CN218471168U - 一种家用电动汽车充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种家用电动汽车充电系统，其包括主回路和控制电路，主回路包括输入整流滤波模块、LLC谐振半桥变换器、功率变压器模块和输出整流滤波模块，控制电路包括输入电压采样电路、DSP模块、驱动电路和输出电压电流采样电路。采用上述技术方案后，本实用新型的家用电动汽车充电系统可控制合适的输出功率，在安全用电的情况下保证充电系统对家用电动汽车的正常工作。

Description

一种家用电动汽车充电系统

技术领域

本实用新型涉及电子信息技术领域，特别是一种家用电动汽车充电系统。

背景技术

目前新能源电动汽车充电技术主要有大功率电动汽车充电机(快速充电模式)和交流充电桩(常规充电模式)。

大功率电动汽车充电机，通过三相电网输入交流电，经过三相式不可控整流变成直流电，滤波后提供给高频DC-DC功率变换器，功率变换器经过直直变换输出需要的直流，再次滤波后为电动汽车动力蓄电池充电。

交流充电桩的交流工作电压220V±15％，额度输出功率3.5KW、7KW，普通纯电动轿车用充电桩充满电需要4-5个小时，由于充电桩造价低廉、主要安装在停车场，适用于慢充动力电池。

家用电动汽车充电技术主要是用交流充电桩，常采用全桥LLC串联谐振电路或半桥LLC串联谐振电路，传统的技术常选用固定的专用芯片产生PWM(脉宽调节)，控制占空比以达到控制调节MOS开关关断和导通，采用串联谐振变换器或者并联谐振变换器作为主要的拓扑结构。开关管的器件选择一般选用Si功率器件或者IGBT功率器件。

目前日常家用的电路一般都会存在一个问题，随着大功率用电器的使用会造成电网输入家里到用电器的电压有波动，如果输入到用电器的电压值降低过大会造成家用用电器不能正常工作，电压比较低的时候会造成用电损耗增加，电压比较高的时候可能会造成用电器损坏，造成经济损失。

现有的家用电动汽车充电系统，一般输出功率相对较大，对于所有的家用用电线路安全有一定要求，用电功率较大会导致用电电流增加，用电线路的压降增大，损耗增加，发热增加，有可能导致用电电压降低导致达不到用电器的正常工作电压，同时由于损耗增加，发热增加会导致用电线路老化加速，会存在安全隐患。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种家用电动汽车充电系统，其可控制合适的输出功率，在安全用电的情况下保证充电系统对家用电动汽车的正常工作。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种家用电动汽车充电系统，包括主回路和控制电路，所述主回路包括依次电连接的输入整流滤波模块、LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块，所述输入整流滤波模块与单相交流输入电网相连接，所述输出整流滤波模块与电池负载相连接；所述控制电路包括DSP模块、驱动电路和输出电压电流采样电路；所述输出电压电流采样电路的采样输入端连接于所述输出整流滤波模块的输出端，所述输出电压电流采样电路的输出端连接所述DSP模块的输入端，所述DSP模块的输出端依次连接所述驱动电路和所述LLC谐振模块；其特征在于：所述LLC谐振模块采用LLC谐振半桥变换器；所述控制电路还包括输入电压采样电路，所述输入电压采样电路的采样输入端连接于所述输入整流滤波模块的输出端，所述输入电压采样电路的输出端连接所述DSP模块的输入端。

所述LLC谐振半桥变换器的开关管采用型号为CI30N120SM的SIC MOSFET。

所述DSP模块的主控芯片采用型号为TMS320F28035的DSP数字信号处理器。

所述驱动电路的驱动芯片采用型号为SI8233BD的隔离式栅极驱动芯片。

所述输入电压采样电路包括包括采样电阻R7，以及依次电连接的电压传感器T3、积分运放电路U1、电压跟随器U2和钳位电路，所述电压传感器T3的输入端连接所述输入整流滤波模块的输出端，所述采样电阻R7并接于所述电压传感器T3的两个输出端之间，所述钳位电路的输出端连接所述DSP模块的输入端，由所述钳位电路输出电压范围值为0-3.3V的输入电压采样信号给所述DSP模块。

