CN106058902A - 一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机及方法，通过在控制环节中通过对接入电压进行过零检测和锁相环锁相，以构造标准正弦指令信号，生成相应的PWM脉冲信号，使得脉冲信号产生电路所需的信号幅值大小与电源电压的波形幅值并无关系，避免电源侧电压波动或畸变带来影响。本发明适用于风能、潮汐能等间歇性的新能源接入电动汽车充电的场合。可有效的降低间歇性新能源电压畸变或幅值波动的影响，减轻对充电机电力电子器件的冲击，同时降低对充电电池的损害，提高充电机及电池的使用寿命。

Description

一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机及方法

技术领域

本发明涉及一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机及方法。

背景技术

随着电动汽车的普及和电网日用电负荷峰谷差值越来越大，V2G(Vehicle-to-Grid)技术可以为电网的削峰填谷提供一种有效的手段而成为当下研究热点，其中新能源如何通过电动汽车缓冲并网是V2G的一个重要领域，然而像风能、潮汐能这些间歇性新能源转换成电能时具有很大的波动性，较大的充电波动，经过变换器产生的电压畸变和电流谐波，不仅会对充电机的电力电子器件造成损害，也会降低电动汽车电池的寿命。

目前常见的充放电控制方法为SPWM控制或SVPWM控制，其脉冲产生指令多为由输出电压指令和实际输出电压相减，经PI环节后与电源侧电流波形相结合得到PWM脉冲指令信号，以实现充电机系统的单位功率因数运行。然而，如果接入的新能源电压或功率波动比较大或有波形畸变，则会导致系统运行功率因数降低同时直流侧输出电压有波动。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机及方法，本发明当接入的电源为风能、朝夕能等波动性较大的能源时，可降低电源侧电流畸变，又能降低输出侧电压波动，较大的提高了充电电能质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机，包括可控桥式变换电路、过零比较锁相电路、正弦指令产生电路和PWM脉冲生成电路，其中，所述可控桥式变换电路的输入端连接交流电源，输出端为直流侧，所述过零比较锁相电路对交流电源电压进行过零检测和锁相环锁相，正弦指令产生电路接收过零比较锁相电路的信号及采集设备采集的电源侧电流信号，产生相应的控制指令，PWM脉冲生成电路接收该控制指令，控制可控桥式变换电路中的开关管动作。

所述可控桥式变换电路为单相桥式或三相桥式。

所述可控桥式变换电路与交流电源之间连接有电感。

所述可控桥式变换电路的输出端并联有电容。

所述过零比较锁相电路，包括过零比较电路、鉴相器锁相倍频电路、低通滤波电路、电压放大电路和函数发生电路，其中，所述过零比较电路根据采集到的电源电压得到与电源电压同频率的电压过零点信号，并将其输入鉴相器锁相倍频电路，得到和接入电源频率、相位一致的电流信号，所述鉴相器锁相倍频电路的输出端依次连接低通滤波电路、电压放大电路和函数发生电路对信号进行过滤、放大和稳定。

所述正弦指令产生电路将过零比较锁相电路生成的电流信号与采集到的电源电流作比较，以控制电源侧电流相位。

所述正弦指令产生电路所需的信号幅值大小与电源电压的波形幅值无关。

所述PWM脉冲生成电路接收正弦指令产生电路产生的比较结果，通过PI调节器后，再与三角载波信号进行比较，生成PWM脉冲，将脉冲信号取反，作用于可控桥式变换电路的开关管上。

一种提高充电电能质量的电动汽车入网方法，具体为：在控制环节中通过对接入电压进行过零检测和锁相环锁相，以构造标准正弦指令信号，生成相应的PWM脉冲信号，使得脉冲信号产生电路所需的信号幅值大小与电源电压的波形幅值并无关系，减轻电源侧电压波动或畸变对电源侧电流和输出侧电压产生影响。

本发明的有益效果为：

(1)本发明应用在接入电源为风能、朝夕能等波动性较大V2G领域时，可避免了电源侧电压波动或畸变带来的影响，在充电时能降低电源侧电流畸变，减轻功率畸变对充电机电力电子器件及电能计量装置电子器件的冲击，增加了充电机的使用寿命以及计量的准确性。

(2)在接入电源电压幅值有波动或波形有畸变时，输出电压受波动带来的影响也较小，此种改善应用在电动汽车电池恒压充电时，能降低充电电压不稳对电池造成的损害，延长电池使用寿命。

