CN104377797B - 一种电动汽车充电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车充电机，包括：模块化多电平换流器，接收三相交流电，用于对三相交流电整流，输出直流电；门控接口电路板，用于采集各个子模块的运行情况；整流控制器，连接门控接口电路板，用于根据最近电平逼近调制策略生成触控信号；门控接口电路板，还用于根据触控信号控制各个子模块中的IGBT开启或关闭；直流‑直流变换器，用于对直流电的电压进行变换后输出给电动汽车的电池进行充电。本发明有效降低了交流侧电压、电流的谐波含量，当子模块达到一定数量时，交流侧电压、电流中几乎不存在谐波，无需装设交流滤波器，提高电网的电能质量和运行水平，提高继电保护的可靠性和控制系统的稳定性。

Description

一种电动汽车充电机

技术领域

本发明涉及电动汽车充电技术领域，具体地，涉及一种电动汽车充电机。

背景技术

能源危机、石油资源短缺、大气污染以及气温上升等问题，使得各国政府越来越重视电动汽车的发展，我国在电动汽车的发展上提供了很多政策和资金支持，各省电力公司都在大力推动电动汽车充电站和充电桩的建设。

电动汽车充电是通过充电机来实现的，充电机就是将电网电能通过一系列转换后变成满足电动汽车充电要求的装置。工作原理是：电网交流电经过整流后变成直流电，经过滤波电路后为DC/DC功率变换单元提供直流输入，功率变换单元的输出经过滤波后为电动汽车电池进行充电。充电过程中整流电路会产生谐波，谐波注入电网会造成电能质量下降甚至影响电网运行，如增加输电线路电能损耗、影响功率因数、降低继电保护的可靠性、干扰控制系统稳定性等。

目前在电动汽车充电领域，已有三相不可控六脉整流充电机和三相不可控十二脉整流充电机。

三相不可控六脉整流充电机是由三相桥式不可控整流器和高频变压器隔离型DC/DC变换器组成。三相电网线和充电机接通后，三相交流电经过不可控整流装置，变为直流，再经过滤波装置后，滤除直流中含有的部分交流谐波，然后再通过DC/DC变换单元，将高压直流电变为满足电动汽车电池充电时电压要求的低压直流电，对电池进行充电。

三相不可控六脉整流充电机会在电网中产生6k±1次谐波电流，谐波作为公用电网的一种污染，会使电网中用电设备所处的环境恶化，对电网造成消极影响，总的来说主要有以下几个方面：

(1)对变压器：谐波电流会使铜耗增加，谐波电压会使铁耗增加，变压器会变热，谐波存在会增加变压器的噪声。

(2)对电力电缆：谐波电流的存在会增加电力电缆的线损。

(3)对开关和继电保护：谐波的存在有可能导致开关或保护装置的误动，造成不必要的损失。

(4)对用电设备：当电力系统谐波电流和用电机械谐振频率重合时，会发生共振，对机械设备造成损害。

(5)对计量设备：谐波的存在会使计量设备出现误差，用户缴费增加。

三相不可控十二脉整流充电机是由两个三相不可控六脉整流电路串联组成。整流变压器一次侧线电流的波形随变压器的联结方式不同而不同，因此利用变压器联结方式不同引起的变化可以构成多脉整流电路。对于变压器Yy0联结，变压器一、二次电压和电流的波形和相位都相同；对于Yd11联结，一次侧线电流的基波和正序谐波分量比二次侧滞后30°，而一次侧线电流的负序谐波分量比二次侧超前30°。三相不可控十二脉整流充电机中，变压器联结方式采用Y/y0/d11。

三相不可控十二脉整流充电机会在电网中产生12k±1次谐波电流，虽然可以在变压器高压侧抵消5次、7次谐波电流，但电流总畸变率仍相对较大。在变压器低压侧谐波电压、电流并没有得到改善，超过国家允许值。

为了减少谐波，亟需研究和开发一种新型的电动汽车充电技术。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种电动汽车充电机，以解决现有的电动汽车充电技术中整流电路产生谐波，谐波注入电网造成电能质量下降甚至影响电网运行的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种电动汽车充电机，包括：

