CN113556042B - 反向预充电路及控制方法和车载三端口充电机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了反向预充电路及控制方法和车载三端口充电机及控制方法，其中反向预充电路包括双向DCDC变换器，双向DCDC变换器包括依次连接的第一转换模块、变压器T1和第二转换模块，反向预充模式中，电能从第二转换模块向连接第一转换模块的用电设备等效电容进行预充电；反向供电模式中，电能从第二转换模块向第一转换模块供电；正向供电模式中，电能从第一转换模块向第二转换模块供电；反本发明将预充电功能集成在DCDC变换器中，复用现有DCDC器件，减小开关电源体积、降低了整机成本；同时具有操作简便运行可靠的优点。

Description

反向预充电路及控制方法和车载三端口充电机及控制方法
技术领域
本发明涉及电源电路，尤其涉及一种反向预充电路及控制方法和车载三端口充电机及控制方法。
背景技术
随着节能减排以及控制大气污染的需求，新能源汽车逐渐在市场商用，而电动汽车更是新能源汽车的主力军。电动汽车用电设备的输入侧因为有EMC的原因，都存在较大的电容。动力电池电压接通瞬间，整个回路之间很大的电流，容易对保险，继电器，整车零件造成损伤。为防止这种电流冲击，一般需要进行预充电，限制电源接通瞬间的充电电流，以保护元器件不会因大电流而损坏。
现有技术常见的做法是增加预充电回路（预充电路可放在整车，也可单独放在DCDC内），先逐渐给电容充电，再闭合继电器进行充电，如图1所示。其缺点是需要增加电阻，还有两个继电器，既增加体积，又增加了成本。
专利CN111376760A，虽然舍弃了独立的预充电回路，但DCDC需要增加复位电感，复位电路整流二极管，以完成开关电源的反向预充电。虽然相比预充电路减小了成本，但因为有复位电路的存在，整机的体积和成本也不是最优。
因此，如何设计一种将预充电功能集成在DCDC变换器中，复用现有DCDC器件，减小体积、降低成本的反向预充电路是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种反向预充电路及控制方法和车载三端口充电机及控制方法。
本发明采用的技术方案是设计一种反向预充电路，包括双向DCDC变换器，所述双向DCDC变换器包括依次连接的第一转换模块、变压器和第二转换模块，所述反向预充电路具有反向预充模式、反向供电模式和正向供电模式；所述反向预充模式中，电能从第二转换模块向连接第一转换模块的用电设备等效电容进行预充电；所述反向供电模式中，电能从第二转换模块向第一转换模块供电；所述正向供电模式中，电能从第一转换模块向第二转换模块供电。
所述第一转换模块连接高压直流母线、并通过电源开关S2连接高压动力电池，所述高压直流母线连接用电设备以及用电设备等效电容，第二转换模块连接低压蓄电池；所述反向预充模式中，电源开关S2为断开状态，低压蓄电池通过双向DCDC变换器向用电设备等效电容进行预充电；所述反向供电模式中，电源开关S2为断开状态，低压蓄电池通过双向DCDC变换器向用电设备供电；所述正向供电模式中，导通电源开关S2，高压动力电池向用电设备供电，或者高压动力电池向用电设备供电、同时通过双向DCDC变换器向低压蓄电池。
所述第一转换模块包括第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4，并采用全桥结构；所述第二转换模块包括第五开关Q5和第六开关Q6，所述变压器T1包括串联的第三副边绕组W3和第四副边绕组W4，所述第五开关Q5的漏极连接第四副边绕组W4的异名端，所述第六开关Q6的漏极连接第三副边绕组W3的同名端，第三副边绕组W3的异名端连接第四副边绕组W4的同名端、以及连接第七电容C7和第一电感L1的一端，第五开关Q5和第六开关Q6的源极共同连接第一开关S1和第五电容C5的一端、并连接所述低压蓄电池，第七电容C7的另一端连接第一开关S1的另一端，第一电感L1的另一端连接第五电容C5的另一端、并连接所述低压蓄电池。
本发明还设计了一种反向预充电路控制方法，所述反向预充电路采用上述的反向预充电路，所述控制方法包括：开机后先进行反向预充模式，反向预充结束后根据工作需要进行反向供电模式或正向供电模式。
