CN108270348A - 数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路及其控制方法，包括交流电源、主功率电路、控制电路、充电电池和总线通讯电路；交流电源用来给主功率电路提供电源，主功率电路将交流电源通过整流转化为直流电源，该直流电源对充电电池充电；控制电路用于对主功率电路进行控制；该控制电路通过总线通讯电路与外部控制单元进行通讯。该控制方法分为：1、开始；2、上电自检及捕获单元初始化；3、判断是否有脉宽调制信号捕获中断发生；4、判断脉宽调制信号捕获是否正常；5、计算输入的交流电压频率及相位；6、根据负载因数计算补偿因数；7、根据相位、频率、补偿因数查表获得纹波补偿量；8、将补偿量叠加在实际输出控制量上。

Description

数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及数字一种充电机技术，尤其涉及一种数字充电机的直流输出 低频纹波抑制电路及其控制方法。

背景技术

当前车载充电机的功率等级一般都是3.3kW或6.6kW，在这个功率等级 的主流电路拓扑都采用开关电源电路拓扑(比如前级PFC加后级LLC)。 由于受功率因数(PFC)要求的制约，在前级PFC电路输出的直流母线侧必 然存在着2倍工频(100Hz/120Hz)的低频纹波。这个低频纹波如果不加以 处理，则将通过后级DC-DC的变换体现在最终的直流输出上。作为车载充 电机的输出，如果低频纹波较大，则会产生较大的电流或电压的波动。首先 这将对BMS的工作产生影响，严重的可能不能正常充电。其次，以较大低 频纹波分量的直流电对蓄电池充电，会降低蓄电池的使用寿命。

为此，必须对充电机输出的低频纹波进行抑制。要抑制充电机输出端低 频纹波，途径有两种：或者降低前级PFC输出母线侧的低频纹波，或者在后 级对该纹波进行控制，抑制其在后级直流输出的分量。前者对应的常规方法 是在PFC输出直流母线上直接并联大容量的电解电容、蓄电池或接入有源滤 波装置。这样虽然有效的抑制了低频纹波电流，但大容量电解电容以及有源 滤波装置不仅会增加***成本和增大产品体积，而且大量使用电解电容会影 响产品的使用寿命。为此实际往往采用后一种方式，就是通过在后级电路控制算法中针对低频纹波做闭环控制，通过降低控制带宽，来达到抑制低频纹 波的效果。这种方法虽然也能起作用，但后级DC-DC变换器的动态响应会 比较差，当负载发生突变时，至少需要几个工频周期后才能稳定，这对产品 的可靠性来讲是一个很高的风险点。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种可以在正常闭环 控制中将计算的控制量补偿在输出控制量上，来达到抑制输出低频纹波的目 的,不仅节省了成本和体积，也提升了产品性能和使用寿命。

本发明另一个目的在于提供一种数字充电机的直流输出低频纹波抑制 电路的控制方法。

为了实现本发明第一个目的，可以采取以下技术方案：

一种数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路，包括交流电源、主功率 电路、控制电路、充电电池和总线通讯电路；所述的交流电源用来给主功率 电路提供电源，所述的主功率电路用于将交流电源通过整流转化为直流电 源，该转化后的直流电源对充电电池充电；所述直流电源的输出规格受控制 电路控制；所述的控制电路用于对主功率电路进行控制；该控制电路通过总 线通讯电路与外部控制单元进行通讯。

所述的控制电路用于对主功率电路进行控制包括模拟量采样、驱动电路 控制和温度检测控制。

所述的主功率电路包括输入继电器电路，该输入继电器电路用于对主功 率电路输入的交流电源通断来保护主功率电路；不控整流电路，该不控整流 电路用于将继电器电路输入的交流电源通过整流转化为直流电源；升压电 路，该升压电路将转化的直流电源升压至固定的直流电压，使该直流电压幅 值受控；滤波电路，该滤波电路用于将升压后的直流电源进行滤波；谐振电 路，所述的谐振电路用于将滤波后的直流电转化为输出的可控制的直流电 源，该谐振电路通过输出继电器对充电电池充电；输出继电器，所述的输出 继电器用于充电机与充电电池断开或接通。