模块化多电平换流器，接收三相交流电，用于对所述三相交流电整流，输出直流电；

所述模块化多电平换流器包括三个相单元；其中，每一相单元由上桥臂和下桥臂组成；所述上桥臂和所述下桥臂均包括串联连接的一个电抗器和N个子模块，N为偶数且N≥2；

所述子模块包括两个开关组、一个电容以及两个接入端；所述开关组由反向并联的一绝缘栅双极型晶体管IGBT和一二极管组成；所述两个开关组串联连接；所述电容与所述串联连接的两个开关组并联连接；其中一个所述开关组的两端分别连接所述两个接入端，所述两个接入端与相邻的子模块串联连接；

门控接口电路板，连接所述模块化多电平换流器中的各个子模块，用于采集所述各个子模块的运行情况，对所述运行情况进行模数转换生成数字运行信息，发送给整流控制器；所述运行信息包括子模块中的电流方向、所述IGBT的开启或闭合状态、所述电容的电压；

整流控制器，连接所述门控接口电路板，用于基于所述各个子模块对应的数字运行信息，根据最近电平逼近调制策略生成触控信号，并发送给所述门控接口电路板；

所述门控接口电路板，还用于根据所述触控信号控制所述各个子模块中的所述IGBT开启或关闭，进而控制所述模块化多电平换流器的整流工作；

直流-直流变换器，连接所述模块化多电平换流器，用于接收所述模块化多电平换流器输出的直流电，对所述直流电的电压进行变换后输出给电动汽车的电池进行充电。

借助于上述技术方案，本发明在整流环节采用了模块化多电平换流器以阶梯波逼近正弦波，有效降低了交流侧电压、电流的谐波含量，当子模块达到一定数量时，交流侧电压、电流中几乎不存在谐波，无需装设交流滤波器，提高电网的电能质量和运行水平，提高继电保护的可靠性和控制系统的稳定性。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的电动汽车充电机的结构框图；

图2是本发明提供的模块化多电平换流器的结构示意图；

图3是本发明提供的子模块的结构示意图；

图4(a)、4(b)是本发明提供的并联常开开关或常闭开关的子模块结构示意图；

图5(a)、5(b)是本发明提供的并联晶闸管的子模块结构示意图。

具体实施方式

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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种电动汽车充电机，如图1所示，该电动汽车充电机包括：模块化多电平换流器11、门控接口电路板12、整流控制器13和直流-直流变换器14。

模块化多电平换流器，接收三相交流电，用于对三相交流电整流，输出直流电。

如图2所示，模块化多电平换流器包括三个相单元；其中，每一相单元由上桥臂和下桥臂组成；上桥臂和下桥臂均包括串联连接的一个电抗器和N个子模块SM(Sub Module)，N为偶数且N≥2。

如图3所示，子模块包括两个开关组、一个电容以及两个接入端；开关组由反向并联的一绝缘栅双极型晶体管IGBT和一二极管组成；两个开关组串联连接；电容与串联连接的两个开关组并联连接；其中一个开关组的两端分别连接两个接入端，两个接入端与相邻的子模块串联连接。

下面对模块化多电平换流器中各个元件的功能进行说明：

(1)子模块：整流电路上/下桥臂子模块的选择性投入或切出可以在交流侧形成阶梯波以逼近正弦波，而每个相单元投入的总模块数恒定不变，维持直流电压的稳定。

(2)电抗器：电抗器可以减小整流电路电流的变化梯度，减少交流侧电流谐波，使之无需经过滤波器而满足并网要求。

(3)IGBT：在单个子模块内，通过控制两个IGBT的开启与闭合实现将该子模块从上/下桥臂中投入或切出。

(4)二极管：与IGBT配合构成电流从交流侧到直流侧的通路。

(5)电容：用来储存电能。

门控接口电路板，连接模块化多电平换流器中的各个子模块，用于采集各个子模块的运行情况，对运行情况进行模数转换生成数字运行信息，发送给整流控制器。

整流控制器，连接门控接口电路板，用于基于各个子模块对应的数字运行信息，根据最近电平逼近调制策略生成触控信号，并发送给门控接口电路板。具体实施时整流控制器可采用DSP芯片实现。

