CN102709994A - 电动汽车电池充放电双向功率转换器 - Google Patents

Abstract

电动汽车电池充放电双向功率转换器，主电路外安装连接蓄电池的输入端口(In)，连接电网的输出端口(Ｏut)，主电路与控制电路连接，主电路包括顺序连接的蓄电池侧滤波电路(1)、同极性双向DC/DC电路(2)、高频隔离DC/DC电路构成(3)、三相三电平电路(4)、电网侧滤波电路5，控制电路包括顺序连接的DSP主控制器(6)、MCU辅助控制器(7)、LCD或485通讯电路(8)。电路使用的元器件相对减少，智能化程度高，具有自我检测和故障保护功能，节约设备和运行成本，转换效率高，工作过程快速、平稳、可控；体积小、动态性能好、环保节能。

Description

电动汽车电池充放电双向功率转换器

技术领域

本发明涉及国际专利分类H02J供电或配电的电路装置或系统以及电能存储系统技术，尤其是牌号下细分工艺区间的电动汽车电池充放电双向功率转换器。

背景技术

公知技术中，虽然电动汽车技术伴随着新能源产业迅速兴起,电动汽车电池维护与保养受到越来越多的重视,尤其是其电池相关的充放电技术作为重要的关键技术受到普遍关注，通常充电器是一种电能转换装置，主要实现由交流到直流的能量转换，通常充电器需要具备整流和降压功能；逆变器是一种由直流到交流的能量转换装置，由于蓄电池电压低的特点，因此需要逆变器具有升压功能，可将直流电压升高到满足逆变的电压幅值；于充电器和逆变器的电路拓扑结构和控制方法不同，通常单独设计充电器和逆变器，因此充电器和逆变器仅具有单向功率流动功能。

在现有的电动汽车电池维护系统中，单个标准汽车电池需要直接连接到一个充电器上以完成充电工作，而电池的放电通常都是通过并联连接一个纯电阻来实现的，在电池需要放电的某些情况下，接到电阻负载的开关即被合入，电池的剩余电能直接消耗在电阻上。可见,使用电阻消耗电池放电能量的做法，造成了严重的电能消耗;而且,前述系统由充电器和放电电阻两大部分组成，占用空间大，造成系统整体体积大，操作不方便，增加了成本。

电动汽车入网Vehicle to Grid,简称V2G技术，就是电动车辆的能量在受控状态下实现与电网之间的双向互动和交换的“智能电网技术”的重要组成部分,应用V2G和智能电网技术,在满足电动汽车用户行驶需求的前提下,将剩余电能双向可控回馈到电网。

电动汽车是汽车产业的最终发展方向,智能电网是经济和技术发展的必然趋势,将电动汽车和智能电网结合的V2G,既解决了电动汽车大规模发展带来的充电压力问题,又可将电动汽车作为移动的、分布式储能单元接入电网,用于削峰填谷、应急安保,旋转备用等,在提高电网供电灵活性、可靠性和能源利用效率的同时,延缓电网建设投资。

在现有技术中应用技术方法公开较少，如，专利申请号201110161670电动汽车动力电池大型集中储能智能型充放电系统，解决了动力电池充电分散、不能充分利用能源等问题。技术方案包括：该系统将动力电池集中充电，利用动力电池充电后储存的功率总容量集成为一小型发电站，向电网放电。它包括动力电池更换服务系统、大型集中储能充电站、智能调度中心、电网侧调度与分析模块，各部分之间均采用双向通信。Ｂ２Ｇ向电网放电的运行技术：在夜间负荷低谷或发电成本较低时控制系统充电，当电网需要或系统发电能力富余时，控制系统放电，优化利用环保清洁的能源，实现了电动汽车动力需求与动力电池的充放电操作在时间、地点上的双重解耦。

