CN110521101B - 用于控制电动或混合动力车辆上车载的充电设备的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制电池(20)‑充电设备(10)的方法，该充电设备包括在输出端处具有两个DC电源总线的整流器级(11)，每个DC电源总线连接至一个电容器(C1，C2)，每个电容器耦合至DC到DC转换器级(12)的LLC谐振转换器电路(14，16)，每个LLC电路包括一组开关(140，160)，该组开关在输入端处连接至一个输出电容器、并在输出端处串联连接至谐振电路以及变压器的第一绕组，该变压器的第二绕组链接至与该电池(20)链接的二极管桥(141，161)。根据该方法，针对每个LLC电路：‑将该电容器的端子两端的电压测量值与设定点电压进行比较；‑根据该电容器的端子两端的电压与该设定点电压之间的差值的符号来设置所述一组开关的切换频率。

Description

用于控制电动或混合动力车辆上车载的充电设备的方法
本发明涉及一种用于控制包括隔离的AC到DC(AC电流-DC电流)转换器的三相输入或单相输入充电设备的方法。这种充电设备尤其适合于用作电动或混合动力机动车辆上车载的设备。
这些车辆配备有高压电池并且通常包括车载充电器，即直接安装在车辆中的电池充电设备。这些充电设备的主要功能是从配电电网上可获得的电力对电池进行再充电。因此，其将AC电流转换为DC电流。针对充电设备，并且最具体地针对车载充电器所追求的标准是高效、小体积、电隔离、可靠性良好、操作安全、电磁干扰发射较低、并且输入电流谐波水平较低。
三相输入充电设备、即能够从三相供电电网对电池进行充电的充电设备，以及单相输入充电设备、即能够从单相供电电网对电池进行充电的充电设备是已知的。三相输入充电设备相对于单相输入充电设备具有更高的充电功率，其中功率例如为22kW。为了连接至单相电网，可能需要多个充电功率水平，例如最高达7kW。
图1展示了电动或混合动力车辆上车载的用于从供电电网30对该车辆的高压电池20进行再充电的隔离充电设备10的已知拓扑结构，该车载充电设备10通过该电网的线路阻抗40连接至该供电电网。
为了实施具有电隔离的AC到DC转换功能，已知使用包括第一AC到DC转换器级和第二DC到DC(DC电流-DC电流)转换器级12的充电设备10，该第一AC到DC转换器级包括功率因数校正(PFC)电路11以便限制输入电流谐波，该第二DC到DC转换器级用于控制充电并且还用于为操作安全提供隔离功能。输入滤波器13常规地集成在车载充电设备10的输入端处，相对于电网30在PFC电路11的上游。
PFC电路11由集成控制器(未示出)管理，该集成控制器实时分析并校正电流相对于电压的趋势。其通过与电压的整流正弦波进行比较从中推导出形状误差，并且其通过控制通过高频切换的能量的量并将能量储存在电感器中来校正这些形状误差。更确切地，其作用是在充电器的电源的输入端处获得非相位偏移的且尽可能是正弦的电流。
针对PFC电路，可以实施具有三个开关的三电平三相整流器，通常被称为三相维也纳式(Vienna)整流器。从功率因数校正性能的角度来看，选择这种拓扑结构特别有利。
参照图2，三相维也纳式整流器110类型的PFC整流器级11包括三个并联的输入相位连接A、B、C，每个输入相位连接耦合至三相供电电网的一个相位并且每个通过串联的电感线圈L1、L2、L3链接至形成该三相维也纳式整流器的开关臂的一对开关S1、S2、S3。输入滤波器13位于每个相位上的电感器L1、L2、L3的上游。
每一对开关S1、S2、S3包括由当相应输入电流Ia、Ib、Ic为正时被驱动的第一相应开关1H、2H、3H和当该相应输入电流为负时被驱动的第二相应开关1L、2L、3L形成的串联组件。这些开关由闭合和断开受控的半导体部件形成，比如例如，与二极管反向并联连接的MOS(“金属氧化物半导体”的缩写)晶体管。开关1H、2H、3H也被称为高压侧开关，并且开关1L、2L、3L也被称为低压侧开关。
