q17,Q18,L8,C5组成;
控制电路包括第一DSP芯片、MPC5744P芯片、第二DSP芯片和对LLC电路进行环路控制的模拟电路,第一DSP芯片包括PFC控制环路和变压器原边电路;第一DSP芯片控制环路的输入端分别接PFC电路的输出电压、输出电流、温度的采样端和PFC电路交流电压、交流电流的采样端,输出端接PFC电路MOS开关管Q1-Q10的控制端;MPC5744P芯片控制环路输入端为PFC电路的输出电压、输出电流、温度的采样端和变压器副边2的6号管脚和3号管脚输出电压、输出电流、温度采样端,输出端为为MOS开关管Q1-Q18的控制端;第二DSP芯片控制环路的输入端分别接LLC副边电路4号和5号管脚的输出电压、输出电流、温度的采样端,输出端接高压全桥整流电路MOS开关管Q11-Q14的控制端。
2.根据权利要求1所述的车载充电机功能安全架构实现方法,其特征在于:第一DSP芯片、第二DSP芯片采用两片TI公司的C2000系列单片机。
3.一种车载充电机功能安全架构控制方法,其特征在于:包括功率部分、控制部分;
功率部分用于OBC充放电功能;通过由一个DSP芯片连接控制PFC电路以及LLC电路,将采集到的信息通过形成新的PWM平频率或者占空比,输出给由MOS管组成的开关电路实现充放电;
控制部分用于对交流国标接口电路信息的采集以及控制,由另一个DSP芯片连接控制LLC电路部分;DSP在副边采用隔离驱动控制原边的LLC全桥电路,LLC部分的DSP通过检测输出电压流与设定基准的对比,通过PID算法计算出输出PWM信号的频率更改量,通过更改控制MOS管的PWM信号的频率,实现输出的横流或者恒压。
4.根据权利要求3所述的车载充电机功能安全架构实现方法,其特征在于:包括前级的PFC电路、一个由Q7,Q8,Q9,Q10,L6,C1以及变压器原边组成的LLC原边电路,一个由Q11,Q12,Q13,Q14,L7,C2以及变压器副边组成的LLC副边电路、一个由Q15,Q16以及变压器副边2组成的DC/DC电路,一个由Q17,Q18,L8,C5组成的BUCK电路和控制电路;
控制电路包括第一DSP芯片、MPC5744P芯片、第二DSP芯片和对LLC电路进行环路控制的模拟电路,第一DSP芯片包括PFC控制环路和变压器原边电路;第一DSP芯片控制环路的输入端分别接PFC电路的输出电压、输出电流、温度的采样端和PFC电路交流电压、交流电流的采样端,输出端接PFC电路MOS开关管Q1~Q10的控制端;MPC5744P芯片控制环路输入端为PFC电路的输出电压、输出电流、温度的采样端和变压器副边2的6号管脚和3号管脚输出电压、输出电流、温度采样端,输出端为为MOS开关管Q1~Q18的控制端;第二DSP芯片控制环路的输入端分别接LLC副边电路4号和5号管脚的输出电压、输出电流、温度的采样端,输出端接高压全桥整流电路MOS开关管Q11~Q14的控制端。
5.根据权利要求4所述的车载充电机功能安全架构实现方法,其特征在于:第一DSP芯片、第二DSP芯片采用两片TI公司的C2000系列单片机。
6.根据权利要求3所述的车载充电机功能安全架构实现方法,其特征在于:由MPC5744P负责监控整个功率部分PFC以及LLC部分的信息包括电压,电流,温度;并且实时的与DSP采集到的信息包括电压,电流,温度做对比;如果第一DSP芯片、第二DSP芯片与MPC5744P采集到的电压,电流,温度信息不一致,那么MPC5744P通过隔离驱动直接关断所有MOS的驱动电路以及驱动电路的供电电源,并且通知第一DSP芯片、第二DSP芯片立刻停止输出,关断电源;当出现MPC5744P采集到的信息包括电压,电流,温度有任何一个超过安全范围,那么MPC5744P通过隔离驱动直接关断所有MOS的驱动电路以及驱动电路的供电电源,并且通知DSP立刻停止输出,关断电源;当出现DSP采集到的信息超过设定的安全范围,那么第一DSP芯片、第二DSP芯片立刻关断所有的MOS输出,并且关断MOS驱动部分的供电电源;并且通知MPC5744P通过隔离驱动关断所有MOS的驱动电路以及驱动电路的供电电源;当出现MPC5744与DSP通讯超时时,MPC5744与DSP均各自控制关断MOS驱动以及关断MOS驱动部分的供电电源。
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