CN112994468A - 一种直流充电模块输出串并联电路及其控制方法 - Google Patents

一种直流充电模块输出串并联电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种直流充电模块输出串并联电路及其控制方法，所述电路包括第一、第二两组LLC、一组电流采样单元和一组电压采样单元；所述第一组LLC连接在直流充电模块输入电源的正端，所述第二组LLC连接在输入电源的负端；两组LLC原边的开关网络串联且PWM驱动采用统一的闭环控制；两组LLC的输出正端之间连接有继电器S1，输出负端之间连接有继电器S2、第一组LLC的输出负端和第二组LLC的输出正端之间连接有继电器S3；所述电流采样单元连接在任意一组LLC的输出端，所述电压采样单元连接在直流充电模块的输出端。本发明硬件电路简单，控制方法简单，降低了模块成本，提高了模块效率。

Description

一种直流充电模块输出串并联电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流充电技术领域，具体涉及直流充电模块的输出串并联电路。
背景技术
随着电池技术的发展，在电动汽车领域，电动汽车对充电速率的要求越来越高，大功率快充成为目前许多充电企业研究的重点。目前市场上的充电模块绝大部分都是三相输入，PFC 部分也基本都是采用的三相无中线 VIENNA 结构的拓扑，后级DC/DC一般采用LLC拓扑结构，LLC电路可以工作在谐振开关频率附近，可以实现全负载范围的软开关，因此可以通过高开关频率实现高功率密度。当输出功率加大时，一般可以通过两组LLC并联来达到增大输出功率的目的。当输出电压范围加大时，一般可以通过两组LLC串联来达到增大输出电压范围的目的。
对于串联LLC拓扑，会带来输出均压的问题。对于并联LLC拓扑，会带来输出均流的问题，在直流充电模块中，目前常见的LLC输出串并联电压电流采样以及控制方法如下：
如图1所示，为两组LLC输出串并联电路，由于三相PFC输出直流电压比较高，两组LLC输入分别从上半母线电容C1和下半母线电容C2供电，电压分别为Vin1和Vin2，总母线电压为Vin。 Q1-Q4、Lr1、Cr1、T1、D1-D4、C3组成第1路LLC，Q5-Q8、Lr2、Cr2、T2、D5-D8、C4组成第2路LLC，Rs1为1路LLC输出电流Io1采样电阻，Rs2为2路LLC输出电流Io2的采样电阻，S1、S2、S3为输出串并联控制继电器。
当两组LLC输出并联工作时，继电器S1和S2吸合，S3断开，此时该电路输出电流均流控制策略如下：当模块要求输出总电流为Io_R时，通过软件分别设定Io1和Io2的目标给定值为Io_R/2，两组LLC的PWM各自独立恒流闭环控制，从而实现两路输出均流，输出总电流为Io_R。该方案是均流控制常用方案，该电路并联工作时，需要2个电流采样电路分别采集两路的电流，1个电压采样电路采集输出电压。
当两组LLC输出串联工作时，继电器S1和S2断开，S3吸合，由于为串联工作，两路输出电流一致，电路控制策略如下：当模块要求输出电流为Io_R时，通过软件分别设定Io1和Io2的目标给定值为Io_R，两组LLC的PWM各自独立闭环控制，从而实现恒流输出，对于两路输出电压均压问题，多采用被动均压法，如尽量保持两组LLC器件参数的一致性，以及在上下直流母线电容C1和C2加均压电阻，让Vin1和Vin2尽量一致时，Vo1和Vo2差异就会较小，但总体来讲，输出均压效果不佳。该电路串联工作时，需要1个电流采样电路采集输出电流，3个电压采样电路分别采集两路的输出电压和输出总电压。
通过对图1传统的串并联线路以及控制策略分析，可以看出有如下不足：一是控制比较复杂（两组LLC独立闭环控制），二是该电路总体需要2个电流采样电路，3路电压采样电路，器件较多。
发明内容
