CN102497127B - 一种连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置。包括电网端滤波电路、静态开关、有源功率因数校正电路、逆变电路、母线超级电容、双向DC/DC变换器及电池端滤波电路,其中静态开关通过电网端滤波电路与电网三相交流电连接，有源功率因数校正电路的输入端与静态开关连接，有源功率因数校正电路的输出端与母线超级电容连接，母线超级电容通过逆变电路与静态开关连接及与母线超级电容连接，母线超级电容通过双向DC/DC变换器与电池端滤波电路连接，电池端滤波电路与动力电池连接；上述静态开关、有源功率因数校正电路及逆变电路控制能量在电网与动力电池之前的传输方向。本发明可以解决大容量电池快速充电问题,充电效率高，设计合理，方便使用。

Description

一种连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置

技术领域

本发明是一种连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置，属于连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置的创新技术。

背景技术

目前，动力电池充电通常采用恒流充电、恒压充电的方法；恒流充电时，由于电池可接受电流的能力随着充电过程而下降，充电后期电流主要用于电解水，析出气体而不能有效地转化为化学能，充电效率下降；恒压充电时，由于电池电压不确定，造成充电电流过大，易出现电池极柱弯曲等问题而影响电池寿命。实际应用多采用恒流、恒压分段式充电的方式，要求较长的充电时间。

采用工频交流电作为输入的充电电源中，往往功率因数低，电流失真率大，脉冲充电对电网产生的谐波干扰比较强，大功率充电电源尤其如此；此外，输出部分的直流变换模块效率也成为影响充电电源往大功率快速充电方向发展的瓶颈。

为适应智能电网的发展需要，电网能量有富余时，通过充电设备将电能快速充至动力电池中；当电网中需要用电时，可将动力电池的能量通过逆变器输出至电网。

现有技术中出现了对动力电池进行正负脉冲快速充电的一些方法，并且也有一些较高效率的充电电源出现，例如中国专利200710020300，200710022012.4，201010202827.2等都提及了对电池进行快速充电的技术方案，中国专利200710000451.5，200510091141.x提及了提高功率因数与效率的技术方案，但目前尚未发现将高功率因数高效整流、快速充电及逆变等技术结合在一起的储能充电电源装置方案。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可以解决大容量电池快速充电问题, 充电效率高的连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置。本发明设计合理，方便使用。

本发明的技术方案是：本发明的连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置，包括电网端滤波电路、静态开关、有源功率因数校正电路、逆变电路、母线超级电容、双向DC/DC变换器及电池端滤波电路, 其中静态开关通过电网端滤波电路与电网三相交流电连接，有源功率因数校正电路的输入端与静态开关连接，有源功率因数校正电路的输出端与母线超级电容连接，母线超级电容通过逆变电路与静态开关连接及与母线超级电容连接，母线超级电容通过双向DC/DC变换器与电池端滤波电路连接，电池端滤波电路与动力电池连接；上述静态开关、有源功率因数校正电路及逆变电路控制能量在电网与动力电池之前的传输方向。 

上述静态开关包括晶闸管Q1～Q6，其中Q1与Q6相互连接，并连接至电网端滤波电路中的电感L1的输出端，其中Q2与Q5相互连接，并连接至电网端滤波电路中电感L2的输出端，其中Q3与Q4相互连接，并连接至电网端滤波电路中电感L3的输出端，静态开关中的晶闸管Q1、Q2、Q3连接电网端滤波电路与逆变电路三相输出Ro相、So相、To相的部分，Q1连接Ro相， Q2连接So相，Q3连接To相，静态开关中的Q4、Q5、Q6连接电网端滤波电路与有源功率因数校正电路三相输入Ri、Si、Ti的部分，Q4连接Ti相，Q5连接Si相，Q6连接Ri相。

上述母线超级电容包括超级电容C13及C14，C13、C14串联，超级电容C13的正极Pi连接有源功率因数校正电路的D1、D2、D3，同时连接双向DC/DC变换器的正输入端及逆变电路的正输入端，超级电容C14的负极Ni连接有源功率因数校正电路的D4、D5、D6，同时连接双向DC/DC变换器的负输入端及逆变电路的负输入端，中点M连接有源功率因数校正电路的三个双向开关公共端。

