一种新型的新能源汽车双向充放电装置的制作方法

1.本实用新型属于新能源汽车充电技术领域，尤其涉及一种新型的新能源汽车双向充放电装置。


背景技术：

2.目前，我国作为最大的能源消费国，随着石油能源近年来日益紧缺以及汽车污染物排放问题的加重。新能源汽车开始受到广泛关注，我国2020年新能源汽车的销量总计136.7万辆，已连续三年超过100万辆，作为随机性大功率用电设备，大量的新能源汽车接入电网必将加重电力系统的负担。为了减小电网负担，使车载电池与电网之间能实现电能的双向流动；在晚上不用汽车的时候，家用电器负荷较大时将停在车库不动的电动汽车作为储能单元将能量流向电网，解决大规模用户用电问题；在家用电器负荷较小时，电网通过对新能源车有序充电将能量传输到电动汽车上，这样就可以将大量新能源汽车作为智能电网的新能源储能单元，这一实现电网能量与车载动力电池能量之间双向流动的技术(v2g)，对于新能源储能、电动汽车普及智能电网建设均有重大意义。
3.在新能源汽车作为电网中的分布式储能单元的这一过程中，除了智能电网的控制以及电动汽车长寿命电池的技术攻关外，新能源汽车双向充放电装置的技术攻关也是其中很重要的一个部分。双向充放电装置不仅需要具备快速高效地给电动汽车锂电池充电的功能，同时要保证所产生尽量小的电流谐波。选择合适的变换器能使能量传输效率，电能质量更高，能够有效延长电池寿命以及减少并网时谐波对电网的影响。传统双向充放电装置在与蓄电池接触的直流变换器上一般采用具有变压器的隔离型结构,具有抗干扰能力强，可以多路输出，有很宽的电压范围等优点；但随着接入电网的新能源汽车的增多，其转化效率较低，变压器体积较大导致充电装置体积增大，成本高，设计复杂等缺点被放大。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中采用具有变压器的隔离型结构随着接入电网的新能源汽车的增多，其转化效率较低，变压器体积较大导致充电装置体积增大，成本高，设计复杂。
5.解决以上问题及缺陷的难度为：要降低变压器体积，提高转化效率；在不改变变压器结构的情况下，只能提高开关频率，这样带来的后果就是开关损耗增大，则整体装置的效率还是得不到提升。由于新能源汽车的广泛推广，该损耗带来的能源损失及经济损失将愈发增多。
6.解决以上问题及缺陷的意义为：提高新能源汽车充放电装置的转化效率，可以将大量的电动汽车与电网互动过程中导致损耗有效规避，可以更加高效地解决电网储能以及供电问题，通过非隔离的结构，可以节省变压器成本，降低器件体积及重量。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种新型的新能源汽车双向充放电装置。
8.本实用新型是这样实现的，一种新型的新能源汽车双向充放电装置，所述新型的新能源汽车双向充放电装置设置有：
9.电网；
10.电网与双向三相ac/dc变换器连接，双向三相ac/dc变换器与双向三相交错并联dc/dc变换器连接，双向三相交错并联dc/dc变换器与新能源汽车蓄电池连接。
11.进一步，双向三相交错并联dc/dc变换器内部连接关系为：
12.r1、r2与r3表示实际工作时电感l1、l2与l3的寄生电阻；电感l1、电阻r1、开关管s1组成第一串联电路；电感l2、电阻r2、开关管s2组成第二串联电路；电感l3、电阻r3、开关管s3组成第三串联电路；电容c1、母线c2分别与第一串联电路、第二串联电路、第三串联电路串联，三个串联支路并联，第一串联电路连接有开关管s1’
，第二串联电路连接有开关管s2’
，第三串联电路连接有开关管s3’
。
13.进一步，双向三相ac/dc变换器3内部连接关系为：
14.开关管t1、开关管t4组成第四串联电路，开关管t3、开关管t6组成第五串联电路，开关管t5、开关管t2组成第六串联电路；r4、r5与r6表示实际工作时电感l4、l5与l6的寄生电阻；第四串联电路与电感l4连接，电感l4与电阻r4连接，电阻r4与电网ea端连接；第五串联电路与电感l5连接，电感l5与电阻r5连接，电阻r5与电网eb端连接；第六串联电路与电感l6连接，电感 l6与电阻r6连接，电阻r6与电网ec端连接。
15.结合上述的所有技术方案，本实用新型所具备的优点及积极效果为：
