地铁车辆用蓄电池充电机的制作方法

1.本实用新型涉及轨道交通辅助电源控制领域，尤其是涉及一种地铁车辆用蓄电池充电机。


背景技术：

2.随着轨道交通领域的快速发展，地铁辅助电源的轻量化和小型化成为设计的重要指标之一。地铁用充电机作为辅助电源系统的直流供电设备，对其内部各个单元的性能指标、装置本身的体积和重量、系统整体的效率和安全性方面都有着严格的要求。
3.在现有技术中，用于地铁车辆的充电机一般基于硅材料半导体进行设计，如采用硅基绝缘栅双极型晶体管(si
‑
igbt)的充电机，其开关频率在20khz以内。但是，在充电机的设计中，较低的开关频率会带来滤波元件(如电容器和电抗器)体积较大、系统损坏上升、效率下降等问题。因此采用硅材料大功率igbt器件的充电机存在开关速度慢、开关损坏大、装置整体体积较大等缺陷。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种地铁车辆用蓄电池充电机，能够解决现有充电机中开关速度慢、损耗大和装置体积较大等问题。
5.第一方面，本实用新型的一个实施例提供了一种地铁车辆用蓄电池充电机，所述充电机包括输入滤波电路、功率变换电路、输出滤波电路以及数字控制电路；其中，
6.所述输入滤波电路的输入端连接直流电源，并对由所述直流电源输入的电压进行滤波处理；所述数字控制电路的输出端与所述功率变换电路的控制端电性连接，所述功率变换电路的输入端与所述输入滤波电路的输出端电性连接，并根据所述数字控制电路的输出信号进行电压变换，且所述功率变换电路包括由多个碳化硅开关器件构成的逆变模块；所述功率变换电路的输出端与所述输出滤波电路的输入端电性连接。
7.本实用新型实施例的蓄电池充电机的功率变换电路中采用了多个碳化硅开关器件，如第三代半导体碳化硅开关器件。利用碳化硅开关器件高频、高压、高温以及高效率的特性，并通过数字控制电路对逆变模块的开关器件进行控制，使得本实用新型充电机中的逆变模块的开关频率可以大幅度提升，并且降低了系统的损耗和提升了效率；同时，蓄电池充电机的体积和重量相比于现有同样功率的产品更加小型化和轻量化。而碳化硅开关器件的高频特性会带来严重的电磁谐波干扰，本实用新型通过在充电机的输入和输出端分别设置输入滤波电路和输出滤波电路来滤除电磁谐波的干扰。
8.进一步，所述数字控制电路包括数字控制器、隔离驱动单元、高速ad采样单元，所述高速ad采样单元连接到所述充电机的输入端和输出端，并采集所述充电机的输入端和输出端的电压信号和电流信号后发送到所述数字控制器中，所述数字控制器控制所述隔离驱动单元输出驱动信号。
9.进一步，所述输入滤波电路包括第一保险丝、第一emi滤波器、第一滤波电容和第一放电电阻；其中，所述第一保险丝连接在直流电源和第一emi滤波器之间，所述第一滤波电容和第一放电电阻并联连接在所述第一emi滤波器的输出端。
10.进一步，所述逆变模块由全桥逆变电路构成，且所述功率变换电路还包括隔离变压器和整流电路；其中，所述全桥逆变电路的输出端与所述隔离变压器的原边绕组电性连接，所述隔离变压器的副边绕组与所述整流电路的输入端电性连接。
11.进一步，所述全桥逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管分别由碳化硅开关器件构成，且所述隔离驱动单元的输出端分别与所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的控制端连接；
12.所述功率变换电路还包括谐振电感和直流隔离电容，所述谐振电感的一端连接第一开关管和第二开关管的连接点，所述谐振电感的另一端与所述隔离变压器的原边绕组的第一端电性连接，所述直流隔离电容的一端连接第三开关管和第四开关管的连接点，所述直流隔离电容的另一端与所述隔离变压器的原边绕组的第二端电性连接。
13.进一步，所述整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，其中，所述第一二极管的正极和第二二极管负极连接所述隔离变压器副边绕组的第一端；所述第三二极管的正极和第四二极管负极连接所述隔离变压器的副边绕组的第二端。
