CN103078388A

CN103078388A - 新型电动汽车动力电池充电机电路

Info

Publication number: CN103078388A
Application number: CN2012105145258A
Authority: CN
Inventors: 解大; 冯俊淇; 娄宇成; 杨敏霞; 房新雨; 刘高维; 余志文
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明提供一种新型电动汽车动力电池充电机电路，包括依次连接的Z源AC/AC逆变器、π形滤波电路和不可控整流桥，Z源AC/AC逆变器用以进行交流电压变换，包括Z源网络及两个开关元件S1、S2，开关元件S1一端与AC电源相连，另一端与Z源网络串联，开关元件S2与Z源网络11并联，且经过一小电感L0连接π形滤波电路；π形滤波电路用以滤去输出电压中的纹波，包括电感Lf以及分别与其连接的并联的第一电容Cf1和第二电容Cf2；不可控整流桥与π形滤波电路连接，用以将逆变器输出的交流信号进行整流。本发明电路结构简单、控制方便、电压调节范围大、电压调节速度快、可缓解冲击并抑制谐波，适合于电动汽车动力电池的充电应用。

Description

新型电动汽车动力电池充电机电路

技术领域

本发明涉及一种充电机电路，尤其涉及一种用于电动汽车动力电池充电的新型电动汽车动力电池充电机电路。

背景技术

电动汽车以其污染小、噪声低、能源效率高和能源来源多元化等优点备受青睐，成为现代汽车工业发展的方向之一。目前，电动汽车在许多重要技术领域已经取得了突破性的进展，接近实用化阶段。电动汽车作为正在培育和发展的战略性课题之一，是未来汽车工业的发展方向、汽车产业革命的目标，世界各国政府都对电动汽车发展给予重大支持，并制定相关发展计划，各国电力公司也积极参与电动汽车能源供给设施研究和建设，推动电动汽车发展。

伴随着电动汽车的快速发展，电动汽车动力电池充电机的技术进步也势在必行。国内外在动力电池充电机研究工作上进行了多年的努力，对不同拓扑结构的充电机进行了深入的研究与探讨。目前，传统充电机中较为典型的拓扑结构为双级结构，由PWM AC/DC逆变器和DC/DC直流斩波电路构成，然而这种拓扑结构存在应用上的缺陷，尤为突出的是由于电磁干扰等原因造成的单桥臂导通问题，会造成另外两级的电力电子转换装置充电效率的降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种新型电动汽车动力电池充电机电路，该充电机电路结构简单、控制方便、电压调节范围大、可缓解冲击并抑制谐波，适合于电动汽车动力电池的充电应用。

根据本发明的一个方面，提供一种新型电动汽车动力电池充电机电路，包括依次连接的Z源AC/AC逆变器、π形滤波电路和不可控整流桥，其中：

Z源AC/AC逆变器用以进行交流电压变换，其包括Z源网络及两个开关元件S1、S2，开关元件S1一端与AC电源相连，另一端与Z源网络串联，开关元件S2与Z源网络11并联，且经过一小电感L0连接π形滤波电路；

π形滤波电路用以滤去输出电压中的纹波，其包括电感Lf和并联的第一电容Cf1、第二电容Cf2，电感Lf分别与第一电容Cf1和第二电容Cf2连接；

不可控整流桥与π形滤波电路连接，用以将逆变器输出的交流信号进行整流。

优选地，该Z源网络包括两只相同的电感L1、L2和两只相同的电容C1、C2，电感L1、L2和电容C1、C2构成对称结构，电容C1、C2用以储能以及滤波。

优选地，该开关元件S1、S2均包括两个单相功率开关和两个体二极管，两个单相功率开关反向串联，两个体二极管分别与两个单相功率开关并联。

优选地，该Z源AC/AC逆变器的输出通过采用PWM技术控制开关元件S1或S2的互补导通占空比进行调节。

优选地，该不可控整流桥后侧并联电容C3，用以对整流输出进行稳压，减少充电电压波动。

优选地，该不可控整流桥还串联二极管，以防止电流逆向，避免电池放电。

本发明的有益效果是：本发明的新型电动汽车动力电池充电机电路通过采用一Z源AC/AC逆变器，使该充电机的结构简单，控制方便，允许桥臂直通或开路，电压调节范围大，电压调节速度快，可缓解冲击以及抑制谐波，充电电压电流波动较小，对电池充电效果理想。

附图说明

图1为本发明中Z源充电机电路拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例的开关元件S1的结构示意图；

图3为本发明实施例的开关元件S2的结构示意图；

图4至图7为本发明的充电机电路的四种工作状态示意图；

图8为本发明充电机电路在状态3和状态4下的电路状态分析示意图；

图9为本发明的充电机电路恒定导通角下的输出曲线示意图；

图10为本发明的充电机电路的电压调节曲线示意图。

图中：1为Z源AC/AC逆变器、2为π形滤波电路，3为不可控整流桥，11为Z源网络。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，一种新型电动汽车动力电池充电机电路，包括依次连接的Z源AC/AC逆变器1、π形滤波电路2和不可控整流桥3。其中：

Z源AC/AC逆变器1，用来进行交流电压变换，其包括Z源网络及两个开关元件S1、S2。本实施例中开关元件S1一端与AC电源相连，另一端与Z源网络11串联，开关元件S2与Z源网络11并联，经过一小电感L0连接π形滤波电路2，L0是为了防止Cf1由于S2闭合而短路。

