CN203522302U

CN203522302U - 模块化电动汽车车载充电机

Info

Publication number: CN203522302U
Application number: CN201320613192.4U
Authority: CN
Inventors: 李向阳
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2023-09-29

Abstract

本实用新型公开了一种模块化电动汽车车载充电机，所述车载充电机包括充电辅助电源、开关电源组、线性电源汇集模块以及主控制器，所述充电辅助电源通过连接地面充电设备输出用于给线性电源汇集模块和主控制器供电的直流电源，所述线性电源汇集模块分别与开关电源组和主控制器连接，所述开关电源组由多个开关电源单元通过串联和并联组成，所述每个开关电源单元通过RS-485总线与主控制器连接；所述主控制器通过控制引导电路与地面充电设备连接，所述主控制器通过CAN总线分别与充电电池模块和仪表盘连接。本实用新型的车载充电机通过模块化的方式进行组装，综合应用了PFC、ZVS、倍流和同步整流技术，提高了功率因素，且降低了开关损耗和电磁干扰。

Description

模块化电动汽车车载充电机

技术领域

本实用新型涉及一种电动汽车车载充电机，尤其是一种模块化电动汽车车载充电机，属于电动汽车的充电领域。

背景技术

车载充电机是安装在电动汽车上的充电装置，把输入的交流电源变为电池充电系统所需要的直流电源，其输出的电压和电流根据电池的充电方式和充电过程来调整。由于电动汽车的类型、电压和容量等级多种多样，仅电压等级就有72V、144V、288V、336V和384V等。目前，现有技术的车载充电机通常是针对不同电压和容量等级的电动汽车独立开发车载充电机，这种方式不仅工作量大，而且不利于维修和标准化。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种模块化电动汽车车载充电机，该车载充电机通过模块化的方式进行组装，综合应用了PFC、ZVS、倍流和同步整流技术，提高了功率因素，且降低了开关损耗和电磁干扰。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

模块化电动汽车车载充电机，其特征在于：包括充电辅助电源、开关电源组、线性电源汇集模块以及主控制器，所述充电辅助电源通过连接地面充电设备输出用于给线性电源汇集模块和主控制器供电的直流电源，所述线性电源汇集模块分别与开关电源组和主控制器连接，所述开关电源组由多个开关电源单元通过串联和并联组成，所述每个开关电源单元通过RS-485总线与主控制器连接；所述主控制器通过控制引导电路与地面充电设备连接，所述主控制器通过CAN总线分别与充电电池模块和仪表盘连接，所述充电电池模块包括充电电池和与充电电池连接的BMS。

作为一种优选方案，所述每个开关电源单元包括带PFC的AC-DC变换电路、具有全桥逆变和同步整流的DC-AC-DC电路、开关电源单元控制器和开关电源单元辅助电源，所述开关电源单元辅助电源采用反激开关电源和LDO稳压器组成的拓扑结构，并通过连接地面充电设备输出用于给AC-DC变换电路、DC-AC-DC电路以及开关电源单元控制器供电的直流电源；所述AC-DC变换电路与DC-AC-DC电路连接，所述开关电源单元控制器分别与AC-DC变换电路和DC-AC-DC电路连接。

作为一种优选方案，所述AC-DC变换电路采用UC3855B作为主控制芯片，该芯片的反馈回路中串联由线性运放构成的减法器。

作为一种优选方案，所述DC-AC-DC电路采用ISL6754作为主控制芯片，该芯片与开关电源单元控制器之间连接有差分放大器。

作为一种优选方案，所述每个开关电源单元的等效电路为倍流整流电路，包括输出开关变压器、第一电感、第二电感、电解电容、第一二极管以及第二二极管；所述输出开关变压器工作时，其正半波通过第一电感、电解电容以及第二二极管形成回路，负半波通过第二电感、电解电容以及第一二极管形成回路。