14.进一步，所述输出滤波电路包括滤波电感、第二滤波电容、第二放电电阻、防反二极管、第二保险丝和第二emi滤波器，所述滤波电感的一端连接第一二极管和第三二极管的负极，所述滤波电感的另一端连接所述防反二极管的正极，所述防反二极管的负极连接第二保险丝的一端，所述第二保险丝的另一端连接第二emi滤波器，所述第二滤波电容和第二放电电阻并联连接在所述整流电路和第二emi滤波器之间。
15.进一步，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管分别为碳化硅mos管；所述第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管分别为碳化硅肖特基二极管。
16.进一步，所述隔离驱动单元的输出端包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述蓄电池充电机包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一端口连接第一开关管；所述第二端口连接第二开关管；所述第三端口dr3连接第三开关管；所述第四端口连接第四开关管。
17.进一步，所述高速ad采样单元包括输入电压采样端口、输出电压采样端口、输出电流采样端口和蓄电池电流采样端口，所述蓄电池充电机包括第一放电电阻和第二放电电阻；所述输入电压采样端口连接第一放电电阻的两端，所述输出电压采样端口连接第二放电电阻的两端，所述输出电流采样端口连接第一电流采样芯片，所述第一电流采样芯片串联连接在输出滤波电路中，所述蓄电池电流采样端口连接第二电流采样芯片，所述第二电流采样芯片串联在输出滤波电路和外部蓄电池之间。
附图说明
18.图1是本实用新型实施例中地铁车辆用蓄电池充电机的一具体实施例模块框图；
19.图2是本实用新型实施例中地铁车辆用蓄电池充电机的输入滤波电路的电路原理
图；
20.图3是本实用新型实施例中地铁车辆用蓄电池充电机的功率变换电路的电路原理图；
21.图4是本实用新型实施例中地铁车辆用蓄电池充电机的输出滤波电路的电路原理图；
22.图5是本实用新型实施例中地铁车辆用蓄电池充电机的数字控制电路的电路原理图；
23.图6是本实用新型实施例控制地铁车辆用蓄电池充电机的逆变模块的控制逻辑图。
具体实施方式
24.以下将结合实施例对本实用新型的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。
25.本实用新型提出了一种基于碳化硅(sic)器件并且采用数字控制的地铁车辆用蓄电池充电机，本实用新型实施例的地铁车辆用蓄电池充电机的结构如图1所示。
26.参照图1，本实施例的蓄电池充电机包括输入滤波电路100、功率变换电路200、输出滤波电路300以及数字控制电路400。其中，输入滤波电路100的输入端连接直流电源(该直流电源具体可以为蓄电池或整流器的输出端等)，并对由直流电源输入的电压进行滤波处理；数字控制电路400的输出端与功率变换电路200的控制端电性连接，功率变换电路200的输入端与输入滤波电路100的输出端电性连接，并在根据数字控制电路400的输出信号进行电压变换，且功率变换电路200包括由多个碳化硅开关器件构成的逆变模块210；功率变换电路200的输出端与输出滤波电路300的输入端电性连接。
27.本实用新型实施例的蓄电池充电机的功率变换电路200中采用了多个碳化硅开关器件，如第三代半导体碳化硅开关器件。利用碳化硅开关器件高频、高压、高温以及高效率的特性，并通过数字控制电路400对逆变模块210的开关器件进行控制，使得本实用新型充电机中的逆变模块210的开关频率可以大幅度提升，并且降低了系统的损耗和提升了效率；同时，蓄电池充电机的体积和重量相比于现有同样功率的产品更加小型化和轻量化。而碳化硅开关器件的高频特性会带来严重的电磁谐波干扰，本实用新型通过在充电机的输入和输出端分别设置输入滤波电路100和输出滤波电路300来滤除电磁谐波的干扰。
28.本实用新型的蓄电池充电机的具体电路原理图如图2
‑
5所示，具体的电路主要分为主功率电路和数字控制电路400两部分，主功率电路包括输入滤波电路100、功率变换电路200、输出滤波电路300。
