CN204732948U - 基于能量回馈的大功率数字化变频正负脉冲快速充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于能量回馈的大功率数字化变频正负脉冲快速充电系统，包括工频交流输入电网、大功率充电主电路、四阶段快速充电控制电路、变频正负脉冲产生电路、负脉冲放电能量回馈电路和电池负载；大功率充电主电路的输入端与工频交流输入电网连接；大功率充电主电路的输出端与变频正负脉冲产生电路连接；变频正负脉冲产生电路与电池负载连接；负脉冲放电能量回馈电路的输入端与变频正负脉冲产生电路连接；负脉冲放电能量回馈电路的输出端与工频交流输入电网连接；本实用新型在有效地消除以浓差极化为主的极化问题条件下，达到高效充电，提高蓄电池寿命，同时负脉冲放电能量回馈系统实现能量回收。

Description

基于能量回馈的大功率数字化变频正负脉冲快速充电系统

技术领域

本实用新型涉及电动汽车快速充电及能量回馈领域，特别涉及一种基于能量回馈的大功率数字化变频正负脉冲快速充电系统。

背景技术

作为电动汽车核心组成的蓄电池是决定整车性能的关键因素，其性能直接影响电动汽车的动力能力和续航能力。然而作为蓄电池能源补充的充电环节目前在充电速度以及充电效果上都不能满足实际要求，甚至有些充电技术为加快充电速度将放电去极化的能量白白浪费掉，这违背了节能环保的设计初衷。

随着大功率全控功率器件的发展以及数字化控制在电力电子技术领域的成功应用，出现了传统的电子负载，它广泛用于电源能源的测量设备中作为等效负载。其中，能量回馈型电子负载，是以高频电能变换理论为基础，运用能量反馈的方法将各种待测试或进入试运行阶段的独立交、直流供电设备所输出的能量循环使用。它既完成了特定负载的功能，实现对输出电流大范围的调节，模拟各种阻抗的负载，可使被测电源工作在纯阻性、阻感性或阻容性负载的模式下；同时又把无谓消耗在传统静态负载和一般电子负载中的能量，通过一系列变换，以标准工频正弦波的形式将被测电源的输出电能回馈至电网，负载能量的循环使用率可达80％以上，从而大大节约了能源的无谓消耗和电费的支出，具有广阔的应用前景。

经对现有技术文献的检索发现，“间歇-正负脉冲蓄电池快速充电方法的研究”(吴铁洲，白婷，胡丽平，李子龙.间歇-正负脉冲蓄电池快速充电方法的研究.电子器件，2014，37(12)：1245-1250)，提出了间歇-正负脉冲充电法，依据析气点电压和极化电压监测蓄电池极化状况，采用两种模糊控制器，分别确定间歇-正负脉冲充电法中的正负脉冲宽度，采用交替充电和放电减少或消除充电过程中的极化现象，但是采用的是固定频率的正负脉冲，没有采用变频正负脉冲快速充电方法和实现负脉冲放电能量回馈。

实用新型内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本实用新型提供一种基于能量回馈的大功率数字化变频正负脉冲快速充电系统。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于能量回馈的大功率数字化变频正负脉冲快速充电系统，包括工频交流输入电网、大功率充电主电路、四阶段快速充电控制电路、变频正负脉冲产生电路、负脉冲放电能量回馈电路和电池负载；

所述大功率充电主电路的输入端与工频交流输入电网连接；所述大功率充电主电路的输出端与变频正负脉冲产生电路连接；所述变频正负脉冲产生电路与电池负载连接；所述负脉冲放电能量回馈电路的输入端与变频正负脉冲产生电路连接；所述负脉冲放电能量回馈电路的输出端与工频交流输入电网连接；

所述大功率充电主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块；

所述四阶段快速充电控制电路包括DSP数字化控制模块、MOSFET高频驱动模块、IGBT驱动模块和电流电压采样及信号处理模块；

所述变频正负脉冲产生电路包括变频正负脉冲产生模块；

所述负脉冲放电能量回馈电路包括依次电气连接的滤波模块、Boost升压模块和并网逆变模块。

所述MOSFET高频驱动模块的输入端、IGBT驱动模块的输入端和电流电压采样及信号处理模块的输出端均与DSP数字化控制模块连接，其中电流电压采样及信号处理模块具体为三个，其输入端分别与高频逆变模块、并网逆变模块及Boost升压模块连接；

