专利名称：一种充电机系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子和电力自动化设备，具体涉及一种充电机系统，适用于电动汽车充电场合。
背景技术：
能源与环境已成为当前全球最为关注的问题，能源是经济的基础，而环境是制约经济和社会发展的重要因素。节能和环保促使汽车朝电动汽车方向发展，电动汽车的发展和普及离不开充电机(站)的建设，而充电站中的充电机为非线性负荷，会产生谐波，对电网是一种污染。随着电动汽车大规模发展，充电站点数量多、分布广，相应的充电机需求也与日俱增，因此急需研发一种高效绿色的充电设备。高频直流变压器作为直流变换器的一种形式，是以美国弗吉尼亚电力电子中心 Fred C. Lee 为首的学者在 1993 年"Applied Power Electronics Conference andExposition，，的会议论文"Isolated boost circuit for power factor correction，，及后续的相关论文系统地提出的。高频直流变压器采用开环控制将一种直流电压变换成另一种直流电压，其开关管在固定占空比下工作，结构简单，采用开环控制，易于实现软开关，具有较高的变换效率和功率密度，已经在无需调压的直流电源中得到了运用。传统的电动汽车充电设备一般不考虑输入谐波和功率因数，而采用三相桥式不控整流电路加高频直流变换器的形式，设备工作时会产生大量的电流谐波，功率因数也不高。北京交通大学的冯韬在“高功率因数锂离子电池充放电系统的研制，硕士学位论文，2007年12月”提出了一种采用高频整流器串接直流变换器的充电电路，实现了网侧电流正弦化和高功率因数，直流变换器为升降压变换器(Buck/Boost变换器)，但是这种直流变换器难于实现软开关，效率不高。如果后级采用移相全桥电路，则在输出电压较低、输出电流较大时(这种工况在充电时维持较长时间)占空比丢失严重、变压器无功环流较大，造成了额外的效率损失。
发明内容
本发明提出一种充电机系统，解决现有两级式充电机设备效率偏低的问题，可以实现电动汽车恒流充电和恒压充电。本发明的一种充电机系统，包括高频整流器、高频直流变压器和控制器，高频整流器和高频直流变压器通过直流母线连接，控制器生成第一 第六路驱动信号送至高频整流器，控制器生成第七、第八路驱动信号送至高频直流变压器，其特征在于A.所述控制器包括采样调理模块、双闭环控制模块、第一信号发生模块以及第二信号发生模块；(1)采样调理模块进行下述操作(1. 1)对交流母线的初始三相交流电压usa,b,。、初始三相交流电流isa,b,。以及初始直流母线电压Usd。、初始电池电压Ustl和初始电池电流is(l进行滤波，得到三相交流电压ua,b,。、三相交流电流ia,b,。、直流母线电压Ud。、高频直流变压器输出电压Utl、高频直流变压器输出电流i0 ；(1. 2)对三相交流电压ua,b,。进行锁相，得到相位信号Θ，送至第一信号发生模块；(1. 3)进行坐标系转换，将三相静止坐标系下三相交流电压ua, b,。、三相交流电流ia,b,e变换为同步旋转坐标系下交流有功电压Ud、交流无功电压IV交流有功电流id、交流无功电流、，送至双闭环控制模块；同时，将ud。、uQ和iQ送至双闭环控制模块；(2)双闭环控制模块进行下述操作(2.1)判断是否U。<iC，是则进行步骤O. 2)，否则进行步骤O. 4)，输出电压设定值iC = 100V 120V，对应所充电电池的充电截止电压，由电池手册规定；(2.2)计算输出电流误差ei两=iQ*-iQ;其中，输出电流设定值iQ* = OA 80A，对应所充电电池的充电电流，由电池手册规定；(2. 3)计算有功电流参考值 i/ :i； = Kipe^Kii / eidt ；其中，KiD和Kii分别为电池电流比例系数和电池电流积分系数，5. 1 < Kio < 11.4，
993 < Kii < 1430，t 为时间；转步骤O. 6);(2. 4)计算输出电压误差eu :eu = u0*_u0 ；(2. 5)计算有功电流参考值 i/ :i； = Kupeu+Kui f eudt ；其中，Kud和Kui分别为电池电压比例系数和电池电压积分系数，5.4<KUD< 12. 1，
421 < Kui < 606(2. 6)计算有功电流误差 eid :eid = i/_id ；(2. 7)计算有功调制电压 urd =Urd = Kipd(eid+Kdcudc) ++Kiid f (eid+Kdcudc) dt ；其中，Kipd, Kiid, Kdc分别为交流有功电流比例系数、交流有功电流积分系数和直流母线电压前馈系数，13. 5 < Kipd < 30. 5，591 < Kiid < 851 ；Kdc = 2i0u0/(3ud)；(2. 8)计算无功电流误差ei(1 :eiq = iq*-iq ；其中，无功电流设定值= _Q7ud，无功指令Q* = -6000Var 6000Var，由用户给定；(2. 9)计算无功调制电压Urq=Urtl = KiMei(1+Kii(1 f ei(1dt ；其中，交流无功电流比例系数KiM = Kipd ；交流无功电流积分系数Kiitl = Kiid ；将Urf和送至第一信号发生模块；(3)第一信号发生模块进行下述操作(3. 1)将同步旋转坐标系下的Urf和Uni变换为三相静止坐标系下的a相、b相、c相调制电压um、Ua、Um ；(3.2)生成等效的a相、b相、c相空间矢量调制信号u' M、u' rb.
