快速充电桩宽功率范围效率优化方法

1.本发明涉及一种快速充电桩宽功率范围效率优化方法，属于电能变换装置技术领域。


背景技术：

2.移相全桥直直变换拓扑广泛应用于快速充电桩输出侧，负责充电桩的直流电能转换和充电能量管理。但是传统的移相全桥结构中，用于实现零电压软开关的原边谐振电感lr数值恒定不变，在充电功率较低时，若谐振电感太小，会导致变换器全桥开关器件难以实现软开关，引起损耗增加，而在充电功率较高时，更高的原边电流虽然有利于谐振电感实现软开关，但是又会引起占空比丢失，导致变换器直流电压升压比不足。
3.因此，为了提高充电桩在不同充电功率范围下既能够保证优良的软开关性能，又能够避免过高的占空比丢失问题，非常有必要开发基于谐振电感数值可调方案的快充桩宽功率范围效率优化的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种快速充电桩宽功率范围效率优化方法，以解决现有的移相全桥电路的软开关实现与占空比丢失在功率等级方面的矛盾。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种快速充电桩宽功率范围效率优化方法，主要包括以下步骤：
6.步骤1：检测充电电池的实时充电电压和电流，并计算实时充电功率；
7.步骤2：反馈实时充电功率到继电器投切控制模块，由继电器投切控制模块判断当前功率区间，并生成对应的继电器投切控制信号；
8.步骤3：将继电器投切控制信号发送到多继电器投切模块，由所述多继电器投切模块控制多个继电器的投入和开路状态，以改变对应的谐振电感值。
9.作为本发明的进一步改进，所述充电桩基于移相全桥主电路拓扑方案，将主电路变压器原边的谐振电感替换成多抽头谐振电感，所述多抽头谐振电感的各抽头连接继电器，以通过所述继电器连接到主电路。
10.作为本发明的进一步改进，所述多继电器投切模块与所述多抽头谐振电感连接。
11.作为本发明的进一步改进，所述充电桩包括充电功率采集模块，以采集实时充电功率，并将采集到的实时充电功率发送到所述继电器投切控制模块。
12.作为本发明的进一步改进，所述充电功率采集模块包括：
13.电池端电压采集单元和充电电流采集单元，用于检测充电电池的端电压与充电电流；
14.充电功率计算单元，用于计算实时充电功率，并将计算得到的实时充电功率传输给所述继电器投切控制模块。
15.作为本发明的进一步改进，所述继电器投切控制模块包括：
16.充电功率区间判断单元，用于将实时充电功率映射到对应的功率范围区间；
17.继电器投切控制信号生成单元，用于根据实时的充电功率区间状态，判断区间所对应的继电器投切控制状态，并生成对应的继电器投切控制信号。
18.作为本发明的进一步改进，所述继电器投切控制模块还能够将继电器投切控制信号发送给所述多继电器投切模块，以控制各继电器的连接状态，改变谐振电感值的大小。
19.与现有技术相比，本发明的技术效果为：当快速充电装置在电动汽车不同的荷电状态时，充电功率出现变化，通过充电功率采集模块采集实时充电功率，发送到继电器投切控制模块，继电器投切控制模块根据功率大小生成各继电器投切信号，最后将投切信号发送到多继电器投切模块，从而实现谐振电感值跟随充电功率变化，实现快速充电桩在宽功率范围内的软开关，提升了电能转换效率和电压传输比。
附图说明
20.图1为本发明的快速充电桩宽功率范围效率优化控制策略示意图。
21.图2(a)～图2(d)为应用本发明的充电桩处于充电工作过程中的四组波形图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
23.在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
24.本发明提供了一种快速充电桩宽功率范围效率优化方法，主要包括以下步骤：
25.步骤1：检测充电电池的实时充电电压和电流，并计算实时充电功率；
26.步骤2：反馈实时充电功率到继电器投切控制模块，由继电器投切控制模块判断当前功率区间，并生成对应的继电器投切控制信号；
27.步骤3：将继电器投切控制信号发送到多继电器投切模块，由所述多继电器投切模块控制多个继电器的投入和开路状态，以改变对应的谐振电感值。
