CN106208141A - 一种具有无功补偿功能的v2g充放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能化电动汽车双向充电设备领域，具体地讲是一种基于电动汽车与电网双向互动技术的具有无功补偿功能的V2G充放电装置。本发明具有无功补偿功能的V2G充放电装置，包括壳体，其特征是还包括设置在壳体内的可逆PWM变流器、保护电路、双向DC/DC变流器、控制器、交流配电电路、直流配电电路和整流电路，所述可逆PWM变流器通过保护电路与双向DC/DC变流器相连接，控制器的驱动信号分别与可逆PWM变流器和双向DC/DC变流器的输入端相连接，可逆PWM变流器经交流配电电路连接电网，双向DC/DC变流器经直流配电电路连接电池，交流配电电路经整流电路与直流配电电路相连接。

Description

一种具有无功补偿功能的V2G充放电装置

技术领域

本发明涉及智能化电动汽车双向充电设备领域，具体地讲是一种基于电动汽车与电网双向互动技术的具有无功补偿功能的V2G充放电装置。

背景技术

全球能源危机与环境污染问题的日益突出，低碳经济的发展推动了电动汽车的兴起，一种旨在连接电动汽车与电网的技术应运而生，V2GVehicle to Grid技术，作为V2G技术实现能量信息双向流动的关键设备，双向充放电装置的研究引起了广泛的关注。但是，目前绝大多数的充电设备只具有为电动汽车提供电能的单一功能，即便能够实现电动汽车与电网之间双向充放电的功能，也会因为效率低、谐波高以及缺乏必要的保护等不足，而不能得到大规模的推广，从而限制了V2G技术的实现。因此，有必要研发一种高效可靠的充放电装置来推动电动汽车产业的发展及与电网的友好互动。

发明内容

本发明目的在于提供一种解决上述问题的基于V2G技术的双向充放电装置，具有无功补偿和谐波抑制的功能，而且提供了必要的保护电路，具有结构简单、实用性强、安全、高效、可靠的特点。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有无功补偿功能的V2G充放电装置，包括壳体，其特征是还包括设置在壳体内的可逆PWM变流器、保护电路、双向DC/DC变流器、控制器、交流配电电路、直流配电电路和整流电路，所述可逆PWM变流器通过保护电路与双向DC/DC变流器相连接，控制器的驱动信号分别与可逆PWM变流器和双向DC/DC变流器的输入端相连接，可逆PWM变流器经交流配电电路连接电网，双向DC/DC变流器经直流配电电路连接电池，交流配电电路经整流电路与直流配电电路相连接。

本发明所述可逆PWM变流器包括VSC型三相PWM变流器和LCL滤波器，所述VSC型三相PWM变流器由功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆、母线电容C₄组成，功率开关管S₁与功率开关管S₄串联连接，功率开关管S₃与功率开关管S₆串联连接，功率开关管S₅与功率开关管S₂串联连接，功率开关管S₁、功率开关管S₃、功率开关管S₅共阳极连接，引出端口5，功率开关管S₄、功率开关管S₆、功率开关管S₂共阴极连接，引出端口6，母线电容C₄接于端口5和端口6之间，LCL滤波器1号端口连接于功率开关管S₁与功率开关管S₄串联桥臂之间，LCL滤波器2号端口连接于功率开关管S₃与功率开关管S₆串联桥臂之间，LCL滤波器3号端口连接于功率开关管S₅与功率开关管S₂串联桥臂之间，LCL滤波器4号端与电网连接；

所述保护电路由功率开关管S₇和电阻R₄串联组成，功率开关管S₇阳极与电阻R₄的一端连接，功率开关管S₇阴极与端口6连接，电阻R₄另一端与端口5连接；

所述双向DC/DC变流器由功率开关管S₈、功率开关管S₉、电感L₇、电容C₅、电阻R₅组成，电阻R₅与电容C₅串联，接于端口5和端口6之间，功率开关管S₈的阳极与端口5连接，功率开关管S₈的阴极与端口7连接，功率开关管S₉的阳极与端口7连接，功率开关管S₉的阴极与端口8连接，电感L₇一端接于端口7，另一端与电池组的一端相连，电池组的另一端与端口8连接；