三相维也纳式整流器还包括三个并联支路1、2和3，每个支路都包括两个二极管D1和D2、D3和D4以及D5和D6，这些二极管形成了具有六个二极管的三相桥，使得可以对从三相供电电网4取得的电流和电压进行整流。三相维也纳式整流器的每个输入端通过各自的并联输入连接连接至位于同一个支路1、2和3的两个二极管之间的连接点。
支路1、2和3的两个公共端分别形成三相维也纳式整流器的正输出端子5和负输出端子6。此外，每个相位的开关臂S1、S2、S3分别连接在位于第一、第二和第三支路1、2和3的两个二极管之间的连接点与三相整流器的中心抽头M之间。第一输出电容器C1连接在中心抽头M与正输出端子5之间，并且第二输出电容器C2连接在中心抽头M与负输出端子6之间，以便在链接整流器级与转换器级的各自DC电源总线上分别支持在三相维也纳式整流器的输出端处供应的输出电压V_DC_1和V_DC_2。
提供连接在三相维也纳式整流器110的输出端处的DC到DC转换器级12，以便将电容器C1、C2中储存的能量排出到电池20。该转换器级由两个DC到DC电路14和16形成，这两个电路分别连接至三相整流器级的每个输出电容器C1、C2。用于形成转换器级12的每个DC到DC电路14、16的拓扑结构是谐振LLC转换器的拓扑结构。因此，第一谐振LLC转换器14连接在输出电容器C1的顶点与中心抽头M之间，并且第二谐振LLC转换器16连接在中心抽头M与输出电容器C2的底点之间。
更确切地，第一谐振LLC转换器14包括一组开关140(比如MOS晶体管)，该组开关连接作为全桥，在输入端处连接在输出电容器C1的顶点与中心抽头M之间并且在输出端处串联连接至谐振电路L、C以及变压器T的初级绕组，该变压器的次级绕组链接至二极管桥141，该二极管桥可通过输出滤波器链接至电池20。以相同的方式，第二谐振LLC转换器16包括一组开关160(比如MOS晶体管)，该组开关连接作为全桥，在输入端处连接在输出电容器C2的底点与中心抽头M之间并且在输出端处串联连接至谐振电路L’、C’以及变压器T’的初级绕组，该变压器的次级绕组链接至二极管桥161，该二极管桥也可通过输出滤波器链接至电池20。
在调节方面，根据现有技术，关于这种如图2所示的具有PFC整流器级11和DC到DC转换器级12的两级充电设备10，提供对PFC整流器级的控制，以便能够调节供应给DC到DC转换器级的电压，并且以便对输入电流施加正弦形式。发送到DC到DC转换器级的电流旨在是恒定的(具有一定的波动值或纹波)。提供对DC到DC转换器级12的控制就其本身而言是为了能够调节充电设备的输出电压。在这种情况下，施加输出电压。具体地，当对电池20进行再充电时，施加电池电压并且电池电压根据其电量状态而变化，并且这需要DC到DC转换器级12实时调节发送至负载的功率。为此，形成DC到DC转换器级12的LLC谐振转换器电路14和16调整它们的增益，以便能够将输入电压(即PFC整流器级的两个输出电容器C1、C2上的电压)转换为电池电压。通过使与初级绕组相关联的全桥的开关以固定占空比(50％)和可变频率运行来执行这种增益调整。
文献US 2016/0079862披露了一种用于调节LLC DC到DC转换器的输出电压的方法，根据该方法，在第一控制模式下，调整LLC转换器的输入端处的开关桥的切换频率以便确保输出电压在两个限值之间，并且然后，当达到最大电压时，在第二控制模式下，调整用于控制开关的占空比。
因此，本文献涉及对LLC DC到DC转换器的输出端处的电压进行的调节，比如在图2所展示的两级充电设备中实施的调节。然而，并非使DC到DC转换器的输出电压随动，而是在本申请中选择使用DC到DC转换器来使DC到DC转换器的输入电压(即PFC整流器的输出电容器C1、C2上的电压)随动。换言之，我们从PFC整流器级的输出电容器上的电压由DC到DC级进行调节的原理开始，该DC到DC级是为了将这些电容器中储存的能量排出到电池而提供的。