作为一种优选方案，所述线性电源汇集模块包括线性光电隔离器、数字光电隔离器、输出电压控制器、执行器、主输出电压及输出电流测量电路、报警及其信号锁存电路、SPI接口多通道ADC电路以及功率管温度测量电路，所述执行器由功率管驱动电路和功率管组成；所述线性光电隔离器、输出电压控制器和执行器依次连接，所述主输出电压及输出电流测量电路和报警及其信号锁存电路分别与输出电压控制器连接，所述主输出电压及输出电流测量电路和功率管温度测量电路分别与报警及其信号锁存电路连接，所述SPI接口多通道ADC电路分别与执行器、主输出电压及输出电流测量电路、功率管温度测量电路和数字光电隔离器连接，所述数字光电隔离器与报警及其信号锁存电路连接。

作为一种优选方案，所述输出电压控制器、执行器和充电电池构成第一控制回路，所述主控制器、开关电源组和执行器构成第二控制回路，所述第一控制回路和第二控制回路协作完成线性电源汇集模块输出电压的卡边控制。

具体的，所述地面充电设备的输出电压为220V交流市电，所述充电辅助电源通过连接地面充电设备输出±15V、5V和36V直流电源，其中±15V和5V直流电源用于给线性电源汇集模块和主控制器供电，36V直流电源供其它车载设备使用；所述开关电源单元辅助电源通过连接地面充电设备输出15.2V、11.6V和5V直流电源，其中15.2V直流电源用于给AC-DC变换电路供电，11.6V直流电源用于给DC-AC-DC电路供电，5V直流电源以及该5V直流电源经过LDO稳压器得到的3.3V直流电源用于给开关电源单元控制器供电。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型的车载充电机通过模块化的方式进行组装，通过不同模块的组合来满足电动汽车的不同电压等级和容量的需求，从而使电动汽车车载充电机开发、生产和维修标准化，每个模块可随着相关技术的进步而不断优化和升级。

2、本实用新型的车载充电机适用于不同电压和容量等级的电动汽车，能实现标准化设计、生产以及维修，可根据相关技术的发展水平进行相应模块的优化和升级，具有很高的性价比，综合应用了PFC、ZVS、倍流和同步整流技术，提高了功率因素，且降低了开关损耗和电磁干扰。

3、本实用新型的车载充电机的开关电源组可以由多个开关电源单元通过串联和并联组成，并联开关电源单元之间具有均流控制，串联开关电源单元之间具有均压控制，可进行“N+1”冗余设计，可靠性高。

4、本实用新型的车载充电机的主控制器可以实现卡边控制，开关电源组和线性电源汇集模块构成的从控制器可以实现快速保护，通过主从两级控制可同时实现高效率电能转换和快速保护。

5、本实用新型的车载充电机采用开关电源组和线性电源汇集模块分别实现AC-DC和DC-DC两级可调稳压，主控制器把线性电源的工作点始终控制在饱和区，而把开关电源组的总输出电压控制在线性功率器件饱和导通的边界域内，实现电能转换的卡边控制，达到高效率和高精度的目的。

6、本实用新型的车载充电机的开关电源单元在AC-DC变换电路后，在DC-AC-DC电路进行逆变前的直流母线电压可以在310V～410V之间微调，提高了开关电源输出电压的调节的效率，满足电动汽车动力电池的宽充电电压范围要求，通过开关电源单元控制器进行上层控制，通过AC-DC变换电路M201和DC-AC-DC电路M202进行底层控制，从而实现两级分层控制，具有较大的灵活性，降低了成本，提高了可靠性。