所述控制器包括MCU控制芯片、电压/电流信号调理单元、驱动单元、BMS模块、读卡器模块、串口键盘输入模块、钱币识别模块、显示模块、打印机；其中，所述电压/电流信号调理单元连接MCU控制芯片的A/D采样端口；所述驱动单元连接MCU控制芯片的PWM端口，驱动单元另一端分别连接于可逆PWM变流器的功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆的信号端，保护电路的功率开关管S₇的信号端和双向DC/DC变流器的功率开关管S₈、功率开关管S₉的信号端；BMS模块经CAN总线连接MCU控制芯片CAN端口；所述读卡器模块、串口键盘输入模块、钱币识别模块、显示模块、打印机分别连接MCU控制芯片的I/O端口；

所述交流配电电路包括漏电保护开关QF、防雷器FVC、电流互感器TA、交流接触器KM以及交流双向电表DT，电网经过漏电保护开关QF与防雷器FVC和电流互感器TA相连，交流双向电表DT与电流互感器TA连接，电流互感器TA与交流接触器KM连接，交流接触器KM与可逆PWM变流器连接；

所述直流配电电路7包括熔断器FU、分流器RS、直流电能表PZ以及直流接触器KM，电池经过熔断器FU与直流接触器KM连接，直流接触器KM与分流器RS连接，分流器RS与双向DC/DC变流器连接，直流电能表PZ与分流器RS连接；

所述整流电路为单向AC/DC整流电路。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明采用可逆PWM变流器经保护电路与双向DC/DC变流器连接作为主电路，通过MCU进行控制，可以较好的实现V2G技术，主要有以下优点：

1、本发明可以实现能量信息的双向交互，电动汽车既可以作为用电负荷吸收电网电能，也可以作为分布式储能向电网提供电能，用户可以根据实际情况，在满足自身出行需求的同时，通过向电网售电获得一定的收益。

2、本发明通过LCL滤波电路，可以有效的减少谐波，避免电能的污染，通过对主电路的控制，具有无功补偿的功能，可以提高系统的功率因数，增大充放电效率。

3、本发明拥有保护电路，结构简单，不仅可以限制母线电压的泵升，而且可以防止母线电容过压或电路故障保护放电。

附图说明

图1是本发明双向充放电装置的整体结构框图；

图2是电动汽车双向充放电装置的主电路原理图；

图3是可逆PWM变流器的电路原理图；

图4是保护电路的电路原理图；

图5是双向DC/DC变流器的电路原理图；

图6是控制器的电路结构框图；

图7是交流配电的电路结构框图；

图8是直流配电的电路结构框图；

图9是可逆PWM变流器的控制框图；

图10是双向DC/DC变流器的闭环控制框图；

图11是双向DC/DC变流器充电时的控制框图；

图12是双向DC/DC变流器放电时的控制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种具有无功补偿的V2G充放电装置，包括壳体1，其特征是还包括设置在壳体1内的可逆PWM变流器2、保护电路3、双向DC/DC变流器4、控制器5、交流配电电路6、直流配电电路7和整流电路8，所述可逆PWM变流器2通过保护电路3与双向DC/DC变流器4相连接，控制器5的驱动信号分别与可逆PWM变流器2和双向DC/DC变流器4的输入端相连接，可逆PWM变流器2经交流配电电路6连接电网，双向DC/DC变流器4经直流配电电路7连接电池，交流配电电路6经整流电路8与直流配电电路7相连接。

图2为主电路原理图，图3为可逆PWM变流器的电路原理图，可逆PWM变流器2由LCL滤波电路和VSC型三相PWM变流器构成，电网与LCL滤波器端口4相连，LCL滤波器由三相等效电感L₁、L₂、L₃与三个变流侧等效电感L₄、L₅、L₆串联，两组电感之间分别并联电阻R₁、R₂、R₃与电容C₁、C₂、C₃的串联支路，三组串联支路成星形连接，构成了LCL低通滤波器；VSC型三相PWM变流器由功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆、母线电容C₄组成，功率开关管S₁与功率开关管S₄串联连接，功率开关管S₃与功率开关管S₆串联连接，功率开关管S₅与功率开关管S₂串联连接，功率开关管S₁、功率开关管S₃、功率开关管S₅共阳极连接，引出端口5，功率开关管S₄、功率开关管S₆、功率开关管S₂共阴极连接，引出端口6，母线电容C₄接于端口5和端口6之间，LCL滤波器1号端口连接于功率开关管S₁与功率开关管S₄串联桥臂之间，LCL滤波器2号端口连接于功率开关管S₃与功率开关管S₆串联桥臂之间，LCL滤波器3号端口连接于功率开关管S₅与功率开关管S₂串联桥臂之间，功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆的信号端接收来自控制器经过驱动电路发出的驱动信号，从而实现充放电的控制。

