CN102611171B - 一种高压大电流直流充电机 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种高压大电流直流充电机，包括：APFC整流模块，充电模块和主控模块，其中，APFC整流模块极大地提高充电系统的输出功率因数，充电模块的DC/AC变换模块在主控模块的控制下可实现IGBT为零电压开通零电流关闭，开关功耗接近零，使得DC/AC变换模块中的功率器件IGBT温升很低，可提高直流充电机的使用寿命和可靠性，充电模块的升压模块的高频变压器通过对DC/AC变换模块输出的正负高压脉冲进行升压，并由充电模块的AC/DC变换模块将升压模块输出的交流电流转变为动力蓄电池的充电电流，综上，本发明实施例的高压大电流直流充电机具有可靠性和有效性的特点。

Description

一种高压大电流直流充电机
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种高压大电流直流充电机。
背景技术
充电机是采用高频电源技术，运用先进的智能动态调整充电技术，具有充电效率高，操作简单，重量轻，体积小等特点。
现有国内外电动汽车充电机一般通过以下两种方式来实现高压大电流输出：
一种是由电网的交流电通过工频变压器升压整流后得到高压直流，通过变换给动力蓄电池充电，但此种方法存在输出容量小、输出电流小等缺点；
另一种是采用若干个充电模块串联组成，此种方法存在各个充电模块不均压的隐患，若各个充电模块不均压，则可能导致系统环流的形成，进而使系统崩溃
发明内容
本发明实施例提供了一种高压大电流直流充电机，用于提高高压大电流充电系统的可靠性和有效性。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：
一种新型高压大电流直流充电机，包括：
用于对输入的三相交流电进行有源功率因数校正APFC(Active PowerFactor Correction)整流的APFC整流模块，上述APFC整流模块由单管绝缘栅双极型晶体管IGBT模块构建；
与上述APFC整流模块的输出端连接的充电模块，
其中，上述充电模块包括：
用于将上述APFC整流模块输出的电压转变为正负高压脉冲的DC/AC变换模块，上述DC/AC变换模块由全桥IGBT模块构建；
与上述DC/AC变换模块连接的，用于对上述DC/AC变换模块输出的正负高压脉冲进行升压的升压模块，上述升压模块由高频变压器组成；
与上述升压模块连接的，用于将上述升压模块输出的交流电流转变为动力蓄电池的充电电流的AC/DC变换模块；
上述直流充电机还包括：与上述APFC整流模块和上述充电模块连接的，用于分别向上述APFC整流模块、上述充电模块的DC/AC变换模块提供脉冲宽度调制PWM驱动信号的主控模块。
由上可见，本发明实施例的高压大电流直流充电机中由主控模块分别向APFC整流模块、DC/AC变换模块提供PWM驱动信号，可实现对各模块的输出电信号的占空比的控制，其中，APFC整流模块采用了APFC技术对输入的三相交流电进行APFC整流，极大地提高充电系统的输出功率因数，DC/AC变换模块由IGBT构建，其在主控模块的控制下可实现IGBT为零电压开通零电流关闭，开关功耗接近零，因此DC/AC变换模块中的功率器件IGBT温升很低，提高了直流充电机的使用寿命和可靠性，通过升压模块的高频变压器对DC/AC变换模块输出的正负高压脉冲进行升压，并由AC/DC变换模块将升压模块输出的交流电流转变为动力蓄电池的充电电流，综上，本发明实施例中的高压大电流直流充电机具有可靠性和有效性的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的高压大电流直流充电机直流充电机一个实施例结构示意图；
图2为本发明实施例提供的高压大电流直流充电机另一个实施例结构示意图；
图3为本发明实施例提供的APFC整流电路一个实施例电路原理图；
图4为本发明实施例提供的DC/AC变换电路一个实施例电路原理图；
图5为本发明实施例提供的升压电路一个实施例电路原理图；
图6为本发明实施例提供的AC/DC变换电路一个实施例电路原理图；
图7为本发明实施例提供的AC/DC变换电路另一个实施例电路原理图；
图8为本发明实施例提供的主控模块一个实施例结构示意图；
图9为本发明实施例提供的人机交互模块的充电主界面示意图；
图10为本发明实施例提供的人机交互模块的参数设置界面示意图；