所述反向预充模式包括缓起阶段和升压阶段，在缓起阶段中，对第一转换模块采用同步整流控制，对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的开关频率为f1，PWM控制信号的占空比从第一占空比D1升到为50%；在升压阶段中，PWM控制信号的占空比逐渐增大，直至高压直流母线电压V2减去参考电压Vbat2的绝对值小于调整电压Vth1才停止增大；所述反向供电模式中，对第一转换模块采用同步整流控制，对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的占空比采用升压阶段结束时的占空比；所述正向供电模式中，对第一转换模块采用PWM控制，对第二转换模块采用同步整流控制或斩波控制。
在进行所述反向预充模式之前先要进行预判模式，在所述预判模式中对第一转换模块采用同步整流控制，对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的开关频率为f1，PWM控制信号的占空比采用第一占空比D1；延时T1后，判断高压直流母线电压V2是否大于第一阈值电压Vth0，如大于等于第一阈值电压Vth0则进行预充模式，如小于第一阈值电压Vth0则报故障结束开机。
所述第一占空比D1小于50%。
所述调整电压Vth1的取值范围为0V至15V。
所述反向预充模式具体包括以下步骤：
步骤1、接收开机信号，闭合第一开关S1；
步骤2、对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的开关频率为f1，PWM控制信号的占空比采用第一占空比D1；
步骤3、延时T1秒后，判断高压直流母线电压V2是否大于第一阈值电压Vth0，如大于等于第一阈值电压Vth0则转步骤4，如小于第一阈值电压Vth0则转步骤8；
步骤4、在T2秒内，PWM控制信号的占空比由第一占空比D1增加到50%；
步骤5、PWM控制信号的占空比逐渐增大；
步骤6、检测高压直流母线电压V2，判断高压直流母线电压V2减去参考电压Vbat2的绝对值是否小于调整电压Vth1如大于调整电压Vth1则转步骤5，如小于等于调整电压Vth1则转步骤7；
步骤7、占空比停止增大，结束反向预充模式；
步骤8、报故障，结束开机。
本发明还设计了一种车载三端口充电机，所述车载三端口充电机具有原边换模块、变压器、副边第一转换模块和副边第二转换模块，所述副边第一转换模块采用上述的第一转换模块，所述副边第二转换模块采用上述的第二转换模块。
本发明还设计了一种车载三端口充电机控制方法，所述车载三端口充电机采用上述的车载三端口充电机；所述控制方法采用上述的反向预充电路控制方法。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
本发明将预充电功能集成在DCDC变换器中，复用现有DCDC器件，减小开关电源体积、降低了整机成本；同时具有操作简便运行可靠的优点。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1 是现有技术中的预充电回路应用示意图；
图2 是本发明反向预充电回路应用示意图；
图3 是反向预充电控制流程图；
图4 是本发明反向预充电路图；
图5是本发明反向预充电控制时序图；
图6是第二转换模块出于断续模式时的电流波形图；
图7是车载三端口充电机电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种反向预充电路，包括双向DCDC变换器，所述双向DCDC变换器包括依次连接的第一转换模块、变压器和第二转换模块，所述反向预充电路具有反向预充模式、反向供电模式和正向供电模式；所述反向预充模式中，电能从第二转换模块向连接第一转换模块的用电设备等效电容进行预充电；所述反向供电模式中，电能从第二转换模块向第一转换模块供电；所述正向供电模式中，电能从第一转换模块向第二转换模块供电。
参看图2示出的本发明较佳实施例应用示意图，所述第一转换模块连接高压直流母线、并通过电源开关S2连接高压动力电池，所述高压直流母线连接用电设备以及用电设备等效电容，第二转换模块连接低压蓄电池；所述反向预充模式中，电源开关S2为断开状态，低压蓄电池通过双向DCDC变换器向用电设备等效电容进行预充电；所述反向供电模式中，电源开关S2为断开状态，低压蓄电池通过双向DCDC变换器向用电设备供电；所述正向供电模式中，导通电源开关S2，高压动力电池向用电设备供电，或者高压动力电池向用电设备供电、同时通过双向DCDC变换器向低压蓄电池。
