CN102157973A - 一种大功率电动汽车感应充电变流器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大功率电动汽车感应式充电变流装置及其控制方法，由顺序链接的三相全控桥式整流电路、全桥逆变电路和感应耦合电路组成；三相整流电路交流侧每相连接一电抗器（1），整流电路为三相全控桥式整流电路（2），直流侧的正负两端连接一个直流储能电容（3）；逆变电路为全桥逆变电路（4），其输入端连接直流储能电容（3）的两端，输出端连接在感应耦合电路中的松散耦合变压器（6）的原边侧；感应耦合电路串联补偿电容（5）连接于松散耦合变压器（6）的原边侧，松散耦合变压器（6）的副边侧并联副边补偿电容（7），经过副边整流桥（8）转变成直流，对蓄电池进行充电。该装置用于充电站中，完成电动汽车大功率非接触感应充电的功能。

Description

一种大功率电动汽车感应充电变流器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种可以为电动汽车提供较大充电功率的感应式充电装置，属于电力电子应用的技术领域。

背景技术

电动汽车自被发明以来，已经成为低碳环保的典范，更具有替代传统石化燃料汽车的潜力。传统的接触式充电装置虽然具有拓扑结构简单、使用方便等优点，但其直接将插头连接到汽车上，由于导线的裸露易产生接触火花，多次插拔引起的机械磨损导致插头松动以及雨雪天气不得不进行室内操作等问题，容易给操作者带来绝缘上的安全隐患。

为此上世纪90年代电动汽车感应方式被提出，感应式充电利用电力电子换流技术实现三相交流工频电变换为高频交流电。其突出特点是通过三相整流器将工频交流电变换成直流电，再将直流电经过全桥逆变器变换成高频交流电，再通过松散耦合变压器将交流电传输到副边电路，由于感应式充电采用的变压器为耦合系数较低的松散耦合变压器，传输效率较低，所以需要将工频交流电变换成高频交流电，减小耦合变压器体积，并对耦合变压器的原边和副边进行补偿，以提高电能传输效率。

通过感应耦合，无接触地传输能力，解决了接触式充电方式的缺陷，因此，随着电力电子器件水平和高频变压器材料的发展，以及电动汽车的日益普及，感应充电方式必将在电动汽车充电中得到广泛的应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种大功率电动汽车感应式充电变流装置及其控制方法，不仅实现传统的接触式充电将交流电，转化成恒定电压或恒定电流的直流电，为蓄电池充电的简单功能，同时，减少了拔插插头所带来的机械损耗和绝缘问题，并使装置操作者与带电金属导体电气隔离，更好地保障了人身安全。

技术方案：本发明的一种大功率电动汽车感应式充电变流装置由顺序链接的三相全控桥式整流电路、全桥逆变电路和感应耦合电路组成；三相整流电路交流侧每相连接一电抗器，整流电路为三相全控桥式整流电路，直流侧的正负两端连接一个直流储能电容；逆变电路为全桥逆变电路，其输入端连接直流储能电容的两端，输出端连接在感应耦合电路中的松散耦合变压器的原边侧；感应耦合电路串联补偿电容连接于松散耦合变压器的原边侧，松散耦合变压器的副边侧并联副边补偿电容，经过副边整流桥转变成直流，对蓄电池进行充电。

松散耦合变压器原边与副边通过气隙磁场，以电磁感应的方式传输电能，感应耦合电路工作频率为原边串联谐振角频率和副边并联谐振角频率，通过谐振方式降低无功损耗，以提高电能传输效率；三相电源经过三相全控桥式整流电路变为单相电源，再由全桥逆变电路高频逆变，得到频率为100kHz的高频方波电压，松散耦合变压器副边感应相同频率的正弦电流，由副边整流桥转变为直流；整流电路采用SVPWM控制，逆变电路采用移相控制方法，利用移相角的大小控制输出电压和功率，并利用锁相环技术进行电路工作频率跟踪。

