充电桩、功率模块及其控制方法

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种充电桩、功率模块及其控制方法。

背景技术

现有的快速充电桩设备，特别是大功率的设备普遍采用如图1所示的系统结构。电网的三相电源(即图1中市电所提供的输出电压Ua、Ub及Uc)，通过交流转直流控制部分(即图1中所示的AC/DC)变换为可控稳定的高压直流；该高压直流再经过直流转直流控制部分(即图1中所示的DC/DC)，变换为输出电压可变、功率可控的直流输出；输出直流的正负端(即图1中所示的DC+和DC-)接负载的输入端。且AC/DC电路与DC/DC电路由正负母线(即图1中所示的PBUS和NBUS)进行连接，且正负母线之间连接有大容量的母线电容(包括图1中所示的C1和C2)。

为保证负载的安全与稳定运行，对于其输入直流的电源质量有标准要求。特别是新能源汽车的快速充电桩的直流输出电压，需要满足行业的严格标准要求；在这些标准要求中，有一项输出电压纹波的要求；而对于图1中所示的系统，在接大功率负载工作时，其直流输出电压纹波能够满足标准要求，但是在空载以及轻载时，其直流输出电压纹波一般难以满足标准要求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种充电桩、功率模块及其控制方法，以降低空载以及轻载时，功率模块直流输出电压的纹波。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请第一方面提供了一种功率模块的控制方法，包括：

在启动阶段，控制所述功率模块中的AC/DC控制模块，根据所述功率模块的负载状态进行启动；

判断所述AC/DC控制模块是否完成启动；

若所述AC/DC控制模块完成启动，则控制所述AC/DC控制模块在各种负载状态下均运行于连续工作模式。

可选的，控制所述功率模块中的AC/DC控制模块，根据所述功率模块的负载状态进行启动，包括：

判断所述负载状态是否为轻载状态；

若所述负载状态不为轻载状态，则控制所述AC/DC控制模块以连续工作模式进行启动。

可选的，控制所述功率模块中的AC/DC控制模块，根据所述功率模块的负载状态进行启动，还包括：

若所述负载状态为轻载状态，则控制所述AC/DC控制模块以打嗝模式进行启动。

可选的，在启动阶段若所述负载状态为轻载状态，则在所述AC/DC控制模块完成启动之后，还包括：

判断所述负载状态是否仍为轻载状态；

若所述负载状态仍为轻载状态，则判断所述功率模块的母线电容电压是否大于等于母线参考电压的上限阈值；

若所述母线电容电压大于等于所述上限阈值，则执行控制所述AC/DC控制模块在各种负载状态下均运行于连续工作模式的步骤。

可选的，在判断所述负载状态是否仍为轻载状态之后，还包括：

若所述负载状态不再为轻载状态，则判断所述功率模块的母线电容电压是否小于母线参考电压的下限阈值；

若所述母线电容电压大于等于所述下限阈值，则执行控制所述AC/DC控制模块在各种负载状态下均运行于连续工作模式的步骤。

可选的，在判断所述功率模块的母线电容电压是否小于母线参考电压的下限阈值之后，还包括：

若所述母线电容电压小于所述下限阈值，则判断所述母线电容电压小于所述下限阈值的保持时长是否大于等于第一预设时长；

若所述保持时长大于等于所述第一预设时长，则对所述AC/DC控制模块中电压调节器和电流调节器的输出进行清零，再控制所述电压调节器和所述电流调节器正常工作并维持第二预设时长，直至所述母线电容电压大于等于所述下限阈值。

