基于v2g的多功能車載充放電器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于V2G的多功能車載充放電器，解決了制動過程中能量浪費的問題，包括了依次連接的DC/DC轉換器、雙向AC/DC轉換器和儲能單元，該雙向AC/DC轉換器與交流電網連接，再生制動控制單元通過交流電機與雙向AC/DC轉換器相連，以實現從交流電機到儲能單元的再生制動能量的回饋，采用DC/DC轉換器，實現交流電網到儲能單元的充電、儲能單元到交流電機的放電、交流電機制動到儲能單元的充電三種模式，有效將制動過程中產生的能力加以回收利用，保存到蓄電池中，使得車輛的續駛里程可得到很大的提高，同時也能實現能量的節約和有效利用。
【專利說明】基于V2G的多功能車載充放電器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電動汽車充放電，特別涉及一種基于V2G的多功能車載充放電器。
【背景技術】
[0002]隨著日益嚴重的能源危機和環境污染問題，新能源汽車已經成為未來汽車工業的發展方向，便捷的充放電系統則成為推動電動汽車快速發展的關鍵因素。根據相關統計，一臺電動汽車95%的時間處于停駛的狀態，電動汽車充電站可以在電網用電低峰時期對電動汽車及其備用蓄電池進行充電，而在用電高峰期將電動汽車電池能量反饋回電網，這種電能在電動汽車和電網之間循環利用的技術就是V2G技術。在電動汽車大力推廣后，成百上千的電動汽車就可以構成微電網系統，在緊急狀況下還可以作為應急電源，為微電網的安全運行提供有效的支撐。
[0003]目前，常用的充電電路采用晶閘管相控整流或不可控整流技術，電路復雜，成本高，當采用二極管整流電路作為充放電系統的主電路時，雖然能保證網側輸入電流的基波分量的相位與電網電壓相位大體相同，從而使得基波功率因數較高，但其網側輸入電流中高次諧波分量卻很大，從而使得總的功率因數變低。另外，相控方式的充電裝置同樣也會導致網側電壓波形畸變和向電網注入大量的諧波。因此，充放電裝置的諧波污染和低功率因數已成為阻礙蓄電池充放電系統發展和應用的重大障礙。
[0004]城市工況下，車輛的平均速度較低、負荷率的起伏變化較大，還需頻繁的啟動制動，傳統汽車制動過程中的所有能量都是以熱能的行駛散發了，相關研宄顯示，汽車制動過程中以熱能方式耗散的能量約占驅動總能的50%，另外，家電等負載在制動過程中的能量也會以熱能的形式散發掉，如果可以將這部分能量加以回收利用，車輛的續駛里程可得到很大的提高，同時也能實現能量的節約和有效利用。
實用新型內容
[0005]為了克服制動過程中能量浪費的不足，本實用新型提供一種基于V2G的多功能車載充放電器。
[0006]一種基于V2G的多功能車載充放電器，包括了依次連接的交流電網、DC/DC轉換器、雙向AC/DC轉換器和儲能單元，再生制動控制單元通過交流電機與雙向AC/DC轉換器相連，以實現從交流電機到儲能單元的再生制動能量的回饋。
[0007]所述DC/DC轉換器包括可控開關S1/S2/S3/S4/S5、二極管D1/D2/D3/D4/D5、電感Ls、蓄電池Bat、電容Cl，二極管D1/D2/D3/D4分別反并聯在可控開關S1/S2/S3/S4兩端，電容Cl、串聯后的可控開關S2/S4均并聯在雙向AC/DC轉換器兩端，可控開關S1、蓄電池Bat、可控開關S3依次串聯后并聯在交流電網兩端，電感Ls、可控開關S5、二極管D5串聯后并聯在可控開關SI兩端。
[0008]所述的雙向AC/DC轉換器包括三相電壓型PWM整流器和IGBT全控器件。
[0009]還包括電網電力調度中心，它包括SVPWM發生器和DSP控制器。
