专利名称:一种电动汽车充电的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种电动汽车充电机，包括：模块化多电平换流器，接收三相交流电，用于对三相交流电整流，输出直流电；直流-直流变换器，用于对直流电的电压进行变换后输出给电动汽车的电池进行充电。本实用新型有效降低了交流侧电压、电流的谐波含量，当子模块达到一定数量时，交流侧电压、电流中几乎不存在谐波，无需装设交流滤波器，提高电网的电能质量和运行水平，提高继电保护的可靠性和控制系统的稳定性。
【专利说明】一种电动汽车充电机
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及电动汽车充电【技术领域】，具体地，涉及一种电动汽车充电机。
【背景技术】
[0002]能源危机、石油资源短缺、大气污染以及气温上升等问题，使得各国政府越来越重视电动汽车的发展，我国在电动汽车的发展上提供了很多政策和资金支持，各省电力公司都在大力推动电动汽车充电站和充电粧的建设。
[0003]电动汽车充电是通过充电机来实现的，充电机就是将电网电能通过一系列转换后变成满足电动汽车充电要求的装置。工作原理是:电网交流电经过整流后变成直流电，经过滤波电路后为DC/DC功率变换单元提供直流输入，功率变换单元的输出经过滤波后为电动汽车电池进行充电。充电过程中整流电路会产生谐波，谐波注入电网会造成电能质量下降甚至影响电网运行，如增加输电线路电能损耗、影响功率因数、降低继电保护的可靠性、干扰控制系统稳定性等。
[0004]目前在电动汽车充电领域，已有三相不可控六脉整流充电机和三相不可控十二脉整流充电机。
[0005]三相不可控六脉整流充电机是由三相桥式不可控整流器和高频变压器隔离型DC/DC变换器组成。三相电网线和充电机接通后，三相交流电经过不可控整流装置，变为直流，再经过滤波装置后，滤除直流中含有的部分交流谐波，然后再通过DC/DC变换单元，将高压直流电变为满足电动汽车电池充电时电压要求的低压直流电，对电池进行充电。
[0006]三相不可控六脉整流充电机会在电网中产生6k±l次谐波电流，谐波作为公用电网的一种污染，会使电网中用电设备所处的环境恶化，对电网造成消极影响，总的来说主要有以下几个方面:
[0007](I)对变压器:谐波电流会使铜耗增加，谐波电压会使铁耗增加，变压器会变热，谐波存在会增加变压器的噪声。
[0008](2)对电力电缆:谐波电流的存在会增加电力电缆的线损。
[0009](3)对开关和继电保护:谐波的存在有可能导致开关或保护装置的误动，造成不必要的损失。
[0010](4)对用电设备:当电力系统谐波电流和用电机械谐振频率重合时，会发生共振，对机械设备造成损害。
[0011](5)对计量设备:谐波的存在会使计量设备出现误差，用户缴费增加。
[0012]三相不可控十二脉整流充电机是由两个三相不可控六脉整流电路串联组成。整流变压器一次侧线电流的波形随变压器的联结方式不同而不同，因此利用变压器联结方式不同引起的变化可以构成多脉整流电路。对于变压器YyO联结，变压器一、二次电压和电流的波形和相位都相同；对于Ydll联结，一次侧线电流的基波和正序谐波分量比二次侧滞后30°，而一次侧线电流的负序谐波分量比二次侧超前30°。三相不可控十二脉整流充电机中，变压器联结方式采用Y/yO/dl I。
[0013]三相不可控十二脉整流充电机会在电网中产生12k±l次谐波电流，虽然可以在变压器高压侧抵消5次、7次谐波电流，但电流总畸变率仍相对较大。在变压器低压侧谐波电压、电流并没有得到改善，超过国家允许值。
[0014]为了减少谐波，亟需研宄和开发一种新型的电动汽车充电技术。
实用新型内容
[0015]本实用新型实施例的主要目的在于提供一种电动汽车充电机，以解决现有的电动汽车充电技术中整流电路产生谐波，谐波注入电网造成电能质量下降甚至影响电网运行的冋题。
[0016]为了实现上述目的，本实用新型实施例提供一种电动汽车充电机，包括:
[0017]模块化多电平换流器，接收三相交流电，用于对所述三相交流电整流，输出直流电；
[0018]所述模块化多电平换流器包括三个相单元；其中，每一相单元由上桥臂和下桥臂组成；所述上桥臂和所述下桥臂均包括串联连接的一个电抗器和N个子模块，N为偶数且N彡2 ;