另外，如专利申请号201120100304一种大功率电动汽车感应充电变流器，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。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动汽车电池充放电双向功率转换器，该装置同时具备充电器和逆变器双重功能的双向功率流动转换器（Power Conversion System， PCS），以实现电池充放电，既能够将电池放电能量反馈到电网中，避免电能浪费，又可以减小整个系统的体积，节省空间，同时还可降低了系统成本。

本发明的发明目的是通过如下技术措施实现的：主电路外安装连接蓄电池的输入端口，连接电网的输出端口，主电路与控制电路连接，主电路包括顺序连接的蓄电池侧滤波电路、同极性双向 DC/DC 电路、高频隔离 DC/DC 电路构成、三相三电平电路、电网侧滤波电路，控制电路包括顺序连接的DSP 主控制器、MCU 辅助控制器、LCD 或 485 通讯电路。

本发明原理在于， 装置同时具备充电器和逆变器双重功能的双向功率流动转换器（Power Conversion System， PCS），以实现电池充放电，既能够将电池放电能量反馈到电网中。

本发明的优点在于：在同一电路中实现整流降压和升压逆变两种功能，做到功率双向流动，可以替代现有充电器和逆变器两种电能转换装置，电路使用的元器件相对减少，智能化程度高，具有自我检测和故障保护功能，节约设备和运行成本，转换效率高，工作过程快速、平稳、可控；体积小、动态性能好、环保节能。

附图说明

图1是本发明中的电池充放电工作原理示意图

图2是本发明的结构和连接关系示意图

图3是本发明中的电池充放电主电路中同极性双向DC/DC电路和带高频隔离的DC/DC电路3示意图

图4是本发明中的电池充放电主电路中三相三电平电路示意图

图5是本发明中的电池充放电主电路中

示意图

附图标记包括：

连接蓄电池的输入端口In、连接电网的输出端口Ｏut、蓄电池侧滤波电路1、同极性双向DC/DC电路2、高频隔离DC/DC电路3、三相三电平电路4、电网侧滤波电路5， DSP 主控制器6、MCU辅助控制器7、LCD或485通讯电路8。

具体实施方式

本发明采用两级变换、高频变压器隔离拓扑，以实现电池安全运行。

主电路外安装连接蓄电池的输入端口In，连接电网的输出端口Ｏut，主电路与控制电路连接，主电路包括顺序连接的蓄电池侧滤波电路1、同极性双向 DC/DC 电路2、高频隔离 DC/DC 电路构成3、三相三电平电路4、电网侧滤波电路5，控制电路包括顺序连接的DSP 主控制器6、MCU 辅助控制器7、LCD 或 485 通讯电路8。

所述DSP 主控制器6分别与同极性双向 DC/DC 电路2、高频隔离 DC/DC 电路构成3、三相三电平电路4和电网侧滤波电路5连接；MCU 辅助控制器7与电网侧滤波电路5连接。

所述同极性双向DC/DC电路2包括电容C1、电感L1、带反并快速二极管的开关管Q1、Q2以及电容C2；所述带高频隔离的DC/DC电路3包括电容C2，低压侧带反并快速二极管的开关管Q3、Q4、Q5、Q6，高频变压器T1，高压侧带反并快速二极管的开关管 Q7、Q8、Q9、Q10以及电容C5；所述三相三电平电路4由电容 C6、C7，开关管 QR1、QR2、QR3、QR4、QS1、QS2、QS3、QS4、QT1、QT2、QT3、QT4，二极管DR1、DR2、DR3、DR4、DS1、DS2、DS3、DS4、DT1、DT2、DT3、DT4以及电感LR、LS、LT组成，所述电网侧滤波电路5由继电器RY1、RY2、RY3、RY4、RY5、RY6、RY7、RY8和输出EMI组成。

蓄电池侧滤波电路1通过连接蓄电池的输入端口In接蓄电池，蓄电池侧滤波电路1输出端接同极性双向DC/DC电路2输入侧电容C1两端，同极性双向DC/DC电路2的输出端接高频隔离DC/DC电路3输入端，高频隔离DC/DC电路3输出端接三相三电平电路4输入侧电容C6、C7两端，电容C6和C7串联以满足直流母线耐压要求，中点作为三相输出的N线，三相三电平电路4输出侧电感LR、LS、LT接电网侧滤波电路5输入端，电网侧滤波电路5输出接入连接电网的输出端口Ｏut。 

