CN102420458A - 电力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力系统，所述电力系统在电动汽车与供电系统之间进行电力交换，在所述电力系统中，通过降低了开关损耗和开关噪声的电压转换，能提供直流转换或交流转换的控制电路所需要的电压。电力转换装置主要结构包括第一电源电路、第二电源电路、选择电路、控制电路、双向逆变器电路、以及充放电电路。电力转换装置利用由微机或DSP等微处理器所构成的控制电路来对动作进行控制，该控制电路的动作电压由第一电源电路或第二电源电路提供。这里，第一电源电路基于由供电系统所提供的交流电压，生成控制电路的动作电压，第二电源电路基于由电动汽车EV内的直流电压所提供的直流电压，生成控制电路的动作电压。

Description

电力系统

技术领域

本发明涉及一种能在与电动汽车之间交换电力的电力系统。

背景技术

近来，对于将充电至电池中的电力作为驱动源来驱动电动机、从而获得动力的电动汽车，也能由家用电源经由电缆来对电池进行充电。这里，最近，利用太阳能发电或风力发电来进行私人发电的家庭正逐渐增加，但在那样的家庭中，采用的方法是：在有剩余电力时将其卖给电力公司，在发电量不足的情况下，使用由电力公司的供电系统所提供的商用电力(系统电力)。将这样的系统加以发展的电网是被称为智能电网的下一代的电网。

这样，现在在家庭中也已经逐渐采用由私人发电所进行的供电，从而也能够以利用太阳能发电或风力发电所获得的电力来对电动汽车的电池进行充电。

在例如专利文献1中，揭示有一种以利用太阳能发电所获得的电力来对电动汽车的电池进行充电的结构。

在专利文献1中，揭示有家用功率调节器和供电系统，该家用功率调节器将来自太阳能电池模块的直流发电电力进行交流转换，供给家用负载，该供电系统将来自功率调节器的交流电力再次转换成直流电力而储存于燃油汽车或电动汽车的电池中，或将储存的电力进行交流转换而对家用负载进行供电。

专利文献1：日本专利特开平8-19193号公报

发明内容

在专利文献1中并未揭示功率调节器的内部结构，并不清楚是基于怎样的电源来对功率调节器内的直流转换和交流转换所需要的控制电路进行控制的。另一方面，在专利文献1中，虽然揭示了在系统电力长期停电的情况下、将功率调节器的控制模式切换成电压控制模式而使功率调节器独立运行的情况，但在独立运行时，可以预想到，无论是从汽车的电池获得控制电路的电源，还是从太阳能电池模块获得控制电路的电源，在从100伏特以上的高电压、获得几伏特左右的控制电路的电源时，都需要某种降压单元。然而，若进行输入输出差较大的降压，则存在开关损耗和开关噪声增大的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供一种电力系统，所述电力系统在电动汽车与供电系统之间进行电力交换，在所述电力系统中，通过降低了开关损耗和开关噪声的电压转换，能提供直流转换或交流转换的控制电路所需要的电压。

本发明所涉及的电力系统的方式，是在对负载提供交流电力的供电系统、与将充电至电池中的电力作为驱动源来驱动电动机而行驶的汽车之间进行电力交换的电力系统，所述电力系统包括连接于所述供电系统与所述汽车的电池之间的电力转换装置，所述电力转换装置包括：充放电电路，该充放电电路对所述电池进行充放电；双向逆变器电路，该双向逆变器电路连接于所述充放电电路与所述供电系统之间，在直流电力与交流电力之间进行双向转换；以及控制电路，该控制电路对所述充放电电路和所述双向逆变器电路进行控制，所述控制电路选择基于由所述供电系统所提供的交流电压的第一电压、以及基于由所述汽车的直流电源所提供的直流电压的第二电压之中的一个电压作为动作电压。

