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      一種集中散熱式大功率的直流充電模塊的制作方法

      文檔序號(hào):11179969閱讀:1119來源:國知局
      一種集中散熱式大功率的直流充電模塊的制造方法與工藝

      本發(fā)明涉及充電樁充電技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種集中散熱式大功率的直流充電模塊。



      背景技術(shù):

      直流充電機(jī)根據(jù)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)需求,將三相四線380vac交流輸入隔離轉(zhuǎn)換成需要的直流能量(bms實(shí)時(shí)的需求電壓、需求電流)并對(duì)電動(dòng)汽車的電池組進(jìn)行充電。直流充電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換部是直流充電模塊,現(xiàn)階段使用的直流充電模塊采用的方案是電信機(jī)房中使用的主動(dòng)風(fēng)冷式直流充電模塊,其隱患相當(dāng)明顯:

      1、在15kw功率密度較高的直流充電模塊中,采用集成度相當(dāng)高的dsp單片機(jī)和數(shù)字邏輯電路實(shí)行采樣控制,器件管腳間距小,三防涂層一旦被腐蝕,線路板直接損壞,嚴(yán)重的會(huì)造成短路或炸機(jī)。

      2、一般的15kw功率密度較高的主動(dòng)風(fēng)冷式直流充電模塊內(nèi)部使用了2個(gè)小直流風(fēng)機(jī)(尺寸受限制),模塊的散熱完全依賴于直流風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)的使用壽命直接決定了模塊的使用壽命。但是直流風(fēng)機(jī)體格越小,內(nèi)部的零件脆弱,容易損壞,散熱效果不佳,在主動(dòng)風(fēng)冷的工作模式下,溫度、粉塵、潮濕、油污、霉變、鹽霧、化學(xué)物質(zhì)等等各類因素嚴(yán)重的損害著直流風(fēng)機(jī)使用壽命。

      3、在15kw功率密度較高的直流充電模塊中,大容值電容都是使用了電解液式的鋁電解電容,單個(gè)直流充電模塊滿載輸出時(shí)的溫升約18℃,部分靠近模塊內(nèi)部散熱器的電解溫升>30℃,高溫惡劣環(huán)境將嚴(yán)重的影響鋁電解電容的使用壽命。

      4、傳統(tǒng)的直流充電模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是采用無橋維也納整流電路和基于三電平的llc諧振電路,使用了大量的場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)大功率的輸出,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,元件太多,增加了成本。

      5、其他傳統(tǒng)的直流充電模塊個(gè)體體積小,輸出功率較小,而市場(chǎng)上所需求主要生產(chǎn)的直流充電模塊最大輸出功率一般為15kw,小功率輸出的直流充電模塊滿足不了市場(chǎng)的需求。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      本發(fā)明的主要目的是提出一種直流充電模塊,旨在提高模塊可靠性。

      為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提出的一種直流充電模塊,其特征在于,包括交流emi濾波電路、工頻整流電路、pfc電路、llc全橋諧振電路、高頻變壓器、高頻整流電路和防倒灌直流輸出電路、pwm隔離驅(qū)動(dòng)控制電路、控制器,其中交流emi濾波電路的輸入端引入三相交流電,交流emi濾波電路的輸出端連接工頻整流電路的輸入端,工頻整流電路的輸出端連接pfc電路的輸入端,pfc電路的輸出端連接llc全橋諧振電路,llc全橋諧振電路的輸出端與高頻變壓器的初級(jí)線圈連接,高頻變壓器的次組線圈與高頻整流電路的輸入端連接,高頻整流電路的輸出端與防倒灌直流輸出電路的輸入端連接,防倒灌直流輸出電路的輸出端輸出直流電,控制器通過pwm隔離驅(qū)動(dòng)控制電路與pfc電路及l(fā)lc全橋諧振電路連接,高頻整流電路的輸出參數(shù)通過pwm隔離驅(qū)動(dòng)控制電路采樣回控制器。

