一种电动汽车的充电系统及方法与流程

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电动汽车的充电系统及方法。

背景技术：

大功率直流充电是电动汽车快速充电的首选方式。目前，一个大功率直流充电桩通常包括多个并联的充电模块。例如，一个120kw的直流充电桩，可以包括6个并联的20kw的充电模块。

现有技术中，充电模块通常分为高频隔离型和工频隔离型两种，以高频隔离型应用的最为广泛。下面分别介绍高频隔离型和工频隔离型的充电模块。

高频隔离型充电模块：前级采用apfc(activepowerfactorcorrection)拓扑，后级采用高频隔离dc-dc变换器。

工频隔离型充电模块：工频变压器连接前级apfc拓扑，后级为非隔离dc-dc变换器。

上述两种隔离方式都满足了nb/t33001-2018中7.5.5电气隔离要求和gb/t18487.1-2015中能量传输过程中在线绝缘监测要求，充分考虑了直流充电桩给电动汽车充电时的安全问题。

以上标准要求在充电之前和充电过程中，均需要进行绝缘监测。绝缘监测时，需要进行隔离。但是不管是采用高频隔离还是工频隔离，隔离式的充电模块具有充电效率较低，成本较高的缺点。

技术实现要素：

本申请提供了一种电动汽车的充电系统及方法，能够在充电之前进行绝缘监测，并且可以提高充电效率，降低整个充电系统的成本。

本发明实施例提供一种电动汽车的充电系统，包括：非隔离ac-dc充电模块、隔离式ac-dc变换器和绝缘监测电路；

所述隔离式ac-dc变换器的输入端连接电网，所述隔离式ac-dc变换器的输出端连接直流母线；

所述隔离式ac-dc变换器，用于在电动汽车充电之前将所述电网提供的交流电整流为直流电，在所述电动汽车充电时不工作；

所述绝缘监测电路，用于在所述隔离式ac-dc变换器工作时，监测所述直流母线的对地绝缘电阻；

所述非隔离ac-dc充电模块的输入端连接所述电网，所述非隔离ac-dc充电模块的输出端连接所述直流母线的输入端；

所述非隔离ac-dc充电模块，用于在所述电动汽车充电时工作将所述电网提供的交流电整流为直流电；在所述电动汽车非充电时断开与所述电网的连接。

优选地，还包括：控制器和可控开关；

所述非隔离ac-dc充电模块的输入端通过所述可控开关连接所述电网；

所述控制器，用于在所述电动汽车非充电时，控制所述可控开关断开；在所述电动汽车充电时，控制所述可控开关闭合。

优选地，所述非隔离ac-dc充电模块包括以下任意一种：

基于vienna整流器的非隔离ac/dc充电模块、基于两电平pwm整流器的非隔离ac/dc充电模块、基于t型三电平整流器的非隔离ac/dc充电模块、基于i型npc整流器的非隔离ac/dc充电模块、基于anpc整流器的非隔离ac/dc充电模块和基于飞跨电容整流器的非隔离ac/dc充电模块。

优选地，所述非隔离ac-dc充电模块的输出端还包括以下任意一种dc-dc变换器：

buck、boost和buck-boost。

优选地，所述隔离式ac-dc变换器包括以下任意一种：

前级二极管不控整流加后级flyback变换器、前级二极管不控整流加后级推挽变换器、前级二极管不控整流加后级移相全桥变换器、前级二极管不控整流加后级移相半桥变换器、前级apfc加后级flyback变换器、前级apfc加后级推挽变换器、前级apfc加后级正激变换器、前级apfc加后级移相全桥变换器、前级apfc加后级移相半桥变换器、前级apfc加后级llc变换器和前级二极管不控整流加后级正激变换器。

