下一代800V电池架构高功率密度车载充电机实现方法技术

本发明专利技术公开了一种下一代800V电池架构高功率密度车载充电机实现方法，其特征在于，使用两级电路拓扑结构，包括用于实现交流转直流功能的第一级AC/DC电路以及第二级隔离型DC/DC电路。针对800V电池架构的动力电池，本发明专利技术将输入功率的直流分量和低频纹波转移到电压更高的电池端降低了系统对直流母线电容容量的需求。通过改变电池端的串联滤波电容的电压分配储存输入端的低频纹波实现为动力电池直流充电。低频纹波转移控制与双有源桥控制虽然复用器件但实现过程完全分开，不会引入控制复杂度。双有源桥的控制会提前帮助低频纹波转移控制打开主开关且在一段时间内开关S5或S8保持常通状态，降低了开关损耗。降低了开关损耗。降低了开关损耗。

Implementation method of next generation 800V battery architecture high power density vehicle charger

【技术实现步骤摘要】
下一代800V电池架构高功率密度车载充电机实现方法


[0001]本专利技术涉及下一代800V电池架构的高功率密度车载充电机的实现方法，属于电动汽车的车载充电机


技术介绍

[0002]随着近几年电动汽车快速发展和普及，续航焦虑和充电速度成为人们关注的话题。更高的装车电池容量和电池电压架构成为未来的必然趋势。车载充电机是装载在电动汽车上的重要单元，因而功率密度非常重要。
[0003]如图1所示，常用的两级结构的车载充电机中第一级有源功率因数校正电路实现AC/DC功能，第二级由隔离型DC/DC电路实现输出宽范围精确可调、低纹波高品质直流电。如图2所示，在保证单位功率因数的情况下，输入功率P
in
(t)可以由输入电压v
in
(t)＝U
in
sin(ωt)和输入电流i
in
(t)＝I
in
sin(ωt)计算获得，如下式所示：
[0004][0005]由上式可以得出：输入功率P
in
(t)是一个直流分量叠加一个两倍工频周期的低频纹波为了保证为动力电池提供稳定的直流充电，通常需要较大的直流母线电容C
bus
滤除输入端的低频纹波，从而严重影响系统的功率密度。
[0006]为了降低直流母线电容C
bus
容量，很多研究人员提出交流充电和有源滤波器的方案。交流充电即将输入的低频纹波P
ripple
直接传输到电池端为电池充电，从而降低对直流母线电容C
bus
容量的需求。但是交流形状的充电电流对电池容量和寿命的影响仍需进一步深入的验证。有源滤波器是利用双向Buck
‑
boost电路将低频纹波P
ripple
转移到辅助电容C
aux
上，如图3所示。由于系统对辅助电容C
aux
电压没有要求，因此辅助电容C
aux
的容值可以保证其电压在安全的范围内尽可能地小。然而该方法在双向Buck
‑
boost电路定频下难以实现软开关。变频的临界导通模式虽能实现软开关，但宽输出范围使得开关频率在很宽的范围内变化，难以对系统磁性元件进行优化设计且轻载下软开关计算复杂。
[0007]于20200911公开的、公开号为CN111645544A的专利技术专利申请提出一种复用电机中的三相变换器的方法降低直流母线电容。三相变换器可以看作一个全桥和一个半桥电路的组合，全桥可以作为整流器而半桥可以与外加电感电容构成有源滤波器。然而这种复用的方式很难对各系统进行针对性的优化，虽然复用了功率器件，但开关频率一般较低对功率密度的贡献有限。
[0008]于20191112公开的、公开号为CN110445227A的专利技术专利申请提出了一种复用直流变换器原边电路作为车载充电机有源滤波器的方法。然而该复用方法需要车载充电机和辅助电池充电器的功能完全隔离，无法同时使用限制了灵活性。并且该方法仅适用于辅助电池充电器原边有隔直电容的半桥结构。随着低压负载的增大，原边全桥结构更适用于大功率场合而需要被使用。另外，有源滤波器的软开关状态很难保证。
[0009]综上，为了降低直流母线电容，需要将输入低频功率转移，以提升系统功率密度。现存方案都有一定的局限性。因此使用更简单高效的方案来转移低频纹波，提升系统功率密度具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是：使用更简单高效的方案来转移低频纹波，提升系统功率密度。
[0011]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是提供了一种下一代800V电池架构高功率密度车载充电机实现方法，其特征在于，使用两级电路拓扑结构，包括用于实现交流转直流功能的第一级AC/DC电路以及第二级隔离型DC/DC电路，位于位于第一级AC/DC电路与第二级隔离型DC/DC电路之间的直流母线电容C
bus
仅滤除与开关频率相关的高频纹波，将低频纹波转移到电压更高的电池端，其中：第二级隔离型DC/DC电路使用双有源桥结构提供隔离和调压功能，包括变压器，变压器的原边通过全桥电路与第一级AC/DC电路相连，变压器的副边经由电容C