16.本实用新型通过智能电网调度，通过双向充放电装置连接新能源汽车蓄电池与电网，实现了新能源汽车的有序充电；本实用新型改善了传统双向充放电装置的拓扑结构，采用非隔离的结构设计，提高了充放电的工作效率。
17.本实用新型在电网连接侧采用双向三相ac/dc变换器，相比于两相充放电装置，在实现能量与直流母线双向流动的同时，减小了母线电压的纹波，提高了前级的能量转换效率。
18.本实用新型在新能源汽车连接侧采用双向三相交错并联dc/dc变换器，通过交错并联的结构降低电流谐波，减小开关管的应力，降低了开关损耗，同时由于不需要变压器结构，消除了传统隔离型充放电装置的变压器损耗的同时，减小了双向充放电装置的体积，降低了变压器成本。
19.下表为本实用新型样机的系统参数：
20.[0021][0022]
下图为本实用新型样机实际运行波形：
[0023]
交错并联各支路电流如图4：
[0024]
交流侧波形如图5、图6：
[0025]
交流侧波形如图5
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
[0027]
图1是本实用新型实施例提供的新型的新能源汽车双向充放电装置结构示意图。
[0028]
图2是本实用新型实施例提供的新型新能源汽车双向充放电框图。
[0029]
图3是本实用新型实施例提供的电池组、中间电容和电网连接示意图。
[0030]
图中：1、新能源汽车蓄电池；2、双向三相交错并联dc/dc变换器；3、双向三相ac/dc变换器；4、电网。
[0031]
图4是本实用新型实施例提供的样机实际运行中交错并联各支路电流图。
[0032]
图5是本实用新型实施例提供的样机实际运行中交流侧波形图一。
[0033]
图6是本实用新型实施例提供的样机实际运行中交流侧波形图二。
具体实施方式
[0034]
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用
新型，并不用于限定本实用新型。
[0035]
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种新型的新能源汽车双向充放电装置，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。
[0036]
如图1所示，本实用新型实施例提供的新型的新能源汽车双向充放电装置设置有电网4，电网4与双向三相ac/dc变换器3连接，双向三相ac/dc变换器3与双向三相交错并联dc/dc变换器2连接，双向三相交错并联dc/dc变换器2与新能源汽车蓄电池1连接。
[0037]
双向三相交错并联dc/dc变换器2内部连接关系为：
[0038]
r1、r2与r3表示实际工作时电感l1、l2与l3的寄生电阻；电感l1、电阻r1、开关管s1组成第一串联电路；电感l2、电阻r2、开关管s2组成第二串联电路；电感l3、电阻r3、开关管s3组成第三串联电路；电容c1、母线c2分别与第一串联电路、第二串联电路、第三串联电路串联，三个串联支路并联，第一串联电路连接有开关管s1’
，第二串联电路连接有开关管s2’
，第三串联电路连接有开关管s3’
。
[0039]
双向三相ac/dc变换器3内部连接关系为：
[0040]
开关管t1、开关管t4组成第四串联电路，开关管t3、开关管t6组成第五串联电路，开关管t5、开关管t2组成第六串联电路；r4、r5与r6表示实际工作时电感l4、l5与l6的寄生电阻；第四串联电路与电感l4连接，电感l4与电阻r4连接，电阻r4与电网ea端连接；第五串联电路与电感l5连接，电感l5与电阻r5连接，电阻r5与电网eb端连接；第六串联电路与电感l6连接，电感 l6与电阻r6连接，电阻r6与电网ec端连接。
[0041]
本实用新型的采用器件如下：
[0042]
dc/dc：
[0043]
升压电感l1、r1与s1’
串联构成第一串联支路，与c1构成回路在开关管闭合时给电感充电；l1、r1与s1串联构成第二串联支路，与c1、c2构成回路，在开关管段开始时给电感l1与c1给母线c2充电；
[0044]
l2、r2与s2’
构成第三串联支路，并与第一串联支路并联；
[0045]
l2、r2与s2构成第四串联支路，第二串联支路并联；
