一种家庭电动汽车用大功率快速充电变流器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种家庭电动汽车用大功率快速充电变流器，其包括双向变流模块、单相交流电网接口、储能电池接口、电动汽车充电接口和变流器控制器；所述双向变流模块包括其间设置有所述储能电池接口的AC/DC变流模块和DC/DC变流模块；所述单相交流电网接口设置于AC/DC变流模块输入端；所述电动汽车接口设置于DC/DC变流模块输出端；所述变流器控制器通过采样线和控制线分别与所述AC/DC变流模块和所述DC/DC变流模块连接。本发明提供的技术方案通过在充电变流器中配置储能电池接口和梯次电池组，利用储能电池的快速放电功能满足电动汽车的大功率充电需求，大大缩短电动汽车的充电时间，且储能电池组还可以作为家庭用户的紧急备用电源。
【专利说明】
一种家庭电动汽车用大功率快速充电变流器
技术领域
[0001]本发明涉及电动汽车储能与快速充电领域，具体讲涉及一种家庭电动汽车用大功率快速充电变流器。
【背景技术】
[0002]电动汽车快速充电是电动汽车规模化发展的关键，截至目前，我国电动汽车充电站大多局限于电动公交汽车或内部集团用车，还没有建成真正面向不同用户的充电站服务网络。居民小区电动汽车的充电受到电网容量的限制，用户仅允许安装交流慢速充电粧，不满足安装充电粧的大多数老旧小区只能采用家用空调插座进行充电，充电难、充电慢成为制约电动汽车快速发展及高效使用的关键问题。
[0003]现有技术中，电动汽车交流慢速充电粧采用AC/DC单级变换结构，充电功率一般为
6.6kW，采用空调插座充电功率最高仅为3.3kW，对于容量在60kWh至80kWh的电动汽车，充电时间长达10至20多个小时，严重制约了电动汽车的的推广和使用效率。
[0004]为了解决电动汽车快速充电问题，本发明设计了一种适用于家庭电动汽车使用的大功率快速充电变流器系统，该系统配置与电动汽车电池容量一致的梯次储能电池系统，通过储能电池快速放电功能，满足电动汽车大功率快速充电需求。
【发明内容】
[0005]为满足现有技术的需要，本发明提供一种家庭电动汽车用大功率快速充电变流器。
[0006]本发明提供的家庭电动汽车用大功率快速充电变流器，其改进之处在于，所述充电变流器包括双向变流模块、单相交流电网接口、储能电池接口、电动汽车充电接口和变流器控制器；
[0007]所述双向变流模块包括其间设置有所述储能电池接口的AC/DC变流模块和DC/DC变流模块；
[0008]所述单相交流电网接口设置于AC/DC变流模块输入端；
[0009]所述电动汽车接口设置于DC/DC变流模块输出端；
[0010]所述变流器控制器通过采样线和控制线分别与所述AC/DC变流模块和所述DC/DC变流模块连接。
[0011 ]进一步的，所述AC/DC变流模块为采用PEBB结构的单相桥式IGBT;
[0012]所述AC/DC变流模块外围电路包括交流LC滤波器和直流稳压电容；
[0013]所述DC/DC变流模块为采用PEBB结构的三相桥式IGBT;
[0014]所述DC/DC变流模块外围电路包括LC滤波器。
[0015]进一步的，所述IGBT模块包括IGBT主电路、驱动电路、保护电路、传感器、缓冲电路和电容吸收电路。
[0016]进一步的，所述变流器控制器由DSP主控制器、FPGA辅助控制器、连接DSP和FPGA的外围电路和上位机控制模块组成。
[0017]所述DSP主控制器和FPGA辅助控制器通过地址总线和数据总线相连；
[0018]所述外围电路包括电压电流采样电路、光纤转换电路、功率管驱动电路、功率管保护电路、通?目电路；
[0019]所述上位机控制模块通过通信电路连接DSP主控制器。
[0020]进一步的，所述变流器控制器的控制流程为:
[0021](I)电压电流采样电路测量所述变流模块的电压电流信号并将其发送至DSP;
[0022](2)功率管保护电路采集变流模块输出的过流保护和过温保护信号并将其发送至FPGA ；
[0023](3)光纤转换电路将FPGA输出的PffM驱动电信号转换为光信号，并传送至功率管驱动电路；
[0024](4)功率管驱动电路将光信号转换为电信号并放大功率；