根据本发明所涉及的电力系统的方式，由于能选择基于由汽车内的直流电源所提供的直流电压的第二电压作为控制电路的动作电压，因此，仅进行输入输出差较小的降压处理即可，从而能实现开关损耗和开关噪声较小的电压转换，能抑制电力损耗，并能生成稳定的电压。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的电力系统的实施方式1的结构的框图。

图2是对双向逆变器电路的结构和动作进行说明的图。

图3是对充放电电路的结构和动作进行说明的图。

图4是表示本发明所涉及的电力系统的实施方式1的变形例的结构的框图。

图5是表示本发明所涉及的电力系统的实施方式2的结构的框图。

图6是对DC-DC转换器的结构进行说明的图。

图7是表示将多根电缆汇集成一根的专用电缆的截面结构的图。

标号说明

10、10A 电力转换装置

20      功率调节器

EV      电动汽车

具体实施方式

<实施方式1>

作为本发明所涉及的电力系统的实施方式1，图1是表示供家用的、系统电力的备用系统100的结构的框图。

图1所示的备用系统100使用成为电动汽车(也包括同时使用燃油发动机和电动机的插入式混合动力汽车)EV内的行驶用电动机(未图示)的驱动源的电池1作为系统电力的备用电源，具有能从电池1经由电力转换装置10对家用负载21进行供电的结构。

电力转换装置10是双向的电力转换装置，该双向的电力转换装置将从供电系统22经由开关SW提供来的、100伏特～200伏特(该电压随着国家、地区的不同而变化)的交流电力转换成直流电力而储存于电池1中，并将储存于电池1中的直流电力转换成100伏特～200伏特的交流电力而经由开关SW提供给家用负载21。

电力转换装置10主要结构包括第一电源电路11、第二电源电路12、选择电路14、控制电路15、双向逆变器电路16、以及充放电电路17。

电力转换装置10利用由微机或DSP(数字信号处理器(Digital signalProcessor))等微处理器所构成的控制电路15来对动作进行控制，该控制电路15的动作电压由第一电源电路11或第二电源电路12提供。这里，第一电源电路11基于由供电系统22所提供的交流电压，生成控制电路15的动作电压，第二电源电路12基于由电动汽车EV内的直流电压2所提供的直流电压，生成控制电路15的动作电压。

这里，直流电源2是产生电动汽车EV的控制系统等所使用的、12伏特左右的电压的电池，利用降压电路3将电池1的300伏特左右的输出电压降低至12伏特左右，从而对电力进行储存。此外，降压电路3能使用将在后文中进行说明的DC-DC转换器等，也可以采用使用降压电路3自身作为直流电源2、而不使用12伏特的电池的结构。

这样，通过使用电动汽车EV的控制系统等所使用的电池和降压电路3作为直流电源2，能降低施加于第二电源电路12的电压，从而能以输入输出差较小的降压电路来构成第二电源电路12。

将由第一电源电路11和第二电源电路12所生成的、5伏特左右的、控制电路15的动作电压施加于选择电路14，选择其中任意一个动作电压来提供给控制电路15。由选择电路14进行选择，使得在由供电系统22进行供电的情况下，选择来自第一电源电路11的动作电压，在来自供电系统22的供电中断的情况下，选择来自第二电源电路12的动作电压。

选择电路14只要利用开关单元进行选择即可，作为开关单元，可以利用机械继电器或MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor))，只要具有由控制电路15对其发出通、断指令的结构即可。

控制电路15对双向逆变器电路16、充放电电路17等的通、断进行控制，但这些电路的基本的开关动作由未图示的子控制电路来进行控制。

双向逆变器电路16如图2的(a)部分所示，可以使用由四个开关元件T21、T22、T23、以及T24所构成的全桥电路。此外，开关元件T21～T24分别与二极管D21、D22、D23、以及D24反向并联连接。

各个开关元件都使用MOSFET或IGBT(绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor))，进行PWM驱动。利用电抗器L21和L22对全桥电路的输出波形进行滤波，使其基本形成正弦波而将其输出。

