一种串联变压器式LLC正负脉冲双电池充电电源系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种串联变压器式LLC正负脉冲双电池充电电源系统，包括工频交流输入电网、主电路、控制电路及两个电动汽车电池负载；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、串联式功率变压谐振腔模块、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、电流电压采样及信号处理模块、MOSFET高频驱动模块、MOSFET光耦驱动模块。所述主电路交替工作于两种LLC谐振状态，本实用新型专利技术有效提高了脉冲充电电源的输出功率和充电效率。

A series transformer type LLC positive and negative pulse double battery charging power supply system

The utility model discloses a series transformer type LLC pulse dual battery charging power supply system, including AC input power, the main circuit, control circuit and two electric vehicle battery load; the main circuit is connected with the input terminal and the AC input power, output end of the main circuit of the electric vehicle battery and load connection; the main circuit includes successively connected electrical input rectifier filter module, inverter module, power transformer series resonant cavity module, output rectifier filter module and pulse generating module; the control circuit comprises a DSP digital control module, voltage and current sampling and signal processing module, MOSFET module, MOSFET driver optocoupler high frequency drive module. The main circuit alternately operates in two LLC resonance states, and the utility model effectively improves the output power and the charging efficiency of the pulse charging power supply.

【技术实现步骤摘要】
一种串联变压器式LLC正负脉冲双电池充电电源系统
本技术涉及铅酸蓄电池快速充电领域，特别涉及一种串联变压器式LLC正负脉冲双电池充电电源系统。
技术介绍
目前，大量铅酸蓄电池被作为我国各种电动车辆的动力来源，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和无记忆效应等优点。虽然近年来铅酸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。目前电动汽车电池充电电源，主要采用高频电力电子开关器件取代可控硅，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：(1)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；(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；(3)响应速度慢，易产生电磁环境污染；(4)控制精度低、可靠性低、体积大、重量重。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本技术提供一种串联变压器式LLC正负脉冲双电池充电电源系统。本技术采用如下技术方案：一种串联变压器式LLC正负脉冲双电池充电电源系统，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，主电路的输出端与两个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、串联式功率变压谐振腔模块、输出整流滤波模块和正负脉冲产生模块；所述串联式功率变压谐振腔模块包括谐振电容、谐振电感及两个相同的LLC谐振变压器；所述控制电路包括DSP数字化控制模块、电流电压采样及信号处理模块、MOSFET高频驱动模块、MOSFET光耦驱动模块；所述DSP数字化控制模块分别与电流电压采样及信号处理模块的输出端、MOSFET高频驱动模块及MOSFET光耦驱动模块的输入端相连接；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。所述正负脉冲产生模块包括两路正负脉冲产生电路，每路由正脉冲输出电路及负脉冲输出电路构成。所述正脉冲输出电路由MOSFET开关管和电动汽车电池负载构成，所述负脉冲输出电路由MOSFET开关管、电动汽车电池负载和放电排阻构成。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TMS320F28335芯片。所述数字信号处理器包括ePWM模块和定时器，所述ePWM模块产生四路频率调制方波信号控制主电路的PFM调制，所述定时器通过定时器周期中断实现两电池负载充电与放电脉冲的切换。所述主电路交替工作于两种LLC谐振状态，在交替的充电间隙期间，副边输出被切断的一个谐振变压器，其励磁电感可作为谐振腔的谐振电感。在脉冲充电期中，两路脉冲之间有180°的相位差，在脉冲充电期间LLC变换器始终不进入空载状态。所述正负脉冲产生模块通过改变死区时间及正负脉冲时间比例，改变充电速度以改善两个电池之间的充电不平衡状况。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；所述的MOSFET光耦驱动模块由AC/DC模块、光耦芯片、齐纳管等相互连接构成。本技术的工作原理：本技术采用全桥LLC谐振软开关主电路，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两组电池负载的交替脉冲充电控制。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，然后通过串联式功率变压谐振腔模块的其中一路变压器输出、通过对应的输出整流滤波模块，从正负脉冲产生模块的两路输入中的其中一路流入，DSP数字化控制模块通过MOSFET光耦驱动模块控制该模块MOSFET管的开通与关断获得脉冲充电电流，最终流入待充电的电动汽车电池；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数字化控制模块中的ePWM单元一个信号，脉宽调制单元于是产生四路PFM信号，该四路PFM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口的高低电平以控制MOSFET开关管的开通与关断，从而得到脉冲充电电流。本技术的有益效果：(1)输出功率大，体积小，重量轻；本技术采用大功率LLC谐振变换器来获得大功率的输出，LLC谐振变换器本身具有功率密度大，效率高的特点，本技术中两个变压器的励磁电感交错地成为谐振腔中的谐振电感，可以同时实现两路脉冲充电电流，可进一步节省元件和布板面积，提高功率密度，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。(2)充电效率高，充电速度快；本技术采用稳定可靠的LLC谐振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，有效消除电池的极化现象，达到最佳充电效果，充电速度快；并且在一颗电池充电间隙中，另一颗电池被充电，互为交错，节约时间，并避免LLC变换器进入空载状态，减少空载损耗。(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LLC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，本技术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。附图说明图1是本技术的系统结构示意图；图2是本技术的主电路的电路原理图；图3是本技术的MOSFET高频驱动模块的电路原理图；图4是本技术的MOSFET光耦驱动模块的电路原理图；图5是本技术的正负脉冲产生模块的电路原理图；图6是本技术的DSP数字化控制模块的结构示意图；图7是本技术的DSP数字化控制模块的控制流程图；图8是本技术的充电时序图；图9是本技术的双电池正负脉冲时序图。具体实施方式下面结合实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种串联变压器式LLC正负脉冲双电池充电电源系统，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，主电路的输出端与两个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、串联式功率变压谐振腔模块、输出整流滤波模块和正负脉冲产生模块；所述串联式功率变压谐振腔模块包括谐振电容、谐振电感及两个相同的LLC谐振变压器；所述控制电路包括DSP数字化控制模块、电流电压采样及信号处理模块、MOSFET高频驱动模块、MOSFET光耦驱动模块；所述DSP数字化控制模块分别与电流电压采样及信号处理模块的输出端、MOSFET高频驱动模块及MOSFET光耦驱动模块的输入端相连接；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。

【技术特征摘要】
1.一种串联变压器式LLC正负脉冲双电池充电电源系统，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，主电路的输出端与两个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、串联式功率变压谐振腔模块、输出整流滤波模块和正负脉冲产生模块；所述串联式功率变压谐振腔模块包括谐振电容、谐振电感及两个相同的LLC谐振变压器；所述控制电路包括DSP数字化控制模块、电流电压采样及信号处理模块、MOSFET高频驱动模块、MOSFET光耦驱动模块；所述DSP数字化控制模块分别与电流电压采样及信号处理模块的输出端、MOSFET高频驱动模块及MOSFET光耦驱动模块的输入端相连接；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。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴开源，何祖伟，尹彤，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44