一種升降壓一體的電動汽車車載充電機及控制方法與流程

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>發(fā)電;變電;配電裝置的制造技術(shù)

本發(fā)明涉及電動汽車電池充電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種升降壓一體的電動汽車車載充電機及控制方法。

背景技術(shù)：

面對日益突出的能源和環(huán)境問題，節(jié)能環(huán)保的電動汽車成為汽車工業(yè)的一個發(fā)展趨勢。目前電動汽車使用的電能主要來自煤和水能，隨著科技進步，更多的電能將由風(fēng)能、太陽能等清潔能源轉(zhuǎn)換而來。電動汽車的推廣應(yīng)用將進一步減少人類社會對石油資源的依賴，同時改善空氣質(zhì)量。

電動汽車的推廣，需要解決的首要問題是給電動汽車提供電能的基礎(chǔ)設(shè)施。車載充電機能隨時給電動汽車補充電能。目前車載充電機通常采用全橋DC/DC拓撲結(jié)構(gòu)，具有以下缺陷：

1)無法實現(xiàn)降壓充電。目前車載充電機沒有考慮電池過放、電壓過低的情況，當(dāng)給過放電池充電時，會有充電電流過大的問題。

2)體積大。由于電路中使用了變壓器和4個開關(guān)管，充電機通常需要占用很大空間，難以應(yīng)用在轎車上，難以推廣應(yīng)用。

3)成本高。采用全橋DC/DC結(jié)構(gòu)，需要4個開關(guān)管，開關(guān)管數(shù)量多，成倍增加了設(shè)備成本和配套的散熱設(shè)備成本，提高了充電機價格，不利于廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中無法實現(xiàn)降壓充電，且裝置體積大、成本高的缺陷，提供一種對電動汽車進行降壓和升壓充電，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，整機效率高，成本低，維護方便，體積小，故障率低，運行可靠性高的升降壓一體的電動汽車車載充電機及控制方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種升降壓一體的電動汽車車載充電機，包括整流模塊、升降壓模塊、比較器模塊、邏輯控制器模塊、恒導(dǎo)通時間控制模塊、平均電流控制模塊、帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊和動力電池；其中：

整流模塊的輸入端與市電相連，整流模塊的正輸出端與升降壓模塊的正輸入端相連，整流模塊的負輸出端與升降壓模塊的負輸入端相連；整流模塊和升降壓模塊之間還設(shè)置有第一電流檢測電路和第一電壓檢測電路；

升降壓模塊的正輸出端與動力電池的正輸入端相連，升降壓模塊的負輸出端與動力電池的負輸入端相連；升降壓模塊和動力電池之間還設(shè)置有第二電流檢測電路和第二電壓檢測電路；

比較器模塊的輸入端分別與輸出電壓、輸出電流、輸出電壓常數(shù)和輸出電流常數(shù)相連，比較器模塊的輸出端與恒導(dǎo)通時間控制模塊的輸入端、平均電流控制模塊的輸入端均相連；

邏輯控制器的輸入端與過零點信號、溫度信號、輸出電壓和輸出電流相連，并根據(jù)輸入信號生成電機的控制模式信號和兩路工作模式信號；邏輯控制器將控制模式信號發(fā)送給比較器模塊，將兩路工作模式信號分別發(fā)送給恒導(dǎo)通時間控制模塊和平均電流控制模塊；

恒導(dǎo)通時間控制模塊和平均電流控制模塊的輸出端以及邏輯控制器的輸出端通過兩個邏輯與門和帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊的輸入端相連，帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊的輸出端與升降壓模塊相連。

進一步地，本發(fā)明的恒導(dǎo)通時間控制模塊內(nèi)設(shè)置有置位復(fù)位運算器；恒導(dǎo)通時間控制模塊的輸入端分別與置位復(fù)位運算器、比較器相連；積分常數(shù)端與帶復(fù)位的積分器的一端相連，帶復(fù)位的積分器的輸出端通過比較器與置位復(fù)位運算器相連；置位復(fù)位運算器的一個輸出端與第三與門相連，另一個輸出端返回帶復(fù)位的積分器。

