CN206004379U - 一种升降压一体的电动汽车车载充电机 - Google Patents

一种升降压一体的电动汽车车载充电机 Download PDF

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石英
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Abstract

本实用新型公开了一种升降压一体的电动汽车车载充电机，包括整流模块、升降压模块、比较器模块、逻辑控制器模块、恒导通时间控制模块、平均电流控制模块和带保护的开关管驱动模块；采用升降压一体的拓扑结构，具有功率因数校正功能，能对电动汽车进行升压和降压充电。本充电机输出具有恒压控制模式和恒流控制模式，具有电压、电流和温度保护，有效提高了充电机的安全性和可靠性。本实用新型具有网侧功率因数高、整机工作效率高、网侧谐波少、响应速度快、安全可靠的特点。

Description

一种升降压一体的电动汽车车载充电机
技术领域
本实用新型涉及电动汽车电池充电技术领域，尤其涉及一种升降压一体的电动汽车车载充电机。
背景技术
面对日益突出的能源和环境问题，节能环保的电动汽车成为汽车工业的一个发展趋势。目前电动汽车使用的电能主要来自煤和水能，随着科技进步，更多的电能将由风能、太阳能等清洁能源转换而来。电动汽车的推广应用将进一步减少人类社会对石油资源的依赖，同时改善空气质量。
电动汽车的推广，需要解决的首要问题是给电动汽车提供电能的基础设施。车载充电机能随时给电动汽车补充电能。目前车载充电机通常采用全桥DC/DC拓扑结构，具有以下缺陷：
1)无法实现降压充电。目前车载充电机没有考虑电池过放、电压过低的情况，当给过放电池充电时，会有充电电流过大的问题。
2)体积大。由于电路中使用了变压器和4个开关管，充电机通常需要占用很大空间，难以应用在轿车上，难以推广应用。
3)成本高。采用全桥DC/DC结构，需要4个开关管，开关管数量多，成倍增加了设备成本和配套的散热设备成本，提高了充电机价格，不利于广泛应用。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中无法实现降压充电，且装置体积大、成本高的缺陷，提供一种对电动汽车进行降压和升压充电，网侧功率因数高，整机效率高，成本低，维护方便，体积小，故障率低，运行可靠 性高的升降压一体的电动汽车车载充电机。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
本实用新型提供一种升降压一体的电动汽车车载充电机，包括整流模块、升降压模块、比较器模块、逻辑控制器、恒导通时间控制模块、平均电流控制模块、带保护的开关管驱动模块和动力电池；其中：
整流模块的输入端与市电相连，整流模块的正输出端与升降压模块的正输入端相连，整流模块的负输出端与升降压模块的负输入端相连；整流模块和升降压模块之间还设置有第一电流检测电路和第一电压检测电路；
升降压模块的正输出端与动力电池的正输入端相连，升降压模块的负输出端与动力电池的负输入端相连；升降压模块和动力电池之间还设置有第二电流检测电路和第二电压检测电路；
比较器模块的输入端分别与输出电压、输出电流、输出电压常数和输出电流常数相连，比较器模块的输出端与恒导通时间控制模块的输入端、平均电流控制模块的输入端均相连；
逻辑控制器的输入端与过零点信号、温度信号、输出电压和输出电流相连，并根据输入信号生成电机的控制模式信号和两路工作模式信号；逻辑控制器将控制模式信号发送给比较器模块，将两路工作模式信号分别发送给恒导通时间控制模块和平均电流控制模块；
恒导通时间控制模块和平均电流控制模块的输出端以及逻辑控制器的输出端通过两个逻辑与门和带保护的开关管驱动模块的输入端相连，带保护的开关管驱动模块的输出端与升降压模块相连。
