Система управления и способ управления зарядным устройством на основе мостового преобразователя с фазовым сдвигом

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение плавного переключения зарядного устройства на основе мостового преобразователя между различными режимами и устойчивой работы в момент переключения. Система управления содержит считывающую систему и устройство управления зарядного устройства, при этом устройство управления зарядного устройства содержит блок определения запуска и работы, блок управления при плавном запуске, блок управления при работе и блок управления при плавном переключении; причем блок управления при работе содержит блок определения режима, блок управления при неизменном постоянном напряжении, блок управления при ограничении общего тока и блок управления при ограничении зарядного тока. Во время работы зарядного устройства, после окончания плавного запуска, переключение происходит между рабочим состоянием с неизменным постоянным напряжением, рабочим состоянием с ограничением общего тока и рабочим состоянием с ограничением зарядного тока в соответствии с различиями в условиях, и блок управления при плавном переключении обеспечивает переключение устройства управления между состояниями работы в соответствии с различиями в состояниях работы зарядного устройства с реализацией плавного переключения в рамках способа управления для зарядного устройства и имеет высокие характеристики в устойчивом состоянии и высокие динамические характеристики. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение принадлежит к области техники управления зарядными устройствами и относится к системе управления и способу управления зарядным устройством на основе мостового преобразователя с фазовым сдвигом, имеющим несколько режимов работы.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Зарядные устройства в поезде применяются для подачи питания на все потребители постоянного тока в поезде и зарядки аккумуляторных батарей. В соответствии с различными условиями работы поезда, зарядное устройство имеет несколько режимов работы, в частности включающих режим неизменного постоянного напряжения, режим ограничения зарядного тока и режим ограничения полного тока. С целью обеспечения устойчивой работы зарядного устройства, каждый режим работы соответствует различным алгоритмам управления, то есть алгоритму управления при неизменном постоянном напряжении, алгоритму управления при ограничении зарядного тока и алгоритму управления при ограничении полного тока.

Зарядное устройство на основе мостового преобразователя с фазовым сдвигом (phase shifted full bridge (PSFB)) представляет собой зарядное устройство, в котором PSFB-преобразователь применяется в качестве мягкого переключателя зарядного устройства. Конструкция зарядного устройства на основе PSFB содержит PSFB-схему, высокочастотный трансформатор и схему выпрямления, которые подключены последовательно, при этом PSFB-схема содержит опорный конденсатор и зарядный резистор; и выходной разъем схемы выпрямления соединен с аккумуляторной батареей и потребителями соответственно для зарядки аккумуляторной батареи и приведения потребителей в действие.

При работе поезда зарядное устройство на основе PSFB также неоднократно переключается между тремя режимами работы. Соответственно, система управления для зарядного устройства на основе PSFB должна своевременно отвечать на переключение между режимами работы, для своевременного выполнения переключения между алгоритмами управления. В целом три алгоритма управления подчинены PI (пропорционально-интегральному) управлению. Если используются три группы одинаковых пропорциональных и интегральных параметров, индивидуальность каждого режима работы не может быть удовлетворена, и технические требования к управлению как напряжением, так и током в устойчивом состоянии не могут быть удовлетворены. Если используются три группы различных пропорциональных параметров и интегральных параметров, в момент переключения между двумя алгоритмами управления, пропорциональные параметры и интегральные параметры должны переключаться быстро, таким образом, приводя к перегрузкам по напряжению и току при динамическом регулировании системы, или даже к повреждениям в критичных ситуациях.

В настоящее время не существует ни одного способа управления, который может обеспечить плавное переключение зарядного устройства на основе PSFB для поезда между различными режимами работы, а также устойчивую работу зарядного устройства на основе PSFB в момент переключения между различными режимами работы и после него.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретение является предоставление системы управления и способа управления плавным переключением между различными режимами работы зарядного устройства на основе PSFB в соответствии с переключением состояния работы зарядного устройства поезда в известном уровне техники.

Для этой цели настоящее изобретение предлагает следующее техническое решение: обеспечение системы управления для зарядного устройства на основе мостового преобразователя с фазовым сдвигом, содержащей считывающую систему и устройство управления зарядного устройства; при этом считывающая система содержит устройство считывания входного напряжения, установленное на входном разъеме зарядного устройства для считывания входного напряжения, устройство считывания общего выходного напряжения и устройство считывания общего выходного тока, оба из которых установлены на выходном разъеме зарядного устройства для считывания общего выходного напряжения и общего выходного тока соответственно, и устройство считывания зарядного тока, установленное на входном разъеме аккумуляторной батареи для считывания зарядного тока.

Конкретнее, устройство управления зарядного устройства содержит:

блок определения запуска и работы, выполненный с возможностью считывания сигнала общего выходного напряжения, сигнала общего выходного тока, сигнала зарядного тока и коэффициента заполнения, а также определения, работает ли зарядное устройство в состоянии ожидания, состоянии предварительной зарядки, состоянии плавного запуска или в рабочем состоянии, и генерирования соответствующего сигнала состояния; и при этом рабочее состояние включает рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, рабочее состояние с ограничением общего тока и рабочее состояние с ограничением зарядного тока;

блок управления при плавном запуске, выполненный с возможностью управления зарядным устройством во время состояния плавного запуска зарядного устройства;

блок управления при работе, выполненный с возможностью управления зарядным устройством в рабочем состоянии зарядного устройства и определения рабочего состояния зарядного устройства;

при этом блок управления при работе содержит:

блок определения режима, выполненный с возможностью считывания значения общего выходного напряжения, значения общего выходного тока и значения зарядного тока для определения, в каком рабочем состоянии работает зарядное устройство, и генерирования сигнала рабочего состояния зарядного устройства;

