CN111106751A - 一种基于llc的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，且公开了一种基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，系统包括多套相互并联的LLC主电路和基于DSP的数字化控制电路；多套主电路结构相同，由输入整流滤波模块、LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块组成；基于DSP的控制电路包括电压电流检测模块、故障保护模块、单一DSP数字化控制系统模块、人机界面模块、高频驱动模块组成。本发明首次使用多套相互并联的逆变主电路，采用先进的高频LLC谐振技术和DSP数字化控制技术，有效地提高了电动汽车充电电源的效率和输出功率，获得更高的功率密度，可靠性高、效率高、结构简单、体积小、成本低；实现大功率并联系统的DSP全数字化控制，系统升级方便，控制电路集成度高、一致性好、易于标准化、智能化程度高，特别适用于大功率电动汽车直流和脉冲充电。

Description

一种基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体为一种基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统。

背景技术

以动力蓄电池为能源的电动汽车被认为是21世纪的绿色工程，它的出现将汽车工业的发展带入了一个全新的领域。目前，电动汽车核心部件中的蓄电池、充电器的发展还不能满足人们越来越高节奏生活的要求，有的一些理论和技术问题还有待攻关。

目前，我国的电动汽车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。自铅酸蓄电池问世以来，由于各技术条件的限制，市场上多数采用的充电方法均未能遵从电池内部的物理化学规律，使整个充电过程存在着严重的过充电和析气现象，充电效率低。电动汽车用动力蓄电池与一般蓄电池还有所不同，它以较长时间中等电流持续放电为主，间或以大电流放电，用于启动、加速或爬坡。一般来说，电动汽车用蓄电池多工作在深度充放电工作状态。因此，对电动汽车用动力蓄电池的快速充电提出了不同于常规电池的要求，它必须具有充电时间短、对蓄电池使用寿命影响小的特点。目前，电动汽车充电电源主要通过PWM开关控制技术实现电流电压控制，电动汽车的材料、结构和驱动及控制等技术已经取得了很大的发展，但是电池能量存储技术、快速充电技术制约着电动汽车发展和普及，由于传统的基于移相PWM技术的充电电源存在以下问题：1.轻载时滞后臂MOSFET开关管难以实现零电压开通；2.副边整流二极管存在反向恢复问题并导致振铃电压尖峰难以处理，恶化整机可靠性；3.当重载时，原边电流过大导致的副边占空比丢失更加严重，使得电源能量没有得到充分的利用，并使得电压振铃进一步加剧。这使得电源效率没有得到充分利用，大大增加电能的损耗，愈发跟不上当前市场上要求越来越高的节能化需求。因此，研发高性能电池和适用于电动汽车专用充电电源系统，解决车载电池快速、高效、安全充电势在必行。随着DSP数字化控制技术的日益完善，运用DSP数字化控制技术对电动汽车充电电源进行数字化控制研究，开发出电动汽车专用充电设备，对电动汽车的发展和普及具有十分重要的理论意义和现实价值。我国在“十五”规划中已经把对电动汽车的研究列为国家高科技攻关项目和国家“863”科技攻关项目。经过几十年的研究，电动汽车制造技术己经趋于成熟，但在提高动力电池性能和突破充电技术瓶颈之前，实现电动汽车的普及还需要相当长的一段时间。尽管充电机系统控制技术取得了一定的成就，但距离满足电动汽车市场化的充电要求还有很长的一段路要走。

目前电动汽车充电电源因受到半导体功率器件容量的限制和高频变压器磁性材料的制约，输出功率不大，单个逆变单元模块输出功率往往不能满足大功率充电的要求，国内外电动汽车充电电源一般以单个逆变单元模块输出为主，虽然在技术上比较成熟，但是输出功率小，充电速率慢，充电效率低。

由此可见，现有的电动汽车充电电源技术，主要有以下几个方面的缺点：（1）电源效率低。（2）电源输出功率小。（3）对于大容量电池组，难以快速实现充电。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，具备高效节能和充电速度快等优点，解决了现有电动汽车充电电源效率低、电源输出功率小和对于大容量电池组，难以快速实现充电的问题。

