CN111965515B - 一种防反灌二极管故障识别方法 - Google Patents

一种防反灌二极管故障识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的输出防反灌二极管故障识别及保护的控制方法，可以根据防反灌二极管前后电压的不同，判断防反灌二极管的失效模式，处于短路还是开路。通过防反灌二极管前后电压的差值判断临界值的设定，用于防止系统存在误判，提高了判断的准确性。

Description

一种防反灌二极管故障识别方法
技术领域
本发明涉及ACDC整流电源领域，尤其涉及电动汽车充电模块领域中的防反灌二极管故障识别方法。
背景技术
电源模块输出端加防反灌二极管在较多的应用场合下使用到。如UPS的直流输入侧与直流母线之间通过防反灌二极管相连，可防止直流母线电压比直流输入侧电压高而向直流屏反灌，起到保护直流屏的作用。防反灌二极管此外还起到支持热插拔的作用，通常在电源输出端串接二极管，利用二极管的单向导电性，防止母线上已经存在的电压对电源模块内部未充电的大容量电容充电，这种充电会引起母线的瞬时短路和模块内部部分电路的瞬时过载，严重时甚至毁坏设备。在新能源汽车充电领域尤为重要，不少厂商早期设计并未考虑输出加防反灌二极管，当电源模块内部存在失效短路之后，车内电池能量快速释放，造成烧毁车辆内部充电接触器等部件，产生严重的事故后果，存在较大的安全隐患。然而在模块端输出增加防反灌二极管之后，当防反灌二极管因为一些原因导致失效短路后，该模块则存在与未加防反灌二极管一样的安全风险，因此能够及时对输出防反灌二极管失效进行检测继而停止电源系统工作尤为重要。
发明内容
本发明提出一种在线检测防反灌二极管失效的方案。新能源汽车充电桩按照国标会进行绝缘检测，充电桩内模块通常分为2组和4组，依据充电桩功率及充电枪的配置不同而不同。在做绝缘检测时，需要将一组模块内部分模块数量开启，因此该组内部模块存在部分模块开启，部分模块待机，而模块输出并接在一起，因此此时可以通过判断未开启的模块防反灌二极管前电源电压VL和防反灌二极管后模块端口电压Vbat，确定防反灌二极管是否正常。未开启模块采集防反灌二极管前后电压，判断｜VL-Vbat｜ >ΔV不成立，则说明二者压差太小，可以判断逆止二极管短路导通，因此上报故障信息，该模块输出防反灌二极管短路失效。判断｜VL-Vbat｜ >ΔV成立，则认为防反灌二极管正常，模块可以正常上电工作。上述操作在充电桩绝缘检测时进行，通过增加该步骤，能够有效提高充电模块由于防反灌二极管短路失效烧车的风险。模块正常工作中，如果出现开路，则该模块不能提供输出电流，则认为该模块逆止二极管处于开路状态。通过这种控制方案，能够有效识别防反灌二极管的故障状态，防止在防反灌二极管短路失效下存在的模块端口电压反灌等安全风险，避免出现安全事故。
本发明提出一种用于输出防反灌二极管故障识别及保护的控制方法，包含以下优势：
本发明提出的输出防反灌二极管故障识别及保护的控制方法，可以根据防反灌二极管前电压的不同，判断防反灌二极管的失效模式，处于短路还是开路。通过防反灌二极管前后电压的差值判断临界值的设定，用于防止系统存在误判，提高了判断的准确性；
本发明通过防反灌二极管前后对比，判断防反灌二极管的故障模式，上报故障给系统或者监控，让系统工作在安全区域内；
本发明适用于所有带输出防反灌二极管的电源方案，通过软硬件结合方式，完全解决掉防反灌二极管故障失效带来的风险而提升产品可靠性。
附图说明
图1 是充电桩模块功能电路示意图；
图2 是充电桩一组模块配置示意图；
图3 是输出防反灌二极管故障识别及保护的控制流程图；
图4是输出防反灌二极管正常时前后电压波形。
具体实施方式
为了实现本发明的技术方案，让更多的工程技术工作者容易了解和应用本发明，将结合具体实施例，进一步阐述如何自识别输出防反灌二极管故障识别及保护的控制方法。
本发明通过在不同工况下对防反灌二极管前后电压的检测，通过前后电压的差值，判断防反灌二极管是否失效以及失效模式，从而能够有效提高系统安全性。这在新能源汽车充电领域尤为重要，因为一旦车辆端充电接口及其他不见损坏，汽车将会返修，这也不利于新能源汽车的推广，因此安全可靠的充电是必须保证的。通常在充电过程中，需要满足相关充电标准流程，所以在充电开始时候，即充电桩进行绝缘检测时，此时对充电模块进行输出防反灌二极管的故障检测是合适的，能够有效防止在充电过程中模块失效导致的短路。
本发明具体实现策略如下：