门控接口电路板，还用于根据触控信号控制各个子模块中的IGBT开启或关闭，进而控制模块化多电平换流器的整流工作。

具体的，门控接口电路板与整流控制器的工作原理如下：

(1)整流控制器确定模块化多电平换流器直流侧和交流侧的电压等级，进而确定上、下桥臂的瞬时电压。

以a相为例，设直流侧电压为U_dc，交流侧电压为u_s，上、下桥臂的瞬时电压分别为u_up、u_down，根据基尔霍夫电压定律可知：

u_up＝U_dc/2-u_s

u_down＝U_dc/2+u_s

(2)设子模块电容电压参考值为U_c，则整流控制器根据U_c＝U_dc/N确定子模块电容电压参考值。

(3)整流控制器根据最近电平逼近调制策略，求出上、下桥臂分别应投入的子模块个数。

设上、下桥臂应投入的子模块数为n_up、n_down，根据最近电平逼近调制策略，可求得

n_up＝round(u_up/U_c)＝N/2-round(u_s/U_c)

n_down＝round(u_down/U_c)＝N/2+round(u_s/U_c)

其中，round(x)表示取与x最接近的整数。

(4)门控接口电路板采集各个子模块中电容的电压，发送给整流控制器后，整流控制器利用冒泡法对子模块电容电压进行排序。

(5)门控接口电路板采集上、下桥臂中的电流方向信号并发送给整流控制器，整流控制器根据上、下桥臂应投入的子模块数n_up、n_down，当电流流向子模块时，选通电容电压较低的相应子模块组对其充电，使得电容电压被提升，当电流流出子模块时，选通电容电压较高的相应子模块组对其放电，使得电容电压降低，以保证各个子模块电容电压保持均衡。

(6)整流控制器发出触控信号，门控接口电路板根据触控信号控制相应IGBT开通或关断，使得各个子模块的投入或切出，使交流侧电压波形逼近正弦波，直流侧电压保持稳定。

直流-直流变换器，连接模块化多电平换流器，用于接收模块化多电平换流器输出的直流电，对直流电的电压进行变换后输出给电动汽车的电池进行充电。

具体的，直流-直流变换器执行以下工作：

(1)确定电动汽车的电池所需的直流电压等级；

(2)利用降压斩波电路对整流环节输出的直流电压进行变换，使得直流电压满足电动汽车电池的充电要求。

考虑到各个子模块在频繁地从所属桥臂中投入或切出的过程中容易发生故障，为了避免因子模块发生故障而影响正常的充电过程，本发明对图2所示的模块化多电平换流器进行如下改进：

(1)在上、下桥臂中均设置N个常开开关，这N个常开开关与已有的N个子模块一一对应，如图4(a)所示，常开开关并联于对应子模块的两个接入端之间；

(2)除了已有的N个子模块之外，在上、下桥臂中均再设置至少一个子模块(以下简称备用模块)，并为这些备用子模块设置一一对应的常闭开关，如图4(b)所示，常闭开关并联于对应子模块的两个接入端之间。

(3)基于上述改进后的模块化多电平换流器，本发明的整流控制器和门控接口电路板相应地执行如下处理：整流控制器还用于根据各个子模块对应的数字运行信息，判断各个子模块是否故障；若出现故障的子模块，则生成关闭信号发送给门控接口电路板；门控接口电路板还用于根据关闭信号控制故障的子模块对应的常开开关闭合，以短路故障的子模块；并且，收到关闭信号时，门控接口电路板还控制常闭开关断开，以接通对应的备用子模块代替故障的子模块工作。其中，接通的备用子模块数目与同时刻出现故障的子模块数目相等。例如，若上/下桥臂中同时有两个子模块发生故障，则接通两个备用子模块代替该故障的子模块。

图4(a)所示的子模块中，当直流两极被短路时，与IGBT并联的二极管容易受来自交流侧的冲击电流而损坏，为了保护二极管，在一种较佳的实施例中，如图5(a)所示，本发明在两接入端之间并联一晶闸管，当直流两极之间发生短路时该晶闸管能够快速导通，承受来自交流侧的大部分冲击电流，使得与IGBT并联的二极管得以被保护。