[0019]所述子模块包括两个开关组、一个电容以及两个接入端；所述开关组由反向并联的一绝缘栅双极型晶体管IGBT和一二极管组成；所述两个开关组串联连接；所述电容与所述串联连接的两个开关组并联连接；其中一个所述开关组的两端分别连接所述两个接入端，所述两个接入端与相邻的子模块串联连接；
[0020]直流-直流变换器，连接所述模块化多电平换流器，用于接收所述模块化多电平换流器输出的直流电，对所述直流电的电压进行变换后输出给电动汽车的电池进行充电。
[0021]借助于上述技术方案，本实用新型在整流环节采用了模块化多电平换流器以阶梯波逼近正弦波，有效降低了交流侧电压、电流的谐波含量，当子模块达到一定数量时，交流侧电压、电流中几乎不存在谐波，无需装设交流滤波器，提高电网的电能质量和运行水平，提高继电保护的可靠性和控制系统的稳定性。
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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他的附图。
[0023]图1是本实用新型提供的电动汽车充电机的结构框图；
[0024]图2是本实用新型提供的模块化多电平换流器的结构示意图；
[0025]图3是本实用新型提供的子模块的结构示意图；
[0026]图4(a)、4(b)是本实用新型提供的并联常开开关或常闭开关的子模块结构示意图；
[0027]图5(a),5(b)是本实用新型提供的并联晶闸管的子模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0029]本实用新型提供一种电动汽车充电机，如图1所示，该电动汽车充电机包括:模块化多电平换流器11、直流-直流变换器12。
[0030]模块化多电平换流器，接收三相交流电，用于对三相交流电整流，输出直流电。
[0031]如图2所示，模块化多电平换流器包括三个相单元；其中，每一相单元由上桥臂和下桥臂组成；上桥臂和下桥臂均包括串联连接的一个电抗器和N个子模块SM(SubModule)，N为偶数且N彡2。
[0032]如图3所示，子模块包括两个开关组、一个电容以及两个接入端；开关组由反向并联的一绝缘栅双极型晶体管IGBT和一二极管组成；两个开关组串联连接；电容与串联连接的两个开关组并联连接；其中一个开关组的两端分别连接两个接入端，两个接入端与相邻的子模块串联连接。
[0033]下面对模块化多电平换流器中各个元件的功能进行说明:
[0034](I)子模块:整流电路上/下桥臂子模块的选择性投入或切出可以在交流侧形成阶梯波以逼近正弦波，而每个相单元投入的总模块数恒定不变，维持直流电压的稳定。
[0035](2)电抗器:电抗器可以减小整流电路电流的变化梯度，减少交流侧电流谐波，使之无需经过滤波器而满足并网要求。
[0036](3) IGBT:在单个子模块内，通过控制两个IGBT的开启与闭合实现将该子模块从上/下桥臂中投入或切出。
[0037](4) 二极管:与IGBT配合构成电流从交流侧到直流侧的通路。
[0038](5)电容:用来储存电能。
[0039]直流-直流变换器，连接模块化多电平换流器，用于接收模块化多电平换流器输出的直流电，对直流电的电压进行变换后输出给电动汽车的电池进行充电。
[0040]具体的，直流-直流变换器执行以下工作:
[0041](I)确定电动汽车的电池所需的直流电压等级；
[0042](2)利用降压斩波电路对整流环节输出的直流电压进行变换，使得直流电压满足电动汽车电池的充电要求。
[0043]考虑到各个子模块在频繁地从所属桥臂中投入或切出的过程中容易发生故障，为了避免因子模块发生故障而影响正常的充电过程，本实用新型对图2所示的模块化多电平换流器进行如下改进:
[0044](I)在上、下桥臂中均设置N个常开开关，这N个常开开关与已有的N个子模块一一对应，如图4(a)所示，常开开关并联于对应子模块的两个接入端之间；
[0045](2)除了已有的N个子模块之外，在上、下桥臂中均再设置至少一个子模块(以下简称备用模块)，并为这些备用子模块设置一一对应的常闭开关，如图4(b)所示，常闭开关并联于对应子模块的两个接入端之间。