因此，在这种背景下，需要一种用于控制DC到DC转换器级的策略，使得可以将PFC整流器级的输出电容器的电压随动到恒定值。
根据本发明，该目的通过一种用于控制用于对机动车辆电池进行充电的设备的方法来实现，该充电设备包括提供功率因数校正功能的整流器级，所述整流器级在输入端处连接至供电电网并且在输出端处包括两个DC电源总线，每个DC电源总线连接一个输出电容器，每个输出电容器在输入端处耦合至与该电池连接的DC到DC转换器级的LLC谐振转换器电路，每个LLC谐振转换器电路包括一组开关，该组开关在输入端处连接至该整流器级的一个输出电容器、并在输出端处串联连接至谐振电路以及变压器的第一绕组，该变压器的第二绕组链接至与该电池链接的二极管桥，所述方法的特征在于，针对每个LLC谐振转换器电路，所述方法包括以下步骤：
-将耦合在该LLC谐振转换器电路的输入端处的该输出电容器的端子两端的测量电压与设定点电压进行比较，
-根据该输出电容器的端子两端的电压测量值与该设定点电压之间的差值的符号来设置所述一组开关中的开关的切换频率。
有利地，确定该输出电容器的端子两端的电压测量值与该设定点电压之间的差值是否高于零，以及
-如果是这种情况，则将该切换频率设置为第一频率值，该第一频率值被设计成使所述组的开关运行，以便通过所述LLC谐振电路将该输出电容器中储存的能量传输至该电池，
-如果不是，则将该切换频率设置为第二频率值，该第二频率值被设计成切断从该输出电容器到该电池的任何能量传递。
优选地，如果该输出电容器的端子两端的电压测量值与该设定点电压之间的差值变得低于零，则确定所述差值是否高于阈值，将该切换频率设置为高于所述第一频率值的第三频率值(只要所述差值高于阈值；并且在所述差值变得低于所述阈值时将该切换频率设置为所述第二频率值)。
有利地，所述第一频率值对应于该LLC谐振电路的谐振频率。
有利地，所述第二频率值为零频率。
优选地，针对该切换频率的每次转换执行滞后控制。
本发明还涉及一种用于控制用于对机动车辆电池进行充电的设备的设备，该充电设备包括提供功率因数校正功能的整流器级，所述整流器级在输入端处连接至供电电网并且在输出端处包括两个DC电源总线，每个DC电源总线连接一个输出电容器，每个输出电容器在输入端处耦合至与该电池连接的DC到DC转换器级的LLC谐振转换器电路，每个LLC谐振转换器电路包括一组开关，该组开关在输入端处连接至该整流器级的一个输出电容器、并在输出端处串联连接至谐振电路以及变压器的第一绕组，该变压器的第二绕组链接至与该电池链接的二极管桥，所述设备的特征在于，所述设备针对每个LLC谐振电路包括独立控制模块，该独立控制模块包括比较装置，该比较装置被设计成接收耦合在该LLC谐振转换器电路的输入端处的该输出电容器的端子两端的测量电压以及设定点电压，该控制模块被设计成根据该输出电容器的端子两端的电压测量值与该设定点电压之间的差值的符号来设置所述一组开关中的开关的切换频率。
有利地，该控制模块包括确定装置，该确定装置能够在所述差值高于零的情况下将该切换频率设置为第一频率值，该第一频率值被设计成使所述组的开关运行，以便通过所述LLC谐振电路将该输出电容器中储存的能量传输至该电池；以及在所述差值低于零的情况下将该切换频率设置为第二频率值，该第二频率值被设计成切断从该输出电容器到该电池的任何能量传递。
优选地，当该输出电容器的端子两端的电压测量值与该设定点电压之间的差值低于零时，该确定装置能够实现只要所述差值高于阈值就将该切换频率设置为高于所述第一频率值的第三频率值；并且能够在所述差值变得低于所述阈值时将该切换频率设置为所述第二频率值。
本发明还涉及一种电动或混合动力机动车辆，包括高压电池以及能够从供电电网对该电池进行充电的车载充电设备，其特征在于，该车辆包括如上所述的控制设备。
