CN203423529U - 一种新能源汽车锂电池智能车载充电机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种新能源汽车锂电池智能车载充电机,输入滤波电路依次经软启动电路、输入整流电路、功率因数校正电路与移相全桥变换电路的输入端连接,移相全桥变换电路的一个输出端经电压电流采样电路与数字信号控制单元的输入端连接,温度采集电路与数字信号控制单元的输出端连接,数字信号控制单元的一个输出端与移相全桥变换电路的输入端连接,输入输出模块与数字信号控制单元双向连接。所述充电机能够快速、稳定的为不同类型和不同容量的蓄电池充电,具有功能强大,充电效率高等特点。

Description

一种新能源汽车锂电池智能车载充电机
技术领域
[0001 ] 本实用新型涉及充电装置技术领域,尤其涉及一种适合于蓄电池使用的智能车载充电机。
背景技术
[0002] 由于石油危机和日益严重的环境污染,电动汽车发展已经是大势所趋。蓄电池为电动汽车提供动力,而蓄电池充电性能直接影响蓄电池的使用和寿命,蓄电池一般分为铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。由于蓄电池种类繁多且容量不一,不同种类和容量的蓄电池往往需要不同的充电器匹配,如果蓄电池的充电器匹配不好会出现过充过热等不安全现象,从而影响蓄电池的正常使用并缩短蓄电池寿命。
实用新型内容
[0003] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新能源汽车锂电池智能车载充电机,所述充电机能够快速、稳定的为不同类型和不同容量的蓄电池充电,具有功能强大,充电效率高等特点。
[0004] 为解决上述技术问题,本实用新型所采取的技术方案是:一种新能源汽车锂电池智能车载充电机,其特征在于包括输入滤波电路、软启动电路、输入整流电路、功率因数校正电路、移相全桥变换电路、数字信号控制单元、输入输出模块、电压电流采样电路和温度采集电路,所述输入滤波电路的输出端与软启动电路的输入端连接,软启动电路的输出端与输入整流电路的输入端连接,输入整流电路的输出端与功率因数校正电路的输入端连接,功率因数校正电路的输出端与移相全桥变换电路的输入端连接,移相全桥变换电路的一个输出端经电压电流采样电路与数字信号控制单元的输入端连接,温度采集电路与数字信号控制单元的输出端连接,数字信号控制单元的一个输出端与移相全桥变换电路的输入端连接,输入输出模块与数字信号控制单元双向连接。
[0005] 优选的,所述充电机还包括开关电源和风扇,所述功率因数校正电路的输出端与开关电源的输入端连接,开关电源的输出端分别与风扇和数字信号控制单元连接。
[0006] 优选的,所述充电机还包括CAN总线接口电路,所述CAN总线接口电路与数字信号控制单元的输出端连接。
[0007] 优选的,所述输入输出模块包括按键输入电路和IXD显不电路,所述按键输入电路与数字信号控制单元的输入端连接,所述LCD显示电路与数字信号控制单元的输出端连接。
[0008] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:一、充电机采用先进的软启动电路,开关损耗小,效率高,同时采用有源功率因数校正技术,功率因数高达0.99,有效减少谐波对电网的污染。所述有源功率因数校正电路采用双重并联交错Boost PFC,可以大大减小单个电感容量,并且可以降低开关器件的平均电流应力和输出电流谐波。
[0009] 二、所述充电机输出电压、电流调节范围宽,可满足不同类型蓄电池组端电压的充电要求。通过IXD实时显示充电电流和电压,能为不同类型的蓄电池及容量不同的蓄电池充电。
[0010] 三、为了适应强干扰环境的性能要求,对CAN总线接口电路实行电气隔离。在电路内采用ADI公司推出的新型双通道数字隔离器,使用该芯片,不仅减小了体积,该数字隔离器的隔离通道比光电耦合器有更高的传输速率、时序和瞬态共模抑制能力。通信协议符合GB-T27930-2011电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议国家标准,兼容性更好。
