轨道车辆充电装置及充电控制方法与流程

本发明属于轨道车辆充电技术领域，尤其涉及一种轨道车辆充电装置及充电控制方法。

背景技术：

轨道车辆充电装置的输入电压一般为dc750v或者dc1500v，其主电路拓扑一般有两种：

如图1所示，一种是采用直接dc/dc变换的主电路拓扑充电机，为保证安全余量，一般在选择主电路的igbt时，dc750v电压等级的充电机选择的igbt为耐压dc1700v等级的，dc1500v电压等级的充电机选择的igbt为耐压dc3300v等级的，然而igbt的耐压性能越高，igbt的成本越高，同时igbt的内部导通阻抗也越大，以此造成了igbt的导通损耗的上升，进而导致充电机的效率下降；

如图2所示，另一种是采用两级串联电路拓扑的充电机，第一级为buck降压电路，第二级为dc/dc变换电路，可采用耐压等级较低的igbt，为了保证安全余量，一般充电机buck降压电路将电压降压到dc500v左右，第二级dc/dc变换的主电路igbt在选择时可以选用耐压等级较低的电压(例如dc1200v)的igbt，然而该充电机两级电路的效率逐级衰减，如每级效率90％时，总输出的串联效率就是81％，从而不利于充电机效率的提升。

技术实现要素：

本发明针对现有的轨道车辆充电装置无法既保证器件的低成本化，又避免效率受到损失的技术问题，提出一种既能够实现装置的低成本化，又能够避免效率受到损失的轨道车辆充电装置，以及应用于该轨道车辆充电装置的充电控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种轨道车辆充电装置，包括可将电源电压信号转换成充电所需电压信号的第一dc/dc模块及第二dc/dc模块，所述第一dc/dc模块的电源输入端包括第一正极输入端及第一负极输入端，所述第一dc/dc模块的电源输出端包括第一正极输出端及第一负极输出端，所述第二dc/dc模块的电源输入端包括第二正极输入端及第二负极输入端，所述第二dc/dc模块的电源输出端包括第二正极输出端及第二负极输出端，所述第一dc/dc模块包括第一igbt单元及第一变压器，所述第一dc/dc模块的电源输入端至所述第一dc/dc模块的电源输出端顺次连接所述第一igbt单元及所述第一变压器，所述第二dc/dc模块包括第二igbt单元及第二变压器，所述第二dc/dc模块的电源输入端至所述第二dc/dc模块的电源输出端顺次连接所述第二igbt单元及所述第二变压器，所述第一igbt单元及所述第二igbt单元的电路均为桥式电路，所述第一负极输入端与所述第二正极输入端连接；所述第一正极输出端与所述第二正极输出端连接，所述第一负极输出端与所述第二负极输出端连接。

作为优选，本发明轨道车辆充电装置还包括电源，所述电源的正极与所述第一正极输入端连接，所述电源的负极与所述第二负极输入端连接。

作为优选，本发明轨道车辆充电装置还包括蓄电池，所述蓄电池的正极与所述第一正极输出端连接，所述蓄电池的负极与所述第一负极输出端连接。

作为优选，本发明轨道车辆充电装置还包括输出电压检测单元，所述输出电压检测单元用于检测所述第一正极输出端与所述第一负极输出端之间的电压值，所述输出电压检测单元连接有控制单元，所述控制单元连接有调节单元，所述控制单元用于将所述输出电压检测单元检测到的电压信号与参考电压信号进行比较并控制所述调节单元输出调节信号，所述调节单元用于调节所述第一igbt单元及所述第二igbt单元控制电压信号的占空比。

作为优选，本发明轨道车辆充电装置还包括输入电压检测单元，所述输入电压检测单元用于检测所述第一正极输入端与所述第一负极输入端之间的输入电压值，以及检测所述第二正极输入端与所述第二负极输入端之间的输入电压值，所述控制单元与所述输入电压检测单元连接，以将所述输入电压检测单元检测到的两个电压值进行比较并控制所述调节单元输出调节信号。