针对传统输出串并联电路器件较多、控制方法较复杂的问题，本发明提出一种直流充电模块输出串并联电路及其控制方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种直流充电模块输出串并联电路，其特征在于包括第一、第二两组LLC、一组电流采样单元和一组电压采样单元；所述第一组LLC连接在直流充电模块输入电源的正端，所述第二组LLC连接在直流充电模块输入电源的负端；两组LLC原边的开关网络串联且PWM驱动采用统一的闭环控制；两组LLC的输出正端之间连接有继电器S1，输出负端之间连接有继电器S2、第一组LLC的输出负端和第二组LLC的输出正端之间连接有继电器S3；所述电流采样单元连接在任意一组LLC的输出端，所述电压采样单元连接在直流充电模块的输出端。
优选地，所述电流采样单元连接在第二组LLC的输出端。
优选地，所述两组LLC的谐振腔参数一致。
所述直流充电模块输出串并联电路的控制方法，其特征在于：
当继电器S1、S2吸合，继电器S3断开，两组LLC输出并联工作，通过电流采样单元采集任意一组LLC的输出电流信号进行输出电流闭环控制，当要求直流充电模块输出总电流为某一设定值时，设置所述任意一组LLC的输出电流的目标给定值为该设定值的一半，实现输出电流的均流控制；
当继电器S1、S2断开，继电器S3吸合，两组LLC输出串联工作，通过电流采样单元采集任意一组LLC的输出电流信号进行输出电流闭环控制，当要求直流充电模块输出总电流为某一设定值时，设置所述任意一组LLC的输出电流的目标给定值为该设定值，实现输出电流的恒流控制。
优选地，通过前级PFC级母线均压控制，使两组LLC输入端电压保持相等，实现输出电压的均压控制。
本发明有益效果：
（1）本发明硬件电路简单，传统电路需要采集2个电流采样和3路电压采样，器件较多，本发明只要一路电压和电流采样电路，降低了模块成本，提高了模块效率。
（2）和传统的两路单独闭环控制相比，本发明采用统一闭环控制，控制方法简单，提高了模块工作的可靠性。
附图说明
图1：现有技术直流充电模块输出串并联电路连接示意图；
图2：本发明直流充电模块输出串并联电路连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例及附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。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。
如图2所示，本发明直流充电模块输出串并联电路包括第一、第二两组LLC、一组电流采样单元和一组电压采样单元。LLC采用常规电路结构，主要由H桥电路、变压器、整流电路顺次连接而成。第一组LLC连接在直流充电模块输入电源的正端，第二组LLC连接在直流充电模块输入电源的负端。两组LLC原边的开关网络串联，第一组H桥电路的两桥臂的下端连接点与第二组H桥电路的两桥臂的上端连接点相连。两个开关网络的PWM驱动采用统一的闭环控制。两组LLC的输出正端之间连接有继电器S1，输出负端之间连接有继电器S2、第一组LLC的输出负端和第二组LLC的输出正端之间连接有继电器S3。电流采样单元连接在任意一组LLC的输出端，电压采样单元连接在直流充电模块的输出端。
下面以电流采样单元连接在第二组LLC的输出端为例进行说明。电流采样单元连接在第二组LLC的输出端，由于第二组LLC输出负为电源输出地（和LLC控制信号的地等电位），电流信号采样可以使用价格便宜的低压非隔离运放，不需要价格昂贵的高压隔离运放。
与传统电路相比，本实施例只保留一路电流采样线路在继电器S2的前面，同时去掉了两组LLC各自的输出电压采样线路，只保留输出总电压一路采样。另外，在PWM控制方式上，两组LLC采用统一PWM闭环控制。统一PWM闭环控制即把两组LLC当做整体一组来处理，闭环控制输出总电压，所有驱动信号由一个反馈闭环控制，控制比较简单。传统采用两组LLC独立控制，是两组LLC分别为一个闭环系统，各自通过反馈各自调节驱动信号，实现各自的输出电压闭环，从而达到整体输出电压稳定的目的。两者都是闭环控制，两组独立控制要两个闭环工作，同时采样信号更多。