如图4所示，所述保护电路，由功率开关管S₇和电阻R₄串联组成，功率开关管S₇阳极与电阻R₄的一端连接，功率开关管S₇阴极与端口6连接，电阻R₄另一端与端口5连接，功率开关管S₇的信号端接收来自驱动电路的驱动信号，控制功率开关管S₇的通断，保护电路用来限值直流母线电压的泵升，及母线电容过压放电或电路故障保护放电。

如图5所示，电池经过直流配电电路与双向DC/DC变流器相连，双向DC/DC变流器4由功率开关管S₈、功率开关管S₉、电感L₇、电容C₅、电阻R₅组成，电阻R₅与电容C₅串联，接于端口5和端口6之间，功率开关管S₈的阳极与端口5连接，功率开关管S₈的阴极与端口7连接，功率开关管S₉的阳极与端口7连接，功率开关管S₉的阴极与端口8连接，电感L₇一端接于端口7，另一端与电池组的一端相连，电池组的另一端与端口8连接，电阻R₅与电容C₅的串联支路与保护电路并联，功率开关管S₈、功率开关管S₉的信号端接收驱动电路发出的驱动信号，实现双向DC/DC变流器的充放电控制；

如图6所示，所述控制器5包括MCU控制芯片、电压/电流信号调理单元、驱动单元、BMS模块、读卡器模块、串口键盘输入模块、钱币识别模块、显示模块、打印机；其中，所述电压/电流信号调理单元连接MCU控制芯片的A/D采样端口；所述驱动单元连接MCU控制芯片的PWM端口，驱动单元另一端分别连接于可逆PWM变流器的功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆的信号端，保护电路的功率开关管S₇的信号端和双向DC/DC变流器的功率开关管S₈、功率开关管S₉的信号端；BMS模块经CAN总线连接MCU控制芯片CAN端口；所述读卡器模块、串口键盘输入模块、钱币识别模块、显示模块、打印机分别连接MCU控制芯片的I/O端口；

如图7所示，所述交流配电电路6包括漏电保护开关QF、防雷器FVC、电流互感器TA、交流接触器KM以及交流双向电表DT，电网经过漏电保护开关QF与防雷器FVC和电流互感器TA相连，交流双向电表DT与电流互感器TA连接，电流互感器TA与交流接触器KM连接，交流接触器KM与可逆PWM变流器连接；

如图8所示，所述直流配电电路7包括熔断器FU、分流器RS、直流电能表PZ以及直流接触器KM，电池经过熔断器FU与直流接触器KM连接，直流接触器KM与分流器RS连接，分流器RS与双向DC/DC变流器连接，直流电能表PZ与分流器RS连接；

所述整流电路8为单向AC/DC整流电路。

其工作原理如下：

控制器首先根据系统和电动汽车的情况，确定系统是否满足正常的工作状态，再根据用户所输入的指令，确定系统需要工作在电池充电状态，还是电池的放电状态。如果需要为电池充电，控制器会根据指令通过驱动电路发出信号，控制电网侧的可逆PWM变流器工作在整流模式、控制电池侧双向DC/DC变流器采用脉冲式恒压或横流的方式为电池充电；如果需要电池放电，控制器会发出驱动信号控制电池侧双向DC/DC变流器采用恒定大电流方式放电、控制网侧可逆PWM变流器工作在逆变模式，向电网输送电能；如果出现母线电容C₄过压或者出现故障，导致线路电压变化，控制器会根据采样信号发出驱动信号控制保护电路功率开关管S₇的通断，实现对系统的保护作用。

图6为控制器的电路结构框图，控制器核心为MCU控制芯片，另外包括电压/电流信号调理单元、驱动单元、BMS模块、读卡器模块、串口键盘输入模块、钱币识别单元模块、触摸屏、打印机，控制方面主要借助于MCU控制芯片、电压/电流信号调理单元、驱动单元、BMS模块，实时的对网侧和电池侧的电压电流进行采样检测，BMS模块对所接入电动汽车的电池信息进行分析，对于所采样的电压电流参数，通过比例积分算法PI完成两个变流器各个功率开关管PWM脉冲的计算，最后经过驱动电路向变流器发出相应的驱动信号，实现装置对充放电的控制。另外的模块属于人机交互的辅助模块，用户根据读卡器以及串口键盘输入用户指令，可以通过触摸屏进行选择和显示汽车电池信息，另外钱币识别模块和打印机可以满足用户的其他需求。

