CN111786566A - 用于充电桩宽电压范围输出的控制电路 - Google Patents

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Abstract

一种结构简单且能够在不增加太多资金投入的情况下，采用一台机即可为多档位额定充电电压的汽车进行安全充放电的用于充电桩宽电压范围输出的控制电路。包括依次相接的输入电源网络、原边开关网络、原边谐振网络、原边变压器、副边变压器、副边谐振网络、副边开关网络和电源输出网络，在副边变压器与副边谐振网络之间设有高低压切换网络，该高低压切换网络通过副边谐振网络和副边开关网络可调节的向电源输出网络输出250V‑1000V的电压。其可实现宽电压恒功率双向充放电变换，兼容各主流电动车型，通过***智能识别，灵活切换，实现电源变换器工作在较窄的开关频率范围内，降低变换器内部各功率器件损耗，提升***效率与变换器的可靠性。

Description

用于充电桩宽电压范围输出的控制电路
技术领域
本发明涉及汽车充电桩，特别涉及充电桩内控制电压输出的电路。
背景技术
随着新能源汽车保有量的快速增长，可存储电能规模巨大，电动汽车不仅仅是交通工具，也是能源装置，建立机动车能源互联网，实现车网双向互动，电动汽车将在对电网功率和能量的双重调节中发挥巨大的作用，其中，对充放电设备的研究成为各国研究的重点。目前电动汽车分为小车、中巴、大巴几类，而它们采用的电池电压各不相同，通常分布在300-350V,400-500V,550-700V的几个档位的电压范围内，传统的充放电设备要根据不同的车型的恒定功率电压范围来选择不同的电压输出控制电路，无法实现双向宽范围恒功率变换，导致设备使用存在局限性和充电设备资金投入大等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单且能够在不增加太多资金投入的情况下，采用一台机即可为多档位额定充电电压的汽车进行安全充放电的用于充电桩宽电压范围输出的控制电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明的用于充电桩宽电压范围输出的控制电路，包括依次相接的输入电源网络、原边开关网络、原边谐振网络、原边变压器、副边变压器、副边谐振网络、副边开关网络和电源输出网络，其特征在于：在副边变压器与副边谐振网络之间设有高低压切换网络，该高低压切换网络通过副边谐振网络和副边开关网络可调节的向电源输出网络输出250V-1000V的电压。
所述高低压切换网络由一个开关组构成，该开关组由三个开关组成，所述副边变压器由二个串联相接的线圈绕组组成，其中，
开关K1，连接在副边变压器第一个线圈绕组的异名端与第二个线圈绕组的同名端之间；
开关K2，连接在第一个线圈绕组的同名端与第二个线圈绕组的同名端之间；
开关K3，连接在第一个线圈绕组的异名端与第二个线圈绕组的异名端之间。
所述原边开关网络、原边谐振网络、原边变压器、副边变压器、高低压切换网络、副边谐振网络和副边开关网络为两组，其中，两组原边开关网络并联相接，两组副边开关网络串联相接。
所述高低压切换网络由三个开关组构成，每个开关组由三个开关组成，所述副边变压器由四个串联相接的线圈绕组构成，其中，
第一开关组中：
开关K11，连接在副边变压器第一个线圈绕组的异名端与第二个线圈绕组的同名端之间；
开关K12，连接在第一个线圈绕组的同名端与第二个线圈绕组的同名端之间；
开关K13，连接在第一个线圈绕组的异名端与第四个线圈绕组的异名端之间，该开关K13还通过第二开关组中的开关K23和第三开关组中的开关K33分别连接于第二线圈绕组的异名端和第三线圈绕组的异名端；
第二开关组中：
开关K21，连接在副边变压器第二个线圈绕组的异名端与第三个线圈绕组的同名端之间；
开关K22，连接在第一个线圈绕组的同名端与第三个线圈绕组的同名端之间，该开关K22还通过第一开关组中的开关K12和第三开关组中的开关K32分别连接于第二线圈绕组的同名端和第四线圈绕组的同名端；
开关K23，连接在第二个线圈绕组的异名端与第四个线圈绕组的异名端之间，该开关K23还通过第一开关组中的开关K13和第三开关组中的开关K33分别连接于第一线圈绕组的异名端和第三线圈绕组的异名端；
第三开关组中：
