一種家庭電動汽車用大功率快速充電變流器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種家庭電動汽車用大功率快速充電變流器，其包括雙向變流模塊、單相交流電網(wǎng)接口、儲能電池接口、電動汽車充電接口和變流器控制器；所述雙向變流模塊包括其間設(shè)置有所述儲能電池接口的AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊；所述單相交流電網(wǎng)接口設(shè)置于AC/DC變流模塊輸入端；所述電動汽車接口設(shè)置于DC/DC變流模塊輸出端；所述變流器控制器通過采樣線和控制線分別與所述AC/DC變流模塊和所述DC/DC變流模塊連接。本發(fā)明提供的技術(shù)方案通過在充電變流器中配置儲能電池接口和梯次電池組，利用儲能電池的快速放電功能滿足電動汽車的大功率充電需求，大大縮短電動汽車的充電時(shí)間，且儲能電池組還可以作為家庭用戶的緊急備用電源。
【專利說明】
一種家庭電動汽車用大功率快速充電變流器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電動汽車儲能與快速充電領(lǐng)域，具體講涉及一種家庭電動汽車用大功率快速充電變流器。
【背景技術(shù)】
[0002]電動汽車快速充電是電動汽車規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵，截至目前，我國電動汽車充電站大多局限于電動公交汽車或內(nèi)部集團(tuán)用車，還沒有建成真正面向不同用戶的充電站服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。居民小區(qū)電動汽車的充電受到電網(wǎng)容量的限制，用戶僅允許安裝交流慢速充電粧，不滿足安裝充電粧的大多數(shù)老舊小區(qū)只能采用家用空調(diào)插座進(jìn)行充電，充電難、充電慢成為制約電動汽車快速發(fā)展及高效使用的關(guān)鍵問題。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，電動汽車交流慢速充電粧采用AC/DC單級變換結(jié)構(gòu)，充電功率一般為
6.6kW，采用空調(diào)插座充電功率最高僅為3.3kW，對于容量在60kWh至80kWh的電動汽車，充電時(shí)間長達(dá)10至20多個(gè)小時(shí)，嚴(yán)重制約了電動汽車的的推廣和使用效率。
[0004]為了解決電動汽車快速充電問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種適用于家庭電動汽車使用的大功率快速充電變流器系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置與電動汽車電池容量一致的梯次儲能電池系統(tǒng)，通過儲能電池快速放電功能，滿足電動汽車大功率快速充電需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要，本發(fā)明提供一種家庭電動汽車用大功率快速充電變流器。
[0006]本發(fā)明提供的家庭電動汽車用大功率快速充電變流器，其改進(jìn)之處在于，所述充電變流器包括雙向變流模塊、單相交流電網(wǎng)接口、儲能電池接口、電動汽車充電接口和變流器控制器；
[0007]所述雙向變流模塊包括其間設(shè)置有所述儲能電池接口的AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊；
[0008]所述單相交流電網(wǎng)接口設(shè)置于AC/DC變流模塊輸入端；
[0009]所述電動汽車接口設(shè)置于DC/DC變流模塊輸出端；
[0010]所述變流器控制器通過采樣線和控制線分別與所述AC/DC變流模塊和所述DC/DC變流模塊連接。
[0011 ]進(jìn)一步的，所述AC/DC變流模塊為采用PEBB結(jié)構(gòu)的單相橋式IGBT;
[0012]所述AC/DC變流模塊外圍電路包括交流LC濾波器和直流穩(wěn)壓電容；
[0013]所述DC/DC變流模塊為采用PEBB結(jié)構(gòu)的三相橋式IGBT;
[0014]所述DC/DC變流模塊外圍電路包括LC濾波器。
[0015]進(jìn)一步的，所述IGBT模塊包括IGBT主電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、傳感器、緩沖電路和電容吸收電路。
[0016]進(jìn)一步的，所述變流器控制器由DSP主控制器、FPGA輔助控制器、連接DSP和FPGA的外圍電路和上位機(jī)控制模塊組成。
[0017]所述DSP主控制器和FPGA輔助控制器通過地址總線和數(shù)據(jù)總線相連；
[0018]所述外圍電路包括電壓電流采樣電路、光纖轉(zhuǎn)換電路、功率管驅(qū)動電路、功率管保護(hù)電路、通?目電路；