同极性双向DC/DC电路2结合常规BUCK和BOOST电路，使用一个变换器即可实现电能的双向流动，和现有的使用两个单向DC/DC电路实现电能双向流动相比较，该电路使用的元器件相对减少，成本低，并且具有转换效率高，动态性能好，体积小、成本低的优点。 

高频隔离的DC/DC电路3采用高频变压器隔离，体积小，重量轻，将输入侧与输 出侧进行隔离，安全可靠。

三相三电平电路4采用中点钳位型三电平逆变器拓扑NPC-Three Level Inverter，比传统二点平多出一个电平，减小了输出电流谐波含量，改善电压波形，并且开关管承受电压应力只有直流母线电压的一半，开关应力小，可以选择价格较低的低电压开关管；另外，三电平电路的整体损耗比二电平要低，从而提高转换效率；SVPWM的调制方式可以提高直流母线电压利用率。功率模块的应用可以进一 步提高效率和系统的可靠性。三相逆变器相对于三个单相逆变器，具有功率密度高、三相功率均衡等优点。 

电网侧滤波电路5输出两侧配备双继电器，分别由不同 CPU 控制，保证系统安全可靠运行，满足最新国际标准的并网要求。 

控制电路采用DSP与MCU双CPU冗余设计，同时采用数字控制技术和模拟保护电路设计，既可提高系统运行灵活性又可增加安全稳定性。

LCD及485通讯电路8方便使用人员的操作，既可以直观的显示PCS运行状态机参数，又可通过通讯电路 实现远程监控。

本发明在功能整合和系统开发中，考虑到设计要求，并且兼顾到电池的安全运行因素， 采用两级变换、高频变压器隔离拓扑。

    本发明具有升压作用，即可以将电池电压升到600V 以上的母线电压，以便电池放电能量可并入到电网；同时具有降压作用，即可以从电网直接吸取能量对电池进行充电； 还具有逆变并网功能，即可将电池放出来的直流电转换为交流电以便并网运行。

本发明在充电模式时，电能从电网流向蓄电池，给蓄电池充电。电网电能通过三相三电平电路4整流为直流电，开关管控制采用SVPWM调制方式；以R相桥臂为例，当开关管QR1、QR2导通时，R相桥臂终点输出电压为+VC6，当开关管QR2、QR3导通时，R相桥臂终点输出电压为0,当开关管QR3、QR4导通时，R相桥臂终点输出电压为-VC7；由于电容C6、C7两端电压相同，因此VC6=VC7=VBUS/2，最终R相桥臂终点输出电压为±VBUS/2，0三种电平；其余两相S相和T相工作原理同样如此；高频隔离的DC/DC电路3：电能从高压侧流向低压侧，高压侧开关管Q7、Q8、Q9、Q10处于开关状态，且每个开关管均导通大约50%的开关周期时间，其中开关管Q7和Q10同时导通，开关管Q8和Q9同时导通，另外开关管Q7和Q8互补且之间需要包含一段死区时间；低压侧开关管Q3、Q4、Q5、Q6处于整流状态，开关管 Q3、Q4、Q5、Q6有两种控制方法：方法1，低压侧开关管Q3、Q4、Q5、Q6均处于关断状态，利用与开关管Q3、Q4、Q5、Q6并联的体二极管作为整流二极管对输出电压整流，如高压侧开关管 Q7和Q10同时导通，此时低压侧开关管Q3和Q6的体二极管导通，由电容C2对输出电压进行滤波；方法2，低压侧开关管Q3、Q4、Q5、Q6根据高压侧开关管Q7、Q8、Q9、 Q10的开关状态进行相对的控制，如高压侧开关管Q7和Q10同时导通，此时低压侧开关管Q3和Q6同时导通，开关管Q4和Q5处于关断状态；两种方法均可在低压侧得到 稳定的直流电压；同极双向 DC/DC电路2：电能通过同极性双向 DC/DC电路从串联共振电路低压侧流向蓄电池，此时同极性双向DC/DC运行在降压模式，开关管Q2处于关断状态，开关管Q2的并联体二极管作为续流二极管，开关管Q1处于开关状态，此时电路等效成单向BUCK 电路。 

