一种双向多功能车载式充电机的制作方法

1.本实用新型涉及一种电能变换装置，更具体地说涉及一种双向多功能车载式充电机。


背景技术：

2.各国政府汽车巨头相继宣布停产燃油车时间表，新能源汽车及储能系统的需求不断扩大，如何提高新能源汽车及储能产品充电机的充电性能和安全成为了各厂家发展的重点。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术不足及未来市场需求而提供一种将电网交流电能转换为直流电能，同时又可以将直流电能转为交流电能并入电网或直接供负载的结构简单、智能高效的双向电能变换器装置。
4.本发明的目的是通过以下措施来实现：一种双向多功能车载式充电机，包含有交流侧和直流侧，交流侧为电网或专用负载，直流侧为连接储存电能的电容或电池等，交流侧和直流侧之间还包含有主电路、控制电路，主要包含有lcl拓扑模块、交流电流检测模块、交流电压检测模块、直流侧采样模块、单相全桥单元、专用处理器单元、脉冲变换器单元和中央处理器单元。
5.所述的一种双向多功能车载式充电机，其特征还在于：交流侧两端与lcl拓扑单元1和4端连接，lcl拓扑单元2端与交流电流检测模块的l1out端连接，交流电流检测模块的另一端与单相全桥单元的vac_l连接，lcl拓扑单元3端与单相全桥单元的vac_n连接，单相全桥单元的输出端vdc+和vdc-与直流侧的正负两端相连，并与直流侧采样模块的两端相连；交流侧的两端与交流电压检测模块的l和n端相连；交流电流检测模块、交流电压检测模块、直流侧采样模块、交流电压检测模块接入到中央处理器单元，中央处理器单元分两路输出分别为控制总线1和控制总线2，其中控制总线1连同电网电压、电网电流接入到专用处理器单元并经处理后输出驱动脉冲信号，控制总线2连同专用处理器单元输出的驱动脉冲信号和交流电压检测模块的过零检测信号接入到脉冲变换器单元并产生四路驱动信号分别接入单相全桥单元的pwm1、pwm2、pwm3、pwm4。
6.所述的lcl拓扑单元，lcl电路单元由电感l1、电容c1、电感l2组成，c1的一端与l1连接，c1的另一端与l2连接；所述的单相全桥单元，全桥电路有两个桥臂组成和电容c2组成，第一桥臂由q1和q2上下连接组成，第二桥臂由q3和q4上下连接组成；q1的一端与直流母线vdc+相连，另一端与q2和vac_l相连，q2的另一端与直流母线vdc-相连；q3的一端与直流母线vdc+相连，另一端与q4和vac_n相连，q4的另一端与直流母线vdc-相连；c2的一端与vdc+相连，另一端与与vdc-相连。q1和q3含有碳化硅体二极管或并连有碳化硅二极管，q2和q4为碳化硅或碳化钾功率器件并分别内含有体二极管或并联有二极管。q1和q2和q3和q4四个功率器件，在不同的工作模式下，动作方式不同。在馈电工作模式下，q1和q3在工频赫兹下
互补交替动作，q2和q4交替高频动作，见图5所示。在充电工作模式下，q1和q3被锁死不动作，q2和q4半周交替高频动作另半周交替常开，见图6所示。在放电工作模式下，q1和q2上下互补高频动作，q3和q4上下互补高频动作，q1和q4同步，q2和q3同步，见图7所示。
7.所述的专用处理器单元同时实现并网逆变和整流两个功能，通过外围电路可搭建电流或电压的两个闭环控制器，如uc2854但不限于该型号。
8.所述的脉冲变换器单元由逻辑门分立器件搭建或cpld编程来实现，其功能是将一路驱动信号转换为四路驱动信号来分配给全桥单元中的四个功率器件。
9.所述的中央处理器单元为可编程的数字信号处理器，如tms28系列的处理器但不限于该信号，作为整个系统的控制处理中心，执行对系统中各个模块单元的数据分析处理和控制指令的中心控制单元。
10.与现有技术相比，由于采用了本发明而提出的一种双向多功能车载式充电机，具有以下优点：本发明用最简的主拓扑电路结构实现了三种功能要求，第一是把直流电能向电网进行并网逆变，一般称为馈电，既是把直流侧的直流电能转换为与电网同频同相的交流电能输送至电网侧，无论是并网电流的总谐波畸变率还是功率因数都能满足国家标准要求，电流的总谐波畸变率小于3%，功率因数为1；第二是把电网侧的交流电能向直流侧转换，一般称为充电，既是把电网侧的交流电能向直流侧进行充电，无论是充电电流的总谐波畸变率还是功率因数都能满足国家标准要求，电流的总谐波畸变率小于3%，功率因数为-1；第三是把直流电能转换为交流电能供负载，一般称为放电，既是把直流侧储存的电能通过逆变输出正弦波的交流电供专用负载用电，其中输出的交流电压波形的总谐波畸变率小于5%，满足一切交流负载需求。本发明的优点除了实现以上三点功能的外，而且又实现了馈电、充电及放电三者之间的瞬时灵活切换，以满足用户的能源管理需求。本发明为一种智能高效高可靠性低成本多功能的电能变换技术，在储能及新能源汽车系统中有广阔的应用前景。
