CN111181233A - 数字化充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化充电装置。该装置包括：主功率电路模块，主功率电路模块将接收到的工频直流电压转换为充电电压，并将充电电压输出给电动汽车电池负载；第一采样模块，第一采样模块采集充电电压以及采集主功率电路模块的输出电流，并输出采集得到的第一采样电压和第一采样电流；数字控制电路模块，数字控制电路模块根据接收到的第一采样电压和接收到的第一采样电流，输出PWM输出信号，当第一采样电压小于或等于第一预设电压值或第一采样电流小于或等于第一预设电流值时，数字控制电路模块利用PID调节子程序调节PWM输出信号并将PWM输出信号进行信号放大处理，得到DSP驱动信号。能够在对电池充电的过程中，不影响电池的使用寿命。

Description

数字化充电装置

技术领域

本发明涉及动力电池充电技术领域，尤其涉及一种数字化充电装置。

背景技术

电动汽车是一种以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，在我国新能源市场，占据主导地位。随着电动汽车的快速发展，对于电动汽车的充电装置的要求也在不断的提高。

目前国内外多款电动汽车都配置了车载充电器，而车载充电器主要是采用模拟控制方法来对电池进行充电。但是在充电过程中，由于单一的恒压或恒流的充电方式会导致电池损坏严重，从而影响电池的使用寿命。

因此，存在充电装置在对电池充电的过程中，会影响电池的使用寿命的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种数字化充电装置，能够在对电池的充电过程中，不会影响电池的使用寿命

本发明实施例的一方面，提供一种数字化充电装置，该装置包括：主功率电路模块，主功率电路模块被配置为将接收到的工频直流电压转换为充电电压，并将充电电压输出给电动汽车电池负载；

第一采样模块，第一采样模块被配置为采集充电电压以及采集主功率电路模块的输出电流，得到第一采样电压和第一采样电流，并输出第一采样电压和第一采样电流；

数字控制电路模块，数字控制电路模块被配置为根据接收到的第一采样电压和接收到的第一采样电流，输出PWM输出信号，当第一采样电压小于或等于第一预设电压值或第一采样电流小于或等于第一预设电流值时，数字控制电路模块利用PID调节子程序调节PWM驱动波形并将PWM驱动波形进行信号放大处理，得到PWM输出信号，数字控制电路模块的PWM输出信号用于控制主功率电路模块输出充电电压。

本发明实施例提供的数字化充电装置，通过主功率电路模块、第一采样电路和数字控制电路模块形成反馈回路，使得数字控制电路模块可以根据第一采样模块采集到的第一采样电压和第一采样电流，调整PWM输出信号，进而通过PWM输出信号控制主功率电路模块输出充电电压。由于主功率电路输出的充电电压可以根据数字控制电路模块输出的PWM输出信号实时进行调整，所以可以保证在充电装置在对电池充电的过程中，不会影响电池的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明一实施例的数字化充电装置的结构示意图；

图2示出本发明一实施例的主功率电路模块的结构示意图；

图3示出本发明一实施例的功率因数校正电路的结构示意图；

图4示出本发明一实施例的数字化充电方法的流程图；

图5示出本发明一实施例的五阶段充电的方法流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图，详细描述根据本发明实施例的数字化充电装置。应注意，这些实施例并不是用来限制本发明公开的范围。

下面通过图1至图3详细介绍根据本发明实施例的数字化充电装置。

为了更好的理解本发明，下面结合图1对本发明一实施例的数字化充电装置进行详细说明，图1是示出本发明一实施例的数字化充电装置的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例中的数字化充电装置的结构示意图100包括：

主功率电路模块11，主功率电路模块11被配置为将接收到的工频直流电压转换为充电电压，并将充电电压输出给电动汽车电池负载。

如图2所示，图2是示出本发明一实施例的主功率电路模块11的结构示意图。

功率管模块111、半桥LLC电路模块112以及高频隔离变压器模块113依次串联构成主功率电路模块11。其中，功率管模块111通过两个功率金属-氧化层半导体场效晶体管(MOSFET)以及两个整流二极管形成互补对称结构，使得两个MOSFET管各导通50％，以实现零电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)的开通，两个整流二极管实现零电流开关(ZeroCurrent Switch，ZCS)的关断。