作为优选，所述第一igbt单元的电路为全桥电路。

作为优选，所述第二igbt单元的电路为全桥电路。

作为优选，所述第一dc/dc模块还包括第一整流器及第一滤波器，所述第一dc/dc模块的电源输入端至所述第一dc/dc模块的电源输出端顺次连接所述第一igbt单元、所述第一变压器、所述第一整流器及所述第一滤波器；所述第二dc/dc模块还包括第二整流器及第二滤波器，所述第二dc/dc模块的电源输入端至所述第二dc/dc模块的电源输出端顺次连接所述第二igbt单元、所述第二变压器、所述第二整流器及所述第二滤波器。

一种充电控制方法，包括以下步骤：

步骤s0：确定参考输出电压的电压值，设为v'o；步骤s1：检测所述第一正极输出端与所述第一负极输出端之间的电压值，记为vo；步骤s2：将vo与v'o进行比较，并将误差值通过pi补偿输出调节变量a；步骤s3：采用pwm控制并根据调节变量a调节所述第一igbt单元及所述第二igbt单元控制电压信号的占空比，以使vo＝v'o。

作为优选，所述步骤s1还包括：检测所述第一正极输入端与所述第一负极输入端之间的输入电压值，记为vi1，检测所述第二正极输入端与所述第二负极输入端之间的输入电压值，记为vi2；所述步骤s2进一步为：将vo与v'o进行比较，并使v'o-vo，继而将误差值通过pi补偿输出调节变量a，同时将vi1与vi2进行比较，并使vi1-vi2，继而将误差值通过pi补偿输出调节变量b；所述步骤s3进一步为：对调节变量a和调节变量b进行加处理得到调节变量a',对调节变量a和调节变量b进行减处理得到调节变量b'，采用pwm控制并根据调节变量a'调节所述第一igbt单元控制电压信号的占空比，同时采用pwm控制并根据调节变量b'调节所述第二igbt单元控制电压信号的占空比，以使vo＝v'o，同时vi1＝vi2。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明轨道车辆充电装置通过设置第一dc/dc模块及第二dc/dc模块，并将所述第一dc/dc模块的电源输入端与所述第二dc/dc模块的电源输入端之间串联，当输入电压较高时，所述第一dc/dc模块及所述第二dc/dc模块共同分担输入电压，继而使所述第一igbt单元及所述第二igbt单元的电压均为小电压，从而相比一级变换的主电路拓扑，降低了选型时对各器件(如igbt)耐压等级的要求，进而能够实现降低轨道车辆充电装置的成本；本发明轨道车辆充电装置通过将所述第一dc/dc模块的电源输出端与所述第二dc/dc模块并联，以此使所述第一dc/dc模块及所述第二dc/dc模块共同提供负载所需要的输出电流，进而相比两级串联的主电路拓扑，避免了效率受到损失；因此本发明轨道车辆充电装置既能够实现装置的低成本化，又能够避免效率受到损失。

2、本发明充电控制方法将输出电压闭环控制和输入电压均压控制进行结合，从而一方面有效保证了轨道车辆充电装置充电过程中输出电压的稳定性，另一方面，实现了对所述第一dc/dc模块与所述第二dc/dc模块输入电压的均分控制，同时实现了对所述第一dc/dc模块与所述第二dc/dc模块输出功率的均分控制，继而实现了充电过程中对所述第一dc/dc模块及所述第二dc/dc模块内部电路器件安全性和稳定性的有效保障，进一步保证了轨道车辆充电装置充电过程中输出电压的稳定性。