在双向逆变器电路16的交流侧与供电系统相连接的情况下，根据供电系统22的电压来决定双向逆变器电路16的输出电压，从而成为控制输出电流而使直流侧的电压保持恒定的电流型逆变器。

另一方面，在交流侧不与供电系统相连接、而只与家用负载21等交流负载相连接的情况下，则成为进行控制而使逆变器电路的输出电压保持恒定、并使直流侧的电压保持恒定的电压型逆变器。

由于使用MOSFET或IGBT作为双向逆变器电路16的开关元件，因此，通过使所有开关元件都始终保持断开状态，则由于如图2的(b)部分所示，全桥电路会变成二极管桥，所以，能实现从供电系统22一侧向输入侧所进行的AC-DC转换动作。

充放电电路17是将300伏特左右的电池1的直流输出电压升压至约350伏特的双向DC-DC转换器。作为双向DC-DC转换器，例如，可以使用图3所示的双向斩波器。

在图3的(a)部分中示出了电路图，在图3的(b)部分中示出了放电运行时的电路，在图3的(c)部分中示出了充电运行时的电路。

如图3的(a)部分所示，双向斩波器包括串联连接的开关元件T31和T32、以及分别与开关元件T31和T32反向并联连接的二极管D31和D32，电池1经由阻抗元件L31连接至开关元件T31与T32的连接点。另外，在开关元件T31和T32的两端之间插入有电容器C31，且开关元件T31和T32的两端与双向逆变器电路16相连接。

在图3的(b)所示的放电运行时的动作中，使开关元件T31始终保持断开，对开关元件T32进行PWM(脉宽调制)驱动，从而作为升压斩波器进行动作。利用该动作，能在输出侧(逆变器电路一侧)获得高于输入侧(电池一侧)的直流电压。

在图3的(c)部分所示的充电运行时的动作中，使开关元件T32始终保持断开，对开关元件T31进行PWM驱动，从而作为从逆变器电路一侧向电池1一侧进行降压动作的降压斩波器进行动作。

此外，由于开关元件T31和T32使用MOSFET或IGBT，因此，在使开关元件始终保持断开状态时，二极管D31和D32起作用，从而成为始终断开状态。

在电力转换装置10中，利用第一电源电路11和第二电源电路12生成对双向逆变器电路16和充放电电路17进行控制的控制电路15的5伏特左右的动作电压，由于其中第二电源电路12基于由电动汽车EV内的直流电源2所提供的直流电压来生成控制电路15的动作电压，因此，能以输入输出差较小的压降电路来构成第二电源电路12。因而，能实现开关损耗和开关噪声较小的电压转换，从而能抑制电力损耗，并能生成稳定的电压。

<变形例>

图4是表示作为实施方式1的变形例的系统电力的备用系统100A的结构的框图。此外，对于和图1所示的备用系统100相同的结构，标注相同的标号，省略其重复说明。

图4所示的备用系统100A使用对整个电动汽车EV进行控制的电子控制装置(ECU：电子控制装置(Electronic Control Unit))内的直流电源2A的5伏特左右的输出电压作为控制电路15的动作电压，除了采用以上结构，还具有将由直流电源2A所输出的输出电压直接施加于电力转换装置10A的选择电路14的结构。因此，无需像图1所示的电力转换装置10那样的第二电源电路12，从而能简化装置结构。

在电动汽车EV中的ECU内部，包括具有成为微机或DSP等微处理器的动作电压的、5伏特左右的输出电压的直流电源，直流电源2A所使用的就是该直流电源。

在备用系统100A中，在ECU的动作电压与电力转换装置内的控制电路15的动作电压相同的情况下，该结构特别有效，而在两者的动作电压存在些许差异的情况下，可以通过利用电力转换装置10所示的第二电源电路12进行降压或升压来应对。在这种情况下，由于输入输出差变得更小，因此，能实现开关损耗和开关噪声更小的电压转换，从而能抑制电力损耗，并能生成稳定的电压。