      優(yōu)選地,開關(guān)器件既可以采用絕緣柵雙極型晶體管igbt器件,又可以采用碳化硅sic功率模塊。開關(guān)器件額定電流大于200a。功率器件安裝在散熱器上,散熱器是風(fēng)冷或液冷散熱器;直流充電模塊控制器和pwm隔離驅(qū)動(dòng)電路封裝在導(dǎo)熱殼體內(nèi),導(dǎo)熱殼體與散熱器隔離實(shí)現(xiàn)隔熱。

      優(yōu)選地,所述直流充電模塊控制器和pwm隔離驅(qū)動(dòng)電路封裝在弱電防水殼體內(nèi),一方面與直流充電單元的大功率器件熱隔離,有效地防止了溫度、粉塵、潮濕、油污、霉變、鹽霧、化學(xué)物質(zhì)等各類因素對(duì)控制器內(nèi)部的電子元器件及印刷電路板的嚴(yán)重?fù)p害,提高了防塵和防濕氣的ip防護(hù)等級(jí)。

      優(yōu)選地,所述pfc電路包括開關(guān)器件q5、三相橋式整流電路、電容c1和c2、電流互感器t1、電感l(wèi)1和二極管d7,所述三相橋式整流電路由六個(gè)整流管d1、d2、d3、d4、d5和d6構(gòu)成的三相橋式整流電路,其中q5的門極與pwm驅(qū)動(dòng)單元連接,q5的集電極與二極管d7的陽極連接及電感l(wèi)1的一端連接,q5的發(fā)射極與電流互感器t1初級(jí)線圈連接,電流互感器t1的次級(jí)線圈與輸入電流采樣電路的輸入端連接,電流互感器t1的初級(jí)線圈還與電容c1和c2的一端連接,電容c1的另一端與電感l(wèi)1的另一端連接,電容c2的另一端與二極管d7的陰極連接,及與輸入電壓采樣電路的輸入端連接。

      優(yōu)選地,所述pfc電路還包括設(shè)置于脈沖調(diào)制單元的隔離驅(qū)動(dòng)側(cè)的電流互感器t1,所述電流互感器t1的一端與整流電路的輸出端相連,其另一端與開關(guān)管q5的電流輸出端連接,所述電流互感器t1用于提供pfc電路采樣峰值電流檢測(cè)。

      優(yōu)選地,所述llc全橋諧振電路包括由4個(gè)開關(guān)管q1、q2、q3、q4布置成全橋結(jié)構(gòu)的主控開關(guān)管,q1設(shè)置為輸入側(cè)上橋,q3設(shè)置為輸出側(cè)上橋,q2設(shè)置為輸入側(cè)下橋,q4設(shè)置為輸出側(cè)下橋,其中q1、q4互補(bǔ)導(dǎo)通,q3、q2互補(bǔ)導(dǎo)通;所述llc全橋諧振電路還包括與全橋結(jié)構(gòu)主控開關(guān)管串聯(lián)連接的llc諧振電路,所述llc諧振電路包括依次串聯(lián)的諧振電容cr、諧振電感l(wèi)r和激磁電感l(wèi)m及與激磁電感l(wèi)m相并聯(lián)的變壓器t2,以用于將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓。

      優(yōu)選地,所述整流輸出電路設(shè)置于llc全橋諧振電路中變壓器t2的副邊,所述整流輸出電路包括橋式整流電路、電容c3和防倒灌二極管d8,所述電容c3與橋式整流電路并聯(lián)連接,所述防倒灌二極管d8設(shè)置于整流輸出電路的正極,所述電容c3為輸出電壓檢測(cè)點(diǎn);所述整流輸出電路還包括電阻r1,電阻r1設(shè)置在整流輸出電路的負(fù)極,所述電阻r1為輸出電流的檢測(cè)點(diǎn)。

      本發(fā)明中,直流充電模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過導(dǎo)熱外殼封裝控制單元,通過導(dǎo)熱外殼對(duì)大功率發(fā)熱器件中控制單元進(jìn)行封裝,以便與直流充電單元熱隔離,有效地防止了溫度、粉塵、潮濕、油污、霉變、鹽霧、化學(xué)物質(zhì)等各類因素嚴(yán)重?fù)p害直流充電模塊的使用壽命及模塊內(nèi)部的電子元器件及印刷電路板,從而導(dǎo)致直流充電模塊的不可逆的物理、化學(xué)損壞,提高了直流充電模塊的國際要求的ip防護(hù)等級(jí)。

