CN102222958A

CN102222958A - 一种电动汽车车载双向充电机

Info

Publication number: CN102222958A
Application number: CN2011101675157A
Authority: CN
Inventors: 夏必忠; 窦吉庆; 和军平; 王明旺; 孙威; 郑伟伟; 赖勇智
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University; Sunwoda Electronic Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University; Sunwoda Electronic Co Ltd
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2031-06-21
Also published as: CN102222958B

Abstract

本发明提供了一种电动汽车车载双向充电机，包括：AC/DC变换器、DC/DC变换器、微处理器控制电路及滤波电路；所述AC/DC变换器一端经滤波电路连接电网，另一端经DC/DC变换器连接电池组；所述微处理器控制电路分别与AC/DC变换器及DC/DC变换器相连。本发明可利用电网的峰谷差，在电网和动力电池间合理地转换能量，有效节约社会能源和用户成本；电池侧采用了隔离的双有源半桥双向DC/DC变换器，使整个系统安全性更高，减少了用户的触电危险，变换性能也高效、稳定。

Description

一种电动汽车车载双向充电机

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，尤其涉及一种具有发电、充电多种功能的电动汽车车载双向充电机(On-board Bidirectional Battery Charger)。

背景技术

随着全球石化能源的日益紧张，以电动汽车（Electrical Vehicle）、混合动力汽车（Hybird Electrical Vehicle）为代表的新能源汽车技术蓬勃发展。各类电动汽车、混合动力汽车的数量不仅迅速增长，其储能动力电池的容量也在不断增大。在目前电动汽车、混合动力汽车电池的使用中，人们通常在动力电池的电能即将耗尽时，用充电设备从电网抽取电能，给电池充电。比如，人们可以选择在电网的电价低的夜间为电动汽车、混合动力汽车电池充电。

然而，随着智能电网技术（Smart Grid）的发展，上述电动汽车、混合动力汽车动力电池的使用方法虽然一定程度上给人们带来了便利，但是，由于现有的电动汽车、混合动力汽车动力电池只具备充电功能，并不能作为分布式发电机（Distributed Generator）应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有发电、充电多种功能的电动汽车车载双向充电机。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种电动汽车车载双向充电机，包括：AC/DC变换器、DC/DC变换器、微处理器控制电路及滤波电路；所述AC/DC变换器一端经滤波电路连接电网，另一端经DC/DC变换器连接电池组；所述微处理器控制电路分别于AC/DC变换器及DC/DC变换器相连。

优选的，还包括同时并联在所述两个变换器直流端口的母线电容。

优选的，所述DC/DC变换器的主电路由四个开关管、四个电容和一个变压器构成，所述第一开关管与第三开关管串联成桥臂并与变压器原边相连，第一电容与第三电容串联后与第一开关管及第三开关管形成半桥；所述第二开关管与第四开关管串联成桥臂并与变压器副边相连，第二电容与第四电容串联后与第二开关管及第四开关管形成半桥。

优选的，所述AC/DC变换器由四个开关管形成一个全桥，其交流侧端口经过滤波电路连接到电网，其直流侧端口经母线电容后，连接到DC/DC变换器的非电池侧。

优选的，还包括第一电感和第二电感，所述第一电感和第二电感串联后一端接电池组，另一端与变压器原边相连，其串联中点与第一开关管及第三开关管串联中点相连。

优选的，所述微处理器控制电路包括电压/电流信号调理电路、DSP或MCU控制芯片及驱动电路，所述电压/电流信号调理电路接DSP或MCU控制芯片A/D采样端口，驱动电路接DSP或MCU控制芯片PWM端口，通过实时检测电网、电池的电压/电流参数，并经驱动电路，送出相应驱动脉冲，实现充电、发电控制。

优选的，所述滤波器为无源滤波器，由L、C网络组成。

优选的，所述DC/DC变换器为双有源半桥双向隔离DC/DC变换器。

优选的，所述AC/DC变换器为全桥双向AC/DC变换器。

优选的，所述开关管为半导体功率开关管。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明采用双向AC/DC变换器和双向隔离型DC/DC变换器串联作为主电路，利用数字微处理器（MCU或DSP）进行控制，不仅能完成对汽车电池的高效充电，还能在停车时给电网高效发电，如有如下优点：

1、用户可根际需要，实现电网和动力电池间的能量双向转换。当电网电压在正常范围内时，通过PWM整流和斩波工作，将能量从电网传到动力电池；当电池电压在正常电压范围时，通过PWM斩波和逆变，将能量从动力电池发送到电网。