28.如图1所示，为本发明的快速充电桩宽功率范围效率优化控制策略示意图，其控制电路主要由移相全桥变换器原边逆变模块1、移相全桥变换器副边整流模块2、充电功率采集模块3、多抽头谐振电感4、多继电器投切模块5、继电器投切控制模块6几个主要部分组成。也就是说，充电桩基于移相全桥主电路拓扑方案，将主电路变压器原边的谐振电感替换成多抽头谐振电感，且多抽头谐振电感的各抽头连接继电器，以通过继电器连接到主电路。
29.其中，多继电器投切模块5与多抽头谐振电感4连接。充电功率采集模块3用于完成电动汽车的实时充电功率检测，并通过其内部的电池端电压采集单元获取充电电池的端电压、充电电流采集单元获取充电电流，然后通过其内部的充电功率计算单元计算得到实时充电功率，再将计算得到的实时充电功率传输给继电器投切控制模块6。
30.继电器投切控制模块6包含充电功率区间判断单元和继电器投切控制信号生成单元，充电功率区间判断单元用于将实时充电功率映射到对应的功率范围区间；继电器投切控制信号生成单元用于根据实时的充电功率区间状态，判断区间所对应的继电器投切控制
状态，并生成对应的各继电器的投切控制信号。
31.继电器投切控制模块6产生的继电器投切控制信号用于控制多继电器投切模块5，多继电器投切模块5接收到继电器投切控制信号后，通过控制各继电器的闭合和断开，从而改变主电路变压器原边所串联的谐振电感值的大小。
32.在电动汽车充电桩中，往往采用移相全桥谐振变换器来实现电动汽车的快速充电。在这种变换器中，谐振电感的作用是实现电能的存储和输出。在开关管导通和关断的过程中，通过电感和电容的谐振实现电能转换。当开关管开启时，电能被存储在谐振电感中；当开关管关闭时，谐振电感中的电能被释放，输出到电动汽车的电池中进行充电。此外，为了提升电能转换效率，减少大功率充电状态下的占空比丢失，需要大小合适的谐振电感。上述结构拓扑，为本发明提供了技术基础。
33.当电动汽车功率发生变化时，为了保证充电装置的性能，往往要求移相全桥谐振变换器具有合适大小的谐振电感。根据图1的控制方案，通过充电功率采集模块3和充电电流采集单元采集充电电池的端电压和充电电流，计算实时充电功率；然后将测得的实时充电功率映射至继电器投切控制模块6，通过充电功率区间判断单元确定实时充电功率所处的范围，生成对应的各继电器的投切控制信号ef；再由投切控制信号ef控制继电器的闭合和断开，从而改变主电路变压器原边所串联的谐振电感值。
34.根据移相全桥电路工作原理，要实现开关管的零电压开通与关断，谐振电感要有足够的能量e抽走将要导通的开关管并联电容上的电荷，使结电容电压下降为0。此时还要给关断的开关管并联电容充电。假设c
lead
为超前桥臂开关管并联电容，c
tr
为变压器寄生电容，则电路的参数需满足：
[0035][0036]
其中，q1～q4表示移相全桥变换器原边逆变桥臂开关管，也可称q1和q2组成的桥臂为超前桥臂，q3和q4组成的桥臂为滞后桥臂；v
dc
表示移相全桥变换器前级输入电压。
[0037]
图1中，d1～d4表示开关管反向并联二极管；c1～c4表示开关管并联电容；lr表示谐振电感；tr表示变压器；d5～d8表示移相全桥变换器原边；lf表示滤波电感；cf表示滤波电容；i
lf
表示滤波电感电流；i
lr
表示谐振电感电流；pj表示实时功率映射信号；sc表示功率区间状态信号；ef表示多继电器投切控制信号。
[0038]
但相较于超前桥臂而言，滞后桥臂实现软开关较难。因为输出滤波电感lf不参与滞后桥臂的零电压开关的实现，在滞后桥臂开关过程中，变换器后级整流部分处于短路状态。在此过程中，原边电流流通方向发生改变，变换器逆变部分提供路径；变压器副边电流不再折算到原边，滤波电感电流由变换器整流部分提供续流回路，此时仅为谐振电感lr提供实现软开关的能量。假设c
lag
为滞后桥臂开关管并联电容，i0为变压器后级整流部分输出电流，n为变压器变比；实现滞后桥臂的零电压开关，谐振电感lr必须满足：
[0039][0040]
上式公式(1)和(2)中，若将谐振电感lr取得太小，则不满足实现零电压开关的条件；若将谐振电感lr取得太大，则会加剧变压器副边占空比丢失d
loss
等问题。假设fs为开关
频率，则占空比丢失表示为：
[0041][0042]