如图1为充电模块功能电路示意图，通常电源转换装置内可以为隔离拓扑也可以为非隔离拓扑方案，输出大多需要加大容量滤波器，一方面为了提供输出能量，另一方面抑制输出纹波，满足相应的指标要求，因此防反灌二极管前端电容容值通常容量较大，为几百uF级别。而防反灌二极管后端通常也需要增加电容，该电容的作用有利于输出电压纹波的进一步控制，同时由于电源通常存在多模块并联使用，各个模块开机时间存在差异，则先起来的模块会给后起来的模块施加一定反向电压，由于模块输出长线电缆，电缆存在引线电感，该电感会与二极管结电容等发生振荡，使得二极管两端出现很高的反向电压，危害二极管的安全，因此增加端口电容，降低二极管反向应力，同时让大部分电流流过端口金膜电容，但是该容值远小于防反灌二极管前端电容，通常为nF级。
图2为充电桩一组模块配置示意图，充电桩依据功率及充电枪的数量不同，模块分组也不同。充电桩进行绝缘检测时，需要将组内部分模块开机，进行绝缘检测，此时假定充电模块A开机进行绝缘检测，由于组内模块输出端口并接在一起，则充电模块B/C/D则可以进行输出防反接二极管的故障识别，每B/C/D模块进行自动的故障识别，检测模块防反灌二极管前电源电压VL和防反灌二极管后模块端口电压Vbat，通过电压判断，确认防反灌二极管正常与否，B/C/D模块判断完毕之后，将模快B打开，此时模块A再进行防反灌二极管的故障识别，最终通过上述方式，判断出整组模块输出防反灌二极管是否处于异常状态，从而能够有效防止因防反灌二极管失效，模块内部失效导致的烧车现象。图3给出输出防反灌二极管故障识别及保护的控制过程，具体策略详细描述如下：
（1）电源模块上电；
（2）变量初始化，即将输出设定电压Vo，防反灌二极管后模块端口电压Vbat，防反灌二极管前电源电压VL，防反灌二极管前后电压差值临界值ΔV，开关发波占空比d全部清零；
（3）组内模块A输出设定电压Vo，用于后续电压差判定；
（4）组内模块B/C/D各自检测防反灌二极管前端电压VL和防反灌二极管后端电压Vbat；
（5）组内模块B判断Vbat是否等于Vo，用于查看判断模块A是否正常工作，模块A输出防反二极管是否正常；
（6）当模块B判断的Vbat=Vo，则B/C/D模块各自判断VL与Vbat差值大小｜VL-Vbat｜>ΔV，目前充电桩模块绝缘检测电压通常跟车端电压相关，目前低速车电压都在50V以上，因此Vbat电压最小也都在50V以上，防反灌二极管前端电压在模块不开机的情况下电压基本为0，因此ΔV设置为20V，当VL电压与Vbat的差值的绝对值大于20V，我们认为防反灌二极管工作正常；
（7）｜VL-Vbat｜ >20V不成立，则说明二者压差太小，可以判断防反灌二极管短路导通，因此上报故障信息；
（8）设定组内模块B输出设定电压Vo；
（9）组内模块A检测防反灌二极管前端电压VL和防反灌二极管后端电压Vbat；
（10）组内模块A判断VL与Vbat差值大小｜VL-Vbat｜ >ΔV；
（11）组内模块A判断｜VL-Vbat｜ >20V不成立，则说明二者压差太小，可以判断逆止二极管短路导通，因此上报故障信息；
（12）组内模块A判断｜VL-Vbat｜ >20V 成立，以及B/C/D模块各自判断｜VL-Vbat｜ >20V 成立，则说明防反灌二极管正常；
（13）组内模块B判断Vbat是不等于Vo，确认组内模块A输出防反灌二极管开路，上报故障信息；
（14）因为模块A存在防反灌二极管开路，因此进行模块B的开机，判断剩余模块的防反灌二极管的故障信息。
关于开关发波占空比d，说明如下。电源转换装置可以采取拓扑种类众多，由于充电桩模块行业需求原副边电气隔离，因此多采用隔离电源拓扑，如LLC或者移相全桥拓扑，希望电源转换装置输出电压Vo，则控制器依据电源输入电压和拓扑结构，发一定的开关占空比d，就能够得到输出电压Vo，开关占空比d的计算，是依据电源拓扑结构而定的。如移相全桥拓扑中，假定输入电源电压为Vbus，隔离变压器原副边匝数变比为n，想要输出的电压为Vo，则开关发波占空比d=（n*Vo）/Vbus。
图4给出防反灌二极管正常时，防反灌二极管前后电压波形，黄色（CH1通道波形）代表防反灌二极管前电压VL，蓝色（CH2通道波形）表示防反灌二极管后电压Vbat，模块输入上电后，按照流程图进行控制，组内模块A输出设定电压Vo=200V，组内模块B检测防反灌二极管前后电压，从波形可见，由于防反灌二极管工作正常，防反灌二极管前电压VL基本为0，而防反灌二极管后模块端口电压为200V， ｜VL-Vbat｜>20V，认为防反灌二极管工作正常。
上述实施方式仅是示例性的示出本发明，并不企图限制本发明。另外对于没有详细描述的步骤属于本领域技术人员熟知的技术内容。对于涵盖在本发明构思内的相应的变换和更改均在本发明范围内。