进一步地，本实用新型的恒导通时间控制模块内设置有置位复位运算器；恒导通时间控制模块的输入端分别与置位复位运算器、比较器相连；积分常数端与带复位的积分器的一端相连，带复位的积分器的输出端通过比较器与置位复位运算器相连；置位复位运算器的一个输出端与第三与门相连，另一个输出端返回带复位的积分器。
进一步地，本实用新型的平均电流控制模块内设置有比例积分运算模块；平均电流控制模块的电流输入端与比例积分运算模块的输入端相连，电压输入 端与乘法器的一端相连，乘法器的输出端与比例积分运算模块的另一个输入端相连；PWM运算模块的输入端与比例积分运算模块的输出端以及锯齿波相连，PWM运算模块的输出端与第四与门相连，平均电流控制模块输入端与第四与门的另一个输入端相连，第四与门的输出端输出占空比信号。
进一步地，本实用新型的逻辑控制器与第一开关管、第二开关管相连，充电机出现过压、过流、过温时，关断第一开关管和第二开关管。
进一步地，本实用新型的升降压模块的电压输入端与第一电容、第一电感、第一继电器的一端均连接，第一电感的另一端与第二电容、第一开关管的一端连接，第一继电器的另一端与第一开关管的另一端、第一二极管的阴极、第二电感的一端连接，第二电感的另一端通过电感电流过零点检测与第二开关管的一端、第二二极管的阳极连接，第二二极管的阴极与第三电容的一端以及电压正向输出端连接，电压负向输入端与第一电容、第二电容、第三电容、第二开关管的一端、第一二极管的阳极以及电压负向输出端均相连。
本实用新型产生的有益效果是：本实用新型的升降压一体的电动汽车车载充电机，通过升降压模块，避免了传统的车载充电机无法对过放动力电池进行降压充电的问题，由于采用了升降压一体的结构，能对电动汽车进行升压充电和降压充电，电路中只有两个开关管，没有变压器，充电机成本低、体积小、实用；采用多重保护机制，使本充电机即使受到外部干扰也能安全稳定运行；采用平均电流控制和恒导通时间控制，提高了网侧功率因数和暂态响应速度、降低了网侧电流谐波含量。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1是本实用新型实施例的原理框图；
图2是本实用新型实施例的恒导通时间控制模块的原理框图；
图3是本实用新型实施例的平均电流控制模块的原理框图；
图中，100-整流模块、110-升降压模块、120-比较器模块、130-逻辑控制器、140-恒导通时间控制模块、150-平均电流控制模块、160-带保护的开关管 驱动模块、170-置位复位运算器、180-比例积分运算模块。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型实施例的升降压一体的电动汽车车载充电机，采用模块化控制结构，负载输出端电压等级可控，装置主体结构包括整流模块100、升降压模块110、比较器模块120、逻辑控制器130、恒导通时间控制模块140、平均电流控制模块150、带保护的开关管驱动模块160。
在本实施例中，该装置输出功率为3.5kW，单相交流电压220V、频率50HZ，恒压控制模式下输出电压Uout为200V～500V可控，恒流控制模式下输出电流Iout为6A～18A可控。电容C1、C2为0.47uF，电感L1为220uH，电感L2为200uH，电容C3为2200uF。
220V市电的输出与整流模块100的输入端相连接，整流模块100的正输出端U+通过电流检测1与电压检测1的一端和升降压模块110的正输入端Uin+相连接，整流模块100的负输出端U-与电压检测1的另一端和升降压模块110的负输入端Uin-相连接。升降压模块110的正输出端Uout+和电压检测2的一端通过电流检测2与动力电池的正端Ubat+相连接，升降压模块110的负输出端Uout-与电压检测2的另一端和动力电池的负端Ubat-相连接。