本发明在充电模式时，电能从蓄电池流向电网，将蓄电池的放电能量 反馈到电网中，避免了传统纯阻性负载消耗电能引起的浪费；电能通过同极性双向DC/DC电路2从蓄电池流向串联共振电路低压侧，此时同极性双向DC/DC电路2运行在升压模式，开关管 Q1处于关断状态，开关管Q1的并联体二极管作为续流二极管，开关管 Q2处于开关状态，此时电路等效 成单向BOOST电路；高频隔离的DC/DC电路3中，电能从低压侧流向高压侧，低压侧开关管 Q3、Q4、Q5、 Q6处于开关状态，且每个开关管均导通大约 50%的开关周期时间，其中开关管 Q3和Q6同时导通，开关管Q4和Q5同时导通，另外开关管Q3和Q4互补且之间需要包含一段死区时间；高压侧开关管Q7、Q8、Q9、Q10处于整流状态，开关管Q7、Q8、Q9、Q10有两种控制方法，包括方法1，高压侧开关管 Q7、Q8、Q9、Q10均处于关断状态，利用与开关管Q7、Q8、Q9、Q10并联的体二极管作为整流二极管对输出电压整流，如低压侧开关管 Q3和 Q6同时导通，此时高压侧开关管 Q7和 Q10的体二极管导通，由电容 C3对输出电 压进行滤波；方法2，高压侧开关管 Q7、Q8、Q9、Q10根据低压侧开关管 Q3、Q4、Q5、 Q6的开关状态进行相对的控制，如低压侧开关管 Q3和 Q6同时导通，此时高压侧开关 管 Q7和 Q10同时导通，开关管 Q8和 Q9处于关断状态；两种方法均可在高压侧得到稳 定的直流电压；三相三电平电路4中，串联共振电路高压侧输出电压通过三相三电平电路逆变为与 电网电压同频率、同相位的交流电，开关管控制采用 SVPWM 调制方式。以 R 相 桥臂为例，当开关管 QR1、QR2 导通时，R 相输出电压为+VC6，当开关管 QR2、QR3 导通时，R 相桥臂终点输出电压为 0, 当开关管 QR3、QR4 导通时，R 相输出电压为 -VC7；由于电容 C6、C7 两端电压相同，因此 VC6=VC7=VBUS/2，最终 R 相输出电 压为±VBUS/2，0 三种电平；其余两相 S 相和 T 相工作原理同样如此。 

本发明具有丰富的检测和故障保护功能：

包括自我检测功能：①电路检测:运行前必须对内部检测电路进行自检，包括输出电流传感器等。②控制器检测:PCS 运行时必须实时检测两个控制器之间的通讯 功能是否异常。 

包括故障保护功能：PCS 的保护功能根据严重程度分为三类：警告(Warning)、可 恢复故障(Fault)和不可恢复故障(Permanent Fault)。主要有直流过压保护、直流欠 压保护、直流过流保护、交流过压保护、交流欠压保护、交流过流保护、短路保护、 检测电路异常保护、过温保护、风扇侦测保护等。 

本发明中，控制电路对严重程度不同的故障会有不同的保护方式；比如风扇停转属于警告，当故障发生时，系统会发出报警，但继续保持原有状态；而交流侧电压过高属于可恢复故障，当故障发生时，系统转入故障状态，等故障解除后自动转入运行状态；当交流电流瞬间变化极大超出设定值的故障属于不可恢复故障，该故障发 生时，系统会直接关机，需人工操作解除故障。 

