CN101814766A - 电动汽车双向充电机电源拓扑结构 - Google Patents

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李武峰
龙华伟
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Abstract

本发明提供了一种基于电力电子模块的双向电动汽车充电机变换器主电路拓扑结构，该方案分别采用了双向四象限AC/DC变流模块和双向DC/DC变流模块组成，包括AC/DC变流模块、DC/DC变流模块和控制系统，控制系统由两个相同的通用控制器构成，分别对AC/DC变流模块和DC/DC变流模块进行变流过程控制。使得变流器硬件结构紧凑，其通用性、可靠性和模块化程度都有很大的提高。

Description

电动汽车双向充电机电源拓扑结构
技术领域
本发明涉及大功率电动汽车双向充电机电源拓扑结构，具体而言，涉及一种采用模块化变流器的电动汽车用双向大功率充电机主电路结构。
背景技术
目前，随着世界各国对汽车排放控制、能源问题的日益关注，清洁、环保、节能的电动汽车已成为世界汽车工业发展的热点。根据我国的国情，发展电动汽车更是迫在眉睫。电动汽车，顾名思义就是主要以电池为全部或部分动力源的汽车。目前制约电动汽车产业发展主要有两个方面：一是电池本身，二是充电方式。电动汽车充电机作为电池充电的必要手段，其性能好坏和工艺复杂程度直接影响到电池的使用寿命和电动汽车的推广。随着电池技术的发展，大功率快速充电系统成为当前研究热点。采用大功率快速充电系统，可以有效缩短充电时间、并能促进电动汽车快速发展。充电机是电动汽车系统中的一个重要环节，而变流器主电路在整个充电机系统中充当核心单元的作用，变流器主电路结构直接关系着整个储能系统的精确性、可靠性、及响应速度。
现有技术中，充电机功率较小，且都是对电动汽车或电池单向充电，随着电动汽车的普及和大量应用，电动汽车可用作电网的分布式储能装置，在谷电期间对电动汽车充电，在峰电期间对电网进行调峰，这就是所谓的V2G(v to Grid)概念，V2G技术对充电机进一步提出了可进行电能双向流动控制的要求，而现有的单向小功率充电机均无法满足这种要求。
发明内容
本发明主要目的是为了解决电动汽车满足电网调峰需求，提出一种可以进行电能双向流动的充电机技术，并在此基础上提出一种基于电力电子模块的变换器主电路拓扑方案，该方案分别采用了双向四象限AC/DC变流模块和双向DC/DC变流模块组成，使得变流器硬件结构紧凑，其通用性、可靠性和模块化程度都有很大的提高。
本发明的技术方案是一种用于电动汽车充电机的主电路拓扑结构，包括AC/DC变流模块、DC/DC变流模块和控制系统，所述控制系统由两个相同的通用控制器构成，分别对AC/DC变流模块和DC/DC变流模块进行变流过程控制；所述AC/DC变流模块和DC/DC变流模块采用拓扑结构相同的多功能变流器模块，所述多功能变流器模块主电路为三相全桥结构，通过控制器软件设置，所述多功能变流器模块构成AC/DC变流器和DC/DC变流器；所述多功能变流模块包括绝缘栅双极型功率管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块和数字控制器两个部分，所述IGBT模块是功率变换的主要载体，主要包括IGBT主电路、驱动电路、保护电路、部分传感器、缓冲电路和电容吸收电路；所述数字控制器是对所述多功能变流模块进行控制和通讯的主要载体，AC/DC变流模块和DC/DC变流器模块作为结构相同并且相对独立的单元，由硬件结构完全相同的两个控制器进行管理，控制器通过不同软件算法实现AC/DC变流模块和DC/DC变流模块的变流方式的控制。
其中，所述控制系统包括：数字信号处理器、可编程逻辑器件、周边模拟信号采样处理器件、通信器件及保护电路，所述数字信号处理器DSP通过A/D转换，将采集到的电压和电流信号送到数字信号处理器DSP芯片中，数字信号处理器DSP通过软件算法对电源主电路的电流和电压进行闭环控制，产生各开关器件所需要的开关函数，产生需要的脉冲宽度调制PWM波形，信号由复杂可编程逻辑器件CPLD进行死区调整等处理，经驱动电路控制功率器件的通断，控制绝缘栅双极型功率管IGBT开关管导通、关闭的时间，以达到控制电源主电路输出电压、电流的目的，从而实现对充电机系统的控制功能。
其中，所述AC/DC变流模块和DC/DC变流模块由六个IGBT开关为主体的3个半桥电力电子模块组成，并且这六个IGBT开关排列成一个三相桥配置形式，由于共用一个散热片，直流母线滤波电容器、电压和电流传感器、辅助电源和门极驱动电路都被封装在集成电力电子模块中，AC/DC变流模块采用三相电压源整流器拓扑结构实现双向变流功能，AC/DC变流模块及其外围器件构成双向的有源整流模块，AC/DC变流模块外围的电感和电容实现交流滤波功能；DC/DC变流模块采用升压型(Boost)电路和降压型(Buck)电路反并联而成拓扑结构实现双向DC/DC变换功能，双向DC/DC变换器的两个功率开关不同时开通。
本发明所公开的电动汽车充电机电源控制系统的优点有：
1.电力电子模块技术指用电力电子功能模块来构建大容量电力电子系统的新设计方法，该技术通过采用“即插即用”模块作为变换器的通用标准器件，提高设备的功率密度和可靠性。它是电力电子器件和系统按一定的优化拓扑结构的集成，块内集成包括功率器件单元、驱动控制单元、传感器单元、电平转换电路、信号接口电路等。
2.通过软件配置可使同一个电力电子模块实现不同的变流功能，具有标准化、模块化、智能化的特点，可灵活组合成功能各异的电力电子设备，从而使得电力电子产品的设计更加简单、高效，克服了传统电力电子产品设计的不足。电力电子组块有两种类型的接口：功率传输接口和数据通信接口。通过这些接口，几个电力电子模块可以组成不同功能的分布式电力电子系统。用户通过软件的配置就能实现多个电力电子模块之间的相互协调工作，以满足不同场合的应用。