[0019]所述上位機(jī)控制模塊通過通信電路連接DSP主控制器。
[0020]進(jìn)一步的，所述變流器控制器的控制流程為:
[0021](I)電壓電流采樣電路測量所述變流模塊的電壓電流信號并將其發(fā)送至DSP;
[0022](2)功率管保護(hù)電路采集變流模塊輸出的過流保護(hù)和過溫保護(hù)信號并將其發(fā)送至FPGA ；
[0023](3)光纖轉(zhuǎn)換電路將FPGA輸出的PffM驅(qū)動電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并傳送至功率管驅(qū)動電路；
[0024](4)功率管驅(qū)動電路將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并放大功率；
[0025](5)通信電路實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)控制模塊的雙向通信。
[0026]進(jìn)一步的，所述變流器控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測并接收上位機(jī)下發(fā)的包括慢速充電、快速充電和不充電的控制命令和控制參數(shù)。
[0027]進(jìn)一步的，所述變流器的充電情況包括:
[0028](I)接收慢速充電命令，電動汽車從家庭電網(wǎng)獲取電能:所述AC/DC變流模塊以整流模式運(yùn)行，將電網(wǎng)交流電變?yōu)橹绷麟?；所述DC/DC模塊以降壓模式運(yùn)行，將電網(wǎng)直流母線電壓降至電動汽車充電電壓。
[0029 ] (2)接收快速充電命令，且電池電量大于20%時(shí)，則DC/DC變流模塊以降壓模式運(yùn)行，由儲能電池對電動汽車提供快速充電。
[0030](3)無充電命令，且電池電量小于80 %時(shí)，則AC/DC變流模塊按整流模式工作，由電網(wǎng)為儲能電池補(bǔ)充能量。與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果:
[0031]1、本發(fā)明提供的技術(shù)方案針對家用供電網(wǎng)絡(luò)容量小、功率超過一定的閾值會引起跳閘的情況，提供電動汽車快速充電變流器滿足電動汽車的大功率快速充電需求，不僅解決了電動汽車快速充電難的問題，而在電網(wǎng)停電或供電緊張時(shí)，作為能量存儲單元的儲能電池可以提供家庭緊急用電；
[0032]2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案在快速充電變流器直流母線側(cè)擴(kuò)展了儲能電池接口，并配置梯次電池組，節(jié)約成本，同時(shí)，使得大量退役電池殘余壽命得到合理延伸，緩解了退役電池的拆解對環(huán)境造成的巨大壓力，環(huán)保效益顯著；
[0033]3、本發(fā)明的技術(shù)方案中AC/DC變流模塊及DC/DC變流模塊均采用PEBB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面便于系統(tǒng)維護(hù)與升級，另一方面提高了充電系統(tǒng)工作可靠性；
[0034]4、本發(fā)明的技術(shù)方案根據(jù)電動汽車用充電粧的電路模型參數(shù)和電動汽車用動力電池的負(fù)載特性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)字采樣、濾波算法和數(shù)字PID控制器，系統(tǒng)具有較高的調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)速度，可以滿足不同動力電池的復(fù)雜充電要求。
[0035]5、本發(fā)明的技術(shù)方案將電動汽車交流慢速充電粧的10至20多個(gè)小時(shí)充電時(shí)間縮短到5個(gè)多小時(shí)范圍內(nèi)，大大縮短了電動汽車的充電時(shí)間，促進(jìn)了家庭電動汽車的推廣，提高了電動汽車的使用效率。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明提供的快速充電變流器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0037]圖2為本發(fā)明提供的快速充電變流器的主拓?fù)鋱D；
[0038]圖3為本發(fā)明提供的快速充電變流器的控制系統(tǒng)的控制過程示意圖；
[0039]圖4為本發(fā)明提供的快速充電變流器的控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]為清楚的介紹本發(fā)明提供的大功率快速充電變流器，以下將結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行描述。