上述双向DC/DC变换器（6）包括具有反并联二极管的功率开关管 Q15～Q22、电感L7～L10、电容C15；所述双向DC/DC变换器采用四相桥式电路，其中Q15、Q16构成第一相，中点连接电感L10，Q17、Q18构成第二相，中点连接电感L9，Q19、Q20构成第三相，中点连接电感L8，Q21、Q22构成第一相，中点连接电感L7，上述四相桥式电路的正输入端互相连接，并接至母线超级电容的正极，四相桥式电路的负输入端互相连接，并接至母线超级电容的负极及电容C15的负极，电感L7～L10的另一端互相连接，并接至电容C15的正极。

上述双向DC/DC变换器所采用的电感L7～L10为耦合电感，其中L7与L8耦合，绕在同一个磁芯上，L9与L10耦合，绕在另一个磁芯上，L7～L10的另一端端相互连接。

本发明由于采用通过静态开关与母线超级电容将有源功率因数校正电路、双向DC/DC变换器及逆变电路连接在一起的结构，该电源正向工作时将电网电能充至动力电池，反向工作时通过逆变电路将动力电池能量回馈至电网中给其他设备供电。在较短的时间内将电网能量充至动力电池，并且在充电过程中具有很高的功率因数，符合快速、绿色充电电源的要求；反之将电池的能量通过逆变后反馈到微电网中供本地设备用电，符合智能电网发展的需要。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明基于三相大功率有源功率因数校正，具有很高的功率因数，谐波干扰小。

2)本发明采用软开关双向DC/DC变换器，具有很高的效率；变换器采用耦合电感，电流纹波极小，电池端滤波电路体积下，具有极高的功率密度。

3)本发明根据马斯定律所指出的电池充电过程中间隔的对电池进行短时大电流放电，可使电池去极化，提高充电电流接受率，本发明处于正向工作时，为提高动力电池充电电流接受率，使其定时处于反向工作状态，对电池进行短时大电流放电，从而可以解决大容量电池快速充电的问题。

4)本发明将双向DC/DC变换器连接至超级电容后级与动力电池前级，正向工作时电池充电时起调节充电电压的作用，反向工作时将电池电压提升至母线电压再进行逆变，具有很高的效率。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置。

附图说明

图1为本发明的整体系统框图；

图2是本发明的电网端滤波电路及静态开关的原理图；

图3是本发明的有源功率因数校正电路及母线超级电容原理图；

图4是本发明双向DC/DC变换器及电池端滤波电路的原理图；

图5是本发明双向DC/DC变换器采用的耦合电感的结构原理图；

图6是本发明逆变电路的原理图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置，包括电网端滤波电路1、静态开关2、有源功率因数校正电路3、逆变电路4、母线超级电容5、双向DC/DC变换器6及电池端滤波电路7, 其中静态开关2通过电网端滤波电路1与电网三相交流电连接，有源功率因数校正电路3的输入端与静态开关2连接，有源功率因数校正电路3的输出端与母线超级电容5连接，母线超级电容5通过逆变电路4与静态开关2连接及与母线超级电容5连接，母线超级电容5通过双向DC/DC变换器6与电池端滤波电路7连接，电池端滤波电路7与动力电池连接；上述静态开关2、有源功率因数校正电路3及逆变电路4控制能量在电网与动力电池之前的传输方向。

图2所示是本发明实施例所述的电网端滤波电路1及静态开关2的原理图，所述的电网端滤波电路1包括电容C1～C12及电感L1～L3，其中C1、C2、C6分别与三相交流电源的R相、S相、T相连接，另一端相互连接至大地，C3、C4、C5分别是R相与T相、R相与S相、S相与T相相间滤波电容，L1、L2、L3分别与R相、S相、T相连接，C7、C8、C10分别连接L1及L2、L2及L3、L1及L3输出端组成相间滤波电容，C12、C11、C9分别连接L1、L2、L3输出端，C12、C11、C9另一端相互连接至大地；所述静态开关2包括晶闸管Q1～Q6，其中Q1与Q6相互连接，并连接至电感L1输出端，其中Q2与Q5相互连接，并连接至电感L2输出端，其中Q3与Q4相互连接，并连接至电感L3输出端，静态开关2中的晶闸管Q1、Q2、Q3连接电网端滤波电路1与逆变电路4三相输出Ro相、So相、To相的部分，Q1连接Ro相， Q2连接So相，Q3连接To相，静态开关2中的Q4、Q5、Q6连接电网端滤波电路1与有源功率因数校正电路3三相输出Ri相、Si相、Ti相的部分，Q4连接Ti相，Q5连接Si相，Q6连接Ri相。正向工作时Q4、Q5、Q6开通，Q1、Q2、Q3关断，反向工作时，Q1、Q2、Q3开通，Q4、Q5、Q6关断。

