一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统，包括工频交流输入电网、主电路、控制电路及电动汽车电池负载；所述主电路的输入端与工频交流输入电网连接，主电路的输出端与电动汽车电池负载连接；所述主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、输出整流滤波模块和正负脉冲产生模块；所述控制电路包括DSP数字化控制模块、故障保护模块、电流电压采样及信号处理模块、MOSFET高频驱动模块、IGBT驱动模块；本发明有效提高了脉冲充电电源的输出功率和充电效率。具有输出功率大、充电效率高、充电速度快及可靠性高等优点，特别适用于高效高速化的电动汽车充电。
【专利说明】一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统【技术领域】
[0001]本发明涉及电动汽车快速充电领域，特别涉及一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统。
【背景技术】
[0002]目前，我国的电动汽车用蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步，但作为其能量再次补充的充电器的发展非常缓慢，由于各种技术条件的限制，所采用的充电方法大多均未能有效遵从电池内部的物理化学规律，使整个充电过程存在着严重的过充电和析气等现象，充电效率低，快速充电技术至今仍未能得到彻底解决。
[0003]目前电动汽车充电电源，主要是采用高频电力电子开关取代可控硅，提高开关速度和充电效率，减小变压器和滤波器的体积，节省原材料。但随着开关频率的提高及开关周期的缩短，在传统PWM控制方式下开关器件工作在硬开关状态，每次开关管同步导通留下的死区时间产生的电流和电压叠加损耗，开关损耗的存在限制了变换器功率密度的提高，严重抑制了开关频率的提高，给快速稳定充电、保证电动汽车的电能驱动力造成极大的障碍，限制了变换器的小型化和轻量化。同时，开关管工作在硬开关状态时，功率器件所受的开关应力大，还会引起很高的di/dt和du/dt，从而产生大的电磁干扰，带来电磁环境污染。现有的电动汽车充电技术主要具有以下的缺陷:
[0004](I)用于中、 大功率充电时,性能差、充电系统不稳定,输出功率小,充电效率低,充电速度慢；
[0005](2)没有考虑电池充电过程中的析气极化现象，导致实际充电曲线有悖于理论充电曲线，从而造成充电效率低以及电能的浪费；
[0006](3)响应速度慢，易产生电磁环境污染；
[0007](4)控制精度低，可靠性低，体积大、重量重。
【发明内容】
[0008]为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统。
[0009]本发明采用如下技术方案:
[0010]一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统，包括工频交流输入电网、主电路、控制电路及电动汽车电池负载；所述主电路的输入端与工频交流输入电网连接，主电路的输出端与电动汽车电池负载连接；
[0011 ] 所述主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、输出整流滤波模块和正负脉冲产生模块；
[0012]所述控制电路包括DSP数字化控制模块、故障保护模块、电流电压采样及信号处理模块、MOSFET高频驱动模块、IGBT驱动模块；
[0013]所述DSP数字化控制模块分别与故障保护模块的输出端、电流电压采样及信号处理模块的输出端、MOSFET高频驱动模块的输入端及IGBT驱动模块的输入端相连接；
[0014]所述故障保护模块的输入端与工频交流输入电网连接，所述电流电压采样及信号处理模块的输入端与输出整流滤波模块的输出端连接，所述MOSFET高频驱动模块的输出端与高频逆变模块的输入端连接，所述IGBT驱动模块的输出端与正负脉冲产生模块的输入端连接。
[0015]所述DSP数字化控制模块包括数字信号处理器，所述数字信号处理器采用TMS320F2812 芯片。
[0016]所述数字信号处理器内嵌事件管理器和定时器，所述事件管理器包括脉宽调制单元，所述脉宽调制单元产生四路脉宽调制信号，控制主电路的PWM移相调制，所述定时器通过定时器周期中断实现正负脉冲的切换。
[0017]所述故障保护模块包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路和与门电路。