[0025](5)通信电路实现DSP与上位机控制模块的双向通信。
[0026]进一步的，所述变流器控制器实时监测并接收上位机下发的包括慢速充电、快速充电和不充电的控制命令和控制参数。
[0027]进一步的，所述变流器的充电情况包括:
[0028](I)接收慢速充电命令，电动汽车从家庭电网获取电能:所述AC/DC变流模块以整流模式运行，将电网交流电变为直流电；所述DC/DC模块以降压模式运行，将电网直流母线电压降至电动汽车充电电压。
[0029 ] (2)接收快速充电命令，且电池电量大于20%时，则DC/DC变流模块以降压模式运行，由储能电池对电动汽车提供快速充电。
[0030](3)无充电命令，且电池电量小于80 %时，则AC/DC变流模块按整流模式工作，由电网为储能电池补充能量。与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果:
[0031]1、本发明提供的技术方案针对家用供电网络容量小、功率超过一定的阈值会引起跳闸的情况，提供电动汽车快速充电变流器满足电动汽车的大功率快速充电需求，不仅解决了电动汽车快速充电难的问题，而在电网停电或供电紧张时，作为能量存储单元的储能电池可以提供家庭紧急用电；
[0032]2、本发明提供的技术方案在快速充电变流器直流母线侧扩展了储能电池接口，并配置梯次电池组，节约成本，同时，使得大量退役电池残余寿命得到合理延伸，缓解了退役电池的拆解对环境造成的巨大压力，环保效益显著；
[0033]3、本发明的技术方案中AC/DC变流模块及DC/DC变流模块均采用PEBB结构设计，一方面便于系统维护与升级，另一方面提高了充电系统工作可靠性；
[0034]4、本发明的技术方案根据电动汽车用充电粧的电路模型参数和电动汽车用动力电池的负载特性，设计了相应的数字采样、滤波算法和数字PID控制器，系统具有较高的调节精度和响应速度，可以满足不同动力电池的复杂充电要求。
[0035]5、本发明的技术方案将电动汽车交流慢速充电粧的10至20多个小时充电时间缩短到5个多小时范围内，大大缩短了电动汽车的充电时间，促进了家庭电动汽车的推广，提高了电动汽车的使用效率。
【附图说明】
[0036]图1为本发明提供的快速充电变流器的结构框图；
[0037]图2为本发明提供的快速充电变流器的主拓扑图；
[0038]图3为本发明提供的快速充电变流器的控制系统的控制过程示意图；
[0039]图4为本发明提供的快速充电变流器的控制流程图。
【具体实施方式】
[0040]为清楚的介绍本发明提供的大功率快速充电变流器，以下将结合说明书附图对本发明的具体实施例进行描述。
[0041 ]家用供电网络容量小，功率超过一定的阈值会引起跳闸，本发明在充电变流器拓扑中配置储能电池接口并配备梯次电池组，利用储能电池的快速放电功能满足电动汽车的大功率充电需求，另外储能电池组还可以作为家庭用户的紧急备用电源。本发明不仅解决了家庭用户电动汽车的快速充电问题，而且可以保证家庭用户的用电可靠性。
[0042]如图1所示的结构图，本发明的家用电动汽车快充变流器包括双向变流器模块、单相交流电网接口、储能电池接口、电动汽车充电接口和变流器控制器，其中控制系统基于DSP和FPGA结构搭建，实现对AC/DC变流模块和DC/DC变流模块的采样与控制;AC/DC变流模块的输入端与电网接口相连，DC/DC变流模块的输出端与电动汽车充电接口相连，储能电池接口设置在AC/DC变流模块和DC/DC变流模块之间。在电网用电高峰时期，储能电池组通过DC/DC变流模块提供电动汽车快速充电功能;在电网停电时期，储能电池组通过AC/DC模块提供家庭紧急用电；在电网用电低谷时期，电网接口通过AC/DC模块向储能电池充电，另外电网接口还可以通过AC/DC与DC/DC两级变流模块提供电动汽车慢速充电功能。
[0043 ]本发明提出的电动汽车快速充电变流器基本结构如图2所示，快速充电变流器由电网接口、AC/DC变流模块、储能电池系统接口、DC/DC变流模块和电动汽车充电接口组成。AC/DC变流模块和DC/DC变流模块均采用PEBB结构设计，其中AC/DC模块采用单相桥式IGBT实现，DC/DC模块采用三相桥式IGBT实现。IGBT模块是变流器功率变换主要载体，主要包括IGBT主电路、驱动电路、保护电路、部分传感器、缓冲电路、电容吸收电路等部件。