图7、8所示，为交、直流配电的电路结构框图，可以为装置提供必要的电气保护及监测。图7为交流配电的电路结构框图，对于三相电网，交流配电包括漏电保护开关QF可以作为系统的紧急开关，然后并联了防雷器FVC，作为系统必要的保护，电流互感器TA串联在母线上，与之相连的是交流双向电能表DT，共同完成对系统网侧的监测功能，然后会连接交流接触器KM，控制器可以通过交流接触器来控制网侧的变流器的接入或者接出系统；图8为直流配电的电路结构框图，对于电池，直流配电包括直流快速熔断器FU，作为系统的必要的保护，然后接入直流接触器KM，用以控制直流侧的变流器的接入或者接出系统，然后分流器RS串联在直流母线上，两端连接直流电能表PZ，共同完成对系统电池侧的监测功能。交流配电电路经过整流电路与直流配电电路连接，将交流电整流为直流电，供直流配电使用。

图9、10、11所示，为充电模式下的控制框图，工作原理：

当用户输入指令，需要为电池进行充电时，在BMS以及控制器确定系统满足充电要求的前提下，主电路网侧的可逆PWM变流器工作在整流模式下，主要作用就是将交流电转换成直流电，然后维持C₄电压的稳定，尽量的保证从电网输出的电能具有较好的质量，即谐波低，功率因数高，参照图9。控制器参照图6的控制关系，从三相电网采样得到网侧的电压电流参数，通过锁相环获得同步信号，三相电压u和电流i经过Park变换得到两相的d-q坐标下的电压电流参数u_d、u_q、i_d、i_q，i_d和i_q分别与相应的参考值i^* _d和i^* _q进行比较，其中i^* _d、i^* _q采用定电流向量控制，即其中k₁、k₂分别为电压比例、积分调节增益，U_dc为直流侧电压，即C₄的电压。经过电流比例积分PI运算后，得到相应的电压信号，采用前馈解耦控制策略，与u_d、u_q以及i_q和i_d分别在d、q轴上产生的电压分量进行比较，得到解耦后的u^* _d、u^* _q，然后经过dq/αβ变换，即两相旋转坐标转换为两相静止坐标2r/2s，得到u_α、u_β，经过SVPWM得带相应的SVPWM触发脉冲，来控制功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆的通断。通过控制功率开关管的通断来完成由交流电到直流电的整流控制，同时实现高功率因数、低谐波的功能；得到的直流电在连接到双向DC/DC变流器前，会经过一个由功率开关管S₇和电阻R₄串联的保护电路，参照图2；对于双向DC/DC变流器在充、放电过程中均需要对电流进行控制，参照10，在充电模式下的双向DC/DC变流器，具体的拓扑结构参照图5，为了满足充电要求，双向DC/DC变流器会工作在Buck模式，即降压斩波模式。充电情况下的具体控制框图参照图11，采用脉冲式快充方式，与采样电流比较经过电流比例积分PI运算后，经过限幅器之后，通过PWM得到相应的PWM触发脉冲，根据电压需要来设定触发脉冲的占空比，精确的控制功率开关管S₈的通断，进行电能的变换，最终满足电池充电的要求。

图9、10、12所示，为放电模式下的控制框图，工作原理：

当用户输入指令，需要为电池进行放电，即为电网输送电能时，在BMS以及控制器确定电池满足放电要求的前提下，控制器会根据用户所输入的指令，控制主电路电池侧的双向DC/DC变流器，控制框图参照11，为了满足放电要求，双向DC/DC变流器会工作在Boost模式，即升压斩波模式，放电时，采用恒定大电流放电的方式，可以提高动力电池瞬间向电网反送电能的能力，放电的控制原理与充电的类似，采样电流i_bat与电流参考值i^* _bat进行比较，经过电流比例积分PI运算后，经过限幅器，通过PWM得带相应的PWM触发脉冲，根据电压需要来设定触发脉冲的占空比，精确的控制功率开关管S₉的通断，得到合适的电压；得到升压的直流电后，经过保护电路，连接到可逆PWM变流器的母线电容C₄，参照图2；在放电情况下，网侧的可逆PWM变流器工作在逆变模式，通过采样的到的电压电流信号，经过Park变换、dq/αβ变换后，通过SVPWM得到相应的驱动信号，控制功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆的通断，实现整流的目的，把交流电变成直流电，最后经过LCL滤波器，降低谐波后接入电网。主电路工作在放电状态下，根据无功补偿的原理，放电时，双向DC/DC变流器工作在Boost模式，可逆PWM变流器工作在逆变模式，有功功率从电池流向电网，无功功率为零，即全有功运行，可以进行无功补偿，再经过LCL滤波器，从电池所输出的电能到电网所吸收的电能，可以实现低谐波、高功率因数的功能。