3.根据电动汽车用充电机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。实验结果证明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。
附图说明
下面结合附图进一步说明本发明作。
图1为本发明中充电机系统的基本拓扑电路框图；
图2为本发明中的电压型三相桥式PWM拓扑图；
图3示出了Buck/Boost双向DC/DC变换器等效拓扑结构示意图；
图4降压型(Buck)变流器和升压型(Boost)变流器的电路结构示意图。
具体实施方式
1.电动汽车双向充电机整体结构：
基本结构如图1所示，电力储能变流器由AC/DC变流模块、DC/DC变流模块、控制系统等几个部分组成。AC/DC变流模块和DC/DC变流模块均采用相同的多功能变流器模块，多功能变流器模块主电路为三相全桥结构，通过软件设置，多功能模块可构成的AC/DC、DC/DC变流器。多功能变流模块包括IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块、数字控制器两个部分。IGBT模块是功率变换主要载体，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。通用数字控制器是多功能变流模块控制和通讯功能的主要载体，AC/DC、DC/DC变流器模块作为结构相同并且相对独立的单元，由硬件结构完全相同的两个控制器进行管理，控制器通过不同软件算法实现AC/DC、DC/DC变流方式的控制。
图1是基本拓扑电路框图。
对于交流380V到直流200V～600V的变流系统，变流器主电路拓扑结构采用如下方案：交流侧采用三相电压源整流器实现双向有源整流功能，直流侧采用双向DC/DC的拓扑结构实现Buck和Boost功能。整个变流器系统实现双PWM控制，3个半桥PEBB模块及其外围器件构成双向的有源整流，网侧变流器外围的电感和电容实现交流滤波功能；另外3个半桥PEBB模块及其外围器件实现双向的DC/DC功能，可通过参数选择Buck或者Boost模式，其外围的电感、电容实现滤波功能。
充电机变流器通过检测母线上的电流得到当前的负荷，再与设定值比较。当检测的负荷小于设定值时，系统控制器分别向有源整流的应用控制器和DC/DC的应用控制器发出指令，电网即可通过变流器开始对电池充电；当检测的负荷大于设定值时，系统控制器分别向有源整流的应用控制器和DC/DC的应用控制器发出指令，电池通过变流器开始电能回馈。
2.AC/DC变流模块基本结构：
AC/DC变流模块系统的主电路比较简单，采用最常见的三相电压源型逆变器结构，如图2所示。其主要优点在于：与电流型变流器相对而言，电压型变流器具有较快的响应速度；配置简单的输入滤波器即可实现较低的电磁干扰；结构简洁、容易实现。
图2是电压型三相桥式PWM拓扑图。
系统的变换主要是能量的变换，电网侧的电抗作为储能元件对整个系统的性能起到了至关重要的作用。若系统无隔离变压器，变换器能够正常工作，就要求直流侧电压高于电网电压。如果网侧没有串接电感，变换器前端电压就不可能高于直流侧电压，能量就不能从交流侧流动到直流侧。
有源整流变流器采用了全控器件，不同于一般传统意义上的AC/DC变换器。由于电流在其主电路中具有双向流动性，这就决定了有源整流变流器能够工作于不同的状态。当PWM整流器从电网吸收能量时，它就运行与整流状态，反之，若PWM整流器向电网传输能量时，PWM整流器就工作于有源逆状态。实际上，PWM整流器是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。由于需要电能的双向传输，有源PWM整流器实际上就是一个交、直流侧可控的四象限运行变流装置。
3.双向DC/DC变流模块基本结构：
Buck/Boost双向DC/DC变换器，由升压Boost电路和降压Buck电路反并联而成，等效电路拓扑如图3所示。
图3示出了Buck/Boost双向DC/DC变换器等效拓扑结构。
独立PWM发生方式
双向DC/DC变换器两个功率开关不同时开通。升压运行时，S2管开关动作，S1管驱动信号可靠封锁，工作在Boost状态：降压运行时，S1管开关动作，S2管驱动信号可靠封锁，工作在Buck状态。
为了保证能量双向流动的平滑稳定，避免瞬时冲击和对两组变换器的输出电容和开关管交叉电流影响，需要一个状态切换逻辑单元来实现Boost和Buck状态的平稳切换。
将基本的降压型(Buck)变流器和升压型(Boost)变流器电路组合可以构成半桥型(两象限)直流——直流变换器，如图3所示。VT1和VT2是全控型开关器件，VD1和VD2为不控续流二极管，稳压电源V1两端为AC/DC整流系统提供的直流母线电压，稳压电容C1的电压为储能电池组的工作电压。通常为了减小电流脉动而外加的电感L取值较大。当变换器工作在整流方式下时，斩波器将工作于降压状态，由VT1、VD2和L组成降压斩波器，如图4a所示。Buck环节：如图4a中，当VT2完全截止，VT1周期性通、断时，VT1、VD2、L构成一个Buck电路，这种最基本的DC/DC降压变换器是一种输出电压平均值小于或等于输入电压的单开关管非隔离性的直流电压变换器。当变换器工作于逆变方式时，斩波器将工作在升压状态，由L、VD1和VT2组成升压斩波器，如图b)所示。Boost环节：如图4b中，当VT1完全截止，VT2周期性通、断时，VT2、VD1、L构成一个Boost电路。这种利用一个全控型开关管和一个续流二极管加上电感、电容构成的DC/DC升压变换器是一种输出电压平均值高于输入电压的单开关管非隔离性的直流电压变换器。
上面通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域技术人员还可意识到变型和可选的实施例的多种可能性，例如，通过组合和/或改变单个实施例的特征。因此，可以理解的是这些变型和可选的实施例将被认为是包括在本发明中，本发明的范围仅仅被附上的发明权利要求书及其同等物限制。