29.参考图2，本实用新型充电机的输入滤波电路100包括第一保险丝f1、第一emi滤波器110、第一滤波电容c1和第一放电电阻r1。其中，第一保险丝f1连接在直流电源vin和第一emi滤波器110之间，第一滤波电容c1和第一放电电阻r1并联连接在第一emi滤波器110的输出端。本实用新型通过第一保险丝f1在蓄电池充电机的输入电路出现过载或过流等情况下实现断路保护，通过第一emi滤波器110用来消除电路中电磁谐波的影响。本实用新型的充
电机在不充电时或其他需要泄放电能的状况下，通过第一放电电阻r1释放电路中残留的电能。
30.第一emi滤波器110的输出端连接逆变模块210，如图3所示，逆变模块210由全桥逆变电路构成，且本实用新型实施例的功率变换电路200还包括隔离变压器t1和整流电路220。其中，全桥逆变电路的输出端与隔离变压器t1的原边绕组电性连接，隔离变压器t1的副边绕组与整流电路220的输入端电性连接。
31.具体地，全桥逆变电路包括第一开关管vt1、第二开关管vt2、第三开关管vt3、第四开关管vt4。其中第一开关管vt1、第二开关管vt2、第三开关管vt3、第四开关管vt4分别由碳化硅开关器件构成，且隔离驱动单元420的输出端(dr1
‑
dr4)分别与第一开关管vt1、第二开关管vt2、第三开关管vt3、第四开关管vt4的控制端连接。功率变换电路200还包括谐振电感l1和直流隔离电容c6，谐振电感l1的一端连接第一开关管vt1和第二开关管vt2的连接点a，谐振电感l1的另一端与隔离变压器t1的原边绕组的第一端电性连接，直流隔离电容c6的一端连接第三开关管vt3和第四开关管vt4的连接点b，直流隔离电容c6的另一端与隔离变压器t1的原边绕组的第二端电性连接。整流电路220包括第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4，其中，第一二极管d1的正极和第二二极管d2负极连接隔离变压器t1副边绕组的第一端；第三二极管d3的正极和第四二极管d4负极连接隔离变压器t1的副边绕组的第二端。
32.本实用新型实施例提出的蓄电池充电机的开关工作频率在100khz以上，为了降低高频下功率器件的开关损耗，本实用新型实施例中的第一开关管vt1、第二开关管vt2、第三开关管vt3和第四开关管vt4分别为碳化硅mos管；第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4分别为碳化硅肖特基二极管。本实用新型中的四个开光管(vt1
‑
vt4)通过采用开关速度远大于传统si器件的sic
‑
mosfet，并且sic
‑
mosfet的导通电阻极大，能够极大地降低了高频下功率器件的开关损耗。同时整流电路220中的二极管采用sic肖特基二极管，其反向恢复损耗可以忽略不计。
33.功率变换电路200的输出端连接输出滤波电路300，参考图4，本实用新型实施例的输出滤波电路300包括滤波电感l2、第二滤波电容c7、第二放电电阻r2、防反二极管d5、第二保险丝f2和第二emi滤波器310。其中，滤波电感l2的一端连接第一二极管d1和第三二极管d3的负极，滤波电感l2的另一端连接防反二极管d5的正极，防反二极管d5的负极连接第二保险丝f2的一端，第二保险丝f2的另一端连接第二emi滤波器310输入端，第二滤波电容c7和第二放电电阻r2并联连接在整流电路220和第二emi滤波器310之间。本实用新型实施例中的第二保险丝f2能够在蓄电池充电机的输出电路出现过载或过流等情况下实现断路保护；第二emi滤波器310用于消除电路出现电磁谐波的影响；本实用新型的充电机在不充电时，可以通过第二放电电阻r2释放输出电路中残留的电能。同时为了避免蓄电池和蓄电池充电机之间出现反向充电的情况，本实用新型通过防反二极管d5来防止电流倒流，避免损坏充蓄电池电机中的电子器件。
34.本实用新型实施例中的开关管(vt1
‑
vt4)由数字控制电路控制，具体参考图3和图5，数字控制电路400包括数字控制器410、隔离驱动单元420、高速ad采样单元430，高速ad采样单元430连接到充电机的输入端和输出端，并采集充电机的输入端和输出端的电压信号和电流信号后发送到数字控制器410中，数字控制器410控制隔离驱动单元420输出驱动信