开关K31，连接在副边变压器第三个线圈绕组的异名端与第四个线圈绕组的同名端之间；
开关K32，连接在第一个线圈绕组的同名端与第四个线圈绕组的同名端之间，该开关K32还通过第一开关组中的开关K12和第二开关组中的开关K22分别连接于第二线圈绕组的同名端和第三线圈绕组的同名端；
开关K33，连接在第三个线圈绕组的异名端与第四个线圈绕组的异名端之间，该开关K33还通过第一开关组中的开关K13和第二开关组中的开关K23分别连接于第一线圈绕组的异名端和第二线圈绕组的异名端。
所述原边开关网络和副边开关网络均为由四个N型MOS管构成的H桥式电路。
传统的双向充放电设备要根据不同的车型的恒功率电压范围来选择不同的电路结构，只能实现窄范围恒功率充放电，难以实现更宽范围的恒功率充放，主要瓶颈在于：传统的串联谐振技术，实现更宽范围的电压输出，必然要较高的开关频率，导致谐振电流波形差，磁芯和绕线损耗增加，开关的关断损耗增加等一系列问题，***稳定性存在很大的风险。
本发明克服了传统双向充放电设备恒功率电压工作范围窄的局限，实现宽电压恒功率双向充放电变换，兼容各主流电动车型，通过***智能识别，灵活切换，实现电源变换器工作在较窄的开关频率范围内，谐振电流波形为正弦波，降低变换器内部各功率器件损耗，提升***效率与变换器的可靠性。其通过高低压切换网络可使输出电压在较宽范围内得到调节。
附图说明
图1为本发明的控制电路的方框图。
图2为实施例1的控制电路原理图。
图3为实施例2的控制电路原理图。
图4为实施例3的控制电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的用于充电桩宽电压范围输出的控制电路(也称变换器)由依次相接的输入电源网络、原边开关网络、原边谐振网络、原边变压器、副边变压器、高低压切换网络、副边谐振网络、副边开关网络和电源输出网络构成。
输入电源网络用于接入本控制电路所需的的电压。
原边开关网络由四个N型MOS管构成的H桥式电路组成，分别为S1、S2、S3、S4，其连接结构参见图2、3所示。
原边谐振网络由滤波电感Lr1、滤波电容Cr1和并接在原边变压器的各线圈绕组上的电感Lm1、Lm2、Lm3、Lm4组成，其连接方式参见图2、3、4所示。
原边变压器和副边变压器均包括至少两个线圈绕组构成，参见图2、3、4所示。
副边谐振网络由谐振电感Lr2、谐振电容Cr2构成，其连接方式参见图2、3、4所示。
副边开关网络由四个N型MOS管构成的H桥式电路组成，分别为S5、S6、S7、S8，其连接结构参见图2、3所示。
电源输出网络用于输出电压，输出电压为负载电阻Rout的端电压。
本发明的特点是：在副边变压器与副边谐振网络之间设有高低压切换网络，该高低压切换网络通过副边谐振网络和副边开关网络可调节的向电源输出网络输出250V-1000V的电压。
本发明通过智能识别待充电的汽车的充电电池的电压，利用开关矩阵灵活切换，使开关变换器工作在最佳谐振工作点。
有以下几个实施例：
实施例1
如图2所示，所述高低压切换网络由一个开关组构成，该开关组由三个开关组成，所述副边变压器由二个串联相接的线圈绕组组成，其中，
开关K1，连接在副边变压器第一个线圈绕组的异名端与第二个线圈绕组的同名端之间；
开关K2，连接在第一个线圈绕组Tr1的同名端与第二个线圈绕组Tr2的同名端之间；
开关K3，连接在第一个线圈绕组Tr1的异名端与第二个线圈绕组Tr2的异名端之间。
通过控制开关组中开关K1、开关K2和开关K3的断开和闭合来控制电源输出网络的输出电压。
当所述输出电压需要设置在低压模式(即对应待充电的汽车电池所需的充电电压为低电压时)时，将开关K1断开，将开关K2和开关K3闭合，此时，变压器原边绕组串联，副边绕组并联，依据变压器原理涉及的公式：Uo＝n˙Ui，n＝N2/N1(其中，Uo为变压器次级输出直流电压，Ui为变压器初级输入电压，N1、N2分别为变压器初级线圈和次级线圈的匝数)，输出电压较副边绕组并联前降低；
当输出电压需要设置在高压模式时，开关K1闭合，开关K2和开关K3断开，变压器原边绕组串联，副边绕组串联，输出电压较副边绕组并联情况要高。
实施例2