附图说明

图1为本实用新型模块化电动汽车车载充电机的结构原理图。

图2为本实用新型模块化电动汽车车载充电机的开关电源组中每个开关电源单元的内部结构原理图。

图3为本实用新型模块化电动汽车车载充电机的开关电源组的串联和并联等效电路示意图。

图4为本实用新型模块化电动汽车车载充电机的线性电源汇集模块的内部结构原理图。

图5为本实用新型模块化电动汽车车载充电机输出电压的卡边控制原理图。

图6为本实用新型模块化电动汽车车载充电机的充电流程示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本实施例的模块化电动汽车车载充电机包括充电辅助电源M102、开关电源组M103、线性电源汇集模块M104以及主控制器M105，所述充电机辅助电源M102的主控芯片采用带PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)的单端正激PWM控制芯片FAN4800A，可获得较高的功率因数与较低的总谐波失真，当充电辅助电源M102连接地面充电设备M101时，所述地面充电设备M101为充电桩，输出电压为220V交流市电，可使充电辅助电源M102输出±15V／0.2A、5V／0.5A和36V／2A的直流电源，其中36V直流电源供其它车载设备使用，当整车所有电池都没电时，可以启动必要的车载设备，如仪表盘M107；而±15V和5V用于给线性电源汇集模块M104和主控制器M105供电；所述主控制器M105通过控制引导电路与地面充电设备M101连接，所述主控制器M105通过CAN总线分别与充电电池模块M106和仪表盘M107连接，所述充电电池模块M106包括充电电池和与充电电池连接的BMS(BatteryManagement System，电池管理系统)，所述主控制器M105通过控制引导电路可以获得地面充电设备M101当前容许的功率(插座电流)，所述主控制器M105通过CAN总线可以获取BMS的充电电池状态信息和仪表盘M107的充电设置信息(由用户所设置)，所述线性电源汇集模块M104分别与开关电源组M103和主控制器M105连接，所述开关电源组M103由四个开关电源单元通过串联和并联组成，所述每个开关电源单元通过RS-485总线与主控制器M105连接，所述开关电源组M103和线性电源汇集模块M104在上电后作为从控制器运行，等待主控制器M105的控制命令，按照主控制器M105设定的工作方式和工作参数运行。

如图1和图2所示，所述每个开关电源单元包括带PFC的AC-DC变换电路M201、具有全桥逆变和同步整流的DC-AC-DC电路M202、开关电源单元控制器M203和开关电源单元辅助电源M204，所述AC-DC变换电路M201与DC-AC-DC电路M202连接，所述开关电源单元控制器M203分别与AC-DC变换电路M201和DC-AC-DC电路M202连接，所述开关电源单元控制器M203由单片机及其外围电路含有单元输出电压及输出电流测量电路，输出电压测量部分采用电阻分压，输出电流测量部分采用两个康铜毫欧电阻并联)组成，所述单片机采用STM32F100芯片；所述开关电源单元辅助电源M204采用反激开关电源和LDO稳压器组成的拓扑结构，通过连接地面充电设备M101输出15.2V、11.6V和5V直流电源，其中15.2V直流电源用于给AC-DC变换电路M201供电，所述AC-DC变换电路M201采用UC3855B作为主控制芯片，具有PFC和软开关功能；11.6V直流电源用于给DC-AC-DC电路M202供电，所述DC-AC-DC电路M202采用ISL6754作为主控制芯片，具有ZVS(Zero Voltage Switch，零电压开关)软开关的全桥逆变和同步整流功能；5V直流电源用于给单片机的外围电路供电，5V直流电源经过LDO稳压器得到3.3V直流电源，该3.3V直流电源用于给单片机供电；所述AC-DC变换电路M201的输出电压，即逆变前的直流母线电压，可以在310V～410V之间微调，调节方法是在UC3855B芯片的反馈回路中串联由线性运放构成的减法器，把原反馈信号(直流母线电压的分压信号)与单片机的DAC转换器输出的信号相减后作为UC3855B的反馈信号，通过单片机的DAC转换器输出电压达到调节直流母线电压的目的，直流母线电压的可调节提高了开关电源单元在输出电压范围的效率；所述DC-AC-DC电路M202的输出电压由单片机通过另一路DAC转换器来设定，该输出电压的设定值与输出电压的测量值由差分放大器求出误差电压，作为ISL6754芯片的误差电压输入，实现大范围输出电压调节；所述开关电源单元控制器M203进行上层控制，所述AC-DC变换电路M201和DC-AC-DC电路M202进行底层控制，从而实现两级分层控制，具有较大的灵活性，降低了成本，提高了可靠性。

