隔离型双向充电机控制方法及控制电路技术

本发明专利技术公开了一种隔离型双向充电机控制方法及控制电路，属于电力电子变换器技术领域。该方法采用的双向充电机控制电路，包括双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器和控制单元；电网依次经双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器连接电池组，隔离型DC/DC变换器采用LLC变换器，控制单元包括采样电路、DSP和光耦隔离驱动电路。该控制方法实现了车载充电机双向运行和正反向运行的高效率，具有高功率密度、高可靠性、器件少、效率高等优势。

【技术实现步骤摘要】
隔离型双向充电机控制方法及控制电路
本专利技术公开了一种隔离型双向充电机控制方法，属于电力电子变换器

技术介绍
电动汽车是解决当今社会能源危机的重要突破口，2017年全球电动汽车销量超过120万，而电动汽车的充电效率问题得到了广泛的关注。两级式车载充电机拓扑是工业界最常用的方案，前级为带工频二极管整流桥的BoostPFC，利用Boost升压原理，将交流输入电压整流后统一升高至400V左右，适合宽交流电压输入场合(85-275V，45-70Hz)。后级为全桥LLC谐振变换器，可实现全负载范围内的软开关，可得到极高的充电效率。且LLC变换器中的电感可集成到变压器中，大幅提高功率密度，因此LLC变换器在电动汽车充电机中得到了广泛的应用。但该拓扑难以实现能量双向流动。电动汽车在某些特殊情况下需要实现车载电池的放电功能，如参与电网调频调峰服务、户外临时供电等，而LLC变换器在反向运行时等效为LC串联电路。在脉冲频率调制下，LC串联电路的电压增益等于或小于1，只能降压，无法实现升压功能，传统的LLC变换器反向运行时存在电压增益不足的问题，难以达到调节的目标。在实际应用中电动汽车以正向充电为主，反向放电为辅，因此双向充电机的首要目标是保证正向充电的高效率，辅之以反向充电功能。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的缺陷和不足，提出了一种隔离型双向充电机控制方法，其适用于电动汽车双向充放电场合，可以减小变换器的开关损耗，在宽负载范围内优化提高变换器的系统效率。本专利技术另一目的是提供一种隔离型双向充电机控制电路。本专利技术为解决其技术问题，采用的具体技术方案如下：一种双向充电机控制电路，包括双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器和控制单元；电网依次经双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器连接电池组，隔离型DC/DC变换器采用LLC变换器，控制单元包括采样电路、DSP和光耦隔离驱动电路。本专利技术的进一步设计在于：所述双向AC/DC变换器包括第一开关管Q1，第二开关管Q2，第三开关管Q3，第四开关管Q4；第五开关管Q5，第六开关管Q6。开关管Q1与Q2串联构成第一桥臂，开关管Q3与Q4串联构成第二桥臂，开关管Q5与Q6串联构成第三桥臂。该双向AC/DC变换器采用图腾柱交错并联结构，第一桥臂中点经Lac1滤波电感连接电网第一端，第二桥臂中点经Lac2滤波电感连接电网第一端，且Lac1与Lac2与电网连接在同一端；第三桥臂中点与电网第二端连接；母线电容采用Cbus1和Cbus2串联的结构以提高电压等级，双向AC/DC变换器输出第一端和第二端分别接母线电容正极和负极；母线电容正极和负极分别接LLC变换器的第一端和第二端；LLC变换器的第三端和第四端分别接电池组的正端和负端。开关管Q1～Q6均为MOS管。母线电容Cbus1和Cbus2，为功率解耦电容。双向充电机工作时母线电压较高，采用两个电解电容串联提高电压等级，降低成本。所述隔离型DC/DC变换器为LLC变换器，包括原边全桥变换电路、谐振电路、副边全桥变换电路；所述原边全桥变换电路包括第七开关管Q7，第八开关管Q8，第九开关管Q9，第十开关管Q10。所述谐振电路包括谐振电感Lr、谐振电容Cr以及变压器。激磁电感Lm集成在变压器中。开关管Q7和Q8的中点依次串联谐振电感和谐振电容，再与高频变压器原边激磁电感的一端连接，开关管Q9和Q10中点与高频变压器原边激磁电感的另一端连接。