блок управления при неизменном постоянном напряжении, выполненный с возможностью управления зарядным устройством, когда зарядное устройство работает в рабочем состоянии с неизменным постоянным напряжением;

блок управления при ограничении общего тока, выполненный с возможностью управления зарядным устройством, когда зарядное устройство работает в рабочем состоянии с ограничением общего тока;

блок управления при ограничении зарядного тока, выполненный с возможностью управления зарядным устройством, когда зарядное устройство работает в рабочем состоянии с ограничением зарядного тока;

при этом устройство управления зарядного устройства дополнительно содержит блок управления при плавном переключении, выполненный с возможностью считывания сигнала рабочего состояния зарядного устройства, переданного в обратном направлении блоком определения режима, и сигнала состояния плавного запуска, переданного в обратном направлении блоком определения запуска и работы; при этом когда зарядное устройство переключается между состоянием плавного запуска и рабочим состоянием и между различными рабочими состояниями, система управления плавно переключается на блок управления, соответствующий рабочему состоянию, для управления PSFB-схемой зарядного устройства.

Предложен способ управления зарядным устройством, включающий следующие этапы:

определение, закончена ли предварительная зарядка зарядного устройства; если да, зарядное устройство входит в состояние плавного запуска, и работой зарядного устройства управляет блок управления при плавном запуске;

определение, закончен ли плавный запуск зарядного устройства; если да, зарядное устройство входит в рабочее состояние, блок управления при работе работает, и блок управления при плавном переключении позволяет переключение управления на блок управления при неизменном постоянном напряжении;

прием блоком определения режима значения общего выходного напряжения, значения общего выходного тока и значения зарядного тока, значения ограничения общего выходного тока; и конфигурирование для блока определения режима заданного значения зарядного тока, значения ограничения общего выходного тока, значения ограничения зарядного тока и эталонного значения общего выходного напряжения; определение рабочего состояния зарядного устройства посредством принятых ранее значений и заданных значений; и отправка команды для рабочего состояния зарядного устройства в обратном направлении на блок управления при плавном переключении;

при этом в рабочем состоянии с неизменным постоянным напряжением применяют алгоритм управления при неизменном постоянном напряжении, однако,

когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением общего тока, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении общего тока; в ином случае, когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением зарядного тока, блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении зарядного тока; в ином случае, зарядное устройство продолжает находиться в рабочем состоянии с неизменным постоянным напряжением;

при этом в рабочем состоянии с ограничением зарядного тока, применяют алгоритм управления при ограничении зарядного тока, однако,

когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при неизменном постоянном напряжении; в ином случае, когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением общего тока, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении общего тока; в ином случае, зарядное устройство продолжает работать в рабочем состоянии с ограничением зарядного тока;

при этом в рабочем состоянии с ограничением общего тока, применяют алгоритм управления при ограничении общего тока, однако,

когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при неизменном постоянном напряжении; в ином случае, когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением зарядного тока, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении зарядного тока; в ином случае, зарядное устройство продолжает работать в рабочем состоянии с ограничением общего тока;

при этом в вышеприведенных формулах, V_out обозначает значение общего выходного напряжения, V_out-ref обозначает значение ограничения общего выходного напряжения, I_out обозначает значение общего тока, I_out-ref обозначает значение ограничения общего выходного тока, I_bat обозначает значение зарядного тока. I_bat-ref обозначает значение ограничения зарядного тока, и V_ref обозначает эталонное значение общего выходного напряжения.

Предпочтительно, опорный конденсатор предусмотрен на входном разъеме PSFB-схемы, и при этом он определяет, закончена ли предварительная зарядка, посредством определения соотношения между напряжением на опорном конденсаторе в PSFB-схеме зарядного устройства и входным напряжением зарядного устройства.

Предпочтительно, способ определения, закончен ли плавный запуск зарядного устройства, является следующим: когда условие 1 или условие 2, или условие 3, или условие 4 удовлетворено, определяют, что плавный запуск зарядного устройства закончен, при этом:

условие 1, когда суммарный коэффициент заполнения больше, чем заданное значение коэффициента заполнения; , где duty обозначает заданное значение коэффициента заполнения, V₁ обозначает считываемое значение для входного напряжения, и N обозначает коэффициент преобразования трансформатора зарядного устройства;

условие 2: общее выходное напряжение V_out больше, чем заданное значение общего выходного напряжения V_os;

условие 3: общий выходной ток I_out больше, чем заданное значение общего выходного тока I_os; и

условие 4: зарядный ток I_bat больше, чем заданное значение зарядного тока I_bs.

Предпочтительно, , , .

Предпочтительно, алгоритм управления при неизменном постоянном напряжении, алгоритм управления при ограничении общего тока и алгоритм управления при ограничении зарядного тока являются алгоритмом пропорционально-интегрального управления с применением трех различных групп пропорционально-интегральных параметров:

, где T обозначает частоту считывания;

в случае алгоритма управления при неизменном постоянном напряжении: ;

в случае алгоритма управления при ограничении общего тока: ; и

в случае алгоритма управления при ограничении зарядного тока: ;

когда плавный запуск заканчивается, значение текущего суммарного коэффициента заполнения DUTY используют в качестве входного для блока управления при неизменном постоянном напряжении, блока управления при ограничении общего тока и блока управления при ограничении зарядного тока; при этом .

Настоящая заявка имеет следующие преимущественные эффекты.

(1) В настоящем изобретении предложены система управления и способ управления зарядным устройством с несколькими блоками управления, включая блок управления при плавном запуске, блок управления при ограничении зарядного тока, блок управления при ограничении общего тока и блок управления при неизменном постоянном напряжении. Различные параметры управления применяются в трех блоках управления с достижением оптимального устойчивого эффекта в каждом рабочем состоянии или режиме работы.

