CN115173537A - 车载充电机及其输出纹波抑制方法 - Google Patents

车载充电机及其输出纹波抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种车载充电机及其输出纹波抑制方法，涉及电源领域，通过将母线电压纹波分量，也即因交流输入在母线电容上产生的2倍工频纹波，以一定比重添加到谐振变换器的控制环路上，因此可抑制母线电压纹波分量对谐振变换器输出电压Vo和输出电流Io的影响，使输出电压Vo和输出电流Io的纹波尽量小。

Description

车载充电机及其输出纹波抑制方法
技术领域
本发明涉及电源领域，尤其是车载充电机及其输出纹波抑制方法。
背景技术
随着科技和社会的发展，电动车已经被广泛使用，并且占比越来越大。
高压电池是电动车必不可少的动力来源，通常通过一车载充电机为高压电池充电。请参阅图1所示的典型的车载充电机示意图，其包括AC/DC变换器110、谐振变换器120和控制器200。AC/DC变换器110一侧用于连接交流电源，以接收交流电压Vac；另一侧用于连接母线电容Cbus，AC/DC变换器110被配置为将交流电压Vac变换器为直流电，在母线电容Cbus上形成母线电压Vbus。谐振变换器120一侧连接母线电容Cbus，用于接收母线电压Vbus；另一侧连接输出电容Co。控制器200接收来自谐振变换器120的采样信号，输出开关控制信号以控制使得谐振变换器120将一直流电变换为另一直流电，以在输出电容Co上形成输出电压Vo，向高压电池BAT提供输出电流Io，为高压电池BAT充电。
车载充电机在为高压电池BAT充电时，由于输入为交流量，会导致母线电压Vbus有2倍工频纹波，进而导致输出电流和输出电压Vo有2倍工频的电流和电压纹波，从而影响对高压电池BAT的充电，进而影响高压电池BAT的寿命。
因此，业界急需一种降低车载充电机输出电压和电流纹波的方案。
发明内容
本发明提出一种车载充电机，包括：AC/DC变换器，第一侧连接交流电源，用于接收交流电压，第二侧连接母线电容，AC/DC变换器被配置为将交流电压变换器为直流电，以在母线电容上形成母线电压；谐振变换器，第一侧连接母线电容，用于接收母线电压，第二侧连接输出电容，用于在输出电容上形成输出电压，向负载提供输出电流；第二运算单元，接收母线电压和母线电压直流分量，输出母线电压纹波分量；第三运算单元，接收前馈因数K和母线电压纹波分量，输出前馈调节量；控制器，接收来自谐振变换器的采样信号以及前馈调节量，并根据采样信号和前馈调节量输出开关控制信号，用以控制谐振变换器抑制输出电压和输出电流的2倍工频纹波。
更进一步的，控制器根据采样信号和前馈调节量输出开关控制信号以控制谐振变换器的增益随母线电压纹波分量的增大而减小，随母线电压纹波分量的减小而增大。
更进一步的，第三运算单元为乘法器，用于将前馈因数K与母线电压纹波分量做乘运算。
更进一步的，第二运算单元为减法器，其正输入端用于接收母线电压直流分量，其负输入端用于接收母线电压。
更进一步的，控制器包括控制单元和加法器，控制单元用于接收来自谐振变换器的采样信号，用于根据采样信号产生初步开关控制信号，所述初步开关控制信号具有一频率值和相角值，加法器用于接收初步开关控制信号和前馈调节量，用于将初步开关控制信号和前馈调节量做加和运算，其中前馈调节量为频率值调节量或相角值调节量。
更进一步的，前馈因数K为与频率值或相角值相关的因数。
更进一步的，还包括调节因数获取单元，用于输出前馈因数K，调节因数获取单元包括：纹波提取单元，被配置为获取谐振变换器输出电压和/或输出电流的纹波幅值；第一运算单元，接收纹波幅值和0参考信号，被配置为获取纹波幅值与0参考信号的纹波幅值差值；调节单元，接收纹波幅值差值，配置为根据纹波幅值差值得到前馈因数K。