图3所示是本发明实施例所述的有源功率因数校正电路3及母线超级电容5的原理图，所述的有源功率因数校正电路3包括电容电感L4～L5，二极管D1～D18，功率开关管 Q7～Q9，二极管D7、D8、D9、D10与Q7构成Ri相的双向开关， D11、D12、D13、D14与Q2构成Si相的双向开关，D15、D16、D17、D18与Q3构成Ti相的双向开关，双向开关的一端分别与输入电感L4、L5、L6相连接，双向开关的另一端同时连接晶闸管母线超级电容5的中点M，上述三个双向开关中开关器件的C极分别与D1、D2、D3连接后，共同连接至母线超级电容5的正极，开关器件的E极与分别D4、D5、D6连接后，共同连接至母线超级电容5的正极，上述电路构成三相三电平三开关有源功率因数校正电路；所述母线超级电容5包括超级电容C13及C14，C13、C14串联，超级电容C13的正极Pi连接有源功率因数校正电路3的D1、D2、D3，同时连接双向DC/DC变换器6的正输入端及逆变电路4的正输入端，超级电容C14的负极Ni连接有源功率因数校正电路3的D4、D5、D6，同时连接双向DC/DC变换器6的负输入端及逆变电路4的负输入端，中点M有源功率因数校正电路3的三个双向开关公共端。

图4所示是本发明实施例所述的双向DC/DC变换器6及电池端滤波电路7的原理图，所述的双向DC/DC变换器6包括具有反并联二极管的功率开关管 Q15～Q22、电感L7～L10、电容C15；所述双向DC/DC变换器6采用四相桥式电路，其中Q15、Q16构成第一相，中点连接电感L10，Q17、Q18构成第二相，中点连接电感L9，Q19、Q20构成第三相，中点连接电感L8，Q21、Q22构成第一相，中点连接电感L7，上述四相桥式电路的正输入端互相连接，并接至母线超级电容5的正极，四相桥式电路的负输入端互相连接，并接至母线超级电容5的负极及电容C15的负极，电感L7～L10的另一端互相连接，并接至电容C15正极。所述双向DC/DC变换器6所采用的电感L7～L10为耦合电感，其耦合结构示意图如图5所示，其中L7与L8耦合，绕在同一个磁芯上，L9与L10耦合，绕在另一个磁芯上，L7～L10的另一端相互连接。所述电池端滤波电路7包括电容C16～C21、电感L11、L12；C16、C17、L11及C19、C20、L12相互连接分别构成连接电池正、负极与大地间的∏型滤波电路，其中L11与L12为共模电感；C18、C21均与电池并联。

图6所示是本发明实施例所述的逆变电路4的原理图，所述的逆变电路4包括功率开关管 Q23～Q28、二极管D19～D24、变压器T1； Q23～Q28、D19～D24相互连接构成三相逆变桥，其中D19与Q23反并联，构成第一相的上桥臂，D22与Q26反并联，构成第一相的下桥臂，D20与Q24反并联，构成第二相的上桥臂，D23与Q27反并联，构成第二相的下桥臂，D21与Q25反并联，构成第三相的上桥臂，D24与Q28反并联，构成第三相的下桥臂；上述三相逆变桥正输入端连接母线超级电容5的正极，三相逆变桥负输入端连接母线超级电容5的负极，中点分别连接至变压器T1的三个抽头，变压器一次绕组采用三角形绕法，二次绕组采用星形接法，C22、C23、C24分别是输出Ro相、So相、To相到中性点N的滤波电容；Ro相连接静态开关2中晶闸管Q1，So相连接静态开关2中晶闸管Q2，To相连接静态开关2中晶闸管Q3。