本发明可以很好地实现交流到直流以及直流到交流两种能量转换功能，使得电能通过在电网和蓄电池之间实现双向流动，可以替代充电器和逆 变器两种装置；尤其是在蓄电池的维护过程中，解决了之前蓄电池放电能量通过电阻消耗掉的问题，直接将蓄电池放电能量转换为交流电并输入到电网中，同时实现了充放电功能一体化,可为企业节约设备采购成本，也可以减少用电量，带来更大的经济效益。

Claims (8)

1.电动汽车电池充放电双向功率转换器，其特征是：主电路外安装连接蓄电池的输入端口(In)，连接电网的输出端口(Ｏut)，主电路控制电路连接，主电路包括顺序连接的蓄电池侧滤波电路(1)、同极性双向 DC/DC 电路(2)、高频隔离 DC/DC 电路构成(3)、三相三电平电路(4)、电网侧滤波电路5，控制电路包括顺序连接的DSP 主控制器(6)、MCU 辅助控制器(7)、LCD 或 485 通讯电路(8)。

2.如权利要求1所述的电动汽车电池充放电双向功率转换器，其特征在于， DSP 主控制器(6)分别与同极性双向 DC/DC 电路(2)、高频隔离 DC/DC 电路构成(3)、三相三电平电路(4)和电网侧滤波电路(5)连接；MCU 辅助控制器(7)与电网侧滤波电路(5)连接。

3.如权利要求1所述的电动汽车电池充放电双向功率转换器，其特征在于，同极性双向DC/DC电路(2)包括电容C1、电感L1、带反并快速二极管的开关管Q1、Q2以及电容C2；所述带高频隔离的DC/DC电路(3)包括电容C2，低压侧带反并快速二极管的开关管Q3、Q4、Q5、Q6，高频变压器T1，高压侧带反并快速二极管的开关管 Q7、Q8、Q9、Q10以及电容C5；所述三相三电平电路(4)由电容 C6、C7，开关管 QR1、QR2、QR3、QR4、QS1、QS2、QS3、QS4、QT1、QT2、QT3、QT4，二极管DR1、DR2、DR3、DR4、DS1、DS2、DS3、DS4、DT1、DT2、DT3、DT4以及电感LR、LS、LT组成，所述电网侧滤波电路(5)由继电器RY1、RY2、RY3、RY4、RY5、RY6、RY7、RY8和输出EMI组成。

4. 如权利要求1所述的电动汽车电池充放电双向功率转换器，其特征在于，蓄电池侧滤波电路(1)通过连接蓄电池的输入端口(In)接蓄电池，蓄电池侧滤波电路(1)输出端接同极性双向DC/DC电路(2)输入侧电容C1两端，同极性双向DC/DC电路(2)的输出端接高频隔离DC/DC电路(3)输入端，高频隔离DC/DC电路(3)输出端接三相三电平电路(4)输入侧电容C6、C7两端，电容C6和C7串联以满足直流母线耐压要求，中点作为三相输出的N线，三相三电平电路(4)输出侧电感LR、LS、LT接电网侧滤波电路(5)输入端，电网侧滤波电路(5)输出接入连接电网的输出端口(Ｏut)。

5. 如权利要求1所述的电动汽车电池充放电双向功率转换器， 其特征在于，高频隔离的DC/DC电路(3)采用高频变压器隔离。

6. 如权利要求1所述的电动汽车电池充放电双向功率转换器， 其特征在于，三相三电平电路(4)采用中点钳位型三电平逆变器拓扑。

7. 如权利要求1所述的电动汽车电池充放电双向功率转换器， 其特征在于，电网侧滤波电路(5)输出两侧配备双继电器，分别由不同 CPU 控制。

8. 如权利要求1所述的电动汽车电池充放电双向功率转换器， 其特征在于，控制电路采用DSP与MCU双CPU冗余设计，同时采用数字控制技术和模拟保护电路。

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