更进一步的，第一运算单元为减法器，其正输入端用于接收0参考信号，其负输入端用于接收纹波幅值，用于将0参考信号与纹波幅值做减法运算，而得到纹波幅值差值。
本申请还提供一种车载充电机输出纹波抑制方法，车载充电机包括AC/DC变换器和谐振变换器，AC/DC变换器的第一侧连接交流电源，用于接收交流电压，第二侧连接母线电容，AC/DC变换器被配置为将交流电压变换器为直流电，以在母线电容上形成母线电压，谐振变换器的第一侧连接母线电容，用于接收母线电压，第二侧连接输出电容，用于在输出电容上形成输出电压，向负载提供输出电流，包括：S1：获得母线电压纹波分量的前馈因数K；S2：获得母线电压纹波分量，并将母线电压纹波分量与前馈因数K做乘法运算，得到前馈调节量；S3：谐振变换器的控制器接收来自谐振变换器的采样信号以及前馈调节量，根据采样信号和前馈调节量输出开关控制信号，以控制谐振变换器抑制谐振变换器的输出电压和输出电流的2倍工频纹波。
更进一步的，步骤S3中，控制器根据采样信号和前馈调节量输出开关控制信号以控制谐振变换器的增益随母线电压纹波分量的增大而减小，随母线电压纹波分量的减小而增大。
更进一步的，步骤S3中，控制器中的控制单元接收来自谐振变换器的采样信号，用于根据采样信号产生初步开关控制信号，所述初步开关控制信号具有一频率值和相角值，控制器中的加法器接收初步开关控制信号和前馈调节量，用于将初步开关控制信号和前馈调节量做加和运算，前馈调节量为频率值调节量或相角值调节量，以根据母线电压纹波分量改变初步开关控制信号的频率值或相角值。
更进一步的，前馈因数K为与频率值或相角值相关的因数。
更进一步的，步骤S3中，前馈调节量通过改变控制器中的控制单元的参考信号或接收的采样信号，而改变开关控制信号的频率值或相角值。
更进一步的，步骤S1中，纹波提取单元获取谐振变换器输出电压和/或输出电流的纹波幅值；减法器将0参考信号与纹波幅值做减法运算，而得到纹波幅值差值；调节单元接收纹波幅值差值，根据纹波幅值差值得到前馈因数K。
附图说明
图1为典型的车载充电机示意图。
图2为本发明一实施例的车载充电机示意图。
图3为本发明另一实施例的车载充电机示意图。
图4为本发明另一实施例的车载充电机示意图。
图5为本发明另一实施例的车载充电机示意图。
图6为本发明一实施例的车载充电机输出纹波抑制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例中，在于提供一种车载充电机。具体的，请参阅图2所示的本发明一实施例的车载充电机示意图，车载充电机包括：
AC/DC变换器110，第一侧连接交流电源，用于接收交流电压Vac，第二侧用于连接母线电容Cbus，AC/DC变换器110被配置为将交流电压Vac变换器为直流电，以在母线电容Cbus上形成母线电压Vbus；
谐振变换器120，第一侧连接母线电容Cbus，用于接收母线电压Vbus，第二侧连接输出电容Co，用于在输出电容Co上形成输出电压Vo，向负载(如高压电池BAT)提供输出电流Io；
第二运算单元330，接收母线电压Vbus和母线电压直流分量Vbus_D，输出母线电压纹波分量SVbus；
第三运算单元340，接收前馈因数K和母线电压纹波分量SVbus，输出前馈调节量Sfd；
控制器400，接收来自谐振变换器120的采样信号以及前馈调节量Sfd，并根据采样信号和前馈调节量Sfd输出开关控制信号，用以控制谐振变换器120抑制输出电压Vo和输出电流Io的2倍工频纹波。
