CN105790398A - 一种电动大巴半车载快速充电方法及其充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动大巴半车载快速充电方法及其充电装置，所述的电动大巴包括电机控制器和高压电池，其特征在于：三相交流电网输出的三相交流电经隔离降压之后再进行滤波，电机控制器对滤波之后的三相交流电进行AC‑DC变换转换成直流电，直流电经过滤波之后对高压电池进行快速充电，既能够继承车载充电机简单、方便、灵活的充电模式，又能够克服体积成本限制，提供非车载充电机同等功率等级的充电电流，增加电动大巴车的充电灵活性，扩大电动大巴车的适应性与活动空间，整体性能更优越，促进电动大巴车产业的发展。

Description

一种电动大巴半车载快速充电方法及其充电装置

技术领域：

本发明涉及一种电动大巴半车载快速充电方法及其充电装置，属于电动车充电技术领域。

背景技术：

接触式充电机主要分为车载充电机与非车载充电机两种类型。车载充电机是固定安装在电动汽车上的充电机，充电方式简单，灵活性好，与之配套的充电站投资少，但充电速度慢，时间较长。原因是电动汽车上可利用的空间小,同时也为了减轻电动汽车的自重，制作车载充电机时要尽量保证车载充电机体积小、重量轻。由于体积成本问题，几百安培电流的大功率车载充电机无法在电动大巴车上应用。

非车载充电机需要充电桩,与车载充电机相比它被安装在固定的位置,是专门为电动汽车高压电池充电的装置。非车载充电机与车载充电机相比不受体积的限制,可以提供多达上百千瓦的功率处理能力,可以对电动大巴车进行快速充电。但非车载充电机充电方式比较复杂，与之配套的充电站投资大，灵活性比较差。

对于大功率的电动大巴，要实现对电机的驱动或者对高压电池的快速充电都需要大功率级别的控制器，该控制器包括IGBT功率模块、采样、驱动、保护、散热、控制等功能电路。传统的充电控制器与电机控制器完全独立开来，价格高昂。如果能够利用电机控制器完成充电过程，就会使电动大巴充电系统的成本降低并节约空间。此外，如果能够将充电装置的大体积部分放置在地面，就能够克服大功率车载充电机对空间的限制，并保持车载充电机的灵活性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种电动大巴半车载快速充电方法及其充电装置，该快速充电装置既能够继承车载充电机简单、方便、灵活的充电模式，又能够克服体积成本限制，提供非车载充电机同等功率等级的充电电流，增加电动大巴车的充电灵活性，扩大电动大巴车的适应性与活动空间，整体性能更优越，促进电动大巴车产业的发展。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种电动大巴半车载快速充电方法，所述的电动大巴包括电机控制器和高压电池，三相交流电网输出的三相交流电经隔离降压之后再进行滤波，电机控制器对滤波之后的三相交流电进行AC-DC变换转换成直流电，直流电经过滤波之后对高压电池进行快速充电。

上述所述的隔离降压是指通过降压变压器将380V三相交流电网输出的三相交流电降压成280V或以下的三相交流电。

上述所述的电机控制器包括微处理器单元、驱动电路单元和IGBT模块，微处理器单元输出PWM信号到驱动电路单元，驱动电路单元控制IGBT模块，以便对滤波之后的三相交流电进行AC-DC变换。

上述所述的所述的高压电池能够采用1C以上快速充电模式对其进行充电。

一种电动大巴半车载快速充电装置，包括地面部分以及设置在电动大巴上的车载部分，地面部分包括降压变压器和交流滤波电路，车载部分包括电机控制器、直流滤波电路和高压电池，三相交流电网输出的三相交流电经降压变压器隔离降压之后再通过交流滤波电路进行滤波，电机控制器对滤波之后的三相交流电进行AC-DC变换转换成直流电，直流电经过直流滤波电路滤波之后对高压电池进行快速充电。