优选地，所述隔离式ac-dc变换器的最大功率小于所述非隔离ac-dc充电模块的最大功率。

优选地，所述非隔离ac-dc充电模块至少包括以下两个：第一非隔离ac-dc充电模块和第二非隔离ac-dc充电模块；

所述第一非隔离ac-dc充电模块和第二非隔离ac-dc充电模块相互并联。

优选地，所述控制器，还用于通过所述绝缘监测电路检测的绝缘电阻判断绝缘正常时，控制所述隔离式ac-dc变换器给所述直流母线充电到预设阈值电压，再控制所述隔离式ac-dc变换器停止工作，控制所述可控开关闭合。

本申请实施例还提供一种电动汽车的充电控制方法，应用于所述的系统；包括：

充电之前，控制所述非隔离ac-dc充电模块与电网断开，控制所述隔离式ac-dc变换器将所述电网提供的交流电整流为直流电，控制所述绝缘监测电路监测直流母线的对地绝缘电阻；

绝缘监测完毕且绝缘正常时，控制所述隔离式ac-dc变换器停止工作，控制所述非隔离ac-dc充电模块的输入端连接电网，控制非隔离ac-dc充电模块为电动汽车进行充电。

优选地，在所述控制所述隔离式ac-dc变换器停止工作，之前还包括：

控制所述隔离式ac-dc变换器给所述直流母线充电到预设阈值电压，控制可控开关闭合，所述非隔离ac-dc充电模块的输入端通过所述可控开关连接所述电网。

从以上技术方案可以看出，本申请至少具有以下优点：

由于欧标仅要求在充电之前对充电系统进行绝缘监测，充电过程中不需要进行绝缘监测，因此，在充电之前本申请实施例采用隔离式ac-dc变换器工作，进行隔离，此时非隔离ac-dc充电模块与电网在物理和电气层面均断开。在绝缘监测进行完毕之后，隔离式ac-dc变换器退出工作，非隔离ac-dc充电模块才与电网连接，非隔离ac-dc充电模块进行电能转换，为电动汽车充电。由于隔离式ac-dc变换器仅在充电之前，进行绝缘监测时使用，因此，隔离式ac-dc变换器的功率可以很小，从而隔离式ac-dc变换器的体积也较小，成本较低。ac-dc变换器的体积主要是因为其中的隔离器件体积庞大，成本高。而非隔离ac-dc充电模块为非隔离式，少了一级隔离，可以提高充电效率，本身体积较小，成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的一种电动汽车的充电系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种电动汽车的充电系统的示意图；

图3为本申请提供的t型三电平整流器的非隔离ac/dc充电模块的示意图；

图4为本申请实施例提供的anpc整流器的非隔离ac/dc充电模块示意图；

图5为本申请实施例提供的又一种电动汽车的充电系统的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种电动汽车的充电控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请提供的技术方案，下面先介绍欧洲的电动汽车充电标准。iec68151-23-2014规定只需要在充电之前进行充电直流侧的正直流母线和负直流母线的对地绝缘监测，不需要在电动汽车充电过程中，即能量传输过程中在线进行绝缘监测。此标准认为在电动汽车充电之前确认充电桩本体可靠接地且实际绝缘等级符合标准，就可以确保安全，充电过程中的安全可以由充电枪来保证。因此，此标准认为只要方案能够在充电之前确认充电系统绝缘没问题，充电时采用非隔离的方案也可以。

因此，本申请实施例提供的技术方案是基于以上的标准规定，在充电之前进行绝缘监测，在充电过程中不进行绝缘监测。而由于绝缘监测时，需要将电网与直流侧进行隔离，因此，在充电之前本申请实施例采用隔离式ac-dc变换器工作，进行隔离，此时非隔离ac-dc充电模块与电网在物理和电气层面均断开。在绝缘监测进行完毕之后，隔离式ac-dc变换器退出工作，非隔离ac-dc充电模块才与电网连接，非隔离ac-dc充电模块进行电能转换，为电动汽车充电。由于隔离式ac-dc变换器仅在充电之前，进行绝缘监测时使用，因此，隔离式ac-dc变换器的功率可以很小，从而隔离式ac-dc变换器的体积也较小，成本较低。ac-dc变换器的体积主要是因为其中的隔离器件体积庞大，成本高。而非隔离ac-dc充电模块为非隔离式，少了一级隔离，充电效率较高，本身体积较小，成本较低。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