      附圖說明

      為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例,對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下,還可以根據(jù)這些附圖示出的結(jié)構(gòu)獲得其他的附圖。

      圖1為本發(fā)明直流充電模塊原理示意圖;

      圖2為本發(fā)明直流充電模塊原理框圖;

      本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例,參照附圖做進(jìn)一步說明。

      具體實(shí)施方式

      下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖,對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

      需要說明,本發(fā)明保護(hù)是直流充電模塊的電源電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及元件的改進(jìn)應(yīng)用。

      參照?qǐng)D1-2,本發(fā)明公開了一種直流充電模塊,直流充電模塊接收非車載直流充電機(jī)控制器的輸出指令,將三相四線交流電轉(zhuǎn)換成電動(dòng)汽車需要的直流電。

      進(jìn)一步地,所述直流充電模塊包括交流emi濾波電路、工頻整流電路、pfc電路、llc全橋諧振電路、高頻變壓器、高頻整流電路和防倒灌直流輸出電路、pwm隔離驅(qū)動(dòng)控制電路、控制器,其中交流emi濾波電路的輸入端引入三相交流電,交流emi濾波電路的輸出端連接工頻整流電路的輸入端,工頻整流電路的輸出端連接pfc電路的輸入端,pfc電路的輸出端連接llc全橋諧振電路,llc全橋諧振電路的輸出端與高頻變壓器的初級(jí)線圈連接,高頻變壓器的次組線圈與高頻整流電路的輸入端連接,高頻整流電路的輸出端與防倒灌直流輸出電路的輸入端連接,防倒灌直流輸出電路的輸出端輸出直流電,控制器通過pwm隔離驅(qū)動(dòng)控制電路與pfc電路及l(fā)lc全橋諧振電路連接,高頻整流電路的輸出參數(shù)通過pwm隔離驅(qū)動(dòng)控制電路采樣回控制器。

      本發(fā)明實(shí)例中pfc電路包括開關(guān)器件q5、三相橋式整流電路、電容c1和c2、電流互感器t1、電感l(wèi)1和二極管d7,所述三相橋式整流電路由六個(gè)整流管d1、d2、d3、d4、d5和d6構(gòu)成的三相橋式整流電路,其中q5的門極與pwm驅(qū)動(dòng)單元連接,q5的集電極與二極管d7的陽極連接及電感l(wèi)1的一端連接,q5的發(fā)射極與電流互感器t1初級(jí)線圈連接,電流互感器t1的次級(jí)線圈與輸入電流采樣電路的輸入端連接,電流互感器t1的初級(jí)線圈還與電容c1和c2的一端連接,電容c1的另一端與電感l(wèi)1的另一端連接,電容c2的另一端與二極管d7的陰極連接,及與輸入電壓采樣電路的輸入端連接。

      本發(fā)明實(shí)例中l(wèi)lc全橋諧振電路包括四個(gè)開關(guān)器件及其外圍電路,開關(guān)器件分別是q1、q2、q3、q4,其中q1的門極、q2的門極、q3的門極、q4的門極均與pwm驅(qū)動(dòng)單元連接,q1的發(fā)射極、q2的集電極、q3的發(fā)射極、q4的集電極都與高頻變壓器t2的初級(jí)線圈連接,q1的集電極及q3的集電極與與二極管d7的陰極連接,q2的發(fā)射極及q4的發(fā)射極都與與高頻變壓器t2的初級(jí)線圈連接;上述其外圍電路包括諧振電感l(wèi)r、諧振電容cr和激磁電感l(wèi)m,諧振電感l(wèi)r的一端與q3的發(fā)射極及q4的集電極連接,諧振電感l(wèi)r的另一端與諧振電容cr的陽極連接,諧振電容cr的陰極與高頻變壓器t2的初級(jí)線圈的一端連接,高頻變壓器t2的初級(jí)線圈的另一端連接q1的發(fā)射極及q2的集電極,激磁電感l(wèi)m的兩端分別連接高頻變壓器t2的初級(jí)線圈的兩端。