進一步地，本發(fā)明的平均電流控制模塊內(nèi)設(shè)置有比例積分運算模塊；平均電流控制模塊的電流輸入端與比例積分運算模塊的輸入端相連，電壓輸入端與乘法器的一端相連，乘法器的輸出端與比例積分運算模塊的另一個輸入端相連；PWM運算模塊的輸入端與比例積分運算模塊的輸出端以及鋸齒波相連，PWM運算模塊的輸出端與第四與門相連，平均電流控制模塊輸入端與第四與門的另一個輸入端相連，第四與門的輸出端輸出占空比信號。

進一步地，本發(fā)明的邏輯控制器與第一開關(guān)管、第二開關(guān)管相連，充電機出現(xiàn)過壓、過流、過溫時，關(guān)斷第一開關(guān)管和第二開關(guān)管。

進一步地，本發(fā)明的升降壓模塊的電壓輸入端與第一電容、第一電感、第一繼電器的一端均連接，第一電感的另一端與第二電容、第一開關(guān)管的一端連接，第一繼電器的另一端與第一開關(guān)管的另一端、第一二極管的陰極、第二電感的一端連接，第二電感的另一端通過電感電流過零點檢測與第二開關(guān)管的一端、第二二極管的陽極連接，第二二極管的陰極與第三電容的一端以及電壓正向輸出端連接，電壓負向輸入端與第一電容、第二電容、第三電容、第二開關(guān)管的一端、第一二極管的陽極以及電壓負向輸出端均相連。

本發(fā)明提供一種升降壓一體的電動汽車車載充電機的控制方法，包括以下步驟：

S1、車載充電機程序各個模塊初始化，輸出電壓檢測模塊檢測動力電池端電壓，邏輯控制器判斷動力電池的狀態(tài)，動力電池電壓在正常范圍內(nèi)還是電壓過低，若電壓過低，轉(zhuǎn)入步驟S2；若電壓在正常范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)入步驟S3；

S2、進入Buck PFC工作模式：邏輯控制器控制各模塊工作，對動力電池進行持續(xù)充電，當(dāng)動力電池電壓達到切換電壓時，轉(zhuǎn)入步驟S3；

S3、進入Boost PFC工作模式：邏輯控制器控制各模塊工作，對動力電池進行持續(xù)充電，當(dāng)動力電池電壓達到設(shè)定值時，轉(zhuǎn)入步驟S4；

S4、停止充電。

進一步地，本發(fā)明的步驟S1的方法具體為：

步驟S100，開始；

步驟S110，車載充電機程序各個模塊初始化；

步驟S120，輸出電壓檢測模塊檢測動力電池端電壓U_out；

步驟S130，邏輯控制器判斷動力電池的狀態(tài)，動力電池電壓在正常范圍內(nèi)還是電壓過低，若電壓過低，轉(zhuǎn)步驟S200，若電壓在正常范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)步驟S310。

進一步地，本發(fā)明的步驟S2的方法具體為：

步驟S200，邏輯控制器置工作模式控制信號E_bk高電平，置工作模式控制信號E_bt低電平，使能Buck PFC工作模式程序，關(guān)閉Boost PFC工作模式程序。

步驟S210，邏輯控制器置輸出值J_en低電平，斷開繼電器J₁；

步驟S220，邏輯控制器判斷工作模式，若采用恒壓模式，轉(zhuǎn)步驟S230，若采用恒流模式，轉(zhuǎn)步驟S250；

步驟S230，進入恒壓控制模式程序；

步驟S240，比較器模塊對輸出電壓常數(shù)U_set和電壓U_out運算，得到輸出值E₁；

步驟S250，進入恒流控制模式程序；

步驟S260，比較器模塊對輸出電流常數(shù)I_set和電流I_out運算，得到輸出值E₁；

步驟S270，恒導(dǎo)通時間控制模塊對E₁和電感電流過零點信號Z運算，輸出開關(guān)管工作占空比信號G_pwm2；

步驟S280，邏輯控制器將保護信號E_en2置高電平，帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊將G_pwm2轉(zhuǎn)換為驅(qū)動脈沖信號G₁，驅(qū)動開關(guān)管S₁；