11.附图说明：
12.图1为本发明的系统方框图。
13.图2为本发明的lcl单元的拓扑结构。
14.图3为本发明的单相全桥单元的拓扑结构。
15.图4为本发明的电压电流闭环控制框图。
16.图5为本发明的馈电运行模式下全桥功率器件驱动脉冲图。
17.图6为本发明的充电运行模式下全桥功率器件驱动脉冲图。
18.图7为本发明的放电运行模式下全桥功率器件驱动脉冲图。
19.具体实施方式：
20.下面结合附图对具体实施方式作详细的说明：
21.在图1所示本发明的系统框图中，一种双向多功能车载式充电机，一端与交流侧如电网或交流负载相连接，另外一端与直流侧如电容或电池相连接。在交流侧和直流侧之间的中间变换环节，包含有lcl拓扑单元1和单相全桥单元3，1和3单元构成了电能变换器的主回路；又包含有交流电流检测模块2、交流电压检测模块5和直流侧采样模块4，2和5和4单元构成了整个变换器的采样电路部分；中央处理器6和专用处理器7和脉冲变换器8构成了整个系统的控制回路部分。
22.主回路中的lcl拓扑电路如图2所示，有电感l1和电容c1和电感l2构成，该电路中的电感和电容在不同的电能变换模式下，所起到的作用不同。在馈电工作模式下，电感和电容构成了对并网输出电流的lc滤波电路。在放电工作模式下，电感和电容构成了对输出电压的lc滤波电路。在充电工作模式下，电感电容不仅对充电电流起到了平滑滤波作用，而且l1和l2在正负半周还起到了升压电感的作用。
23.主回路中的单相全桥电路如图3所示，全桥电路有两个桥臂组成和电容c2组成，第一桥臂由q1和q2上下连接组成，第二桥臂由q3和q4上下连接组成；q1的一端与直流母线vdc+相连，另一端与q2和vac_l相连，q2的另一端与直流母线vdc-相连；q3的一端与直流母线vdc+相连，另一端与q4和vac_n相连，q4的另一端与直流母线vdc-相连；c2的一端与vdc+相连，另一端与与vdc-相连；q1和q3含有碳化硅体二极管或并连有碳化硅二极管，q2和q4为碳化硅或碳化钾功率器件并分别内含有体二极管或并联有二极管。q1和q2和q3和q4四个功率器件，在不同的工作模式下，动作方式不同。在馈电工作模式下，q1和q3在工频赫兹下互补交替动作，q2和q4交替高频动作，见图5所示。在充电工作模式下，q1和q3被锁死不动作，q2和q4半周交替高频动作另半周交替常开，见图6所示。在放电工作模式下，q1和q2上下互补高频动作，q3和q4上下互补高频动作，q1和q4同步，q2和q3同步，见图7所示。
24.在图1所示的系统控制框图中，还包含有采样电路。2、4、5为三个采样模块，2为交流电流检测模块用于采集交流侧的电流值的大小，4为直流侧采样模块用于采集直流侧所需要的电压和电流值的大小，5为交流电压检测模块用于采集交流电压值的大小和电网过零时刻形成正负半周方波信号，所有的采样信号的输出与主回路之间都有隔离。
25.采样电路采集的全部电压、电流及过零方波信号全部送给中央处理器单元6，参与控制和必要的计算，中央处理器单元采用的是ti公司生产的tms28系列型号的数字信号处理器，在模数转换、数据运算处理、pwm脉冲中断控制等方面的速度都能满足要求，开关频率可控制在15khz至100khz之间，这个可以根据采用功率器件型号做适当的调整。经过单元6处理的数据一部分用于通讯交互，还有就是通过总线1和总线2参与专用处理器7和脉冲变换器8的控制。
26.采样信号经必要的调制电路处理后其中的交流电压和交流电流值送给专用处理器单元7，参与馈电或充电模式下的电流的瞬时控制。7单元采用的是具有功率因数校正功能的专用处理器。其经过闭环处理后输出的驱动脉冲信号，被单元6根据不同的工作模式用于驱动不同的功率器件从而实现不同的功能要求。
27.采样信号经必要的调制电路处理后其中的电网过零方波信号送给脉冲变换器单元8，脉冲变换器单元8是用与门、或门、非门等逻辑门电路根据不同的组合搭建而成，其中的输入信号为电网过零方波信号和单元7输出的高频驱动脉冲信号，两路信号经单元8处理后输出四路驱动信号，四路驱动信号有三种动作方式见图5、图6和图7。具体那种方式输出来驱动功率器件总体受中央处理器单元6的控制。
28.上面结合附图描述了本发明的实施方式，实施例给出的结构并不构成对本发明的限制，本领域内熟悉的技术人员在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改均在保护范围内。