[0010]所述儲能單元包括儲蓄電池Bat和蓄電池管理模塊，所述蓄電池管理模塊包括用于電動汽車和蓄電池電流電壓以及SOC的采集的信號采集模塊和用于處理采集到的信息的MCU處理模塊。
[0011]所述儲能單元還包括監測保護電路，它包括儲能單元過充電保護電路和過放電保護電路。
[0012]所述DC/DC轉換器和交流電網之間設有第一斷路器K1。
[0013]所述雙向AC/DC轉換器和交流電機之間設有第二斷路器K2。
[0014]本實用新型的有益效果是:本實用新型采用DC/DC轉換器，實現交流電網到儲能單元的充電、儲能單元到交流電機的放電、交流電機制動到儲能單元的充電三種模式，有效將制動過程中產生的能力加以回收利用，保存到蓄電池中，使得車輛的續駛里程可得到很大的提高，同時也能實現能量的節約和有效利用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型的電路框圖。
[0016]圖2是本實用新型的DC/DC轉換器電路圖。
[0017]圖3是本實用新型雙向AC/DC轉換器電路圖及雙閉環控制電路圖。
[0018]圖4是本實用新型充電電流路徑示意圖。
[0019]圖5是本實用新型充電電流路徑示意圖。
[0020]圖6是本實用新型充電電流路徑示意圖。
[0021]圖7是本實用新型充電電流路徑示意圖。
[0022]圖8是本實用新型放電電流路徑示意圖。
[0023]圖9是本實用新型放電電流路徑示意圖。
[0024]圖10是本實用新型再生制動充電電流路徑示意圖。
[0025]圖11是本實用新型再生制動充電電流路徑示意圖。
[0026]圖12是本實用新型SOC控制流程圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本實用新型實施例作進一步說明:
[0028]如圖1所示，一種基于V2G的多功能車載充放電器，包括了依次連接的交流電網、DC/DC轉換器、雙向AC/DC轉換器和儲能單元，再生制動控制單元通過交流電機與雙向AC/DC轉換器相連，以實現從交流電機到儲能單元的再生制動能量的回饋，有效將制動過程中產生的能力加以回收利用，保存到蓄電池中，使得車輛的續駛里程可得到很大的提高，同時也能實現能量的節約和有效利用。
[0029]如圖2所示，所述DC/DC轉換器包括可控開關S1/S2/S3/S4/S5、二極管D1/D2/D3/D4/D5、電感Ls、蓄電池Bat、電容Cl，二極管D1/D2/D3/D4分別反并聯在可控開關S1/S2/S3/S4兩端，電容Cl、串聯后的可控開關S2/S4均并聯在雙向AC/DC轉換器兩端，可控開關S1、蓄電池Bat、可控開關S3依次串聯后并聯在交流電網兩端，電感Ls、可控開關S5、二極管D5串聯后并聯在可控開關SI兩端，該DC/DC轉換器結構簡單，可以在推進和循環模式中具有升壓能力，可以在剎車回收能量模式提供步增后退功能，在再生制動模式中具有降壓能力，滿足充電、放電和直流/直流變頻器的要求，在基于V2G的多功能車載充放電器中加入軟開關，減少整個系統的開關損耗，縮小器件體積，通過進一步的提高開關頻率來減少輸出能量中的諧波含量，減少濾波器的使用容量，提高輸出功率的效率，且交流輸出電壓電流穩定，在大容量的充放電系統中能夠輸出失真度較小的正弦波，安全可靠。
[0030]充電操作時，該轉換器包含有兩個不對稱的等效電路，該等效電路基于充電操作時電網電壓的極性來定。
[0031]如圖4、圖5所示，當電網電壓的方向是正時，在電網的半個周期中，S5轉向“開”，同時根據電網電力調度中心的控制系統，S2切換至“關”，電感Ls電流受到VBat-Vs的影響而減少，類似于典型的升壓操作，此時電流的路徑是D3-LS-D2，此時存在另外一路電流的路徑是Ls_S5_D5_D3，由此路電流對儲能蓄電池進彳丁充電。