在通过指示而非限制性地给出并且参照附图阅读以下给出的对本发明的一个具体实施例的描述时，本发明的其他具体特征和优点将显现，在附图中：
-图1示意性地展示了旨在于电动或混合动力机动车辆上车载地容纳的电池充电设备的已知拓扑结构；
-图2示意性地展示了由在输入端处具有两个输出电容器的三相维也纳式整流器形成的两级充电设备，每个输出电容器连接至LLC谐振转换器类型的DC到DC转换器，并且在该DC到DC转换器上实施根据本发明的控制方法；
-图3是展示了用于图2的每个LLC谐振转换器电路的频率控制的拓扑结构的图。
下面的描述将参照对图2的DC到DC转换器级12的单个LLC谐振转换器电路进行的控制给出，该单个LLC谐振转换器电路耦合至单个输出电容器，只要对形成DC到DC转换器级12的另一个LLC谐振转换器电路进行的控制是相同的。
LLC谐振转换器电路包括耦合至变压器的次级绕组的二极管桥。因此，该LLC谐振转换器电路是不可逆的。换言之，功率传递仅能从LLC谐振转换器电路的输入端到输出端进行。因此，对这个LLC谐振转换器电路进行的控制可以使得能够将在输入端处与LLC谐振转换器电路耦合的电容器中储存的能量排出到电池，以便降低这个电容器的端子两端的电压，但是，相反地，该LLC谐振转换器电路不能被适配成增加这个电容器的端子两端的电压。
因此，控制原理将是调整在LLC谐振转换器电路的输入端处的开关桥的切换频率，以便能够在耦合在LLC谐振转换器电路的输入端处的电容器的端子两端测得的电压高于设定点电压时将这个电容器中储存的能量传递到电池，而在这个电压低于该设定点电压时不执行此操作。在后一种情况下，当通过控制LLC谐振转换器电路而不排出电容器中的能量时，电容器由上游PFC整流器级进行充电。换言之，对LLC谐振转换器电路的频率控制使得首先能够在耦合在输入端处的电容器的端子两端的电压与设定点电压之间的差值为正时，通过将这个电容器中储存的能量排出到电池来清空该电容器，并且其次能够在这个差值为负时，通过不向电池排出能量来填充该电容器。以这种方式，借助于对LLC谐振转换器电路的频率控制，受控制的值(即耦合在LLC谐振转换器电路的输入端处的、PFC整流器级的输出电容器的端子两端的电压)基本上一直保持在设定点电压附近。
图3展示了根据以上概述的原理对LLC谐振转换器电路的频率控制的拓扑结构。
LLC谐振转换器电路的控制设备例如由配备有比较器50的微控制器实施，该控制设备旨在使耦合在LLC谐振转换器电路的输入端处的、整流器级的输出电容器的电压随动。与LLC谐振转换器电路相关联的PFC整流器级的输出电容器耦合至用于测量该电容器的端子两端的电压的装置。将输出电容器的端子两端的电压V_DC的测量值供应给比较器50的输入端，该比较器的另一输入端链接至该调节的设定点电压V_DC_REF。比较器50的输出信号是指示输出电容器的端子两端的电压测量值与这个设定点电压之间的差值的信号。微控制器利用由比较器50生成的差值信号来设置与所讨论的LLC谐振转换器电路的初级绕组耦合的一组开关中的开关的切换频率f_控制，具体取决于这个差值的这个符号。
为此，将差值信号供应给第一判定装置51，该第一判定装置包括触发器并旨在判定这个差值的符号。如果这个差值高于零，换言之，只要耦合在LLC谐振转换器电路的输入端处的、整流器级的输出电容器的端子两端的电压高于设定点电压，确定装置52就将切换频率f_控制设置为第一频率值f_功率，该第一频率值被设计成使所述一组开关中与LLC谐振转换器电路的初级绕组耦合的开关运行，以便将输出电容器中储存的能量传输至电池。换言之，应用能够将功率传输至电池的切换频率f_功率。将开关的这个切换频率f_功率设置为LLC谐振转换器电路的谐振频率。
相反，如果输出电容器的端子两端的电压测量值与设定点电压之间的差值低于零，则可以选择将第二频率值设置为切换频率f_控制从而不向电池传输能量，该第二频率值被称为截止频率f_截止(其可能等于零)。