所述开关电源组M103的串联和并联等效电路如图3所示，M301～M304为每个开关电源单元的输出等效电路，是一个倍流整流电路，能显著减少纹波。以其中一个开关电源单元M301为例，包括输出开关变压器T311、第一电感L311、第二电感L312、电解电容C311、第一二极管D311以及第二二极管D312；所述输出开关变压器T311工作时，输出开关变压器T311的正半波通过第一电感L311、电解电容C311和第二二极管D312形成回路，把能量储存在第一电感L311和电解电容C311中，并向负载供电，同时前半波中第二电感L312中储存的能量，通过第二二极管D312继续转移到电解电容C311和负载中；输出开关变压器T311的负半波通过第二电感L312、电解电容C311和第一二极管D311形成回路，把能量储存在第二电感L312和电解电容C311中，并向负载供电，同时前半波储存在第一电感L311中的能量，通过第一二极管D311继续转移到电解电容C311和负载中，两路电流叠加，构成倍流整流电路；开关电源单元M301中的第一二极管D313正常时反向工作，若该开关电源单元M301故障，电解电容C311可以作为与之并联的其它开关电源单元的储能电容；若并联的所有开关电源单元都故障，则电解电容C311被反向充电，此时第二二极管D312一方面保护了电解电容C311，另一方面提供给串联的开关电源单元一个电流通道，不影响串联开关电源单元的工作，开关电源组M103的输出电路具有容错功能；每个开关电源单元的输出电压和输出电流由主控制器M105设定，保证并联开关电源单元均流、串联开关电源单元均压，减少功率集中，提高车载充电机的可靠性。

如图1和图4所示，所述线性电源汇集模块M104包括线性光电隔离器M401、数字光电隔离器M402、输出电压控制器M403、执行器404、主输出电压及输出电流测量电路M405、报警及其信号锁存电路M406、SPI接口多通道ADC电路M407以及功率管温度测量电路M408，所述执行器404由功率管驱动电路和功率管组成，所述功率管采用IGBT器件，所述线性电源汇集模块M104通过线性光电隔离器M401、数字光电隔离器M402与主控制器M105之间进行光电隔离；所述线性光电隔离器M401采用LOC111P光电隔离器，用于通过主控制器M105设定线性电源汇集模块M104的输出电压(即车载充电机的输出电压)，所述LOC111P光电隔离器、输出电压控制器M403和执行器M404依次连接；所述数字光电隔离器M402采用TLP113光电隔离器和ILD74光电隔离器，所述TLP113光电隔离器与SPI接口多通道ADC电路M407连接，所述ILD74光电隔离器与报警及其信号锁存电路M406连接；所述主输出电压及输出电流测量电路M405用于测量输出电压和输出电流，输出电压采用精密电阻分压测量，输出电流采用霍尔电流传感器测量，所述主输出电压及输出电流测量电路M405采集的输出电压测量值发送给输出电压控制器M403，所述输出电压控制器M403采用由线性运放组成的模拟PI控制器，输出电压设定值和输出电压测量值求差后，由所述模拟PI控制器运算得到功率管的驱动电压，并由功率管驱动电路驱动功率管产生线性电源汇集模块M104的输出电压，功率管温度测量电路M408采用温度传感器LM235Z，安放在功率管与散热片附近，用于测量功率管的工作温度；所述主输出电压及输出电流测量电路M405采集的输出电压测量值和输出电流测量值，以及温度测量电路M407采集的功率管温度测量值，发送给报警及其信号锁存电路M406，所述报警及其信号锁存电路M406由比较器和D锁存器组成，通过比较器判断输出电压、输出电流或功率管温度是否为异常状态(线性电源汇集模块M104的输出电压异常为输出电压测量值大于线性电源汇集模块M104的输出电压设定值，线性电源汇集模块M104的输出电流异常为线性电源汇集模块M104的输出电流值大于容许的插座电流值，功率管温度异常为功率管温度的测量值大于功率管的最大工作温度参数功率管温度异常为功率管温度的测量值大于功率管的最大工作温度参数)，若为异常状态，由D锁存器对异常状态进行锁存，并将异常状态信号发给主控制器M105进行报警，同时将异常状态信号发给输出电压控制器M403，使功率管断开，保证车载充电机的安全，通过主控制器M105可以将报警状态清除；所述主输出电压及输出电流测量电路M405采集的输出电压测量值和输出电流测量值、功率管温度测量电路M408采集的功率管温度测量值，以及功率管的驱动电压发送给SPI接口多通道ADC电路M407进行数据化测量，所述SPI接口多通道ADC电路M407采用AD转换器ADS1118，主控制器M105通过SPI接口完成ADS1118的配置和读取转换结果。