其中，高频变压器采用PMI5027磁芯并使用三明治式绕制。导线采用多股并绕的方式，将导线分层绕制，副边在原边之间。

在本发明的一个实施例中，两个功率MOSFET管Q3和Q4串联。其中MOSFET管Q3的漏级与PFC输出正极相连接，栅级与MOSFET管Q4的源级相连接，MOSFET管Q4的源极与PFC的负极相连接。MOSFET管Q3和Q4的栅极信号由DSP经过隔离变压器T1电路和MOSFET驱动电路控制。MOSFET管Q3、Q4、谐振电感Lr、Lm、谐振电容Cr和高频变压器T2构成了LLC谐振电路。其中，半桥LLC谐振电路中的拓扑结构采用变频调制方式，通过改变频率的方式来稳定输出电压。

应当注意的是，谐振电感Lr、Lm和高频变压器T2分别采用PQ和PMI磁芯绕制而成。电感和变压器采用三明治式绕制方法。导线采用多股并饶的方式，然后分层绕制，副边在原边之间。

第一采样模块12，第一采样模块12被配置为采集充电电压以及采集主功率电路模块11的输出电流，得到第一采样电压和第一采样电流，并输出第一采样电压和第一采样电流。

数字控制电路模块13，数字控制电路模块13被配置为根据接收到的第一采样电压和接收到的第一采样电流，输出PWM输出信号，当第一采样电压小于或等于第一预设电压值或第一采样电流小于或等于第一预设电流值时，数字控制电路模块13利用PID调节子程序调节PWM输出信号，并将PWM输出信号进行信号放大处理，得到DSP驱动信号，数字控制电路模块13的DSP驱动信号用于控制主功率电路模块11输出充电电压。

在本发明的一个实施例中，数字控制电路模块13将采集到的第一采样电压和第一采样电流与数字控制电路模块13内部设置的第一预设电压值和第一预设电流值对比，当采集的第一采样电压大于第一预设电压值或第一采样电流值大于第一预设电流值时则停止输出PWM输出信号，反之则通过PI补偿器对PWM输出信号进行补偿，通过调节驱动信号的频率，达到稳定输出电压的效果。

在本发明的一个实施例中，数字控制电路模块13包括：第一数字控制电路131以及第一驱动电路132。

第一数字控制电路131被配置为接收第一采样电压和接收第一采样电流。第一数字控制电路131将采集到的第一采样电压和第一采样电流与数字控制电路模块13内部设置的第一预设电压值和第一预设电流值对比。

当采集的第一采样电压大于第一预设电压值或第一采样电流大于第一预设电流值时则停止输出PWM输出信号，反之则通过PI补偿器对PWM输出信号进行补偿，通过调节驱动信号的频率，输出稳定的PWM输出信号。

其中，第一数字控制电路131的微处理器选用基于Power PC架构的MPC5604P芯片。数字控制电路的编译器选用Green Hills Tools。

第一驱动电路132被配置为将接收到的第一数字控制电路131的PWM输出信号进行信号放大处理，得到DSP驱动信号，DSP驱动信号用于控制主功率电路模块11输出充电电压。

在本发明的一个实施例中，数字化充电装置还包括保护电路模块14。保护电路模块14被配置为当第一采样电压大于第一预设电压值或第一采样电流大于第一预设电流值时，接收数字控制电路模块13输出的工作停止信号，使保护电路模块14处于开路状态。

在本发明的一个实施例中，保护电路模块14被配置为由数字控制电路模块13实时判断接收到的采样电路的电压值，当判定采样电路的电压值偏离预设值时，数字控制电路模块13控制保护电路模块14中的继电器的开关，从而控制充电器输出关断。

在本发明的一个实施例中，数字化充电装置还包括前级电路模块15。前级电路模块15的输入端和工频交流输入电网相连，前级电路模块15将接收到的工频交流经过整流滤波和功率因数校正，得到工频直流电压，并将工频直流电压输出给主功率电路模块11。