升降压模块110的Uin+与电容C1的一端、电感L1的一端、继电器J1的一端相连接，电感L1的另一端与电容C2的一端、开关管S1的一端相连接，继电器J1的另一端与开关管S1的另一端、二极管D1的阴极、电感L2的一端相连接，电感L2的另一端通过电感电流过零点检测与开关管S2的一端、二极管D2的阳极相连接，二极管D2的阴极与电容C3的一端与Uout+相连接，Uin-与电容C1的一端、电容C2的一端、二极管D1的阳极、开关管S2的一端、电容C3的一端和Uout-相连接。
输出电压常数、输出电流常数、输出电压Uout和输出电流Iout分别与比较 器模块120的输入端I_4、I_3、I_2、I_1相连接，比较器模块输出值E1通过输出端O_1与恒导通时间控制模块140的输入端I_10和平均电流控制模块150的输入端I_13相连接，过零点信号Z、温度T、输出电流Iout、输出电压Uout分别与逻辑控制器130的输入端I_9、I_8、I_7、I_6相连接，控制模式信号Em通过逻辑控制器130的输出端O_7与比较器模块120的输入端I_5相连接，工作模式控制信号Ebt通过逻辑控制器130输出端O_5与平均电流控制模块150的输入端I_14相连接，工作模式控制信号Ebk通过逻辑控制器130输出端O_6与恒导通时间控制模块140的输入端I_11相连接，过零点信号Z与恒导通时间控制模块140的输入端I_12相连接，输入电流Iin、输入电压Uin分别与平均电流控制模块150的输入端I_16、I_15相连接，平均电流控制模块150的输出值Gpwm1通过输出端O_9与与门1的一端相连接，恒导通时间控制模块140的输出值Gpwm2通过输出端O_8与与门2的一端相连接，逻辑控制器130的输出值Een1、Een2通过输出端O_4、O_3与两个与门的另一端相连接，两个与门的输出端分别与带保护的开关管驱动模块160的输入端I_18、I_17相连接，带保护的开关管驱动模块160的输出值G1、G2通过输出端G_1、G_2分别与开关S1、S2相连接。
如图2所示，所述恒导通时间控制模块140输入端I_12的Z与置位复位运算器170的一端相连接，输入端I_10的E1与比较器的一端相连接，积分常数C与带复位积分器的一端相连接，带复位积分器的输出端J1与比较器的另一端相连接，比较器的输出端ER与置位复位运算器170的另一端相连接，置位复位运算器170的输出端Gp2与与门3的一端相连接，另一个输出端Q1与带复位积分器的另一端相连接，恒导通时间控制模块140输入端I_11的Ebk与与门3的另一端相连接，与门3的输出端O_8输出占空比信号Gpwm2。
如图3所示，平均电流控制模块150输入端I_16的Iin与比例积分运算模块180的一端相连接，输入端I_15的Uin与乘法器的一端相连接，输入端I_13的E1与乘法器的另一端相连接，乘法器的输出端Iref与比例积分运算模块180的另一端相连接，比例积分运算模块180的输出端Epwm与PWM运算模块的一端相连接，锯齿波Esaw与PWM运算模块的另一端相连接，PWM运算模块 的输出端Gp1与与门4的一端相连接，平均电流控制模块150输入端I_14的Ebt与与门4的另一端相连接，与门4的输出端O_9输出占空比信号Gpwm1。
逻辑控制器130独立实时监控该充电机的输出电压Uout、输出电流Iout和开关管的温度T，当充电机出现输出过压(Buck PFC工作模式下为315V，Boost PFC工作模式下为510V)、电流大于20A、温度高于70℃时，逻辑控制器130独立将保护信号Een1、Een2置低，将两路驱动信号锁存在低电平，关断开关管S1、S2；根据动力电池端电压Uout的高低，逻辑控制器130通过改变工作模式控制信号Ebk和Ebt，自动切换充电机工作模式是Buck PFC工作模式或者Boost PFC工作模式，当电池端电压Uout高于310V时，切换为Boost PFC工作模式，低于310V时，切换为Buck PFC工作模式；逻辑控制器130通过改变控制模式信号Em，自动切换充电机的控制模式是恒压控制模式或者恒流控制模式。