[0018]所述正负脉冲产生模块包括正脉冲输出电路和负脉冲输出电路，所述正脉冲输出电路由IGBT开关管和电动汽车电池负载组成，所述负脉冲输出电路由IGBT开关管、放电排阻以及电动汽车电池负载组成。
[0019]所述高频逆变模块包括逆变桥开关管组。
[0020]所述的MOSFET高频驱动模块由脉冲驱动变压器、MOSFET式图腾柱推动结构相互连接构成。
[0021]本发明的工作原理:
[0022]本发明采用电压型全桥移相软开关主电路，通过数字PI控制算法和定时器周期中断，分别实现充电电源的电流电压调节和正负脉冲极性控制。
[0023]单相工频交流电经过输入整流滤波模块整流为平滑直流电后，再通过高频逆变模块，然后通过功率变压模块、输出整流滤波模块流入正负脉冲产生模块中，DSP数字化控制模块通过IGBT驱动模块控制该模块IGBT管的开通与关断获得正负脉冲充电电流，最终流入待充电的电动汽车电池(铅酸蓄电池);与此同时，DSP数字化控制模块根据电流电压采样及信号处理模块检测到输出整流滤波模块输出的电流和电压信号，把检测到的信号与给定的相关参数进行比较，经过DSP数字化控制模块的PI控制算法运算后，发给DSP数字化控制模块内嵌事件管理器的脉宽调制单元一个信号，脉宽调制单元于是产生四路移相PWM信号，该四路移相PWM信号通过MOSFET高频驱动模块放大去控制高频逆变模块MOSFET开关管的开通和关断，从而得到高频高压电，此高频高压电再经过功率变压模块和输出整流滤波模块转换成所需的电流电压，流入正负脉冲产生模块，DSP数字化控制模块通过给定时序计算定时器周期中断的周期值，并根据给定时序程序改变指定I/O 口的高低电平输出，从而通过IGBT驱动模块放大去控制正负脉冲产生模块的IGBT开关管的开通与关断，从而得到正负脉冲电流，并根据相关时序实现对电池负载的充电；所述故障保护模块中的过压、欠压、过流和过温保护电路检测单相工频电压、初级电流和散热器温度，把检测到的电压、电流和温度信号送给故障保护模块，如出现过压、欠压、过流和过温的现象，故障保护模块将送给DSP数字化控制模块一个低电平故障保护信号，DSP数字化控制模块产生低电平PWM通过MOSFET高频驱动模块关断高频逆变模块的开关管，以保护主电路。
[0024]本发明的有益效果:
[0025](I)输出功率大,体积小,重量轻；本发明采用大功率全桥变换器来获得大功率的输出，从而使功率密度大，输出功率大，实现电动汽车充电器的DSP数字化高效高速控制，实现了大功率充电的充电系统体积小，重量轻。
[0026](2)充电效率高，充电速度快；本发明采用稳定可靠的PWM软开关技术极大提高电能转换效率，充电效率高；采用智能化充电技术通过正负脉冲组合充电实时调整充电曲线，达到最佳充电效果，充电速度快。
[0027](3)系统稳定，响应速度快，控制精度高，性能好，可靠性高；该系统以数字信号处理器DSP为核心，将数字化控制技术应用到全桥逆变系统中，通过软件编程，使系统实现稳定、可靠的大功率输出，此外，本发明还采用了电流电压反馈的数字化控制技术，采用了 DSP技术和开关电源充电，使系统的动态特性优良、控制精度高，系统稳定，充电时安全性高，可
靠性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明的结构示意图；
[0029]图2是本发明的主电路的电路原理图；
[0030]图3是本发明的MOSFET高频驱动模块的电路原理图；
[0031]图4是本发明的IGBT驱动模块的电路原理图；
[0032]图5是本发明的正负脉冲产生模块的电路原理图；
[0033]图6是本发明的DSP数字化控制模块的结构示意图；
[0034]图7是本发明的DSP数字化控制模块的控制流程图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0036]实施例
[0037]如图1所示，一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统，包括工频交流输入电网、主电路、控制电路及电动汽车电池负载；所述主电路的输入端与工频交流输入电网连接，主电路的输出端与电动汽车电池负载连接；所述工频交流输入电网是220V交流电。
[0038]所述主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块101、高频逆变模块102、功率变压模块103、输出整流滤波模块104和正负脉冲产生模块105 ；