步驟S290，邏輯控制器判斷動力電池電壓是否達到切換電壓，若達到切換電壓，轉(zhuǎn)步驟S300，否則轉(zhuǎn)步驟S220。

進一步地，本發(fā)明的步驟S3的方法具體為：

步驟300，檢測電感L₂電流過零點，在過零點進行工作模式切換，由BuckPFC工作模式切換到Boost PFC工作模式，轉(zhuǎn)步驟S310；

步驟310，邏輯控制器置工作模式控制信號E_bk低電平，置工作模式控制信號E_bt高電平，關(guān)閉Buck PFC工作模式程序，使能Boost PFC工作模式程序。

步驟S320，邏輯控制器置輸出值J_en高電平，閉合繼電器J₁；

步驟S330，邏輯控制器判斷工作模式，若采用恒壓模式，轉(zhuǎn)步驟S340，若采用恒流模式，轉(zhuǎn)步驟S360；

步驟S340，進入恒壓控制模式程序；

步驟S350，比較器模塊對輸出電壓常數(shù)U_set和電壓U_out運算，得到輸出值E₁；

步驟S360，進入恒流控制模式程序；

步驟S370，比較器模塊對輸出電流常數(shù)I_set和電流I_out運算，得到輸出值E₁；

步驟S380，平均電流控制模塊根據(jù)E₁、輸入電流Iin,輸入電壓U_in得到開關(guān)管工作占空比信號G_pwm1；

步驟S390，邏輯控制器將保護信號E_en1置高電平，帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊將G_pwm1轉(zhuǎn)換為驅(qū)動脈沖信號G₂，驅(qū)動開關(guān)管S₂；

進一步地，本發(fā)明的步驟S4的方法具體為：

步驟S400，邏輯控制器判斷動力電池電壓是否達到設(shè)定值，若達到設(shè)定值，轉(zhuǎn)步驟S410，否則轉(zhuǎn)步驟S310；

步驟S410，邏輯控制器將輸出值E_en1、E_en2置低電平，將兩路驅(qū)動信號鎖存在低電平，關(guān)斷開關(guān)管S₁、S₂，停止充電。

步驟S420，結(jié)束。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明的升降壓一體的電動汽車車載充電機及控制方法，通過升降壓模塊，避免了傳統(tǒng)的車載充電機無法對過放動力電池進行降壓充電的問題，由于采用了升降壓一體的結(jié)構(gòu)，能對電動汽車進行升壓充電和降壓充電，電路中只有兩個開關(guān)管，沒有變壓器，充電機成本低、體積小、實用；采用多重保護機制，使本充電機即使受到外部干擾也能安全穩(wěn)定運行；采用平均電流控制和恒導(dǎo)通時間控制，提高了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)和暫態(tài)響應(yīng)速度、降低了網(wǎng)側(cè)電流諧波含量。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明實施例的原理框圖；

圖2是本發(fā)明實施例的恒導(dǎo)通時間控制模塊的原理框圖；

圖3是本發(fā)明實施例的平均電流控制模塊的原理框圖；

圖4是本發(fā)明實施例的本發(fā)明的控制方法流程圖；

圖中，100-整流模塊、110-升降壓模塊、120-比較器模塊、130-邏輯控制器模塊、140-恒導(dǎo)通時間控制模塊、150-平均電流控制模塊、160-帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊、170-置位復(fù)位運算器、180-比例積分運算模塊。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的升降壓一體的電動汽車車載充電機，采用模塊化控制結(jié)構(gòu)，負載輸出端電壓等級可控，裝置主體結(jié)構(gòu)包括整流模塊100、升降壓模塊110、比較器模塊120、邏輯控制器模塊130、恒導(dǎo)通時間控制模塊140、平均電流控制模塊150、帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊160。