(2) Устройство управления согласно настоящему изобретению дополнительно содержит блок управления при плавном переключении. Когда зарядное устройство переключается между различными режимами работы или рабочими состояниями, может быть достигнуто плавное переключение параметров управления (т. е. способов управления) между блоками управления с малым количеством перегрузок и быстрым временем ответа. Таким образом, получены хорошие плавные характеристики и динамические характеристики.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На фиг. 1 изображена структурная принципиальная схема системы;

на фиг. 2 изображена блок-схема запуска и управления зарядным устройством;

на фиг. 3 изображена блок-схема управления посредством устройства управления;

на фиг. 4 изображена временная диаграмма сигналов общего выходного напряжения и общего выходного тока зарядного устройства, когда зарядное устройство переключается между рабочим состоянием с неизменным постоянным напряжением и рабочим состоянием ограничения общего тока;

на фиг. 5 изображена временная диаграмма сигналов общего выходного напряжения и общего выходного тока зарядного устройства, когда зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением зарядного тока после окончания плавного запуска; и

на фиг. 6 изображена временная диаграмма сигналов общего выходного напряжения и общего выходного тока зарядного устройства, когда зарядное устройство входит в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением из рабочего состояния с ограничением зарядного тока.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Особые варианты осуществления настоящего изобретения будут дополнительно подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы.

Как показано на фиг. 1, конструкция зарядного устройства на основе PSFB содержит PSFB-схему, высокочастотный трансформатор и схему выпрямления, которые подключены последовательно, при этом выходной разъем схемы выпрямления подключен к аккумуляторной батарее и потребителям соответственно для зарядки аккумуляторной батареи и приведения потребителей в действие.

Следует учитывать, что все зарядные устройства, описанные в данном варианте осуществления, являются зарядными устройствами на основе PSFB.

Принцип работы зарядного устройства на основе PSFB является следующим:

1. В PSFB-схеме для зарядного устройства преобразование напряжения осуществляется посредством PSFB-преобразователя с ШИМ (широко-импульсной модуляцией) с переключением при нулевом напряжении, и высокое напряжение постоянного тока вводится PSFB-схемой с выведением низкого напряжения постоянного тока, которое является устойчивым и регулируемым.

2. Нормальный процесс работы зарядного устройства является следующим: сначала определяется входное напряжение постоянного тока, и, когда условие запуска удовлетворено, опорный конденсатор на входной стороне предварительно заряжается посредством резистора предварительной зарядки. Резистор удаляется, когда предварительная зарядка опорного конденсатора заканчивается, и начинается плавный запуск. Во время плавного запуска, угол фазового сдвига увеличивается на фиксированный коэффициент заполнения с увеличением выходного напряжения и тока зарядного устройства. Когда условия удовлетворены, зарядное устройство входит в рабочую фазу. Кроме того, в соответствии с разницей в условиях работы зарядного устройства, переключение между режимами и работа режима реализуется посредством использования различных алгоритмов управления.

На фиг. 2 изображена блок-схема запуска зарядного устройства на основе PSFB при нормальной работе.

1. Ожидание: определяется входное напряжение постоянного тока, и зарядное устройство входит в следующую стадию, когда минимально ограничивающее значение для запуска достигнуто.

2. Предварительная зарядка: замыкатель предварительной зарядки замыкается на некоторый период времени (период предварительной зарядки), затем замыкается замыкатель плавного запуска; и зарядное устройство входит с стадию плавного запуска.

3. Плавный запуск: накопление выполняется посредством постоянного коэффициента заполнения, таким образом, волна ШИМ, имеющая некоторый угол фазового сдвига, выводится устройством управления для управления блоком питания; выходное напряжение и ток постепенно увеличиваются; и, когда условия работы удовлетворены, зарядное устройство входит в следующую стадию.

4. Рабочее состояние: включает рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, рабочее состояние с ограничением зарядного тока и рабочее состояние с ограничением общего тока; определяется режим работы зарядного устройства и затем выбирается соответствующее пропорционально-интегральное устройство управления для управления с обратной связью.

В соответствии с принципом работы и процессом запуска зарядного устройства на основе PSFB, была разработана следующая система управления для зарядного устройства на основе PSFB.

По-прежнему ссылаясь на фиг. 1, система управления для зарядного устройства на основе PSFB, содержит считывающую систему и устройство управления зарядного устройства; при этом считывающая система содержит устройство считывания входного напряжения, установленное на входном разъеме зарядного устройства для считывания входного напряжения, устройство считывания общего выходного напряжения и устройство считывания общего выходного тока, оба из которых установлены на выходном разъеме зарядного устройства для считывания общего выходного напряжения и общего выходного тока соответственно, и устройство считывания зарядного тока, установленное на входном разъеме аккумуляторной батареи для считывания зарядного тока. Что касается считывающей системы, ток и напряжение могут быть считаны соответствующими датчиками тока и датчиками напряжения, и также могут быть разработаны соответствующие схемы считывания тока и схемы считывания напряжения, и т. д.

При этом входное напряжение является входным напряжением PSFB-схемы, и общее выходное напряжение является выходным напряжением двухполупериодной схемы выпрямления. Общее выходного напряжения разделено на две ветви, при этом одна ветвь используется для приведения в действие потребителей, а другая ветвь используется для зарядки аккумуляторной батареи. Зарядный ток является током, заряжающим аккумуляторную батарею.

В частности, устройство считывания входного напряжения установлено на переднем разъеме PSFB-схемы, т. е. входном разъеме PSFB-схемы, для считывания входного напряжения; устройство считывания общего выходного напряжения установлено на выходном разъем двухполупериодной схемы выпрямления для считывания общего выходного напряжения; устройство считывания общего тока также установлено на выходном разъеме двухполупериодной схемы выпрямления для считывания общего выходного тока; устройство считывания зарядного тока установлено на входном разъеме аккумуляторной батареи для считывания зарядного тока аккумуляторной батареи.