如图2、图3所示，开关元件S1和S2为4个单向功率开关Q1、Q2及Q3、Q4，单向功率开关Q1、Q2及Q3、Q4分别反向串联构成两组四象限开关S1及S2，D1-D4分别并联于Q1-Q4两端作为体二极管。本发明采用PWM技术控制开关元件S1或S2的互补导通占空比对逆变器输出进行调节。具体采用中央处理器编写程序代码，驱动PWM信号发生电路产生PWM信号，控制开关元件S1或S2的互补导通占空比，从而对逆变器输出进行调节。

Z源网络11由两只相同的电感L1、L2和两只相同的电容C1、C2构成的对称结构，两只电容起到储能以及滤波的作用。

π形滤波电路2，用来滤去输出电压中的纹波，其包括电感Lf、第一电容Cf1和第二电容Cf2，本实施例中电感Lf分别与并联的第一电容Cf1、第二电容Cf2相连。

不可控整流桥3，将逆变器输出交流信号进行整流，本实施例中不可控整流桥后侧并联稳压电容C3，用以对整流输出进行稳压，减少充电电压波动。且串联二极管防止电流逆向避免电池放电。

请参阅图4至图7，由于不同类型的电池具有不同的特性，在充电机电路中，本实施例中代以电阻RL进行Z源充电机电路分析。开关元件S1和S2的互补开闭以及不可控直流桥的导通与关断使充电机形成四个工作状态，分别是：

如图4所示，状态1：整流桥关断，S1断开，S2闭合。

如图5所示，状态2：整流桥关断，S1闭合，S2断开。

如图6所示，状态3：整流桥导通，S1断开，S2闭合。

如图7所示，状态4：整流桥导通，S1闭合，S2断开。

在状态1和状态2中，不可控整流桥关断，由Z源AC/AC逆变器1和π形滤波电路2组成的前端在不可控整流桥3两端输出正弦电压，电容C3和电阻RL形成闭合回路，C3通过RL放电。

由下式可以看出在电路控制中，可以通过调节开关S1的导通占空比D对整流桥前端电压，即U_Cf2进行调节，其中，U_i(t)为充电机的输入电压峰值。

U_{C_{f 2}} = U_{C_{f 1}} = \frac{D}{1 - 2 D} U_{i} (t)

请参阅图8，在状态3和状态4中，整流桥导通，当开关周期足够高时，充电机的输入在分析中可认为不变。在t-t+DT时间内，电路处于状态3，S1导通，S2断开，AC电源及Z源网络11中电容为电路提供电能，电容C1、C2放电，U_C1电压降低，电感L1、L2充电，iL1电流增大，在π形滤波电路2中滤波电容Cf1和Cf2同样被充电，由于电感Lf的作用，其充电效果略有延迟，U_Cf2电压升高，但相对U_C1的变化有一些滞后。在整流桥侧，稳压电容C3由其前端部分充电，同时通过负载RL放电，由于电容值较大，其两端电压保持相对稳定。

请参阅图9，为在某一恒定导通占空比D下的不可控整流桥3前端电压U_Cf2及后端电压U_C3的波形，由图中可以看出四种工作状态下电压的变化，充电机的输出电压调节平稳。

请参阅图10，对电路输出电压调节速度进行测试，D分别为0.20、0.25和0.30，在升压过程中，电压的调节速度很快几乎没有延迟。给出D分别为0.35、0.25和0.30情况下的结果，在降压过程中，电压调节的速度取决于C3和RL放电电路的放电速度，这段延迟时间为8ms，对于电池的充电过程来说是很短的。因此，电路的电压调节速度也满足电动汽车电池的充电需求。

上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种新型电动汽车动力电池充电机电路，其特征在于，包括依次连接的Z源AC/AC逆变器、π形滤波电路和不可控整流桥，其中：

所述Z源AC/AC逆变器用以进行交流电压变换，其包括Z源网络及两个开关元件S1、S2，开关元件S1一端与AC电源相连，另一端与Z源网络串联，开关元件S2与Z源网络11并联，且经过一小电感L0连接π形滤波电路；

所述π形滤波电路用以滤去输出电压中的纹波，其包括电感Lf和并联的第一电容Cf1、第二电容Cf2，所述电感Lf分别与第一电容Cf1和第二电容Cf2连接；

所述不可控整流桥与所述π形滤波电路连接，用以将逆变器输出的交流信号进行整流。

2.根据权利要求1所述的新型电动汽车动力电池充电机电路，其特征在于：所述Z源网络包括两只相同的电感L1、L2和两只相同的电容C1、C2，所述电感L1、L2和电容C1、C2构成对称结构，所述电容C1、C2用以储能以及滤波。

3.根据权利要求1所述的新型电动汽车动力电池充电机电路，其特征在于，所述开关元件S1、S2均包括两个单相功率开关和两个体二极管，所述两个单相功率开关反向串联，所述两个体二极管分别与两个单相功率开关并联。

4.根据权利要求1所述的新型电动汽车动力电池充电机电路，其特征在于，所述Z源AC/AC逆变器的输出通过采用PWM技术控制开关元件S1或S2的互补导通占空比进行调节。

5.根据权利要求1所述的新型电动汽车动力电池充电机电路，其特征在于，所述不可控整流桥后侧并联电容C3，用以对整流输出进行稳压，减少充电电压波动。

6.根据权利要求5所述的新型电动汽车动力电池充电机电路，其特征在于，所述不可控整流桥还串联二极管，以防止电流逆向，避免电池放电。