[0032]如圖6、圖7所示，當電網電壓的方向是負時，在電網的半個周期中，S5轉向“關”，同時根據電網電力調度中心的控制系統，S2切換至“開”，電感Ls存儲能量，此時電流的路徑是D2_Ls_D3。此時存在另外一路電流的路徑是Ls_Dl_D2，由此路電流對儲能蓄電池進行充電。
[0033]在推進過程中升壓操作時，電網電力調度中心將儲能蓄電池電壓提高到直流母線電壓，由升壓開關S2的狀態來確定傳導路徑，在這個操作過程中，S2作為主開關，SI導通允許電流通過。
[0034]放電操作時，該轉換器包含有兩個不對稱的等效電路。
[0035]如圖8所示，根據電網電力調度中心的控制系統，S2切換至“關”，此時電流的路徑是D1-LS-D4，儲能蓄電池和電感Ls將存儲的能量釋放到電機中，產生高電壓使D4導通，對高壓母線電容Cl進行充電，同時對交流電機進行供電。
[0036]如圖9所示，根據電網電力調度中心的控制系統，S2切換至“開”，此時電流的路徑是D1-LS-D4，由此將儲能蓄電池中的能力儲存到電感Ls中。
[0037]再生制動的降壓操作中，由于最高的制動能量出現在高速行駛時，因此，降壓操作用來誘導推進機終端兩端的高電壓，是至關重要的模式。
[0038]如圖10所示，根據電網電力調度中心的控制系統，S4切換至“開”，此時電流的路徑是D4-LS-D1，通過切換S4來降低逆變器的輸出高電壓。在S4導通期間，電感Ls存儲的能量和高壓母線電容Cl的能量從高壓直流母線通過Dl傳給電池。
[0039]如圖11所示，在慣性滑行的操作中，高壓母線電容Cl對儲能蓄電池放電的同時，電感Ls也將能量轉移給儲能蓄電池，電流的路徑是D2-LS-D1。
[0040]如圖3所示，所述的雙向AC/DC轉換器包括三相電壓型PWM整流器和IGBT全控器件，控制三相電壓型PWM整流電路，以獲得網側電流接近正弦化、單位功率因數控制、能量的雙向流動，真正實現“綠色電能變化”，三相電壓型PWM整流器既需在整流狀態工作，又需在逆變狀態工作，也可稱之為整流/逆變變換器。
[0041]所述的三相電壓型PWM整流器采用電壓電流雙閉環控制結構，電壓外環的作用是輸出穩定的直流電壓，電流內環是按電壓外輸出的直流電流指令進行電流控制，實現整流變換器單位功率因數正弦波，同時為了改善系統的抗干擾能力，減少母線電壓產生的波動，對整流變換器部分采用負載電流和電網電壓前饋補償的控制方法，有效地降低了負載電流和電網電壓對直流母線電壓的波動。
[0042]如圖1、圖2所示，還包括電網電力調度中心，它包括SVPWM發生器和DSP控制器，SVPWM發生器可以產生PWM信號對三相電壓型PWM整流器進行控制，DSP控制器控制能量雙向流動的同時，實現諧波治理。
[0043]所述儲能單元包括蓄電池Bat和蓄電池管理模塊，所述蓄電池Bat包括儲能蓄電池和備用電池，所述蓄電池管理模塊包括MCU處理模塊和信號采集模塊；信號采集模塊主要用于交流電機、儲能單元電流電壓以及SOC的采集，采集來的信號傳送到MCU處理模塊進行計算后向電網電力調度中心發出控制指令，蓄電池的充電和放電共用一個變換電路，減少電力電子接口成本。
[0044]如圖12所示，所述的以當前SOC為依據進行控制主要通過以下方式:
[0045]當SOC彡70%時，電網電力調度中心發出控制信號，控制斷路器K1/K2，控制接通相關電路，此時根據負載需求由儲能蓄電池供電給交流電機，及交流電機制動給儲能蓄電池充電。
[0046]當SOC > 90%，需要適當放電時，接通備用電池的開關，將釋放的電能儲存在備用電池中。