（二）技术方案

为实现上述的目的，本发明提供如下技术方案：一种基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，包括多套相互并联的主电路以及与之相连接的基于DSP的数字化控制电路，所述并联的多套主电路结构相同，由依次连接的输入整流滤波模块、LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块组成，所述输入整流滤波模块与三相交流输入电网相连接，所述输出整流滤波模块与电池负载相连接；所述基于DSP的数字化控制电路包括电压电流检测模块、故障保护模块、单一DSP数字化控制系统模块、人机界面模块、高频驱动模块组成，所述单一DSP数字化控制系统模块与人机界面模块相连接，所述电压电流检测模块还与电池负载相连接，所述高频驱动模块还与高频逆变模块相连接。

为进一步实现本发明目的，所述一种基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统还包括故障保护模块，所述故障保护模块包括过压、欠压、过流、短路和过温保护电路；所述过压和欠压保护电路一端与接入的三相交流电网相连接，另一端与单一DSP数字化控制系统模块相连接；过流、短路保护电路一端与初级电流霍尔传感器相连接，另一端与单一DSP数字化控制系统模块相连接。过温保护电路一端与散热器上的温度继电器相连接，另一端与单一DSP数字化控制系统模块相连接；所述故障保护模块为常用的比较器，过压和欠压保护电路检测三相交流电压，为常用的电压检测器。

优选的，所述单一DSP数字化控制系统主要由DSP数字信号处理器芯片TMS320F28335或TMS320F28035组成。

优选的，所述单一DSP数字化控制系统主要调节相互并联的主电路的电压和电流输出，并提供人机交互界面。

优选的，所述脉冲频率调制主要由DSP内嵌自带的事件管理器组成，以全软件方式分别产生多组两路互补脉冲频率调制信号分别用于并联主电路的PFM调制。

优选的，所述故障保护模块由过压、欠压、过流和过温检测电路、与非门及外围电路相互连接组成。

优选的，所述高频驱动模块将DSP数字化控制模块输出的互补PFM信号进行功率驱动放大后输入高频逆变模块，作为LLC谐振模块MOSFET开关管组的开关信号。

优选的，所述单一DSP数字化控制系统模块控制并联主电路实现直流和脉冲充电。

优选的，所述并联主电路的正弦电流相位进行调节，增大功率输出的同时减轻电网负担。

优选的，所述并联主电路采用并联冗余配置方案，即使在单个主电路故障情况下也不会影响充电电源系统的正常工作，进一步提高了总系统冗余程度和可靠性。

优选的，所述并联主电路LLC谐振模块工作于谐振频率最佳工作点。工作于谐振频率最佳工作点时，LLC谐振模块的增益和负载无关，原边电流接近正弦电流、原边MOSFET功率开关管可以实现零电压开通、副边整流二极管可以实现零电流关断，原副边的功率器件都得到最优的利用，效率最高，电磁干扰也最小。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，具备以下有益效果：

1、该基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，采用并联式大功率LLC谐振变换器来获得更大功率的输出，从而获得更高的功率密度，可靠性高、效率高、结构简单、体积小、成本低。

2、该基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，控制核心采用基于单一DSP的全数字化控制技术，系统升级方便，控制电路集成度高、一致性好、易于标准化、智能化程度高。

3、该基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，采用了电压电流反馈的数字化控制技术，可实现直流和脉冲充电，系统的动态特性优良、控制精度高、稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统结构框图；