附图说明

图1为现有轨道车辆充电装置的电路结构示意图之一；

图2为现有轨道车辆充电装置的电路结构示意图之二；

图3为本发明轨道车辆充电装置的电路原理示意图；

图4为本发明轨道车辆充电装置的电路结构示意图；

图5为本发明轨道车辆充电装置电压控制原理示意图；

图6为本发明电压控制方法原理示意图；

以上各图中：1、第一dc/dc模块；101、第一正极输入端；102、第一负极输入端；103、第一正极输出端；104、第一负极输出端；105、第一igbt单元；106、第一变压器；107、第一整流器；108、第一滤波器；2、第二dc/dc模块；201、第二正极输入端；202、第二负极输入端；203、第二正极输出端；204、第二负极输出端；205、第二igbt单元；206、第二变压器；207、第二整流器；208、第二滤波器。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图3和图4，一种轨道车辆充电装置，包括可将电源电压信号转换成充电所需电压信号的第一dc/dc模块1及第二dc/dc模块2，所述第一dc/dc模块1的电源输入端包括第一正极输入端101及第一负极输入端102，所述第一dc/dc模块1的电源输出端包括第一正极输出端103及第一负极输出端104，所述第二dc/dc模块2的电源输入端包括第二正极输入端201及第二负极输入端202，所述第二dc/dc模块2的电源输出端包括第二正极输出端203及第二负极输出端204，所述第一dc/dc模块1包括第一igbt单元105及第一变压器106，所述第一dc/dc模块1的电源输入端至所述第一dc/dc模块1的电源输出端顺次连接所述第一igbt单元105及所述第一变压器106，所述第二dc/dc模块2包括第二igbt单元205及第二变压器206，所述第二dc/dc模块2的电源输入端至所述第二dc/dc模块2的电源输出端顺次连接所述第二igbt单元205及所述第二变压器206，所述第一变压器106及所述第二变压器206既能实现电压的变比，又能将输入电源与输出负载隔离，所述第一igbt单元105及所述第二igbt单元205的电路均为桥式电路；

进一步参见图3和图4，所述第一负极输入端102与所述第二正极输入端201连接，以此使所述第一dc/dc模块1的电源输入端与所述第二dc/dc模块2的电源输入端之间构成串联的连接关系，进而能够使所述第一dc/dc模块1及所述第二dc/dc模块2共同分担输入电压；

进一步参见图3和图4，所述第一正极输出端103与所述第二正极输出端203连接，所述第一负极输出端104与所述第二负极输出端204连接，以此使所述第一dc/dc模块1的电源输出端与所述第二dc/dc模块2的电源输出端之间构成并联的连接关系，进而能够使所述第一dc/dc模块1及所述第二dc/dc模块2共同提供负载所需要的输出电流。

本发明轨道车辆充电装置通过设置第一dc/dc模块1及第二dc/dc模块2，并将所述第一dc/dc模块1的电源输入端与所述第二dc/dc模块2的电源输入端之间串联，当输入电压较高时，所述第一dc/dc模块1及所述第二dc/dc模块2共同分担输入电压，继而使所述第一igbt单元105及所述第二igbt单元205的电压均为小电压，从而相比一级变换的主电路拓扑，降低了选型时对各器件(如igbt)耐压等级的要求，进而能够实现降低轨道车辆充电装置的成本；本发明轨道车辆充电装置通过将所述第一dc/dc模块1的电源输出端与所述第二dc/dc模块2并联，以此使所述第一dc/dc模块1及所述第二dc/dc模块2共同提供负载所需要的输出电流，进而相比两级串联的主电路拓扑，避免了效率受到损失；因此本发明轨道车辆充电装置既能够实现装置的低成本化，又能够避免效率受到损失。

进一步，如图3所示，本发明轨道车辆充电装置既可以借助外部电源实现对负载的充电，又可以设置内部电源直接对负载进行充电，具体的，本发明轨道车辆充电装置还包括电源3，所述电源3的正极与所述第一正极输入端101连接，所述电源3的负极与所述第二负极输入端202连接。