如图1、图4和图5所示，本实施例的车载充电机输出电压的卡边控制由通过执行器M404耦合的第一控制回路Loop501和第二控制回路Loop502协作完成，所述第一控制回路Loop501由输出电压控制器M403、执行器M404和充电电池构成，设定值Uosv由车载充电机的主控制器M105确定，测量值Uopv通过主输出电压及输出电流测量电路M405获得，所述输出电压控制器M403根据设定值Uosv和测量值Uopv的误差运算得到功率管的驱动电压，执行器M404的功率管驱动电路通过该驱动电压驱动功率管，得到所需要的充电电压，供充电电池工作；为了提高能量转换效率，减少功率管温升，要求功率管工作在饱和区，这由第二控制回路Loop502控制Uosm趋近Uopv+Uces来完成，Uces为功率管的饱和压降；所述第二控制回路Loop502由主控制器M105、开关电源组M103和执行器M404构成，Ugsv为根据功率器件确定的饱和导通工作点，若Ugco偏离Ugsv，说明Uosm偏离Uopv+Uces，需要调整开关电源组M103的输出Uosm，由主控制器M105通过RS-485总线设定每个开关电源单元的输出来实现；所述开关电源组M103和线性电源汇集模块M104可以分别实现AC-DC开关电源和DC-DC线性电源两级可调稳压，不仅精度高，同时也实现了高效率电能转换和快速保护。

如图1-图6所示，本实施例的模块化电动汽车车载充电机的充电过程，包括以下步骤：

Step601、车载充电机的插头连接地面充电设备M101的插座，充电辅助电源M102开始工作，主控制器M105上电初始化；

Step602、主控制器M105通过控制引导电路采集地面充电设备M101的控制引导信息，获取容许的插座电流值；

Step603、主控制器M105通过CAN总线获取BMS的充电电池状态信息和仪表盘M107的充电设置信息；

Step604、根据步骤Step603获取的信息判断充电电池是否已完成充电，若已完成充电，进入步骤Step605；否则，进入步骤Step606；

Step605、主控制器M105出现充电完成的指示，停止充电，返回步骤Step602；

Step606、通过主输出电压及输出电流测量电路M405采集线性电源汇集模块M104的输出电压和输出电流，以及通过功率管温度测量电路M408采集执行器M404中的功率管温度；

Step607、通过报警及其信号锁存电路M406判断Step606所采集的输出电压、输出电流或功率管温度是否异常，若是，进入步骤Step608；否则，进入步骤Step609；

Step608、报警及其信号锁存电路M406将异常状态信号发给主控制器M105进行报警，同时把异常状态信号发给输出电压控制器M403使执行器M404的功率管断开，等待主控制器M105清除报警状态后，返回步骤Step602；

Step609、主控制器M105根据充电设置信息控制开关电源组M103和线性电源汇集模块M104的输出电压继续对充电电池充电，完成后返回步骤Step602。

以上所述，仅为本实用新型专利优选的实施例，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型专利构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。