类似的，如图5(b)所示，对于备用子模块，也在其两接入端之间并联一晶闸管，使得与IGBT并联的二极管得以被保护。

在现有的三相不可控六脉或十二脉整流技术中，整流电路会产生谐波，谐波注入电网会造成电能质量下降甚至影响电网运行，为了减少谐波，在整流环节，采用了模块化多电平换流器以阶梯波逼近正弦波，有效降低了交流侧电压、电流的谐波含量，当子模块达到一定数量时，交流侧电压、电流中几乎不存在谐波，无需装设交流滤波器，提高电网的电能质量和运行水平，提高继电保护的可靠性和控制系统的稳定性。基于模块化多电平换流器的电动汽车充电技术控制系统简单，主体部分、控制和保护系统中均采用了模块化结构，结构易于扩展，便于商业化电动汽车充电站整体化设计，可广泛应用于各种电动汽车充电站中。

综上所述，本发明实施例提供的电动汽车充电机具有以下有益效果：

(1)通过电平的阶梯状变化逐步逼近整流器交流侧电压，任何时刻桥臂电压的改变量均不会超过一个电平，交流端输出电压会以很小的增量改变，且电平数越高，充电机交流侧电压、电流谐波含量越少。

(2)通过模块化多电平换流器整流电路可以减小充电机直流端输出电压的纹波系数。

(3)通过模块化多电平换流器整流电路可以降低器件的开关频率，从而减小整流电路的开关损耗，提高充电过程中电能的传输效率。

(4)通过投入或切除子模块可以调整充电功率和直流电压等级，以适应不同电池对充电功率和直流电压等级的要求。

(5)交流侧无需装设滤波器，提高了充电系统的可靠性，减少了充电桩的占地面积和工程造价。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrativelogical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrativecomponents)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元，或装置都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

Claims (2)

1.一种电动汽车充电机，其特征在于，包括：

模块化多电平换流器，接收三相交流电，用于对所述三相交流电整流，输出直流电；

所述模块化多电平换流器包括三个相单元；其中，每一相单元由上桥臂和下桥臂组成；所述上桥臂和所述下桥臂均包括串联连接的一个电抗器和N个子模块，N为偶数且N≥2；

所述子模块包括两个开关组、一个电容以及两个接入端；所述开关组由反向并联的一绝缘栅双极型晶体管IGBT和一二极管组成；所述两个开关组串联连接；所述电容与所述串联连接的两个开关组并联连接；其中一个所述开关组的两端分别连接所述两个接入端，所述两个接入端与相邻的子模块串联连接；

门控接口电路板，连接所述模块化多电平换流器中的各个子模块，用于采集所述各个子模块的运行情况，对所述运行情况进行模数转换生成数字运行信息，发送给整流控制器；所述运行信息包括子模块中的电流方向、所述IGBT的开启或闭合状态、所述电容的电压；

整流控制器，连接所述门控接口电路板，用于基于所述各个子模块对应的数字运行信息，根据最近电平逼近调制策略生成触控信号，并发送给所述门控接口电路板；

所述门控接口电路板，还用于根据所述触控信号控制所述各个子模块中的所述IGBT开启或关闭，进而控制所述模块化多电平换流器的整流工作；

直流-直流变换器，连接所述模块化多电平换流器，用于接收所述模块化多电平换流器输出的直流电，对所述直流电的电压进行变换后输出给电动汽车的电池进行充电；

所述上桥臂和所述下桥臂均还包括：与所述N个子模块一一对应的N个常开开关，所述常开开关并联于对应子模块的两个接入端之间；

所述整流控制器还用于根据所述各个子模块对应的数字运行信息，判断所述各个子模块是否故障；若出现故障的子模块，则生成关闭信号发送给所述门控接口电路板；

所述门控接口电路板还用于根据所述关闭信号控制所述故障的子模块对应的常开开关闭合，以短路所述故障的子模块；

所述上桥臂和所述下桥臂均还包括：所述N个子模块之外的至少一个子模块，以及与所述至少一个子模块一一对应的至少一个常闭开关，所述常闭开关并联于对应子模块的两个接入端之间；

所述门控接口电路板还用于收到所述关闭信号时，控制所述常闭开关断开，以接通对应的子模块代替所述故障的子模块工作。

2.根据权利要求1所述的电动汽车充电机，其特征在于，所述子模块还包括：晶闸管；所述晶闸管并联于所述两个接入端之间。