<实施方式2>

作为本发明所涉及的电力系统的实施方式2，图5是表示包含功率调节器20的、系统电力的备用系统200的结构的框图，所述功率调节器将由太阳能电池、燃料电池、风力发电等所产生的交流或直流的电力转换成商用频率的交流电力，并将该交流电力提供给供电系统或家用负载。此外，对于和图1所示的备用系统100相同的结构，标注相同的标号，省略其重复说明。

图5所示的备用系统200具有以下结构：即，能使用成为电动汽车EV内的行驶用电动机(未图示)的驱动源的电池1作为系统电力的备用电源，并能将发电系统30所产生的直流电力经由DC-DC转换器18和双向逆变器电路16转换成100～200伏特的交流电力，并将其经由开关SW提供给家用负载21。

另外，采用以下结构：即，DC-DC转换器18的输出能经由充放电电路17对电池1进行充电。

此外，在经由开关SW而输出的交流电力之中，未被家用负载21消耗掉的剩余电力部分回流至供电系统22一侧，但由于回流的系统与本申请的关系不大，因此省略说明。

这里，在发电系统30中，包含太阳能发电、风力发电、或燃料电池等，但在本实施方式中，假设使用太阳能发电的发电系统。

在功率调节器20中，由第一电源电路11、第二电源电路12、以及第三电源电路13向控制电路15提供动作电压。这里，第一电源电路11基于由供电系统22所提供的交流电压来生成控制电路15的动作电压，第二电源电路12基于由电动汽车EV内的直流电源2所提供的直流电压来生成控制电路15的动作电压，第三电源电路13基于发电系统30的100～300伏特的输出电压来生成控制电路15的动作电压。

将由第一电源电路11、第二电源电路12、以及第三电源电路13所生成的、5伏特左右的、控制电路15的动作电压施加于选择电路14，选择其中任意一个电压来提供给控制电路15。

对由选择电路14所进行的选择进行设定，使得在由供电系统22进行供电的情况下，选择来自第一电源电路11的动作电压，在来自供电系统22的供电中断的情况下，选择来自第二电源电路12的动作电压。另外，在由发电系统30进行供电的情况下，设定成始终选择来自第三电源电路的动作电压。

控制电路15对双向逆变器电路16、充放电电路17、以及DC-DC转换器18等的通、断进行控制，但这些电路的基本的开关动作由未图示的子控制电路来进行控制。

DC-DC转换器18是将发电系统30的100～300伏特的直流输出电压升压至约350伏特的电压转换电路，作为其结构，例如，可以使用图6所示的升压斩波器等已知的电路。

图6所示的升压斩波器包括：开关元件T11，该开关元件T11连接于两根电力线之间；电容器C11，该电容器C11位于开关元件T11的输出侧，与开关元件T11并联地连接于两根电力线之间；二极管D12，该二极管D12插入在电力线中，其阴极与电容器C11的正电位侧电极的连接点相连接，其阳极与开关元件T11的连接点相连接；阻抗元件L1，该阻抗元件L1插入在开关元件T11的连接点与输入端之间的电力线中；以及二极管D11，该二极管D11与开关元件T11反向并联连接。

在这样的结构中，若对开关元件T11进行PWM驱动，则能获得高于输入侧的直流电压。

在功率调节器20中，利用第一电源电路11、第二电源电路12、以及第三电源电路生成对双向逆变器电路16、充放电电路17、以及DC-DC转换器18进行控制的控制电路15的5伏特左右的动作电压，由于其中第二电源电路12基于由电动汽车EV内的直流电源2所提供的直流电压来生成控制电路15的动作电压，因此，能以输入输出差较小的压降电路来构成第二电源电路12。因此，能实现开关损耗和开关噪声较小的电压转换，从而能抑制电力损耗，并能生成稳定的电压。

