专利名称：带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器的制作方法
技术领域：
本实用新型主要涉及充电控制技术领域，尤其涉及混合动力或者纯电驱动汽车上 动力电池所用的带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器。
背景技术：
当前普遍使用的燃油发动机汽车最为严重的问题就是污染环境，随着环保意识的 增强，各种混合动力或者纯电驱动汽车脱颖而出，并且已在国外得到普及。混合动力或者纯电驱动汽车以其污染小、节能环保等优点成为汽车行业新的发展 方向。混合动力汽车，尤其是纯电驱动汽车是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，本 身不排放污染大气的有害气体，并且还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使 发电设备日夜都能充分利用，大大提高了其经济效益。但是混合动力或者纯电驱动汽车多数采用动力电池作为能源系统，该动力电池不 同于一般的小功率电池，在充电过程中，电流可高达十几安培，电压大约在300伏左右，一 般的充电器不能满足这种大功率电池的充电要求；带软开关技术的开关电源功能的车载动 力电池充电器作为动力汽车的一个重要组成部分，必须满足车载使用，而现有的充电器在 重量、体积、安全性等方面都受到一定的限制，不能满足车载要求；而且动力电池的价格昂 贵，在充电过程中可能会存在过充或温度过高，就有可能损坏电池的性能，并且现有的动力 电池充电器也不能满足快速充电的需求。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池 充电器，其体积小，重量轻，且具备电池状态自检功能及充电过程自动优化控制功能。可方 便实现各种不同规格的车辆动力电池充电的要求。本实用新型通过这样的技术方案解决上述的技术问题—种带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器，其与动力电池连接， 用于控制动力电池充电过程；车载动力电池充电器包括充电控制单元、开关电源控制器以 及软开关回路，其中，开关电源控制器包括第一和第二输入端；充电控制单元输出端与开关 电源控制器的第一输入端连接；软开关回路的输出端连接到动力电池的输入端、开关电源 控制器的第二输入端和充电控制单元的输入端，为动力电池提供充电电源，并将动力电池 充电信号反馈到开关电源控制器的第二输入端和充电控制单元的输入端，其中，开关电源控制器包括PWM控制器和与PWM控制器连接的驱动隔离电路，PWM控制 器输出脉冲控制信号，经由驱动隔离电路传送至软开关回路；软开关主回路包括移相控制软开关脉冲宽度调制的直流/直流全桥转换器，所述 直流/直流全桥转换器包括两个超前桥臂场效应管和两个滞后桥臂场效应管。作为进一步改进，所述车载动力电池充电器可与外部车辆控制器信号通讯，所述 充电控制单元至少包括测量输入回路、程序控制单元及CAN通讯控制回路，程序控制单元分别与测量输入回路以及CAN通讯控制回路连接；测量输入回路与程序控制单元相连，接收动力电池充电信号并发送给程序控制单 元；程序控制单元包括与测量输入回路连接的模数转换模块，用于将动力电池充电信 号转换为相应的数字信号，并判断动力电池当前的工作参数，输出相应的控制信号至开关 电源控制器的第一输入端；程序控制单元通过控制器局部网总线CANBUS与CAN通讯控制回 路连接，实时与外部车辆控制器信号通讯。作为进一步改进，外部车辆控制器还包括车载显示屏或键盘，车载显示屏和键盘 与车载动力电池充电器通过控制器局部网总线CANBUS连接，包括向车载显示屏传输车载 动力电池充电器及动力电池的工作参数或通过键盘对工作参数进行修改。作为进一步改进，所述电池充电信号包括充电电压信号、充电电流信号、及电池温
