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；所述單相交流電網接口設置于AC/DC變流模塊輸入端；所述電動汽車接口設置于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。本發明提供的技術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
技術領域
[0001]本發明涉及電動汽車儲能與快速充電領域，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】
[0002]電動汽車快速充電是電動汽車規模化發展的關鍵，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部集團用車，還沒有建成真正面向不同用戶的充電站服務網絡。居民小區電動汽車的充電受到電網容量的限制，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老舊小區只能采用家用空調插座進行充電，充電難、充電慢成為制約電動汽車快速發展及高效使用的關鍵問題。
[0003]現有技術中，電動汽車交流慢速充電粧采用AC/DC單級變換結構，充電功率一般為
6.6kW，采用空調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，充電時間長達10至20多個小時，嚴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，本發明設計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，該系統配置與電動汽車電池容量一致的梯次儲能電池系統，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。
【發明內容】
[0005]為滿足現有技術的需要，本發明提供一種家庭電動汽車用大功率快速充電變流器。
[0006]本發明提供的家庭電動汽車用大功率快速充電變流器，其改進之處在于，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]所述單相交流電網接口設置于AC/DC變流模塊輸入端；
[0009]所述電動汽車接口設置于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 ]進一步的，所述AC/DC變流模塊為采用PEBB結構的單相橋式IGBT;
[0012]所述AC/DC變流模塊外圍電路包括交流LC濾波器和直流穩壓電容；
[0013]所述DC/DC變流模塊為采用PEBB結構的三相橋式IGBT;
[0014]所述DC/DC變流模塊外圍電路包括LC濾波器。
[0015]進一步的，所述IGBT模塊包括IGBT主電路、驅動電路、保護電路、傳感器、緩沖電路和電容吸收電路。
[0016]進一步的，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據總線相連；
[0018]所述外圍電路包括電壓電流采樣電路、光纖轉換電路、功率管驅動電路、功率管保護電路、通?目電路；
[0019]所述上位機控制模塊通過通信電路連接DSP主控制器。
[0020]進一步的，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送至DSP;
[0022](2)功率管保護電路采集變流模塊輸出的過流保護和過溫保護信號并將其發送至FPGA ；
[0023](3)光纖轉換電路將FPGA輸出的PffM驅動電信號轉換為光信號，并傳送至功率管驅動電路；
[0024](4)功率管驅動電路將光信號轉換為電信號并放大功率；
[0025](5)通信電路實現DSP與上位機控制模塊的雙向通信。
[0026]進一步的，所述變流器控制器實時監測并接收上位機下發的包括慢速充電、快速充電和不充電的控制命令和控制參數。
[0027]進一步的，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獲取電能:所述AC/DC變流模塊以整流模式運行，將電網交流電變為直流電；所述DC/DC模塊以降壓模式運行，將電網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，則DC/DC變流模塊以降壓模式運行，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，則AC/DC變流模塊按整流模式工作，由電網為儲能電池補充能量。與最接近的現有技術比，本發明提供的技術方案具有以下優異效果:
[0031]1、本發明提供的技術方案針對家用供電網絡容量小、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，而在電網停電或供電緊張時，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、本發明提供的技術方案在快速充電變流器直流母線側擴展了儲能電池接口，并配置梯次電池組，節約成本，同時，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境造成的巨大壓力，環保效益顯著；
[0033]3、本發明的技術方案中AC/DC變流模塊及DC/DC變流模塊均采用PEBB結構設計，一方面便于系統維護與升級，另一方面提高了充電系統工作可靠性；
[0034]4、本發明的技術方案根據電動汽車用充電粧的電路模型參數和電動汽車用動力電池的負載特性，設計了相應的數字采樣、濾波算法和數字PID控制器，系統具有較高的調節精度和響應速度，可以滿足不同動力電池的復雜充電要求。
[0035]5、本發明的技術方案將電動汽車交流慢速充電粧的10至20多個小時充電時間縮短到5個多小時范圍內，大大縮短了電動汽車的充電時間，促進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為本發明提供的快速充電變流器的結構框圖；
[0037]圖2為本發明提供的快速充電變流器的主拓撲圖；
[0038]圖3為本發明提供的快速充電變流器的控制系統的控制過程示意圖；
[0039]圖4為本發明提供的快速充電變流器的控制流程圖。
【具體實施方式】
[0040]為清楚的介紹本發明提供的大功率快速充電變流器，以下將結合說明書附圖對本發明的具體實施例進行描述。
[0041 ]家用供電網絡容量小，功率超過一定的閾值會引起跳閘，本發明在充電變流器拓撲中配置儲能電池接口并配備梯次電池組，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，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所示的結構圖，本發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，其中控制系統基于DSP和FPGA結構搭建，實現對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，儲能電池接口設置在AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊之間。在電網用電高峰時期，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;在電網停電時期，儲能電池組通過AC/DC模塊提供家庭緊急用電；在電網用電低谷時期，電網接口通過AC/DC模塊向儲能電池充電，另外電網接口還可以通過AC/DC與DC/DC兩級變流模塊提供電動汽車慢速充電功能。