[0039]所述控制电路包括DSP数字化控制模块108、故障保护模块107、电流电压采样及信号处理模块106、MOSFET高频驱动模块109、IGBT驱动模块110 ；
[0040]所述DSP数字化控制模块108分别与故障保护模块107的输出端、电流电压采样及信号处理模块106的输出端、MOSFET高频驱动模块109的输入端及IGBT驱动模块110的输入端相连接；
[0041]所述故障保护模块107的输入端与工频交流输入电网连接；[0042]所述电流电压米样及信号处理模块106的输入端与输出整流滤波模块104的输出端连接，所述电流电压采样及信号处理模块106为电流电压传感器，电流电压采样及信号处理模块106采集系统电流和电压信号通过A/D转换经数字信号处理器计算调节PWM信号移相角以控制系统的电流和电压。
[0043]所述MOSFET高频驱动模块的输出端与高频逆变模块的输入端连接。
[0044]所述IGBT驱动模块的输出端与正负脉冲产生模块的输入端连接。
[0045]所述故障保护模块107包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路和与门电路，检测工频交流输入电压，是电压检测装置；检测初级过流信号，是霍尔电流传感器；检测过温信号，是温度继电器；
[0046]所述故障保护模块通过检测电动汽车充电电源系统的电流和电压，以及温度是否在正常范围内，反馈信号给DSP数字化控制模块。
[0047]所述DSP数字化控制模块通过A/D转换，将采集到的电流和电压信号送到数字信号处理器中，数字信号处理器通过PI算法对主电路的电流和电压进行闭环控制，产生需要的移相PWM波形，经MOSFET高频驱动模块控制功率器件MOSFET开关管的导通和关断时间，以达到控制电流和电压的目的。
[0048]同时，所述DSP数字化控制模块通过定时器周期中断，将计数得到的定时器周期数送到数字信号处理器中，数字信号处理器通过给定时序对指定I/o端口进行高低电平的转换，从而通过IGBT驱动模块控制功率器件IGBT的开通与关断，以达到产生正负脉冲电流的目的，实现数字化控制；
[0049]所述正负脉冲产生模块对正负脉冲进行实时调节，通过IGBT驱动模块对指定I/O端口输出的高低电平放大，控制IGBT管的开启与关断，从而实现正脉冲电流与负脉冲电流的输出；
[0050]所述MOSFET高频驱动模块通过控制功率器件MOSFET开关管的开关时间驱动高频逆变模块；
[0051]所述IGBT驱动模块通过控制功率器件IGBT开关管的开通与关断驱动正负脉冲产生丰吴块；
[0052]如图2所示，所述主电路采用电压型全桥移相软开关变换器，其拓扑结构由输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、输出整流滤波模块、正负脉冲产生模块构成，其中Vl-A和Vl-B为输入整流二极管，Vl?V4为4个MOSFET开关管，每个开关管上带有寄生二极管和寄生电容，L5是谐振电感，V14?V17为输出整流二极管，电感L6、电容C23?C33组成输出滤波电路。Vl和V3组成的桥臂为超前桥臂，V2和V4组成的桥臂为滞后桥臂，每个桥臂的2个功率管成180°互补导通，两个桥臂之间的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节该移相角就可以调节输出电流和电压。高频变换器回路中主功率开关管的寄生电容和隔离变压器的寄生电感、漏感以及谐振电感等构成了一个LC谐振回路，在功率开关器件开关过程中实现零电压谐振换流，使其工作在软开关状态，开关损耗低，器件的电磁应力大幅减少。
[0053]如图3所示，所述的MOSFET高频驱动模块由脉冲驱动变压器、MOSFET式图腾柱推动结构相互连接构成。所述高频驱动模块原边采用了高速MOSFET Nlb?Mb组成的图腾柱式推动结构，能对DSP数字控制模块发送过来的驱动脉冲PWMl?PWM4实现快速切换并加大驱动功率。驱动电路副边采用了稳压管D9b?D10b、D16b?D17b、D23b?D24b、D30b?D31b对驱动脉冲进行稳压钳位，以保证经过驱动变压器Tlb和T2b转换得到的驱动脉冲幅值过高损坏变换器原边变换电路高压MOSFET管Vl?V4 ;电容C7b?ClOb对高压MOSFET管Vl?V4进行加速驱动，以尽量消除开通时刻MOSFET米勒效应带来的开通延时不利影响；D13b与Vlb、D20b与V2b、D27b与V3b、D34b与V4b组成的快速放电回路能在驱动脉冲关断时间加速脉冲后沿关断，消除关断时刻MOSFET米勒效应引起的二次导通。