在本发明的一个实施例中，前级电路模块15可以包括：功率因数校正电路151、第二采样模块152、第二数字控制电路153以及第二驱动电路154。

其中，如图3所示，图3是示出本发明一实施例的功率因数校正电路的结构示意图。整流桥模块154a、升压电感模块154b以及功率开关模块154c依次串联构成功率因数校正电路151。

功率因数校正电路151的输入端和工频交流输入电网相连，功率因数校正电路151将接收到的工频交流经过整流滤波和功率因数校正，得到工频直流电压，并将工频直流电压输出给主功率电路模块11。

第二采样模块152被配置为采集功率因数校正电路151的输入电压以及采集功率因数校正电路151的输入电流，得到第二采样电压和第二采样电流，并输出第二采样电压和第二采样电流。

第二数字控制电路153被配置为接收第二采样电压和第二采样电流，当判定第二采样电压小于或等于第二预设电压值或当判定第二采样电流小于或等于第二预设电流值时，第二数字控制电路153利用占空比预测数字控制算法调节第二数字控制电路153的PWM输出信号。

第二驱动电路154被配置为将接收到的第二数字控制电路153的PWM输出信号进行信号放大处理，基于信号放大处理后的第二数字控制电路153的PWM输出信号控制功率因数校正电路151输出工频直流电压。

在本发明的一个实施例中，功率因数校正电路151采用由数字控制的两相交错式功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)构成。

其中，两相交错式数字控制PFC电路采用双通道交错并联结构。

第一相包括：整流电桥的正极输出端连接电感L1的一端，电感L1另一端连接功率MOSFET管Q1的漏极和续流二极管D1的正极，电感L1两端再接入保护二极管，功率MOSFET管Q1的栅极接DSP的PWM-1A驱动波形，功率MOSFET管Q1的漏极接地。

第二相包括：整流电桥的正极输出端连接电感L2的一端，电感L2另一端连接功率MOSFET管Q2的漏极和续流二极管D2的正极，电感L2两端接再接入保护二极管,功率MOSFET管Q2的栅极接DSP的PWM-1B驱动波形，功率MOSFET管Q2的源极接地。

两相交错式数字控制PFC电路中的续流二极管D1与D2的负极连接高频滤波电容Cr和电解储能电容，电解储能电容与水泥电阻串联，水泥电阻与继电器常开开关并联。

其中，两项交错式数字控制电路是采用SiC材料的元器件构成，功率MOSFET管采用CMOS金属氧化物半导体场效应管。

在本发明实施例中，数字控制的两相交错式功率因数在稳态时可达到0.998，明显高于模拟控制方式，采用升压型双向交错式PFC电路，可以实现功率因数校正功能和输出稳定的低纹波直流电压。

在本发明的一个实施例中，第二驱动电路154被配置为将接收到的数字控制电路模块13的PWM输出信号以及接收到的第二数字控制电路153的PWM输出信号进行信号放大处理，基于信号放大处理后的数字控制电路模块13的PWM输出信号以及第二数字控制电路153的PWM输出信号，控制功率因数校正电路151输出工频直流电压。

在本发明的一个实施例中，数字化充电装置还包括整流滤波模块16。整流滤波模块16被配置为将接收到的主功率电路模块11输出的充电电压进行整流滤波处理，得到稳定直流电压，并将稳定直流电压输出给电动汽车电池负载。

在本发明的一个实施例中，数字化充电装置还包括显示模块17以及控制器局域网络(Contrller Area Network，CAN)通信模块。

显示模块17的输入端和数字控制电路模块13的输出端相连，显示模块17被配置为在电动汽车的充电过程中显示当前的充电状态。

CAN通信模块18的输入端和数字控制电路模块13的输出端相连，CAN通信模块18被配置为和数字控制电路模块13进行通信。其中，CAN通信工具选用Kvaser Leaf USB卡。