如图3所示，本实施例中原边变压器的线圈绕组和副边变压器的线圈绕组均为四个，原边变压器的四个线圈绕组与对应的电感的连接方式如图3所示。在该实施例中，所述高低压切换网络由三个开关组构成，每个开关组由三个开关组成，所述副边变压器由四个串联相接的线圈绕组构成，其中，
第一开关组中：
开关K11，连接在副边变压器第一个线圈绕组Tr1的异名端与第二个线圈绕组Tr2的同名端之间；
开关K12，连接在第一个线圈绕组Tr1的同名端与第二个线圈绕组Tr2的同名端之间；
开关K13，连接在第一个线圈绕组Tr1的异名端与第四个线圈绕组Tr4的异名端之间，该开关K13还通过第二开关组中的开关K23和第三开关组中的开关K33分别连接于第二线圈绕组Tr2的异名端和第三线圈绕组Tr3的异名端；
第二开关组中：
开关K21，连接在副边变压器第二个线圈绕组Tr2的异名端与第三个线圈绕组Tr3的同名端之间；
开关K22，连接在第一个线圈绕组Tr1的同名端与第三个线圈绕组Tr3的同名端之间，该开关K22还通过第一开关组中的开关K12和第三开关组中的开关K32分别连接于第二线圈绕组Tr2的同名端和第四线圈绕组Tr4的同名端；
开关K23，连接在第二个线圈绕组Tr2的异名端与第四个线圈绕组Tr4的异名端之间，该开关K23还通过第一开关组中的开关K13和第三开关组中的开关K33分别连接于第一线圈绕组Tr1的异名端和第三线圈绕组Tr3的异名端；
第三开关组中：
开关K31，连接在副边变压器第三个线圈绕组Tr3的异名端与第四个线圈绕组Tr4的同名端之间；
开关K32，连接在第一个线圈绕组Tr1的同名端与第四个线圈绕组Tr4的同名端之间，该开关K32还通过第一开关组中的开关K12和第二开关组中的开关K22分别连接于第二线圈绕组Tr2的同名端和第三线圈绕组Tr3的同名端；
开关K33，连接在第三个线圈绕组Tr3的异名端与第四个线圈绕组Tr4的异名端之间，该开关K33还通过第一开关组中的开关K13和第二开关组中的开关K23分别连接于第一线圈绕组Tr1的异名端和第二线圈绕组Tr2的异名端。
电动汽车未来会往更高压方向发展，如输出电压依据待充电池电压会到达1500V等级的需求时，本实施例可实现更宽范围恒功率的工作目标。
本实施例可按需要获得低、中、高三种电压的输出电压，各开关断开或闭合方式如下：
1)当输出电压需要输出低压模式时，K11、K21、K31断开，K12、K22、K32和K13、K23、K33闭合，变压器原边绕组串联，副边四个线圈绕组并联，输出低电压。
2)当输出电压需要中压模式时，K11、K22、K23、K31闭合，K12、K13、K21、K32、K33断开，变压器原边绕组串联，副边四个线圈绕组中，第一个线圈绕组Tr1与第二个线圈绕组Tr2串联，第三个线圈绕组Tr3与第四个线圈绕组Tr4串联，之后，两个串联电路再通过K22和K23的闭合并联，输出中电压。
3)当输出电压需要高压模式时，K11、K21、K31闭合，K12、K22、K32、K13、K23、K33断开，变压器原边绕组串联，副边四个线圈绕组串联，输出高电压。
实施例3
如图4所示，本实施例由两组实施例1述及的控制电路构成，即所述原边开关网络、原边谐振网络、原边变压器、副边变压器、高低压切换网络、副边谐振网络和副边开关网络为两组，分别称第一组控制电路和第二组控制电路，两组控制电路中，两个原边开关网络并联相接，两个副边开关网络串联相接。
第一组控制电路中的S1、S2、S3、S4组成第一原边开关网络，Lr1、Cr1、Lm1～Lm2组成第一原边谐振网络，Tr1～Tr2以及K1～K3组成第一副边变压器高低压切换网络，Cr_sec、Lr_sec以及Tr1～Tr2组成第一副边谐振网络，S5、S6、S7、S8组成第一副边开关网络；
第二组控制电路中的S9～S12组成第二原边开关网络，Lr2、Cr2、Lm3～Lm4组成第二原边谐振网络，Tr3～Tr4以及K4～K6组成第二副边变压器高低压切换网络，Cr_sec1、Lr_sec1以及Tr3～Tr4组成第二副边谐振网络，S13、S14、S15、S16组成第二副边开关网络；
Co、Co1与Rout组成本实施例电路的电源输出网络。
第一原边开关网络与第二原边开关网络交错180度工作。
当输出电源需要设置在低压模式时，K1、K4断开，K2、K3、K5、K6闭合，第一组控制电路和第二控制电路的副边变压器的两个线圈绕组均并联，此时，输出电压为Uo＝n*Ui(n为变压器砸比，Uin为输入电压)；