所述MOSFET高频驱动模块具体为2个，其输出端分别与高频逆变模块及Boost升压模块连接。

所述Boost升压模块由升压斩波电路构成，所述正负脉冲产生模块包括正脉冲输出电路和负脉冲输出电路。

所述并网逆变模块采用电压型全桥逆变器的拓扑结构。

所述四阶段快速充电控制电路由DSP数字化控制模块控制实现预充电、正负脉冲快速充电、补足充电及浮充电四个阶段脉冲快速充电。

具体为：

对电池采用稳定小电流预充电，使电池电压逐步上升到接受大电流充电的阈值时进入正负脉冲快速充电；

采用正向大电流和负向脉冲进行正负脉冲快速充电，当电池两端电压上升到一定值时控制切换到补足充电阶段，此阶段采用恒压充电，充电电流逐渐减小，当电流下降到某一阈值时，转到浮充阶段；

所述变频正负脉冲产生电路通过检测电池充电状况，根据电池电压实时改变充电脉冲的充电电流与充电脉冲频率实现对充电过程中的正负脉冲进行有效调制，即用高频脉冲对低频脉冲进行调制，使单位脉冲的强度在强弱以及正负之间周期性切换。由于变频电流对原来充电电流和放电电流进行调制，使单位脉冲的强度在高频脉冲和低频脉冲之间周期性切换。

所述变频正负脉冲产生电路对变频正负脉冲进行实时调节，通过IGBT驱动模块对指定I/O端口输出的高低电平放大，控制IGBT管的开启与关断，从而实现正脉冲电流与负脉冲电流的输出，通过二极管防电池反接，控制负脉冲放电方向。

所述负脉冲放电能量回馈电路采用能量回馈型电子负载拓扑，将产生的负脉冲通过升压和逆变产生与工频交流输入电网幅值和相位一致的输出，且并回电网。

所述并网逆变模块通过SPWM控制单相并网逆变电路MOSFET的开通和关断。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

(1)变频正负脉冲快速充电系统在消除以浓差极化为主的极化问题条件下，达到高效充电，提高蓄电池寿命。通过对充电过程中的正负脉冲进行有效调制，使单位脉冲的强度在强弱以及正负之间低频周期性切换，得到特定的能有效减少充电阻力的周期性变化的强弱脉冲群和正负脉冲群，打破电池的固有充电曲线，从而使充电时间大大缩短；

(2)负脉冲放电能量回馈系统实现能量回收。现有的正负脉冲快速充电系统只能通过放电电阻进行放电，这样会有一部分能量损失在放电电阻上。本实用新型能量回馈并网系统将放电电流通过该系统逆变回电网，达到高效节能的效果；

(3)系统稳定，响应速度快，控制精度高，性能好，可靠性高；该系统以数字信号处理器DSP为核心，通过软件编程，使系统实现稳定、可靠的大功率输出，此外，本实用新型还采用了电流电压反馈的数字化控制技术，采用了DSP技术和开关电源充电，使系统的动态特性优良、控制精度高，系统稳定，充电时安全性高，可靠性高。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型大功率充电主电路图；

图3是本实用新型四阶段快速充电控制电路各阶段电流波形图；

图4为本实用新型变频正负脉冲电流波形图；

图5是本实用新型的变频正负脉冲产生模块电路图；

图6是本实用新型Boost升压电路图；

图7是本实用新型并网逆变模块电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种基于能量回馈的大功率数字化变频正负脉冲快速充电系统，包括工频交流输入电网、大功率充电主电路、四阶段快速充电控制电路、变频正负脉冲产生电路、负脉冲放电能量回馈电路和电池负载；

所述大功率充电主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块101、高频逆变模块102、功率变压模块103和输出整流滤波模块104；