此外，与图4所示的系统电力的备用系统100A相同，使用成为ECU内的微机或DSP等微处理器的驱动电源的5伏特左右的直流电源的输出电压作为控制电路15的动作电压，以代替电动汽车EV内的直流电源2，则不言而喻，通过采用以上结构，也可以采用无需第二电源电路12的结构。

在以上所说明的实施方式1和实施方式2的系统电力的备用系统100和备用系统200中，在电力转换装置10和功率调节器20与电动汽车EV之间，需要将充放电电路17与电池1相连接的电缆、以及将第二电源电路12与直流电源2相连接的电缆，但若单独设置这些电缆，则由于连接操作较为繁琐，因此，采用以下结构：即，通过采用将这些电缆汇集成一根电缆、从而能一起进行插拔的结构，使用户能容易使用。

图7是表示将多根电缆汇集成一根的专用电缆的截面结构的图，对于将充放电电路17与电池1相连接的电缆，由于要对大电力进行充放电，因此，用较粗的电力线PL1和PL2来构成，对于将第二电源电路12与直流电源2相连接的电缆，由于电力较小，因此，用信号线SL1和SL2来构成。

此外，对信号线SL1和SL2进行配置，使它们分别包含在其他信号线的线束之中。此外，将多根电缆汇集成一根电缆的结构并不局限于此。

此外，在以上说明中，将控制电路15的动作电压设为5伏特左右，但有时也会为了省电而使用3.3伏特的动作电压的电路。

Claims (7)

1.一种电力系统，所述电力系统在对负载提供交流电力的供电系统、与将充电至电池中的电力作为驱动源来驱动电动机而行驶的汽车之间进行电力交换，其特征在于，

所述电力系统包括连接于所述供电系统与所述汽车的电池之间的电力转换装置，

所述电力转换装置包括：

充放电电路，该充放电电路对所述电池进行充放电；

双向逆变器电路，该双向逆变器电路连接于所述充放电电路与所述供电系统之间，在直流电力与交流电力之间进行双向转换；以及

控制电路，该控制电路对所述充放电电路和所述双向逆变器电路进行控制，

所述控制电路选择基于由所述供电系统所提供的交流电压的第一电压、以及基于由所述汽车的直流电源所提供的直流电压的第二电压之中的一个电压作为动作电压。

2.如权利要求1所述的电力系统，其特征在于，

所述电力转换装置包括电源电路，该电源电路对由所述直流电源所提供的所述直流电压进行降压，从而生成所述第二电压。

3.如权利要求2所述的电力系统，其特征在于，

所述直流电源包括所述汽车的控制系统的电源用电池、或将驱动所述电动机的所述电池的输出电压进行降压的降压电路。

4.如权利要求1所述的电力系统，其特征在于，

所述电力转换装置使用由所述直流电源所提供的所述直流电压作为所述第二电压。

5.如权利要求4所述的电力系统，其特征在于，

所述直流电源包括电子控制装置的运算处理装置驱动用的电源电路，所述电子控制装置对整个所述汽车进行控制。

6.如权利要求1所述的电力系统，其特征在于，

所述电力系统还包括产生直流电力的发电系统，

所述电力转换装置具有以下结构：即，能将由所述发电系统所产生的直流电力经由所述双向逆变器电路转换成交流电力而提供给所述负载，并能经由所述充放电电路对所述电池进行充电，

所述电力转换装置从基于由所述发电系统所提供的直流电压的第三电压、所述第一电压、以及所述第二电压之中选择任意一个电压作为所述控制电路的动作电压。

7.如权利要求1所述的电力系统，其特征在于，

将连接至所述电池的连接电缆、以及连接至所述直流电源的连接电缆汇集成一根专用电缆，利用该专用电缆，对所述汽车的所述电池和所述直流电源、与所述电力转换装置进行连接。

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