[0054]如图4所示，所述IGBT驱动模块主要由TLP250光耦芯片构成，由于DSP数字化控制模块的I/o 口输出的是3.3V的方波信号，不能满足驱动IGBT的功率要求，而且也无法实现控制电路与主电路的隔离，因此本发明采用日本东芝的TLP250高速光电耦合器组成IGBT驱动电路，能对DSP数字化控制模块发送过来的I/O驱动信号实现快速切换并加大驱动功率。DSP数字化控制模块108的I/O驱两路动信号输出端分别与2个TLP250的2管脚相连，TLP250的输出分别与正负脉冲产生模块的2个IGBT开关管的G、E极相连。这样，由DSP数字化控制模块108输出给TLP250的3.3V的I/O信号不需要经过电平转换，只需通过IGBT驱动模块110就可以直接驱动正负脉冲产生模块105中的IGBT ;当DSP数字化控制模块108的I/O输出信号为高电平时，通过IGBT驱动模块110，IGBT的G、E极间得到一个+15V的驱动信号而开通；iDSP数字化控制模块108的I/O输出为低电平时，通过IGBT驱动模块110，IGBT的G、E极间得到一个-7V的驱动信号而关断，这样就能很好地满足快速IGBT开关管的要求。
[0055]如图5所示，正负脉冲产生模块包括正脉冲输出电路和负脉冲输出电路，所述正脉冲输出电路由IGBT开关管和电动汽车电池负载构成，所述负脉冲输出电路由IGBT开关管、放电排阻和电动汽车电池负载构成。
[0056]本发明通过DSP数字控制模块108产生定时器周期中断，并根据程序规定的时序实现正负脉冲控制I/o端口的输出高低电平转换，经过IGBT驱动模块110的放大后，实现对正负脉冲的控制。在正脉冲产生阶段，DSP数字控制模块108控制I/O端口 1/01输出高电平和1/02输出低电平并经IGBT驱动模块110放大，从而控制开通IGBT管Vl和关断IGBT管V2，实现正脉冲电流对电池负载的充电。在负脉冲产生阶段，DSP数字控制模块108控制I/O端口 1/01输出低电平和1/02输出高电平并经IGBT驱动模块放大，从而控制关断IGBT管Vl和开通IGBT管V2，电池负载通过放电排阻短时放电，瞬时释放大幅度放电电流,即形成负脉冲放电电流，从而消除电池的析气极化现象，高效利用充电电流，降低损耗率。
[0057]如图6所示，DSP数字化控制模块包括数字信号处理器，所述数字信号处理器采用TMS320F2812，其基本结构包括PWM信号输出模块、RS232/485与eCAN通信模块、人机界面模块IXD接口、存储模块RAM与FLASH、数字I/O 口、A/D模拟输入。A/D采样进来的模拟信号送到DSP数字化控制模块108的A/D转换通道，DSP数字化控制模块108通过软件算法实现A/D转换，输出四路移相PWM信号经过MOSFET高频驱动模块109隔离放大后对主电路进行移相调制。此处采用了定时器周期中断和下溢中断，在定时器周期中断触发后，周期中断服务程序里将原来的增计数的比较匹配值更改为减计数需要的匹配值，在下溢中断触发的时候，在下溢中断服务程序里将原来的减计数的比较匹配值更改为下一周期增计数需要的比较匹配值，实现全桥移相软开关控制。同时DSP数字化控制模块108通过预置程序实现定时器控制时序，通过定时器周期中断实现I/O端口的高低电平转换，并经过IGBT驱动模块放大从而对正负脉冲产生模块进行正负脉冲的切换。此处采用了定时器周期中断，当定时器周期计数到给定值时，执行时序程序规定的操作，控制I/o端口输出相应的高低电平从而控制IGBT开关管的开通与关断，从而实现正负脉冲的产生与切换。
[0058]如图7所示，主要是实现A/D转换结果以及定时器周期中断周期计数值的读取和输出电流和电压幅值以及正负脉冲电流的控制，即实现移相角可调、驱动脉冲的移相角调制、脉冲的极性调制、电流电压控制以及故障保护。控制系统程序的工作原理为:通过对输出的充电电流和电压进行PI算法，充电电流和电压经电流和电压反馈电路检测得到反馈值If和Uf，反馈值和给定值Ig和Ug进行比较得到偏差e ；e作为控制系统的输入值，控制系统根据输入值e按照一定的控制算法产生移相PWM信号，移相PWM信号作为控制信号，控制主电路功率开关的开通和关断时间，实时控制充电器的充电电流和电压幅值。同时控制系统程序通过定时器周期中断实现I/O端口的高低电平转换，并经过IGBT驱动模块放大从而对正负脉冲产生模块进行正负脉冲的切换，从而实现正脉冲与负脉冲的极性变换以及持续时间。