本发明中，网侧所使用的LCL滤波器为无源滤波器，由电感L、电容C、电阻R组成，实现对系统谐波、辐射干扰、传导干扰的抑制作用；可逆PWM变流器和双向DC/DC变流器之间的保护电路，由功率开关管S₇和电阻R₄串联组成，具有限值直流母线电压泵升、母线电容过压放电的功能。

本实施例中主要电子元件的型号为：

Claims (2)

1.一种具有无功补偿功能的V2G充放电装置，包括壳体(1)，其特征是还包括设置在壳体(1)内的可逆PWM变流器(2)、保护电路(3)、双向DC/DC变流器(4)、控制器(5)、交流配电电路(6)、直流配电电路(7)和整流电路(8)，所述可逆PWM变流器(2)通过保护电路(3)与双向DC/DC变流器(4)相连接，控制器(5)的驱动信号分别与可逆PWM变流器(2)和双向DC/DC变流器(4)的输入端相连接，可逆PWM变流器(2)经交流配电电路(6)连接电网，双向DC/DC变流器(4)经直流配电电路(7)连接电池，交流配电电路(6)经整流电路(8)与直流配电电路(7)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有无功补偿功能的V2G充放电装置，其特征是：所述可逆PWM变流器(2)包括VSC型三相PWM变流器和LCL滤波器(9)，所述VSC型三相PWM变流器由功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆、母线电容C₄组成，功率开关管S₁与功率开关管S₄串联连接，功率开关管S₃与功率开关管S₆串联连接，功率开关管S₅与功率开关管S₂串联连接，功率开关管S₁、功率开关管S₃、功率开关管S₅共阳极连接，引出端口5，功率开关管S₄、功率开关管S₆、功率开关管S₂共阴极连接，引出端口6，母线电容C₄接于端口5和端口6之间，LCL滤波器1号端口连接于功率开关管S₁与功率开关管S₄串联桥臂之间，LCL滤波器2号端口连接于功率开关管S₃与功率开关管S₆串联桥臂之间，LCL滤波器3号端口连接于功率开关管S₅与功率开关管S₂串联桥臂之间，LCL滤波器4号端与电网连接；

所述保护电路(3)由功率开关管S₇和电阻R₄串联组成，功率开关管S₇阳极与电阻R₄的一端连接，功率开关管S₇阴极与端口6连接，电阻R₄另一端与端口5连接；

所述双向DC/DC变流器(4)由功率开关管S₈、功率开关管S₉、电感L₇、电容C₅、电阻R₅组成，电阻R₅与电容C₅串联，接于端口5和端口6之间，功率开关管S₈的阳极与端口5连接，功率开关管S₈的阴极与端口7连接，功率开关管S₉的阳极与端口7连接，功率开关管S₉的阴极与端口8连接，电感L₇一端接于端口7，另一端与电池组的一端相连，电池组的另一端与端口8连接；

所述控制器(5)包括MCU控制芯片、电压/电流信号调理单元、驱动单元、BMS模块、读卡器模块、串口键盘输入模块、钱币识别模块、显示模块、打印机；其中，所述电压/电流信号调理单元连接MCU控制芯片的A/D采样端口；所述驱动单元连接MCU控制芯片的PWM端口，驱动单元另一端分别连接于可逆PWM变流器的功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆的信号端，保护电路的功率开关管S₇的信号端和双向DC/DC变流器的功率开关管S₈、功率开关管S₉的信号端；BMS模块经CAN总线连接MCU控制芯片CAN端口；所述读卡器模块、串口键盘输入模块、钱币识别模块、显示模块、打印机分别连接MCU控制芯片的I/O端口；

所述交流配电电路(6)包括漏电保护开关QF、防雷器FVC、电流互感器TA、交流接触器KM以及交流双向电表DT，电网经过漏电保护开关QF与防雷器FVC和电流互感器TA相连，交流双向电表DT与电流互感器TA连接，电流互感器TA与交流接触器KM连接，交流接触器KM与可逆PWM变流器连接；

所述直流配电电路7包括熔断器FU、分流器RS、直流电能表PZ以及直流接触器KM，电池经过熔断器FU与直流接触器KM连接，直流接触器KM与分流器RS连接，分流器RS与双向DC/DC变流器连接，直流电能表PZ与分流器RS连接；

所述整流电路(8)为单向AC/DC整流电路。