在整机启动时，电源开关S2（较佳实施例中采用继电器）断开高压动力电池，由低压蓄电池通过双向DCDC变换器向用电设备等效电容充电，等电容电压升高到预设的阈值时结束预充电。反向预充模式和反向供电模式属于反向工作，在预充电结束后本电路可以长期处于反向工作，也可以停止反向工作转入正向工作，即正向供电模式。本发明整车成本较低，可实现反向预充电过程。
图4 示出了反向预充电路图，所述第一转换模块包括第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4，并采用全桥结构。所述第二转换模块包括第五开关Q5和第六开关Q6，并采用推挽结构。所述变压器T1包括串联的第三副边绕组W3和第四副边绕组W4，所述第五开关Q5的漏极连接第四副边绕组W4的异名端，所述第六开关Q6的漏极连接第三副边绕组W3的同名端，第三副边绕组W3的异名端连接第四副边绕组W4的同名端、以及连接第七电容C7和第一电感L1的一端，第五开关Q5和第六开关Q6的源极共同连接第一开关S1和第五电容C5的一端、并连接所述低压蓄电池，第七电容C7的另一端连接第一开关S1的另一端，第一电感L1的另一端连接第五电容C5的另一端、并连接所述低压蓄电池。正向工作时，开关S1断开，当反向工作时，开关S1闭合。此目的是在预判阶段和缓起阶段，Q5Q6关断时，电容C7吸收电感上的能量，防止电压过大，损坏器件。
本发明还公开了一种反向预充电路控制方法，所述反向预充电路采用上述的反向预充电路，所述控制方法包括：开机后先进行反向预充模式，反向预充结束后根据工作需要进行反向供电模式或正向供电模式。
在较佳实施例中，所述反向预充模式包括缓起阶段和升压阶段，在缓起阶段中，对第一转换模块采用同步整流控制，对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的开关频率为f1，PWM控制信号的占空比从第一占空比D1升到为50%；在升压阶段中，PWM控制信号的占空比从50%开始增大，直至高压直流母线电压V2减去参考电压Vbat2的绝对值小于调整电压Vth1才停止增大；此阶段PWM控制信号的占空比的调整范围为50%-99%。所述反向供电模式中，对第一转换模块采用同步整流控制，对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的占空比采用升压阶段结束时的占空比；所述正向供电模式中，对第一转换模块采用PWM控制，对第二转换模块采用同步整流控制或斩波控制。
下面结合图4 示出的反向预充电路图和图5示出的反向预充电控制时序图阐述本发明的设计原理。本发明无续流回路，而通过采用开关S1和电容C7来吸收电感中极大的感应电压。具体工作原理为：闭合开关S1，在Q5、Q6占空比< 50% 时，电感L1电流变化率如图所示，当Q5、Q6闭合时，电感L1存储电能，同时也向第一转换模块传输能量。由于Q5、Q6占空比小于 50%，所以当Q5、Q6在关断时，电感L1的电流不能突变，因此会产生很高的感应电压，根据公式
Figure 467007DEST_PATH_IMAGE001
, 此时电容C7吸收其能量，可以防止电压过大，损坏器件。（在预判阶段和缓起阶段）。其中，Q5，Q6控制信号交错180度。
断续导通模式如图6所示，在预判阶段和缓起阶段，若处于连续导通模式（CCM），电感电流在每个周期都会增加，从而不断增大，在几个周期后就可能达到不可控电流值，此电流也会损坏开关，因此，为了防止开关被此阶跃量损坏，使拓扑处于断续导通模式。
缓起阶段完成进入升压阶段，开关频率保持f1不变，占空比D1开始增大，直至|V2-Vbat2|小于第二阈值电压Vth1，第二阈值电压Vth1可以根据实际需要设定，本文不作限定，在其中一个实施例中，本发明第二阈值电压Vth1采用10V。占空比停止增大，预充完成。在预充电结束后：本电路可以长期处于反向工作；也可以停止反向工作转入正向工作。
