CN113964923B - 一种基于切档控制的大功率充电机装置及其切档控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于切档控制的大功率充电机装置及其切档控制方法，通过设置切档模块，该切档模块分别连接四个输出整流模块的电压和电流输出端子，当输出需求电压较高时，通过控制切档模块中开关的通断，使得输出电压和输出电流均为各输出整流模块的电压和电流之和；当输出需求电压较低时，通过控制切档模块中开关的通断，使得输出电压和输出电流降低。本发明的技术方案能够使得大功率充电机装置在高压段具有较大的电流输出能力，在低压段也可以实现大电流输出，不仅可以满足不同电压等级的需求，而且充电功率也得到较大提升。

Description

一种基于切档控制的大功率充电机装置及其切档控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电控制技术领域，尤其涉及一种基于切档控制的大功率充电机装置及其切档控制方法。

背景技术

在低碳环保、绿色出行的大环境下，越来越多的家庭选择电动汽车作为代步工具，电动汽车充电的便捷性、安全性成为用户首要考虑的问题。

目前充电机模块还存在如下问题：1、充电机输出功率低，充电速度慢；2、基于LLC电路的充电机，变压器前端开关管能实现零电压开关，变压器后端二极管能实现零电流开关，开关损耗较低，主要是导通损耗，所以效率相对于移相全桥等电路拓扑损耗小，效率高，但是LLC电路拓扑输出电压调节范围比较窄，不能实现较宽范围的电压输出，所以针对不同电压等级的电动汽车，要选择不同型号的充电机，通用性较差。

发明内容

基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种基于切档控制的大功率充电机装置及其切档控制方法，通过设置切档模块，使得充电机装置在高压段具有较大的电流输出能力，在低压段也可以实现大电流输出，不仅可以满足不同电压等级的需求，而且充电功率也得到较大提升。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于切档控制的大功率充电机装置，包括输入整流模块、谐振模块、输出整流模块以及切档模块；

所述输入整流模块的输入接收三相交流电压；

所述输入整流模块、谐振模块和输出整流模块依次连接，用于将所接收的三相交流电压转换为充电机输出所需的直流电压；

所述切档模块连接输出整流模块的输出端，用于根据充电机的输出需求调节该充电机装置的输出电压。

进一步的，还包括均压电路；

所述谐振模块包括第一谐振模块和第二谐振模块；

所述均压电路连接于输入整流模块的输出端，用于将输入整流模块的输出电压进行均压后，分别输出至第一谐振模块和第二谐振模块。

进一步的，所述输出整流模块包括第一输出整流模块、第二输出整流模块、第三输出整流模块和第四输出整流模块；其中，所述第一输出整流模块至第四输出整流模块分别包括第一输出端口和第二输出端口。

进一步的，所述第一输出整流模块和第二输出整流模块连接至第一谐振模块的输出；所述第三输出整流模块和第四输出整流模块连接至第二谐振模块的输出。

进一步的，所述第一输出整流模块的输出与第二输出整流模块的输出串联，第三输出整流模块的输出与第四输出整流模块的输出串联，第一输出整流模块的输出与第三输出整流模块的输出并联，第二输出整流模块的输出与第四输出整流模块的输出并联。

进一步的，所述切档模块包括第一开关和第二开关；其中，

所述第一开关的一端连接第一输出整流模块的第一输出端口和第三输出整流模块的第一输出端口；

所述第二开关的一端连接第一、第四输出整流模块的第二输出端口和第二、第三输出整流模块的第一输出端口；

所述第一开关和第二开关的另一端相互连接后连接至直流电压的正输出端；

所述第二输出整流模块的第二输出端口和第四输出整流模块的第二输出端口连接至直流电压的负输出端。

进一步的，所述直流电压的正输出端和负输出端之间连接储能电容。

进一步的，还包括电压泄放模块；所述电压泄放模块包括功率电阻、限流电阻、保护电阻和功率开关管；所述功率开关管的基极用于接收电压泄放控制信号，以对所述储能电容的残留电压进行泄放。