本发明的上述实施例中，能使静态开关2中的晶闸管Q4、Q5、Q6，保持Q1、Q2、Q3处于关断状态，并使逆变电路开关器件保持关断状态，对有源功率因数校正电路3及双向DC/DC变换器6进行控制，即可使能量正向流动，由电网对动力电池进行充电；能使静态开关2中的晶闸管Q1、Q2、Q3，保持Q4、Q5、Q6处于关断状态，并使有源功率因数校正电路3的开关器件保持关断状态，对上述的逆变电路4及双向DC/DC变换器6进行控制，即可使能量反向流动，由动力电池对电网进行供电。

本发明的储能充电电源装置，正向工作时，其输入为工频三相交流电，对象是动力电池，三相交流电通过电网端滤波电路1、静态开关2及有源功率因数校正电路3后变成直流电，能量存储在母线超级电容5，再经由双向DC/DC变换器6及电池端滤波电路7将能量充至动力电池；反向工作时，其输入为动力电池，对象是工频三相交流电，动力电池能量经电池端滤波电路7及双向DC/DC变换器6后将电压升高至母线电压存储在母线超级电容5，能量经逆变电路4后变三相交流电，并经静态开关2及电网端滤波电路1后送入工频三相电网中。

Claims (3)

1.一种连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置，其特征在于包括电网端滤波电路（1）、静态开关（2）、有源功率因数校正电路（3）、逆变电路（4）、母线超级电容（5）、双向DC/DC变换器（6）及电池端滤波电路（7）, 其中静态开关（2）通过电网端滤波电路（1）与电网三相交流电连接，有源功率因数校正电路（3）的输入端与静态开关（2）连接，有源功率因数校正电路（3）的输出端与母线超级电容（5）连接，母线超级电容（5）通过逆变电路（4）与静态开关（2）连接，母线超级电容（5）通过双向DC/DC变换器（6）与电池端滤波电路（7）连接，电池端滤波电路（7）与动力电池连接；上述静态开关（2）、有源功率因数校正电路（3）及逆变电路（4）控制能量在电网与动力电池之间的传输方向； 

上述静态开关（2）包括晶闸管Q1～Q6，其中Q1与Q6相互连接，并连接至电网端滤波电路（1）中的电感L1的输出端，其中Q2与Q5相互连接，并连接至电网端滤波电路（1）中电感L2的输出端，其中Q3与Q4相互连接，并连接至电网端滤波电路（1）中电感L3的输出端，静态开关（2）中的晶闸管Q1、Q2、Q3连接电网端滤波电路（1）与逆变电路（4）三相输出Ro相、So相、To相的部分，Q1连接Ro相， Q2连接So相，Q3连接To相，静态开关（2）中的Q4、Q5、Q6连接电网端滤波电路（1）与有源功率因数校正电路（3）三相输入Ri、Si、Ti的部分，Q4连接Ti相，Q5连接Si相，Q6连接Ri相；

上述母线超级电容（5）包括超级电容C13及C14，C13、C14串联，超级电容C13的正极Pi连接有源功率因数校正电路（3）的二极管D1、D2、D3，同时连接双向DC/DC变换器（6）的正输入端及逆变电路（4）的正输入端，超级电容C14的负极Ni连接有源功率因数校正电路（3）的二极管D4、D5、D6，同时连接双向DC/DC变换器（6）的负输入端及逆变电路（4）的负输入端，中点M连接有源功率因数校正电路（3）的三个双向开关公共端。

2.根据权利要求1所述的连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置，其特征在于上述双向DC/DC变换器（6）包括具有反并联二极管的功率开关管 Q15～Q22、电感L7～L10、电容C15；所述双向DC/DC变换器（6）采用四相桥式电路，其中Q15、Q16构成第一相，中点连接电感L10的一端，Q17、Q18构成第二相，中点连接电感L9的一端，Q19、Q20构成第三相，中点连接电感L8的一端，Q21、Q22构成第一相，中点连接电感L7的一端，上述四相桥式电路的正输入端互相连接，并接至母线超级电容（5）的正极，四相桥式电路的负输入端互相连接，并接至母线超级电容（5）的负极及电容C15的负极，电感L7～L10的另一端互相连接，并接至电容C15的正极。

3.根据权利要求2所述的连接电动汽车与智能电网的储能充电电源装置，其特征在于上述双向DC/DC变换器（6）所采用的电感L7～L10为耦合电感，其中L7与L8耦合，绕在同一个磁芯上，L9与L10耦合，绕在另一个磁芯上，L7～L10的另一端相互连接。