[0011] 四、采用飞思卡尔数字信号处理器,它综合了微控制器和数字信号处理器功能,在保留强大的DSP处理能力同时,具有编程简单和代码紧奏等优点。凭借灵活的外设接口配置,为多种应用提供了非常经济高效的解决方案。本充电机能为不同类型的蓄电池及容量不同的蓄电池充电,其充电过程中的充电电压、电流通过数字信号控制单元实时控制,整个充电系统为反馈控制系统,数字信号控制单元通过实时检测充电过程中的电流、电压及温度监测整个充电过程,有效地避免了充电过程中过流、过压及过热现象,使充电过程安全稳定地进行。
[0012] 本实用新型输出的直流电压平稳、谐波小,充电过程控制精度高,能快速稳定地为各类蓄电池充电,并在蓄电池充满电后及时停止充电,有实际应用和推广价值。
附图说明
[0013] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
[0014] 图1是本实用新型的原理框图;
[0015] 图2是图1中功率因数校正电路的原理图;
[0016] 图3是图1中移相全桥变换电路的原理图;
[0017] 图4是移相控制方式时序图;
[0018] 图5是软件流程图。
具体实施方式
[0019] 如图1所示,一种新能源汽车锂电池智能车载充电机,包括输入滤波电路、软启动电路、输入整流电路、功率因数校正电路、移相全桥变换电路、数字信号控制单元、输入输出模块、电压电流采样电路、温度采集电路、开关电源、风扇和CAN总线接口电路。所述输入滤波电路的输出端与软启动电路的输入端连接,软启动电路的输出端与输入整流电路的输入端连接,输入整流电路的输出端与功率因数校正电路的输入端连接,功率因数校正电路的输出端与移相全桥变换电路的输入端连接;移相全桥变换电路的一个输出端经电压电流米样电路与数字信号控制单元的输入端连接,温度采集电路与数字信号控制单元的输出端连接,数字信号控制单元的一个输出端与移相全桥变换电路的输入端连接;输入输出模块与数字信号控制单元双向连接,所述输入输出模块包括按键输入电路和LCD显示电路,所述按键输入电路与数字信号控制单元的输入端连接,所述LCD显示电路与数字信号控制单元的输出端连接;所述功率因数校正电路的输出端与开关电源的输入端连接,开关电源的输出端分别与风扇和数字信号控制单元连接;所述CAN总线接口电路与数字信号控制单元的输出端连接。[0020] 本实用新型最大输出功率为6kW,先将220V单相工频交流电滤波后经软启动电路进入整流电路进行整流,再经过大电容滤波得到300V左右的直流电,此时直流电中谐波较大。经过功率因数校正电路后的直流电通过由4个绝缘栅双极晶体管组成的移相全桥变换电路,得到电压可调的高频交流电,经高频变压器耦合到副边,再经全桥整流,最后经电感电容滤波得到谐波很小的直流电为蓄电池充电。该充电机的CAN与电动汽车电池管理系统的CAN通讯,充电机根据读取的充电参数计算本次的充电电流和充电电压。充电机接收到充电命令后,把输入的交流电转换成高压直流电给蓄电池充电。
[0021] 功率因数校正电路(PFC):为实现高功率因数,减少谐波对电网的污染,采用功率因数校正电路的拓扑结构有多种,如Boost型,Buck型,Cuke型等。电感电流连续模式的Boost变换器,因其储能电感也可作滤波器,可以有效地抑制EMI噪声,具有电流波形失真小,输出功率大等优点,故广泛应用于功率因数校正电路中。
[0022] 随着功率进一步的增大,传统的单重Boost PFC结构的使用受到限制,当功率增加时,单重Boost PFC的开关器件必须承受更大的电流和电压应力,在开关过程中,电路中关键节点出现过大的dv/dt和di/dt,会造成严重的福射和传导的EMI,采用双重并联交错Boost PFC,可以大大减小单个电感容量,并且可以降低开关器件的平均电流应力和输出电流谐波。本实用新型采用单相双重并联交错式Boost PFC的设计,拓扑图如图2所示。
[0023] 两路开关管的导通时刻相差二分之一个开关周期。即用两个较小的功率因数支路代替传统的单个大功率因数校正电路,两个功率减半的支路分别使用一个电感和一个开关管,电路工作时,开关管SI和S2以相位相差180度交互导通。这种结构的突出优点是输入和输出电流谐波可以大大减小,热分布更均衡,输入差模EMI会更好,甚至可以省掉输入的差模EMI滤波电感,减小输入输出滤波电容的谐波电流,功率密度较单个的大。
[0024] 基于上述原理,本实用新型设计了一款6kW的有源功率因数校正电路,交流输入电压范围85-275V,输出390V的直流,开关频率为38kHz,电感为300uH。实验结果表明,双重并联交错式PFC,大大减少整流电路向电网注入的谐波,交流输入市电电压与电流之间的相位差小于3度,功率因数大于0.99。由于输入电感可以相互抵消谐波电流,使得输入谐波电流大为减少。