[0043 ]本發明提出的電動汽車快速充電變流器基本結構如圖2所示，快速充電變流器由電網接口、AC/DC變流模塊、儲能電池系統接口、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結構設計，其中AC/DC模塊采用單相橋式IGBT實現，DC/DC模塊采用三相橋式IGBT實現。IGBT模塊是變流器功率變換主要載體，主要包括IGBT主電路、驅動電路、保護電路、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變流模塊結合其外圍交流LC濾波電路和直流穩壓電容實現電網交流電能與儲能電池直流電能的雙向轉換功能:電網向儲能電池充電時，AC/DC變流模塊工作在整流模式:儲能電池向電網回饋電能時，AC/DC變流模塊工作在逆變模式。
[0045]儲能電池系統接口設置在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，系統配置的梯次電池組連接至此接口，作為電網電能與電動汽車電能的中轉站。當電動汽車需要快速充電時，電池組通過DC/DC變流模塊向電動汽車快速放電；當電動汽車不需要充電且電網負荷谷期時，電池組通過AC/DC變流模塊進行能量補給；當電網停電時，電池組通過AC/DC變流模塊向電網回饋電能，提供家庭緊急用電。DC/DC變流模塊結合其外圍LC濾波電路實現直流母線直流電能與電動汽車直流電能的升降壓轉換功能:電池組向電動汽車充電時，根據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，匹配電動汽車直流充電標準接口，最大輸出功率50kW。
[0046]電動汽車快速充電變流器控制器結構如圖3所示，該控制系統包括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控制模塊。其中DSP主控制器主要用于系統的充放電控制算法實現，FPGA輔助控制器主要用于系統的開關控制、驅動信號處理、保護信號處理等輔助控制功能，兩個控制器通過地址總線和數據總線相連接，實現數據高速傳輸，增強控制同步性。
[0047]與DSP和FPGA相連的外圍電路包括電壓電流采樣電路、光纖轉換電路、功率管驅動電路、功率管保護電路、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進行采樣處理;光纖轉換電路將FPGA輸出的PWM驅動電信號轉換為光信號，并經過光纖將信號傳送至功率管驅動電路;功率管驅動電路將接收到的PWM驅動光信號轉換為電信號并進行功率放大，最終驅動AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊的能量轉換;功率管保護電路采集AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊輸出的過流保護信號和過溫保護信號并經過光纖通路傳輸至FPGA;通信電路實現DSP與上位機控制模塊的雙向通信功能。
[0048]DSP實時接收上位機下發的充放電指令及運行參數，并將采樣反饋值與上位機指令值相比較，通過PI運算將結果送至事件管理器(EV)，改變PWM驅動信號輸出占空比。其中AC/DC變流模塊的HVM信號經FPGA消抖和去毛刺后直接輸出給光纖轉換電路和功率管驅動電路，控制IGBT的開斷動作;DC/DC變流模塊的PffM信號經FPGA移相后驅動IGBT動作。本專利AC/DC變流模塊的4路P麗驅動信號由事件管理器A產生，DC/DC變流模塊的6路P麗驅動信號由事件管理器B產生。同時，FPGA實時采集系統工作狀態，控制變流器開關動作，另外當IGBT模塊產生過流或過溫保護信號時，保護信號首先送至FPGA，經FPGA處理后產生一個低電平信號觸發主控制器I3DP中斷，閉鎖PffM輸出，保護IGBT模塊的運行安全。
[0049]電動汽車快速充電變流器控制流程如圖4所示，變流器控制器實時監測并接收上位機下發的控制命令及參數，控制命令包括慢速充電、快速充電及不充電，控制參數包括充電電壓、充電電流、充電時間等。
[0050]I)當控制器接收到慢速充電命令后，電動汽車從家庭電網獲取電能，AC/DC變流模塊以整流模式運行，將電網交流電轉變為直流電，DC/DC變流模塊以降壓模式運行，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變流模塊不運行，DC/DC變流模塊以降壓模式運行，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時監測儲能電池電量，當儲能電池電量小于20%時轉為慢速充電方式，有效防止儲能電池過度放電而導致的電池壽命縮短問題；
[0052]3)當控制器沒有接到充電命令時，首先判斷儲能電池的電量，如果電池電量大于80%，則不為其補充能量，AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊不運行；如果電池電量小于80%，DC/DC變流模塊不運行，AC/DC模塊工作在整流模式，將電網交流電能轉換為直流電能為儲能電池補充能量，當儲能電池電量達到100 %時，AC/DC變流模塊自動停止運行。
[0053]以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，這些未脫離本發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明的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
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； 所述單相交流電網接口設置于AC/DC變流模塊輸入端； 所述電動汽車接口設置于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結構的單相橋式IGBT; 所述AC/DC變流模塊的外圍電路包括交流LC濾波器和直流穩壓電容； 所述DC/DC變流模塊為采用PEBB結構的三相橋式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、驅動電路、保護電路、傳感器、緩沖電路和電容吸收電路。4.如權利要求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據總線相連接； 所述外圍電路包括電壓電流采樣電路、光纖轉換電路、功率管驅動電路、功率管保護電路、通?目電路； 所述上位機控制模塊通過通信電路連接DSP主控制器。5.如權利要求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送至DSP; (2)功率管保護電路采集變流模塊輸出的過流保護和過溫保護信號并將其發送至FPGA ； (3)光纖轉換電路將FPGA輸出的PffM驅動電信號轉換為光信號，并傳送至功率管驅動電路； (4)功率管驅動電路將光信號轉換為電信號并放大功率； (5)通信電路實現DSP與上位機控制模塊的雙向通信。6.如權利要求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時監測并接收上位機下發的包括慢速充電、快速充電和不充電的控制命令和控制參數。7.如權利要求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獲取電能:所述AC/DC變流模塊以整流模式運行，將電網交流電變為直流電；所述DC/DC模塊以降壓模式運行，將電網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，則DC/DC變流模塊以降壓模式運行，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，則AC/DC變流模塊按整流模式工作，由電網為儲能電池補充能量。
【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】中國電力科學研究院, 國家電網公司, 國網上海市電力公司