220V市电经过整流模块100整流后，得到脉动的直流电压。电流检测1检测输入电流Iin，电流检测2检测输出电流Iout，电压检测1检测输入电压Uin，电压检测2检测输出电压Uout，当动力电池电压Uout在正常范围，在310V以上时，充电机切换为Boost PFC工作模式；当动力电池电压Uout过低，低于310V时，充电机切换为Buck PFC工作模式。
在Buck PFC工作模式下，逻辑控制器130对输出值Jen置低电平，断开继电器J1，对工作模式控制信号Ebk、Ebt分别置高电平和低电平，使能恒导通时间控制模块140，关闭平均电流控制模块150。
通过控制模式信号Em控制比较器模块120，切换工作状态为恒压控制模式或者恒流控制模式。在恒压控制模式下，比较器模块120对输出电压Uout和输出电压常数Uset运算，得到输出值E1。在恒流控制模式下，比较器模块120对输出电流Iout和输出电流常数Iset运算，得到输出值E1。恒导通时间控制模块140输入端I_12、I_10接收到过零点信号Z、比较器模块输出值E1后，带复位积分器对积分常数C积分运算后得到输出值J1，E1与J1经过比较器运算后得到输出值ER，过零点信号Z与比较器输出值ER在置位复位运算器170中运算并输出占空比信号Gp2和复位信号Q1，占空比信号Gp2与工作模式控制信号Ebk做与运算，得到占空比信号Gpwm2，通过输出端O_8输出。当充电机 没有出现输出电压高于315V、电流大于20A、温度高于70℃时，逻辑控制器130输出值Een2置高电平，占空比信号Gpwm2通过与门2送入带保护的开关管驱动模块160，并产生驱动信号G1驱动开关管S1开通或者关断，充电机正常工作在Buck PFC工作模式；当充电机出现输出电压高于315V、电流大于20A、温度高于70℃时，逻辑控制器130输出值Een2置低电平，与门2的输出置低电平，带保护的开关管驱动模块160输出负压驱动信号G1，关断开关管S1，充电机停止工作；当动力电池电压达到切换电压，310V时，进行工作模式切换。
在Boost PFC工作模式下，逻辑控制器130对输出值Jen置高电平，闭合继电器J1，对工作模式控制信号Ebk、Ebt分别置低电平和高电平，关闭恒导通时间控制模块140，使能平均电流控制模块150，通过控制模式信号Em控制比较器模块120，切换工作状态为恒压控制模式或者恒流控制模式。在恒压控制模式下，比较器模块120对输出电压Uout、输出电压常数Uset运算，得到输出值E1。在恒流控制模式下，比较器模块120对输出电流Iout、输出电流常数Iset运算，得到输出值E1。平均电流控制模块150的输入端I_16、I_15、I_13接收到输入电流Iin、输入电压Uin、比较器模块输出值E1后，输入电压Uin与比较器模块输出值E1相乘得到电流参考值Iref，输入电流Iin与电流参考值Iref经过比例积分运算模块180运算后得到输出值Epwm，Epwm与锯齿波Esaw经过PWM运算模块运算后得到占空比信号Gp1，占空比信号Gp1与工作模式控制信号Ebt做与运算，得到占空比信号Gpwm1，通过输出端O_9输出。当充电机没有出现输出电压高于510V、电流大于20A、温度高于70℃时，逻辑控制器130输出值Een1置高电平，占空比信号Gpwm1通过与门1送入带保护的开关管驱动模块160，并产生驱动信号G2驱动开关管S2开通或者关断，充电机正常工作在Boost PFC工作模式；当充电机出现输出电压高于510V、电流大于20A、温度高于70℃时，逻辑控制器130输出值Een1置低电平，与门1的输出置低电平，带保护的开关管驱动模块160输出负压驱动信号G2，关断开关管S2，充电机停止工作；当动力电池电压达到设定值500V时，逻辑控制器130输出值Een1置低电平，与门1的输出置低电平，带保护的开关管驱动模块160输出负压驱动信 号G2，关断开关管S2，充电机停止工作。