所述副边全桥变换电路包括第十一开关管Q11，第十二开关管Q12，第十三开关管Q13，第十四开关管Q14。开关管Q11和Q12中点与变压器副边的一端连接，开关管Q13和Q14的中点与变压器副边的另一端连接。所述开关管Q7～Q14均为MOS管。采用上述隔离型双向充电机控制电路的控制方法，采用的控制电路包括双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器和控制单元；电网依次经双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器连接电池组，隔离型DC/DC变换器采用LLC变换器，控制单元包括采样电路、DSP和光耦隔离驱动电路。LLC变换器中变压器变比设计为母线最低电压(400V)与电池最低电压(240V，电池电压范围240～420V)的比值，变压器变比设计如下：母线最低电压vbus_min，电池最低电压vbat_min。AC/DC变换器母线电压vbus跟随电池电压变化，其值始终控制为电池电压vbat与变压器变比n的乘积，母线电压参考vbus_ref设计如下：vbus_ref＝nvbat(2)正向充电时，主要控制步骤如下：1)采集电网电流ig、电网电压vac和母线电压vbus信号经采样电路输入至DSP中；2)AC/DC变换器采用双环控制，电压外环为母线电压环，内环为电网电流环，控制母线电压vbus跟随电池电压vbat升高；3)LLC变换器软启动后，采样电池电流io和电池电压vbat，根据充电曲线采用单电流环或单电压环控制，实现对电池的充电；在窄范围内调频防止工频二次纹波进入电池；4)电池电压vbat达到电池最高电压420V时，依次关闭LLC变换器和AC/DC变换器。反向放电时，主要控制步骤如下：1)采样母线电压信号vbus，反向LLC变换器采用单电压环控制，控制母线电压vbus跟随电池电压vbat减小；在大于谐振频率fr处窄范围调频，减小母线电压波动对电池输出电流影响；2)采集电网电流ig、电网电压vac经采样电路输入DSP中；3)DC/AC变换器采用单电流环控制，利用电网电压vac得到其相位信息，实现单位功率因数并网；4)采样电池电压vbat，电池电压vbat达到电池最低电压240V时，依次关闭AC/DC变换器、反向LLC变换器。正向充电时，变母线电压控制步骤如下：第一，采集电网电流ig、电网电压vac和母线电压vbus，经采样电路输入到DSP(TMS32028377)中；采用双环控制，外环为母线电压环，母线电压vbus与母线电压参考vbus_ref比较，误差信号由DSP中比例积分控制器(PI)计算后，与电网电压信号绝对值|vac|相乘得到电网电流参考信号ig_ref；电网电流参考信号ig_ref与电网电流ig比较得到误差信号，该误差信号经过PI控制器计算后，与三角载波比较得到PWM信号并输入到光耦隔离驱动电路，分别控制双向AC/DC变换器开关管(Q1～Q6)的占空比大小，控制母线电压vbus等于母线电压参考vbus_ref，同时实现电网电压和电网电流同相位；第二，采集电池充电电流io，经采样电路输入DSP中；该信号与DSP内电池充电电流参考io_ref比较得到误差信号，该误差信号经PI控制器计算后，得到PFM信号；PFM信号输入光耦隔离驱动电路得到LLC变换器原边开关管的驱动信号；第三，采样电池电压vbat，与电池最高电压420V进行比较，当电池电压低于电池最高电压时，重复第一至第三步进行充电；当两者相等时，依次关闭双向AC/DC变换器和LLC变换器的驱动，电池完成充电。电池反向放电时，变母线电压控制步骤如下：第一，电池放电时，LLC变换器为反向，原副边开关管(Q7～Q14)工作频率始终大于谐振频率fr。所述LLC变换器工作在闭环状态，采集母线电压信号vbus，经采样电路输入到DSP，与DSP内母线电压参考本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隔离型双向充电机控制电路，包括双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器和控制单元；电网依次经双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器连接电池组，隔离型DC/DC变换器采用LLC变换器，控制单元包括采样电路、DSP和光耦隔离驱动电路。