上述所述的交流滤波电路采用三相LC或LCL型滤波器。

上述所述的直流滤波电路采用单相CLC型滤波器。

上述所述的在地面部分设置有充电桩接口一，在车载部分设置有充电桩接口二，充电状态下，充电桩接口一与充电桩接口二之间通过充电枪连接在一起。

上述所述的充电枪中设置有三相电源线、中性线、地线、控制导引线和CAN通讯线。

上述所述的一个地面部分可以同时与多个车载部分进行连接。

上述所述的三相交流电网与降压变压器之间设置有熔断器。

上述所述的充电桩接口二与电机控制器之间通过接触器二连接在一起，电动大巴驱动电机的三相线圈绕组通过接触器一连接在接触器二与电机控制器之间。

上述所述的在接触器二两端并联连接有接触器三，接触器三与预充电电阻串联在一起。

上述所述的在直流滤波电路两端并联有接触器四，直流滤波电路的输出端通过接触器五与高压电池连接在一起。

上述所述的充电桩接口一与充电桩接口二之间通过两把或以上的充电枪并联连接在一起。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

1)地面部分包括降压变压器和交流滤波电路，电动大巴快速充电装置需要上百KW的充电功率，几百安培的充电电流，这导致高频降压变压器及滤波电感、滤波电容又大又重，而电动大巴受空间及重量限制，无法承受如此大功率的降压变压器及滤波电感、滤波电容，因此将其放置在地面部分，节约了空间，降低了成本；

2)地面部分的降压变压器用来将电网380V电压等级降为280V或以下的三相交流电压等级。电机控制器的AC-DC变换实际上是一个BOOST升压电路，380VAC三相输入，经电机控制器转换成直流后所能输出的最低电压为540VDC。目前，通用高压电池额定允许最低电压为460V左右，如果不对三相交流电网输出的三相交流电进行降压，当高压电池电压处于额定允许最低电压时，三相交流电经电机控制器转换成直流所能输出的最低电压将高于高压电池所允许的最低电压值，从而导致充电装置无法为高压电池充电。三相交流电网输出的三相交流电经降压变压器降压后，保证三相交流电经电机控制器的AC-DC变换后，所能输出的最低直流电压不高于高压电池所允许的最低电压值，从而保证充电装置能够在允许的全电压范围内对高压电池进行充电；

3)地面部分的交流滤波电路为三相滤波器，其拓扑为LC或LCL型滤波器。LCL滤波器在相同电感量下比单电感L型滤波器有更好的高频纹波滤波性能，可以在保证滤波性能的情况下减少成本体积。由于降压变压器三相本身存在漏感，等效为一个小值电感，可以替代LCL滤波器电网侧电感。因此，为简化拓扑，一般都采用LC型滤波器。LC或LCL型滤波器存在三相并联电容器组，当充电装置启动、停机或电网故障时，充电回路出现电流突变，电容器组能够对突变电流进行缓冲，保证装置的安全性能。本发明所设计的交流滤波电路相对采用单电感L的滤波电路有更好的高频纹波滤波性能及安全可靠性，并能够减小体积、节约成本；

4)直流滤波电路为单相滤波器，其拓扑为CLC型滤波器。电机控制器侧的电容主要用来滤除电机控制器开关管所产生的高频纹波；高压电池侧的电容主要用来滤除低频纹波及储能；电感主要用来平波，减少充电电流纹波。国标对充电装置的输出纹波电流做了严格的规定，需要保证在1％以内，本发明所设计的直流滤波电路就是为满足该标准而设计，使高压电池发热减少，寿命延长，整体性能更优越，促进电动大巴车产业的发展。由于电机控制器进行PWM整流将交流电转化为直流电时，直流侧输出与IGBT模块开关频率相等的高频脉冲电流，如果只采用简单的电容器C进行滤波，充电装置所输出的充电电流将包含大量的纹波电流，使高压电池发热严重，寿命减短，甚至过热烧毁；

5)充电状态下，充电桩接口一与充电桩接口二之间通过两把或以上的充电枪并联连接在一起，减小单个充电枪的电流，同时增加电动大巴车的充电灵活性，扩大电动大巴车的适应性与活动空间；

6)利用电动大巴电机控制器进行快速充电，充电功率大，充电电流可以达到驱动电机的电流等级，最高可达上千安培。所述的电机控制器集电机驱动、充电功能于一体，电机控制器用来做充电控制器，基本不需要增加额外成本或者体积；

7)电机控制器对滤波之后的三相交流电进行AC-DC变换转换成直流电，不但可以实现对高压电池快速充电，并且可以在电网输入侧进行功率因数校正及谐波补偿，使快充装置不会对电网产生干扰，保证电网电能质量。