图11为本发明实施例提供的两个充电模块组成的充电电路原始图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种高压大电流直流充电机。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。
下面对本发明实施例中一种高压大电流直流充电机进行描述，请参阅图1，本发明实施例中的高压大电流直流充电机100包括：
APFC整流模块101，充电模块102和主控模块103。
其中，APFC整流模块101用于对输入的三相交流电进行APFC整流；在本发明实施例中，APFC整流模块由单管绝缘栅双极型晶体管(IGBT，InsulatedGate Bipolar Transistor)模块构建。
充电模块102与APFC整流模块101的输出端连接，
其中，充电模块102包括：
用于将APFC整流模块101输出的电压转变为正负高压脉冲的DC/AC变换模块1021，在本发明实施例中，DC/AC变换模块1021由全桥IGBT模块构建；
与DC/AC变换模块1021连接的，用于对DC/AC变换模块输出的正负高压脉冲进行升压的升压模块1022，升压模块1022由高频变压器组成；
与升压模块1022连接的，用于将升压模块输出的交流电流转变为动力蓄电池的充电电流的AC/DC变换模块1023；
主控模块103与APFC整流模块101和充电模块102，用于向APFC整流模块101和充电模块102的DC/AC变换模块1021提供脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)驱动信号，从而可实现对不同模块输出的电信号的占空比进行控制。
在本发明实施例中，主控模块103由数字信号处理器(DSP，Digital SignalProcessing)构建，当然，主控模块103也可由其它处理器构建，此处不作限定。
在本发明实施例中，直流充电机100可以由一个充电模块102实现，也可以由两个或两个以上的充电模块102通过并联连接，并共用APFC整流模块101的输出直流母线来实现，当直流充电机包含两个或两个以上的充电模块102时，可通过在AC/DC变换模块1023中接入两个滤波电容板，通过上述两个滤波电容板实现对AC/DC变换模块的输出电压进行均压，从而有效抑制充电模块之间的环流形成。
由上可见，本发明实施例的高压大电流直流充电机中由主控模块分别向APFC整流模块、DC/AC变换模块提供PWM驱动信号，可实现对各模块的输出电信号的占空比的控制，其中，APFC整流模块采用了APFC技术对输入的三相交流电进行APFC整流，极大地提高充电系统的输出功率因数，DC/AC变换模块由IGBT构建，其在主控模块的控制下可实现IGBT为零电压开通零电流关闭，开关功耗接近零，因此DC/AC变换模块中的功率器件IGBT温升很低，提高了直流充电机的使用寿命和可靠性，通过升压模块的高频变压器对DC/AC变换模块输出的正负高压脉冲进行升压，并由AC/DC变换模块将升压模块输出的交流电流转变为动力蓄电池的充电电流，由单个充电模块即可有效地实现高压直流输出。综上，本发明实施例中的直流充电机具有可靠性和有效性的特点。
请参阅图2，在本发明实施例中，高压大电流直流充电机200包括：
APFC整流模块201，充电模块202，主控模块203和人机交互模块204。
其中，APFC整流模块201，充电模块202和主控模块203的组成结构和功能可参照图1中对APFC整流模块101，充电模块102和主控模块103的描述，此处不再赘述。
在本发明实施例中，主控模块203还用于对充电过程中的参数信息进行采集，参数信息例如包括充电电流参数、动力蓄电池电压参数、充电时间参数等。
在本发明实施例中，人机交互模块204通过串行数字通讯端口与主控模块203连接，用于向用户提供人机交互接口并对主控模块203采集到的参数信息进行显示。
在本发明实施例中，人机交互模块203也可通过控制器局域网络(CAN，Controller Area Network)总线与动力蓄电池管理系统(BMS，BatteryManagement System)连接，获取并显示BMS检测到的动力蓄电池状态信息。
由上可见，本发明实施例中的高压大电流直流充电机还包含人机交互模块，人机交互模块为用户提供人机交互接口，简化用户的操作过程，另外，人机交互模块通过串行数字通讯端口与主控模块交换信息，并对主控模块采集到的参数信息进行显示，使得用户可更直观地获知直流充电机的工作状况和充电过程中的充电电压、电流信息。