在本實施例中，該裝置輸出功率為3.5kW，單相交流電壓220V、頻率50HZ，恒壓控制模式下輸出電壓U_out為200V～500V可控，恒流控制模式下輸出電流I_out為6A～18A可控。電容C₁、C₂為0.47uF，電感L₁為220uH，電感L₂為200uH，電容C₃為2200uF。

220V市電的輸出與整流模塊100的輸入端相連接，整流模塊100的正輸出端U₊通過電流檢測1與電壓檢測1的一端和升降壓模塊110的正輸入端U_in+相連接，整流模塊100的負輸出端U_-與電壓檢測1的另一端和升降壓模塊110的負輸入端U_in-相連接。升降壓模塊110的正輸出端U_out+和電壓檢測2的一端通過電流檢測2與動力電池的正端U_bat+相連接，升降壓模塊110的負輸出端U_out-與電壓檢測2的另一端和動力電池的負端U_bat-相連接。

升降壓模塊110的U_in+與電容C₁的一端、電感L₁的一端、繼電器J₁的一端相連接，電感L₁的另一端與電容C₂的一端、開關(guān)管S₁的一端相連接，繼電器J₁的另一端與開關(guān)管S₁的另一端、二極管D₁的陰極、電感L₂的一端相連接，電感L₂的另一端通過電感電流過零點檢測與開關(guān)管S₂的一端、二極管D₂的陽極相連接，二極管D₂的陰極與電容C₃的一端與U_out+相連接，U_in-與電容C₁的一端、電容C₂的一端、二極管D₁的陽極、開關(guān)管S₂的一端、電容C₃的一端和U_out-相連接。

輸出電壓常數(shù)、輸出電流常數(shù)、輸出電壓U_out和輸出電流I_out分別與比較器模塊120的輸入端I_4、I_3、I_2、I_1相連接，比較器模塊輸出值E₁通過輸出端O_1與恒導(dǎo)通時間控制模塊140的輸入端I_10和平均電流控制模塊150的輸入端I_13相連接，過零點信號Z、溫度T、輸出電流I_out、輸出電壓U_out分別與邏輯控制器130的輸入端I_9、I_8、I_7、I_6相連接，控制模式信號E_m通過邏輯控制器130的輸出端O_7與比較器模塊120的輸入端I_5相連接，工作模式控制信號E_bt通過邏輯控制器130輸出端O_5與平均電流控制模塊150的輸入端I_14相連接，工作模式控制信號E_bk通過邏輯控制器130輸出端O_6與恒導(dǎo)通時間控制模塊140的輸入端I_11相連接，過零點信號Z與恒導(dǎo)通時間控制模塊140的輸入端I_12相連接，輸入電流I_in、輸入電壓U_in分別與平均電流控制模塊150的輸入端I_16、I_15相連接，平均電流控制模塊150的輸出值G_pwm1通過輸出端O_9與與門1的一端相連接，恒導(dǎo)通時間控制模塊140的輸出值G_pwm2通過輸出端O_8與與門2的一端相連接，邏輯控制器130的輸出值E_en1、E_en2通過輸出端O_4、O_3與兩個與門的另一端相連接，兩個與門的輸出端分別與帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊160的輸入端I_18、I_17相連接，帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊160的輸出值G₁、G₂通過輸出端G_1、G_2分別與開關(guān)S₁、S₂相連接。