【技术特征摘要】
1.一种隔离型双向充电机控制电路，包括双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器和控制单元；电网依次经双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器连接电池组，隔离型DC/DC变换器采用LLC变换器，控制单元包括采样电路、DSP和光耦隔离驱动电路。2.根据权利要求1所述隔离型双向充电机控制电路，其特征是：所述双向AC/DC变换器包括第一开关管Q1，第二开关管Q2，第三开关管Q3，第四开关管Q4；第五开关管Q5，第六开关管Q6；开关管Q1与Q2串联构成第一桥臂，开关管Q3与Q4串联构成第二桥臂，开关管Q5与Q6串联构成第三桥臂；该双向AC/DC变换器采用图腾柱交错并联结构，第一桥臂中点经Lac1滤波电感连接电网第一端，第二桥臂中点经Lac2滤波电感连接电网第一端，且Lac1与Lac2与电网连接在同一端；第三桥臂中点与电网第二端连接；母线电容采用Cbus1和Cbus2串联的结构以提高电压等级，双向AC/DC变换器输出第一端和第二端分别接母线电容正极和负极；母线电容正极和负极分别接LLC变换器的第一端和第二端；LLC变换器的第三端和第四端分别接电池组的正端和负端。3.根据权利要求2所述隔离型双向充电机控制电路，其特征是：开关管Q1～Q6均为MOS管。4.根据权利要求2所述隔离型双向充电机控制电路，其特征是：母线电容Cbus1和Cbus2，为功率解耦电容。5.根据权利要求2所述隔离型双向充电机控制电路，其特征是：所述隔离型DC/DC变换器为LLC变换器，包括原边全桥变换电路、谐振电路、副边全桥变换电路；所述原边全桥变换电路包括第七开关管Q7，第八开关管Q8，第九开关管Q9，第十开关管Q10；所述谐振电路包括谐振电感Lr、谐振电容Cr以及变压器；激磁电感Lm集成在变压器中；开关管Q7和Q8的中点依次串联谐振电感和谐振电容，再与高频变压器原边激磁电感的一端连接，开关管Q9和Q10中点与高频变压器原边激磁电感的另一端连接；所述副边全桥变换电路包括第十一开关管Q11，第十二开关管Q12，第十三开关管Q13，第十四开关管Q14；开关管Q11和Q12中点与变压器副边的一端连接，开关管Q13和Q14的中点与变压器副边的另一端连接。6.根据权利要求5所述隔离型双向充电机控制电路，其特征是：所述开关管Q7～Q14均为MOS管。7.根据权利要求1-6任一所述隔离型双向充电机控制电路的控制方法，采用的控制电路包括双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器和控制单元；电网依次经双向AC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器连接电池组，隔离型DC/DC变换器采用LLC变换器，控制单元包括采样电路、DSP和光耦隔离驱动电路；LLC变换器中变压器变比设计为母线最低电压与电池最低电压的比值，变压器变比设计如下：母线最低电压vbus_min，电池最低电压vbat_min；AC/DC变换器母线电压vbus跟随电池电压变化，其值始终控制为电池电压vbat与变压器变比n的乘积，母线电压参考vbus_ref设计如下：vbus_ref＝nvbat(2)正向充电时，主要控制步骤如下：(1)采集电网电流ig、电网电压vac和母线电压vbus信号经采样电路输入至DSP中；(2)AC/DC变换器采用双环控制，电压外环为母线电压环，内环为电网电流环，控制母线电压vbus跟随电池电压vbat升高；(3)LLC变换器软启动后，采样电池电流io和电池电压vbat，根据充电曲线采用单电流环或单电压环控制，实现对电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张之梁，李浩然，任小永，李建飞，陈乾宏，朱靖，
申请(专利权)人：南京航空航天大学无锡研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32