一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统的制作方法
【专利摘要】一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，采用恒流—恒压充电方式，进行了充电控制器主电路设计，采用带钳位二极管的零电压软开关PWM电路作为主电路。变压器一次侧引入谐振电感R L和钳位二极管，有效克服输出整流管反向恢复所造成的电压尖峰现象。为充电控制系统设计了数字控制器，算法易于设计，抗干扰能力增强。为保证系统在恒压、恒流切换过程中防止调节量突变，采用计算调节量的方式实现模式切换，所设计的充电控制器能够取得较好的稳态精度，系统输出纹波小，切换平滑，能很好的实现锂电池充放电。
【专利说明】
一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统
[0001]本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及锂电子电池充电系统设计，主要应用于电动汽车能源供给。
【背景技术】
[0002]传统燃油汽车环境污染严重，能耗过高，造成的环境和能源问题也日益严峻，引起人们的广泛关注与担忧。电动汽车在节能、环保方面具有一定的优势，逐步成为汽车工业发展的潮流。与电动汽车发展相配套的能源供给设施建设是电动汽车进一步推广和应用的基础。应用锂离子动力电池作为充电系统，寻找合适的容量注入技术已成为电动汽车研究问题的关键。锂电池具有高能量密度，寿命长，安全可靠，充放电电压稳定，在电动汽车上得到了广泛应用。应用小电流充电法能有效减小充电对其寿命影响，但耗时较长，充电效率过低，不适合电动汽车应用领域。采用大电流脉冲充电，能实现电能快速注入，但由于锂电池内阻影响，充电终端电压也电池实际状态不符，电池常处于欠电状态，使其利用率降低。有鉴于此，本专利提出一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，采用恒流一恒压充电方式，进行了充电控制器主电路设计和数字控制器设计，通过切换控制实现了恒压一恒流切换，所设计的充电控制器能够取得较好的稳态精度，系统输出纹波小，切换平滑，能很好的实现锂电池充放电。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，该系统采用恒流一恒压控制方式，具体控制策略如图1所示，对电池电压和电流进行实时检测，当电池端电压小于Vl时，进行涓流充电，当电池电压达到Vl后，转入恒流充电阶段，当电压上升至Vh后，采用恒压充电模式，直至电池充满电。
[0004]充电电源主电路采用带钳位二极管的零电压软开关PWM电路，如图2所示，其中Q1-Q4为主开关管，选用开关频率较高的M0SFET，采用零电压开关，变压器一次侧引入谐振电感Lr和钳位二极管，D&D8，有效克服输出整流管反向恢复所造成的电压尖峰现象，变压器二次侧采用全波整流输出。
[0005]充电控制采用数字控制器实现，从而使系统控制算法易于设计，抗干扰能力增强，所设计的离散控制系统如图3所示。该控制系统主要由电压电流输入、模式选择开关、电压电流控制器、被控对象传递函数等构成，通过电压环和电流环分别实现恒压控制和恒流控制策略。在恒流充电阶段，系统控制目标为输出电流，恒压控制阶段，系统以输出电压为控制目标。为了保证系统在恒压、恒流切换过程中防止调节量突变，采用计算调节量的方式实现模式切换，其具体工作原理为:系统同时计算控制器的输出调节量uv(k)和Ul(k)，其中，Uv(k)为电压调节量，Ul(k)为电流调节量，当需要充电切换时，比较两个调节量的大小，当满足m(k)彡uv(k)时，系统进入切换状态。
【附图说明】
[0006]图1充电控制策略图；
[0007]图2充电电源主电路图；
[0008]图3离散控制系统结构图；
【具体实施方式】
[0009]为了使从事电动汽车充电器设计相关技术人员能更好地理解本发明方案，下面参照附图对本发明实施方式进行详细说明。
[0010]参见图1，本系统提供了充电控制策略图，说明了电动汽车用锂电子电池充电系统所采用的恒流一恒压控制方式，具体充电控制过程由启动阶段、恒流阶段和恒压阶段组成。在具体操作时，需要通过电压和电流传感器，对电池电压和电流进行实时检测，当电池端电压小于Vl时，进行涓流充电，当电池电压达到Vl后，转入恒流充电阶段，当电压上升至Vh后，采用恒压充电模式，直至电池充满电。充电控制策略主要应用于实际系统中，通过软件编程，实现主电路开关元件的开关信号，从而实施充电策略。