Устройство управления зарядного устройства является устройством полностью управляющим запуском и работой зарядного устройства, содержащим следующие блоки:

блок определения запуска и работы, выполненный с возможностью считывания сигнала общего выходного напряжения, сигнала общего выходного тока, сигнала зарядного тока и коэффициента заполнения, и определения работает ли зарядное устройство в состоянии ожидания, состоянии предварительной зарядки, состоянии плавного запуска или рабочем состоянии, и генерирования соответствующего сигнала состояния, при этом рабочее состояние включает рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, рабочее состояние ограничения общего тока и рабочее состояние с ограничением зарядного тока; в начале подачи питания на зарядное устройство, зарядное устройство работает в состоянии ожидания, и блок определения запуска и работы отправляет в обратном направлении сигнал состояния ожидания; затем зарядное устройство входит в состояние предварительной зарядки, и блок определения запуска и работы отправляет в обратном направлении сигнал состояния предварительной зарядки; в конце предварительной зарядки, зарядное устройство входит в состояние плавного запуска, блок определения запуска и работы отправляет в обратном направлении сигнал состояния плавного запуска; затем зарядное устройство входит в рабочее состояние; сигнал состояния плавного запуска отображает, продолжает ли зарядное устройство работать в режиме плавного запуска или, что плавный запуск завершен; независимо от состояния работы зарядного устройства, если сигнал, полученный блоком определения запуска и работы отображает отказ зарядного устройства или отображает, что условия работы не удовлетворяют требованиям работы, например, перегрузка по току, перегрузка по напряжению или подобное, зарядное устройство возвращается в состояние ожидания;

блок управления при плавном запуске, выполненный с возможностью управления зарядным устройством во время плавного запуска зарядного устройства. в частности, блок управления при плавном запуске будет принимать сигнал от блока определения запуска и работы для определения работает ли зарядное устройство в состоянии плавного запуска; и при окончании плавного запуска зарядное устройство будет входить в рабочее состояние;

блок управления при работе, выполненный с возможностью управления зарядным устройством в рабочем состоянии зарядного устройства и определения различных режимов работы зарядного устройства;

при этом, в частности, блок управления при работе содержит:

блок определения режима, выполненный с возможностью считывания значения общего выходного напряжения (сигнала общего выходного напряжения), значения общего тока (сигнала общего выходного тока), и значения зарядного тока (сигнала зарядного тока) для определения, в каком рабочем состоянии работает зарядное устройство на основе PSFB, и генерирования сигнала рабочего состояния зарядного устройства;

блок управления при неизменном постоянном напряжении, выполненный с возможностью управления зарядным устройством, когда зарядное устройство работает в рабочем состоянии с неизменным постоянным напряжением;

блок управления при ограничении общего тока, выполненный с возможностью управления зарядным устройством, когда зарядное устройство работает в рабочем состоянии с ограничением общего тока;

блок управления при ограничении зарядного тока, выполненный с возможностью управления зарядным устройством, когда зарядное устройство работает в рабочем состоянии с ограничением зарядного тока.

Кроме блока определения запуска и работы, блока управления при плавном запуске и блока управления при работе, устройство управления зарядного устройства дополнительно содержит блок управления при плавном переключении, выполненный с возможностью считывания сигнала рабочего состояния зарядного устройства, переданного в обратном направлении блоком определения режима, и сигнала состояния плавного запуска, переданного в обратном направлении блоком определения запуска и работы. Когда зарядное устройство переключается между состоянием плавного запуска и рабочим состоянием и между различными рабочими состояниями, устройство управления переключается на блок управления, соответствующий рабочему состоянию для включения подключения между соответствующим блоком управления и PSFB-схемой зарядного устройства.

Следует учитывать, что переданное в обратном направлении блоком определения запуска и работы может быть сигналом состояния ожидания, сигналом состояния предварительной зарядки, сигналом состояния плавного запуска или сигналом рабочего состояния зарядного устройства. Только когда сигнал, переданный в обратном направлении блоком определения запуска и работы к блоку управления при плавном переключении, является сигналом состояния плавного запуска и сигналом рабочего состояния, блок управления при плавном переключении может работать. Однако, когда зарядное устройство на основе PSFB работает в состоянии ожидания или в состоянии предварительной зарядки, блок управления при плавном переключении не будет работать.

В частности, когда зарядное устройство переключается из режима плавного запуска в режим работы с неизменным постоянным напряжением, устройство управления зарядного устройства плавно переключается на блок управления при неизменном постоянном напряжении; и когда зарядное устройство переключается из режима работы с неизменным постоянным напряжением в режим работы с ограничением общего тока, устройство управления зарядного устройства переключается с блока управления при неизменном постоянном напряжении на блок управления при ограничении общего тока. Подобным образом, когда зарядное устройство переключается между различными режимами работы, устройство управления зарядного устройства плавно переключается на блок управления, сопряженный с режимом работы.

Как показано на фиг. 3 способ управления зарядным устройством включает следующие этапы:

Опережающее плечо моста и запаздывающее плечо моста PSFB-схемы управляется волной ШИМ, имеющей коэффициент заполнения 50%. Во время плавного запуска, волна ШИМ запаздывающего плеча моста запаздывает относительно опережающего плеча моста на (1-DUTY) круг; и во время процесса работы, волна ШИМ запаздывающего плеча моста запаздывает относительно опережающего плеча моста на (1-DUTY) круг.

