CN103427466B - 一种电动汽车充电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车充电器，主电路采用不可控整流加BUCK型PFC两级结构充电器采用两通道并联结构，提高了变换器的功率等级，而且改善了系统的热分布，提高系统的可靠性，延长系统使用寿命，且大大提高了系统的功率因数，稳态时达到0.998；本发明采用了ZCS谐振电路，通过控制Q1、Q4的导通时间与Cr、Lr的谐振周期相匹配，实现开关器件的软开关，从而大幅度提高变换器效率。本发明中由开关管Q2和Q3、Q5和Q6分别组成逆变电路的两个桥臂，通过控制开关管的导通信号，进行全控型逆变，提供单相交流便携电源。通过有效的硬件复用，满足了车载充电器体积小、重量轻、成本低的需求。

Description

一种电动汽车充电器

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，特别涉及一种电动汽车充电器，本发明用于电动汽车与智能电网之间的能量交换环节，特别是通过硬件复用，采用同一电路实现了车载充电和便携电源两种功能，从而实现了能量的双向流动，并且通过加入软开关和PFC（功率因数校正）功能，可提高系统效率及功率因数。

背景技术

当今世界能源和环境问题日益突出，电动汽车作为一种能提高能源利用率和降低污染物排放的有效解决方案，一直受到广泛关注。近年来，伴随着智能电网技术的提出和发展，一种电动汽车与智能电网进行双向互动的技术也应运而生。电动汽车对电网的安全、稳定和经济运行都具有重要意义。

电动汽车充电器是为电动汽车提供能量的关键部件，其中车载充电器直接安装在电动汽车上，通过插头直接与电网相连，因此充电方便。但是受体积、重量和成本等因素的限制，车载充电器的功率一般仅为几个千瓦。此外，由于直接连接市电，且功率较高，因此必须具备功率因数校正功能。其次，高效率是电动汽车车载充放电机的一个关键技术要求。再次，作为便携电源提供交流输出也是目前对电动汽车的一个重要需求。

以往较为常见的车载充电电路如图1所示，该电路采用前级不可控整流加后级DC/DC变换电路两级结构，实现充电功能。该拓扑仅有一个开关器件，驱动简单，成本低。但是该结构相对效率较低，并且不能实现能量的双向流动，提供车载充电和便携电源两种功能。

发明内容

本发明提供了一种电动汽车充电器，该充电器实现了能量的双向流动，提高了变换器的功率等级，详见下文描述：

一种电动汽车充电器，所述充电器采用两通道并联结构，

第一通道包括：电感组L1的一端接交流电，另一端分别接电容组Cr和不可控整流桥电路，电容组Cr接地；所述不可控整流桥电路连接并联本体二极管的第一绝缘栅双极型晶体管Q1，第一绝缘栅双极型晶体管Q1分别连接第二电感Lf和第三电感Lr，第二电感Lf并联连接第七二极管Dd，第二电感Lf连接第二绝缘栅双极型晶体管Q2，第二绝缘栅双极型晶体管Q2接电源正极，第三电感Lr接第三绝缘栅双极型晶体管Q3，第三绝缘栅双极型晶体管Q3并联连接第二电容Cd，且分别连接不可控整流桥电路和电容组Cr；

第二通道包括：电感组L2即第四电感的一端接交流电，另一端分别接电容组Cf和不可控整流桥电路，电容组Cf接地；不可控整流桥电路连接并联本体二极管的第四绝缘栅双极型晶体管Q4，第四绝缘栅双极型晶体管Q4分别连接第四电感Ls和第五电感Ld，第四电感Ls并联连接第八二极管Df，第四电感Ls连接第五绝缘栅双极型晶体管Q5，第五绝缘栅双极型晶体管Q5接电源正极，第五电感Ld接第六绝缘栅双极型晶体管Q6，第六绝缘栅双极型晶体管Q6并联连接第四电容Ce，且分别连接不可控整流桥电路、电容组Cf和电源负极。

所述不可控整流桥电路分别由6个二极管组成，第一二极管D1的阳极连接第四二极管D4的阴极，第三二极管D3的阳极连接第六二极管D6的阴极，第五二极管D5的阳极连接第二二极管D2的阴极。

第一绝缘栅双极型晶体管Q1、第二绝缘栅双极型晶体管Q2、第三绝缘栅双极型晶体管Q3、第四绝缘栅双极型晶体管Q4、第五绝缘栅双极型晶体管Q5和第六绝缘栅双极型晶体管Q6为双向导电金属氧化物半导体场效应管。本发明提供的技术方案的有益效果是：

1.本发明采用双通道结构，不仅有效的提高了变换器的功率等级，而且改善了系统的热分布，提高系统的可靠性，延长系统使用寿命。

2.本发明由于采用了BUCK型PFC结构，大大提高了系统的功率因数，稳态时达到0.998。

3.本产品采用了ZCS谐振电路，通过控制Q1、Q4的导通时间与Cr、Lr的谐振周期相匹配，实现开关器件的软开关，从而大幅度提高变换器效率。

4.本发明中由开关管Q2和Q3、Q5和Q6分别组成逆变电路的两个桥臂，通过控制开关管的导通信号，进行全控型逆变，提供单相交流便携电源。通过有效的硬件复用，满足了车载充电器体积小、重量轻、成本低的需求。