另外，如图3所示，本发明轨道车辆充电装置既可以对需要充电的外部负载进行充电，又可以将负载设置于轨道车辆充电装置内，具体的，本发明轨道车辆充电装置还包括蓄电池4，蓄电池4在轨道车辆充电装置中作为上述的负载，所述蓄电池4的正极与所述第一正极输出端103连接，所述蓄电池4的负极与所述第一负极输出端104连接。

作为本发明轨道车辆充电装置的一种实施方式，如图3和图4所示，所述第一dc/dc模块1为全桥变换器，所述第一dc/dc模块1还包括第一整流器107及第一滤波器108，所述第一dc/dc模块1的电源输入端至所述第一dc/dc模块1的电源输出端顺次连接所述第一igbt单元105、所述第一变压器106、所述第一整流器107及所述第一滤波器108；所述第一igbt单元105的电路为全桥电路，其中所述第一igbt单元105的电路包括第一电容、第一电阻、四个第一开关晶体管、四个第一并联二极管，所述第一电容用于稳定电压，所述第一电容与所述第一电阻并联，四个所述第一开关晶体管两两串联后并联，四个所述第一并联二极管与四个所述第一开关晶体管一一对应设置，每个所述第一并联二极管均与相对应的所述第一开关晶体管并联，以保护相对应的所述第一开关晶体管；所述第一变压器106初级线圈的圈数大于所述第一变压器106次级线圈的圈数，以此对所述第一igbt单元105的输出电压进行降压，所述第一变压器106的初级线圈与所述第一igbt单元105连接，所述第一变压器106的次级线圈与所述第一整流器107及所述第一滤波器108连接，所述第一整流器107利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动直流电压，所述第一滤波器108的滤波电路能够减小脉动直流电压中的交流成分，并保留其直流成分，从而使输出电压纹波系数降低，进而得到波形平直的直流电。

此外，上述第一dc/dc模块1还可以为半桥变换器，同时上述第一igbt单元105的电路还可以替换为半桥电路，对于所述第一dc/dc模块1的具体结构及连接关系再次不细数。

进一步如图3和图4所示，所述第二dc/dc模块2为全桥转换器，所述第二dc/dc模块2还包括第二整流器207及第二滤波器208，所述第二dc/dc模块2的电源输入端至所述第二dc/dc模块2的电源输出端顺次连接所述第二igbt单元205、所述第二变压器206、所述第二整流器207及所述第二滤波器208；所述第二igbt单元205的电路为全桥电路，其中所述第二igbt单元205的电路包括第二电容、第二电阻、四个第二开关晶体管、四个第二并联二极管，所述第二电容用于稳定电压，所述第二电容与所述第二电阻并联，四个所述第二开关晶体管两两串联后并联，四个所述第二并联二极管与四个所述第二开关晶体管一一对应设置，每个所述第二并联二极管均与相对应的所述第二开关晶体管并联；所述第二变压器206初级线圈的圈数大于所述第二变压器206次级线圈的圈数，以此对所述第二igbt单元205的输出电压进行降压，所述第二变压器206的初级线圈与所述第二igbt单元205连接，所述第二变压器206的次级线圈与所述第二整流器207及所述第二滤波器208连接，所述第二整流器207利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动直流电压，所述第二滤波器208滤波电路能够减小脉动直流电压中的交流成分，并保留其直流成分，从而使输出电压纹波系数降低，进而得到波形平直的直流电。

此外，上述第二dc/dc模块2还可以为半桥变换器，同时上述第二igbt单元205的电路还可以为半桥电路，对于所述第二dc/dc模块2的具体结构及连接关系再次不细数。