[0046]
l3、r3与s3’
构成第五串联支路，并与第一、三串联支路并联；
[0047]
l3、r3与s3构成第六串联支路，并与第二、四串联支路并联；
[0048]
dc/ac:
[0049]
三相电网a相电压ea与电感l4及其寄生电阻r4构成第七串联支路；
[0050]
三相电网b相电压eb与电感l5及其寄生电阻r5构成第八串联支路；
[0051]
三相电网c相电压ec与电感l6及其寄生电阻r6构成第九串联支路；
[0052]
第七、八、九串联支路接入由开关管t1～t6构成的三相桥中；
[0053]
三相桥的直流侧接入到母线电容c2的两侧。
[0054]
本实用新型的工作原理为：本实用新型改善了传统双向充放电装置的拓扑结构，采用非隔离的结构设计，提高了充放电的工作效率，与电网连接侧采用双向三相ac/dc变换器，相比于两相充放电装置，在实现能量与直流母线双向流动的同时，减小了母线电压的纹波，提高了前级的能量转换效率，与新能源汽车连接侧采用双向三相交错并联dc/dc变换器，通过交错并联的结构降低电流谐波，减小开关管的应力，降低了开关损耗；同时由于不需要变压器结构，消除了传统隔离型充放电装置的变压器损耗的同时，减小了双向充放电
装置的体积，降低了变压器成本。
[0055]
本实用新型由新能源汽车组的蓄电池给电网供电时，双向dc/dc变换器此时作为一个交错并联boost电路，电流由c1往c2侧流动，开关管s
′1，s'2，s
′3作为升压电路的控制开关；s1，s2，s3作为升压电路中的续流二极管。以其中一相的回路为例，与传统升压电路相同，当s
′1导通时，c1上的电压通过s
′1给电感l1充电， l1上的电流增大，根据基尔霍夫电压定律，此时电感上的电压与电阻上的电压之和等于c1上的电压，则电感电流的增大值为当s
′1断开时，c1上的电压与l1上的电压通过s1的二极管给c2充电，l1上的电流减小，此时电感电压与电阻上的电压之差等于c2上的电压与c1上的电压之差，则电感电流的减小值为根据伏秒平衡原理，一个周期内电感电流的增大值与减小值相同，可得则通过控制开关管的导通时间d1，使得母线c2上的电压在给电网并网时保持一个稳定的电压，通常c2选用较大大的电解电容，以保证母线电压的波动较小。同时由于交错并联的结构，通过均流控制与移相控制的策略，使三相的电流大小相同，相位相差 1/3个周期，每相的工作状态与前文分析一致，降低了每相开关的电流应力的，每个开关管的导通电流减小为传统充电装置的1/3，同时，减小了新能源汽车输入电流的纹波大小。双向ac/dc变换器作为一个三相逆变电路，c2为该逆变电路的电压源，由变换器的硬件原理图，我们可以得出变换器在电网侧的输出电压与电网电压电流的关系为同一桥臂上的上、下两个开关互补通、断。通过控制开关管的导通与关段，则可以控制ua，ub，uc的输出，达到控制输入到电网的电流的目的。可以直接采用电流控制并网电流，也可以通过直接功率控制并网的有功无功，其中直接功率控制的方法可以不需要锁相环。
[0056]
本实用新型由电网给新能源汽车组的蓄电池充电时，双向ac/dc变换器作为一个三相整流器，通过调节变换器开关的导通情况，使输出在母线c2上的电压在给电动汽车充电时能保持一个稳定的电压,将母线c2作为给新能源汽车充电的一个直流电源。双向dc/dc变换器此时作为一个交错并联buck电路，电流由c2往c1侧流动，开关管s1，s2，s3作为降压电路的控制开关；s
′1，s'2，s
′3作为降压电路中的续流二极管。以其中一相的回路为例，与传统的降压电路相同，当s1导通时，c2的电压分给电感l1与c1，l1上的电流增加，由基尔霍夫电压定律，则电感电流的增大值为当s1断开时，c2上的电压无法传到蓄电池，蓄电池通过电感l1与二极管s
′1续流，l1上的电流减小, 则电感电流的减小值为根据伏秒平衡原理，一个周期内电感电流的增大值与减小值相同，可得通过调节占空比d1来达到控制给新能源汽车充电的电压的
效果。
[0057]
本实用新型应用中，本实用新型样机实际运行波形如交错并联各支路电流如图4，交流侧波形如图5、图6。
[0058]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。