附图说明：

图1是实施例中电动大巴半车载快速充电装置的结构及原理框图；

图2是快充装置地面部分具体拓扑图；

图3是快充装置车载部分具体拓扑图；

图4是快充装置启动、充电、停止过程交流侧三相电压、电流示意图；

图5是快充装置直流侧输出电流、电容电压、电池电压示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1所示，本实施例是一种电动大巴半车载快速充电装置，包括地面部分以及设置在电动大巴上的车载部分，地面部分包括降压变压器和交流滤波电路，车载部分包括电机控制器、直流滤波电路和高压电池，三相交流电网输出的三相交流电经降压变压器隔离降压之后再通过交流滤波电路进行滤波，电机控制器对滤波之后的三相交流电进行AC-DC变换转换成直流电，直流电经过直流滤波电路滤波之后对高压电池进行快速充电。

在充电状态下，380V三相交流电网输出的三相交流电经降压变压器隔离降压成280V或以下的三相交流电，再经交流滤波电路滤波，利用电机控制器作为充电装置的控制器，微处理器单元输出PWM信号到驱动电路单元，驱动电路单元控制IGBT模块，以便对滤波之后的三相交流电进行AC-DC变换，将滤波之后的三相交流电转换为直流，直流电经过直流滤波电路滤波之后对高压电池进行快速充电；

在电机驱动状态下，检测电路检测电机运行参数并送到微处理器单元，微处理器单元输出控制信号到驱动电路单元，驱动电路单元控制IGBT模块，以便将高压电池上储存的直流电转换成三相交流电输出，为驱动电机提供电能，驱动电机转动。

如图2所示，在实际的快速充电装置中，三相交流电网的输出端需要通过熔断器QF1连接到降压变压器T，快速充电装置在过流或者检修过程中，通过熔断器QF1把三相交流电网与快速充电装置断开。变压器必须采用降压变压器，保证在允许的最高电压输入条件下，经交流滤波电流整流后三相交流电的最低电压一定要低于充电电池初始电压，否则无法为电池充电。交流滤波电路在本实施例中采用LC滤波器，包括电感L1和电容C21、C22、C23，将IGBT模块产生的高频纹波进行滤波，保证电网电能质量。

在地面部分设置有充电桩接口一，在车载部分设置有充电桩接口二，充电状态下，充电桩接口一与充电桩接口二之间通过两把或以上的充电枪并联连接在一起。本实施例中，充电桩接口一与充电桩接口二之间通过两把并联的充电枪连接在一起。充电枪中设置有三相电源线、中性线、地线、控制导引线、CAN通讯线等。充电桩接口一可以同时与多个充电桩接口二进行连接。

如图3所示，充电桩接口二与电机控制器之间通过接触器二KM2连接在一起，接触器二KM2用来将三相交流电网、驱动电机以及电机控制器之间隔离开。电动大巴驱动电机的三相线圈绕组通过接触器一KM1连接在接触器二KM2与电机控制器之间，确保在充电过程中把驱动电机与三相交流电网隔离开。在接触器二KM2两端并联连接有接触器三KM3，接触器三KM3与预充电电阻串联在一起，接触器三KM3用来接通预充电电阻R1、R2和R3，当直流侧电容电压过低时，对其进行预充电，防止瞬间电流过大。在直流滤波电路两端并联有接触器四KM4，接触器四KM4用来旁路直流滤波电路，充电状态下接触器四KM4处于断开状态，电机驱动状态下接触器四KM4处于闭合状态。直流滤波电路的输出端通过接触器五KM5与高压电池连接在一起，在紧急状态下，通过接触器五KM5把电机控制器、直流滤波电路和高压电池完全隔离，确保系统安全。

电流传感器CT1、CT2、CT3用来检测交流侧三相输入、输出电流，电流传感器CT4用来检测直流侧输入、输出电流，电流传感器检测到的电流信号均会输入到微处理器进行处理。直流侧电压检测以及电网三相电压检测在此没有表示，但是可知直流侧电压检测以及电网三相电压检测都是采用非隔离的差分电路进行检测的。

在直流滤波电路中，C1、C2为薄膜电容，用来滤除高频纹波；C3、C4为电解电容，用来平波储能；L_DC为直流侧滤波电感；R5-R8为均压电阻。

在充电状态下，接触器一KM1、接触器三KM3、接触器四KM4断开，接触器二KM2、接触器五KM5闭合，地面部分三相交流电网输出的380VAC三相交流电经降压、滤波后，通过充电枪接入车载部分，经IGBT模块转换成直流电，直流电经直流滤波电路滤波后，对高压电池进行快速充电；