可以理解的是，本申请实施例中的“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等词仅是为了方便说明，并不构成对本申请的限定。

系统实施例：

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种电动汽车的充电系统示意图。

本实施例提供的电动汽车的充电系统，包括：非隔离ac-dc充电模块100、隔离式ac-dc变换器200和绝缘监测电路300；

所述隔离式ac-dc变换器200的输入端连接电网，所述隔离式ac-dc变换器200的输出端连接直流母线；

所述隔离式ac-dc变换器200，用于在电动汽车充电之前将所述电网提供的交流电整流为直流电，在所述电动汽车充电时不工作；

隔离式ac-dc变换器200的作用是在充电之前，进行直流侧绝缘监测时，将电网的交流电整流为直流侧提供给直流母线。

所述绝缘监测电路，用于在所述隔离式ac-dc变换器200工作时，监测所述直流母线的对地绝缘电阻；

由于绝缘监测需要直流侧与交流侧进行隔离，因此，利用隔离式ac-dc变换器200实现绝缘监测过程中的隔离。

所述非隔离ac-dc充电模块100的输入端连接所述电网，所述非隔离ac-dc充电模块100的输出端连接所述直流母线的输入端；

所述非隔离ac-dc充电模块100，用于在所述电动汽车充电时工作将所述电网提供的交流电整流为直流电；在所述电动汽车充电非充电时断开与所述电网的连接。

由于绝缘监测时，非隔离ac-dc充电模块100的输入端不能连接电网，否则绝缘监测无法完成，因此，绝缘监测时，需要非隔离ac-dc充电模块100的输入端断开与电网的连接，待绝缘监测完毕之后，充电时才将非隔离ac-dc充电模块100的输入端连接所述电网。

由于隔离式ac-dc变换器200仅在充电之前进行绝缘监测时工作，因此，隔离式ac-dc变换器200只需要提供绝缘监测可以正常进行工作的功率即可，功率可以较小，例如1kw。所述隔离式ac-dc变换器200的最大功率小于所述非隔离ac-dc充电模块100的最大功率。而非隔离ac-dc充电模块100需要在电动汽车充电时工作，提供充电功率，因此，非隔离ac-dc充电模块100的功率比较大，一般情况下，非隔离ac-dc充电模块100的功率一般可以是隔离式ac-dc变换器的几十倍，例如所述非隔离ac-dc充电模块的最大功率是所述隔离式ac-dc变换器的最大功率的20倍以上。具体地，当隔离式ac-dc变换器200的功率为1kw时，非隔离ac-dc充电模块100的功率可以为20kw、60kw或100kw。

由于本申请实施例提供的技术方案，作为充电时才使用的主功率变换模块-非隔离ac-dc充电模块100是非隔离式的，而作为充电之前仅绝缘监测时才使用的小功率模块是隔离式的，两者加在一起，也比现有技术中的一个隔离式的整流模块体积小，由于现有技术中仅包括一个隔离式的整流模块，在充电之前和充电过程中均使用，因此，功率较大，体积较大，成本很高。而本申请提供的架构体积较小，成本较低，满足充电之前进行绝缘监测的欧洲标准，而且也可以在保证正常充电。由于本申请提供的充电系统，在充电过程中，利用的是非隔离式整流器充电模块，少了一级隔离，因此，可以提高电能的转换效率，使充电效率更高。电能转换过程中，级数越多，则效率越低，每级自身都会浪费一定的电能。