[0047]當70%彡SOC彡30%，電網電力調度中心發出控制信號，控制斷路器K1/K2，控制接通相關電路，此時根據負載需求由儲能蓄電池供電給交流電機。
[0048]當SOC彡30%，電網電力調度中心發出控制信號，控制斷路器K1/K2，控制接通相關電路，此時由交流電網對儲能蓄電池進行充電。
[0049]所述儲能單元還包括監測保護電路，它包括儲能單元過充電保護電路和過放電保護電路，以保護儲能單元的過充電和過放電。
[0050]所述DC/DC轉換器和交流電網之間設有第一斷路器K1。
[0051]所述雙向AC/DC轉換器和交流電機之間設有第二斷路器K2。
[0052]使用時，交流電網通過雙向AC/DC轉換器和DC/DC轉換器對儲能單元進行充電，將電能存儲在儲能單元中。儲能單元可以是電動汽車、儲能蓄電池和超級電容。當儲能單元中通過電池管理單元檢測到電池容量達到充滿的要求時，閉合斷路器K1，停止充電。在交流電機啟動的時候，閉合斷路器K2，通過再生制動控制單元，將交流電機再生制動的能量反饋到儲能單元中。保持斷路器的閉合狀態，由儲能單元通過雙向AC/DC轉換器和DC/DC轉換器對交流電機供電，直到電機關閉。
[0053]以上結合附圖所描述的實施例僅是本實用新型的優選實施方式，而并非對本實用新型的保護范圍的限定，任何基于本實用新型精神所做的改進都理應在本實用新型保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于V2G的多功能車載充放電器，其特征在于:包括了依次連接的交流電網、DC/DC轉換器、雙向AC/DC轉換器和儲能單元，再生制動控制單元通過交流電機與雙向AC/DC轉換器相連，以實現從交流電機到儲能單元的再生制動能量的回饋。
2.根據權利要求1所述的基于V2G的多功能車載充放電器，其特征在于:所述DC/DC轉換器包括可控開關S1/S2/S3/S4/S5、二極管D1/D2/D3/D4/D5、電感Ls、電容Cl，二極管Dl/D2/D3/D4分別反向并聯在可控開關S1/S2/S3/S4兩端，電容Cl和串聯后的可控開關S2/S4均并聯在雙向AC/DC轉換器兩端，可控開關S1、蓄電池Bat、可控開關S3依次串聯后并聯在交流電網兩端，電感Ls、可控開關S5、二極管D5串聯后并聯在可控開關SI兩端。
3.根據權利要求1所述的基于V2G的多功能車載充放電器，其特征在于:所述雙向AC/DC轉換器包括三相電壓型PWM整流器和IGBT全控器件。
4.根據權利要求1所述的基于V2G的多功能車載充放電器，其特征在于:還包括電網電力調度中心，它包括SVPWM發生器和DSP控制器。
5.根據權利要求4所述的基于V2G的多功能車載充放電器，其特征在于:所述儲能單元包括蓄電池Bat和蓄電池管理模塊，所述蓄電池管理模塊包括用于電動汽車和蓄電池電流電壓以及SOC的采集的信號采集模塊和用于處理采集到的信息的MCU處理模塊。
6.根據權利要求1所述的基于V2G的多功能車載充放電器，其特征在于:所述儲能單元還包括監測保護電路，它包括儲能單元過充電保護電路和過放電保護電路。
7.根據權利要求1所述的基于V2G的多功能車載充放電器，其特征在于:所述DC/DC轉換器和交流電網之間設有第一斷路器K1。
8.根據權利要求1所述的基于V2G的多功能車載充放電器，其特征在于:所述雙向AC/DC轉換器和交流電機之間設有第二斷路器K2。
【文檔編號】H02J7/02GK204179732SQ201420675878
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】范壽銘, 錢祥忠, 張克玲, 沈弋丁, 高秀梅, 張文霞 申請人:溫州大學