度信号。作为进一步改进，所述测量输入回路中包括霍尔传感器，其与车载动力电池充电 器输出端连接，对来自动力电池充电信号实现隔离信号采样。作为进一步改进，CAN通讯控制回路进一步包括高速光耦，可对通过控制器局部网 总线CANBUS通讯信号进行光电隔离。作为进一步改进，PWM控制器与充电控制单元连接，PWM控制器至少包括运算放大 器和反馈电路；运算放大器包括正相和负相输入端，正相输入端连接来自充电控制单元输 出的控制信号，负相输入端连接来自车载动力电池充电器输出的动力电池充电信号；反馈 电路连接在运算放大器的输出端和负相输入端之间；运算放大器比较输入的控制信号和动 力电池充电信号，获得电压偏差，通过反馈电路得到脉冲控制信号，实现充电过程的电流或 电压的反馈闭环控制，并将脉冲控制信号发送给软开关回路。作为进一步改进，PWM控制器还包括一个频率设定回路，用于设定脉冲控制信号输 出的固定频率。与现有技术相比，本实用新型具有的优点在于1、本带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器结构简单，体积小，适 用于为大功率的车载电池充电；2、可以中对电池充电信号进行反馈闭环控制，随时监控当前充电状态，缩短充电 时间，极好地保护了电池；3、使用PWM调制器，结合软开关技术实现对车载电池充电，提高了带软开关技术 的开关电源功能的车载动力电池充电器的整体工作频率。
图1为本实用新型带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器与电池 连接示意图。图2为本实用新型充电控制单元的结构示意图。图3为本实用新型充电控制单元的测量输入回路的结构示意图。图4为本实用新型开关电源控制器的结构示意图。图5为本实用新型软开关回路的电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式
。请参阅图1，本实用新型提供的充电控制单元1设置于一个车载的电源管理系统 内。电源管理系统用于控制动力电池4充电，监控动力电池4的各项工作参数，并将动力电 池4的工作参数传送至车载控制器，车辆控制器包括用于修改工作参数的键盘和用于显示 工作参数的车载显示器。所述电源管理系统至少包括一个带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池 充电器和一个与车载动力电池充电器连接的电池4，车载动力电池充电器包括依次串联的 充电控制单元1、开关电源控制器2及软开关回路3。充电控制单元1主要用于车载动力电 池充电器输出的动力电池充电信号的工作参数，并根据预设的标准值进行比较分析，输出 控制信号控制开关电源控制器2工作；同时充电控制单元1还可以将电池4目前的工作参 数传送到车载显示屏上供用户参考。开关电源控制器用于比较控制信号和从电池4采集的 工作信号输出脉冲控制信号，以实现对软开关回路3的控制。一、充电控制单元充电控制单元1包括按钮11、状态指示器12、测量输入回路13、程序控制单元14、 CAN通讯控制回路15、数模转换模块16、及输出控制模块17。充电控制单元还包括一个电 源回路(未图示)，其采用开关多路输出直流电源，为充电控制单元提供稳压工作电源。按钮11便于用户控制带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器启动 或停止工作，用于发送开关信号。测量输入回路13用于采集开关信号和带软开关技术的开关电源功能的车载动力 电池充电器输出的工作信号，并将电池充电信号发送至所述的工作信程序控制单元14。所 述的电池充电信号包括电电压信号、充电电流信号、电池4温度信号及开关信号电池温度信号。请参阅图2，测量输入回路13包括限流电阻31、霍尔传感器32和运算放大器33。 霍尔传感器32分别与限流电阻31及运算放大器33相连。带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器输出的充电电压信号、充电 电流信号及电池4温度信号经过限流电阻31限流后到达霍尔传感器32中，电池温度信号 及带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器的充电电压和充电电流，实现隔离 信号采样，并将采集到的充电电压和充电电流信号发送给运算放大器33，运算放大器33对 采集到的电池充电信号进行功率放大，并转换为程序控制单元14可接收的标准信号。作为一种改进，在本实用新型中应用的霍尔传感器32，采用LEM公司的霍尔电压 传感器LV25和霍尔电流传感器LA25分别采集充电电压和电流。程序控制单元14内可保存用户预设的带软开关技术的开关电源功能的车载动力 电池充电器输出的电池充电信号的标准值，也可以通过外部键盘输入以更改标准值。程序 控制单元包括一个与测量输入回路13连接的模数转换模块，用于接收来自开关信号或带 软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器输出的电池充电信号并将上述电池充 电信号转换为相应的数字信号，程序控制单元通过与预设标准值的比较、分析及逻辑运算， 以判断电池4当前的工作参数，以下分别具体说明