附图说明

图1为现有技术提供的车载充电器电路示意图；

图2为本发明提供的车载充电器的拓扑图；

图3为本发明提供的充电模式原理图；

图4为本发明提供的充电过程控制框图；

图5a为本发明提供的充电模式输入电压的波形图；

图5b为本发明提供的充电模式输入电流的波形图；

图6为本发明提供的充电模式功率因数图；

图7为本发明提供的便携电源模式原理图；

图8为本发明提供的MOSFET改进型拓扑图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现能量的双向流动，提高变换器的功率等级，本发明实施例提供了一种电动汽车充电器，参见图2和图3，该电动汽车充电器采用两通道并联结构，主电路采用不可控整流加BUCK型PFC两级结构，

第一通道包括：电感组L1（即第一电感）的一端接交流电，另一端分别接电容组Cr（即第一电容）和不可控整流桥电路，电容组Cr接地；不可控整流桥电路连接并联本体二极管的第一绝缘栅双极型晶体管（IGBT）Q1，第一绝缘栅双极型晶体管Q1分别连接第二电感Lf和第三电感Lr，第二电感Lf并联连接第七二极管Dd，第二电感Lf连接第二绝缘栅双极型晶体管Q2，第二绝缘栅双极型晶体管Q2接电源正极，第三电感Lr接第三绝缘栅双极型晶体管Q3，第三绝缘栅双极型晶体管Q3并联连接第二电容Cd，且分别连接不可控整流桥电路和电容组Cr。

第二通道包括：电感组L2（即第四电感）的一端接交流电，另一端分别接电容组Cf（即第三电容）和不可控整流桥电路，电容组Cf接地；不可控整流桥电路连接并联本体二极管的第四绝缘栅双极型晶体管（IGBT）Q4，第四绝缘栅双极型晶体管Q4分别连接第四电感Ls和第五电感Ld，第四电感Ls并联连接第八二极管Df，第四电感Ls连接第五绝缘栅双极型晶体管Q5，第五绝缘栅双极型晶体管Q5接电源正极，第五电感Ld接第六绝缘栅双极型晶体管Q6，第六绝缘栅双极型晶体管Q6并联连接第四电容Ce，且分别连接不可控整流桥电路、电容组Cf和电源负极。

具体实现时通过硬件复用，采用不同的控制策略，可以实现车载充电和便携电源的功能集成。

参见图2和图3，两个通道中的不可控整流桥电路分别由6个二极管组成，即第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6。第一二极管D1的阳极连接第四二极管D4的阴极，第三二极管D3的阳极连接第六二极管D6的阴极，第五二极管D5的阳极连接第二二极管D2的阴极。

由于第一通道和第二通道工作原理相同，因此下文只对其中一个通道的工作原理进行详细说明。

一、该充电器工作在充电模式时：

参见图3，220V交流输入电压经LC滤波（即电感组L1和电容组Cr）、不可控整流桥电路（即第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6）变为直流后，供给BUCK型PFC电路实现输出电压调节及功率因数校正功能。电路中第一绝缘栅双极型晶体管Q1为BUCK电路的开关管，第二电感Lf为储能电感，Q3的本体二极管为续流二极管（用于给电感Lf上的电流提供由下至上的电流通路，Q2保持关断，由其本体二极管提供由左至右的电流回路），电路通过附加电容组Cr、第三电感Lr、第二电容Cd实现了第一绝缘栅双极型晶体管Q1的软开关。采用恒导通时间控制方法，从而满足谐振条件，实现ZCS（零电流开关）。

充电时，第一绝缘栅双极型晶体管Q1闭合，通过第二绝缘栅双极型晶体管Q2的本体二极管为第二电感Lf充电；第一绝缘栅双极型晶体管Q1关断，第二电感Lf放电，通过第三绝缘栅双极型晶体管Q3的本体二极管续流。充电过程中只需对第一绝缘栅双极型晶体管Q1、第四绝缘栅双极型晶体管Q4进行控制。为满足谐振条件，采用与谐振周期相配合的恒导通时间控制策略。

由于采用恒导通时间控制策略，因此只能通过调解开关频率来调解占空比，从而调解输出电压。参见图4，采用电压闭环控制，误差电压（充电器输出电压Uo和预设参考电压Uref之差）通过PI调节器与限幅器作为压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，简称VCO）的输入，通过压控振荡器得到频率与误差输入成正比的正弦信号，再经过一级恒导通时间的触发器，从而得到第一绝缘栅双极型晶体管Q1的驱动信号。

本发明实施例对一个通道模型进行了仿真，输入电压电流如图5所示，输入功率因数如图6所示，在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦为功率因数，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值。在视在功率不变的情况下，功率因数越大，有功功率就越大，无功功率越小，从而使供电设备的容量得到充分利用，降低设备及线路损耗。功率因数最大值为1，本发明中功率因数达到了0.998，进而说明本发明达到了很好的功率因数校正目的。