进一步的，还包括防反灌模块；所述防反灌模块连接于直流电压的正输出端。

根据本发明的另一个方面，提供了一种如本发明第一个方面所述的充电机装置的切档控制方法，包括步骤：

当V_n<(V_q-σ)时，断开第一开关，闭合第二开关；

当V_n>(V_q+σ)时，断开第二开关，闭合第一开关；

其中，V_n为充电机的输出需求电压，V_q为切档电压，σ为输出电压浮动。

综上所述，本发明提供了一种基于切档控制的大功率充电机装置及其切档控制方法，通过设置切档模块，该切档模块分别连接四个输出整流模块的电压和电流输出端子，当输出需求电压较高时，通过控制切档模块中开关的通断，使得输出电压和输出电流均为各输出整流模块的电压和电流之和；当输出需求电压较低时，通过控制切档模块中开关的通断，使得输出电压和输出电流降低。本发明的技术方案能够使得大功率充电机装置在高压段具有较大的电流输出能力，在低压段也可以实现大电流输出，不仅可以满足不同电压等级的需求，而且充电功率也得到较大提升。

附图说明

图1是本发明基于切档控制的大功率充电机装置电路构成原理图；

图2是电压滞回比较电路的电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种基于切档控制的大功率充电机装置，该充电机装置的电路构成原理图如图1所示，包括输入整流模块、谐振模块、输出整流模块、切档模块、电压泄放模块和防反灌模块。

所述输入整流模块的输入接收三相交流电压，三相交流电压经过PFC全桥整流电路，将交流电压转换为直流电压，为后级LLC提供直流电压，该输入整流模块可以采用PWM控制模式，根据输入交流电压的波动及LLC全桥电路需求输入电压的变化，调节占空比的大小，来保证LLC电路所需要的输入电压。该输入整流模块例如可以为PFC全桥整流电路，包括PFC电感L1、L2、L3，均压电容C1、C2及全桥整流电路。三相输入电压U、V、W分别接PFC升压电感L1、L2、L3，然后经全桥整流电路输出直流电压给均压电容C1、C2充电。

所述输入整流模块、谐振模块和输出整流模块依次连接，用于将所接收的三相电压转换为充电机输出所需的直流电压。还可以包括均压电路，所述谐振模块包括第一谐振模块和第二谐振模块；所述均压电路连接于输入整流模块的输出端，用于将输入整流模块的输出电压进行均压后，分别输出至第一谐振模块和第二谐振模块。所述均压电路例如包括第一均压电阻R1、第一均压电容C1、第二均压电阻R2和第二均压电容C2，由输入整流模块输出的直流电压DC+、DC-经过第一均压电阻R1、第一均压电容C1、第二均压电阻R2和第二均压电容C2均压，分别给第一谐振模块(例如LLC全桥电路A)和第二谐振模块(例如LLC全桥电路B)提供直流电压。谐振模块可以采用PFM控制模式，根据需求输出充电电压的大小，对开关频率进行调节，得到需求的输出电压。第一谐振模块(例如LLC全桥电路A)包括全桥电路A，第一谐振电容C3，第一谐振电感L4，第一隔离变压器T1原边绕组N1，通过全桥电路A中开关管的导通与关断将第一均压电容C1上的直流电压变换为交流电压施加在原边绕组N1,通过第一隔离变压器T1的磁芯，将交流电压传送给第一隔离变压器T1的副边绕组N2和N3。第二谐振模块(例如LLC全桥电路B)包括全桥电路B，第二谐振电容C4，第二谐振电感L5，第二隔离变压器T2原边绕组N4，通过全桥电路B中开关管的导通与关断将第二均压电容C2上的直流电压变换为交流电压施加在原边绕组N4上,通过第二隔离变压器T2的磁芯，将交流电压传送给第二隔离变压器T2的副边绕组N5和N6。其中，所述第一隔离变压器T1，包括原边绕组N1、磁芯、副边绕组N2和副边绕组N3；原边绕组N1与第一谐振电容C3和第一谐振电感L4相连，所述第二隔离变压器T2，包括原边绕组N4、磁芯、副边绕组N5和副边绕组N6；原边绕组N4与第二谐振电容C4和第二谐振电感L5相连。