Как показано на фиг. 3, DUTY представляет собой Duty0 во время плавного запуска, и DUTY представляет собой Duty1 или Duty2, или Duty3 во время процесса работы. Duty0 является значением коэффициента заполнения, вычисленным посредством алгоритма управления при плавном запуске, Duty1 является значением коэффициента заполнения, вычисленным посредством алгоритма управления при неизменном постоянном напряжении, Duty2 является значением коэффициента заполнения, вычисленным посредством алгоритма управления при ограничении общего тока, и Duty3 является значением коэффициента заполнения, вычисленным посредством алгоритма управления при ограничении зарядного тока.

После запуска зарядного устройства зарядное устройство сначала будет предварительно заряжено. Определяют закончена ли предварительная зарядка зарядного устройства; если да, зарядное устройство входит в состояние плавного запуска, и работой зарядного устройства управляет блок управления при плавном запуске.

В частности, в соответствии с сигналом, переданным в обратном направлении блоком определения запуска и работы определяют закончена ли предварительная зарядка зарядного устройства и входит ли зарядное устройство в состояние плавного запуска. При это особый алгоритм, используемый блоком определения запуска и работы для определения закончена ли предварительная зарядка, является следующим.

Опорный конденсатор предусмотрен на входном разъеме PSFB-схемы, и при этом он определяет, закончена ли предварительная зарядка, посредством определения соотношения между напряжением на опорном конденсаторе на переднем разъеме PSFB-схемы для зарядного устройства и входным напряжением зарядного устройства.

Конкретнее, время предварительно зарядки вычисляют посредством:

,

где R обозначает резистор предварительной зарядки, C обозначает опорный конденсатор, V₁ обозначает входное напряжение постоянного тока, которое может быть получено посредством считывания, V₀ обозначает начальное напряжение (как правило, 0) на опорный конденсатор, V_t обозначает напряжение (как правило, 0,9* V₁) на опорном конденсаторе C, когда предварительная зарядка заканчивается.

Когда период предварительной зарядки закончен, зарядное устройство входит в процесс плавного запуска.

Определяют, закончен ли плавный запуск зарядного устройства; если да, зарядное устройство входит в режим работы, и блок управления при работе работает. В каждый момент времени, зарядное устройство может работать только в одном режиме работы.

В частности, определение, закончен ли плавный запуск зарядного устройства производят в соответствии с сигналом, переданным в обратном направлении блоком определения запуска и работы; и способ определения блоком определения запуска и работы, закончен ли плавный запуск зарядного устройства является следующим: когда условие 1 или условие 2, или условие 3, или условие 4 удовлетворено, он определяет, что плавный запуск зарядного устройства закончен, при этом:

условие 1: считываемый коэффициент заполнения накапливается блоком определения запуска и работы, и когда суммарный коэффициент заполнения DUTY больше, чем заданное значение коэффициента заполнения; при этом , где duty обозначает заданное значение коэффициента заполнения, V₁ обозначает считываемое значение входного напряжения, и N обозначает коэффициент преобразования трансформатора зарядного устройства; и V_ref является эталонным значением общего выходного напряжения; и ;

условие 2: общее выходное напряжение V_out больше, чем заданное значение V_os выходного напряжения, при этом заданное значение V_os общего выходного напряжения является значением, выбранным экспериментально;

условие 3: общий выходной ток I_out больше, чем заданное значение I_os общего выходного тока, при этом заданное значение I_os общего выходного тока является значением, выбранным экспериментально;

условие 4: зарядный ток I_bat больше, чем заданное значение I_os зарядного тока, при этом заданное значение I_bs зарядного тока является значением, выбранным экспериментально;

при этом V_os, I_os и I_bs могут иметь следующие значения: , , . Вышеуказанные значения являются эмпирическими значениями. Фактически, значения V_os, I_os и I_bs не ограничены вышеуказанными значениями.

Определяют, закончен ли плавный запуск зарядного устройства; если да, зарядное устройство входит в режим работы, блок управления при работе работает, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при неизменном постоянном напряжении по умолчанию.

То есть после окончания плавного запуска зарядного устройства, и при условии, что рабочее состояние зарядного устройства больше не определяется блоком определения режима, блок управления при работе управляет зарядным устройством посредством блока управления при неизменном постоянном напряжении по умолчанию. Однако, блок управления при неизменном постоянном напряжении может не сопрягаться с рабочим состоянием зарядного устройства, и рабочее состояние зарядного устройства является определяемым блоком определения режима на следующем этапе для быстрого осуществления регулирования блока управления.

Блок определения режима принимает значение общего выходного напряжения, значение общего тока и значение зарядного тока; значение ограничения общего выходного тока; заданное значение зарядного тока, значение ограничения общего выходного тока, значение ограничения зарядного тока, и при этом эталонное значение общего выходного напряжения сконфигурировано для блока определения режима. Рабочее состояние зарядного устройства определяют согласно принятым ранее значениям и заданным и эталонным значениям, и при этом команда для рабочего состояния зарядного устройства передается в обратном направлении на блок управления при плавном переключении.

После окончания плавного запуска блок управления при плавном переключении устанавливает по умолчанию, зарядное устройство входит в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, с активацией блока управления при неизменном постоянном напряжении. В рабочем состоянии с неизменным постоянным напряжением используется алгоритм управления при неизменном постоянном напряжении, и работает блок управления при неизменном постоянном напряжении, однако,

когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние при ограничении общего тока, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении общего тока, который работает с переключением на алгоритм управления при ограничении общего тока; или в ином случае, когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением зарядного тока, блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении зарядного тока, который работает с переключением на алгоритм управления при ограничении зарядного тока; или в ином случае, зарядное устройство остается в рабочем состоянии с неизменным постоянным напряжением.

В рабочем состоянии с ограничением зарядного тока используется алгоритм управления при ограничении зарядного тока, и работает блок управления при ограничении зарядного тока, однако,

когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при неизменном постоянном напряжении, который работает с переключением на алгоритм управления при неизменном постоянном напряжении; или в ином случае, когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние при ограничении общего тока, блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении общего тока, который работает с переключением на алгоритм управления при ограничении общего тока; или в ином случае, зарядное устройство продолжает работать в рабочем состоянии с ограничением зарядного тока.