[0025] 双重并联交错式PFC的突出优点之一就是:有效地减小了输入电流和输出电容电流的高频谐波。与单相同功率的PFC相比,因为输入电流谐波的大幅降低使得在处理传导EMI时变得更容易,减小了 EMI滤波器的尺寸。另外,由于输出电容上高频谐波电流的减小,使得输出电容量减小,进一步减小了每一相的平均电流及谐波,升压电感的尺寸也比单相小很多。在大功率的电源中获得很好的应用它在轻载时,使用相位管理功能,关断一路相位的切换减小功率的损耗,其独特的电流合成技术,省去二极管采样电路,频率抖动技术,能有效地衰减EMI。
[0026] 移相全桥变换电路:移相全桥变换电路连接在PFC电路的输出端,移相全桥变换电路是目前国内外多管DC/DC变换电路中最常用的电路拓扑之一,在中大功率应用场合更是首选拓扑,这主要是考虑它具有功率开关器件电压电流额定值较小,功率变压器利用率较高等明显优点。移相全桥变换电路的主电路有双极性控制方式,有限双极性控制方式和移相控制方式。
[0027] 移相全桥变换电路包括全桥逆变电路、高频隔离变压器、输出整流电路和滤波电路。移相全桥变换电路的优点:1、开关损耗:实现开关管的零电压开关,大大降低了开关损耗;2、滤波器设计:开关频率恒定,利于滤波器的优化设计;3、电流电压应力:元器件的电流电压应力小,电压应力为电源电压,电流应力等于折算到原边的负载电流;4、电路结构:与传统PWM硬开关变换器相比,仅仅增加了一个谐振电感,成本和电路的复杂程度没有增加。
[0028] 移相全桥变换电路如图3所示,基本工作原理为,在PWM控制方式下,直流电压施加在由Q14-Q17四只开关管构成的两个桥臂上。当两只成对角的开关管Q14、Q17或Q15、Q16同时导通时,功率从源侧通过变压器T4向负载传送;当所有开关管均关断时,负载电流将通过整流二极管续流,同时滤波电容C123,C124为负载继续提供能量。通过相移方式控制四只开关管的通断顺序,在变压器的原边将得到按正负半周对称的交流方波电压。如果变压器的变比为n,则变压器次边将产生幅值为VIN / η的交流方波电压,经过整流桥和电感L7、电容C123,C124组成的低通滤波电路最终就可得到所要求的平滑直流输出电压。
[0029] 其中,Q14、Q17在上下半周轮流导通。Q15、Q16也是这样,Q14、Q17不同时导通,若Q14先导通,Q17后导通,则两者导通相差β角,其中,Q14,Q16分别先于Q15、Q17导通,故称Q14、Q16组成的桥臂为超前桥臂,Q15、Q17组成的桥臂为滞后桥臂。两个桥臂的导通角相差一个相位,即移相角α,通过调整移相角的大小来调整输出电压大小,移相控制方式如图4所示。Ton是导通时间,Ts是开关周期。移相控制方式就是使开关管Q14,Q16桥臂的导通时间向前增加到l/2Ts,同时Q15,Q17桥臂的导通时间向后增加到l/2Ts。
[0030] 整流桥后的保险丝Fl是为了防止电路中出现短路或大电流损坏蓄电池或电子器件。数字信号控制单元通过检测充电电流、电压及温度与充电前的设定值进行比较,控制输出4路PWM波到4个IGBT的栅极,从而控制其集电极到发射极电流通断时间,达到控制输出电压的目的。
[0031] 电压检测电路:电压检测电路连接在充电机的输出端,同时将采集的电压传送到数字信号控制单元。由精密电阻组成,由于该数字信号控制单元AD采样最大范围为0-3.3V。电池组电压成比例缩小在0-200mV之间,通过两级放大把电压调整在0_3.3V,然后采用数字信号控制单元内部的AD转换功能进行转换。由于采用了数字信号控制单元内部AD功能,减少了设计电路的复杂性,并提高了可靠性和精度。由于该电路采用了隔离放大器,可以减少电气干扰。
[0032] 电流检测电路:电流检测电路串接在充电机的输出端,同时将采集的数据传送到数字信号控制单元。一般进行电流采样时,在电路中串联一个阻值很小的采样电阻,把采样电阻的电压进行AD转换,再通过计算把电压值转换为电流值,使用电阻采样会消耗较多的功率。因此本实用新型采用霍尔电流传感器来进行检测,采用霍尔电流传感器具有良好的隔离作用和较高的测量精度。