[0041 ]家用供電網(wǎng)絡(luò)容量小，功率超過一定的閾值會引起跳閘，本發(fā)明在充電變流器拓?fù)渲信渲脙δ茈姵亟涌诓⑴鋫涮荽坞姵亟M，利用儲能電池的快速放電功能滿足電動汽車的大功率充電需求，另外儲能電池組還可以作為家庭用戶的緊急備用電源。本發(fā)明不僅解決了家庭用戶電動汽車的快速充電問題，而且可以保證家庭用戶的用電可靠性。
[0042]如圖1所示的結(jié)構(gòu)圖，本發(fā)明的家用電動汽車快充變流器包括雙向變流器模塊、單相交流電網(wǎng)接口、儲能電池接口、電動汽車充電接口和變流器控制器，其中控制系統(tǒng)基于DSP和FPGA結(jié)構(gòu)搭建，實(shí)現(xiàn)對AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊的采樣與控制;AC/DC變流模塊的輸入端與電網(wǎng)接口相連，DC/DC變流模塊的輸出端與電動汽車充電接口相連，儲能電池接口設(shè)置在AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊之間。在電網(wǎng)用電高峰時(shí)期，儲能電池組通過DC/DC變流模塊提供電動汽車快速充電功能;在電網(wǎng)停電時(shí)期，儲能電池組通過AC/DC模塊提供家庭緊急用電；在電網(wǎng)用電低谷時(shí)期，電網(wǎng)接口通過AC/DC模塊向儲能電池充電，另外電網(wǎng)接口還可以通過AC/DC與DC/DC兩級變流模塊提供電動汽車慢速充電功能。
[0043 ]本發(fā)明提出的電動汽車快速充電變流器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，快速充電變流器由電網(wǎng)接口、AC/DC變流模塊、儲能電池系統(tǒng)接口、DC/DC變流模塊和電動汽車充電接口組成。AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊均采用PEBB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中AC/DC模塊采用單相橋式IGBT實(shí)現(xiàn)，DC/DC模塊采用三相橋式IGBT實(shí)現(xiàn)。IGBT模塊是變流器功率變換主要載體，主要包括IGBT主電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、部分傳感器、緩沖電路、電容吸收電路等部件。
[0044]其中電網(wǎng)接口為家用單相交流電輸入輸出口，電壓220V，最大輸入輸出電流32A;AC/DC變流模塊結(jié)合其外圍交流LC濾波電路和直流穩(wěn)壓電容實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)交流電能與儲能電池直流電能的雙向轉(zhuǎn)換功能:電網(wǎng)向儲能電池充電時(shí)，AC/DC變流模塊工作在整流模式:儲能電池向電網(wǎng)回饋電能時(shí)，AC/DC變流模塊工作在逆變模式。
[0045]儲能電池系統(tǒng)接口設(shè)置在AC/DC變流模塊與DC/DC變流模塊間的直流母線處，母線電壓為600V-800V，系統(tǒng)配置的梯次電池組連接至此接口，作為電網(wǎng)電能與電動汽車電能的中轉(zhuǎn)站。當(dāng)電動汽車需要快速充電時(shí)，電池組通過DC/DC變流模塊向電動汽車快速放電；當(dāng)電動汽車不需要充電且電網(wǎng)負(fù)荷谷期時(shí)，電池組通過AC/DC變流模塊進(jìn)行能量補(bǔ)給；當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，電池組通過AC/DC變流模塊向電網(wǎng)回饋電能，提供家庭緊急用電。DC/DC變流模塊結(jié)合其外圍LC濾波電路實(shí)現(xiàn)直流母線直流電能與電動汽車直流電能的升降壓轉(zhuǎn)換功能:電池組向電動汽車充電時(shí)，根據(jù)電動汽車動力電池的電壓等級確定DC/DC變流模塊升壓或降壓工作模式；電動汽車充電接口配置在DC/DC變流模塊的輸出側(cè)，匹配電動汽車直流充電標(biāo)準(zhǔn)接口，最大輸出功率50kW。
[0046]電動汽車快速充電變流器控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，該控制系統(tǒng)包括DSP主控制器、FPGA輔助控制器、與DSP和FPGA相連的外圍電路以及上位機(jī)控制模塊。其中DSP主控制器主要用于系統(tǒng)的充放電控制算法實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA輔助控制器主要用于系統(tǒng)的開關(guān)控制、驅(qū)動信號處理、保護(hù)信號處理等輔助控制功能，兩個(gè)控制器通過地址總線和數(shù)據(jù)總線相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，增強(qiáng)控制同步性。