可选的，判断所述AC/DC控制模块是否完成启动，包括：

判断所述AC/DC控制模块的启动时长是否大于等于第三预设时长；

若所述启动时长大于等于所述第三预设时长，则判定所述AC/DC控制模块完成启动。

可选的，在判断所述AC/DC控制模块是否完成启动之后，还包括：

若所述AC/DC控制模块未完成启动，则继续执行控制所述功率模块中的AC/DC控制模块，根据所述功率模块的负载状态进行启动的步骤。

本申请第二方面提供一种功率模块，包括：功率控制器、采集模块、AC/DC电路和至少一个DC/DC电路；其中，

所述AC/DC电路的交流侧，用于通过所述功率模块的输入接口接收交流输入电能；

所述AC/DC电路的直流侧，通过直流母线连接所述DC/DC电路的输入端；

所述直流母线的正负极之间连接有母线电容；

所述DC/DC电路的输出端，用于通过所述功率模块的输出接口提供直流输出电能；

所述采集模块用于采集所述母线电容上的电压，作为母线电容电压输出至所述功率控制器；

所述AC/DC电路和所述DC/DC电路，受控于所述功率控制器；所述功率控制器用于执行如第一方面任一种所述的功率模块的控制方法。

可选的，所述功率控制器，包括：主控制模块、AC/DC控制模块和至少一个DC/DC控制模块；

所述AC/DC控制模块用于控制所述AC/DC电路运行；

所述DC/DC控制模块用于控制所述DC/DC电路运行；

所述AC/DC控制模块和所述DC/DC控制模块，受控于所述主控制模块；

所述主控制模块用于执行所述控制方法。

可选的，所述采集模块还用于采集所述输入接口的交流输入电压和交流输入电流，并输出至所述功率控制器。

本申请第三方面提供一种充电桩，包括：CCU、至少一个充电枪及如第二方面任一种所述的功率模块；其中，

所述功率模块的输入接口接收交流输入电能；

所述功率模块的输出接口连接所述充电枪的输入端；

所述CCU与所述功率模块中的功率控制器通信连接。

本申请提供的功率模块的控制方法，其在启动阶段，先控制功率模块中的AC/DC控制模块，根据功率模块的负载状态进行启动；然后在AC/DC控制模块完成启动后，控制AC/DC控制模块在各种负载状态下均运行于连续工作模式，以降低空载以及轻载时功率模块直流输出电压的纹波，减少系统直流输出问题，改善功率模块的工作性能，使得相应充电桩满足行业标准要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的充电桩系统结构示意图；

图2为本申请实施例提供的功率模块的控制方法的流程图；

图3为本申请实施例提供的AC/DC控制模块的控制框图；

图4为本申请实施例提供的母线参考电压的上下限阈值示意图；

图5为本申请实施例提供的打嗝模式下母线电容电压与直流输出电压的波形示意图；

图6为本申请实施例提供的连续工作模式下母线电容电压与直流输出电压的波形示意图；

图7为本申请实施例提供的功率模块的控制方法的部分流程图；

图8为本申请实施例提供的功率模块的控制方法的另一流程图；

图9为本申请实施例提供的功率模块的控制方法的完整流程图；

图10为本申请实施例提供的功率控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对于图1所示的系统结构，其功率控制器中通常包括：主控制模块，控制AC/DC电路的AC/DC控制模块，及，控制DC/DC电路的DC/DC控制模块，由于AC/DC电路兼具PFC(PowerFactor Correction，功率因数)校准的功能，故该AC/DC控制模块也可以简称为PFC控制模块。在空载以及轻载情况下，由于DC/DC电路所需的能量较少，故现有技术的主控制模块会控制该AC/DC控制模块处于断续工作模式，即周期性的使能和禁止该AC/DC控制模块，使其进入打嗝模式；此时，市电的能量以不连续的方式传输到母线电容(包括图1中所示的C1和C2)中。在这种模式下，母线电容两端的电压存在较大且剧烈的波动，进而导致DC/DC电路输出端的直流电压也存在较大的纹波。

因此，本实施例提供一种功率模块的控制方法，以降低空载以及轻载时，功率模块直流输出电压的纹波。

参见图2，该功率模块的控制方法，包括：

S101、在启动阶段，控制功率模块中的AC/DC控制模块，根据功率模块的负载状态进行启动。

该负载状态包括：轻载状态和非轻载状态；在启动阶段，非轻载状态可以是重载状态或者满载状态，比如功率模块输出功率大于3KW时即可认为属于非轻载状态，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