如上所述，将母线电压纹波分量SVbus，也即因交流输入在母线电容上产生的2倍工频纹波，以一定比重添加到谐振变换器120的控制环路上，因此可抑制母线电压纹波分量SVbus对谐振变换器120输出电压Vo和输出电流Io的影响，使输出电压Vo和输出电流Io的纹波尽量小。
在一实施例中，控制器400根据采样信号和前馈调节量Sfd输出开关控制信号以控制谐振变换器120的增益随母线电压纹波分量SVbus的增大而减小，随母线电压纹波分量SVbus的减小而增大。如此当母线电压纹波分量SVbus在2倍工频纹波的高值时，谐振变换器120的增益较小，当母线电压纹波分量SVbus在2倍工频纹波的低值时，谐振变换器120的增益较大，则可使得谐振变换器120的输出电压Vo和输出电流Io的纹波得到抑制。
请参阅图3所示的本发明另一实施例的车载充电机示意图，在一实施例中，第三运算单元340为乘法器，用于将前馈因数K与母线电压纹波分量SVbus做乘运算，以通过前馈因数K调节母线电压纹波分量SVbus前馈的比重。
如图3所示，在一实施例中，第二运算单元330为减法器，其正输入端用于接收母线电压直流分量Vbus_D，其负输入端用于接收母线电压Vbus，用于将母线电压直流分量Vbus_D与母线电压Vbus做减法运算，从而可达到母线电压纹波分量SVbus。
请参阅图4所示的本发明另一实施例的车载充电机示意图，在一实施例中，控制器400包括控制单元410和加法器420，控制单元410用于接收来自谐振变换器120的采样信号，用于根据采样信号产生初步开关控制信号，所述初步开关控制信号具有一频率值fprd和相角值θ，也即控制单元410相当于图1内的控制器200，加法器420用于接收初步开关控制信号和前馈调节量Sfd，用于将初步开关控制信号和前馈调节量Sfd做加和运算，此时前馈调节量Sfd为频率值调节量Δfprd或相角值调节量Δθ，如此可根据母线电压纹波分量SVbus改变初步开关控制信号的频率值fprd或相角值θ，也即根据母线电压纹波分量SVbus改变谐振变换器120的增益。更进一步的，此时前馈因数K为与频率值fprd或相角值θ相关的因数，乘法器340将母线电压纹波分量SVbus与前馈因数K相乘可得到因母线电压纹波分量SVbus而需补偿的频率值Δfprd或相角值Δθ。
在一实施例中，前馈调节量Sfd还可通过改变控制单元410的参考信号或接收的采样信号，而改变开关控制信号的频率值fprd或相角值θ。此时，前馈因数K为与参考信号或采样信号相关的因数。
请参阅图5所示的本发明另一实施例的车载充电机示意图，在一实施例中，通过调节因数获取单元310获取前馈因数K，调节因数获取单元310包括：纹波提取单元311，被配置为获取谐振变换器120输出电压Vo和/或输出电流Io的纹波幅值S1；第一运算单元312，接收纹波幅值S1和0参考信号，被配置为获取纹波幅值S1与0参考信号的纹波幅值差值ΔS1；调节单元313，接收纹波幅值差值ΔS1，配置为根据纹波幅值差值ΔS1得到前馈因数K。也即通过闭环的方式获取前馈因数K，而使前馈因数K根据谐振变换器120实时的输出电压Vo和/或输出电流Io的纹波幅值S1改变，使得对谐振变换器120的输出电压Vo和输出电流Io纹波的抑制精度更高。
在一实施例中，第一运算单元312为减法器，其正输入端用于接收0参考信号，其负输入端用于接收纹波幅值S1，用于将0参考信号与纹波幅值S1做减法运算，而得到纹波幅值差值ΔS1。如此通过闭环控制，可使纹波幅值S1逼近0参考信号，也即谐振变换器120输出电压Vo和输出电流Io的纹波逼近0。
在一实施例中，通过查表或公式拟合获得前馈因数K。表格为根据多次实验测得到的纹波幅值S1与前馈因数K的对应关系表格。公式为根据多次实验获得的纹波幅值S1与前馈因数K的关系式。