图2为本发明的大功率LLC谐振主电路的电路原理图；

图3为本发明的高频驱动模块的电路原理图；

图4为本发明的电压电流检测模块的电路原理图；

图5为本发明的故障保护电路原理图；

图6为本发明的单一DSP数字化控制系统模块的结构示意图；

图7为本发明的单一DSP数字化控制系统的程序流程图。

图中：101、输入整流滤波模块；102、LLC谐振模块；103、功率变压器模块；104、输出整流滤波模块；105、电压电流检测模块；106、故障保护模块；107、单一DSP数字化控制系统模块；108、人机界面模块；109、高频驱动模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，一种基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，图1是本发明提供的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统结构框图，包括多套相互并联的主电路和基于DSP的数字化控制电路。多套并联的主电路结构相同，由依次连接的输入整流滤波模块101、LLC谐振模块102、功率变压器模块103和输出整流滤波模块104组成。输入整流滤波模块101与三相交流输入电网相连接，输出整流滤波模块104与电池负载相连接。基于DSP的数字化控制电路包括电压电流检测模块105、故障保护模块106、单一DSP数字化控制系统模块107、人机界面模块108、高频驱动模块109。电压电流检测模块105一端与电池负载相连接，另一端与单一DSP数字化控制系统模块107相连接，人机界面模块108与单一DSP数字化控制系统模块107相连接，单一DSP数字化控制系统模块107与高频驱动模块109相连接，高频驱动模块109与LLC谐振模块102相连接，故障保护模块106一端与接入的三相交流电网相连接，另一端与单一DSP数字化控制系统模块107相连接。所述故障保护模块106检测三相交流输入电压，为常用的电压检测装置；检测过温信号，为常用的温度继电器；检测初级过流信号为常用的霍尔电流传感器。所述人机界面模块108由LCD显示屏组成，显示充电电压及电流的给定值和反馈值。所述电压电流检测模块105与电池负载相连接。

如图2所示，主电路采用全桥LLC谐振变换器，其拓扑结构由输入整流电路、全桥LLC谐振电路、高频隔离变压器、输出整流电路和电容滤波电路组成，其中V1～V4为4个MOSFET开关管，每个开关管上带有寄生二极管和寄生电容，Lr是谐振电感，Lm是励磁电感，Cr是谐振电容，D1和D2为输出整流二极管，电容C2组成输出滤波电路。V1和V3组成一组桥臂，V2和V4组成一组桥臂，每个桥臂的2个MOSFET功率管成180°互补导通，通过调节互补导通的PFM信号就可以调节输出电压和电流。主电路回路中谐振电感Lr，励磁电感Lm，谐振电容Cr构成了一个LLC谐振回路，在功率开关器件开关过程中实现原边零电压开通和副边输出整流二极管零电流关断，使其工作在软开关状态，开关损耗低，器件的电磁应力大幅减少。

图3是本发明中的MOSFET全桥LLC驱动电路原理图。驱动电路原边采用了高速MOSFET N1b～N4b组成的图腾柱式推动结构，能对DSP数字化控制模块发送过来的驱动脉冲PFM_1和PFM_2实现快速切换并加大驱动功率。驱动电路副边采用了稳压管D9b～D10b、D16b～D17b、D23b～D24b、D30b～D31b对驱动脉冲进行稳压钳位，以保证经过驱动变压器T1b和T2b转换得到的驱动脉冲幅值过高损坏变换器原边变换电路高压MOSFET V1～V4；电容C7b～C10b对高压MOSFET V1～V4进行加速驱动，以尽量消除开通时刻MOSFET米勒效应带来的开通延时不利影响；D13b与V1b、D20b与V2b、D27b与V3b、D34b与V4b组成的快速放电回路能在驱动脉冲关断时间加速脉冲后沿关断，消除关断时刻MOSFET米勒效应引起的二次开通。

图4是本发明的输出电压电流采样电路原理图。电压采样电路采用非隔离电阻R1、R2分压采样，并且引进了一个由R3、C2组成的闭环零点网络，增加了动态响应速度，经过分压后得到的小于或等于3.3V的直流信号经过3.3V的稳压管D1钳位后输入到DSP控制芯片的ADCIN1_0口，再通过相应软件实现A/D转换。电流采样电路利用串联在变换器的输出母线上串联分流器F2对输出电流进行电流信号采样，分流器上得到的微弱信号经过差分放大器U1后得到较为干净、平滑的直流信号，然后再对其直流信号进行分压滤波后再经过3.3V的稳压管D2钳位后输入DSP控制芯片的ADCIN1_1口，再通过相应软件实现A/D转换。上述环节构成的反馈闭环控制电路，就可以实现变换器电压和电流的控制。