所述输出电压电流采样电路中的输出电压采样电路包括采样电阻R25和同向放大器U3，所述采样电阻R25的一端连接于所述输出整流滤波模块的输出端，另一端通过所述输出整流滤波模块的滤波电容连接至所述同向放大器U3的同相输入端，所述同向放大器U3的输出端连接所述DSP模块的输入端，由所述同向放大器U3输出电压范围值为0-3.3V的输出电压采样信号给所述DSP模块。

所述输出电压电流采样电路中的输出电流采样电路包括采样电阻R25和差分放大器U4，所述采样电阻R25的一端分别连接所述输出整流滤波模块的输出端和所述差分放大器U4的反相输入端，所述采样电阻R25的另一端连接至所述差分放大器U4的同相输入端，所述差分放大器U4的输出端连接所述DSP模块的输入端，由所述差分放大器U4输出电压范围值为0-3.3V的输出电流采样信号给所述DSP模块。

采用上述技术方案后，本实用新型的一种家用电动汽车充电系统，工作时，主回路中，单相交流输入电网提供220V交流电给输入整流滤波模块，由输入整流滤波模块进行整流、滤波后输入到LLC谐振半桥变换器进行功率转换，再通过功率变压器模块进行降压，接着通过输出整流滤波模块进行整流、滤波，得到直流电压，给蓄电池充电。控制电路中，通过输入电压采样电路对输入整流滤波模块的输出电压进行采样后传送至DSP模块，通过输出电压电流采样电路对输出整流滤波模块的输出电压电流分别进行采样后传送至DSP模块；DSP模块对所输入的各采样信号进行分析判断后，或是控制其内的PWM信号发生器关断输出脉冲；或是控制其内的PWM信号发生器调节PWM信号的频率或脉宽以调节驱动电路的开关管导通频率及导通时长，来控制LLC谐振半桥变换器的输出电压，以达到输入控制或反馈控制的目的。与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、LLC谐振模块采用LLC谐振半桥变换器，LLC谐振半桥变换器具有输入电压范围宽、功率传输范围广的优点，而且可以在输出端零电阻运中行，并减少了对滤波电容的要求，而且，LLC谐振半桥变换器的价格相对LLC谐振全桥变换器更低廉、结构简单、体积小，后期维修也比较便利，更为适用家用电动汽车的充电。

2、由于LLC谐振半桥变换器要求输入交流电压稳定在220V左右，为了保证其能正常工作，本实用新型特地设置了输入电压采样电路对输入整流滤波模块输出的电压值进行采样，如果输入整流滤波模块输出的电压值高于用电器正常工作电压值，则由DSP控制其内的PWM信号发生器关断输出脉冲，从而控制主回路停止工作，以保护用电器；如果输入整流滤波模块输出的电压值在正常范围内，DSP模块则根据输入整流滤波模块当前输出的电压值控制其内的PWM信号发生器选择合适的输出功率。

进一步地，本实用新型中，所述LLC谐振半桥变换器的开关管采用型号为CI30N120SM的SiC MOSFET。SiC-MOSFET与Si-MOSFET相比，由于漂移层电阻低，通道电阻高，因此具有驱动电压即栅极－源极间电压Vgs越高导通电阻越低的特性，采用碳化硅mosfet(SiC mosfet)具有开关速度快、损耗小的特点，击穿电压强度高(10倍于Si MOSFET)，更宽的能带隙(3倍于Si MOSFET)，热导率高(3倍于Si MOSFET)。

进一步地，本实用新型中，所述DSP模块的主控芯片采用型号为TMS320F28035的DSP数字信号处理器。TMS320F28035运行速度高，成本低，而且控制精度可达十万赫兹，甚至兆赫以上，采用数字式控制，既能实现稳定电压，又能实现各种控制算法以及更好系统的运行效率。