如圖2所示，所述恒導(dǎo)通時間控制模塊140輸入端I_12的Z與置位復(fù)位運算器170的一端相連接，輸入端I_10的E₁與比較器的一端相連接，積分常數(shù)C與帶復(fù)位積分器的一端相連接，帶復(fù)位積分器的輸出端J₁與比較器的另一端相連接，比較器的輸出端E_R與置位復(fù)位運算器170的另一端相連接，置位復(fù)位運算器170的輸出端G_p2與與門3的一端相連接，另一個輸出端Q₁與帶復(fù)位積分器的另一端相連接，恒導(dǎo)通時間控制模塊140輸入端I_11的E_bk與與門3的另一端相連接，與門3的輸出端O_8輸出占空比信號G_pwm2。

如圖3所示，平均電流控制模塊150輸入端I_16的I_in與比例積分運算模塊180的一端相連接，輸入端I_15的U_in與乘法器的一端相連接，輸入端I_13的E₁與乘法器的另一端相連接，乘法器的輸出端I_ref與比例積分運算模塊180的另一端相連接，比例積分運算模塊180的輸出端E_pwm與PWM運算模塊的一端相連接，鋸齒波E_saw與PWM運算模塊的另一端相連接，PWM運算模塊的輸出端G_p1與與門4的一端相連接，平均電流控制模塊150輸入端I_14的E_bt與與門4的另一端相連接，與門4的輸出端O_9輸出占空比信號G_pwm1。

邏輯控制器130獨立實時監(jiān)控該充電機的輸出電壓U_out、輸出電流I_out和開關(guān)管的溫度T，當(dāng)充電機出現(xiàn)輸出過壓(Buck PFC工作模式下為315V，BoostPFC工作模式下為510V)、電流大于20A、溫度高于70℃時，邏輯控制器130獨立將保護信號E_en1、E_en2置低，將兩路驅(qū)動信號鎖存在低電平，關(guān)斷開關(guān)管S₁、S₂；根據(jù)動力電池端電壓U_out的高低，邏輯控制器130通過改變工作模式控制信號E_bk和E_bt，自動切換充電機工作模式是Buck PFC工作模式或者BoostPFC工作模式，當(dāng)電池端電壓U_out高于310V時，切換為Boost PFC工作模式，低于310V時，切換為Buck PFC工作模式；邏輯控制器130通過改變控制模式信號E_m，自動切換充電機的控制模式是恒壓控制模式或者恒流控制模式。

充電機的控制方法為：220V市電經(jīng)過整流模塊100整流后，得到脈動的直流電壓。電流檢測1檢測輸入電流I_in，電流檢測2檢測輸出電流I_out，電壓檢測1檢測輸入電壓U_in，電壓檢測2檢測輸出電壓U_out，當(dāng)動力電池電壓U_out在正常范圍，在310V以上時，充電機切換為Boost PFC工作模式；當(dāng)動力電池電壓U_out過低，低于310V時，充電機切換為Buck PFC工作模式。

在Buck PFC工作模式下，邏輯控制器130對輸出值J_en置低電平，斷開繼電器J₁，對工作模式控制信號E_bk、E_bt分別置高電平和低電平，使能恒導(dǎo)通時間控制模塊140，關(guān)閉平均電流控制模塊150。