权利要求
1. 一种充电机系统，包括高频整流器、高频直流变压器和控制器，高频整流器和高频直流变压器通过直流母线连接，控制器生成第一 第六路驱动信号送至高频整流器，控制器生成第七、第八路驱动信号送至高频直流变压器，其特征在于A.所述控制器包括采样调理模块、双闭环控制模块、第一信号发生模块以及第二信号发生模块；(1)采样调理模块进行下述操作(1. 1)对交流母线的初始三相交流电压usa,b,。、初始三相交流电流isa,b,。以及初始直流母线电压Usd。、初始电池电压Ustl和初始电池电流is(l进行滤波，得到三相交流电压ua,b,。、三相交流电流ia,b,。、直流母线电压ud。、高频直流变压器输出电压uQ、高频直流变压器输出电流i0 ；(1.2)对三相交流电压ua,b,。进行锁相，得到相位信号θ，送至第一信号发生模块；(1. 3)进行坐标系转换，将三相静止坐标系下三相交流电压ua, b,。、三相交流电流ia,b, c变换为同步旋转坐标系下交流有功电压ud、交流无功电压IV交流有功电流id、交流无功电流i,，送至双闭环控制模块；同时，将ud。、U0和iQ送至双闭环控制模块；(2)双闭环控制模块进行下述操作(2. 1)判断是否UciSiC,是则进行步骤(2. 2)，否则进行步骤(2. 4)，输出电压设定值u0* = 100V 120V，对应所充电电池的充电截止电压，由电池手册规定；(2. 2)计算输出电流误差ei :ei = i0*-i0 ；其中，输出电流设定值G = OA 80A，对应所充电电池的充电电流，由电池手册规定；(2. 3)计算有功电流参考值i/ :i； = Kipe^Kii / e.dt ；其中，Kip和Kii分别为电池电流比例系数和电池电流积分系数，5. 1 < Kip < 11. 4,993<Kii < 1430，t 为时间；转步骤(2. 6)；(2. 4)计算输出电压误差eu :eu = u0*-u0 ；(2. 5)计算有功电流参考值i/ :i； = Kupeu+Kui f eudt ；其中，Kup和Kui分别为电池电压比例系数和电池电压积分系数，5. 4 < Kup < 12. 1,421<Kui < 606 ；(2. 6)计算有功电流误差eid :eid = i/_id ；(2. 7)计算有功调制电压Urd=Kipd (eid+Kdcudc)++Kiid / (eid+Kdcudc) dt ；其中，Kipd、Kiid, Kdc分别为交流有功电流比例系数、交流有功电流积分系数和直流母线电压前馈系数，13. 5 < Kipd < 30. 5,591 < Kiid < 851 ；Kdc = 2i0u0/(3ud)；(2. 8)计算无功电流误差ei(1 :eiq = iq*-iq ；其中，无功电流设定值G = _Q7ud，无功指令Q* = -6000Var 6000Var，由用户给定；(2.9)计算无功调制电压Uni:U = KiMei(1+Kii(1 f ei(1dt ；其中，交流无功电流比例系数Kipq = Kipd ；交流无功电流积分系数= Kiid ；将Urf和Uni送至第一信号发生模块；(3)第一信号发生模块进行下述操作(3. 1)将同步旋转坐标系下的u,d和Uni变换为三相静止坐标系下的a相、b相、c相调制电压uM、 urb Λ urc，(3.2)生成等效的a相、b相、c相空间矢量调制信号u' M、u' rb.其中，零序分量 uz = - [max (ura, urb, urc)+min (ura, urb, urc) ]/2 ；max 禾口 min 分另Ij为求最大值和求最小值的运算函数；(3. 3)生成驱动信号将u' M、u' rb,u' 分别与频率为20kHz，幅值为1的三角载波信号相比较，当u' ra大于三角载波信号瞬时值时，输出第一路驱动信号，当u ‘ ra低于三角载波信号瞬时值时，输出第二路驱动信号；当u' 大于三角载波信号瞬时值时，输出第三路驱动信号，当u' rb低于三角载波信号瞬时值时，输出第四路驱动信号；当u',。大于三角载波信号瞬时值时，输出第五路驱动信号，当u' rc低于三角载波信号瞬时值时，输出第六路驱动信号；将生成的第一 第六路驱动信号送至高频整流器；(4)第二信号发生模块进行如下操作(4. 1)产生幅值为0. 48的直流电平信号Urdc ；(4. 