松散耦合变压器副边电路经等效后，变为原边等效阻抗，略呈感性，与串联补偿电容串联谐振，以实现全桥逆变电路的高频逆变时，开关器件工作于零电压的软开关状态。

副边整流桥的等效阻抗与松散耦合变压器副边的副边补偿电容并联谐振，而其角频率又与原边串联谐振的角频率相等，以提高变压器输出功率和效率。

整流电路采用SVPWM控制方法，逆变电路采用移相控制技术，利用移相角度控制充电装置输出电压和功率，并利用锁相环技术跟踪电路工作频率，使电路始终工作在谐振状态。

有益效果：本发明大功率电动汽车感应式充电变流装置的技术方案，除了具备传统接触式充电变流器的优点外，相对于目前国内外所提出的设计方案，还具有如下的优点：

1.      本大功率电动汽车感应式充电变流装置的整流电路采用三相全控整流桥，并采用SVPWM控制方式，可以实现高功率因数，低谐波，减小电动汽车充电对电网影响的功能，从而使充电站能够大规模接入电网。

2.      本大功率电动汽车感应式充电变流装置通过松散耦合变压器，变压器原边与副边相分离，之间通过气隙磁场耦合，实现操作者与带电导体的电气隔离，从而确保操作者的人身安全。

3.      本大功率电动汽车感应式充电变流装置的全桥逆变电路采用移相控制方法，通过控制移相角度，来控制充电电压和电流，能够满足电动汽车蓄电池充电初始阶段恒流和充电后期阶段恒压的要求，并且利用锁相环技术对电路频率进行跟踪，使负载变化时电路仍工作在谐振状态。

4.      本大功率电动汽车感应式充电变流装置通过变压器原边串联补偿和副边并联补偿，使充电效率超过50%，充电电压能够达到300V，充电功率能够达到30kW，能够很好地满足电动汽车充电站快速充电的要求。

附图说明

图1 表示大功率电动汽车感应式充电变流装置整体原理框图。

图2 表示松散耦合变压器原边和副边铁芯分离示意图。

图3 表示松散耦合变压器原边并联，副边串联模型图。

图4 表示大功率电动汽车感应式充电变流装置全桥逆变电路移相控制原理图。

图5 表示大功率电动汽车感应式充电变流装置全桥逆变电路移相控制系统关键波形。

图6 表示大功率电动汽车感应式充电变流装置逆变电路驱动信号波形。

图7 表示大功率电动汽车感应式充电变流装置感应耦合电路原边电流跟踪电压。

图8 表示大功率电动汽车感应式充电变流装置A相输入电压和电流波形。

图9表示大功率电动汽车感应式充电变流装置输出电压波形。

图10表示大功率电动汽车感应式充电变流装置输出电流波形。

以上的图中有：电抗器1、三相全控整流桥2、直流储能电容3、高频全桥逆变器4、原边补偿电容5、松散耦合变压器6、副边补偿电容7、副边整流桥8。

具体实施方式

本发明提出的大功率电动汽车感应式充电变流装置采用三相6个全控开关的桥式整流拓扑结构、单相全桥逆变电路的高频逆变拓扑和松散耦合变压器原边串联补偿、副边并联补偿的拓扑结构。三相整流电路每相交流侧连接一电抗器，直流侧连接直流储能电容；逆变电路为全桥逆变电路；变压器采用原边和副边相分离的松散耦合变压器，变压器气隙较长，耦合系数小于0.5；感应耦合电路串联补偿电容连接于松散耦合变压器的原边侧，副边侧并联补偿电容，经过不控全桥整流电路转变成直流，对蓄电池进行充电。

该大功率电动汽车感应式充电变流装置的连接方式如下：

三相电源每相经过一电抗器，连接三相全控桥式整流电路，输出的直流电与直流储能电容连接，再与全桥逆变电路连接，转变成高频交流电，输入松散耦合变压器，变压器原边串联补偿电容，副边并联补偿电容，最后，高频交流电经过整流桥变换为直流电，给蓄电池充电。

三相全控桥式整流电路采用SVPWM控制方式，直流电压利用率高，开关频率低，给电网带来的谐波和功率因数影响小。高频逆变电路采用移相控制技术，通过移相角度的大小，控制超前桥臂和滞后桥臂的开通与关断，从而实现输出电压和功率的工作，并运用锁相环技术实现负载变化时，电力电子器件开关频率跟踪电路工作频率。