6[0039]A.当接收到开关信号，则程序控制单元14发出相应的开关控制信号。B.当接收到充电电压信号或者充电电流信号，程序控制单元14可对这些信号与 用户内设的充电电压和充电电流进行比较和分析，得到一个电池4充电的电压或电流控制 信号；或者通过一段时间充电电压和电流变化的记录，判断电池4当前充电状态，给出相应 的电压或电流控制信号。C.当接收到电池4温度信号，程序控制单元14可和预设的温度信号进行比较，电 池温度信号温度是否正常，发出用于保护带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充 电器的控制信号。D.此外，程序控制单元14还可根据接收到不同的信号计算出电池4充电速度、电 池4需要充电的时间、电池4使用性能等外部控制信号，并发送到车载显示屏。CAN通讯控制回路15通过CANBUS (Controller Area Network，控制器局部网)总 线与程序控制单元14连接。当程序控制单元14发送外部控制信号到车载显示屏或者外 围其他设备时，或者，当程序控制单元14接收外部键盘或者其他设备传送的外部控制信号 时，例如用户通过键盘输入带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器输出的电 池充电信号的标准值时，均可经由CAN通讯控制回路15传送。CAN通讯控制回路15还包括 高速光耦，可对外部控制信号进行光电隔离，避免信号传输过程中免受电气干扰。数模转换模块16通过高速SPI接口与程序控制单元14相连，接收程序控制单 元14发出的控制信号，并将其转换为模拟控制信号，模拟控制信号可发送至输出控制模块 17，同时也可发送至PWM控制器。输出控制模块17接收到数模转换模块16输出的模拟控制信号后，驱动状态指示 器12，以显示带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器的工作参数。按下按钮11，充电控制单元1开始工作，测量输入回路13采集开关信号，充电电压 信号、充电电流信号和电池4温度信号。程序控制单元14读取到开关信号后进行转换、分 析并输出开关控制信号至输出控制模块17，由输出控制模块17驱动状态指示器12上的指 示灯亮起。带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器输出的充电电压信号、电流 信号及电池4温度信号通过测量输入回路13的限流电阻3电池温度信号霍尔传感器32对 这些信号进行隔离采样后，经运算放大器33放大处理后转换为0-5V的程序控制单元14可 接收的信号。程序电池充电信号控制单元14对接收到的电池充电信号进行转换、比较和分 析给出相应的控制信号经由数模转换模块16输出至开关电源控制器2，同时计算出电池4 充电速度、需要充电的时间、电池4的使用性能等外部控制信号，并通过CAN通讯控制回路 6输出到外部车载显示屏或其他车载外围设备。二、开关电源控制器及软开关回路请参阅图4，所述的开关电源控制器2包括PWM控制器和与PWM控制器连接的驱动 隔离电路。PWM控制器与充电控制单元1连接，其至少包括运算放大器和反馈电路，运算放 大器包括两个输入端，正相输入端连接来自充电控制单元1内的数模转换器6输出的模拟 控制信号，负相输入端连接来自带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器输出 的充电电压信号或充电电流信号。运算放大器的正相输入端与充电控制单元1的数模转换 器6之间设有设定回路电阻R1，运算放大器的负相输入端与带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器输出之间设有检测回路电阻R2。反馈电路设置在运算放大器的输出 端和负相输入端之间，包括反馈电阻R3、R4及反馈电容C1，反馈电阻R3及C1串联组成的 电路与反馈电阻R4并联。