为了更好地完成绝缘监测，需要在绝缘监测时，非隔离ac-dc充电模块断开与电网的连接，因此，该系统还可以包括：可控开关400和控制器500；如图2所示。

所述非隔离ac-dc充电模块100的输入端通过所述可控开关400连接所述电网；

所述控制器500，用于在所述电动汽车非充电时，控制所述可控开关400断开，目的是断开非隔离ac-dc充电模块100与电网的连接；在所述电动汽车充电时，控制所述可控开关400闭合，目的是将非隔离ac-dc充电模块100与电网接通。

本申请实施例中具体不限定可控开关400的具体类型和实现方式，可控开关400可以包括一个开关也可以包括多个开关，只要可以实现断开和闭合的功能即可。例如，可控开关400可以为继电器、断路器、接触器、igbt或mos等。

本实施例中对于非隔离ac-dc充电模块采用的具体拓扑不做限定，可以利用比较成熟的非隔离式整流器来实现。

例如，所述非隔离ac-dc充电模块可以包括以下任意一种：

基于vienna整流器的非隔离ac/dc充电模块、基于两电平pwm整流器的非隔离ac/dc充电模块、基于t型三电平整流器的非隔离ac/dc充电模块、基于i型npc整流器的非隔离ac/dc充电模块、基于anpc整流器的非隔离ac/dc充电模块和基于飞跨电容整流器的非隔离ac/dc充电模块。

具体可以参见图3，该图为本申请提供的一种t型三电平整流器的非隔离ac-dc充电模块示意图。

从图3可以看出，该整流器为三相整流器，包括12个开关管，分别为ta1-ta4；tb1-tb4和tc1-tc4。

另外，可以参见图4，该图为本申请提供的一种anpc整流器的非隔离ac-dc充电模块示意图。

从图4可以看出，该整流器为三相整流器，每相包括上桥臂和下桥臂，上桥臂包括三个开关管，下桥臂包括三个开关管。

由于t型三电平整流器和anpc整流器应用比较成熟，因此，在此不再赘述其具体的工作原理。

对于非隔离ac-dc充电模块可以包括两级，第一级为ac-dc模块，第二级为dc-dc变换器，第二级串联在第一级的输出端；

例如，所述非隔离ac-dc充电模块的输出端还包括以下任意一种dc-dc变换器：

buck、boost和buck-boost。

非隔离ac-dc充电模块包括的dc-dc变换器本实施例中不做具体限定，本领域技术人员可以根据实际需要选择一种dc-dc变换器。

对于隔离式ac-dc变换器本实施例中也不做具体限定，例如，所述隔离式ac-dc变换器可以采用以下任意一种：

前级二极管不控整流加后级flyback变换器、前级二极管不控整流加后级推挽变换器、前级二极管不控整流加后级移相全桥变换器、前级二极管不控整流加后级移相半桥变换器、前级apfc加后级flyback变换器、前级apfc加后级推挽变换器、前级apfc加后级正激变换器、前级apfc加后级移相全桥变换器、前级apfc加后级移相半桥变换器、前级apfc加后级llc变换器和前级二极管不控整流加后级正激变换器。

需要说明的是，以上的前级和后级是指前后两级dc-dc变换器，前级dc-dc变换器和后级dc-dc变换器串联。

在完成绝缘监测之后，为了在非隔离ac-dc充电模块与电网连接时，不会对非隔离ac-dc充电模块造成太大的电流冲击，可以在绝缘监测完成后，利用隔离式ac-dc变换器给所述直流母线进行充电，将直流侧的直流母线电压充值到预设阈值电压时，再控制所述隔离式ac-dc变换器停止工作，控制所述可控开关闭合，以使非隔离ac-dc充电模块与电网连接。此时，由于非隔离ac-dc充电模块的输入端和输出端的电压悬殊不太大，进而不会对其内部的开关管以及电容电感等其他电气元件造成损害，从而保护这些器件，延长其工作寿命。