图5是本发明的故障保护电路原理图。过压和欠压检测电路将三相交流输入电网经工频变压器降压后，用桥式整流电路整流成直流电压信号后供给电阻分压电路，分别调节桥式电路电阻R39、R26和R38、R24的大小，就可以改变电网过压和欠压的阀值，即可起到过压和欠压保护作用。过温检测电路通过检测散热器上的温度继电器的断开来实现过温保护，得到CN1的①②断开信号给比较器U6A的反相输入端，U6A作为比较器进行电压比较。其同相端为给定参考电压，当散热器的温度低于温度继电器阀值温度时，温度继电器闭合，比较器U6A反相输入端为低电平，比较器U6A输出高电平；当散热器的温度高于温度继电器阀值温度时，温度继电器断开，比较器U6A反相输入端为高电平，比较器U6A输出低电平，此信号可引起DSP的故障保护中断。过流检测电路检测初级电流信号经滤波后给比较器U6B的反相输入端，U6B作为比较器其同相输入端为给定参考电流，当检测到的初级电流大于给定参考电流时，比较器U6B输出低电平，此信号可引起DSP的故障保护中断。图中与门U13的输出经光耦U14后与DSP的外部中断引脚GPIOG9相连接，当与门U13输出端输出过压、欠压、过温和过流检测信号出现欠压、过压、过温和过流故障时，与门输出低电平，经U14光耦后输出低电平，作为DSP的故障保护中断的触发信号给DSP的外部中断引脚GPIOG9，进入故障保护中断服务子程序，实现故障保护。

图6是本发明的单一DSP数字化控制系统模块的结构示意图。如图6所示，DSP数字化控制模块包括数字信号处理器，所述数字信号处理器采用TMS320F28335或TMS320F28035，其基本结构包括PWM信号输出模块、RS232/485与eCAN通信模块、存储模块RAM与FLASH、数字I/O口、A/D模拟输入。A/D采样进来的模拟信号送到单一DSP数字化控制系统模块107的A/D转换通道，单一DSP数字化控制系统模块107通过软件算法实现A/D转换，输出多组两路互补脉冲频率调制PFM信号经过MOSFET高频驱动模块109隔离放大后对主电路进行调频调制。此处采用了定时器周期中断和ADC中断，在定时器周期中断触发后，周期中断服务程序里将原来的增计数的比较匹配值更改为减计数需要的匹配值，由此实现不同充电阶段的输出设定值的改变；A/D转换序列由PWM模块下溢事件触发，ADC在转换完成后进入中断服务程序里将原来的周期值更改为新的周期值，由此实现PFM控制。

如图7所述，此软件流程图设计的软件主要是实现A/D转换结果的读取和输出电压和电流的控制，即实现互补PFM脉冲产生、驱动脉冲的频率调制、电流电压控制以及故障保护。控制系统程序的工作原理为：PI控制器（比例-积分控制器）主要用于基本线性和动态时不变系统，其控制过程是把收集的数据和参考值进行比较，然后把偏差用于计算新的输入值，让系统的输出值与给定值相等。PI控制器可以通过输出偏差的出现概率和历史数据来调整输入值，使系统保持在一个相对稳定的工作状态，本发明通过对输出的充电电流和电压进行PI算法，充电电流和电压经电流和电压反馈电路检测得到反馈值If和Uf，反馈值和给定值Ig和Ug进行比较得到偏差e；e作为控制系统的输入值，控制系统根据输入值e按照一定的控制算法产生互补频率调制PFM信号，互补PFM信号作为控制信号，控制主电路功率开关的开通和关断时间，实时充电电流和电压的调节。