所述四阶段快速充电控制电路包括DSP数字化控制模块106、MOSFET高频驱动模块107、IGBT驱动模块108和电流电压采样及信号处理模块112；所述变频正负脉冲产生电路包括变频正负脉冲产生模块105；所述负脉冲放电能量回馈电路包括依次电气连接的滤波模块109、Boost升压模块110和并网逆变模块111；所述工频交流输入电网是220V交流电；

所述大功率充电主电路的输入端与工频交流输入电网连接；所述大功率充电主电路的输出端与变频正负脉冲产生电路连接；所述变频正负脉冲产生电路与电池负载连接；所述负脉冲放电能量回馈电路的输入端与变频正负脉冲产生电路连接；所述负脉冲放电能量回馈电路的输出端与工频交流输入电网连接；

所述DSP数字化控制模块106分别与MOSFET高频驱动模块107的输入端、IGBT驱动模块108的输入端及电流电压采样及信号处理模块112的输出端相连接；所述MOSFET高频驱动模块107的输出端与高频逆变模块102的输入端、Boost升压模块110的输出端和并网逆变模块111的输入端连接；所述IGBT驱动模块108的输出端与变频正负脉冲产生模块105的输入端连接；所述电流电压采样及信号处理模块112的输入端与高频逆变模块102的输出端、Boost升压模块110的输出端和并网逆变模块111的输出端连接；

所述变频正负脉冲产生模块105对变频正负脉冲进行实时调节，通过IGBT驱动模块对指定I/O端口输出的高低电平放大，控制IGBT管的开启与关断，从而实现正脉冲电流与负脉冲电流的输出，通过二极管防电池反接，控制负脉冲放电方向；

所述MOSFET高频驱动模块107通过控制功率器件MOSFET开关管的开关时间驱动高频逆变模块和Boost升压模块；

所述IGBT驱动模块108通过控制功率器件IGBT开关管的开通与关断驱动变频正负脉冲产生模块；

所述并网逆变模块111通过SPWM控制单相并网逆变电路MOSFET的开通和关断，从而得到与工频交流输入电网一致的交流电；

所述DSP数字化控制模块106通过A/D转换，将采集到的电流和电压信号送到数字信号处理器中，数字信号处理器通过PI算法对大功率充电主电路的电流和电压进行闭环控制，产生需要的移相PWM波形，经MOSFET高频驱动模块控制功率器件MOSFET开关管的导通和关断时间，控制电流和电压，驱动高频逆变模块以及并网逆变模块。

同时，所述DSP数字化控制模块106通过定时器周期中断给定时序对指定I/O端口进行高低电平的转换，从而通过IGBT驱动模块控制功率器件IGBT的开通与关断，以达到产生正负脉冲电流的目的，实现数字化控制；

图2是本实用新型大功率充电主电路图，采用移相全桥软开关主电路拓扑，由整流滤波电路，全桥结构电路，隔离变压器，全波输出整流电路，滤波电容和负载组成，其中D1-D4为220V交流输入整流二极管，L1、C1和C2组成输入滤波电路，Q1-Q4为4个MOSFET开关管，每个开关管上带有寄生二极管和寄生电容，L2是谐振电感，D5-D8为输出整流二极管，电感L3、电容C8和C9组成输出滤波电路。Q1和Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2和Q4组成的桥臂为滞后桥臂，每个桥臂的2个功率管成180°互补导通，两个桥臂之间的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节该移相角就可以调节输出电流和电压。高频变换器回路中主功率开关管的寄生电容和隔离变压器的寄生电感、漏感以及谐振电感等构成了一个LC谐振回路，在功率开关器件开关过程中实现零电压谐振换流，使其工作在软开关状态，开关损耗低，器件的电磁应力大幅减少。

图3是本实用新型四阶段快速充电控制电路各阶段电流波形图。本实用新型通过DSP控制器编程实现预充电、正负脉冲快速充电、补足充电和浮充电四阶段脉冲快速充电方法。四个充电阶段转换时机确定以及各阶段充电参数的计算和控制DSP程序控制实现。