该充电器由于上下结构完全相同，采用了两通道交错并联控制方式，不仅能够提高功率等级和容量，而且能进行两通道间的纹波互补，降低系统纹波系数（两个通道由于干扰等因素产生的谐波不一致，可以通过两个通道的叠加进行减弱，来降低系统纹波系数），此外，还能改善系统的热分布，提高器件寿命（由于采用两通道结构，系统的功率等级相当于平均分配到了两部分，因此可以平均系统散热，通过散热，提高器件及系统寿命。）。

二、该充电器工作在便携电源模式时：

参见图7，由第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第三绝缘栅双极型晶体管Q3、第五绝缘栅双极型晶体管Q5和第六绝缘栅双极型晶体管Q6分别组成逆变电路的两个桥臂，进行全控型逆变桥，从A、B两点引出单相交流便携电源。在逆变过程中，通过附加第七二极管Dd将第三电感Lf忽略。

在便携电源模式下，只需对第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第三绝缘栅双极型晶体管Q3、第五绝缘栅双极型晶体管Q5和第六绝缘栅双极型晶体管Q6进行控制。并且，第三电感Lr和第二电容Cd形成谐振，从而实现在逆变过程中第三绝缘栅双极型晶体管Q3和第六绝缘栅双极型晶体管Q6的软开关。

由于本发明中多次用到IGBT的本体二极管进行续流，在另一优选的实施例里，参见图8，可以将所有的绝缘栅双极型晶体管IGBT换成双向导电的MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）。此时，可以减少本体二极管续流的损耗。

综上，本发明通过采用两通道交错并联，有效的提高变换器功率等级，并且有效的进行了纹波互补以及系统热分布的改善。其次，加入PFC环节，实现输入电压、电流同相位，提高功率因数。再次，提高充电器效率的关键是减少开关损耗，而软开关技术是减小开关损耗的有效途径，因此本发明将软开关技术引入到电动汽车车载充电应用中。最后，通过硬件复用，并采用不同的开关管控制算法，实现车载充电和便携电源两种功能的有效集成。因此，该充电器结构由于具有体积小、重量轻、效率高、控制简单以及可靠性高等优点，非常适合用于电动汽车车载充电。

该本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电动汽车充电器，其特征在于，所述充电器采用两通道并联结构，

第一通道包括：电感组L1的一端接交流电，另一端分别接电容组Cr的一端和不可控整流桥电路，电容组Cr的另一端接地；所述不可控整流桥电路的一端连接并联本体二极管的第一绝缘栅双极型晶体管Q1的漏极，第一绝缘栅双极型晶体管Q1的源极分别连接第二电感Lf一端和第三电感Lr一端，第二电感Lf一端连接第七二极管Dd的阴极，第二电感Lf的另一端连接第七二极管Dd的阳极；第二电感Lf另一端连接第二绝缘栅双极型晶体管Q2的漏极，第二绝缘栅双极型晶体管Q2的源极接电源正极，第三电感Lr另一端接第三绝缘栅双极型晶体管Q3的漏极，第三绝缘栅双极型晶体管Q3的漏极、源极间连接第二电容Cd，且第三绝缘栅双极型晶体管Q3的源极还分别连接不可控整流桥电路的另一端和电容组Cr的另一端；

第二通道包括：电感组L2即第四电感的一端接交流电，另一端分别接电容组Cf的一端和不可控整流桥电路，电容组Cfr的另一端接地；不可控整流桥电路的一端连接并联本体二极管的第四绝缘栅双极型晶体管Q4的漏极，第四绝缘栅双极型晶体管Q4的源极分别连接第四电感Ls一端和第五电感Ld一端，第四电感Ls一端连接第八二极管Df的阴极，第四电感Ls的另一端连接第八二极管Df的阳极；第四电感Ls另一端连接第五绝缘栅双极型晶体管Q5的漏极，第五绝缘栅双极型晶体管Q5的源极接电源正极，第五电感Ld另一端接第六绝缘栅双极型晶体管Q6的漏极，第六绝缘栅双极型晶体管Q6的漏极、源极间连接第四电容Ce，且第六绝缘栅双极型晶体管Q6的源极分别连接不可控整流桥电路的另一端、电容组Cf的另一端和电源负极。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电器，其特征在于，所述不可控整流桥电路分别由6个二极管组成，第一二极管D1的阳极连接第四二极管D4的阴极，第三二极管D3的阳极连接第六二极管D6的阴极，第五二极管D5的阳极连接第二二极管D2的阴极。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电器，其特征在于，第一绝缘栅双极型晶体管Q1、第二绝缘栅双极型晶体管Q2、第三绝缘栅双极型晶体管Q3、第四绝缘栅双极型晶体管Q4、第五绝缘栅双极型晶体管Q5和第六绝缘栅双极型晶体管Q6为双向导电金属氧化物半导体场效应管。