所述的控制电路包括采样电路，该采样电路用于对输出电路的电压电流 采样，锁相电路，该锁相电路用于对输入电路的交流电压的频率及相位进行 检测；交流侧单片机，该交流侧单片机用于将采样电路输入的模拟信号转化 为数字信号；直流侧单片机，该直流单侧单片机用于将锁相电路输入的脉宽 调制信号获得交流电源的相位和频率，进而得到输出直流电压上2倍工频纹 波的频率和相位，所述的直流侧单片机将该脉宽调制信号与输出负载特性查 表对应得到的系数相结合，得到对输出纹波抑制的补偿量；驱动电路，该驱动电路用于将直流侧单片机发出的功率控制信号转化为电压电流适合功率 管信号开通或关断的电平信号；串口通讯电路，所述的串口通讯电路用于所 述的交流侧单片机和直流侧单片机之间的通信；总线通讯电路，该总线通讯 电路通过总线通讯接口与直流侧单片机连接，用于对外部控制器的通信传 输。

所述的锁相电路包括过零比较电路和脉宽调制信号捕获电路；所述的过 零比较电路用于将模拟信号转化为数字信号；所述的脉宽调制信号捕获电路 用于脉宽调制信号的周期及占空比做计时计算，得到数字信号；所述的交流 电源通过不控整流电路转化为直流电信号输入至过零比较电路，所述的输入 至过零比较电路的直流信号通过脉宽调制信号捕获电路输入至直流侧单片 机。

所述的滤波电路为直流母线电容，该直流母线电容用于电路能量的存储 和电压信号的滤波。

一种数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路的控制方法，包括如下步 骤：

1)开始；

2)上电自检及捕获单元初始化；如果正常，则，进入下一步；如果不 正常，则，将补偿量叠加在实际输出控制量上；

3)判断是否有脉宽调制信号捕获中断发生；如果脉宽调制信号捕获中 断发生，则，进入下一步；如果没有脉宽调制信号捕获中断发生，则，将补 偿量叠加在实际输出控制量上；

4)判断脉宽调制信号捕获是否正常；如果正常，则，进入下一步；如 果不正常，则，将补偿量叠加在实际输出控制量上；

5)计算输入的交流电压频率及相位；

6)根据负载因数计算补偿因数；

7)根据相位、频率、补偿因数查表获得纹波补偿量；

8)将补偿量叠加在实际输出控制量上。

本发明的有益效果是：1)本发明对限流状态输出电压低频纹波能够有 效的进行抑制；2)由于本发明无需增加大的直流侧滤波电容或者牺牲后级 变换器环路控制带宽，所以本发明有利于电动汽车车载充电机(OBC)的小 型化，3)降低了产品成本，并且提高了整个电动车***的性能和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例充电机***电路方框图；

图2为本发明实施例充电锁相电路方框图；

图3为本发明实施例电动汽车车载充电装置的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对发明作进一步详细的说明。

作为车载产品，充电机的高可靠性和高性能必须兼顾，而目前成熟的技 术方案都不能很好的兼顾。为此本发明提出一种新的控制方式，可以在不需 要增加硬件成本和体积，也不需要牺牲后级环路控制响应带宽的条件下，实 现对输出低频纹波的有效抑制。这种控制方式是在后级DC-DC中通过对输入 交流电压锁相，获取2倍工频且同相位的正弦量。同时根据输出电压，输出 电流、及纹波幅值拟合出的三维矩阵查表，得到一个补偿因子。再将补偿因 子和输入电压对应的正弦量相乘，得到一个与输出电流纹波同相位的补偿 量。最后在正常的闭环控制输出量上减去该补偿量，从而达到开环抑制输出 电流纹波的作用。

参看图1，该数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路，包括交流电源1、主功率电路3、控制电路4、充电电池5和总线通讯电路6；所述的交流 电源1用来给主功率电路3提供电源，所述的主功率电路3用于将交流电源 通过整流转化为直流电源2，该转化后的直流电源2对充电电池5充电；所 述直流电源2的输出规格受控制电路4控制；所述的控制电路4用于对主功 率电路3进行控制；该控制电路4通过总线通讯电路6与外部控制单元进行 通讯。