当输出电源需要设置在高压模式时，K1、K4闭合，K2、K3、K5、K6断开，第一组控制电路和第二控制电路的副边变压器的两个线圈绕组均串联，此时，输出电压为Uo＝2*n*Ui。
本发明通过调节输入电压、工作频率、控制开关(继电器、开关管)持续导通，以此更改特定电压区域增益，从而提高转换器的综合转换效率，实现宽范围恒功率双向直流变换的效果。由此，可以减少运营商的运营成本，减少能源浪费。
理论上，当LLC工作在谐振频率处附近区间时，转换效率最高，可以通过调节输入电压和工作频率，形成一个高效率的电压输出区间。
具体的，设本发明的控制电路的输入电压范围为Uin_min～Uin_max，输出电压范围Uo_min～Uo_max。当变换器工作在谐振频率附近区域时，变换器的最优效率输出电压区间为Ua～Ub。当变换器工作在高压模式时，Ua＝0.5Uo_max，Ub＝Uo_max，当变换器工作在低压模式时，得到对应最优效率工作电压0.5Ua～0.5Ub。

Claims (5)

1.一种用于充电桩宽电压范围输出的控制电路，包括依次相接的输入电源网络、原边开关网络、原边谐振网络、原边变压器、副边变压器、副边谐振网络、副边开关网络和电源输出网络，其特征在于：在副边变压器与副边谐振网络之间设有高低压切换网络，该高低压切换网络通过副边谐振网络和副边开关网络可调节的向电源输出网络输出250V-1000V的电压。
2.根据权利要求1所述的用于充电桩宽电压范围输出的控制电路，其特征在于：所述高低压切换网络由一个开关组构成，该开关组由三个开关组成，所述副边变压器由二个串联相接的线圈绕组组成，其中，
开关K1，连接在副边变压器第一个线圈绕组的异名端与第二个线圈绕组的同名端之间；
开关K2，连接在第一个线圈绕组的同名端与第二个线圈绕组的同名端之间；
开关K3，连接在第一个线圈绕组的异名端与第二个线圈绕组的异名端之间。
3.根据权利要求2所述的用于充电桩宽电压范围输出的控制电路，其特征在于：所述原边开关网络、原边谐振网络、原边变压器、副边变压器、高低压切换网络、副边谐振网络和副边开关网络为两组，其中，两组原边开关网络并联相接，两组副边开关网络串联相接。
4.根据权利要求1所述的用于充电桩宽电压范围输出的控制电路，其特征在于：所述高低压切换网络由三个开关组构成，每个开关组由三个开关组成，所述副边变压器由四个串联相接的线圈绕组构成，其中，
第一开关组中：
开关K11，连接在副边变压器第一个线圈绕组的异名端与第二个线圈绕组的同名端之间；
开关K12，连接在第一个线圈绕组的同名端与第二个线圈绕组的同名端之间；
开关K13，连接在第一个线圈绕组的异名端与第四个线圈绕组的异名端之间，该开关K13还通过第二开关组中的开关K23和第三开关组中的开关K33分别连接于第二线圈绕组的异名端和第三线圈绕组的异名端；
第二开关组中：
开关K21，连接在副边变压器第二个线圈绕组的异名端与第三个线圈绕组的同名端之间；
开关K22，连接在第一个线圈绕组的同名端与第三个线圈绕组的同名端之间，该开关K22还通过第一开关组中的开关K12和第三开关组中的开关K32分别连接于第二线圈绕组的同名端和第四线圈绕组的同名端；
开关K23，连接在第二个线圈绕组的异名端与第四个线圈绕组的异名端之间，该开关K23还通过第一开关组中的开关K13和第三开关组中的开关K33分别连接于第一线圈绕组的异名端和第三线圈绕组的异名端；
第三开关组中：
开关K31，连接在副边变压器第三个线圈绕组的异名端与第四个线圈绕组的同名端之间；
开关K32，连接在第一个线圈绕组的同名端与第四个线圈绕组的同名端之间，该开关K32还通过第一开关组中的开关K12和第二开关组中的开关K22分别连接于第二线圈绕组的同名端和第三线圈绕组的同名端；
开关K33，连接在第三个线圈绕组的异名端与第四个线圈绕组的异名端之间，该开关K33还通过第一开关组中的开关K13和第二开关组中的开关K23分别连接于第一线圈绕组的异名端和第二线圈绕组的异名端。
5.根据权利要求1－4中任一项所述的用于充电桩宽电压范围输出的控制电路，其特征在于：所述原边开关网络和副边开关网络均为由四个N型MOS管构成的H桥式电路。
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