一种可提供电网支撑的中压供电电动汽车快速充放电装置的制作方法

本实用新型属于电动汽车快速充放电技术领域，尤其涉及一种可提供电网支撑的中压供电电动汽车快速充放电装置。

背景技术：

目前我国多地建设的电动汽车充电桩和大部分充电站都是直接采用220V低压交流供电方式对电动汽车进行充电。但受限于装置容量和电压等级，充电电流受到了很大限制，因此充电速度较慢，往往需要花费数小时才可以将电池充满；同时，多数充电装置都是单向充电模式，只能由电网向电动汽车充电；随着电动汽车规模的增加和单体电动汽车储能容量的大幅增加，电动汽车必将成为可向电网提供有效支撑的有效移动储能资源，但慢速单向充电拓扑无法满足向电网提供必要支撑的任务。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有快速充电站因受限于装置容量和电压等级，充电电流受到了很大限制，因此充电速度较慢，往往需要花费数小时才可以将电池充满，而且多数充电装置都是单向充电模式，不能满足向电网提供必要支撑的任务。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种可提供电网支撑的中压供电电动汽车快速充放电装置。

本实用新型是这样实现的，该可提供电网支撑的中压供电电动汽车快速充放电装置设置有中压输入MV、AC-DC单元、DC-DC总单元、连接端、AC-DC级联单元、DC-DC分单元、中压直流单元、中压高频隔离变压器。

所述中压输入MV通过导线连接电源供压装置，AC-DC单元包含有三个AC-DC级联单元，用以平均分配中压MV交流输入电压，从而减小各变换单元功率器件电压要求，AC-DC级联单元各自通过中压直流母线连接到各自DC-DC分单元的输入端；所述DC-DC总单元包含有三对互补的DC-DC分单元；所述三对DC-DC分单元的输出之间通过中压高频隔离变压器连接。所述AC-DC单元和DC-DC总单元设置在被支持电网与电动汽车中间，DC-DC总单元和中压高频隔离变压器组成DC-DC变换器。

进一步，所述中压连接端通过中压电缆连接支持的中压电网。

进一步，所述AC-DC单元、DC-DC总单元和中压直流母线单元、中压高频隔离变压器之间通过电缆导线连接。

进一步，DC-DC各分单元的输出通过专门的汽车充电插头，连接电动汽车的储能设备。DC-DC各分单元的最终输出端接有切换装置，可以将输出的DC-DC分单元配置成并联更大功率的增强电流输出模式和普通大电流快速充电模式切换单元。

本实用新型的优点及积极效果为：通过中压输出MV的设置，实现中压供电，输入电压大于2kV，用以减小线路投资和损耗，以同样传输功率2500kW为例，可以有效减小线径至少50％，减小中压传输线路上的功率损耗约70％，中压线缆因为承载电流的下降，成本下降约70％；充放电装置采用中压高频隔离变压器取代传统工频变压器实现电动汽车侧的隔离，保证人员安全，减小装置体积在50％以上；装置采用低损耗的SiC功率模块，其功率损耗更低，工作效率可以提升5％以上；充电端口可灵活配置成普通快充和更大功率的增强快充方式，支持电流增倍快速充电；各单元均可以形成模块，具有进一步扩展的功能，从而提高输出电流能力，从而达到更大的充电功率要求；所有环节均采用双向拓扑，可以实现功率的双向流动，即既可以由电网向电动汽车各端口进行充电，又可以通过控制，实现电动汽车储能向电网反向放电传输功率，向电网提供特定的支持；功率传输采用移相控制等方式，实现端口之间的功率解耦控制。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种可提供电网支撑的中压供电电动汽车快速充放电装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种可提供电网支撑的中压供电电动汽车快速充放电装置内部的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的DC-DC变换器结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的模块的构成原理图；

图5是本实用新型实施例提供的功率传输控制原理图

图6是本实用新型实施例提供的移相控制方法原理图；

图中：1、中压输入MV；2、AC-DC单元；3、DC-DC总单元；4、支持电网；5、连接端；6、AC-DC级联单元；7、DC-DC分单元；8、中压直流器；9、中压高频隔离变压器；10、充电模式切换单元；11、DC-DC变换器。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本实用新型的结构作详细的描述。

一种可提供电网支撑的中压供电电动汽车快速充放电装置设置有中压输入MV1、AC-DC单元2、DC-DC总单元3、支持电网4、连接端5、AC-DC级联单元6、DC-DC分单元7、中压直流母线8、中压高频隔离变压器9、充电模式切换单元10。

所述中压输入MV1通过导线连接电源供压装置，AC-DC单元2包含有三个AC-DC级联单元6，AC-DC级联单元6各自通过中压直流母线8连接DC-DC分单元7；所述DC-DC总单元3包含有三对互补的DC-DC分单元7；所述三对DC-DC分单元7之间通过中压高频隔离变压器9连接。所述AC-DC单元2和DC-DC总单元3设置在支持电网4内部，DC-DC总单元3和中压高频隔离变压器组成DC-DC变换器11。