Claims (2)

1.一种防反灌二极管故障识别方法，其用于充电桩充电模块功能电路，包括根据防反灌二极管前后电压，判断防反灌二极管是否失效以及失效模式，当防反灌二极管后模块端口电压Vbat不等于输出设定电压Vo时，认为防反灌二极管处于失效模式一，当｜VL-Vbat｜不大于防反灌二极管前后电压差值临界值ΔV时，认为防反灌二极管处于失效模式二，其中VL为防反灌二极管前电源电压，其中失效模式一为开路模式，失效模式二为短路模式；充电桩包括一组充电模块A\B\C\D，
所述方法的具体步骤如下：
（1）电源模块上电；
（2）变量初始化，即将输出设定电压Vo、防反灌二极管后模块端口电压Vbat、防反灌二极管前电源电压VL、防反灌二极管前后电压差值临界值ΔV以及开关发波占空比d全部清零；
（3）组内充电模块A输出设定电压Vo，用于后续电压差判定；
（4）组内充电模块B/C/D各自检测防反灌二极管前电源电压VL和防反灌二极管后模块端口电压Vbat；
（5）组内充电模块B判断Vbat是否等于Vo，用于查看判断充电模块A是否正常工作，充电模块A输出防反灌二极管是否正常；
（6）当充电模块B判断的Vbat=Vo，则B/C/D充电模块各自判断VL与Vbat差值大小是否满足｜VL-Vbat｜ >ΔV，ΔV设置为20V，
（7）｜VL-Vbat｜ >20V不成立，判断防反灌二极管短路导通，因此上报故障信息；
（8）设定组内充电模块B输出设定电压Vo；
（9）组内充电模块A检测防反灌二极管前电源电压VL和防反灌二极管后模块端口电压Vbat；
（10）组内充电模块A判断VL与Vbat差值大小是否满足｜VL-Vbat｜ >ΔV；
（11）组内充电模块A判断｜VL-Vbat｜ >20V不成立，则判断防反灌二极管短路导通，因此上报故障信息；
（12）组内充电模块A判断｜VL-Vbat｜ >20V 成立，以及B/C/D充电模块各自判断｜VL-Vbat｜ >20V 成立，则说明防反灌二极管正常；
（13）组内充电模块B判断Vbat不等于Vo，确认组内充电模块A输出防反灌二极管开路，上报故障信息；
（14）因为充电模块A存在防反灌二极管开路，因此进行充电模块B的开机，判断剩余模块的防反灌二极管的故障信息。
2.根据权利要求1的防反灌二极管故障识别方法，其中，充电桩进行绝缘检测时，开机的充电模块进行绝缘检测，其他未开机的充电模块进行输出防反灌二极管的故障识别，检测未开机的充电模块防反灌二极管前电源电压VL和防反灌二极管后模块端口电压Vbat，确认防反灌二极管正常与否，未开机充电模块判断完毕之后，将其中一个未开机充电模块开机，原已开机的充电模块再进行防反灌二极管的故障识别，最终通过上述方式，判断出整组模块输出防反灌二极管是否处于异常状态。
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