s
与由开关管S5至S8组成的堆叠桥相连，堆叠桥经由输出滤波电容形成输出；输出滤波电容由容值相同的电容C1和电容C2串联组成，在串联的电容C1和电容C2的中点和堆叠桥的中点连接一个电感L
s
，通过电感L
s
转移低频纹波，在电路工作过程中，电容C1和电容C2电压之和保持不变，为动力电池V
b
提供稳定的直流充电，同时，改变电容C1和电容C2的电压分配实现低频纹波的转移。
[0012]优选地，将串联的电容C1和电容C2定义为输出串联电容，输出串联电容所能存储的最大纹波能量E
s
与吸收低频纹波所需要存储最大能量E
r
相等，其中：
[0013][0014][0015]式中，C
o
表示输出串联电容的容值，V
peak
表示电容充放电过程中的峰值电压，V
o
表示动力电池端电压，T
s
表示交流输入的周期，U
in
表示交流输入电压的峰值，I
in
表示交流输入电流的峰值，ω表示交流输入的角频率。
[0016]优选地，所述电容C1的电压V
C1
(t)以及所述电容C2的电压V
C2
(t)表示为：
[0017][0018]V
C1
(t)与V
C2
(t)之和保持不变，实现对动力电池V
b
直流充电的效果；当输入第二级隔离型DC/DC电路的输入功率大于平均功率时，V
C1
(t)与V
C2
(t)相互远离实现存储能量；当输入第二级隔离型DC/DC电路的输入功率小于平均功率时，V
C1
(t)与V
C2
(t)相互靠近实现释放能量。
[0019]优选地，第二级隔离型DC/DC电路中，开关频率保持恒定，电感L
s
工作于断续导通模式，则：
[0020]对于V
C1
(t)上升、V
C2
(t)下降的情况，控制过程为：
[0021]当V
C2
(t)＞V
C1
(t)时，电感L
s
储能需要的占空比D小于0.5，开关管S6至S8的驱动信号保持不变，而开关管S5的驱动信号延迟关断一段时间t
delay
＝DT
s
；开关管S5延时关断过程中，电容C2上的电压施加在电感L
s
上，此时电感L
s
上的电流从零开始上升；当开关管S5关断后，电感L
s
上的电流通过开关管S7和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种下一代800V电池架构高功率密度车载充电机实现方法，其特征在于，使用两级电路拓扑结构，包括用于实现交流转直流功能的第一级AC/DC电路以及第二级隔离型DC/DC电路，位于第一级AC/DC电路与第二级隔离型DC/DC电路之间的直流母线电容C
bus
仅滤除与开关频率相关的高频纹波，将低频纹波转移到电压更高的电池端，其中：第二级隔离型DC/DC电路使用双有源桥结构提供隔离和调压功能，包括变压器，变压器的原边通过全桥电路与第一级AC/DC电路相连，变压器的副边经由电容C
s
与由开关管S5至S8组成的堆叠桥相连，堆叠桥经由输出滤波电容形成输出；输出滤波电容由容值相同的电容C1和电容C2串联组成，在串联的电容C1和电容C2的中点和堆叠桥的中点连接一个电感L
s
，通过电感L
s
转移低频纹波，在电路工作过程中，电容C1和电容C2电压之和保持不变，为动力电池V
b
提供稳定的直流充电，同时，改变电容C1和电容C2的电压分配实现低频纹波的转移。2.如权利要求1所述的一种下一代800V电池架构高功率密度车载充电机实现方法，其特征在于，将串联的电容C1和电容C2定义为输出串联电容，输出串联电容所能存储的最大纹波能量E
s
与吸收低频纹波所需要存储最大能量E
r
相等，其中：相等，其中：式中，C
o
表示输出串联电容的容值，V
peak
表示电容充放电过程中的峰值电压，V
o
表示动力电池的端电压，T
s
表示交流输入的周期，U
in
表示交流输入电压的峰值，I
in
表示交流输入电流的峰值，ω表示交流输入的角频率。3.如权利要求2所述的一种下一代800V电池架构高功率密度车载充电机实现方法，其特征在于，所述电容C1的电压V
C1
(t)以及所述电容C2的电压V
C2
(t)表示为：V
C1
(t)与V
C2
(t)之和保持不变，实现对动力电池V
b
直流充电的效果；当输入第二级隔离型DC/DC电路的输入功率大于平均功率时，V
C1
(t)与V
C2
(t)相互远离实现存储能量；当输入第二级隔离型DC/DC电路的输入功率小于平均功率时，V
C1
(t)与V
C2
(t)相互靠近实现释放能量。4.如权利要求3所述的一种下一代800V电池架构高功率密度车载充电机实现方法，其特征在于，第二级隔离型DC/DC电路中，开关频率保持恒定，电感L
s
工作于断续导通模式，则：对于V
C1
(t)上升、V
C2
(t)下降的情况，控制过程为：当V
C2
(t)＞V
C1
(t)时，电感L
s
储能需要的占...

【专利技术属性】
技术研发人员：束冬冬，王浩宇，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：