2)生成驱动信号将Urfe与频率为50kHz，幅值为1的锯齿波信号相比较，当Urfe大于锯齿波信号瞬时值时，输出第七路驱动信号，当urf。低于锯齿波信号瞬时值时，输出第八路驱动信号；将生成的第七、第八路驱动信号送至高频直流变压器；B.所述高频整流器采用三相半桥电压型高频整流器或者三相全桥电压型高频整流器，当所述高频整流器为三相半桥电压型高频整流器时，所述第一信号发生模块生成的第一 第六路驱动信号分别送至高频整流器的第一 第六路驱动信号接口 ；当所述高频整流器为三相全桥电压型高频整流器时，所述第一信号发生模块生成的第一路驱动信号分别送至高频整流器的第一、第四路驱动信号接口、第二路驱动信号分别送至高频整流器的第二、第三路驱动信号接口、第三路驱动信号分别送至高频整流器的第五、第八路驱动信号接口、第四路驱动信号分别送至高频整流器的第六、第七路驱动信号接口、第五路驱动信号分别送至高频整流器的第九、第十二路驱动信号接口、第六路驱动信号分别送至高频整流器的第十、第十一路驱动信号接口；C.所述高频直流变压器由高频逆变单元、高频变压器、高频整流单元构成，所述高频逆变单元输出端连接高频变压器原边，高频变压器副边连接高频整流单元；其中高频逆变单元采用全桥逆变电路、半桥逆变电路或者推挽电路；高频变压器的原、副边分别为一个或两个抽头；高频整流器单元采用全桥整流电路或双半波整流电路；当高频逆变单元采用全桥逆变电路时，所述第二信号发生模块生成的第七路驱动信号分别送至全桥逆变电路的第一、第四路驱动信号接口、第八路驱动信号分别送至全桥逆变电路的第二、第三路驱动信号接口 ；当高频逆变单元采用半桥逆变电路或者推挽电路时，所述第二信号发生模块生成的第七、第八路驱动信号分别送至半桥逆变电路或者推挽电路的第一、第二路驱动信号接口。
2.如权利要求1所述的充电机系统，其特征在于所述电池电流比例系数Kip和电池电流积分系数Kii的确定过程为(1)将Kip初始值取为5.1，Kii初始值取为0 ；(2)先调试Kip，查看此时高频直流变压器输出电流、波形是否振荡，是则增大Kip直至波形振荡消除，转过程(3)；否则直接转过程(3)；(3)固定Kip值，将Kii取为993，调试Kii，查看此时高频直流变压器输出电流iQ波形是否波动，是则加大Kii直至波动消除。
3.如权利要求1所述的充电机系统，其特征在于所述电池电压比例系数Kup和电池电压积分系数Kui的确定过程为(1)将Kup初始值取为5.4，Kui初始值取为0 ；(2)先调试Kup，查看此时高频直流变压器输出电压波形是否振荡，是则增大Kup直至波形振荡消除，转过程(3)；否则直接转过程(3)；(3)固定Kup值，将Kui取为421，调试Kui，查看此时高频直流变压器输出电压波形是否波动，是则加大Kui直至波动消除。
4.如权利要求1所述的充电机系统，其特征在于所述交流有功电流比例系数Kipd和交流有功电流积分系数Kiid的确定过程为(1)将Kipd初始值取为13.5，Kiid初始值取为0 ；(2)先调试Kipd，查看此时高频整流器输入电流波形是否振荡，是则增大Kipd直至波形振荡消除，转过程(3)；否则直接转过程(3)；(3)固定Kipd值，将Kiid取为591，调试Kiid，查看此时高频整流器输出电压波形是否波动，是则加大Kiid直至波动消除。
全文摘要
一种充电机系统，属于电力电子和电力自动化设备，适用于电动汽车充电场合，解决现有两级式充电机设备效率偏低的问题。本发明包括高频整流器、高频直流变压器和控制器，高频整流器和高频直流变压器通过直流母线连接，控制器生成第一～第六路驱动信号送至高频整流器，控制器生成第七、第八路驱动信号送至高频直流变压器，控制器包括采样调理模块、双闭环控制模块、第一信号发生模块以及第二信号发生模块。本发明具有高频整流器高功率因数、低电流谐波的特点以及高频直流变压器高效率、带电气隔离的特点，可以实现储能电池和动力电池的恒流充电和恒压充电两种工作模式，适用于电动汽车充电系统。
文档编号H02J7/10GK102570566SQ201210042619
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月23日 优先权日2012年2月23日
发明者刘宝其, 方支剑, 段善旭, 蔡涛, 陈昌松 申请人:华中科技大学