所述输出整流模块包括第一输出整流模块、第二输出整流模块、第三输出整流模块和第四输出整流模块；其中，所述第一输出整流模块至第四输出整流模块分别包括第一输出端口和第二输出端口。所述第一输出整流模块和第二输出整流模块连接至第一谐振模块的输出；所述第三输出整流模块和第四输出整流模块连接至第二谐振模块的输出。第一隔离变压器T1的副边绕组N2与第一输出整流模块相连；第一隔离变压器T1的副边绕组N3与第二输出整流模块相连，第二隔离变压器T2的副边绕组N5与第三输出整流模块相连，第二隔离变压器T2的副边绕组N6与第四输出整流模块相连。第一输出整流模块的输出与第二输出整流模块的输出串联，第三输出整流模块的输出与第四输出整流模块的输出串联，第一输出整流模块的输出与第三输出整流模块的输出并联，第二输出整流模块的输出与第四输出整流模块的输出并联。

所述切档模块连接输出整流模块的输出端，用于根据充电机的输出需求调节该充电机装置的输出电压。所述切档模块包括第一开关K1和第二开关K2；其中，所述第一开关K1的一端连接第一输出整流模块的第一输出端口和第三输出整流模块的第一输出端口；所述第二开关K2的一端连接第一、第四输出整流模块的第二输出端口和第二、第三输出整流模块的第一输出端口；所述第一开关K1和第二开关K2的另一端相互连接后连接至直流电压的正输出端VOUT+；所述第二输出整流模块的第二输出端口和第四输出整流模块的第二输出端口连接至直流电压的负输出端VOUT-。所述直流电压的正输出端VOUT+和负输出端VOUT-之间还连接有储能电容C5。第一开关K1和第二开关K2例如可以为继电器，所述第一开关K1和第二开关K2单独工作，为互补工作模式，第一开关K1导通时第二开关K2关断，第二开关K2导通时，第一开关K1关断。

本实施例所提供的充电机装置还包括电压泄放模块；所述电压泄放模块包括功率电阻R3、限流电阻R4、保护电阻R5和功率开关管Q1。所述功率开关管Q1的基极用于接收电压泄放控制信号，以对所述储能电容的残留电压进行泄放。充电完成时，为避免储能电容C5上有残余的电量对人体造成损坏，要求在规定的时间内对残余电量进行泄放，降低到安全电压以下，保证人身安全。例如充电完成，由DSP给出高电平信号，驱动功率开关管Q1导通，功率开关管电容C5上的残留电量经过功率电阻R3释放。该电压泄放控制信号例如可以由连接至充电机装置的DSP控制装置发出，DSP控制装置通过对输入端的电流和电压进行采样输出驱动信号至全桥整流电路、LLC全桥电路A和LLC全桥电路B；以及对输出端的电压和电流进行采样，以在充电结束时输出电压泄放控制信号至功率开关管Q1进行电压泄放。还可以包括防反灌模块；所述防反灌模块连接于直流电压的正输出端。防反灌模块例如可以包括二极管D1，当电池电压大于充电机输出直流电压时，二极管反向截止，从而电池电压不能向充电机侧提供电能，有效地保护电池电量。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种如本发明第一个实施例所述的充电机装置的切档控制方法，包括如下步骤：

当(V_q-σ)≤V_n≤(V_q+σ)时，为了避免切档继电器在切档电压附近频繁动作，使得瞬时电压、电流冲击元件造成损坏，选择电压滞回比较电路。其中，V_n为充电机的输出需求电压，V_q为切档电压，切档电压通常来说可以等于充电机的输出需求电压，σ为输出电压浮动，本实施例中例如可以为10V。电压滞回比较电路的电路结构示意图如图2所示，滞回比较电路可以在DSP控制装置中完成，对于给定的输出需求电压进行分压后得到U_i，将U_i与给定参考电压U_ref比较，正向饱和时，U_o＝V_CC，V_CC为比较器的正电源，代入公式(1)：

(U_ref-U₊)/R2＝(U₊-U_o)/R3 (1)

计算可得：

U_th＝U₊＝U_-，

U_th对应的电压即为(V_q-σ)；

负向饱和时，U_o＝-V_CC，代入由公式(1)可得：

U_tl＝U₊＝U_-，

U_tl对应的电压即为(V_q-σ)。

当V_n<(V_q-σ)时，断开第一开关，闭合第二开关。当充电机需求输出电压降到(V_q-σ)，其中σ为输出电压浮动，本实施例中例如为10V，从高压档位切换到低压档位进行充电，变压器原边开关管驱动关闭，第一至第四输出整流模块的输出均为0，此时断开第一开关K1，闭合第二开关K2,切档过程中，储能电容C5储存的能量继续给电池充电。即当充电机的输出需求电压较低时，输出电压为Vout＝V2＝V4，输出电流为Iout＝I2+I4。