      本發(fā)明實(shí)例中高頻整流電路包括由二極管d9、d10、d11、d12組成的橋式整流電路;所述防倒灌直流輸出電路包括二極管d8、電容c3和電阻r1,二極管d8的陽極與由二極管d9、d10、d11、d12組成的橋式整流電路的輸出端連接,二極管d8的陰極與充電機(jī)的直流母線的正極u0+連接,電容c3的陽極連接于二極管d8的陽極與由二極管d9、d10、d11、d12組成的橋式整流電路的輸出端之間及輸出電壓采樣電路的輸入端連接,電容c3的陰極與充電機(jī)的直流母線的負(fù)極u0-連接及輸出電壓采樣電路的輸出端連接,電阻r1串聯(lián)于電容c3與充電機(jī)的直流母線的負(fù)極u0-之間,且與輸出電流采樣電路的輸入端連接。

      本發(fā)明實(shí)例中直流充電模塊中開關(guān)器件q1、q2、q3、q4、q5采用絕緣柵雙極型晶體管igbt器件或碳化硅sic功率模塊,且開關(guān)器件額定電流大于200a。

      本發(fā)明實(shí)例中直流充電模塊開關(guān)器件q1、q2、q3、q4、q5以及功率二極管d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10、d11、d12均為功率器件,安裝在散熱器上;散熱器是風(fēng)冷和/或液冷散熱器。

      在本發(fā)明實(shí)施例中,直流充電模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過導(dǎo)熱外殼對(duì)大功率發(fā)熱器件中控制器進(jìn)行封裝,以便與直流充電模塊熱隔離,有效地防止了溫度、粉塵、潮濕、油污、霉變、鹽霧、化學(xué)物質(zhì)等各類因素嚴(yán)重?fù)p害直流充電模塊的使用壽命及模塊內(nèi)部的電子元器件及印刷電路板,從而導(dǎo)致直流充電模塊的不可逆的物理、化學(xué)損壞,提高了直流充電模塊的國際要求的ip防護(hù)等級(jí),尤其提高充電機(jī)在惡劣環(huán)境下的使用壽命。需要說明一下,ip(ingressprotection)防護(hù)等級(jí)系統(tǒng)是由iec(internationalelectrotechnicalcommission)所起草,將電器依其防塵防濕氣之特性加以分級(jí)。ip防護(hù)等級(jí)是兩個(gè)數(shù)字所組成,第1個(gè)數(shù)字表示電器防塵、防止外物侵入的等組,第2個(gè)數(shù)字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度,數(shù)字越大表示其防護(hù)等級(jí)越高。

      在本發(fā)明實(shí)施例中,直流充電單元中主回路大功率發(fā)熱電子元件,包括交流整流二極管,pfc整流電路的開關(guān)管、高速整流管,llc全橋諧振電路的開關(guān)管、高速整流管、儲(chǔ)能電感、變壓器、儲(chǔ)能電容等等,均安裝在專用的大體積散熱器上來散熱,散熱器通過外圍充電機(jī)配備的風(fēng)冷或液冷來散熱,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且散熱效率很明顯。