[0047]與DSP和FPGA相連的外圍電路包括電壓電流采樣電路、光纖轉(zhuǎn)換電路、功率管驅(qū)動電路、功率管保護(hù)電路、通信電路等。電壓電流采樣電路測量AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊電壓電流信號并送至DSP進(jìn)行采樣處理;光纖轉(zhuǎn)換電路將FPGA輸出的PWM驅(qū)動電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并經(jīng)過光纖將信號傳送至功率管驅(qū)動電路;功率管驅(qū)動電路將接收到的PWM驅(qū)動光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行功率放大，最終驅(qū)動AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊的能量轉(zhuǎn)換;功率管保護(hù)電路采集AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊輸出的過流保護(hù)信號和過溫保護(hù)信號并經(jīng)過光纖通路傳輸至FPGA;通信電路實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)控制模塊的雙向通信功能。
[0048]DSP實(shí)時(shí)接收上位機(jī)下發(fā)的充放電指令及運(yùn)行參數(shù)，并將采樣反饋值與上位機(jī)指令值相比較，通過PI運(yùn)算將結(jié)果送至事件管理器(EV)，改變PWM驅(qū)動信號輸出占空比。其中AC/DC變流模塊的HVM信號經(jīng)FPGA消抖和去毛刺后直接輸出給光纖轉(zhuǎn)換電路和功率管驅(qū)動電路，控制IGBT的開斷動作;DC/DC變流模塊的PffM信號經(jīng)FPGA移相后驅(qū)動IGBT動作。本專利AC/DC變流模塊的4路P麗驅(qū)動信號由事件管理器A產(chǎn)生，DC/DC變流模塊的6路P麗驅(qū)動信號由事件管理器B產(chǎn)生。同時(shí)，F(xiàn)PGA實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)工作狀態(tài)，控制變流器開關(guān)動作，另外當(dāng)IGBT模塊產(chǎn)生過流或過溫保護(hù)信號時(shí)，保護(hù)信號首先送至FPGA，經(jīng)FPGA處理后產(chǎn)生一個(gè)低電平信號觸發(fā)主控制器I3DP中斷，閉鎖PffM輸出，保護(hù)IGBT模塊的運(yùn)行安全。
[0049]電動汽車快速充電變流器控制流程如圖4所示，變流器控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測并接收上位機(jī)下發(fā)的控制命令及參數(shù)，控制命令包括慢速充電、快速充電及不充電，控制參數(shù)包括充電電壓、充電電流、充電時(shí)間等。
[0050]I)當(dāng)控制器接收到慢速充電命令后，電動汽車從家庭電網(wǎng)獲取電能，AC/DC變流模塊以整流模式運(yùn)行，將電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，DC/DC變流模塊以降壓模式運(yùn)行，將直流母線電壓降至電動汽車充電電壓提供慢速充電功能；
[0051]2)當(dāng)控制器接收到快速充電命令后，首先判斷儲能電池電量:如果電池電量小于20%，則采取慢速充電方式;如果電池電量大于20%，則電動汽車從儲能電池獲取電能，AC/DC變流模塊不運(yùn)行，DC/DC變流模塊以降壓模式運(yùn)行，將儲能電池電壓將至電動汽車充電電壓提供快速充電功能；電動汽車快速充電過程中控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測儲能電池電量，當(dāng)儲能電池電量小于20%時(shí)轉(zhuǎn)為慢速充電方式，有效防止儲能電池過度放電而導(dǎo)致的電池壽命縮短問題；
[0052]3)當(dāng)控制器沒有接到充電命令時(shí)，首先判斷儲能電池的電量，如果電池電量大于80%，則不為其補(bǔ)充能量，AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊不運(yùn)行；如果電池電量小于80%，DC/DC變流模塊不運(yùn)行，AC/DC模塊工作在整流模式，將電網(wǎng)交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能為儲能電池補(bǔ)充能量，當(dāng)儲能電池電量達(dá)到100 %時(shí)，AC/DC變流模塊自動停止運(yùn)行。
