CN105914754A - 使用车辆上的车载充电机提高电能质量的系统和方法 - Google Patents

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李蕊
刘冰
李立鹏
郭桂梅
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    • H02J3/1892—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks the arrangements being an integral part of the load, e.g. a motor, or of its control circuit
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Abstract

本发明公开了一种使用车辆上的车载充电机提高电能质量的系统和方法。本发明接入一个家庭电网的混合动力汽车或电动汽车所带的车载充电机，为电网提供无功功率的系统和方法。一个功率因数监控装置通过通信接收来自电池管理系统（BMS）的电池状态信息，取得当前电网功率因数信息，计算所需补偿无功功率；车载充电机实现功率在汽车电池包和电网之间的流动；再由一个控制单元负责控制车载充电机实现电网无功功率补偿。这个系统可以向电网提供无功功率，也可以吸收电网的功率给汽车的电池包，这样就可以实现电网无功补偿，提高功率因数，降低电网损耗，提高电网可靠性。

Description

使用车辆上的车载充电机提高电能质量的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种利用车载充电机提高电能质量的系统和方法，特别是这种系统和方法是通过一个带PFC功能的充电机提高微电网功率因数从而改善电能质量。
背景技术
当大量汽车充电机设备同时运行时，电网可能会出现很大无功功率，这会降低电能传输效率。当无功功率不足时，电网电压会降低，严重时会引起电网瘫痪。
这就需要增加无功补偿装置,如SVC、SVG、并联电容器等，而增加这些装置势必会增加电网建设成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，通过车载充电机稳定且有效的向微电网提供必要的无功功率，提供一种使用车辆上的车载充电机提供无功功率的系统和方法。
本发明使用车辆上的车载充电机提高电能质量的系统，包括：一台连在家庭电网上的车载充电机，一个连接到家庭电网的功率因数监控器，一个汽车上的电池包和一个控制单元；
所述车载充电机把电网能量输送给汽车电池包，车载充电机把无功功率输送给电网，车载充电机内部集成了一个功率因数校正电路；所述功率因数监控器通过通信接收汽车电池包上来自电池管理系统的状态信息，监测家庭电网和车载充电机的功率因数，并根据监测的功率因数计算功率因数的补偿值；所述控制单元根据状态信息控制车载充电机把足够的无功功率输出给电网，从而达到所要求的功率因数。
这个系统可以向电网提供无功功率，也可以吸收电网的功率给汽车的电池包。
所述的车载充电机为电动汽车或混合动力汽车中配备的。
本发明使用车辆上的车载充电机提高电能质量的方法，其特征是，按照下述步骤进行：首先通过车载充电机把汽车的电池包与外部电网连接；用车载充电机内部集成的功率因数监控器监测功率因数，通过通信接收来自于汽车电池包上的电池管理系统的信息，并计算功率因数的补偿值；通过车载充电机，在电池包和外部电网之间传递能量；通过一个控制单元，控制车载充电机把足够的无功功率补偿到电网，提高电网功率因数。
利用这个方法可以让充电机向电网发出无功功率，也可以让充电机吸收电网的能量给汽车的电池包。
高压电池的电源可以用作电容性负载。
本发明具有如下技术效果：
通过车载充电机提供或吸收电网的无功功率提高功率因数从而提高电能质量增加电网的稳定性降低电网损耗；此外电网中也不需要安装昂贵的无功功率补偿装置，本发明具有与安装功率补偿装置，如柔性交流输电（FACTS）等措施相同的效果，大大降低了系统成本。
附图说明
图1是微电网系统示意图。
图2是汽车系统框图。
图3充电机原理框图。
图4 PFC电路原理图。
图5功率因数补偿控制流程图。
具体实施方式
本发明可以进行各种变形并且有多重实现方式，本示范性实例附图并做细说明，但是本发明并不限于这个特定的实例。
图1是一个使用电动汽车车载充电机提供无功功率系统的结构图。这个系统包含了一个微电网、一辆电动汽车、一个功率因数监控器以及其他用电设备。汽车可以是电动的也可以混合动力等类型的车辆。功率因数监控器是一个自动功率因数控制装置，例如根据无功功率或功率因数的设置值关闭或打开一个电容器的装置。
在交流电路电压或电流是按照正弦波的形状波动，因此，电压和电流正弦波的相位不一定彼此一致，电压和电流之间会产生相位差，并且θ=VI*Cosθ表示有功功率，Cosθ表示功率因数，这样有功功率代表电源提供的实际工作的功率。
功率因数监控器可以监测电动汽车和微电网系统的功率因数，并通过电力线通信（PLC）或控制器局域网总线（CAN） 通信彼此联系。
微电网是一个独立的分布式的供电系统，也可以是一个智能电网。微电网连接到家庭的安装面板，为充电汽车和家用电器等负载提供电能，另外，微网也可以与功率因数监控器连接，从而接收汽车的无功功率。
图2表示的是汽车内部的电气系统原理，包括了整车控制器（HCU）、为汽车提供机械动力的电机、控制电机的控制器、储存电能的电池包、给电池充电的车载充电机、检测控制电池包和充电机的电池管理系统（BMS）、充电机的控制单元以及其通信单元、电气连接部分的受电端。但这个仅仅是示意性的，不表示其具体连接方式。
图2中的控制器把电池包的直流电变成三相交流电，从而去驱动汽车电机，控制器一般是由IGBT组成的三相逆变器，采用PWM控制。电池包的内部由很多单体电池串并联组成，为电机提供能量，同时在本发明中作为容性负载。BMS的作用是管理、控制电池包同时把电池包的状态信息传送给控制单元。通信单元一般都是采用CAN-BUS，但是不局限于此。HCU作为整车控制器，协同控制BMS、控制器及充电机工作。车载充电机通过受电端接收电力供电，为电池包提供直流供电或者提供无功功率到微电网。控制单元是由一个单片机组成，内有算法程序，从BMS接收高压电池的状态信息并根据信息确定是否把无功功率发送到微电网，此外控制单元内还要有用于执行程序的存储器。因为控制单元系统有可能断电，所以这个存储器必须是非易失存储器，如硬盘、FLASH、EEPROM、FRAM等等。通信单元用于在控制单元与功率因数监控器之间进行通信。通信方式可以是电力线通信（PLC）和控制器局域网（CAN），但不限于此，并且可以使用无线通信，例如红外线通信、蓝牙等。
图3是车载充电机的电路原理框图。它是用作变换交流电到直流电的电源。如图3，电源AC通过一个由二极管D1至D4组成的桥式整流器，再由PFC电路转换成直流稳定电压，最后由DC/DC控制给电池包充电，反过来这个充电器也可以发出无功功率给AC电源。这里，PFC电路工作在开关稳压模式，图4就是其一种实现方式。
图4是功率因数控制（PFC）电路的电路原理图。如图4所示，PFC输出直流电压变换为INV后被反馈输入到误差放大器com4。图3中整流桥的输出电压可以被输入到内部稳压器，由内部稳压器可以产生电源电压VDD和偏置电压。从内部稳压器所产生的电压VDD将用于放大器com1，com2， com3，com4的基准电压或偏置电压。电源AC通过交流桥式整流器的信号VR，和稳压误差放大信号即com4的输出信号，被输入到乘法器。乘法器的输出信号与电流采样信号CS被输入到放大器com3。放大器com3的输出信号被输入到锁存器Latch的复位端R。
在这个结构中，在CS信号代表着功率开关管Q1接通、断开电路电流的变化。当乘法器输出信号输入到锁存器的复位引脚从而关闭Q1，降低储能电感（图中未画出）电流到零后，ZCD信号比较功率电流与乘法器的输出，用于开通开关管Q1。如图中所示，ZCD信号输入到比较器com1和com2与预设的电平比较后，输出到加法器，经过加法器后输入到锁存器Latch的置位引脚S，这样驱动器接收到Latch的信号后，将会开通开关管Q1，从而增加储能电感电流。
这样，PFC电路连续的监控从微电网流入汽车的电流，让其跟随交流整流桥的输入电压波形，使电压和电流同相位。
图5是本发明所举实例的功率因数补偿过程流程图。如图5所示，功率因数监控器监测负载（如家用电器、汽车）的功率因数，然后计算功率因数的补偿值。比如一个家庭用电负荷是10KW，但是由于非阻性负载的存在，电力公司可能要输送12KW的功率，如果汽车能够补偿非阻性负载的无功功率，那么电力公司就不需要输送12KW这么大的功率了。因为当功率因数为1的时候，供电功率完全用于了做功，但功率因数为0时，则意味着供电功率只有损耗没有做功。因此，当功率因数降低的时候，采取补偿措施提高功率因数，就可以提高电能输送的效率。增加功率因数的方法就是通过容性无功功率补偿感性无功功率，从而降低电压和电流的相位差。
当功率因数补偿值计算完成后，汽车内的充电控制单元将控制充电机补偿所计算的功率因数补偿值。换句话说，控制单元接收到功率因数监控器所计算的功率因数补偿值后，计算并从高压电池发送对应的无功功率值到微电网。
当按照功率因数补偿值进行补偿后，控制单元将接收功率因数监控器所监控的功率因数值，以确定功率因数是否达到目标值。如果确定该功率因数达到目标值，控制单元则不发送无功功率到微电网。反之，如果功率因数没有达到目标值，则重复执行功率因数监控器计算补偿功率值、补偿功率、确认功率因数是否达标的流程。
综上所述，在一个家庭通过使用电动汽车的车载充电机提高功率因数是可行的，具有与安装功率补偿装置，如柔性交流输电（FACTS）等措施相同的效果，它能够提高电能质量，增强电网可靠性。