在其中一个实施例中，在升压阶段时，Q5、Q6输出占空比一致，相位交错180°，V1直流电压经过MOS管Q5、Q6斩波转换成交流电压，通过变压器T1转换到V2侧，经D1~D4管及电容C1、C2整流滤波后转换成V2，Q3、Q4同时导通会给L1额外储能，L1存储的能量经过T1绕组回路释放到V2侧。
V2侧电压和V1，占空比对应关系V2=n*V1/（1-2*（D-0.5）），占空比和V1，V2对应对应关系为D=0.5+1/2*（1-n*V1/V2），以上两个公式只适用于工作在连续模式，断续模式不适用。
需要特别说明的是本发明控制策略不仅仅适用于DCDC全桥电路，还适用于任何用于DCDC电路，如LLC电路拓扑，移相全桥拓扑等等。
在较佳实施例中，在进行所述反向预充模式之前先要进行预判模式，在所述预判模式中对第一转换模块采用同步整流控制，对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的开关频率为f1，PWM控制信号的占空比采用第一占空比D1；延时T1后，判断高压直流母线电压V2是否大于第一阈值电压Vth0，如大于等于第一阈值电压Vth0则进行预充模式，如小于第一阈值电压Vth0则报故障结束开机。这里说明一点的是，预判模式是为了判断V2侧是否短路，方法也不局限于本专利例举，比如可以通过一个小继电器切换电压判断。
在较佳实施例中，所述第一占空比D1小于50%。占空比大于0是常识，占空比D1小于50%的意思是占空比D1的取值范围为：0到50%（但不包括0和50%）。所述调整电压Vth1的取值可根据实际需要进行调整，在较佳实施例中其范围为0V至15V。
参看图3示出的较佳实施例的反向预充电控制流程图，所述反向预充模式具体包括以下步骤：
步骤1、接收开机信号，闭合第一开关S1；
步骤2、对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的开关频率为f1，PWM控制信号的占空比采用第一占空比D1；
步骤3、延时T1秒后，判断高压直流母线电压V2是否大于第一阈值电压Vth0，如大于等于第一阈值电压Vth0则转步骤4，如小于第一阈值电压Vth0则转步骤8；
步骤4、在T2秒内，PWM控制信号的占空比由第一占空比D1增加到50%；
步骤5、PWM控制信号的占空比逐渐增大；
步骤6、检测高压直流母线电压V2，判断高压直流母线电压V2减去参考电压Vbat2的绝对值是否小于调整电压Vth1如大于调整电压Vth1则转步骤5，如小于等于调整电压Vth1则转步骤7；
步骤7、占空比停止增大，结束反向预充模式；
步骤8、报故障，结束开机。
本发明还公开了一种车载三端口充电机，参看图7所示，所述车载三端口充电机具有原边换模块、变压器、副边第一转换模块和副边第二转换模块，所述副边第一转换模块采用上述的第一转换模块，所述副边第二转换模块采用上述的第二转换模块。
本发明还公开了一种车载三端口充电机控制方法，所述车载三端口充电机采用上述的车载三端口充电机；所述控制方法采用上述的反向预充电路控制方法。低压蓄电池既可向用电设备等效电容预充电，也可向原边转换模块直流母线上的电容进行预充电。
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims (10)

1.一种反向预充电路，包括双向DCDC变换器，其特征在于，所述双向DCDC变换器包括依次连接的第一转换模块、变压器和第二转换模块，所述反向预充电路具有反向预充模式、反向供电模式和正向供电模式；
所述反向预充模式中，电能从第二转换模块向连接第一转换模块的用电设备等效电容进行预充电；
所述反向供电模式中，电能从第二转换模块向第一转换模块供电；
所述正向供电模式中，电能从第一转换模块向第二转换模块供电；
所述第一转换模块连接高压直流母线、并通过电源开关S2连接高压动力电池，所述高压直流母线连接用电设备以及用电设备等效电容，第二转换模块连接低压蓄电池；
所述反向预充模式中，低压蓄电池通过双向DCDC变换器向用电设备等效电容进行预充电，所述电源开关S2为断开状态；
所述反向供电模式中，低压蓄电池通过双向DCDC变换器向用电设备供电，所述电源开关S2为断开状态；
所述正向供电模式中，导通电源开关S2，高压动力电池向用电设备供电，或者高压动力电池向用电设备供电、同时通过双向DCDC变换器向低压蓄电池供电。