本发明实施例中的APFC整流模块、DC/AC变换模块、升压模块和AC/DC变换模块的电路原理图可分别如图3、图4、图5和图6所示。
在图3中，APFC整流模块由3个高频电抗器(如图3中的L1-L3)，6个单管IGBT模块(如图3中的Q1-Q6)，3个无感吸收电容(如图3中的C1-C3)，6个滤波电容(如图3中的E1-E6)，以及2个功率型电阻(如图3中的R1-R2)组成。主控模块可分别通过Q1-Q6门极的基极和发射极向APFC整流模块输入6个PWM驱动信号。APFC整流模块对输入的三相交流电进行整流后，将直流电送到直流母线上输出(如图3中的DC输出+和DC输出-)。在本发明实施例中，上述单管IGBT模块的型号例如可以是FZ600R12KE3，当然，也可采用其它型号的单管IGBT模块，此处不作限定。
在图4中，DC/AC变换模块由1个用于储能的电容E7、1个用于放电的电阻R3、2个双模块IGBT(如图4中的Q7-Q8)、无感吸收电容(如图中的C4-C7)以及1个电容板ZVS组成。APFC整流模块输出的正负直流电分别从电容E7的正极端和负极端流入(如图4中的DC+和DC-)，主控模块可通过Q7的4脚和5脚、Q7的6脚和7脚、Q8的4脚和5脚，以及Q8的6脚和7脚分别向DC/AC变换模块输入A、B、C和D四个PWM驱动信号，实现零电压开通零电压关闭移相输出不同占空比的正负高压脉冲。在本发明实施例中，上述双模块IGBT的型号例如可以是FF400R12KE3，当然，也可采用其它型号的双模块IGBT，此处不作限定。
在图5中，升压模块由1个高频变压器组成，高频变压器的原边N0两端分别与DC/AC变换模块的输出端连接，高频变压器的副边N1和N2对称，即N1的匝数与N2的匝数相等，N1的匝数大于N0的匝数，以实现对DC/AC变换模块输入的电压进行升压。
在图6中，AC/DC变换模块由2个全桥整流桥堆(M1-M2)、4个快速恢复二极管(如图6中的D1-D4)、2个谐振电容(如图6中的C9-C12)、2块滤波电容板(如图6中的E3-E4)和2个高频电抗器(如图6中的L1-L2)组成，图5中的高频变压器的副边N1和N2可分别与a和b、c和d连接，将升压模块升压后的高压电输入AC/DC变换模块，本发明实施例中，AC/DC变换模块采用了无源钳位技术，利用滤波电容板E3-E4均压，该AC/DC变换模块可应用于一个充电模块的场景下，也可应用于多个充电模块并联的场景下，可自动实现多个并联的充电模块均流、均压，有效抑制充电模块之间的环流形成。AC/DC变换模块将升压模块输入的交流高压转变为直流电压后输出给动力蓄电池供电，其输出的直流电压为1.2*(n1/n0)*A原边*B，其中，n1表示升压模块中高频变压器的副边匝数，n0表示升压模块中高频变压器的原边匝数，A原边表示升压模块中高频变压器原边的幅度，B表示DC/AC变换模块输出的正负高压脉冲的占空比。
在本发明实施例中，可进一步在AC/DC变换模块的输出端设置保护电路，以进一步提高直流充电机的安全性和可靠性，如图7所示为加入保护电路的AC/DC变换模块，其中，SI1是电流霍尔传感器，用于实现对输出电流进行反馈，F1为直流快速熔断器，KM1和KM2为直流接触器，电阻R3与KM2串联，直流充电机在启动阶段时，KM1断开、KM2闭合，R3预充电流，当R3的预充电流到达一定值时，KM1闭合，KM2断开。
主控模块80的结构框图可如图8所示，主控模块80由DSP芯片81构建，外围电路由PWM驱动信号形成及放大电路82、复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)83、反馈信号处理电路84、通讯接口85组成，其中，主控模块80可通过通讯接口85与人机交互模块90进行通讯。
本发明实施例中的人机交互模块的充电主界面可如图9所示，用户可从该充电主界面直观地获知当前直流充电机的工作状态(如充电模式、充电容量、充电电压、充电电流等)、动力蓄电池的当前状态(如动力蓄电池的温度、当前的剩余电量等)和故障信息等参数，用户还可通过点击该充电主界面上的“停止充电”按钮控制直流充电机停止对动力蓄电池进行充电，也可通过点击该充电主界面上的“查看动力蓄电池组详细信息”按钮来查看该动力蓄电池组的详细信息，在直流充电机未启动时，用户还可点击该充电主界面上的“参数设置”进入参数设置界面，该参数设置界面可如图10所示，用户通过该参数设置界面可进行相关参数的设置，如充电模式、计费模式、充电时间等。