如图2所示，为采用本发明控制方法后的不同功率等级下，输出滤波电感电流以及滞后桥臂开关管q4电流电压的仿真波形。图2(a)为电动汽车额定负载55kw时，输出滤波电感电流约为140a；图2(b)为电动汽车四分之一额定负载时，输出滤波电感电流约为35a；图2(c)为电动汽车五分之一额定负载时，输出滤波电感电流约为27a；图2(d)为电动汽车轻载时，输出滤波电感电流约为10a。通过功率阶段判别生成谐振电感所连接的继电器的控制信号，从图2的四组图中可以看出：在不同的功率等级下，滞后桥臂开关管q4都能实现软开关的开通与关断，从而既保证了优良的软开关性能，又避免了过高的占空比丢失问题。
[0043]
本实施例中，移相全桥原边电路能够接受驱动信号，实现零电压开关或零电流开关。移相全桥原边电路用于将电源的电压输入到变压器，从而传递给动力电池。
[0044]
综上所述，应用本发明的方法后，当快速充电装置在电动汽车不同的荷电状态时，充电功率出现变化，此时可以通过充电功率采集模块采集实时充电功率，并发送到继电器投切控制模块，由继电器投切控制模块根据功率大小生成各继电器投切信号，最后将投切信号发送到多继电器投切模块，从而实现了谐振电感值跟随充电功率变化，实现了快速充电桩在宽功率范围内的软开关，提升了电能转换效率和电压传输比。
[0045]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种快速充电桩宽功率范围效率优化方法，其特征在于，主要包括以下步骤：步骤1：检测充电电池的实时充电电压和电流，并计算实时充电功率；步骤2：反馈实时充电功率到继电器投切控制模块，由继电器投切控制模块判断当前功率区间，并生成对应的继电器投切控制信号；步骤3：将继电器投切控制信号发送到多继电器投切模块，由所述多继电器投切模块控制多个继电器的投入和开路状态，以改变对应的谐振电感值。2.根据权利要求1所述的快速充电桩宽功率范围效率优化方法，其特征在于：所述充电桩基于移相全桥主电路拓扑方案，将主电路变压器原边的谐振电感替换成多抽头谐振电感，所述多抽头谐振电感的各抽头连接继电器，以通过所述继电器连接到主电路。3.根据权利要求2所述的快速充电桩宽功率范围效率优化方法，其特征在于：所述多继电器投切模块与所述多抽头谐振电感连接。4.根据权利要求1所述的快速充电桩宽功率范围效率优化方法，其特征在于：所述充电桩包括充电功率采集模块，以采集实时充电功率，并将采集到的实时充电功率发送到所述继电器投切控制模块。5.根据权利要求4所述的快速充电桩宽功率范围效率优化方法，其特征在于，所述充电功率采集模块包括：电池端电压采集单元和充电电流采集单元，用于检测充电电池的端电压与充电电流；充电功率计算单元，用于计算实时充电功率，并将计算得到的实时充电功率传输给所述继电器投切控制模块。6.根据权利要求4所述的快速充电桩宽功率范围效率优化方法，其特征在于，所述继电器投切控制模块包括：充电功率区间判断单元，用于将实时充电功率映射到对应的功率范围区间；继电器投切控制信号生成单元，用于根据实时的充电功率区间状态，判断区间所对应的继电器投切控制状态，并生成对应的继电器投切控制信号。7.根据权利要求6所述的快速充电桩宽功率范围效率优化方法，其特征在于：所述继电器投切控制模块还能够将继电器投切控制信号发送给所述多继电器投切模块，以控制各继电器的连接状态，改变谐振电感值的大小。

技术总结
本发明公开了一种快速充电桩宽功率范围效率优化方法，涉及多抽头谐振电感的连接点投切控制策略，其控制对象包含基于移相全桥拓扑的电动汽车快速充电装置、充电功率采集模块、多抽头谐振电感、与多抽头谐振电感连接的多继电器投切模块，以及继电器投切控制模块。当快速充电装置在电动汽车不同的荷电状态时，充电功率出现变化，通过充电功率采集模块采集实时充电功率，发送到继电器投切控制模块，继电器投切控制模块根据功率大小生成各继电器投切信号，最后将投切信号发送到多继电器投切模块，从而实现谐振电感值跟随充电功率变化，实现快速充电桩在宽功率范围内的软开关，提升了电能转换效率和电压传输比。电能转换效率和电压传输比。电能转换效率和电压传输比。


技术研发人员：陈轶涵 聂志阳 荣丽娜 高辉 蒋国平
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/24