[0046]基于上述改进后的模块化多电平换流器，本实用新型中当出现故障的子模块时，只需闭合故障子模块对应的常开开关，即可短路故障的子模块；并且断开常闭开关，以接通对应的备用子模块代替故障的子模块工作。其中，接通的备用子模块数目与同时刻出现故障的子模块数目相等。例如，若上/下桥臂中同时有两个子模块发生故障，则接通两个备用子模块代替该故障的子模块。
[0047]图4(a)所示的子模块中，当直流两极被短路时，与IGBT并联的二极管容易受来自交流侧的冲击电流而损坏，为了保护二极管，在一种较佳的实施例中，如图5(a)所示，本实用新型在两接入端之间并联一晶闸管，当直流两极之间发生短路时该晶闸管能够快速导通，承受来自交流侧的大部分冲击电流，使得与IGBT并联的二极管得以被保护。
[0048]类似的，如图5(b)所示，对于备用子模块，也在其两接入端之间并联一晶闸管，使得与IGBT并联的二极管得以被保护。
[0049]在现有的三相不可控六脉或十二脉整流技术中，整流电路会产生谐波，谐波注入电网会造成电能质量下降甚至影响电网运行，为了减少谐波，在整流环节，采用了模块化多电平换流器以阶梯波逼近正弦波，有效降低了交流侧电压、电流的谐波含量，当子模块达到一定数量时，交流侧电压、电流中几乎不存在谐波，无需装设交流滤波器，提高电网的电能质量和运行水平，提高继电保护的可靠性和控制系统的稳定性。基于模块化多电平换流器的电动汽车充电技术控制系统简单，主体部分、控制和保护系统中均采用了模块化结构，结构易于扩展，便于商业化电动汽车充电站整体化设计，可广泛应用于各种电动汽车充电站中。
[0050]综上所述，本实用新型实施例提供的电动汽车充电机具有以下有益效果:
[0051](I)通过电平的阶梯状变化逐步逼近整流器交流侧电压，任何时刻桥臂电压的改变量均不会超过一个电平，交流端输出电压会以很小的增量改变，且电平数越高，充电机交流侧电压、电流谐波含量越少。
[0052](2)通过模块化多电平换流器整流电路可以减小充电机直流端输出电压的纹波系数。
[0053](3)通过模块化多电平换流器整流电路可以降低器件的开关频率，从而减小整流电路的开关损耗，提高充电过程中电能的传输效率。
[0054](4)通过投入或切除子模块可以调整充电功率和直流电压等级，以适应不同电池对充电功率和直流电压等级的要求。
[0055](5)交流侧无需装设滤波器，提高了充电系统的可靠性，减少了充电粧的占地面积和工程造价。
[0056]以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电动汽车充电机，其特征在于，包括: 模块化多电平换流器，接收三相交流电，用于对所述三相交流电整流，输出直流电； 所述模块化多电平换流器包括三个相单元；其中，每一相单元由上桥臂和下桥臂组成；所述上桥臂和所述下桥臂均包括串联连接的一个电抗器和N个子模块，N为偶数且N多2 ; 所述子模块包括两个开关组、一个电容以及两个接入端；所述开关组由反向并联的一绝缘栅双极型晶体管IGBT和一二极管组成；所述两个开关组串联连接；所述电容与所述串联连接的两个开关组并联连接；其中一个所述开关组的两端分别连接所述两个接入端，所述两个接入端与相邻的子模块串联连接； 直流-直流变换器，连接所述模块化多电平换流器，用于接收所述模块化多电平换流器输出的直流电，对所述直流电的电压进行变换后输出给电动汽车的电池进行充电。2.根据权利要求1所述的电动汽车充电机，其特征在于，所述上桥臂和所述下桥臂均还包括:与所述N个子模块一一对应的N个常开开关，所述常开开关并联于对应子模块的两个接入端之间； 所述上桥臂和所述下桥臂均还包括:所述N个子模块之外的至少一个子模块，以及与所述至少一个子模块一一对应的至少一个常闭开关，所述常闭开关并联于对应子模块的两个接入端之间。3.根据权利要求2所述的电动汽车充电机，其特征在于，所述子模块还包括:晶闸管；所述晶闸管并联于所述两个接入端之间。
【文档编号】H02J7-02GK204271722SQ201420692247
【发明者】王鹏伍, 傅军, 孙志杰, 陈洪涛, 李雪梅, 杨一帆, 朱天博, 许鑫, 周国鹏, 方茂益, 张艳丽, 王莉, 谢枫, 张凌宇, 刘晓伟, 巩冬梅, 程杰, 牛逸宁 [申请人]国家电网公司, 国网冀北电力有限公司电力科学研究院, 华北电力科学研究院有限责任公司