(3)接入电源电压幅值无论有无波动或波形有无畸变，应用此方法，在V2G充电机初始阶段，与常规的充电控制方法相比，输出电压达到稳定的时间变短，即设备的响应速度有很大提高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的过零检测锁相电路图；

图3为本发明的接入电压畸变时电流畸变比较图；

图4为本发明的接入电压波动时输出电压响应与波动比较图；

其中，1、可控桥式变换电路，2、过零比较锁相电路，3、正弦指令产生电路，4、PWM脉冲生成电路，5、过零比较电路，6、鉴相器锁相倍频电路，7、低通滤波电路，8、电压放大电路，9、函数发生电路。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种可提高充电电能质量的V2G充电机，包括可控桥式变换电路1，根据电源场合不同，可为单相桥式，也可为三相桥式；过零比较锁相电路2，它主要由过零比较电路和锁相电路组成，其中锁相电路由鉴相器(PD)、低通滤波器、电压放大器和函数发生器组成，电路2的输入信号为采集到的电源侧电压信号，电压采集电路这里不再赘述；输出电压指令和实际输出电压的差值经PI调节后与电路2的输出信号相乘，再与采集到的电源侧电流信号相减，得到正弦指令产生电路3；电路3的输出信号经PI调节后，与两个相位相差180°的三角波信号相比较，得到PWM脉冲生成电路4。

过零比较锁相电路2，其具体构成如图2所示，包含过零比较电路5，鉴相器锁相倍频电路6、低通滤波电路7、电压放大电路8和函数发生电路9。

过零比较电路5，这里采用低功耗、低失调的电压比较器LM339,为提高LM339过零比较器精度，输入信号接比较器负输入端，输出端接PNP高频三极管，此电路可消除LM339转换速率带来的影响。

将采集到电源电压，经过零比较电路后，得到与电源电压同频率的电压过零点信号，此信号作为鉴相器锁相倍频电路6的输入信号。

鉴相器采用了CD4046的Ⅰ号相位比较器，过零比较电路5的输出信号接CD4046的14管脚，由于鉴相器输入的信号基波频率并非为恒定值，如仍采用50Hz频率采样，可能会产生频谱泄露，6为由鉴相器搭建的锁相倍频电路，中心频率可通过设置R₅、C₁的参数值确定，这里将CD4046的压控振荡器输出端(4管脚)经计数器CD4040同倍的分频后再与原信号比较，当环路稳定时，CD4046可输出一个和接入电源频率、相位一致的信号。

7为低通滤波器，鉴相器的输出信号经过7后，可降低输出信号的噪声成份，低通滤波器的截止频率越高，滤波能力越低，但鉴相器达到锁相稳定的时间就越小，R₇，C₃大小需综合考虑后确定。

9为正弦信号发生电路，这里采用函数发生器ICL8038组成，其工作电压Vc＝15V，为获得稳定的频率，需为ICL8038提供2/3Vc-Vc的控制电压，即为ICL8038提供的控制电压应为10-15V，而鉴相器CD4046经低通滤波器7输出的电压约为7.5V，所以需在ICL8038前加一电压放大器，电压放大电路如8所示。

为了减少输出正弦波的失真度，通过ICL8038的第1管脚和第12管脚配置可调桥式电路，来减轻失真。其中管脚2输出正弦波，管脚9输出方波，将管脚9通过上拉电阻与Vc相连，同时后接一运算放大器，使输出的方波电平控制在±15V，作为CD4046比较信号输入端(3管脚)的输入信号。

将ICL8038生成的正弦波信号(2管脚)与输出电压指令和实际输出电压的差值经PI调节后的信号相乘，再与采集到的电源电流作比较，以控制电源侧电流相位，实现系统高功率因数运行。

将与电源电流作比较后的信号，通过PI调节器后，再与三角载波信号进行比较，生成PWM脉冲，将脉冲信号取反，与原信号组成四路PWM信号作用于四个桥臂。

在一个开关周期内，电源侧电流波动幅值与直流侧电压、电源侧电压和电感的关系式如⑴式所示：

${\mathrm{\Δi}}_{km}=i_{(t=0)}-i_{(t=t_{on})}=\frac{V_{dc}-E_{m}sin\left({\mathrm{\ωkT}}_s\right)}{L}{t}_{on}=\frac{V_{dc}-E_{m}sin\left({\mathrm{\ωkT}}_s\right)}{L}{D}_k{T}_s---\left(1\right)$

在输出侧直流电压V_dc要求一定的情况下，适当增加电感L的值或降低|V_dc-E_msin(ωkT_s)|D_kT_s的值有利于减小电源侧电流波动，但L值过大会影响电流跟随性，主要是在D_kT_s周期内，保持V_dc与E_msin(ωkT_s)的跟随性。