因此，当电容器的端子两端的电压测量值高于设定点电压时，将切换频率f_功率设置为转换器电路的谐振频率，以及当该测量值低于设定点电压时，在f_截止处切断经由频率控制向电池进行的功率传输。
然而，根据一个优选实施例，如果输出电容器的端子两端的电压测量值与设定点电压之间的差值低于零，则第二判定装置53介入，该第二判定装置旨在判定这个低于零的差值是否仍高于预定义阈值低_阈值(即，就绝对值而言，这个差值是否低于该预定义阈值低_阈值)。如果是这种情况，则确定装置52将切换频率f_控制设置为旨在传输少量功率的第三频率值f_低，并且只要输出电容器的端子两端的电压测量值与设定点电压之间的差值高于这个阈值，就如此操作。针对频率值f_低，优选地选择能够在转换器电路的输出端处生成略低于电池电压的电压的切换频率。这样做的优点是生成具有较小频率偏移的命令以及保持转换器电路的元件被磁化。
相反，如果输出电容器的端子两端的电压继续下降，换言之，如果设置为切换频率的第二频率值f_低不足以使功率流停止，则当这个电压与该设定点电压之间的差值变得低于预定义阈值低_阈值时，将切换频率f_控制设置为第二频率值f_截止(即零频率)，从而完全中断向电池的功率发送并限制转换器电路的消耗。
因此，最后一个实施例在于：当输出电容器的端子两端的电压下降时，在经由将切换频率设置为f_截止的频率控制来完全切断功率发送之前，经由将转换器电路的切换频率设置为f_低的频率控制来向电池发送少量功率。有利地，切换频率f_低使得能够确保在切断之前发送给电池的电流的连续性。
此外，针对切换频率f_控制的每次转换执行滞后控制。通过对输出电容器的端子两端的电压测量值与设定点电压之间的差值同针对每次转换的滞后阈值进行比较来执行滞后控制。例如，对于与零进行的比较(由判定装置51实施)，当差值信号针对f_功率的频率控制为+5V时，切换到高逻辑电平，以及当差值信号针对f_截止或f_低的频率控制为-5V时，切换到低逻辑电平。对于与预定义阈值低_阈值进行的比较(由判定装置53实施)，当差值信号针对f_低的频率控制为-10V时，切换到高逻辑电平，以及当差值信号针对f_截止的频率控制为-15V时，切换到低逻辑电平。
例如，采用由设置为450V的设定点电压、等于350V的电池电压且为7kW的充电功率定义的下列操作点，可以使用以下值来调节LLC谐振整流器电路输入端处的一组开关的各种切换频率f_控制的值：
f_功率＝55kHz
f_低＝90kHz
f_截止＝0Hz。
对整流器电路的控制仅需要用于每个操作点的三个频率值。

Claims (6)

1.一种用于控制用于对机动车辆电池(20)进行充电的充电设备(10)的方法，该充电设备包括提供功率因数校正功能的整流器级(11)，所述整流器级在输入端处连接至供电电网并且在输出端处包括两个DC电源总线，每个DC电源总线连接至一个输出电容器(C1，C2)，一个输出电容器在输入端处耦合至与该电池连接的DC到DC转换器级(12)的一个LLC谐振转换器电路，另一个输出电容器在输入端处耦合至与该电池连接的DC到DC转换器级(12)的另一个LLC谐振转换器电路，每个LLC谐振转换器电路包括一组开关，其中一个LLC谐振转换器电路的一组开关在输入端处连接至该整流器级(11)的一个输出电容器、并在输出端处串联连接至一个谐振电路(L，C)以及一个变压器(T)的第一绕组，另一个LLC谐振转换器电路的一组开关在输入端处连接至该整流器级(11)的另一个输出电容器、并在输出端处串联连接至另一个谐振电路以及另一个变压器的第一绕组，该变压器的第二绕组链接至与该电池(20)链接的二极管桥(141)，所述方法的特征在于，针对每个LLC谐振转换器电路，所述方法包括以下步骤：