所述的感应耦合电路采用松散耦合变压器，变压器原边与副边相分离，之间气隙较长，耦合系数小于0.5，利用感应耦合方式实现电动汽车无接触式充电。

所述的高频逆变电路采用全桥逆变电路为拓扑，适用于大功率以及高频场合的应用，且移相控制技术成熟可靠。

所述的感应耦合电路采用原边串联电容，副边并联电容进行补偿，副边并联电容与松散耦合变压器漏感发生并联谐振，原边串联电容使原边电路发生串联谐振，利用谐振，提高输出电流的大小，并实现软开关。

本大功率电动汽车感应式充电变流装置的整流电路采用三相全控整流桥，并采用SVPWM控制方式，高功率因数，低谐波，对电网小，有利于充电站大规模接入电网。

本大功率电动汽车感应式充电变流装置的全桥逆变电路将直流电逆变成100kHz的高频交流电，通过松散耦合变压器将能量通过磁的形式传递到副边电路。松散耦合变压器原边和副边相分离，无接触地传输电能，变压器磁路存在较大的气隙，因而在松散耦合变压器副边采用并联谐振，利用谐振提高传输效率，原边采用串联谐振，利用谐振提高传输效率的同时，实现软开关。

本大功率电动汽车感应式充电变流装置的全桥逆变电路采用移相控制方法，通过控制移相角度，将输出电流控制为恒流，输出电压控制在合理范围，并且利用锁相环技术对电路频率进行跟踪，使负载变化时电路仍工作在谐振状态。

所述的大功率电动汽车感应式充电变流装置交流侧每相均串联了一个电抗，整流电路为三相全控桥式整流电路，整流后，采用直流侧储能电容，以稳定输出直流电压，逆变电路为全桥串联谐振逆变电路，感应耦合电路采用原边串联，副边并联的补偿方式，提高松散变压器传输效率。

Claims (5)

1.一种大功率电动汽车感应式充电变流装置，其特征在于：该装置由顺序链接的三相全控桥式整流电路、全桥逆变电路和感应耦合电路组成；三相整流电路交流侧每相连接一电抗器（1），整流电路为三相全控桥式整流电路（2），直流侧的正负两端连接一个直流储能电容（3）；逆变电路为全桥逆变电路（4），其输入端连接直流储能电容（3）的两端，输出端连接在感应耦合电路中的松散耦合变压器（6）的原边侧；感应耦合电路串联补偿电容（5）连接于松散耦合变压器（6）的原边侧，松散耦合变压器（6）的副边侧并联副边补偿电容（7），经过副边整流桥（8）转变成直流，对蓄电池进行充电。

2.一种如权利要求1所述的大功率电动汽车感应式充电变流装置的感应充电方法,其特征在于，松散耦合变压器（6）原边与副边通过气隙磁场，以电磁感应的方式传输电能，感应耦合电路工作频率为原边串联谐振角频率和副边并联谐振角频率，通过谐振方式降低无功损耗，以提高电能传输效率；三相电源经过三相全控桥式整流电路（2）变为单相电源，再由全桥逆变电路（4）高频逆变，得到频率为100kHz的高频方波电压，松散耦合变压器（6）副边感应相同频率的正弦电流，由副边整流桥（8）转变为直流；整流电路采用SVPWM控制，逆变电路采用移相控制方法，利用移相角的大小控制输出电压和功率，并利用锁相环技术进行电路工作频率跟踪。

3.如权利要求2所述的大功率电动汽车感应式充电变流装置的感应充电方法，其特征在于松散耦合变压器副边电路经等效后，变为原边等效阻抗，略呈感性，与串联补偿电容（5）串联谐振，以实现全桥逆变电路的高频逆变时，开关器件工作于零电压的软开关状态。

4.如权利要求2所述的大功率电动汽车感应式充电变流装置的感应充电方法，其特征在于副边整流桥（8）的等效阻抗与松散耦合变压器副边的副边补偿电容（7）并联谐振，而其角频率又与原边串联谐振的角频率相等，以提高变压器输出功率和效率。

5.如权利要求2所述的大功率电动汽车感应式充电变流装置的感应充电方法，其特征在于整流电路采用SVPWM控制方法，逆变电路采用移相控制技术，利用移相角度控制充电装置输出电压和功率，并利用锁相环技术跟踪电路工作频率，使电路始终工作在谐振状态。

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