[0053]以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種家庭電動汽車用大功率快速充電變流器，其特征在于，所述充電變流器包括雙向變流模塊、單相交流電網(wǎng)接口、儲能電池接口、電動汽車充電接口和變流器控制器;所述雙向變流模塊包括其間設(shè)置有所述儲能電池接口的AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊； 所述單相交流電網(wǎng)接口設(shè)置于AC/DC變流模塊輸入端； 所述電動汽車接口設(shè)置于DC/DC變流模塊輸出端； 所述變流器控制器通過采樣線和控制線分別與所述AC/DC變流模塊和所述DC/DC變流模塊連接。2.如權(quán)利要求1所述的快速充電變流器，其特征在于， 所述AC/DC變流模塊為采用PEBB結(jié)構(gòu)的單相橋式IGBT; 所述AC/DC變流模塊的外圍電路包括交流LC濾波器和直流穩(wěn)壓電容； 所述DC/DC變流模塊為采用PEBB結(jié)構(gòu)的三相橋式IGBT; 所述DC/DC變流模塊的外圍電路包括LC濾波器。3.如權(quán)利要求2所述的快速充電變流器，其特征在于，所述IGBT模塊包括IGBT主電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、傳感器、緩沖電路和電容吸收電路。4.如權(quán)利要求1所述的快速充電變流器，其特征在于，所述變流器控制器由DSP主控制器、FPGA輔助控制器、連接DSP和FPGA的外圍電路和上位機(jī)控制模塊組成； 所述DSP主控制器和FPGA輔助控制器通過地址總線和數(shù)據(jù)總線相連接； 所述外圍電路包括電壓電流采樣電路、光纖轉(zhuǎn)換電路、功率管驅(qū)動電路、功率管保護(hù)電路、通?目電路； 所述上位機(jī)控制模塊通過通信電路連接DSP主控制器。5.如權(quán)利要求1所述的快速充電變流器，其特征在于，所述變流器控制器的控制流程為: (1)電壓電流采樣電路測量所述變流模塊的電壓電流信號并將其發(fā)送至DSP; (2)功率管保護(hù)電路采集變流模塊輸出的過流保護(hù)和過溫保護(hù)信號并將其發(fā)送至FPGA ； (3)光纖轉(zhuǎn)換電路將FPGA輸出的PffM驅(qū)動電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并傳送至功率管驅(qū)動電路； (4)功率管驅(qū)動電路將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并放大功率； (5)通信電路實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)控制模塊的雙向通信。6.如權(quán)利要求5所述的快速充電變流器，其特征在于，所述變流器控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測并接收上位機(jī)下發(fā)的包括慢速充電、快速充電和不充電的控制命令和控制參數(shù)。7.如權(quán)利要求6所述的快速充電變流器，其特征在于，所述變流器的充電情況包括: (1)接收慢速充電命令，電動汽車從家庭電網(wǎng)獲取電能:所述AC/DC變流模塊以整流模式運(yùn)行，將電網(wǎng)交流電變?yōu)橹绷麟?；所述DC/DC模塊以降壓模式運(yùn)行，將電網(wǎng)直流母線電壓降至電動汽車充電電壓。 (2)接收快速充電命令，且電池電量大于20%時(shí)，則DC/DC變流模塊以降壓模式運(yùn)行，由儲能電池對電動汽車提供快速充電。 (3)無充電命令，且電池電量小于80%時(shí)，則AC/DC變流模塊按整流模式工作，由電網(wǎng)為儲能電池補(bǔ)充能量。
【文檔編號】B60L11/18GK106059024SQ201610587438
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月22日 公開號201610587438.3, CN 106059024 A, CN 106059024A, CN 201610587438, CN-A-106059024, CN106059024 A, CN106059024A, CN201610587438, CN201610587438.3
【發(fā)明人】渠展展, 惠東, 閆濤, 朱觀煒, 劉志波, 胡娟, 侯朝勇, 楊水麗, 許守平
【申請人】中國電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)上海市電力公司