В рабочем состоянии с ограничением общего тока используется алгоритм управления при ограничении общего тока, и работает блок управления при ограничении общего тока, однако,

когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при неизменном постоянном напряжении, который работает с переключением на алгоритм управления при неизменном постоянном напряжении; или в ином случае, когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением зарядного тока, блок управления при ограничении зарядного тока работает, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении зарядного тока с переключением на алгоритм управления при ограничении зарядного тока; или в ином случае, зарядное устройство продолжает работать в рабочем состоянии при ограничении общего тока.

В вышеприведенных формулах V_out обозначает значение общего выходного напряжения, I_out обозначает значение общего выходного тока, I_out-ref обозначает значение ограничения общего выходного тока, I_bat обозначает значение зарядного тока, I_bat-ref обозначает значение ограничения зарядного тока, и V_ref обозначает эталонное значение общего выходного напряжения.

Алгоритм управления при неизменном постоянном напряжении, алгоритм управления при ограничении общего тока и алгоритм управления при ограничении зарядного тока – все приспособлены для PI устройства управления, в котором используются три группы PI параметров, и параметры K_p и K_I, отвечающие требованиям при стабильных состояниях управления, выбирают соответственно. Однако выбор PI параметров известен в уровне техники и не будет повторяться здесь.

Способ создания PI устройства управления является следующим.

Передаточная функция в интервале s в PI устройстве управления:

, где K_P обозначает пропорциональный коэффициент, и K_I обозначает интегральный коэффициент.

Передаточная функция в интервале z в PI устройстве управления:

.

Следовательно, допустимое дифференциальное уравнение PI устройства управления получают дополнительно:

;

при этом T в двух вышеуказанных формулах обозначает частоту выходного считывания.

В отношении алгоритма управления при неизменном постоянном напряжении , где V_out(k) обозначает считываемое значение тока общего выходного напряжения зарядного устройства.

В отношении алгоритма управления при ограничении общего тока , где I_out(k) обозначает считываемое значение тока общего выходного тока зарядного устройства.

В отношении алгоритма управления при ограничении зарядного тока , где I_bat(k) обозначает считываемое значение тока зарядного тока.

когда плавный запуск заканчивается, значение текущего суммарного коэффициента заполнения DUTY используют в качестве входного для блока управления при неизменном постоянном напряжении, блока управления при ограничении общего тока и блока управления при ограничении зарядного тока, как u(k-1) в трех алгоритмах управления, и . Управление для плавного запуска зарядного устройства является управлением без обратной связи.

При этом duty(t) обозначает значение в реальном времени коэффициента заполнения в момент, ∆duty обозначает отклонение значения коэффициента заполнения.

Когда зарядное устройство входит в режим неизменного постоянного напряжения, сначала определяют, составляет ли V_ref меньше заданного значения общего выходного напряжения, которое является целевым значением общего выходного напряжения (то есть V_out) зарядного устройства, при этом эталонное значение V_ref напряжения изменяется по времени; если V_ref меньше, чем заданное значение, V_ref накапливается с фиксированным размером шага с постепенным приближением к заданному значению V_out, таким образом, общее выходное напряжение постепенно приближается к заданному значению; если нет, V_ref равно заданному значению, и затем выполняют управление при неизменном постоянном напряжении. Когда рабочее состояние зарядного устройства переключается из режима работы с неизменным постоянным напряжением в режим работы с ограничением зарядного тока, выходное u(k) блока управления при неизменном постоянном напряжении в момент переключения используется как u(k-1) блока управления при ограничении зарядного тока, и сначала вычисляется e(k) блока управления при ограничении зарядного тока; подобным образом, когда зарядное устройство переключается из режима работы с неизменным постоянным напряжением в режим работы с ограничением общего тока, выходное u(k) блока управления при неизменном постоянном напряжении в момент переключение используется как u(k-1) блока управления при ограничении общего тока, и сначала вычисляется e(k) блока управления при ограничении общего тока.

Зарядное устройство входит в режим работы с ограничением общего тока, и непосредственно выполняется управление ограничением общего тока. Когда зарядное устройство переключается из режима работы с ограничением общего тока в режим работы с ограничением зарядного тока или режим работы с неизменным постоянным напряжением, выходное u(k) блока управления при ограничении общего тока подается на блок управления при ограничении зарядного тока или блок управления при неизменном постоянном напряжении как u(k-1) соответственно, и в первый раз вычисляется e(k) блока управления при ограничении зарядного тока или e(k) блока управления при неизменном постоянном напряжении.

Зарядное устройство входит в режим с ограничением зарядного тока, и непосредственно выполняется управление ограничением зарядного тока. Когда зарядное устройство переключается из режима работы с ограничением зарядного тока в режим работы с ограничением общего тока или режим работы с неизменным постоянным напряжением, выходное u(k) блока управления при ограничении зарядного тока подается на блок управления при ограничении общего тока или блок управления при неизменном постоянном напряжении как u(k-1) соответственно, и в первый раз вычисляется e(k) блока управления при ограничении общего тока или e(k) блока управления при неизменном постоянном напряжении.

Имитированные контрольные эксперименты выполняются на зарядном устройстве с помощью системы управления и способа управления согласно настоящему изобретению, при этом выходные сигналы регистрируются осциллографом для получения фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6.