当两组LLC输出并联工作时，继电器S1和S2吸合，S3断开，电路控制策略如下：采样电阻Rs采集第2路LLC输出电流Io2的信号进行输出电流闭环控制,当模块要求输出总电流为Io_R时，通过软件设置Io2的目标给定值为Io_R/2，两组LLC的均流实现原理如下：由于两组LLC的PWM驱动统一闭环控制，且两组LLC的谐振腔参数一致，在相同的PWM控制下，两组的增益基本一致的，假设两路输出Io1和Io2不均流，当Io1变大时，1路LLC的原边电流也变大，会从母线电容C1抽取更多的能量，使Vin1略微下降，由于输入总电压Vin不变，则Vin2会略微上升，这样又会使Vo2略微上升，从而使2路LLC的输出电流Io2变大，而Vin1略微下降后也会导致Vo1略微下降，Io1会变小，最终两组LLC达到一个动态的平衡，维持Io1和Io2一致。由于采样电阻只有一个，因此采样电阻的损耗会降低。
当两组LLC输出串联工作时，继电器S1和S2断开，S3吸合，由于为串联工作，两路输出电流一致，电路控制策略如下：当模块要求输出电流为Io_R时，通过软件设置Io2的目标给定值为Io_R，则第2路LLC输出电流为Io_R（即相当于输出总电流目标也为Io_R），从而实现两路恒流输出。
对于两路输出电压均压问题， 通过前级PFC级母线均压控制。前级PFC采用维也纳拓扑，通过分别采集上母线Vin1和下母线Vin2的值，再取两者的差值和0比较，加入闭环反馈控制，最终使Vin1和Vin2的差值趋向于零，使Vin1和Vin2保持相等，因为两组LLC采用统一PWM控制（任意时刻工作在相同的开关频率），则两组LLC工作的增益基本一致，从而保证了输出电压Vo1和Vo2的一致性，均压效果较好。
以上的实施例/示例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种直流充电模块输出串并联电路，其特征在于包括第一、第二两组LLC、一组电流采样单元和一组电压采样单元；所述第一组LLC连接在直流充电模块输入电源的正端，所述第二组LLC连接在直流充电模块输入电源的负端；两组LLC原边的开关网络串联且PWM驱动采用统一的闭环控制；两组LLC的输出正端之间连接有继电器S1，输出负端之间连接有继电器S2、第一组LLC的输出负端和第二组LLC的输出正端之间连接有继电器S3；所述电流采样单元连接在任意一组LLC的输出端，所述电压采样单元连接在直流充电模块的输出端。
2.如权利要求1所述的直流充电模块输出串并联电路，其特征在于所述电流采样单元连接在第二组LLC的输出端。
3.如权利要求1所述的直流充电模块输出串并联电路，其特征在于所述两组LLC均主要由H桥电路、变压器、整流电路顺次连接组成。
4.如权利要求1所述的直流充电模块输出串并联电路，其特征在于所述两组LLC的谐振腔参数一致。
5.如权利要求1-4任一所述直流充电模块输出串并联电路的控制方法，其特征在于：
当继电器S1、S2吸合，继电器S3断开，两组LLC输出并联工作，通过电流采样单元采集任意一组LLC的输出电流信号进行输出电流闭环控制，当要求直流充电模块输出总电流为某一设定值时，设置所述任意一组LLC的输出电流的目标给定值为该设定值的一半，实现输出电流的均流控制；
当继电器S1、S2断开，继电器S3吸合，两组LLC输出串联工作，通过电流采样单元采集任意一组LLC的输出电流信号进行输出电流闭环控制，当要求直流充电模块输出总电流为某一设定值时，设置所述任意一组LLC的输出电流的目标给定值为该设定值，实现输出电流的恒流控制。
6.如权利要求5所述直流充电模块输出串并联电路的控制方法，其特征在于：
通过前级PFC级母线均压控制，使两组LLC输入端电压保持相等，实现输出电压的均压控制。
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