PWM控制器的正相和负相输入端的模拟控制信号和充电电压信号或充电电流信号 进行比较，计算出电压偏差，通过反馈电路采用比例积分反馈控制得到脉冲控制信号，实现 充电过程的电流或电压的反馈闭环控制，并将脉冲控制信号发送给软开关回路3。进一步，PWM控制器还设有频率设定电容C5、频率设定电阻R5、由电容C6和电阻 R6组成的第一延时回路，由电容C7和电阻R7组成的第二延时回路。PWM控制器输出的脉冲控制信号通过频率设定电容C5及频率设定电阻R5获得到 固定频率的脉冲控制信号，并且根据第一延时回路获取超前桥臂的延时时间，根据第二延 时回路获取滞后桥臂的延时时间。PWM控制器将得到的脉冲控制信号和计算出来的延时时间通过驱动隔离电路发送 给软开关回路3。驱动隔离电路用于把PWM控制器和场效应管之间的控制电压和高压隔离 开，以保证器件的安全。请参阅图5，软开关回路3中包括四个场效应管，每个场效应管并联一个电容和二 极管。即超前桥臂场效应管T1并联二极管D1和电容C1 ；超前桥臂场效应管T3并联二极 管D3和电容C3，滞后桥臂场效应管T2并联二极管D2和电容C2，滞后桥臂场效应管T4并 联二极管D4和电容C4。此外，还包括主变压器T、饱和电抗器LK、用于整流的二极管D5和 D6，以及用于滤波电感Lf和电容Cf。脉冲控制信号输入到软开关回路33中，通过超前桥臂场效应管T1和T3，滞后桥臂 场效应管T2和T4得到高频交流电流，经过阻断电容Cb、主变压器T、饱和电抗器LK构成回 路，从而在主变压器T的原边处产生受控的交流电，而主变压器T的副边处的电流经过整流 二极管D5、D6，电感Lf，电容Cf的整流和滤波后得到需要的直流充电电源，作为电池4的充软开关回路3通过改变超前桥臂和滞后桥臂对角线上的场效应管来调节输出电 压，根据从开关电源电路2中接收到的超前桥臂和滞后桥臂的延时时间让超前桥臂领先于 滞后桥臂一个相位，其实质就是在利用谐振过程中对并联电容的充放电来让某一桥臂快速 升到电源电压或者降到零值，而使同一桥臂即将开通的并接二极管导通，并使该管的端电 压为0。当场效应管开通时，并联的电容电压为0，由于主回路的电流不能突变，导致并联 在场效应管上的二极管导通，造成该场效应管在开通时两端电压为0，实现了零电压导通， 即零电压开关控制；当场效应管关断时，由于电容两端电压不能突变，所以关断是零电压关 断，有效克服了场效应管温度过高的缺点，减少损耗与干扰。本实用新型在软开关主回路中采用移相控制软开关脉冲宽度调制的直流/直流 全桥转换器，可以实现全桥转换器的零电压开关，使用开关电源专业芯片控制全桥转换的 大功率场效应管，由充电控制电路有效地控制主回路实现软开关动作，实现充电电压或电 流控制的反馈控制，使充电达到最佳效果。本实用新型在充电控制单元1中使用PIC18系列单片机为主控制器，配置光电隔 离模块及CAN通讯模块62，使得其具有CAN通讯功能，电池4状态自检功能，充电过程自动 优化控制功能。可以在充电前或充电中对电池4进行检查，根据当前电池4状态给出最佳充电控制值，可以实现电流控制、电压控制或功率控制等几种不同的充电方法，还可以根据 使用情况实现恒充、浮充、涓充、均充等。在充电过程中随时对电池4进行监控，防止电池4 在充电过程中电池4温度过高或存在过充，不仅缩短了充电时间，而且其结构简单，工作可 靠，简化了系统的配套并提高了性能。 以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实 施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型所揭示内容所作的等效修饰或变 化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求一种带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器，其与动力电池连接，用于控制动力电池充电过程；其特征在于带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器包括充电控制单元、开关电源控制器以及软开关回路，其中，开关电源控制器包括第一和第二输入端；充电控制单元输出端与开关电源控制器的第一输入端连接；软开关回路的输出端连接到动力电池的输入端、开关电源控制器的第二输入端和充电控制单元的输入端，为动力电池提供充电电源，并将动力电池充电信号反馈到开关电源控制器的第二输入端和充电控制单元的输入端，其中，开关电源控制器包括PWM控制器和与PWM控制器连接的驱动隔离电路，PWM控制器输出脉冲控制信号，经由驱动隔离电路传送至软开关回路；软开关主回路包括移相控制软开关脉冲宽度调制的直流/直流全桥转换器，所述直流/直流全桥转换器包括两个超前桥臂场效应管和两个滞后桥臂场效应管。