需要说明的是，当非隔离ac-dc充电模块与电网连接后，隔离式ac-dc变换器停止工作，但是隔离式ac-dc变换器可以不断开与电网的连接。

其中，本实施例中不对预设阈值电压进行具体限定，设置阈值电压，可以起到保护非隔离ac-dc充电模块的电气元件的目的即可。例如，以上的预设阈值电压，对于单相电网系统，预设阈值电压可以为相电压的电压峰值；对于三相电网系统，预设阈值电压可以为线电压的电压峰值。

以上实施例提供的非隔离ac-dc充电模块可以为一个，也可以为多个，当非隔离ac-dc充电模块为多个时，多个非隔离ac-dc充电模块之间互相并联，目的是为了提高输出功率，增大充电功率。下面以非隔离ac-dc充电模块包括两个为例进行介绍。

参见图5，该图为本申请实施例提供的又一种电动汽车的充电系统的示意图。

所述非隔离ac-dc充电模块至少包括以下两个：第一非隔离ac-dc充电模块100a和第二非隔离ac-dc充电模块100b；

所述第一非隔离ac-dc充电模块100a和第二非隔离ac-dc充电模块100b相互并联。如图所示，第一非隔离ac-dc充电模块100a的输入端和第二非隔离ac-dc充电模块100b的输入端连接在一起，均通过可控开关400连接电网，可以理解的是，第一非隔离ac-dc充电模块100a和第二非隔离ac-dc充电模块100b可以共用一个可控开关，也可以分别对应一个可控开关，分别通过自己对应的可控开关连接电网，只不过需要两个可控开关同时动作。第一非隔离ac-dc充电模块100a的输出端和第二非隔离ac-dc充电模块100b的输出端连接一起，均连接直流侧。

基于以上实施例提供的一种电动汽车的充电系统，本申请实施例还提供一种电动汽车的充电控制方法。

参见图6，该图为本申请实施例提供的一种电动汽车的充电控制方法流程图。

本实施例提供的电动汽车的充电控制方法，应用于以上实施例介绍的系统；包括：

s501：充电之前，控制所述非隔离ac-dc充电模块与电网断开，控制所述隔离式ac-dc变换器将所述电网提供的交流电整流为直流电，控制所述绝缘监测电路监测直流母线的对地绝缘电阻；

s502：绝缘监测完毕且绝缘正常时，控制所述隔离式ac-dc变换器停止工作，控制所述非隔离ac-dc充电模块的输入端连接电网，控制非隔离ac-dc充电模块为电动汽车进行充电。

在充电之前进行绝缘监测，在充电过程中不进行绝缘监测。而由于绝缘监测时，需要将电网与直流侧进行隔离，因此，在充电之前本申请实施例采用隔离式ac-dc变换器工作，进行隔离，此时非隔离ac-dc充电模块与电网在物理和电气层面均断开。在绝缘监测进行完毕之后，隔离式ac-dc变换器退出工作，非隔离ac-dc充电模块才与电网连接，非隔离ac-dc充电模块进行电能转换，为电动汽车充电。由于隔离式ac-dc变换器仅在充电之前，进行绝缘监测时使用，因此，隔离式ac-dc变换器的功率可以很小，从而隔离式ac-dc变换器的体积也较小，成本较低。ac-dc变换器的体积主要是因为其中的隔离器件体积庞大，成本高。而非隔离ac-dc充电模块为非隔离式，本身体积较小，成本较低。

在完成绝缘监测之后，为了在非隔离ac-dc充电模块与电网连接时，不会对非隔离ac-dc充电模块造成太大的电流冲击，可以在绝缘监测完成后，利用隔离式ac-dc变换器给所述直流母线进行充电，因此，在所述控制所述隔离式ac-dc变换器停止工作，之前还包括：

控制所述隔离式ac-dc变换器给所述直流母线充电到预设阈值电压，控制可控开关闭合，所述非隔离ac-dc充电模块的输入端通过所述可控开关连接所述电网。

此时，由于非隔离ac-dc充电模块的输入端和输出端的电压悬殊不太大，进而不会对其内部的开关管以及电容电感等其他电气元件造成损害，从而保护这些器件，延长其工作寿命。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。