根据上述构建过程，进行了仿真验证，图3为电源电压畸变的情况下，在0.8s时，采用本方法的电流畸变比较图，可以看出与0.8s前未改进时相比，电流受电源电压畸变影响变小，基本达到标准化正弦运行，此种改善有效减少充电功率剧增对充电机电力电子器件的冲击，降低了充电机元器件和充电计量装置被烧坏的几率，增加充电机的使用寿命以及充电计量的准确性。

在一个开关周期内，输出侧电压波动幅值大小为：

${\mathrm{\ΔV}}_{dcmax}=V_{dc(t=Ts)}-V_{dc(t=Ts+ton)}=R_L{I}_{m}sin\left({\mathrm{\ωkT}}_s\right)\[\frac{(1-e^{-t_{on}/R_{L}C})(1-e^{-(T_s-t_{on})/R_{L}C})}{1-e^{-T_s/R_{L}C}}\]---\left(2\right)$

若R_LC＞＞T_s，由⑵式可化简为：

${\mathrm{\ΔV}}_{dcmax}=I_{m}sin\left({\mathrm{\ωkT}}_s\right)\[t_{on}(T_s-t_{on})/T_s\]=I_{m}sin\left({\mathrm{\ωkT}}_s\right)\[\frac{D_k(1-D_k)T_s}{C}\]---\left(3\right)$

根据上述构建过程，进行了仿真验证，图4为电源电压存在波动的情况下，采用本方法与传统方法相比输出电压响应及幅值波动比较图，可以看出采用本发明的技术方案时输出电压达到稳定的时间缩小，即响应的快速性有很大提高，同时电源电压有上下波动时，输出电压受波动影响也较小，此种改善可降低在要求恒压充电时，充电电压不稳对电池造成的损害，增加了电池使用寿命。

在V2G领域，当接入的电源为风能、朝夕能等波动性较大的能源时，采用本发明，即可降低电源侧电流畸变，又能降低输出侧电压波动，较大的提高了充电电能质量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机，其特征是：包括可控桥式变换电路、过零比较锁相电路、正弦指令产生电路和PWM脉冲生成电路，其中，所述可控桥式变换电路的输入端连接交流电源，输出端为直流侧，所述过零比较锁相电路对交流电源电压进行过零检测和锁相环锁相，正弦指令产生电路接收过零比较锁相电路的信号及采集设备采集的电源侧电流信号，产生相应的控制指令，PWM脉冲生成电路接收该控制指令，控制可控桥式变换电路中的开关管动作。

2.如权利要求1所述的一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机，其特征是：所述可控桥式变换电路为单相桥式或三相桥式。

3.如权利要求1所述的一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机，其特征是：所述可控桥式变换电路与交流电源之间连接有电感。

4.如权利要求1所述的一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机，其特征是：所述可控桥式变换电路的输出端并联有电容。

5.如权利要求1所述的一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机，其特征是：所述过零比较锁相电路，包括过零比较电路、鉴相器锁相倍频电路、低通滤波电路、电压放大电路和函数发生电路，其中，所述过零比较电路根据采集到的电源电压得到与电源电压同频率的电压过零点信号，并将其输入鉴相器锁相倍频电路，得到和接入电源频率、相位一致的电流信号，所述鉴相器锁相倍频电路的输出端依次连接低通滤波电路、电压放大电路和函数发生电路对信号进行过滤、放大和稳定。

6.如权利要求1所述的一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机，其特征是：所述正弦指令产生电路将过零比较锁相电路生成的电流信号与采集到的电源电流作比较，以控制电源侧电流相位。

7.如权利要求1所述的一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机，其特征是：所述正弦指令产生电路所需的信号幅值大小与电源电压的波形幅值无关。

8.如权利要求1所述的一种提高充电电能质量的电动汽车入网充电机，其特征是：所述PWM脉冲生成电路接收正弦指令产生电路产生的比较结果，通过PI调节器后，再与三角载波信号进行比较，生成PWM脉冲，将脉冲信号取反，作用于可控桥式变换电路的开关管上。

9.一种提高充电电能质量的电动汽车入网方法，其特征是：具体为：在控制环节中通过对接入电压进行过零检测和锁相环锁相，以构造标准正弦指令信号，生成相应的PWM脉冲信号，使得脉冲信号产生电路所需的信号幅值大小与电源电压的波形幅值并无关系，减轻电源侧电压波动或畸变对电源侧电流和输出侧电压产生影响。