2.根据权利要求1所述的带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器，其特 征在于所述车载动力电池充电器可与外部车辆控制器信号通讯，所述充电控制单元至少 包括测量输入回路、程序控制单元及CAN通讯控制回路，程序控制单元分别与测量输入回 路以及CAN通讯控制回路连接；测量输入回路与程序控制单元相连，接收动力电池充电信号并发送给程序控制单元；程序控制单元包括与测量输入回路连接的模数转换模块，用于将动力电池充电信号转 换为相应的数字信号，并判断动力电池当前的工作参数，输出相应的控制信号至开关电源 控制器的第一输入端；程序控制单元通过控制器局部网总线CANBUS与CAN通讯控制回路连 接，实时与外部车辆控制器信号通讯。
3.根据权利要求2所述的带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器，其特 征在于外部车辆控制器还包括车载显示屏或键盘，车载显示屏和键盘与车载动力电池充 电器通过控制器局部网总线CANBUS连接，包括向车载显示屏传输车载动力电池充电器及 动力电池的工作参数或通过键盘对工作参数进行修改。
4.根据权利要求2所述的带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器，其特 征在于所述电池充电信号包括充电电压信号、充电电流信号、及电池温度信号。
5.根据权利要求2所述的带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器，其特 征在于所述测量输入回路中包括霍尔传感器，其与车载动力电池充电器输出端连接，对来 自动力电池充电信号实现隔离信号采样。
6.根据权利要求2所述的带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器，其特 征在于CAN通讯控制回路进一步包括高速光耦，可对通过控制器局部网总线CANBUS通讯 信号进行光电隔离。
7.根据权利要求1所述的带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器，其特 征在于PWM控制器与充电控制单元连接，PWM控制器至少包括运算放大器和反馈电路；运 算放大器包括正相和负相输入端，正相输入端连接来自充电控制单元输出的控制信号，负 相输入端连接来自车载动力电池充电器输出的动力电池充电信号；反馈电路连接在运算放 大器的输出端和负相输入端之间；运算放大器比较输入的控制信号和动力电池充电信号， 获得电压偏差，通过反馈电路得到脉冲控制信号，实现充电过程的电流或电压的反馈闭环 控制，并将脉冲控制信号发送给软开关回路。
8.根据权利要求7所述的带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器，其特 征在于PWM控制器还包括一个频率设定回路，用于设定脉冲控制信号输出的固定频率。
专利摘要本实用新型提供一种带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器，应用于混合动力或纯电驱动汽车上。带软开关技术的开关电源功能的车载动力电池充电器与动力电池连接，用于控制电池充电过程；其包括充电控制单元、开关电源控制器以及软开关回路，其中软开关回路的输入端和开关电源控制器的输出连接，其中，开关电源控制器包括PWM控制器和与PWM控制器连接的驱动隔离电路，PWM控制器输出脉冲控制信号，经由驱动隔离电路传送至软开关回路；软开关主回路包括移相控制软开关脉冲宽度调制的直流/直流全桥转换器，两个超前桥臂场效应管和两个滞后桥臂场效应管。
文档编号H02J13/00GK201608559SQ200920286010
公开日2010年10月13日 申请日期2009年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者李秋武 申请人:廉廉机电科技发展(上海)有限公司