需要说明的是，本发明实施例中的高压大电流直流充电机也由两个以上的充电模块并联组成，图11为由充电模块1101和充电模块1102组成的高压大电流直流充电机的充电电路拓扑结构图，其中，DC+和DC-为整流模块输出的电压，充电模块1101和充电模块1102并联连接，且输入端共用整流模块的直流母线，充电模块1102的正极输出端与充电模块1101的正极输出端连接，充电模块1102的负极输出端与充电模块1101的负极输出端连接。可以理解，N(N大于或等于2)个充电模块并联组成的充电电路拓扑图均可参照图11的连接方式，即N个充电模块的输入端共用整流模块的直流母线，N个充电模块的正极输出端相连，N个充电模块的负极输出端相连，在N个充电模块的器件参数一致时，N个充电模块并联组成的充电电路输出的直流电压为N*1.2*(n1/n0)*A原边*B，其中，n1表示升压模块中高频变压器的副边匝数，n0表示升压模块中高频变压器的原边匝数，A原边表示升压模块中高频变压器原边的幅度，B表示DC/AC变换模块输出的正负高压脉冲的占空比。可见，，N个充电模块并联组成的充电电路可实现N倍于单个充电模块的输出电流大小。
由上可见，本发明实施例的直流充电机中由主控模块分别向APFC整流模块的输出电信号的占空比的控制，其中，APFC整流模块采用了APFC技术对输入的三相交流电进行APFC整流，极大地提高充电系统的输出功率因数，DC/AC变换模块由IGBT构建，其在主控模块的控制下可实现IGBT为零电压开通零电流关闭，开关功耗接近零，因此DC/AC变换模块中的功率器件IGBT温升很低，提高了直流充电机的使用寿命和可靠性，通过升压模块的高频变压器对DC/AC变换模块输出的正负高压脉冲进行升压，并由AC/DC变换模块将升压模块输出的交流电流转变为动力蓄电池的充电电流，由单个充电模块即可实现有效地大电流直流输出。进一步，本发明实施例中的直流充电机还包含人机交互模块，人机交互模块为用户提供人机交互接口，简化用户的操作过程，另外，人机交互模块通过串行数字通讯端口与主控模块交换信息，并对主控模块采集到的参数信息进行显示，使得用户可更直观地获知直流充电机的工作状况和充电过程中的充电电压、电流信息。综上，本发明实施例中的直流充电机具有可靠性、有效性、操作简便等特点。
以上对本发明所提供的一种高压大电流直流充电机进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种高压大电流直流充电机，其特征在于，包括：
用于对输入的三相交流电进行有源功率因数校正APFC整流的APFC整流模块，所述APFC整流模块由单管绝缘栅双极型晶体管IGBT模块构建；
与所述APFC整流模块的输出端连接的充电模块，
其中，所述充电模块包括：
用于将所述APFC整流模块输出的电压转变为正负高压脉冲的DC/AC变换模块，所述DC/AC变换模块由全桥IGBT模块构建；
与所述DC/AC变换模块连接的，用于对所述DC/AC变换模块输出的正负高压脉冲进行升压的升压模块，所述升压模块由高频变压器组成；
与所述升压模块连接的，用于将所述升压模块输出的交流电流转变为动力蓄电池的充电电流的AC/DC变换模块；
所述直流充电机还包括：与所述APFC整流模块和所述充电模块连接的，用于分别向所述APFC整流模块、所述充电模块的DC/AC变换模块提供脉冲宽度调制PWM驱动信号的主控模块；
其中，所述AC/DC变换模块由第一全桥整流桥堆(M1)、第二全桥整流桥堆(M2)、第一快速恢复二极管(D1)、第二快速恢复二极管(D2)、第三快速恢复二极管(D3)、第四快速恢复二极管(D4)、第一谐振电容(C9)、第二谐振电容(C10)、第一滤波电容板(E3)、第二滤波电容板(E4)、第一高频电抗器(L1)、第二高频电抗器(L2)组成，所述第一滤波电容(E3)与所述第二滤波电容板(E4)用于对所述AC/DC变换模块的输出电压进行滤波及均压处理。
2.根据权利要求1所述的直流充电机，其特征在于，
包含至少两个所述充电模块；
所述至少两个充电模块并联连接，且共用所述APFC整流模块的输出直流母线。
3.根据权利要求1或2所述的直流充电机，其特征在于，
所述主控模块还用于对充电过程中的参数信息进行采集；
所述直流充电机还包括：
通过串行数字通讯端口与所述主控模块连接的人机交互模块，所述人机交互模块用于向用户提供人机交互接口并对所述主控模块采集到的所述参数信息进行显示。
4.根据权利要求1或2所述的直流充电机，其特征在于，
所述主控模块由数字信号处理器DSP构建。
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