S102、判断AC/DC控制模块是否完成启动。

实际应用中，该步骤S102具体可以是：判断AC/DC控制模块的启动时长是否大于等于第三预设时长T；若启动时长小于第三预设时长T，则判定AC/DC控制模块尚未完成启动；若启动时长大于等于第三预设时长T，则判定AC/DC控制模块完成启动。

该第三预设时长T的取值视其应用环境而定即可，具体可以是秒级，此处不做限定，只要当AC/DC控制模块启动后工作该第三预设时长T之后，能够确保启动完成即可，均在本申请的保护范围内。

若AC/DC控制模块未完成启动，则继续执行步骤S101。若AC/DC控制模块完成启动，则执行步骤S103。

S103、控制AC/DC控制模块在各种负载状态下均运行于连续工作模式。

图3所示为AC/DC控制模块的控制框图，由该图中可知，AC/DC控制模块采用双闭环控制结构，电流环作为内环，电压环作为外环；而且，每个环路各有一个以调节器为核心的部分，两者的调节器均可以为图中所示的PI(Proportional-Integral，比例-积分)控制器。

PI控制器的数学表达式如下式所示：

式中，K

由上式可知，当PI控制器参数选定后，若误差输入信号e(t)较大，则输出信号y(t)也将增大。

图3中，U

双闭环控制环节中，首先母线参考电压

通过上述分析可知，当母线电容电压U

打嗝模式下，在控制过程中，母线参考电压

(1)当

(2)当

(3)当母线电容电压U

如此重复步骤(2)和步骤(3)。

上述打嗝模式，使得母线电容电压U

因此，现有技术中当功率模块处于轻载状态，比如负载所需功率小于等于3KW时，其AC/DC控制模块持续工作在打嗝模式，则会导致功率模块的直流输出电压中存在较大的纹波，超过了标准要求。

而本实施例，在AC/DC控制模块完成启动后，不论功率模块处于何种负载状态，均控制AC/DC控制模块运行于连续工作模式；也即主控制模块并不会周期性的禁止该AC/DC控制模块，而是一直保持对于该AC/DC控制模块的使能；此时，图3中的PWM生成环节、电压PI控制器以及电流PI控制器始终保持正常运行。因此，在空载以及轻载时，母线电容电压U

本实施例提供的该功率模块的控制方法，通过上述原理，能够降低空载以及轻载时功率模块直流输出电压的纹波，减少系统直流输出问题，改善功率模块的工作性能，使得相应充电桩满足行业标准要求。

值得说明的是，现有技术中，为减少该直流输出电压纹波，所采用的传统方案一般是对该AC/DC控制模块做如下改进：一是提高采样频率和控制频率来抑制纹波输出，其缺点是需要选用时钟频率更高、性能更强的控制芯片，从而提高了硬件成本；二是提升采样精度，减少控制误差，其缺点是增加了电路的复杂性以及成本。

而本实施例提供的该功率模块的控制方法，完全采用软件控制上的改进来减小功率模块直流输出电压的纹波，不会导致任何硬件成本及电路复杂性的升高，利于推广应用。

在上一实施例的基础之上，本实施例对该控制方法中步骤S101的具体过程进行示例性说明，比如，该步骤S101中具体可以包括图7中所示的：

S201、判断负载状态是否为轻载状态。

为减少输出纹波，该AC/DC控制模块应尽量运行于连续工作模式。因此，若负载状态不为轻载状态，则执行步骤S202。但在系统启动阶段，母线参考电压处于变化中，所以，进一步的，若负载状态为轻载状态，则为了使母线电容电压快速提升以及防止启动中报过压过流故障，可以执行步骤S203。

S202、控制AC/DC控制模块以连续工作模式进行启动。

S203、控制AC/DC控制模块以打嗝模式进行启动。

更进一步的，在启动阶段，若该功率模块的负载状态为轻载状态，则需要建立一种打嗝模式切换到连续工作模式的方案，具体的，在步骤S102之后，若判定AC/DC控制模块完成启动，则可以在此后为该控制方法增加图8中所示的：