[0059]本发明的正负脉冲产生的控制时序为:脉冲时间从Is?IOs连续可调，且脉冲时间和相应死区时间、放电时间同比例改变，相应的I/O端口 1/01、1/02的高低电平控制时间也同比例改变。具体操作如下:电源开机3s后自动检测实际输出电流，如果此时发现电流小于1.5A，则认为处于空载模式，延时一分钟后自动切断电源。如果此时发现电流大于
1.5A，那么开始进入正常的第一预充电阶段。第一阶段采用固定的5A直流电流先预充3分钟以激活电池，此阶段1/01维持高电平，1/02输出低电平。第二阶段为正脉冲大电流快速充电以及负脉冲修复电池阶段，3分钟预充结束，电流开始从5A预充电流抬高到脉冲电流对应的电流值，此阶段1/01维持高电平，1/02输出低电平。当Is脉冲电流结束后，进入IOms死区时间，死区时间内，1/01与1/02均输出低电平，同时关断IGBT管Vl与V2 ;死区阶段结束，IGBT管V2开通，进入负脉冲放电阶段，维持时间30ms，此阶段1/02维持高电平，1/01输出低电平。负脉冲放电阶段结束，再次进入30ms死区时间，死区时间内，1/01与I/02均输出低电平，同时关断IGBT管Vl与V2，等待脉冲电流再次到来，从而完成一个周期。整个电池充电过程中，采样电路持续对充电电流进行实时检测，当检测到实际脉冲电流小于5A时可以认为电池已经基本充满，从而进入第三阶段浮充，此阶段1/01维持高电平，I/02输出低电平，此阶段强制输出一个5A的电流进行浮充3分钟，3分钟后电源自动关机，控制系统提示电池已充满。
[0060]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统，其特征在于，包括工频交流输入电网、主电路、控制电路及电动汽车电池负载；所述主电路的输入端与工频交流输入电网连接，主电路的输出端与电动汽车电池负载连接； 所述主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、输出整流滤波模块和正负脉冲产生模块； 所述控制电路包括DSP数字化控制模块、故障保护模块、电流电压采样及信号处理模块、MOSFET高频驱动模块、IGBT驱动模块； 所述DSP数字化控制模块分别与故障保护模块的输出端、电流电压采样及信号处理模块的输出端、MOSFET高频驱动模块的输入端及IGBT驱动模块的输入端相连接； 所述故障保护模块的输入端与工频交流输入电网连接，所述电流电压采样及信号处理模块的输入端与输出整流滤波模块的输出端连接，所述MOSFET高频驱动模块的输出端与高频逆变模块的输入端连接，所述IGBT驱动模块的输出端与正负脉冲产生模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统，其特征在于，所述DSP数字化控制模块包括数字信号处理器，所述数字信号处理器采用TMS320F2812 芯片。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统，其特征在于，所述数字信号处理器内嵌事件管理器和定时器，所述事件管理器包括脉宽调制单元，所述脉宽调制单元产生四路脉宽调制信号，控制主电路的PWM移相调制，所述定时器通过定时器周期中断实现正负脉冲的切换。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统，其特征在于，所述故障保护模块包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路和与门电路。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统，其特征在于，所述正负脉冲产生模块包括正脉冲输出电路和负脉冲输出电路，所述正脉冲输出电路由IGBT开关管和电动汽车电池负载组成，所述负脉冲输出电路由IGBT开关管、放电排阻以及电动汽车电池负载组成。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统，其特征在于，所述高频逆变模块包括逆变桥开关管组。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车正负脉冲组合快速充电数字化电源系统，其特征在于，所述的MOSFET高频驱动模块由脉冲驱动变压器、MOSFET式图腾柱推动结构相互连接构成。
【文档编号】H02J7/02GK103427702SQ201310391053
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】吴开源, 何祖伟, 吴宇璇, 李靖雯 申请人:华南理工大学