在工作模式切换时，逻辑控制器130检测电感L2电流过零点，检测到过零点信号后，瞬时对输出值Jen置高电平，闭合继电器J1，对工作模式控制信号Ebk、Ebt分别置低电平和高电平，关闭恒导通时间控制模块140，使能平均电流控制模块150。完成以上动作后，控制过程与Boost PFC工作模式控制过程相同。切换过程在电感L2电流为零期间进行。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种升降压一体的电动汽车车载充电机，其特征在于，包括整流模块(100)、升降压模块(110)、比较器模块(120)、逻辑控制器(130)、恒导通时间控制模块(140)、平均电流控制模块(150)、带保护的开关管驱动模块(160)和动力电池；其中：
整流模块(100)的输入端与市电相连，整流模块(100)的正输出端与升降压模块(110)的正输入端相连，整流模块(100)的负输出端与升降压模块(110)的负输入端相连；整流模块(100)和升降压模块(110)之间还设置有第一电流检测电路和第一电压检测电路；
升降压模块(110)的正输出端与动力电池的正输入端相连，升降压模块(110)的负输出端与动力电池的负输入端相连；升降压模块(110)和动力电池之间还设置有第二电流检测电路和第二电压检测电路；
比较器模块(120)的输入端分别与输出电压、输出电流、输出电压常数和输出电流常数相连，比较器模块(120)的输出端与恒导通时间控制模块(140)的输入端、平均电流控制模块(150)的输入端均相连；
逻辑控制器(130)的输入端与过零点信号、温度信号、输出电压和输出电流相连，并根据输入信号生成电机的控制模式信号和两路工作模式信号；逻辑控制器(130)将控制模式信号发送给比较器模块(120)，将两路工作模式信号分别发送给恒导通时间控制模块(140)和平均电流控制模块(150)；
恒导通时间控制模块(140)和平均电流控制模块(150)的输出端以及逻辑控制器(130)的输出端通过两个逻辑与门和带保护的开关管驱动模块(160)的输入端相连，带保护的开关管驱动模块(160)的输出端与升降压模块(110)相连。
2.根据权利要求1所述的升降压一体的电动汽车车载充电机，其特征在于，恒导通时间控制模块(140)内设置有置位复位运算器(170)；恒导通时间控制模块(140)的输入端分别与置位复位运算器(170)、比较器相连；积分常数端与带复位的积分器的一端相连，带复位的积分器的输出端通过比较器 与置位复位运算器(170)相连；置位复位运算器(170)的一个输出端与第三与门相连，另一个输出端返回带复位的积分器。
3.根据权利要求1所述的升降压一体的电动汽车车载充电机，其特征在于，平均电流控制模块(150)内设置有比例积分运算模块(180)；平均电流控制模块(150)的电流输入端与比例积分运算模块(180)的输入端相连，电压输入端与乘法器的一端相连，乘法器的输出端与比例积分运算模块(180)的另一个输入端相连；PWM运算模块的输入端与比例积分运算模块(180)的输出端以及锯齿波相连，PWM运算模块的输出端与第四与门相连，平均电流控制模块(150)输入端与第四与门的另一个输入端相连，第四与门的输出端输出占空比信号。
4.根据权利要求1所述的升降压一体的电动汽车车载充电机，其特征在于，逻辑控制器(130)与第一开关管、第二开关管相连，充电机出现过压、过流、过温时，关断第一开关管和第二开关管。
5.根据权利要求1所述的升降压一体的电动汽车车载充电机，其特征在于，升降压模块(110)的电压输入端与第一电容、第一电感、第一继电器的一端均连接，第一电感的另一端与第二电容、第一开关管的一端连接，第一继电器的另一端与第一开关管的另一端、第一二极管的阴极、第二电感的一端连接，第二电感的另一端通过电感电流过零点检测与第二开关管的一端、第二二极管的阳极连接，第二二极管的阴极与第三电容的一端以及电压正向输出端连接，电压负向输入端与第一电容、第二电容、第三电容、第二开关管的一端、第一二极管的阳极以及电压负向输出端均相连。
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