Claims (3)

1. 一种使用车辆上的车载充电机提高电能质量的系统，其特征是，包括：一台连在家庭电网上的车载充电机，一个连接到家庭电网的功率因数监控器，一个汽车上的电池包和一个控制单元；
所述车载充电机把电网能量输送给汽车电池包，车载充电机把无功功率输送给电网，车载充电机内部集成了一个功率因数校正电路；所述功率因数监控器通过通信接收汽车电池包上来自电池管理系统的状态信息，监测家庭电网和车载充电机的功率因数，并根据监测的功率因数计算功率因数的补偿值；所述控制单元根据状态信息控制车载充电机把足够的无功功率输出给电网，从而达到所要求的功率因数。
2.根据权利要求1所述的使用车辆上的车载充电机提高电能质量的系统，其特征是，所述的车载充电机为电动汽车或混合动力汽车中配备的。
3.一种使用车辆上的车载充电机提高电能质量的方法，其特征是，按照下述步骤进行：首先通过车载充电机把汽车的电池包与外部电网连接；用车载充电机内部集成的功率因数监控器监测功率因数，通过通信接收来自于汽车电池包上的电池管理系统的信息，并计算功率因数的补偿值；通过车载充电机，在电池包和外部电网之间传递能量；通过一个控制单元，控制车载充电机把足够的无功功率补偿到电网，提高电网功率因数。
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