在一实施例中，调节单元313为PI调节单元，用于根据纹波幅值差值ΔS1得到调整控制器400的参数的调整因数k。
在一实施例中，控制器200为LC控制器或LLC控制器。
在一实施例中，控制器400可为数字控制器，如DSP；也可为模拟控制器；或数字控制与模拟控制器配合使用。
在一实施例中，还提供一种车载充电机输出纹波抑制方法，请参阅图6所示的本发明一实施例的车载充电机输出纹波抑制方法流程图，车载充电机包括图2所示的AC/DC变换器110和谐振变换器120。AC/DC变换器110的第一侧连接交流电源，用于接收交流电压Vac，第二侧连接母线电容Cbus，AC/DC变换器110被配置为将交流电压Vac变换器为直流电，以在母线电容Cbus上形成母线电压Vbus。谐振变换器120的第一侧连接母线电容Cbus，用于接收母线电压Vbus，第二侧连接输出电容Co，用于在输出电容Co上形成输出电压Vo，向负载(如高压电池BAT)提供输出电流Io。车载充电机输出纹波抑制方法包括：
S1：获得母线电压纹波分量SVbus的前馈因数K；
S2：获得母线电压纹波分量SVbus，并将母线电压纹波分量SVbus与前馈因数K做乘法运算，得到前馈调节量Sfd；
S3：谐振变换器120的控制器接收来自谐振变换器120的采样信号以及前馈调节量Sfd，根据采样信号和前馈调节量Sfd输出开关控制信号，以控制谐振变换器120抑制谐振变换器120的输出电压Vo和输出电流Io的2倍工频纹波。
在一实施例中，步骤S3中，控制器根据采样信号和前馈调节量Sfd输出开关控制信号以控制谐振变换器120的增益随母线电压纹波分量SVbus的增大而减小，随母线电压纹波分量SVbus的减小而增大。如此当母线电压纹波分量SVbus在2倍工频纹波的高值时，谐振变换器120的增益较小，当母线电压纹波分量SVbus在2倍工频纹波的低值时，谐振变换器120的增益较大，则可使得谐振变换器120的输出电压Vo和输出电流Io的纹波得到抑制。
在一实施例中，步骤S3中，控制器中的控制单元接收来自谐振变换器120的采样信号，用于根据采样信号产生初步开关控制信号，所述初步开关控制信号具有一频率值fprd和相角值θ，控制器中的加法器接收初步开关控制信号和前馈调节量Sfd，用于将初步开关控制信号和前馈调节量Sfd做加和运算，前馈调节量Sfd为频率值调节量Δfprd或相角值调节量Δθ，以根据母线电压纹波分量SVbus改变初步开关控制信号的频率值fprd或相角值θ，也即根据母线电压纹波分量SVbus改变谐振变换器120的增益。更进一步的，此时前馈因数K为与频率值fprd或相角值θ相关的因数，通过乘法器将母线电压纹波分量SVbus与前馈因数K相乘可得到因母线电压纹波分量SVbus而需补偿的频率值Δfprd或相角值Δθ。
在一实施例中，步骤S3中，前馈调节量Sfd还可通过改变控制器中的控制单元的参考信号或接收的采样信号，而改变开关控制信号的频率值fprd或相角值θ。此时，前馈因数K为与参考信号或采样信号相关的因数。
在一实施例中，步骤S1中，纹波提取单元获取谐振变换器120输出电压Vo和/或输出电流Io的纹波幅值S1；减法器将0参考信号与纹波幅值S1做减法运算，而得到纹波幅值差值ΔS1；调节单元接收纹波幅值差值ΔS1，根据纹波幅值差值ΔS1得到前馈因数K。也即通过闭环的方式获取前馈因数K，而使前馈因数K根据谐振变换器120实时的输出电压Vo和/或输出电流Io的纹波幅值S1改变，使得对谐振变换器120的输出电压Vo和输出电流Io纹波的抑制精度更高。