当V_n>(V_q+σ)时，断开第二开关，闭合第一开关。当充电机需求输出电压V_n达到(V_q+σ)时，其中σ为输出电压浮动，本实施例中例如为10V，从低压档位切到高压档位进行充电，切档过程中变压器原边开关管驱动关闭，输出第一至第四输出整流模块的输出均为0，此时断开第二开关K2，闭合第一开关K1，切档过程中，储能电容C5储存的能量继续给电池充电。即当充电机的输出需求电压较高时，输出电压和输出电流均为四个输出整流模块的输出之和，输出电压为Vout＝V1+V2＝V3+V4，输出电流为Iout＝I1+I3＝I2+I4。

通过本实施例的控制方法，使得充电机装置在高压段具有较大的电流输出能力，在低压段也可以实现大电流输出。不仅可以满足不同电压等级的需求，而且充电功率大大提升。

综上所述，本发明涉及一种基于切档控制的大功率充电机装置及其切档控制方法，通过设置切档模块，该切档模块分别连接四个输出整流模块的电压和电流输出端子，当输出需求电压较高时，通过控制切档模块中开关的通断，使得输出电压和输出电流均为各输出整流模块的电压和电流之和；当输出需求电压较低时，通过控制切档模块中开关的通断，使得输出电压和输出电流降低。本发明的技术方案能够使得大功率充电机装置在高压段具有较大的电流输出能力，在低压段也可以实现大电流输出，不仅可以满足不同电压等级的需求，而且充电功率也得到较大提升。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种基于切档控制的大功率充电机装置，其特征在于，包括输入整流模块、谐振模块、输出整流模块以及切档模块；

所述输入整流模块的输入接收三相交流电压；

所述输入整流模块、谐振模块和输出整流模块依次连接，用于将所接收的三相交流电压转换为充电机输出所需的直流电压；

所述切档模块连接输出整流模块的输出端，用于根据充电机的输出需求调节该充电机装置的输出电压，所述切档模块包括第一开关和第二开关；其中，所述第一开关的一端连接第一输出整流模块的第一输出端口和第三输出整流模块的第一输出端口；所述第二开关的一端连接第一、第四输出整流模块的第二输出端口和第二、第三输出整流模块的第一输出端口；所述第一开关和第二开关的另一端相互连接后连接至直流电压的正输出端；所述第二输出整流模块的第二输出端口和第四输出整流模块的第二输出端口连接至直流电压的负输出端。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括均压电路；

所述谐振模块包括第一谐振模块和第二谐振模块；

所述均压电路连接于输入整流模块的输出端，用于将输入整流模块的输出电压进行均压后，分别输出至第一谐振模块和第二谐振模块。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述输出整流模块包括第一输出整流模块、第二输出整流模块、第三输出整流模块和第四输出整流模块；其中，所述第一输出整流模块至第四输出整流模块分别包括第一输出端口和第二输出端口。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一输出整流模块和第二输出整流模块连接至第一谐振模块的输出；所述第三输出整流模块和第四输出整流模块连接至第二谐振模块的输出。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一输出整流模块的输出与第二输出整流模块的输出串联，第三输出整流模块的输出与第四输出整流模块的输出串联，第一输出整流模块的输出与第三输出整流模块的输出并联，第二输出整流模块的输出与第四输出整流模块的输出并联。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述直流电压的正输出端和负输出端之间连接储能电容。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括电压泄放模块；所述电压泄放模块包括功率电阻、限流电阻、保护电阻和功率开关管；所述功率开关管的基极用于接收电压泄放控制信号，以对所述储能电容的残留电压进行泄放。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括防反灌模块；所述防反灌模块连接于直流电压的正输出端。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的充电机装置的切档控制方法，其特征在于，包括步骤：

当V_n<(V_q-σ)时，断开第一开关，闭合第二开关；

当V_n>(V_q+σ)时，断开第二开关，闭合第一开关；

其中，V_n为充电机的输出需求电压，V_q为切档电压，σ为输出电压浮动。