2、本发明可利用电网的峰谷差，在电网和动力电池间合理地转换能量，有效节约社会能源和用户成本。

3、电池侧采用了隔离的双有源半桥双向DC/DC变换器，使整个系统安全性更高，减少了用户的触电危险，变换性能也高效、稳定。

附图说明

图1是本发明电动汽车车载双向充电机原理结构框图；

图2为电动汽车双向车载充电机的主电路原理；

图3为微处理控制器电路结构框图；

图4为充电模式时双向AC/DC变换器整流工作控制流程原理图；

图5为充电模式时双向DC/DC变换器为电池充电控制流程原理图；

图6 为发电模式时双向DC/DC变换器控制流程原理图；

图7 为发电模式时AC/DC变换器逆变工作控制流程原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1所示，本发明双向车载充电机主要由电网侧的全桥双向AC/DC变换器、电池侧的双有源半桥双向隔离DC/DC变换器、微处理器控制电路以及电磁干扰滤波器（EMI filter）组成。

具体电路，如图2所示，电池侧的双有源半桥双向隔离DC/DC变换器的主电路由S₁、S₂、S₃、S₄四个半导体功率开关管、C₁、C₂、C₃、C₄四个电容和一个高频变压器T构成。其中，S₁与S₃、S₂与S₄分别串联成各自的桥臂，并分布在变压器原副两边。C₁与C₃、C₂与C₄也分别串联，与半导体功率开关形成两个半桥。L_s代表变压器T的漏电感与加电感的和。该变换器的一端经过电感L₂连接到电池组，另一端经直流母线电容C₅稳压后，连接到电网侧的全桥双向AC/DC变换器的直流侧。直流母线电容C₅是中间储能环节，其同时并接在两个变换器的直流端口，提供稳定的直流电压。

电网侧的全桥双向AC/DC变换器主电路主由S₅、S₆、S₇、S₈四个半导体功率开关管构成，其交流侧端口经过LC构成的低通滤波连接到单相电网，其直流侧端口经直流母线电容C₅后，连接致双有源半桥双向隔离DC/DC变换器的非电池侧。

其工作原理如下：

微处理电路首先根据用户指令，确定系统需要工作于为电池充电状态、还是向电网发电状态。如需要为电池充电，微处理器即控制电网侧双向AC/DC变换器整流工作、控制双向DC/DC变换器恒流或恒压输出，为电池充电；如需要向电网发电，微处理器即控制双向DC/DC变换器从电池向电容C₅恒流输出、电网侧双向AC/DC变换器逆变工作、向电网发电。

图3为微处理控制器电路结构框图，微处理器DSP控制电路主要由电压/电流信号调理电路、DSP或MCU控制芯片、驱动电路组成，其实时检测电网、电池的电压/电流参数，通过比例积分微分算法（PID）完成两个变换器各开关管PWM脉冲的计算，并经过驱动电路，送出相应驱动脉冲，实现充电、发电功能控制。

请参与图4、5所示，为充电模式下，工作原理：

当用户需要为电池充电时，主电路中电网侧双向AC/DC变换器的作用是维持C₅电压稳定，同时使从电网抽取的电流谐波低，功率因数接近于1。微处理器按照图4所示的控制关系，实时比较C₅电压V_dc与预期电压V_dcref，经比例积分（PI）运算后，确定从电网注入的电流幅值。该值与电网同步、同相位的内部存储的正弦波相乘，即得到实际电流指令波形，该指令电流与双向AC/DC变换器实际输入电流进行滞环比较，从而确定出四个开关管S₅、S₆、S₇、S₈的触发PWM脉冲。这些脉冲即控制AC/DC变换器进行PWM整流，同时实现功率因数接近于1，并且低电流谐波；对于充电模式下的双向DC/DC变换器，其拓扑为双有源半桥结构，该变换器的两个桥臂采用移相方式，进行电能的变换工作。具体变换功率P_o与各影响量的关系见下式：

Figure 2011101675157100002DEST_PATH_IMAGE001

其中，T_s—开关频率周期，s

I_r1—变压器一次侧电流，A

V_r1—变压器一次侧电压，V

φ₁—移相角，rad

ω—开关频率，rad/s

L_s—变压器漏感与外加电感的和，H

V_in—输入电压，V

D—占空比

如设D=50%、f=20kHz，则上式简化为：

由此可知，当占空比和开关频率确定后，输出功率由移相角φ₁和漏感Ls决定。

微处理器按照图5所示的控制关系，根据电池状态，确定恒流充电或恒压充电，然后与实际电池电流值或电压值比较，经比例积分（PI）运算后，确定两个桥臂移相角度，继而按占空比D为50%，发出两路PWM错相脉冲，驱动双向DC/DC变换器四个开关管开关S₁、S₂、S₃、S₄，最终使电池电压达到要求。