作为本实用新型的优选实施例，所述连接端5通过导线连接支持电网4。

作为本实用新型的优选实施例，所述AC-DC单元2、DC-DC总单元3和中压直流器8、中压高频隔离变压器9之间通过导线连接。

本实用新型的工作原理是：本实用新型通过模块化级联，多电平等方式，利用组合等方式，利用均衡化技术，使得各现有器件能够共同分担较高的输入电压；AC-DC和DC-DC单元采用全桥或者半桥的双向拓扑，可进行双向功率的传输，通过DC-DC分单元7和中压高频隔离变压器9可实现移动储能装置向连接的电网提供电力反向支持的任务，使用时将连接端5连接到移动电源上即可；通过中压高频隔离变压器9实现电动汽车与充电站系统的相互隔离，提高人员操作的安全性；通过多个DC-DC分单元7连接多个连接端5，可以用来接入多个电动汽车同时充电；三个独立的DC-DC变换器11，每个DC-DC变换器11均有其独立的中压高频隔离变压器9，而DC-DC变换器11的输入均有一个等效的独立半桥实现由直流到高频交流的变换，而每一个DC-CD变换器10的输出既可以独立接入中小功率的电动汽车，也可以并联运行，形成更大电流输出能力，为大功率的电动汽车提供快速充电服务。

其中的一组模块的构成原理如图4所示。图中AC-DC变换单元6将模块级联分得的中压交流转换为中压直流，本优选案例中转化为2.5kV的直流。该直流经直流母线单元连接到中压DC-DC分单元7，其中IGBT在MCU控制器的作用下起到断路器的作用，用以保护故障下的系统的安全；而电容库减小直流母线电压波动，两侧并联的电阻在检修时用于释放直流母线的高压电荷；中压DC-DC7分单元由全桥变换器构成，其将中压直流变换成中压高频交流信号；全桥变换器采用高功率密度的SiC器件以减小开关损耗；中压高频交流信号经过中压高频变压器9降低至电动汽车储能电池电压等级，再将低压DC-DC分单元7转换为低压直流，为电动汽车充电；当向电网提供支撑时，工作过程相反。

所有工作过程都是在DSP的控制下执行，为了保证控制系统的安全可靠，功率器件的开关控制信号采用光纤OPT传输。

本实用新型通过中压输入MV1的设置，实现中压供电，输入电压大于2kV，用以减小线路投资和损耗；这里以500kVA的充电站为例进行比较分析，若采用常规220V供电，其电流值将达到2272A，而若采用4160V中压供电，其供电电流仅为120A；由于供电电流较大，单根电缆往往无法直接满足要求，往往需要多根电缆并联分流，若选择50mm²的三芯电缆，则其标准载流量为150A，则需要15根导线并联，其总截面约为750mm²，而采用4160V中压供电，则只需要60mm²截面的重要电缆即可满足要求，这样电缆体积、数量和价格也可以得到有效降低。并且中压供电情况下其电流只有低压供电情况下的5％左右，故其电流平方是低压供电情况下的0.25％；若两种情况下都用铜导线的话，两种情况下的等效电阻与截面积成反比，因此中压情况下电阻是低压供电情况下的12.5倍，考虑到电流功耗为电流的平方与电阻的乘积，故其理想情况下的中压供电下的电缆线路的损耗仅为低压供电时线路损耗的0.25％x12.5＝3.1％，损耗下降明显。

AC-DC单元2和DC-DC分单元7中均采用高功率密度的SiC功率器件，目前1.7kV以下的SiC功率器件已经较为成熟。本优选实例中的AC-DC单元2中采用单相或三相桥的方式整流或逆变，基本功率模块采用1.7Kv SiC MosFET，当输入中压电压等级超过1.7kV的情况，需要增加级联的AC-DC单元2数量，通过均衡分压满足器件工作电压在额定电压范围之内。本优选实例中选择cree公司wolfspeed CAS300M17BM2 SiC MosFET半桥模块，其耐压为1.7kV，导通电阻仅为8mΩ，连续工作电流达到225A。

本优选实例中DC-DC分单元7由中压DC-DC分单元和低压DC-DC分单元组成。其中中压DC-DC单元采用wolfspeed CAS300M17BM2 SiC MosFET半桥模块构成。低压DC-DC模块采用单相全桥双向功率传输拓扑，共需要四个功率器件，选用Rohm公司的BSM180D12P2E002 SiC Mosfet器件，其最大耐压为1200V，连续工作电流为204A，导通损耗仅为18mΩ，可以满足目前电动汽车电池电压最大在800V以下的情况。

中压高频变压器9，为提高效率和减小体积，本优选案例中，设置工作频率在100kHz。磁芯选择非晶材料Nanocrystalline，选择Hitachi公司的F3CC U型磁芯，该磁芯损耗系数kfe在100kHz下为7，仅为铁氧体材料的1/4～1/3，而其最大磁通密度可以达到1.3T，其磁芯损耗可以控制在100w以下。高频变压器匝比为重要高频变压器9的输入直流电压与输出电动汽车直流电压的比值。

功率传输控制采用DSP实现，本优选实例中采用移相控制方法。其实现原理如图5、图6所示，其中Vp为中压DC-DC分单元7的输出电压经功率器件以50％占空比操作得到的电压波形，该电压经漏感L接到高频变压器9的原边，Vs为低压DC-DC单元经调制产生的占空比为50％的电压波形，接到高频变压器9的副边。控制这两个波形的相位差超前或者之后一定的角度，即可实现功率的双向传输，当控制相位角为正时，此时功率由原边相副边传送，其中VL为漏感上的电压波形，iL为漏感上的电流波形。i1为中压DC-DC的输出电流，io为低压DC-DC的输入电流。可以看到当相位角为正，其电流有效值为正，说明正在向电动汽车充电。当相位为负，其电流有效值为负，说明电动汽车正在向电网放电，说明功率可以双向控制。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。