Claims

1.模块化电动汽车车载充电机，其特征在于：包括充电辅助电源、开关电源组、线性电源汇集模块以及主控制器，所述充电辅助电源通过连接地面充电设备输出用于给线性电源汇集模块和主控制器供电的直流电源，所述线性电源汇集模块分别与开关电源组和主控制器连接，所述开关电源组由多个开关电源单元通过串联和并联组成，所述每个开关电源单元通过RS-485总线与主控制器连接；所述主控制器通过控制引导电路与地面充电设备连接，所述主控制器通过CAN总线分别与充电电池模块和仪表盘连接，所述充电电池模块包括充电电池和与充电电池连接的BMS。

2.根据权利要求1所述的模块化电动汽车车载充电机，其特征在于：所述每个开关电源单元包括带PFC的AC-DC变换电路、具有全桥逆变和同步整流的DC-AC-DC电路、开关电源单元控制器和开关电源单元辅助电源，所述开关电源单元辅助电源采用反激开关电源和LDO稳压器组成的拓扑结构，并通过连接地面充电设备输出用于给AC-DC变换电路、DC-AC-DC电路以及开关电源单元控制器供电的直流电源；所述AC-DC变换电路与DC-AC-DC电路连接，所述开关电源单元控制器分别与AC-DC变换电路和DC-AC-DC电路连接。

3.根据权利要求2所述的模块化电动汽车车载充电机，其特征在于：所述AC-DC变换电路采用UC3855B作为主控制芯片，该芯片的反馈回路中串联由线性运放构成的减法器。

4.根据权利要求2所述的模块化电动汽车车载充电机，其特征在于：所述DC-AC-DC电路采用ISL6754作为主控制芯片，该芯片与开关电源单元控制器之间连接有差分放大器。

5.根据权利要求2所述的模块化电动汽车车载充电机，其特征在于：所述每个开关电源单元的等效电路为一个倍流整流电路，包括输出开关变压器、第一电感、第二电感、电解电容、第一二极管以及第二二极管；所述输出开关变压器工作时，其正半波通过第一电感、电解电容以及第二二极管形成回路，负半波通过第二电感、电解电容以及第一二极管形成回路。

6.根据权利要求1所述的模块化电动汽车车载充电机，其特征在于：所述线性电源汇集模块包括线性光电隔离器、数字光电隔离器、输出电压控制器、执行器、主输出电压及输出电流测量电路、报警及其信号锁存电路、SPI接口多通道ADC电路以及功率管温度测量电路，所述执行器由功率管驱动电路和功率管组成；所述线性光电隔离器、输出电压控制器和执行器依次连接，所述主输出电压及输出电流测量电路和报警及其信号锁存电路分别与输出电压控制器连接，所述主输出电压及输出电流测量电路和功率管温度测量电路分别与报警及其信号锁存电路连接，所述SPI接口多通道ADC电路分别与执行器、主输出电压及输出电流测量电路、功率管温度测量电路和数字光电隔离器连接，所述数字光电隔离器与报警及其信号锁存电路连接。

7.根据权利要求6所述的模块化电动汽车车载充电机，其特征在于：所述输出电压控制器、执行器和充电电池构成第一控制回路，所述主控制器、开关电源组和执行器构成第二控制回路，所述第一控制回路和第二控制回路协作完成线性电源汇集模块输出电压的卡边控制。

8.根据权利要求2所述的模块化电动汽车车载充电机，其特征在于：所述地面充电设备的输出电压为220V交流市电，所述充电辅助电源通过连接地面充电设备输出±15V、5V和36V直流电源，其中±15V和5V直流电源用于给线性电源汇集模块和主控制器供电，36V直流电源供其它车载设备使用；所述开关电源单元辅助电源通过连接地面充电设备输出15.2V、11.6V和5V直流电源，其中15.2V直流电源用于给AC-DC变换电路供电，11.6V直流电源用于给DC-AC-DC电路供电，5V直流电源以及该5V直流电源经过LDO稳压器得到的3.3V直流电源用于给开关电源单元控制器供电。