根据本发明实施例中的CAN通信模块18，可以实现数字化电动汽车充电装置与车身的数据通信。

在本发明的一个实施例中，数字化充电装置还包括辅助电源。辅助电源被配置为向前级电路模块15和数字控制电路模块13中的元器件和芯片提供电压信号。

在本发明的一个实施例中，辅助电源输入电压为DC330V-440V，经过隔离变压器输出3路稳定直流电压为向前级电路模块15和数字控制电路模块13中的元器件和芯片提供电压信号。辅助电源内的控制主芯片采用NCP1207A，并且辅助电源的主拓扑结构为反激式变换。

上述实施例所述的数字化充电装置，具有体积小、充电智能化、输出电压以及电流稳定的优点，使得蓄电池的使用寿命延长。该装置采用控制拓扑结构，不仅提供高效率、低损耗的充电方案，而且能快速的使蓄电池充满以达到极大的保护电池不被充坏的目的。有效解决了汽车充电过程中转换效率低、可靠性低的问题，从而保证在充电装置在对电池充电的过程中，不会影响电池的使用寿命。

下面结合图4介绍根据本发明实施例的数字化充电装置可以实现的数字化充电方法。

图4为本发明一实施例中的数字化充电方法的流程图。如图4所示。

S410，充电器接入220V市电后开始工作。

S420，***初始化。

S430，通过检测电池电压判断是否有蓄电池组接入充电器输出端，如果没有，则待机，如果有则进入S440。

S440，检测充电器是否过温，如果过温,则进入充电器保护状态，如果没有过温则进入S450。

S450，进入五阶段充电选择。

S460，检测电池是否充满，如果***电池电压未达到***阈值则返回充电阶段选择，反之，电池充满则停止充电。

S470，充电结束。

图5为本发明一实施例中的五阶段充电的方法流程图。如图5所示。

S451，***进入预备充电阶段，电流为7A恒流充电。如果单节电池电压达到10.8V时,***进入S452。

S452，***进行充电超时检测，如果预充电阶段时间超过4小时，充电器停止工作，否则进入S453恒流充电1阶段。

S453，该阶段使用20A大电流恒流充电。当单节电池电压达到14.4V时，进入S454。

S454，该阶段检测恒流充电2阶段充电是否超时，当充电时间超过12小时或电池容量超过160AH时，***强制跳入S455，反之则返回S453。

S455，该阶段使用16A电流恒流充电。当单节电池电压达到14.7V时,进入S456。

S456，该阶段使用以14.7V电压恒压充电。当充电电流降到3A时，进入S457。

S457，该阶段对充电时间进行超时检测，当时间超过5个小时的时候停止充电，反之则进入S458浮充电阶段。

S458，该阶段是浮充电阶段，以14.7V恒压涓流充电，仅判断本阶段的累计充电时间，超过2小时即进入S459充电结束。

S459，充电结束。

根据本发明示出的上述实施例，采用充满即停技术，通过检测电池电压和充电时间，当达到设置条件就立即停止充电，有效解决了模拟控制充电方法存在的在对电池充电的过程中，会影响电池的使用寿命的技术问题。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。其中方法实施例描述得比较简单，相关之处请参见***实施例的说明部分。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

上述实施例中的功能模块(如第一采样模块、主功率电路模块、数字电路控制模块模块和保护电路模块)可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而设备体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (10)

1.一种数字化充电装置，其特征在于，包括：

主功率电路模块，所述主功率电路模块被配置为将接收到的工频直流电压转换为充电电压，并将所述充电电压输出给电动汽车电池负载；

第一采样模块，所述第一采样模块被配置为采集所述充电电压以及采集所述主功率电路模块的输出电流，得到第一采样电压和第一采样电流，并输出所述第一采样电压和所述第一采样电流；

数字控制电路模块，所述数字控制电路模块被配置为根据接收到的所述第一采样电压和接收到的所述第一采样电流，输出PWM输出信号，当所述第一采样电压小于或等于第一预设电压值或所述第一采样电流小于或等于第一预设电流值时，所述数字控制电路模块利用PID调节子程序调节PWM输出信号并将所述PWM输出信号进行信号放大处理，得到所述DSP驱动信号，所述数字控制电路模块的DSP驱动信号用于控制所述主功率电路模块输出所述充电电压。