进一步，为了保证充电过程中输出电压的稳定性，如图5和图6所示，本发明轨道车辆充电装置还包括输出电压检测单元5，所述输出电压检测单元5用于检测所述第一正极输出端103与所述第一负极输出端104之间的电压值，所述输出电压检测单元5连接有控制单元6，所述控制单元6连接有调节单元7，所述控制单元6用于将所述输出电压检测单元5检测到的电压信号与参考电压信号进行比较并控制所述调节单元7输出调节信号，所述调节单元7用于调节所述第一igbt单元105及所述第二igbt单元205控制电压信号的占空比(或移相角)，以此使所述第一正极输出端103与所述第一负极输出端104之间的电压值与参考电压值相等，进而保证了轨道车辆充电装置充电过程中输出电压的稳定性。

进一步如图5和图6所示在保证输出电压稳定的条件下，为了能够有效控制所述第一dc/dc模块1与所述第二dc/dc模块2的输入电压均分，本发明轨道车辆充电装置还包括输入电压检测单元8，所述输入电压检测单元8用于检测所述第一正极输入端101与所述第一负极输入端102之间的输入电压值(记为vi1)，以及检测所述第二正极输入端201与所述第二负极输入端202之间的输入电压值(记为vi2)，所述控制单元6与所述输入电压检测单元8连接，以将所述输入电压检测单元8检测到的两个电压值进行比较并控制所述调节单元7输出调节信号，所述调节单元7根据调节信号调节所述第一igbt单元105及所述第二igbt单元205控制电压信号的占空比，以此实现两个输入电压值相等(即vi1＝vi2)。

本发明轨道车辆充电装置通过设置输出电压检测单元5、控制单元6、调节单元7及输入电压检测单元8，将输出电压闭环控制和输入电压均压控制进行结合，从而一方面有效保证了轨道车辆充电装置充电过程中输出电压的稳定性，另一方面，实现了对所述第一dc/dc模块1与所述第二dc/dc模块2输入电压的均分控制，同时实现了对所述第一dc/dc模块1与所述第二dc/dc模块2输出功率的均分控制，继而实现了充电过程中对所述第一dc/dc模块1及所述第二dc/dc模块2内部电路器件安全性和稳定性的有效保障，进一步保证了轨道车辆充电装置充电过程中输出电压的稳定性。

本实施例还提供一种充电控制方法，用于控制如上述所述的轨道车辆充电装置的电压信号，对于轨道车辆充电装置的结构及连接关系请见上文，在此不细述。

参见图3至图6，一种充电控制方法，具体包括以下步骤：

步骤s0：确定参考输出电压的电压值，设为v'o；

步骤s1：检测所述第一正极输出端103与所述第一负极输出端104之间的电压值，记为vo，检测所述第一正极输入端101与所述第一负极输入端102之间的输入电压值，记为vi1，以及检测所述第二正极输入端201与所述第二负极输入端202之间的输入电压值，记为vi2；

步骤s2：将vo与v'o进行比较，并使v'o-vo，继而将误差值通过pi补偿输出调节变量a，同时将vi1与vi2进行比较，并使vi1-vi2，继而将误差值通过pi补偿输出调节变量b；

步骤s3：对调节变量a和调节变量b进行加处理得到调节变量a',对调节变量a和调节变量b进行减处理得到调节变量b'，采用pwm控制并根据调节变量a'调节所述第一igbt单元105控制电压信号的占空比，同时采用pwm控制并根据调节变量b'调节所述第二igbt单元205控制电压信号的占空比，以使vo＝v'o，同时vi1＝vi2。

本发明充电控制方法将输出电压闭环控制和输入电压均压控制进行结合，从而一方面有效保证了轨道车辆充电装置充电过程中输出电压的稳定性，另一方面，实现了对所述第一dc/dc模块1与所述第二dc/dc模块2输入电压的均分控制，同时实现了对所述第一dc/dc模块1与所述第二dc/dc模块2输出功率的均分控制，继而实现了充电过程中对所述第一dc/dc模块1及所述第二dc/dc模块2内部电路器件安全性和稳定性的有效保障，进一步保证了轨道车辆充电装置充电过程中输出电压的稳定性。