对于长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的电池进行充电时，一开始就采取快速充电会影响电池的寿命。为了避免这一问题要先对电池实行稳定小电流预充电，使电池电压上升，当电池电压升到能接受大电流充电的阈值时再进入正负脉冲快速充电阶段。

正负脉冲快速充电采用正向大电流和负向脉冲有效地克服了充电过程中电池的电阻性极化反应、浓差性极化反应、电极板极化反应，避免电池在充电过程中电极板上的板粒结晶，激化惰性或死亡的活性分子使电能以高效率进行转移。当负离电场对电池发生作用时，有效的控制电池的温升，减少电池内气泡的产生，使电池在最低内阻下进行充电，实现被充电池内部介质的平衡和对极板的维护，实现低温大电流的平衡充电。

正负脉冲快速充电阶段，电池两端电压上升到一定值时由程序控制切换到补足充电阶段。此阶段充电采用恒压充电，可使电池容量快速恢复。此时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阈值时，转入浮充阶段。

浮充阶段主要用来补充电池自放电所消耗的能量，只要在电池接在充电器上并且充电器接通电源，充电器就会给电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。此时也标志着充电过程已结束。

图4为本实用新型变频正负脉冲电流波形图。脉冲充电由于在充电的过程中，析气和极化问题可以得到解决，因此这种充电方式还可以提高电池的使用寿命。然而，由于电池的充电过程是一个复杂的电化学过程，影响充电的因素有很多，电解液浓度、极板活性物质浓度、环境温度等都会对充电产生影响。即使对于同型号同容量的同类电池的充电也会随着放电状态、使用和保存期的不同而大不一样。因此这种固定频率的脉冲充电方式并不能很好的满足实际的需要。

为此本实用新型在普通脉冲充电方法的基础上提出变频正负脉冲充电方法。该方法通过对充电过程中的正负脉冲进行有效调制，用高频脉冲2对不同脉冲参数的低频脉冲1进行调制，所述低频脉冲1具有低频、小电流、大占空比，所述高频脉冲2具有高频、大电流及小占空比，使单位脉冲的强度在强弱以及正负之间周期性切换。由于变频电流对原来充电电流和放电电流进行调制，使单位脉冲的强度在高频脉冲2和低频脉冲1之间周期性切换，得到特定的能有效减少充电阻力的周期性变化的强弱脉冲群和正负脉冲群，更好地消除了电池的极化，打破电池的固有充电曲线，使电池始终处于最优的电流接受状态，缩短其充电时间，提高充电速度和效率。

通过实时监测系统监测被充电池端电压、温度、被充电电池动态内阻、充电电流等信息，动态调整脉冲频率f₁和f₂，由于充电脉冲宽度、间歇和放电脉冲宽度及各自的脉冲频率都是动态调整的，因此在充电的过程中可以使电池内部压力、温度和阻抗有效降低，提高了充电效率和电池的充电接受能力，从而使充电时间大大缩短。

图5为本实用新型变频正负脉冲产生模块电路图，包括正脉冲输出电路和负脉冲输出电路，所述正脉冲输出电路由IGBT开关管V1构成，所述负脉冲输出电路由IGBT开关管V2和二极管D9、D10构成。

本实用新型通过DSP数字控制模块106产生定时器周期中断，并根据程序规定的时序实现正负脉冲控制I/O端口的输出高低电平转换，经过IGBT驱动模块108的放大后，实现对正负脉冲的控制。在正脉冲产生阶段，DSP数字控制模块106控制I/O端口I/O1输出高电平和I/O2输出低电平并经IGBT驱动模块108放大，从而控制开通IGBT管V1和关断IGBT管V2，实现正脉冲电流对电池负载的充电。在负脉冲产生阶段，DSP数字控制模块106控制I/O端口I/O1输出低电平和I/O2输出高电平并经IGBT驱动模块放大，从而控制关断IGBT管V1和开通IGBT管V2，电池负载放电，瞬时释放大幅度放电电流，即形成负脉冲放电电流，从而消除电池的析气极化现象，高效利用充电电流，降低损耗率。二极管D9、D10用于防电池反接，控制负脉冲放电的方向。