На фиг. 4 показана временная диаграмма выходных сигналов зарядного устройства, когда зарядное устройство переключается между рабочим состоянием с неизменным постоянным напряжением и рабочим состоянием с ограничением общего тока. Как показано на фиг. 4, когда зарядное устройство работает в режиме с постоянным неизменным напряжением, заданное эталонное значение V_ref напряжения составляет 120 В, общее выходное напряжение V_out зарядного устройства составляет 120 В, и общий выходной ток I_out составляет 30 A. В момент T1, когда зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением общего тока из рабочего состояния с неизменным постоянным напряжением, при этом общее выходное напряжение V_out зарядного устройства составляет 114 В, таким образом, достигается плавное переключение между выходными напряжениями. Подобным образом, в момент T2, когда зарядное устройство переключается из рабочего состояния с ограничением общего тока в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, наблюдается быстрый и плавный ответ от общего выходного напряжения без большого отклонения. Это показывает, что может быть реализовано устойчивое переключение между алгоритмами управления.

На фиг. 5 показана временная диаграмма выходных сигналов зарядного устройства, когда зарядное устройство работает после окончания плавного запуска и входит в рабочее состояние с ограничением зарядного тока. Как показано на фиг. 5, когда зарядное устройство работает в режиме плавного запуска, установленное эталонное значение V_ref выходного напряжения составляет 120 В, значение ограничения зарядного тока I_bat-ref составляет 54 A, общее выходное напряжение V_out зарядного устройства составляет 120 В, и зарядный ток I_bat составляет 30 A. В момент T3, плавный запуск зарядного устройства заканчивается, и зарядное устройство переключается из режима плавного запуска в рабочее состояние с ограничением зарядного тока, при этом общее выходное напряжение V_out зарядного устройства составляет 116 В, I_bat составляет 54 A, и плавное переключение между выходными напряжениями может быть достигнуто. Это показывает, что посредством системы управления для зарядного устройства, реализуется устойчивое переключение между рабочими состояниями и количество перегрузок является контролируемым.

На фиг. 6 показана временная диаграмма выходных сигналов зарядного устройства, когда зарядное устройство переключается из рабочего состояния с ограничением зарядного тока в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением. Как показано на фиг. 6, установленное эталонное значение V_ref выходного напряжения составляет 120 В, общее выходное напряжение V_out зарядного устройства составляет 119 В, значение ограничения зарядного тока I_bat-ref составляет 54 A, и зарядный ток I_bat составляет 54 A. В момент T4 зарядное устройство переключается с рабочего состояния с ограничением зарядного тока в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, при этом общее выходное напряжение V_out зарядного устройства составляет 120 В, таким образом, достигается плавное переключение между выходными напряжениями. После зарядное устройство переключается в режим неизменного постоянного напряжения, при этом поскольку нагрузки аккумуляторной батареи увеличиваются постепенно, значение I_bat постепенно уменьшается.

Как показано на фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6, в соответствии с техническим решением согласно настоящему изобретению, предусмотрено быстрое переключение (в пределах 0,2 с) между режимами с малым количеством перегрузок (приблизительно 5%). На каждом режиме, выходное напряжение и ток зарядного устройства являются устойчивыми и точными (с отклонением до 1% и точностью до 1%), с малым отклонением, таким образом, достигается плавное переключение между режимами работы зарядного устройства.

Во время работы системы считываемые данные выбираются следующими способами:

1) входное напряжение зарядного устройства: используется значение, считываемое в реальном времени, от устройства считывания входного напряжения зарядного устройства;

2) общее выходное напряжение зарядного устройства: используется значение, считываемое в реальном времени, от устройства считывания общего выходного напряжения;

3) общий выходной ток зарядного устройства: используется значение, считываемое в реальном времени, от устройства считывания общего выходного тока; и

4) зарядный ток аккумуляторной батареи, когда считываемое значение I_bat(k) больше, чем I_bat-ref, используется значение, считываемое в реальном времени; или в ином случае на считываемом зарядном токе выполняется низкочастотная фильтрация первого порядка:

,

где x(k) обозначает считываемое значение тока зарядного тока, и y(k) обозначает фильтрованный зарядный ток.

1. Способ управления для зарядного устройства на основе мостового преобразователя с фазовым сдвигом с применением системы управления:

при этом система управления содержит считывающую систему и устройство управления зарядного устройства; при этом считывающая система содержит устройство считывания входного напряжения, установленное на входном разъеме зарядного устройства для считывания входного напряжения, устройство считывания общего выходного напряжения и устройство считывания общего выходного тока, оба из которых установлены на выходном разъеме зарядного устройства для считывания общего выходного напряжения и общего выходного тока соответственно, и устройство считывания зарядного тока, установленное на входном разъеме аккумуляторной батареи для считывания зарядного тока;

при этом устройство управления зарядного устройства содержит:

блок определения запуска и работы, выполненный с возможностью считывания сигнала общего выходного напряжения, сигнала общего выходного тока, сигнала зарядного тока и коэффициента заполнения, а также определения, работает ли зарядное устройство в состоянии ожидания, состоянии предварительной зарядки, состоянии плавного запуска или в рабочем состоянии, и генерирования соответствующего сигнала состояния; и при этом рабочее состояние включает рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, рабочее состояние с ограничением общего тока и рабочее состояние с ограничением зарядного тока;

блок управления при плавном запуске, выполненный с возможностью управления зарядным устройством во время состояния плавного запуска зарядного устройства;

блок управления при работе, выполненный с возможностью управления зарядным устройством в рабочем состоянии зарядного устройства и определения рабочего состояния зарядного устройства;

при этом блок управления при работе содержит:

блок определения режима, выполненный с возможностью считывания значения общего выходного напряжения, значения общего выходного тока и значения зарядного тока для определения, в каком рабочем состоянии работает зарядное устройство, и генерирования сигнала рабочего состояния зарядного устройства;

блок управления при неизменном постоянном напряжении, выполненный с возможностью управления зарядным устройством, когда зарядное устройство работает в рабочем состоянии с неизменным постоянным напряжением;