S301、判断负载状态是否仍为轻载状态。

若负载状态仍为轻载状态，则执行步骤S302。

S302、判断功率模块的母线电容电压U

若母线电容电压U

优选的，在步骤S301之后，若负载状态不再为轻载状态，则执行步骤S303。

S303、判断功率模块的母线电容电压U

若母线电容电压U

S304、判断母线电容电压U

该第一预设时长的具体取值可以根据实际情况而定，比如可以是毫秒级。若保持时长大于等于第一预设时长，则执行步骤S305，直至母线电容电压U

S305、对AC/DC控制模块中电压调节器和电流调节器的输出进行清零，再控制电压调节器和电流调节器正常工作并维持第二预设时长。

该第二预设时长的具体取值也可以根据实际情况而定，比如也可以是毫秒级。

该电压调节器具体可以是图3中所示的电压PI控制器，该电流调节器具体可以是图3中所示的电流PI控制器。

图9为本控制方法的一个完整流程图示例，具体的，在接收到启机信号后：

(1)若轻载启动时，AC/DC控制模块先工作在打嗝模式。在工作T秒(也即上述第三预设时长)，即确保启动完成后，若检测到母线电容电压U

(2)若该AC/DC控制模块工作在打嗝模式，此时负载从轻载突然加载到满载时，如果母线电容电压U

(3)若该AC/DC控制模块工作在打嗝模式，此时负载从轻载突然加载到满载，如果母线电容电压U

(4)若非轻载启动时，该AC/DC控制模块直接进入连续工作模式。

本实施例通过上述过程，不仅可以减少充电桩轻载时的直流输出电压纹波，而且还可以使得该AC/DC控制模块平稳的从打嗝模式切换到连续工作模式，再一直保持在连续工作模式，进而在功率模块全工作时间内消除母线电压的剧烈波动，改善输出直流端的纹波。

本申请另一实施例还提供了一种功率模块，其如图1中所示，包括：功率控制器100、采集模块(图中未展示)、AC/DC电路101和至少一个DC/DC电路102；其中:

AC/DC电路101的交流侧，用于通过功率模块的输入接口接收交流输入电能，比如图1中所示市电供应的三相交流。

AC/DC电路101的直流侧，通过直流母线(其正负极为图1中所示的PBUS和NBUS)连接DC/DC电路102的输入端。

直流母线的正负极之间连接有母线电容，该母线电容包括图1中所示的两个串联连接的半母线电容C1和C2。

DC/DC电路102的输出端，用于通过功率模块的输出接口提供直流输出电能。

采集模块用于采集母线电容上的电压，作为上述实施例中所述的母线电容电压U

AC/DC电路101和DC/DC电路102，受控于功率控制器100；该功率控制器100用于执行如上述任一实施例所述的功率模块的控制方法，该控制方法的原理及工作过程参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

实际应用中，该功率控制器100，可以包括图10中所示的：主控制模块11、AC/DC控制模块12和至少一个DC/DC控制模块13；该AC/DC控制模块12用于控制AC/DC电路101运行；该DC/DC控制模块13用于控制DC/DC电路102运行；该AC/DC控制模块12和DC/DC控制模块13，受控于主控制模块11；该主控制模块11用于执行上述控制方法。

通过执行该控制方法，不仅可以减少充电桩轻载时的直流输出电压纹波，而且还可以实现该AC/DC控制模块12从打嗝模式到连续工作模式的平稳切换，而后使该AC/DC控制模块12一直保持在连续工作模式，进而消除母线电压的剧烈波动，改善功率模块输出直流端的纹波。

本申请另一实施例还提供了一种充电桩，其如图1所示，包括：CCU(CommunicationControlUnit，通讯控制单元)、至少一个充电枪(图中未展示)及如上述任一实施例所述的功率模块；其中：

该功率模块的输入接口接收交流输入电能，该功率模块的输出接口连接充电枪的输入端，使功率模块的直流输出电能通过充电枪提供至负载。

该CCU与功率模块中的功率控制器100通信连接，具体是与图10中的主控制模块11通信连接。

本实施例提供的充电桩，可以消除母线电压的剧烈波动，改善功率模块输出直流端的纹波。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。