[0011]参见图2，给出了充电电源主电路图，该充电电源主电路采用的具体拓扑结构为带钳位二极管的零电压软开关PWM电路，Q1-Q4为主开关管，形成桥式电路，其中Ql、Q4为一对桥臂，Q3、Q2为一对桥臂，每个开关管元件两端反并联二极管，也可以直接采用IGBT或相关模块实现。在本系统中，选用开关频率较高的M0SFET，设计了充电装置，元件开关频率为50KHz，输入电压为520V，采用零电压开关方式。变压器一次侧引入谐振电感Lr和钳位二极管DR1、DR2，有效克服输出整流管反向恢复所造成的电压尖峰现象，变压器二次侧采用全波整流输出，变压器匝比为18:5，谐振电感为LR = 20yH，滤波电感为Lf=10yH,滤波电容为Cf= 1uF0
[0012]参见图3，给出了离散控制系统结构图，充电控制采用数字控制器实现，主要由电压电流输入、模式选择开关、电压电流控制器、被控对象传递函数等构成，通过电压环和电流环分别实现恒压控制和恒流控制策略。系统中Gv(Z)和Gc(Z)为电压控制器和电流控制器的离散传递函数，ZOH为零阶保持器模型，FmSP丽环节的传递函数，Gld(S)为占空比到输出电流之间的传递函数，H2、m为电流反馈传递函数和电压反馈传递函数。在恒流充电阶段，系统控制目标为输出电流，恒压控制阶段，系统以输出电压为控制目标。为了保证系统在恒压、恒流切换过程中防止调节量突变，采用计算调节量的方式实现模式切换，其具体工作原理为:系统同时计算控制器的输出调节量uv(k)和m(k)，其中，uv(k)为电压调节量，m(k)为电流调节量，当需要充电切换时，比较两个调节量的大小，当满足m(k)多uv(k)时，系统进入切换状态。根据系统所设计的主电路和数字控制单元，采用恒压一恒流控制方式进行充电，能够取得较好的稳态精度，系统输出纹波小，切换平滑，能实现锂电池很好的充放电效果。
[0013]以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，其特征在于:系统给出了充电控制策略图，采用恒流一恒压控制方式进行充电。2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，该系统充电控制过程由启动阶段、恒流阶段和恒压阶段组成。3.按照权利要求1或2所述的一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，其特征在于:具体操作时，需要通过电压和电流传感器，对电池电压和电流进行实时检测，当电池端电压小于Vl时，进行涓流充电，当电池电压达到Vl后，转入恒流充电阶段，当电压上升至Vh后，采用恒压充电模式，直至电池充满电。4.按照权利要求1所述的一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，其特征在于:给出了充电电源主电路图，该充电电源主电路采用的具体拓扑结构为带钳位二极管的零电压软开关PffM电路。5.按照权利要求4所述的一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，其特征在于:Q1-Q4为主开关管，形成桥式电路，其中Ql、Q4为一对桥臂，Q3、Q2为一对桥臂，每个开关管元件两端反并联二极管，也可以直接采用IGBT或相关模块实现。6.按照权利要求4、或5所述的一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，其特征在于:变压器一次侧引入谐振电感Lr和钳位二极管，有效克服输出整流管反向恢复所造成的电压尖峰现象。7.按照权利要求1所述的一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，其特征在于:给出了离散控制系统结构图，充电控制采用数字控制器实现，主要由电压电流输入、模式选择开关、电压电流控制器、被控对象传递函数等构成。8.按照权利要求7所述的一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，其特征在于:通过电压环和电流环分别实现恒压控制和恒流控制策略，在恒流充电阶段，系统控制目标为输出电流，恒压控制阶段，系统以输出电压为控制目标。9.按照权利要求7、或8所述的一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，其特征在于:为了保证系统在恒压、恒流切换过程中防止调节量突变，采用计算调节量的方式实现模式切换。10.按照权利要求7、或8、或9所述的一种电动汽车用动力锂电子电池充电系统，其特征在于:给出了切换控制的具体工作原理:系统同时计算控制器的输出调节量uv(k)和m(k)，其中，uv(k)为电压调节量，Ui(k)为电流调节量，当需要充电切换时，比较两个调节量的大小，当满足m(k)多uv(k)时，系统进入切换状态。为了保证系统在恒压、恒流切换过程中防止调节量突变，采用计算调节量的方式实现模式切换。
【文档编号】B60L11/18GK106080240SQ201610521952
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月2日
【发明人】王武, 张元敏
【申请人】许昌学院