通過控制模式信號E_m控制比較器模塊120，切換工作狀態(tài)為恒壓控制模式或者恒流控制模式。在恒壓控制模式下，比較器模塊120對輸出電壓U_out和輸出電壓常數(shù)U_set運算，得到輸出值E₁。在恒流控制模式下，比較器模塊120對輸出電流I_out和輸出電流常數(shù)I_set運算，得到輸出值E₁。恒導(dǎo)通時間控制模塊140輸入端I_12、I_10接收到過零點信號Z、比較器模塊輸出值E₁后，帶復(fù)位積分器對積分常數(shù)C積分運算后得到輸出值J₁，E₁與J₁經(jīng)過比較器運算后得到輸出值E_R，過零點信號Z與比較器輸出值E_R在置位復(fù)位運算器170中運算并輸出占空比信號G_p2和復(fù)位信號Q₁，占空比信號G_p2與工作模式控制信號E_bk做與運算，得到占空比信號G_pwm2，通過輸出端O_8輸出。當(dāng)充電機沒有出現(xiàn)輸出電壓高于315V、電流大于20A、溫度高于70℃時，邏輯控制器130輸出值E_en2置高電平，占空比信號G_pwm2通過與門2送入帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊160，并產(chǎn)生驅(qū)動信號G₁驅(qū)動開關(guān)管S₁開通或者關(guān)斷，充電機正常工作在Buck PFC工作模式；當(dāng)充電機出現(xiàn)輸出電壓高于315V、電流大于20A、溫度高于70℃時，邏輯控制器130輸出值E_en2置低電平，與門2的輸出置低電平，帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊160輸出負壓驅(qū)動信號G₁，關(guān)斷開關(guān)管S₁，充電機停止工作；當(dāng)動力電池電壓達到切換電壓，310V時，進行工作模式切換。

在Boost PFC工作模式下，邏輯控制器130對輸出值J_en置高電平，閉合繼電器J₁，對工作模式控制信號E_bk、E_bt分別置低電平和高電平，關(guān)閉恒導(dǎo)通時間控制模塊140，使能平均電流控制模塊150，通過控制模式信號E_m控制比較器模塊120，切換工作狀態(tài)為恒壓控制模式或者恒流控制模式。在恒壓控制模式下，比較器模塊120對輸出電壓U_out、輸出電壓常數(shù)U_set運算，得到輸出值E₁。在恒流控制模式下，比較器模塊120對輸出電流I_out、輸出電流常數(shù)I_set運算，得到輸出值E₁。平均電流控制模塊150的輸入端I_16、I_15、I_13接收到輸入電流I_in、輸入電壓U_in、比較器模塊輸出值E₁后，輸入電壓U_in與比較器模塊輸出值E₁相乘得到電流參考值I_ref，輸入電流I_in與電流參考值I_ref經(jīng)過比例積分運算模塊180運算后得到輸出值E_pwm，E_pwm與鋸齒波E_saw經(jīng)過PWM運算模塊運算后得到占空比信號G_p1，占空比信號G_p1與工作模式控制信號E_bt做與運算，得到占空比信號G_pwm1，通過輸出端O_9輸出。當(dāng)充電機沒有出現(xiàn)輸出電壓高于510V、電流大于20A、溫度高于70℃時，邏輯控制器130輸出值E_en1置高電平，占空比信號G_pwm1通過與門1送入帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊160，并產(chǎn)生驅(qū)動信號G₂驅(qū)動開關(guān)管S₂開通或者關(guān)斷，充電機正常工作在BoostPFC工作模式；當(dāng)充電機出現(xiàn)輸出電壓高于510V、電流大于20A、溫度高于70℃時，邏輯控制器130輸出值E_en1置低電平，與門1的輸出置低電平，帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊160輸出負壓驅(qū)動信號G₂，關(guān)斷開關(guān)管S₂，充電機停止工作；當(dāng)動力電池電壓達到設(shè)定值500V時，邏輯控制器130輸出值E_en1置低電平，與門1的輸出置低電平，帶保護的開關(guān)管驅(qū)動模塊160輸出負壓驅(qū)動信號G₂，關(guān)斷開關(guān)管S₂，充電機停止工作。

在工作模式切換時，邏輯控制器130檢測電感L2電流過零點，檢測到過零點信號后，瞬時對輸出值J_en置高電平，閉合繼電器J₁，對工作模式控制信號E_bk、E_bt分別置低電平和高電平，關(guān)閉恒導(dǎo)通時間控制模塊140，使能平均電流控制模塊150。完成以上動作后，控制過程與Boost PFC工作模式控制過程相同。切換過程在電感L₂電流為零期間進行。

如圖4所示，本發(fā)明實施例的控制方法具體包括以下步驟：