[0033] CAN通信:CAN总线接口电路用于和电池管理系统进行通信,通信协议符合GB-T27930-2011电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议国家标准,兼容性更好。CAN总线又称控制局域网络,最早由德国BOSCH公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信,CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一,其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准。
[0034] CAN总线的主要优点:1、为多主工作方式,可以很方便地构成多机备份系统;2、可以点对点、点对多点及广播方式收发数据,通信速率最高可达到IMb/s (此时通信数据最长为40m),实际节点数可达110个,直接通信距离最远可达IOkm(速率5kB/s以下);3、CAN网络上的节点可分为不同的优先级,以满足不同的实时要求;4、采用非破坏性仲裁技术,能够有效地避免总线冲突;5、用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个(短帧传输时间短、受干扰概率小、重发时间短,每帧信息都有CRC校验及其他验错措施,可保证数据的低出错率;6、通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活;7、总线节点在错误严重的情况下,具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响。
[0035] 由于现场情况十分复杂,各节点之间存在很高的共模电压,虽然CAN接口采用的是差分传输方式,具有一定的抗共模干扰的能力,但当共模电压超过CAN驱动器的极限接收电压时,CAN驱动器就无法正常工作了,严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备,因此,为了适应强干扰环境或是高的性能要求,必须对CAN总线各通信节点实行电气隔离。
[0036] 传统的CAN总线隔离的方法是光耦合器技术,使用光束来隔离和保护检测电路,以及在高压和低压电气环境之间提供一个安全接口,目前一般使用6N137光电隔离器件。以Toshiba公司的6N137为例,其工作电压为5V,最高速率10Mbps,工作温度一般为O —70°C,隔离电压为2500V(有效值)。并且以DIP8型封装,每个芯片仅提供一个隔离通道,这些性能已经限制了 6N137在更高要求的环境中应用。
[0037] 本充电机采用ADI公司推出的新型双通道数字隔离器,使用该芯片,不仅减小了体积,该数字隔离器的隔离通道比光电耦合器有更高的传输速率,时序和瞬态共模抑制能力。此外与光电耦合器不同的是,数字隔离器能在同一芯片内提供正向和反向通信通道,这样就可以使信号的传输方向更加灵活,简化了芯片间的硬件连接线路。使用一个隔离芯片替代了以往的两个,大大增加了通道间的匹配程度,使系统获得更高的隔离性能。
[0038] 温度采集电路:温度采集电路连接到数字信号控制单元的输入端。该电路采用热敏电阻,主要考虑性价比高,而且它的体积小,连接线长,可直接贴在散热片上,通过采集温度,可以有效的避免系统过热。
[0039] 按键输入电路:按键输入电路连接到数字信号控制单元的输入端。选用4*4矩阵键盘。通过按键可切换到蓄电池充电方式选择,充电参数设定,充电电压,充电电流,温度显示等界面。
[0040] IXD显示电路:IXD显示电路连接到数字信号控制单元的输出端。IXD液晶屏能实时显示充电过程中的充电电压、充电电流,显示设置的充电参数等信息。
[0041] 开关电源:开关电源连接在PFC电路的输出端,为数字信号控制单元、移相全桥变换电路和风扇提供5V和12V电源。
[0042] 数字信号控制单元:数字信号控制单元包括处理器、时钟电路,复位电路,EEPROM存储电路,CAN通信电路,5V转换为3.3V电源电路及控制信号和采样信号的滤波电路。
[0043] 本实用新型针对不同类型的蓄电池,设计了相应的充电方法,软件主要由初始化、充电前电池好坏检测、充电阶段和充电保护等部分组成。本系统对磷酸铁锂电池充电时,其充电阶段由小电流充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段3部分组成,其程序流程图如图5所示。