工作时，本发明由多套主电路相互并联组成，多套主电路结构相同，基于DSP的数字化控制电路调节输出电流电压以及参数显示。三相工频交流电经过输入整流滤波模块101成为平滑直流电后进入LLC谐振模块102，然后通过功率变压器模块103、输出整流滤波模块104进入电池负载。与此同时，控制系统根据电压电流检测模块105检测到电池负载的电压、电流信号与人机界面模块108给定的参数进行比较，经过DSP控制系统的PI控制算法运算，发给DSP内嵌的脉宽调制模块信号，脉宽调制模块产生多组两路互补PFM信号，这多组两路互补PFM信号通过两个高频驱动模块109放大去控制LLC谐振模块102的MOSFET开关管开通和关断，从而得到频率变化的高频高压电，此高频高压电再经过功率变压器模块103转换成低电压输出，再经过输出整流滤波模块104获到平滑的直流电压，也就是反馈闭环控制过程；过压、欠压、过流和过温保护电路检测三相工频电压、初级电流和散热器温度，把检测到的电压、电流和温度信号送给故障保护模块106，如出现过压、欠压、过流和过温的现象，故障保护模块106将送给DSP一个低电平故障保护信号，DSP产生低电平互补PFM通过高频驱动模块109关断高频逆变模块的开关管，保护主电路安全工作。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，包括多套相互并联的主电路以及与之相连接的基于DSP的数字化控制电路，其特征在于：所述并联的多套主电路结构相同，由依次连接的输入整流滤波模块、LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块组成，所述输入整流滤波模块与三相交流输入电网相连接，所述输出整流滤波模块与电池负载相连接；所述基于DSP的数字化控制电路包括电压电流检测模块、故障保护模块、单一DSP数字化控制系统模块、人机界面模块、高频驱动模块组成，所述单一DSP数字化控制系统模块与人机界面模块相连接，所述电压电流检测模块还与电池负载相连接，所述高频驱动模块还与高频逆变模块相连接。

2.根据权利要求1所述的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，其特征在于：所述单一DSP数字化控制系统主要由DSP数字信号处理器芯片TMS320F28335或TMS320F28035组成。

3.根据权利要求1所述的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，其特征在于：所述单一DSP数字化控制系统主要调节相互并联的主电路的电压和电流输出，并提供人机交互界面。

4.根据权利要求1所述的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，其特征在于：所述脉冲频率调制主要由DSP内嵌自带的事件管理器组成，以全软件方式分别产生多组两路互补脉冲频率调制信号分别用于并联主电路的PFM调制。

5.根据权利要求1所述的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，其特征在于：所述故障保护模块由过压、欠压、过流和过温检测电路、与非门及外围电路相互连接组成。

6.根据权利要求1所述的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，其特征在于：所述高频驱动模块将DSP数字化控制模块输出的互补PFM信号进行功率驱动放大后输入高频逆变模块，作为LLC谐振模块MOSFET开关管组的开关信号。

7.根据权利要求1所述的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，其特征在于：所述单一DSP数字化控制系统模块控制并联主电路实现直流和脉冲充电。

8.根据权利要求1所述的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，其特征在于：所述并联主电路的正弦电流相位进行调节，增大功率输出的同时减轻电网负担。

9.根据权利要求1所述的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，其特征在于：所述并联主电路采用并联冗余配置方案，即使在单个主电路故障情况下也不会影响充电电源系统的正常工作，进一步提高了总系统冗余程度和可靠性。

10.根据权利要求1所述的基于LLC的数字化并联式大功率电动汽车充电电源系统，其特征在于：所述并联主电路LLC谐振模块工作于谐振频率最佳工作点，工作于谐振频率最佳工作点时，LLC谐振模块的增益和负载无关，原边电流接近正弦电流、原边MOSFET功率开关管可以实现零电压开通、副边整流二极管可以实现零电流关断，原副边的功率器件都得到最优的利用，效率最高，电磁干扰也最小。

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