所述的控制电路4用于对主功率电路3进行控制包括模拟量采样、驱动 电路控制和温度检测控制。

所述的主功率电路3包括输入继电器电路31，该输入继电器电路31用 于对主功率电路3输入的交流电源1通断来保护主功率电路3；实现充电机 输入侧交流电的通断，如果发生输入电压异常的情况，则可通过断开该继电 器对充电机进行自我保护；

不控整流电路32，该不控整流电路32用于将继电器电路31输入的交流 电源1通过整流转化为直流电源；使直流电的幅值与交流输入电压的峰值相 同；PFC升压电路33，该PFC升压电路33将转化的直流电升压至固定的直 流电压，使该直流电压幅值受控；该PFC升压电路33将不控整流桥变化后 的直流电升压到一个固定的直流电压，该电压幅值受控。但是由于要实现较 高的功率因数，所以升压后的总线(BUS)电压存在着两倍工频的纹波电压；

滤波电路414，该滤波电路34用于将升压后的直流电源进行滤波；所述 的滤波电路可以是直流母线电容，所述的直流母线电容用于电路能量的存储 和电压信号的滤波。该器件用于储存能量和滤波，相同条件下，电容越大， 母线电压上的纹波幅值就越小。

谐振电路35，所述的谐振电路35用于将滤波后的直流电转化为输出的 可控制的直流电，该谐振电路35通过输出继电器电路36对充电电池5充电。 该电路用于将固定的BUS电压变化成输出电压和电流均可调节的直流电， 以给电池充电。该电路的特点是功率开关可以实现软开关，变换效率较高； 输出继电器36用于将充电机与充电电池5断开或接通。当不需要充电或者 充电机检测到输出异常时断开继电器，如果充电条件满足，则闭合该继电器；

参看图1，所述的控制电路4包括采样电路45，该采样电路45用于对 输出电路的电压电流采样，所述的采样电路45对充电机输出及输出侧的电 压电流，以及PFC升压电路33输出的电压进行采样，将模拟量转换到单片 机可以接收的电平范围。单片机通过AD转换将模拟信号转换为数字信号， 然后对所采集的数据再进行处理。

锁相电路46，该锁相电路46用于对输入电路的交流电压的频率及相位 进行检测；对交流输入电压的频率及相位进行检测，产生同频同相位的脉宽 调制信号(PWM)信号送给直流侧单片机43。该直流单侧单片机43用于将 锁相电路46输入的脉宽调制信号(PWM)获得交流电源的相位和频率，进 而得到输出直流电压上2倍工频纹波的频率和相位，所述的直流侧单片机43 将该脉宽调制信号(PWM)与输出负载特性查表对应得到的系数相结合， 得到对输出纹波抑制的补偿量；

参看图2，所述的锁相电路46包括过零比较电路和脉宽调制信号捕获电 路；所述的过零比较电路用于将模拟信号转化为数字信号；所述的脉宽调制 信号捕获电路用于脉宽调制信号的周期及占空比做计时计算，得到数字信 号；所述的交流电源通过不控整流电路转化为直流电信号输入至过零比较电 路，所述的输入至过零比较电路的直流信号通过脉宽调制信号捕获电路输入 至直流侧单片机。

参看图1，交流侧单片41，该交流侧单片机41用于将采样电路45输入 的模拟信号转化为数字信号；驱动电路47，该驱动电路47用于将直流侧单 片机4发出的功率控制信号转化为电压电流适合功率信号开通或关断的电平 信号；所述的驱动电路47将单片机发出来的功率管(MOSFET)控制信号 经过驱动电路47变为电压电流适合驱动功率管开通或关断的电平信号；

串口通讯电路(SCI)42，所述的串口通讯电路(SCI)42用于所述的 交流侧单片机41和直流侧单片机43之间的通信；总线(CAN)通讯电路6， 该总线(CAN)通讯电路6通过CAN通讯接口44与直流侧单片机43连接， 用于对外部控制器的通信传输。

参看图3，本发明实施例电动汽车车载充电装置的控制方法，主要包括 如下步骤：

步骤1)开始S1；

步骤2)电自检及捕获单元初始化S2；如果正常，则，进入下一步；如 果不正常，则，将补偿量叠加在实际输出控制量上S8；

步骤3)、判断是否有脉宽调制信号捕获中断发生S3；如果脉宽调制信 号捕获中断发生，则，进入下一步；如果没有脉宽调制信号捕获中断发生， 则，将补偿量叠加在实际输出控制量上S8；