进一步地，本实用新型中，所述驱动电路的驱动芯片采用型号为SI8233BD的隔离式栅极驱动芯片。SI8233BD的低工作标准电压，对环境友好，节约能源，提高生产效率；最大驱动电流高达4.0A，能驱动任意MOS管；具有较高的稳定性。而且，MOSFET的工作频率及输入阻抗高，容易被干扰，本实用新型中通过SI8233BD良好的隔离性能，以实现主回路与控制电路之间的隔离，使之具有较强的抗干扰能力，避免功率电路对控制信号的干扰。

进一步地，本实用新型中，所述输入电压采样电路设有钳位电路，由钳位电路将输出的电压控制在0-3.3V内，防止电压过高损害DSP模块的主控芯片。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型中主回路的电路原理图(省略输入整流滤波模块)；

图3为本实用新型中驱动电路的电路原理图；

图4为本实用新型中输入电压采样电路的电路原理图；

图5为本实用新型中输出电压采样电路的电路原理图；

图6为本实用新型中输出电流采样电路的电路原理图。

具体实施方式

本实用新型的一种家用电动汽车充电系统，如图1-2所示，包括主回路和控制电路，所述主回路包括依次电连接的输入整流滤波模块、LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块，所述输入整流滤波模块与单相交流输入电网(220V交流电)相连接，所述输出整流滤波模块与电池负载相连接。所述控制电路包括DSP模块、驱动电路、输入电压采样电路和输出电压电流采样电路，所述输入电压采样电路的采样输入端连接于所述输入整流滤波模块的输出端，所述输入电压采样电路的输出端连接所述DSP模块的输入端；所述输出电压电流采样电路的采样输入端连接于所述输出整流滤波模块的输出端，所述输出电压电流采样电路的输出端连接所述DSP模块的输入端，所述DSP模块的输出端依次连接所述驱动电路和所述LLC谐振模块。

本实用新型的研究背景为在家庭线路下的使用，因此，LLC谐振模块采用LLC谐振半桥变换器，LLC谐振半桥变换器具有输入电压范围宽、功率传输范围广的优点，而且可以在输出端零电阻运中行，并减少了对滤波电容的要求，而且，LLC谐振半桥变换器的价格相对LLC谐振全桥变换器更低廉、结构简单，体积更小，后期维修也比较便利。

如图2所示，本实用新型中，LLC谐振半桥变换器的开关管Q1、Q2均采用型号为CI30N120SM的SIC MOSFET，SiC MOSFET(碳化硅MOSFET)具有开关速度快、损耗小的特点，其耐压值为1200V，导通电阻为80mΩ，死区电压为2.5V,击穿电压强度高(10倍于Si MOSFET)，更宽的能带隙(3倍于Si MOSFET)，热导率高(3倍于Si MOSFET)。LLC谐振半桥变换器的谐振电容C38、C39和C40、C41分别相并联之后串联，可减小LLC谐振半桥变换器的体积，并提高其耐压性能。

本实用新型中，所述DSP模块的主控芯片采用型号为TMS320F28035的DSP数字信号处理器。TMS320F28035运行速度高，成本低，而且控制精度可达十万赫兹，甚至兆赫以上，采用数字式控制，既能实现稳定电压，又能实现各种控制算法以及更好系统的运行效率。

MOSFET的工作频率及输入阻抗高，容易被干扰，如图3所示，本实用新型中，所述驱动电路的驱动芯片U6采用型号为SI8233BD的隔离式栅极驱动芯片，采用此隔离式栅极驱动芯片对所述LLC谐振半桥变换器的SIC MOSFET进行隔离驱动，以实现主回路与控制电路之间的隔离，使之具有较强的抗干扰能力，避免功率电路对控制信号的干扰。