[0044]其中电网接口为家用单相交流电输入输出口，电压220V，最大输入输出电流32A;AC/DC变流模块结合其外围交流LC滤波电路和直流稳压电容实现电网交流电能与储能电池直流电能的双向转换功能:电网向储能电池充电时，AC/DC变流模块工作在整流模式:储能电池向电网回馈电能时，AC/DC变流模块工作在逆变模式。
[0045]储能电池系统接口设置在AC/DC变流模块与DC/DC变流模块间的直流母线处，母线电压为600V-800V，系统配置的梯次电池组连接至此接口，作为电网电能与电动汽车电能的中转站。当电动汽车需要快速充电时，电池组通过DC/DC变流模块向电动汽车快速放电；当电动汽车不需要充电且电网负荷谷期时，电池组通过AC/DC变流模块进行能量补给；当电网停电时，电池组通过AC/DC变流模块向电网回馈电能，提供家庭紧急用电。DC/DC变流模块结合其外围LC滤波电路实现直流母线直流电能与电动汽车直流电能的升降压转换功能:电池组向电动汽车充电时，根据电动汽车动力电池的电压等级确定DC/DC变流模块升压或降压工作模式；电动汽车充电接口配置在DC/DC变流模块的输出侧，匹配电动汽车直流充电标准接口，最大输出功率50kW。
[0046]电动汽车快速充电变流器控制器结构如图3所示，该控制系统包括DSP主控制器、FPGA辅助控制器、与DSP和FPGA相连的外围电路以及上位机控制模块。其中DSP主控制器主要用于系统的充放电控制算法实现，FPGA辅助控制器主要用于系统的开关控制、驱动信号处理、保护信号处理等辅助控制功能，两个控制器通过地址总线和数据总线相连接，实现数据高速传输，增强控制同步性。
[0047]与DSP和FPGA相连的外围电路包括电压电流采样电路、光纤转换电路、功率管驱动电路、功率管保护电路、通信电路等。电压电流采样电路测量AC/DC变流模块和DC/DC变流模块电压电流信号并送至DSP进行采样处理;光纤转换电路将FPGA输出的PWM驱动电信号转换为光信号，并经过光纤将信号传送至功率管驱动电路;功率管驱动电路将接收到的PWM驱动光信号转换为电信号并进行功率放大，最终驱动AC/DC变流模块和DC/DC变流模块的能量转换;功率管保护电路采集AC/DC变流模块和DC/DC变流模块输出的过流保护信号和过温保护信号并经过光纤通路传输至FPGA;通信电路实现DSP与上位机控制模块的双向通信功能。
[0048]DSP实时接收上位机下发的充放电指令及运行参数，并将采样反馈值与上位机指令值相比较，通过PI运算将结果送至事件管理器(EV)，改变PWM驱动信号输出占空比。其中AC/DC变流模块的HVM信号经FPGA消抖和去毛刺后直接输出给光纤转换电路和功率管驱动电路，控制IGBT的开断动作;DC/DC变流模块的PffM信号经FPGA移相后驱动IGBT动作。本专利AC/DC变流模块的4路P丽驱动信号由事件管理器A产生，DC/DC变流模块的6路P丽驱动信号由事件管理器B产生。同时，FPGA实时采集系统工作状态，控制变流器开关动作，另外当IGBT模块产生过流或过温保护信号时，保护信号首先送至FPGA，经FPGA处理后产生一个低电平信号触发主控制器I3DP中断，闭锁PffM输出，保护IGBT模块的运行安全。
[0049]电动汽车快速充电变流器控制流程如图4所示，变流器控制器实时监测并接收上位机下发的控制命令及参数，控制命令包括慢速充电、快速充电及不充电，控制参数包括充电电压、充电电流、充电时间等。
[0050]I)当控制器接收到慢速充电命令后，电动汽车从家庭电网获取电能，AC/DC变流模块以整流模式运行，将电网交流电转变为直流电，DC/DC变流模块以降压模式运行，将直流母线电压降至电动汽车充电电压提供慢速充电功能；
[0051]2)当控制器接收到快速充电命令后，首先判断储能电池电量:如果电池电量小于20%，则采取慢速充电方式;如果电池电量大于20%，则电动汽车从储能电池获取电能，AC/DC变流模块不运行，DC/DC变流模块以降压模式运行，将储能电池电压将至电动汽车充电电压提供快速充电功能；电动汽车快速充电过程中控制器实时监测储能电池电量，当储能电池电量小于20%时转为慢速充电方式，有效防止储能电池过度放电而导致的电池寿命缩短问题；