在一实施例中，步骤S1中，通过查表或公式拟合获得前馈因数K。表格为根据多次实验测得到的纹波幅值S1与前馈因数K的对应关系表格。公式为根据多次实验获得的纹波幅值S1与前馈因数K的关系式。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种车载充电机，其特征在于，包括：
AC/DC变换器，第一侧连接交流电源，用于接收交流电压，第二侧连接母线电容，AC/DC变换器被配置为将交流电压变换器为直流电，以在母线电容上形成母线电压；
谐振变换器，第一侧连接母线电容，用于接收母线电压，第二侧连接输出电容，用于在输出电容上形成输出电压，向负载提供输出电流；
第二运算单元，接收母线电压和母线电压直流分量，输出母线电压纹波分量；
第三运算单元，接收一前馈因数K和母线电压纹波分量，输出前馈调节量；
控制器，接收来自谐振变换器的采样信号以及前馈调节量，并根据采样信号和前馈调节量输出开关控制信号，用以控制谐振变换器抑制输出电压和输出电流的2倍工频纹波。
2.根据权利要求1所述的车载充电机，其特征在于，控制器根据采样信号和前馈调节量输出开关控制信号以控制谐振变换器的增益随母线电压纹波分量的增大而减小，随母线电压纹波分量的减小而增大。
3.根据权利要求1所述的车载充电机，其特征在于，第三运算单元为乘法器，用于将前馈因数K与母线电压纹波分量做乘运算。
4.根据权利要求1所述的车载充电机，其特征在于，第二运算单元为减法器，其正输入端用于接收母线电压直流分量，其负输入端用于接收母线电压。
5.根据权利要求1所述的车载充电机，其特征在于，控制器包括控制单元和加法器，控制单元用于接收来自谐振变换器的采样信号，用于根据采样信号产生初步开关控制信号，所述初步开关控制信号具有一频率值和相角值，加法器用于接收初步开关控制信号和前馈调节量，用于将初步开关控制信号和前馈调节量做加和运算，其中前馈调节量为频率值调节量或相角值调节量。
6.根据权利要求5所述的车载充电机，其特征在于，前馈因数K为与频率值或相角值相关的因数。
7.根据权利要求1或6所述的车载充电机，其特征在于，还包括调节因数获取单元，用于输出前馈因数K，调节因数获取单元包括：纹波提取单元，被配置为获取谐振变换器输出电压和/或输出电流的纹波幅值；第一运算单元，接收纹波幅值和0参考信号，被配置为获取纹波幅值与0参考信号的纹波幅值差值；调节单元，接收纹波幅值差值，配置为根据纹波幅值差值得到前馈因数K。
8.根据权利要求7所述的车载充电机，其特征在于，第一运算单元为减法器，其正输入端用于接收0参考信号，其负输入端用于接收纹波幅值，用于将0参考信号与纹波幅值做减法运算，而得到纹波幅值差值。
9.一种车载充电机输出纹波抑制方法，车载充电机包括AC/DC变换器和谐振变换器，AC/DC变换器的第一侧连接交流电源，用于接收交流电压，第二侧连接母线电容，AC/DC变换器被配置为将交流电压变换器为直流电，以在母线电容上形成母线电压，谐振变换器的第一侧连接母线电容，用于接收母线电压，第二侧连接输出电容，用于在输出电容上形成输出电压，向负载提供输出电流，其特征在于，包括：
S1：获得母线电压纹波分量的前馈因数K；
S2：获得母线电压纹波分量，并将母线电压纹波分量与前馈因数K做乘法运算，得到前馈调节量；
S3：谐振变换器的控制器接收来自谐振变换器的采样信号以及前馈调节量，根据采样信号和前馈调节量输出开关控制信号，以控制谐振变换器抑制谐振变换器的输出电压和输出电流的2倍工频纹波。
10.根据权利要求9所述的车载充电机输出纹波抑制方法，其特征在于，步骤S3中，控制器根据采样信号和前馈调节量输出开关控制信号以控制谐振变换器的增益随母线电压纹波分量的增大而减小，随母线电压纹波分量的减小而增大。
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