      在本發(fā)明實(shí)施例中,所述直流充電模塊中開關(guān)管均采用絕緣柵雙極型晶體管igbt者碳化硅sic功率模塊替代傳統(tǒng)直流充電電源模塊中使用的場(chǎng)效應(yīng)管(mosfet),碳化硅sic功率模塊具有低切換損耗和耐工作高溫的特點(diǎn),使功率模塊在極端條件下實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行;絕緣柵雙極型晶體管igbt(insulatedgatebipolartransistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由bjt(雙極型三極管)和mos(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,兼有mosfet的高輸入阻抗和gtr的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。gtr飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動(dòng)電流較大;mosfet驅(qū)動(dòng)功率很小,開關(guān)管速度快,但導(dǎo)通壓降大,載流密度小。igbt綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn),驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。在室溫條件下,其集電極發(fā)射電壓可達(dá)1200v,平均前向電流為600a,容許的最大直流電流為750a,因此該晶體管具備承受高電壓大電流的能力。相同正向?qū)娏飨拢褂脠?chǎng)效應(yīng)mos管的數(shù)量是絕緣柵雙極型晶體管igbt的近13倍;與以往電路比較,pfc整流電路中使用場(chǎng)效應(yīng)管的數(shù)量是絕緣柵雙極型晶體管的39倍;llc全橋諧振電路中使用場(chǎng)效應(yīng)管的數(shù)量是絕緣柵雙極型晶體管的26倍。故通過絕緣柵雙極型晶體管(igbt)替代傳統(tǒng)直流充電電源模塊中使用的場(chǎng)效應(yīng)管(mosfet),不僅減少了直流充電模塊中元件使用還能承載更大的輸出功率。

      在本實(shí)施例中,通過采樣電路對(duì)直流充電單元的電壓及電流的采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣,傳送采樣信息到控制單元,控制單元再根據(jù)采樣信息結(jié)合接收到充電需求,內(nèi)部運(yùn)算得出最大允許輸出功率指令,傳送至pwm驅(qū)動(dòng)單元,pwm驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)接收到的最大允許輸出功率驅(qū)動(dòng)直流充電單元中的開關(guān)管,以便保證實(shí)際輸出功率小于最大允許輸出功率。

      在本發(fā)明實(shí)施例中,公開了一種更成熟穩(wěn)定的直流充電模塊的電源電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)直流充電模塊比較,傳統(tǒng)直流充電模塊使用場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)管元件,受限于場(chǎng)效應(yīng)管耐壓不夠,傳統(tǒng)的pfc整流電路采用無橋維也納整流技術(shù),傳統(tǒng)的llc全橋諧振電路采用三電平電源技術(shù),開關(guān)管元件數(shù)量成倍數(shù)的增長(zhǎng),元件自身的差異性既導(dǎo)致整機(jī)可靠性直線下降,設(shè)計(jì)裕量導(dǎo)致開關(guān)管元件數(shù)量直線上升。本發(fā)明完全拋棄傳統(tǒng)直流充電模塊的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用更成熟穩(wěn)定的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),pfc整流電路采用成熟的boost升壓電路,llc全橋諧振電路舍棄三電平電源部分電路,僅需llc全橋諧振電路。這樣,通過本發(fā)明直流充電模塊的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即減省了元件的使用,提高了直流充電模塊的散熱效果,延長(zhǎng)直流充電模塊的使用壽命,又精減了電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提高了輸出功率的最大值。

      需要說明一下,控制器與充電機(jī)控制器連接,所接收輸出電壓或電流指令來自于充電機(jī)控制器,而充電機(jī)控制器所下發(fā)的輸出電壓或電流指令是根據(jù)充電機(jī)控制器與電動(dòng)車的bms系統(tǒng)或者其他具有充電控制功能的車載控制器之間通信連接,通過充電握手階段所配置的充電參數(shù)的分析處理而得到的所需充電的輸出電壓或電流指令。

      在本實(shí)施例中,本發(fā)明采用pfc整流電路結(jié)合llc全橋諧振電路的雙閉環(huán)控制pwm脈沖寬度調(diào)制技術(shù),通過對(duì)控制器發(fā)出的命令脈沖的寬度進(jìn)行隔離調(diào)制,等效地獲得所需要的模擬波形(含形狀和幅值)以驅(qū)動(dòng)電路中開關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷。

      本發(fā)明實(shí)例中直流充電模塊控制器和pwm隔離驅(qū)動(dòng)電路封裝在導(dǎo)熱殼體內(nèi),直流充電模塊控制器及pwm隔離驅(qū)動(dòng)電路與散熱器隔離設(shè)置,以便隔熱。

      以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,并非因此限制本發(fā)明的專利范圍,凡是在本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思下,利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換,或直接/間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域均包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。

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