блок управления при ограничении общего тока, выполненный с возможностью управления зарядным устройством, когда зарядное устройство работает в рабочем состоянии с ограничением общего тока;

блок управления при ограничении зарядного тока, выполненный с возможностью управления зарядным устройством, когда зарядное устройство работает в рабочем состоянии с ограничением зарядного тока;

при этом устройство управления зарядного устройства дополнительно содержит блок управления при плавном переключении, выполненный с возможностью считывания сигнала рабочего состояния зарядного устройства, переданного в обратном направлении блоком определения режима, и сигнала состояния плавного запуска, переданного в обратном направлении блоком определения запуска и работы; при этом, когда зарядное устройство переключается между состоянием плавного запуска и рабочим состоянием и между различными рабочими состояниями, система управления плавно переключается на блок управления, соответствующий рабочему состоянию, и включает соответствующий блок управления для управления подключением PSFB-схемы зарядного устройства;

при этом способ управления включает следующие этапы:

определение, закончена ли предварительная зарядка зарядного устройства; если да, зарядное устройство входит в состояние плавного запуска, и работой зарядного устройства управляет блок управления при плавном запуске;

определение, закончен ли плавный запуск зарядного устройства; если да, зарядное устройство входит в рабочее состояние, блок управления при работе работает, и блок управления при плавном переключении позволяет переключение управления на блок управления при неизменном постоянном напряжении;

прием блоком определения режима значения общего выходного напряжения, значения общего выходного тока и значения зарядного тока, значения ограничения общего выходного тока; и конфигурирование для блока определения режима заданного значения зарядного тока, значения ограничения общего выходного тока, значения ограничения зарядного тока и эталонного значения общего выходного напряжения; определение рабочего состояния зарядного устройства посредством принятых ранее значений и заданных значений; и отправка команды для рабочего состояния зарядного устройства в обратном направлении на блок управления при плавном переключении;

при этом в рабочем состоянии с неизменным постоянным напряжением применяют алгоритм управления при неизменном постоянном напряжении, однако,

когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением общего тока, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении общего тока; в ином случае, когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением зарядного тока, блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении зарядного тока; в ином случае зарядное устройство продолжает находиться в рабочем состоянии с неизменным постоянным напряжением;

при этом в рабочем состоянии с ограничением зарядного тока применяют алгоритм управления при ограничении зарядного тока, однако,

когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при неизменном постоянном напряжении; в ином случае, когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением общего тока, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении общего тока; в ином случае зарядное устройство продолжает работать в рабочем состоянии с ограничением зарядного тока;

при этом в рабочем состоянии с ограничением общего тока применяют алгоритм управления при ограничении общего тока, однако,

когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с неизменным постоянным напряжением, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при неизменном постоянном напряжении; в ином случае, когда и , зарядное устройство входит в рабочее состояние с ограничением зарядного тока, и блок управления при плавном переключении управляет переключением на блок управления при ограничении зарядного тока; в ином случае зарядное устройство продолжает работать в рабочем состоянии с ограничением общего тока;

при этом в вышеприведенных формулах V_out обозначает значение общего выходного напряжения, I_out обозначает значение общего выходного тока, I_out-ref обозначает значение ограничения общего выходного тока, I_bat обозначает значение зарядного тока, I_bat-ref обозначает значение ограничения зарядного тока и V_ref обозначает эталонное значение общего выходного напряжения.

2. Способ управления зарядным устройством по п. 1, отличающийся тем, что опорный конденсатор предусмотрен на входном разъеме PSFB-схемы, и при этом он определяет, закончена ли предварительная зарядка, посредством определения соотношения между напряжением на опорном конденсаторе в PSFB-схеме зарядного устройства и входным напряжением зарядного устройства.

3. Способ управления зарядным устройством по п. 1 или п. 2, отличающийся тем, что способ определения, закончен ли плавный запуск зарядного устройства, является следующим: когда условие 1, или условие 2, или условие 3, или условие 4 удовлетворено, определяют, что плавный запуск зарядного устройства закончен, при этом

условие 1: когда суммарный коэффициент заполнения больше, чем заданное значение коэффициента заполнения; , где duty обозначает заданное значение коэффициента заполнения, V₁ обозначает считываемое значение для входного напряжения и N обозначает коэффициент преобразования трансформатора зарядного устройства;

условие 2: общее выходное напряжение V_out больше, чем заданное значение общего выходного напряжения V_os;

условие 3: общий выходной ток I_out больше, чем заданное значение общего выходного тока I_os; и

условие 4: зарядный ток I_bat больше, чем заданное значение зарядного тока I_bs.

4. Способ управления зарядным устройством по п. 3, отличающийся тем, что , , .

5. Способ управления зарядным устройством по п. 1, отличающийся тем, что алгоритм управления при неизменном постоянном напряжении, алгоритм управления при ограничении общего тока и алгоритм управления при ограничении зарядного тока являются алгоритмом пропорционально-интегрального управления с применением трех различных групп пропорционально-интегральных параметров:

, где T обозначает частоту считывания;

в случае алгоритма управления при неизменном постоянном напряжении: , где V_out(k) обозначает считываемое значение тока общего выходного напряжения зарядного устройства;

в случае алгоритма управления при ограничении общего тока: , где I_out(k) обозначает считываемое значение тока общего выходного тока зарядного устройства; и

в случае алгоритма управления при ограничении зарядного тока: , где I_bat(k) обозначает считываемое значение тока зарядного тока;

когда плавный запуск заканчивается, значение текущего суммарного коэффициента заполнения DUTY используют в качестве входного для блока управления при неизменном постоянном напряжении, блока управления при ограничении общего тока и блока управления при ограничении зарядного тока; при этом .