2.根据权利要求1所述数字化充电装置，其特征在于，所述数字控制电路模块，包括：

第一数字控制电路，所述第一数字控制电路被配置为接收所述第一采样电压和接收所述第一采样电流，当判定所述第一采样电压小于或等于所述第一预设电压值或判定所述第一采样电流小于或等于所述第一预设电流值时，所述第一数字控制电路利用PID调节子程序调节所述PWM输出信号，并输出经调节后的PWM输出信号；

第一驱动电路，所述第一驱动电路被配置为将接收到的所述第一数字控制电路的PWM输出信号进行信号放大处理，得到所述DSP驱动信号，所述DSP驱动信号用于控制所述主功率电路模块输出所述充电电压。

3.根据权利要求1所述数字化充电装置，其特征在于，还包括：

保护电路模块，所述保护电路模块被配置为当所述第一采样电压大于所述第一预设电压值或所述第一采样电流大于所述第一预设电流值时，接收所述数字控制电路模块输出的工作停止信号，使所述保护电路模块处于开路状态。

4.根据权利要求1-3任一项所述数字化充电装置，其特征在于，还包括：

前级电路模块，所述前级电路模块的输入端和工频交流输入电网相连，所述前级电路模块将接收到的工频交流经过整流滤波和功率因数校正，得到所述工频直流电压，并将所述工频直流电压输出给所述主功率电路模块。

5.根据权利要求4所述数字化充电装置，其特征在于，所述前级电路模块，包括：

功率因数校正电路，所述功率因数校正电路的输入端和所述工频交流输入电网相连，所述功率因数校正电路将接收到的所述工频交流经过整流滤波和功率因数校正，得到所述工频直流电压，并将所述工频直流电压输出给所述主功率电路模块；

第二采样模块，所述第二采样模块被配置为采集所述功率因数校正电路的输入电压以及采集所述功率因数校正电路的输入电流，得到第二采样电压和第二采样电流，并输出所述第二采样电压和所述第二采样电流；

第二数字控制电路，所述第二数字控制电路被配置为接收所述第二采样电压和所述第二采样电流，当判定所述第二采样电压小于或等于所述第二预设电压值或当判定所述第二采样电流小于或等于所述第二预设电流值时，所述第二数字控制电路利用占空比预测数字控制算法调节所述第二数字控制电路的PWM输出信号；

第二驱动电路，所述第二驱动电路被配置为将接收到的所述第二数字控制电路的PWM输出信号进行信号放大处理，基于信号放大处理后的所述第二数字控制电路的PWM输出信号控制所述功率因数校正电路输出工频直流电压。

6.根据权利要求5所述数字化充电装置，其特征在于，所述第二驱动电路被配置为将接收到的所述数字控制电路模块的PWM输出信号以及接收到的所述第二数字控制电路的PWM输出信号进行信号放大处理，基于信号放大处理后的所述数字控制电路模块的PWM输出信号以及所述第二数字控制电路的PWM输出信号，控制所述功率因数校正电路输出工频直流电压。

7.根据权利要求1所述数字化充电装置，其特征在于，还包括：

整流滤波模块，所述整流滤波模块被配置为将接收到的所述主功率电路模块输出的充电电压进行整流滤波处理，得到稳定直流电压，并将所述稳定直流电压输出给电动汽车电池负载。

8.根据权利要求1所述数字化充电装置，其特征在于，还包括：

显示模块，所述显示模块的输入端和所述数字控制电路模块的输出端相连，所述显示模块被配置为在电动汽车的充电过程中显示当前的充电状态；

控制器局域网络CAN通信模块，所述CAN通信模块的输入端和所述数字控制电路模块的输出端相连，所述CAN通信模块被配置为和所述数字控制电路模块进行通信。

9.根据权利要求4所述数字化充电装置，其特征在于，还包括：

辅助电源，所述辅助电源被配置为向所述前级电路模块和所述数字控制电路模块中的元器件和芯片提供电压信号。

10.根据权利要求5所述数字化充电装置，其特征在于，所述功率因数校正电路采用两相交错并联升压斩波功率因数Boost PFC电路。

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