号。
35.具体地，本实用新型实施例通过数字控制电路400控制逆变模块210中各个开关管的导通和关断、控制蓄电池的充电功能、保护功能以及与外部的通信功能。其中，数字控制电路400的高速ad采样单元430针对高频下的蓄电池充电机主功率电路进行信号采样，采样的信号包括输入电压v
in
、输出电流i
l
、输出电压v
o
和蓄电池电流i
bat
，然后将这些采样信号传输到数字控制器410中，作为后续数字控制器410的控制和保护功能提供输入条件。数字控制器410中的pid控制部分采用pid和前馈控制策略，根据高速ad采样单元430采样的电压或电流信号进行控制，实现蓄电池的恒压恒流充电功能；数字控制器410中的保护部分用于对充电机的输入输出进行欠压保护、输出过流保护和蓄电池过流保护等；数字控制器410的通信部分用于实现充电机与整车系统的交互、后台监控以及软件维护等功能。隔离驱动单元420根据接收到的数字控制器410发出的控制信号，实现对逆变模块210中各个开关管的驱动，同时本实用新型通过隔离驱动单元420实现高、低电压电路的隔离，保证电路的安全。
36.本实用新型实施例中的第一开关管vt1、第二开关管vt2、第三开关管vt3和第四开关管vt4采用移相控制策略，数字控制电路400通过驱动隔离电路来控制各个开关管的导通和关断。其中，隔离驱动单元420的输出端包括第一端口dr1、第二端口dr2、第三端口dr3和第四端口dr4，蓄电池充电机包括第一开关管vt1、第二开关管vt2、第三开关管vt3和第四开关管vt4，第一端口dr1连接第一开关管vt1；第二端口dr2连接第二开关管vt2；第三端口dr3连接第三开关管vt3；第四端口dr4连接第四开关管vt4。
37.参考图6，图6是控制各个开关管的控制逻辑时序图。具体地，第四开关管vt4的控制信号移相θ角，第三开关管vt3的控制信号与第二开关管vt2的控制信号相比移相θ角，用户可以通过调节θ角的大小来控制输出电压的实际大小。图3中[t1，t2]时段为超前桥臂(第一开关管vt1、第二开关管vt2)的等效并联电容c2、c3与谐振电感l1、滤波电感l2的谐振过程；[t3，t4]时段为滞后桥臂(第三开关管vt3、第四开关管vt4)的等效并联电容c4、c5与谐振电感l1的谐振过程，逆变模块210采用移相控制策略后，开关管vt1～vt4可以实现零电压开通，此时开关管的损耗大幅度下降。本实用新型通过sic器件和移相全桥软开关拓扑的运用，使得整个功率变换电路200实现较高的工作频率，并且不受由于过高损耗而出现的高温的限制。
[0038]
本实用新型蓄电池充电机中的高速ad采样单元430还包括输入电压采样端口、输出电压采样端口、输出电流采样端口和蓄电池电流采样端口，蓄电池充电机包括第一放电电阻r1和第二放电电阻r2。参考图2
‑
5，本实用新型实施例的输入电压采样端口连接第一放电电阻r1的两端，输出电压采样端口连接第二放电电阻r2的两端，输出电流采样端口连接第一电流采样芯片ax1，第一电流采样芯片ax1串联连接在输出滤波电路300中，蓄电池电流采样端口连接第二电流采样芯片ax2，第二电流采样芯片ax2串联在输出滤波电路300和外部蓄电池之间。其中，第一电流采样芯片ax1用于采集充电机的输出电流i
l
；第二电流采样芯片ax2用于采集蓄电池电流i
bat
；输入电压采样端口连接第一放电电阻r1采集充电机的输入电压v
in
，输出电压采样端口连接第二放电电阻r2采集充电机的输出电压v
o
。本实用新型实施例通过高速ad采样单元将采集到电压和电流信号传输到数字控制器中，数字控制器根据接收到的信号对蓄电池充电机进行控制。
[0039]
本实用新型提出的地铁车辆用蓄电池充电机采用新型的半导体器件sic
‑
mosfe以
及sic肖特基二极管，同时选择了移相全桥软开关电路作为功率主电路，辅助数字控制方案实现了地铁车辆用蓄电池充电机的高频、高效以及高可靠性。
[0040]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。
[0041]
上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。