如图4所示，本实用新型中，所述输入电压采样电路包括采样电阻R7，以及依次电连接的电压传感器T3、积分运放电路U1、电压跟随器U2和钳位电路，钳位电路由电阻R10、电容C9、二极管D17和二极管D18组成，所述采样电阻R7并联于所述电压传感器T3的两个输出端之间，所述电压传感器T3的输入端连接所述输入整流滤波模块的输出端，所述电压传感器T3的输出端通过电阻R6连接至积分运放电路U1的同相输入端，所述积分运放电路U1的输出端通过电阻R9连接至电压跟随器U2的同相输入端，电压跟随器U2的输出端连接所述钳位电路的输入端，所述钳位电路的输出端连接所述DSP模块的输入端，由所述钳位电路输出电压范围值为0-3.3V的输入电压采样信号给所述DSP模块。

本实用新型中，所述输出电压电流采样电路包括输出电压采样电路和输出电流采样电路，如图5所示，所述输出电压采样电路包括采样电阻R25和同向放大器U3，所述采样电阻R25的一端连接于所述输出整流滤波模块的输出端，另一端通过所述输出整流滤波模块的滤波电容(相并联的电容C34、C35、C36)和电阻R32连接至所述同向放大器U3的同相输入端，所述同向放大器U3的输出端连接所述DSP模块的输入端，由所述同向放大器U3输出电压范围值为0-3.3V的输出电压采样信号给所述DSP模块。

如图6所示，所述输出电流采样电路包括采样电阻R25和差分放大器U4，所述采样电阻R25的一端连接所述输出整流滤波模块的输出端并通过电阻R31L连接于所述差分放大器U4的反相输入端，所述采样电阻R25的另一端通过电阻R33连接至所述差分放大器U4的同相输入端，所述差分放大器U4的输出端连接所述DSP模块的输入端，由所述差分放大器U4输出电压范围值为0-3.3V的输出电流采样信号给所述DSP模块。

本实用新型中，输入电压采样电路、输出电压采样电路和输出电流采样电路所输出的采样信号的电压范围值均为0-3.3V，是为了保护DSP模块不受损伤。

本实用新型的工作原理如下：

主回路中，单相交流输入电网提供220V交流电给输入整流滤波模块，由输入整流滤波模块进行整流、滤波后输入到LLC谐振半桥变换器进行功率转换，再通过功率变压器模块进行降压，接着通过输出整流滤波模块进行整流、滤波，得到直流电压，给家用电动汽车的蓄电池充电。

控制电路中，通过输入电压采样电路对输入整流滤波模块的输出电压进行采样，并输出0-3.3V的输入电压采样信号给所述DSP模块；通过输出电压采样电路对输出整流滤波模块的输出电压进行采样，输出0-3.3V的输出电压采样信号给所述DSP模块；通过输出电流采样电路对输出整流滤波模块的输出电流进行采样，输出0-3.3V的输出电流采样信号给所述DSP模块。

DSP模块根据输入电压采样信号对输入整流滤波模块输出的电压值进行分析、判断，如果判断输入整流滤波模块输出的电压值高于用电器正常工作电压值，则由DSP模块控制其内的PWM信号发生器关断输出脉冲，从而控制主回路停止工作，保护电路和用电器的安全；如果判断输入整流滤波模块输出的电压值在正常范围内，DSP模块则根据输入整流滤波模块当前输出的电压值控制其内的PWM信号发生器相应地调节PWM信号的频率或脉宽，以调节驱动电路的开关管导通频率及导通时长，来控制LLC谐振半桥变换器的输出电压，以达到输入控制的目的。

DSP模块根据所输入的输出电压采样信号和输出电流采样信号控制其内的PWM信号发生器调节PWM信号的频率或脉宽以调节驱动电路的开关管导通频率及导通时长，来控制LLC谐振半桥变换器的输出电压，以实现对稳态反馈的输出电压与电流的调控，并实现相对稳定的恒流充电。

本实用新型中，在DSP模块的主控制芯片TMS320F28035内使用PID算法，在采集输入电压以及输出电压、电流后，由DSP模块的主控芯片进行PID运算，比较取样与标定值，再由DSP模块将修正结果反馈至驱动电路，由驱动电路输出控制信号给LLC谐振半桥变换器，以完成反馈控制。