在电机驱动状态下，接触器二KM2、接触器三KM3断开，接触器一KM1、接触器四KM4、接触器五KM5闭合，直流滤波电路被旁路，高压电池储存的直流电经接触器五KM5、接触器四KM4，通过IGBT模块转换成三相交流电，三相交流电再经接触器一KM1后供给电机，驱动电机运转。

对于快速充电装置启动、停止、故障处理等过程不一一详细介绍，都通过控制接触器的通断对主电路的状态进行转换。

由图4可见，采用电机控制器PWM整流控制，电机控制器工作时，交流侧输入电流的正弦度比较好，相位与三相电压基本保持一致，电流纹波比较小，谐波含量比较低、功率因素比较高。

由图5可见，直流滤波电路采用CLC滤波后，充电电流有些波动，但整体比较平滑，没有高频纹波出现。直流滤波电路中的电容电压充电时随着电流的波动有3V左右的上下波动，整体平稳，效果比较理想。

Claims (15)

1.一种电动大巴半车载快速充电方法，所述的电动大巴包括电机控制器和高压电池，其特征在于：三相交流电网输出的三相交流电经隔离降压之后再进行滤波，电机控制器对滤波之后的三相交流电进行AC-DC变换转换成直流电，直流电经过滤波之后对高压电池进行快速充电。

2.根据权利要求1所述的一种电动大巴半车载快速充电方法，其特征在于：上述的隔离降压是指通过降压变压器将380V三相交流电网输出的三相交流电降压成280V或以下的三相交流电。

3.根据权利要求1或2所述的一种电动大巴半车载快速充电方法，其特征在于：所述的电机控制器包括微处理器单元、驱动电路单元和IGBT模块，微处理器单元输出PWM信号到驱动电路单元，驱动电路单元控制IGBT模块，以便对滤波之后的三相交流电进行AC-DC变换。

4.根据权利要求1或2所述的一种电动大巴半车载快速充电方法，其特征在于：所述的高压电池能够采用1C以上快速充电模式对其进行充电。

5.一种电动大巴半车载快速充电装置，包括地面部分以及设置在电动大巴上的车载部分，其特征在于：所述的地面部分包括降压变压器和交流滤波电路，车载部分包括电机控制器、直流滤波电路和高压电池，三相交流电网输出的三相交流电经降压变压器隔离降压之后再通过交流滤波电路进行滤波，电机控制器对滤波之后的三相交流电进行AC-DC变换转换成直流电，直流电经过直流滤波电路滤波之后对高压电池进行快速充电。

6.根据权利要求5所述的一种电动大巴半车载快速充电装置，其特征在于：所述的交流滤波电路采用三相LC或LCL型滤波器。

7.根据权利要求5所述的一种电动大巴半车载快速充电装置，其特征在于：所述的直流滤波电路采用单相CLC型滤波器。

8.根据权利要求5或6或7所述的一种电动大巴半车载快速充电装置，其特征在于：在地面部分设置有充电桩接口一，在车载部分设置有充电桩接口二，充电状态下，充电桩接口一与充电桩接口二之间通过充电枪连接在一起。

9.根据权利要求8所述的一种电动大巴半车载快速充电装置，其特征在于：充电枪中设置有三相电源线、中性线、地线、控制导引线和CAN通讯线。

10.根据权利要求5或6或7所述的一种电动大巴半车载快速充电装置，其特征在于：一个地面部分可以同时与多个车载部分进行连接。

11.根据权利要求5所述的一种电动大巴半车载快速充电装置，其特征在于：三相交流电网与降压变压器之间设置有熔断器。

12.根据权利要求8所述的一种电动大巴半车载快速充电装置，其特征在于：充电桩接口二与电机控制器之间通过接触器二连接在一起，电动大巴驱动电机的三相线圈绕组通过接触器一连接在接触器二与电机控制器之间。

13.根据权利要求12所述的一种电动大巴半车载快速充电装置，其特征在于：在接触器二两端并联连接有接触器三，接触器三与预充电电阻串联在一起。

14.根据权利要求5或6或7所述的一种电动大巴半车载快速充电装置，其特征在于：在直流滤波电路两端并联有接触器四，直流滤波电路的输出端通过接触器五与高压电池连接在一起。

15.根据权利要求8所述的一种电动大巴半车载快速充电装置，其特征在于：充电桩接口一与充电桩接口二之间通过两把或以上的充电枪并联连接在一起。