[0052]3)当控制器没有接到充电命令时，首先判断储能电池的电量，如果电池电量大于80%，则不为其补充能量，AC/DC变流模块和DC/DC变流模块不运行；如果电池电量小于80%，DC/DC变流模块不运行，AC/DC模块工作在整流模式，将电网交流电能转换为直流电能为储能电池补充能量，当储能电池电量达到100 %时，AC/DC变流模块自动停止运行。
[0053]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种家庭电动汽车用大功率快速充电变流器，其特征在于，所述充电变流器包括双向变流模块、单相交流电网接口、储能电池接口、电动汽车充电接口和变流器控制器;所述双向变流模块包括其间设置有所述储能电池接口的AC/DC变流模块和DC/DC变流模块； 所述单相交流电网接口设置于AC/DC变流模块输入端； 所述电动汽车接口设置于DC/DC变流模块输出端； 所述变流器控制器通过采样线和控制线分别与所述AC/DC变流模块和所述DC/DC变流模块连接。2.如权利要求1所述的快速充电变流器，其特征在于， 所述AC/DC变流模块为采用PEBB结构的单相桥式IGBT; 所述AC/DC变流模块的外围电路包括交流LC滤波器和直流稳压电容； 所述DC/DC变流模块为采用PEBB结构的三相桥式IGBT; 所述DC/DC变流模块的外围电路包括LC滤波器。3.如权利要求2所述的快速充电变流器，其特征在于，所述IGBT模块包括IGBT主电路、驱动电路、保护电路、传感器、缓冲电路和电容吸收电路。4.如权利要求1所述的快速充电变流器，其特征在于，所述变流器控制器由DSP主控制器、FPGA辅助控制器、连接DSP和FPGA的外围电路和上位机控制模块组成； 所述DSP主控制器和FPGA辅助控制器通过地址总线和数据总线相连接； 所述外围电路包括电压电流采样电路、光纤转换电路、功率管驱动电路、功率管保护电路、通?目电路； 所述上位机控制模块通过通信电路连接DSP主控制器。5.如权利要求1所述的快速充电变流器，其特征在于，所述变流器控制器的控制流程为: (1)电压电流采样电路测量所述变流模块的电压电流信号并将其发送至DSP; (2)功率管保护电路采集变流模块输出的过流保护和过温保护信号并将其发送至FPGA ； (3)光纤转换电路将FPGA输出的PffM驱动电信号转换为光信号，并传送至功率管驱动电路； (4)功率管驱动电路将光信号转换为电信号并放大功率； (5)通信电路实现DSP与上位机控制模块的双向通信。6.如权利要求5所述的快速充电变流器，其特征在于，所述变流器控制器实时监测并接收上位机下发的包括慢速充电、快速充电和不充电的控制命令和控制参数。7.如权利要求6所述的快速充电变流器，其特征在于，所述变流器的充电情况包括: (1)接收慢速充电命令，电动汽车从家庭电网获取电能:所述AC/DC变流模块以整流模式运行，将电网交流电变为直流电；所述DC/DC模块以降压模式运行，将电网直流母线电压降至电动汽车充电电压。 (2)接收快速充电命令，且电池电量大于20%时，则DC/DC变流模块以降压模式运行，由储能电池对电动汽车提供快速充电。 (3)无充电命令，且电池电量小于80%时，则AC/DC变流模块按整流模式工作，由电网为储能电池补充能量。
【文档编号】B60L11/18GK106059024SQ201610587438
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月22日 公开号201610587438.3, CN 106059024 A, CN 106059024A, CN 201610587438, CN-A-106059024, CN106059024 A, CN106059024A, CN201610587438, CN201610587438.3
【发明人】渠展展, 惠东, 闫涛, 朱观炜, 刘志波, 胡娟, 侯朝勇, 杨水丽, 许守平
【申请人】中国电力科学研究院, 国家电网公司, 国网上海市电力公司