步骤4)、判断脉宽调制信号捕获是否正常S4；如果正常，则，进入下 一步；如果不正常，则，将补偿量叠加在实际输出控制量上S8；

步骤5)、计算输入的交流电压频率及相位S5；

步骤6)、根据负载因数计算补偿因数S6；

步骤7)、根据相位、频率、补偿因数查表获得纹波补偿量S7；

步骤8)、将补偿量叠加在实际输出控制量上S8；

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护 范围。

Claims (7)

1.一种数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路，其特征在于：包括交流电源、主功率电路、控制电路、充电电池和总线通讯电路；所述的交流电源用来给主功率电路提供电源，所述的主功率电路用于将交流电源通过整流转化为直流电源，该转化后的直流电源对充电电池充电；所述直流电源的输出规格受控制电路控制；所述的控制电路用于对主功率电路进行控制；该控制电路通过总线通讯电路与外部控制单元进行通讯。

2.根据权利要求1所述数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路，其特征在于：所述的控制电路用于对主功率电路进行控制包括模拟量采样、驱动电路控制和温度检测控制。

3.根据权利要求1或2所述数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路，其特征在于：所述的主功率电路包括输入继电器电路，该输入继电器电路用于对主功率电路输入的交流电源通断来保护主功率电路；不控整流电路，该不控整流电路用于将继电器电路输入的交流电源通过整流转化为直流电源；升压电路，该升压电路将转化的直流电源升压至固定的直流电压，使该直流电压幅值受控；滤波电路，该滤波电路用于将升压后的直流电源进行滤波；谐振电路，所述的谐振电路用于将滤波后的直流电转化为输出的可控制的直流电源，该谐振电路通过输出继电器对充电电池充电；输出继电器，所述的输出继电器用于充电机与充电电池断开或接通。

4.根据权利要求1或2所述数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路，其特征在于：所述的控制电路包括采样电路，该采样电路用于对输出电路的电压电流采样，锁相电路，该锁相电路用于对输入电路的交流电压的频率及相位进行检测；交流侧单片机，该交流侧单片机用于将采样电路输入的模拟信号转化为数字信号；直流侧单片机，该直流单侧单片机用于将锁相电路输入的脉宽调制信号获得交流电源的相位和频率，进而得到输出直流电压上2倍工频纹波的频率和相位，所述的直流侧单片机将该脉宽调制信号与输出负载特性查表对应得到的系数相结合，得到对输出纹波抑制的补偿量；驱动电路，该驱动电路用于将直流侧单片机发出的功率控制信号转化为电压电流适合功率管信号开通或关断的电平信号；串口通讯电路，所述的串口通讯电路用于所述的交流侧单片机和直流侧单片机之间的通信；总线通讯电路，该总线通讯电路通过总线通讯接口与直流侧单片机连接，用于对外部控制器的通信传输。

5.根据权利要求4所述数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路，其特征在于：所述的锁相电路包括过零比较电路和脉宽调制信号捕获电路；所述的过零比较电路用于将模拟信号转化为数字信号；所述的脉宽调制信号捕获电路用于脉宽调制信号的周期及占空比做计时计算，得到数字信号；所述的交流电源通过不控整流电路转化为直流电信号输入至过零比较电路，所述的输入至过零比较电路的直流信号通过脉宽调制信号捕获电路输入至直流侧单片机。

6.根据权利要求3所述数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路，其特征在于：所述的滤波电路为直流母线电容，该直流母线电容用于电路能量的存储和电压信号的滤波。

7.一种数字充电机的直流输出低频纹波抑制电路的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)开始；

2)上电自检及捕获单元初始化；如果自检通过，则执行步骤3)；否则，将补偿量叠加在实际输出控制量上；

3)判断是否有脉宽调制信号捕获中断发生；如果是，则执行步骤4)；否则，将补偿量叠加在实际输出控制量上；

4)判断脉宽调制信号捕获是否正常；如果正常，则执行步骤5)；否则，将补偿量叠加在实际输出控制量上；

5)计算输入的交流电压频率及相位；

6)根据负载因数计算补偿因数；

7)根据相位、频率、补偿因数查表获得纹波补偿量；

8)将补偿量叠加在实际输出控制量上。