上述AC/DC双向变换器采用电流内环，直流母线电压或发电功率给定为外环的控制原理，数字实现整流和并网发电的转换和控制。

请参与图6、7所示，为发电模式下，工作原理：

当电池电压在正常范围内时，微处理器根据用户发电指令，首先控制主电路中双向DC/DC变换器的发电。微处理器按照图6所示的控制关系，通过调整两个桥臂的移相角度，控制四个开关管开关S₁、S₂、S₃、S₄ PWM开通和关断，即使直流母线C₅的电压稳定在一个合适的值；微处理器对双向AC/DC变换器，则按照图7所示控制原理。其将用户发电功率指令P_ref值与电网电压幅值相除，确定出逆变电流幅值指令。再根据内存的与电网电压同步、同相的正弦波相乘，得到逆变电流实时指令波形。该电流指令与AC/DC变换器实际输出电流比较，可得出逆变桥的相应PWM触发脉冲。这些脉冲驱动四个开关管S₅、S₆、S₇、S₈，即实现AC/DC变换器进行发电，同时实现功率因数接近于1，并且低电流谐波发电质量。

上述DC/DC双向变换器采用直流母线电压或自定电流为外环的控制原理，数字实现对电池恒流、恒压充电以及向母线直流电容馈电功能的转换和控制。

在本发明中，电网侧的EMI滤波器为普通无源EMI滤波器，由L、C网络组成，实现对系统谐波、传导干扰、辐射干扰的抑制作用。

本发明所提出的电动汽车双向车载充电机可以推广、应用到现在电动汽车、混合动力汽车以及其它新能源汽车中，具有很大的发展空间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电动汽车车载双向充电机，其特征在于，包括：AC/DC变换器、DC/DC变换器、微处理器控制电路及滤波电路；所述AC/DC变换器一端经滤波电路连接电网，另一端经DC/DC变换器连接电池组；所述微处理器控制电路分别于AC/DC变换器及DC/DC变换器相连。

2.如权利要求1所述的电动汽车车载双向充电机，其特征在于，还包括同时并联在所述两个变换器直流端口的母线电容。

3.如权利要求2所述的电动汽车车载双向充电机，其特征在于，所述DC/DC变换器的主电路由四个开关管、四个电容和一个变压器构成，所述第一开关管与第三开关管串联成桥臂并与变压器原边相连，第一电容与第三电容串联后与第一开关管及第三开关管形成半桥；所述第二开关管与第四开关管串联成桥臂并与变压器副边相连，第二电容与第四电容串联后与第二开关管及第四开关管形成半桥。

4.如权利要求2所述的电动汽车车载双向充电机，其特征在于，所述AC/DC变换器由四个开关管形成一个全桥，其交流侧端口经过滤波电路连接到电网，其直流侧端口经母线电容后，连接到DC/DC变换器的非电池侧。

5.如权利要求3所述的电动汽车车载双向充电机，其特征在于，还包括第一电感和第二电感，所述第一电感和第二电感串联后一端接电池组，另一端与变压器原边相连，其串联中点与第一开关管及第三开关管串联中点相连。

6.如权利要求1所述的电动汽车车载双向充电机，其特征在于，所述微处理器控制电路包括电压/电流信号调理电路、DSP或MCU控制芯片及驱动电路，所述电压/电流信号调理电路接DSP或MCU控制芯片A/D采样端口，驱动电路接DSP或MCU控制芯片PWM端口，通过实时检测电网、电池的电压/电流参数，并经驱动电路，送出相应驱动脉冲，实现充电、发电控制。

7.如权利要求1所述的电动汽车车载双向充电机，其特征在于，所述滤波器为无源滤波器，由L、C网络组成。

8.如权利要求1所述的电动汽车车载双向充电机，其特征在于，所述DC/DC变换器为双有源半桥双向隔离DC/DC变换器。

9.如权利要求1所述的电动汽车车载双向充电机，其特征在于，所述AC/DC变换器为全桥双向AC/DC变换器。

10.如权利要求3或4所述的电动汽车车载双向充电机，其特征在于，所述开关管为半导体功率开关管。