2.如权利要求1所述的反向预充电路，其特征在于，所述第一转换模块包括第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4，并采用全桥结构；所述第二转换模块包括第五开关Q5和第六开关Q6，所述变压器包括串联的第三副边绕组W3和第四副边绕组W4，所述第五开关Q5的漏极连接第四副边绕组W4的异名端，所述第六开关Q6的漏极连接第三副边绕组W3的同名端，第三副边绕组W3的异名端连接第四副边绕组W4的同名端、以及连接第七电容C7和第一电感L1的一端，第五开关Q5和第六开关Q6的源极共同连接第一开关S1和第五电容C5的一端、并连接所述低压蓄电池，第七电容C7的另一端连接第一开关S1的另一端，第一电感L1的另一端连接第五电容C5的另一端、并连接所述低压蓄电池。
3.一种反向预充电路控制方法，其特征在于，所述反向预充电路采用权利要求1至2任一项所述的反向预充电路，所述控制方法包括：开机后先进行反向预充模式，反向预充结束后根据工作需要进行反向供电模式或正向供电模式。
4.如权利要求3所述的反向预充电路控制方法，其特征在于，所述反向预充模式包括缓起阶段和升压阶段，在缓起阶段中，对第一转换模块采用同步整流控制，对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的开关频率为f1，PWM控制信号的占空比从第一占空比D1升到为50%；在升压阶段中，PWM控制信号的占空比从50%开始增大，直至高压直流母线电压V2减去参考电压Vbat2的绝对值小于调整电压Vth1才停止增大；
所述反向供电模式中，对第一转换模块采用同步整流控制，对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的占空比采用升压阶段结束时的占空比；
所述正向供电模式中，对第一转换模块采用PWM控制，对第二转换模块采用同步整流控制或斩波控制。
5.如权利要求3所述的反向预充电路控制方法，其特征在于，在进行所述反向预充模式之前先要进行预判模式，在所述预判模式中对第一转换模块采用同步整流控制，对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的开关频率为f1，PWM控制信号的占空比采用第一占空比D1；延时T1后，判断高压直流母线电压V2是否大于第一阈值电压Vth0，如大于等于第一阈值电压Vth0则进行预充模式，如小于第一阈值电压Vth0则报故障结束开机。
6.如权利要求4所述的反向预充电路控制方法，其特征在于，所述第一占空比D1小于50%。
7.如权利要求4所述的反向预充电路控制方法，其特征在于，所述调整电压Vth1的取值范围为0V至15V。
8.如权利要求3所述的反向预充电路控制方法，其特征在于，所述反向预充模式具体包括以下步骤：
步骤1、接收开机信号，闭合第一开关S1；
步骤2、对第二转换模块采用PWM控制，PWM控制信号的开关频率为f1，PWM控制信号的占空比采用第一占空比D1；
步骤3、延时T1秒后，判断高压直流母线电压V2是否大于第一阈值电压Vth0，如大于等于第一阈值电压Vth0则转步骤4，如小于第一阈值电压Vth0则转步骤8；
步骤4、在T2秒内，PWM控制信号的占空比由第一占空比D1增加到50%；
步骤5、PWM控制信号的占空比逐渐增大；
步骤6、检测高压直流母线电压V2，判断高压直流母线电压V2减去参考电压Vbat2的绝对值是否小于调整电压Vth1，如大于调整电压Vth1，则转步骤5，如小于等于调整电压Vth1则转步骤7；
步骤7、占空比停止增大，结束反向预充模式；
步骤8、报故障，结束开机。
9.一种车载三端口充电机，其特征在于，所述车载三端口充电机具有原边转换模块、变压器、副边第一转换模块和副边第二转换模块，所述副边第一转换模块采用权利要求1至2任一项所述的第一转换模块，所述副边第二转换模块采用权利要求1至2任一项所述的第二转换模块。
10.一种车载三端口充电机控制方法，其特征在于，所述车载三端口充电机采用权利要求9所述的车载三端口充电机；所述控制方法采用权利要求3至8任一项所述的反向预充电路控制方法。
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