[0044] 充电阶段:电池检测程序完成后,开始对电池进行小电流充电,充电速率约为1/5C左右;当小电流充电至电池电压达到参考值时,系统进入恒流充电阶段,此阶段为蓄电池的快速充电阶段,充电速率为1-2C;当充电电压达到设定的电池的最大充电电压时,系统进入恒压充电阶段,随着电池电压逐渐上升,充电电流逐渐减小;当充电电流减到设定参考值时,系统判断蓄电池充足停止充电。
[0045] 充电保护部分:充电过程中不断监测电池电压是否超过安全值、温度或温度变化率是否达到限定值,如有上述情况立即终止充电。检测电池电压是为了防止锂离子电池和铅蓄电池过充,检测温度和温度变化率是否达到限定值,是为了防止镍氢和镍镉电池过充。
[0046] 对铅酸电池充电:对铅酸电池充电时,采用三阶段充电法。三阶段充电法包括恒流限压、恒压限流和浮充三个阶段。在充电之前,先要对电池电压进行检测,当电池因深度放电等原因出现电压过低时,先要用小电流对其进行修复性充电,以防止直接大电流充电对电池造成损害。若开始充电时电池电压在正常范围之内时,则可跳过此步骤直接进入恒流充电阶段。
[0047] 三阶段充电法的第一个阶段是恒流限压充电阶段,在此阶段采用大电流对电池进行快速充电,使电池电量在较短时间内达到容量的70 %〜90 %。当电池电压达到恒流截止电压时,恒流充电阶段结束,转入下一充电阶段。
[0048] 三阶段充电法的第二个阶段是以恒流截止电压为恒定的电压值进行的恒压充电。在此阶段,充电电流将逐渐减小,当充电电流减小到恒压截止电流时,该阶段结束。经过该阶段充电以后,电池的电量已基本充满。
[0049] 三阶段充电法的第三个阶段为浮充阶段,当转入该充电阶段时,充电机采用较恒流截止电压还要小的电压设定值进行恒压充电,以进一步将电量充满,并起到养护电池、增加电池寿命的作用。
[0050] 铅蓄电池和锂离子电池自放电率低,电池充满后可直接停止充电,镍氢和镍镉电池自放电率高,如夜间无人看守充电时,可在电池充足后采用恒流充电方式给电池补充电荷,使蓄电池保持充足电状态。
[0051] 本实用新型输出的直流电压平稳、谐波小,充电过程控制精度高,能快速稳定地为各类蓄电池充电,并在蓄电池充满电后及时停止充电,有实际应用和推广价值。
[0052] 本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及其实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用来帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理的前提下还可以对本实用新型进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种新能源汽车锂电池智能车载充电机,其特征在于包括输入滤波电路、软启动电路、输入整流电路、功率因数校正电路、移相全桥变换电路、数字信号控制单元、输人输出模块、电压电流采样电路和温度采集电路,所述输入滤波电路的输出端与软启动电路的输入端连接,软启动电路的输出端与输入整流电路的输入端连接,输入整流电路的输出端与功率因数校正电路的输入端连接,功率因数校正电路的输出端与移相全桥变换电路的输入端连接,移相全桥变换电路的一个输出端经电压电流采样电路与数字信号控制单元的输入端连接,温度采集电路与数字信号控制单元的输出端连接,数字信号控制单元的一个输出端与移相全桥变换电路的输入端连接,输入输出模块与数字信号控制单元双向连接。
2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车锂电池智能车载充电机,其特征在于所述充电机还包括开关电源和风扇,所述功率因数校正电路的输出端与开关电源的输入端连接,开关电源的输出端分别与风扇和数字信号控制单元连接。
3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车锂电池智能车载充电机,其特征在于所述充电机还包括CAN总线接口电路,所述CAN总线接口电路与数字信号控制单元的输出端连接。
4.根据权利要求1所述的一种新能源汽车锂电池智能车载充电机,其特征在于所述输入输出模块包括按键输入电路和LCD显示电路,所述按键输入电路与数字信号控制单元的输入端连接,所述LCD显示电路与数字信号控制单元的输出端连接。
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