-将耦合在该LLC谐振转换器电路的输入端处的该输出电容器的端子两端的测量电压(V_DC)与设定点电压(V_DC_REF)进行比较，
-根据该输出电容器的端子两端的电压测量值与该设定点电压之间的差值的符号来设置所述一组开关中的开关的切换频率，
其中，
-确定该输出电容器的端子两端的电压测量值与该设定点电压之间的差值是否高于零，
-如果是这种情况，则将该切换频率设置为第一频率值，该第一频率值被设计成使所述组的开关运行，以便通过所述LLC谐振转换器电路将该输出电容器中储存的能量传输至该电池，以及
-如果不是，则将该切换频率设置为第二频率值，该第二频率值被设计成切断从该输出电容器到该电池的任何能量传递，
其中，如果该输出电容器的端子两端的电压测量值与该设定点电压之间的差值变得低于零，则只要所述差值高于阈值就将该切换频率设置为高于所述第一频率值的第三频率值，并且在所述差值变得低于所述阈值时将该切换频率设置为所述第二频率值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率值对应于该LLC谐振转换器电路的谐振频率。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二频率值为零频率。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，针对该切换频率的每次转换执行滞后控制。
5.一种用于控制用于对机动车辆电池(20)进行充电的充电设备(10)的控制设备，该充电设备包括提供功率因数校正功能的整流器级(11)，所述整流器级在输入端处连接至供电电网并且在输出端处包括两个DC电源总线，每个DC电源总线连接至一个输出电容器(C1，C2)，一个输出电容器在输入端处耦合至与该电池连接的DC到DC转换器级(12)的一个LLC谐振转换器电路，另一个输出电容器在输入端处耦合至与该电池连接的DC到DC转换器级(12)的另一个LLC谐振转换器电路，每个LLC谐振转换器电路包括一组开关，其中一个LLC谐振转换器电路的一组开关在输入端处连接至整流器级(11)的一个输出电容器、并在输出端处串联连接至一个谐振电路(L，C)以及一个变压器(T)的第一绕组，另一个LLC谐振转换器电路的一组开关在输入端处连接至该整流器级(11)的另一个输出电容器、并在输出端处串联连接至另一个谐振电路以及另一个变压器的第一绕组，该变压器的第二绕组链接至与该电池(20)链接的二极管桥(141)，所述控制设备的特征在于：所述控制设备针对每个LLC谐振转换器电路包括独立控制模块，该独立控制模块包括比较装置(50)，该比较装置被设计成接收耦合在该LLC谐振转换器电路的输入端处的该输出电容器的端子两端的测量电压(V_DC)以及设定点电压(V_DC_REF)，该控制模块被设计成根据该输出电容器的端子两端的电压测量值与该设定点电压之间的差值的符号来设置所述一组开关中的开关的切换频率，
其中，该控制模块包括确定装置(52)，该确定装置能够在所述差值高于零的情况下将该切换频率设置为第一频率值，该第一频率值被设计成使所述组的开关运行，以便通过所述LLC谐振转换器电路将该输出电容器中储存的能量传输至该电池；以及在所述差值低于零的情况下将该切换频率设置为第二频率值，该第二频率值被设计成切断从该输出电容器到该电池的任何能量传递，
其中，当该输出电容器的端子两端的电压测量值与该设定点电压之间的差值低于零时，该确定装置(52)能够实现只要所述差值高于阈值就将该切换频率设置为高于所述第一频率值的第三频率值；并且能够在所述差值变得低于所述阈值时将该切换频率设置为所述第二频率值。
6.一种电动或混合动力机动车辆，包括高压电池以及能够从供电电网对该电池进行充电的车载充电设备，其特征在于，该车辆包括如权利要求5所述的控制设备。
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