DSP模块的主控制芯片TMS320F28035是本领域公知常用的控制芯片，在DSP模块的主控制芯片TMS320F28035内使用PID算法，在采集采样信号后，由DSP模块的主控芯片进行PID运算，比较取样与标定值，再由DSP模块输出修正结果。这些都是DSP模块的主控制芯片TMS320F28035现成比较成熟的模块功能，无需再经过特殊的编程控制。本实用新型的创新点不涉及任何软件编程、控制方法等，本实用新型的主要创新点是对芯片、电路元件等进行特定的选型，配合特定的硬件电路(如输入电压采样电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路等)来解决现有技术所存在的技术问题。

以上所述仅为本实施例的优选实施例，凡跟本实用新型权利要求范围所做的均等变化和修饰，均应属于本实用新型的权利要求范围。

Claims (7)

1.一种家用电动汽车充电系统，包括主回路和控制电路，所述主回路包括依次电连接的输入整流滤波模块、LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块，所述输入整流滤波模块与单相交流输入电网相连接，所述输出整流滤波模块与电池负载相连接；所述控制电路包括DSP模块、驱动电路和输出电压电流采样电路；所述输出电压电流采样电路的采样输入端连接于所述输出整流滤波模块的输出端，所述输出电压电流采样电路的输出端连接所述DSP模块的输入端，所述DSP模块的输出端依次连接所述驱动电路和所述LLC谐振模块；其特征在于：所述LLC谐振模块采用LLC谐振半桥变换器；所述控制电路还包括输入电压采样电路，所述输入电压采样电路的采样输入端连接于所述输入整流滤波模块的输出端，所述输入电压采样电路的输出端连接所述DSP模块的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种家用电动汽车充电系统，其特征在于：所述LLC谐振半桥变换器的开关管采用型号为CI30N120SM的SIC MOSFET。

3.根据权利要求1所述的一种家用电动汽车充电系统，其特征在于：所述DSP模块的主控芯片采用型号为TMS320F28035的DSP数字信号处理器。

4.根据权利要求1所述的一种家用电动汽车充电系统，其特征在于：所述驱动电路的驱动芯片采用型号为SI8233BD的隔离式栅极驱动芯片。

5.根据权利要求1所述的一种家用电动汽车充电系统，其特征在于：所述输入电压采样电路包括采样电阻R7，以及依次电连接的电压传感器T3、积分运放电路U1、电压跟随器U2和钳位电路，所述电压传感器T3的输入端连接所述输入整流滤波模块的输出端，所述采样电阻R7并接于所述电压传感器T3的两个输出端之间，所述钳位电路的输出端连接所述DSP模块的输入端，由所述钳位电路输出电压范围值为0-3.3V的输入电压采样信号给所述DSP模块。

6.根据权利要求1所述的一种家用电动汽车充电系统，其特征在于：所述输出电压电流采样电路中的输出电压采样电路包括采样电阻R25和同向放大器U3，所述采样电阻R25的一端连接于所述输出整流滤波模块的输出端，另一端通过所述输出整流滤波模块的滤波电容连接至所述同向放大器U3的同相输入端，所述同向放大器U3的输出端连接所述DSP模块的输入端，由所述同向放大器U3输出电压范围值为0-3.3V的输出电压采样信号给所述DSP模块。

7.根据权利要求1所述的一种家用电动汽车充电系统，其特征在于：所述输出电压电流采样电路中的输出电流采样电路包括采样电阻R25和差分放大器U4，所述采样电阻R25的一端分别连接所述输出整流滤波模块的输出端和所述差分放大器U4的反相输入端，所述采样电阻R25的另一端连接至所述差分放大器U4的同相输入端，所述差分放大器U4的输出端连接所述DSP模块的输入端，由所述差分放大器U4输出电压范围值为0-3.3V的输出电流采样信号给所述DSP模块。

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