Claims (3)

1.一种用于电动汽车充电机的主电路拓扑结构，包括AC/DC变流模块、DC/DC变流模块和控制系统，所述控制系统由两个相同的通用控制器构成，分别对AC/DC变流模块和DC/DC变流模块进行变流过程控制；所述AC/DC变流模块和DC/DC变流模块采用拓扑结构相同的多功能变流器模块，所述多功能变流器模块主电路为三相全桥结构，通过控制器软件设置，所述多功能变流器模块构成AC/DC变流器和DC/DC变流器；所述多功能变流模块包括绝缘栅双极型功率管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块和数字控制器两个部分，所述IGBT模块是功率变换的主要载体，主要包括IGBT主电路、驱动电路、保护电路、部分传感器、缓冲电路和电容吸收电路；所述数字控制器是对所述多功能变流模块进行控制和通讯的主要载体，AC/DC变流模块和DC/DC变流器模块作为结构相同并且相对独立的单元，由硬件结构完全相同的两个控制器进行管理，控制器通过不同软件算法实现AC/DC变流模块和DC/DC变流模块的变流方式的控制。
2.如权利要求1所述的主电路拓扑结构，其特征在于所述控制系统包括：数字信号处理器、可编程逻辑器件、周边模拟信号采样处理器件、通信器件及保护电路，所述数字信号处理器DSP通过A/D转换，将采集到的电压和电流信号送到数字信号处理器DSP芯片中，数字信号处理器DSP通过软件算法对电源主电路的电流和电压进行闭环控制，产生各开关器件所需要的开关函数，产生需要的脉冲宽度调制PWM波形，信号由复杂可编程逻辑器件CPLD进行死区调整等处理，经驱动电路控制功率器件的通断，控制绝缘栅双极型功率管IGBT开关管导通、关闭的时间，以达到控制电源主电路输出电压、电流的目的，从而实现对充电机系统的控制功能。
3.如权利要求1或2所述的主电路拓扑结构，其特征在于所述AC/DC变流模块和DC/DC变流模块由六个IGBT开关为主体的3个半桥电力电子模块组成，并且这六个IGBT开关排列成一个三相桥配置形式，由于共用一个散热片，直流母线滤波电容器、电压和电流传感器、辅助电源和门极驱动电路都被封装在集成电力电子模块中，AC/DC变流模块采用三相电压源整流器拓扑结构实现双向变流功能，AC/DC变流模块及其外围器件构成双向的有源整流模块，AC/DC变流模块外围的电感和电容实现交流滤波功能；DC/DC变流模块采用升压型(Boost)电路和降压型(Buck)电路反并联而成拓扑结构实现双向DC/DC变换功能，双向DC/DC变换器的两个功率开关不同时开通。
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