图6为本实用新型Boost升压模块电路图。Boost升压模块由升压斩波电路组成，电感L4储能使电压泵升，电容C14和C15作为滤波器保持电压；根据反馈电压的大小实时调整DSP嵌入式处理器定时器比较单元寄存器参数，改变PWM的占空比，从而改变MOSFET开关管的导通比，使Boost升压模块102稳定地输出直流电压。

图7为本实用新型并网逆变模块电路图。作为优选实施方式，并网逆变模块111采用电压型全桥逆变器的拓扑结构，电压型全桥逆变器由直流侧并联储能电容和全桥结构电路组成，其中Q6～Q9为4个MOSFET开关管，每个开关管上带有寄生二极管和寄生电容。它共有4个桥臂，桥臂Q6和Q9作为一对，桥臂Q7和Q8作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°。电压型全桥逆变器能有效提高系统的动态响应性能和直流电压利用率，且可以工作于单极性倍频方式，可以用较小的滤波器获得较好的输出纹波性能，对提高系统性能有较大的作用。

作为优选实施方式，为获得质量较好的滤波效果，输出滤波模块采用LC结构，滤波器由电感和电容组成，其结构简单，并且控制容易实现。

通过移相全桥主电路和DSP数字化控制技术实现大功率充电主电路和四阶段快速充电控制系统。通过对充电过程中的正负脉冲进行有效调制，使单位脉冲强度在强弱以及正负之间低频周期性切换，得到特定的能有效减少充电阻力的周期性变化的强弱脉冲群和正负脉冲群。以变频脉冲代替传统固定频率脉冲实时去极化，打破蓄电池的固有充电曲线，缩短其充电时间；另一方面，将负脉冲去极化过程中释放的能量通过能量回馈系统进行能量回收，在负脉冲充电停歇去极化时将能量回馈到电网，进一步完善节能效果。它克服了现有常规的恒压充电装置和恒流充电装置充电手段单一造成充电过程对蓄电池损耗大，充电时间长，无法真正快速充电，以及现有正负脉冲快速充电方法在充电过程中固有频率脉冲输出不能很好地满足蓄电池充电特性和能量浪费等缺点，改进当前充电系统带来的不足，解决充电快速性和充电节能的问题。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于能量回馈的大功率数字化变频正负脉冲快速充电系统，其特征在于，包括工频交流输入电网、大功率充电主电路、四阶段快速充电控制电路、变频正负脉冲产生电路、负脉冲放电能量回馈电路和电池负载；

所述大功率充电主电路的输入端与工频交流输入电网连接；所述大功率充电主电路的输出端与变频正负脉冲产生电路连接；所述变频正负脉冲产生电路与电池负载连接；所述负脉冲放电能量回馈电路的输入端与变频正负脉冲产生电路连接；所述负脉冲放电能量回馈电路的输出端与工频交流输入电网连接；

所述大功率充电主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块；

所述四阶段快速充电控制电路包括DSP数字化控制模块、MOSFET高频驱动模块、IGBT驱动模块和电流电压采样及信号处理模块；

所述变频正负脉冲产生电路包括变频正负脉冲产生模块；

所述负脉冲放电能量回馈电路包括依次电气连接的滤波模块、Boost升压模块和并网逆变模块。

2.根据权利要求1所述的快速充电系统，其特征在于，所述MOSFET高频驱动模块的输入端、IGBT驱动模块的输入端和电流电压采样及信号处理模块的输出端均与DSP数字化控制模块连接，其中电流电压采样及信号处理模块具体为三个，其输入端分别与高频逆变模块、并网逆变模块及Boost升压模块连接；

所述MOSFET高频驱动模块具体为2个，其输出端分别与高频逆变模块及Boost升压模块连接。

3.根据权利要求1所述的快速充电系统，其特征在于，所述Boost升压模块由升压斩波电路构成，所述正负脉冲产生模块包括正脉冲输出电路和负脉冲输出电路。

4.根据权利要求1所述的快速充电系统，其特征在于，所述并网逆变模块采用电压型全桥逆变器的拓扑结构。