CN106740233A - 应用于汽车充电系统的双向拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，包括：变压器，具有原边以及与所述原边相对的副边；接线端，设置于所述变压器的原边，用于与交流电网及家用负载电性连接；充电端，设置于所述变压器的副边，用于与车载电池对接；第一半桥变换模块，连接于所述变压器的原边与所述接线端之间，第二半桥变换模块，连接于所述变压器的副边与所述充电端之间控制模块，具有功率管控制单元，上述控制模块可通过第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管及第五功率管及第六功率管，调节对应位置的占空比，进而调高上述双向拓扑结构的充电效率同时，其结构较为简单，降低了成本。

Description

应用于汽车充电系统的双向拓扑结构
技术领域
本发明涉及智能电网技术领域，特别是涉及一应用于汽车充电系统的双向拓扑结构。
背景技术
传统的电动汽车充电系统，仅仅将车载电池作为交流电网的用电设备。随着智能电网概念的兴起，车载电池不仅仅从交流电网中获取电能，还能够将能量输给电网，这就是所谓的V2G(Vehicle-to-grid)技术。另外，当家用负载连接到电动汽车充电器时，车载电池可以在交流电网停电时，为家用负载供电，这就实现了V2H((Vehicle-to-home)技术。
然而，传统的车载电池充电器和并网变换器通常需要两级拓扑结构来实现，这样便会因汽车充电系统中的功率器件数量过多，使汽车充电系统的传输效率降低，也会增加汽车充电系统的成本和增大了汽车充电系统的体积。
发明内容
基于此，有必要针对上述汽车充电电路充电效率低，结构复杂、成本高的技术问题，提供一种充电效率高且结构简单的应用于汽车充电系统的双向拓扑结构。
一种应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，包括：
变压器，具有原边以及与所述原边相对的副边；
接线端，设置于所述变压器的原边，用于与交流电网及家用负载电性连接；
充电端，设置于所述变压器的副边，用于与车载电池对接；
第一半桥变换模块，连接于所述变压器的原边与所述接线端之间，所述第一半桥变换模块具有相互反向串联的第一功率管与第二功率管、相互反向串联的第三功率管及第四功率管、与所述第一功率管及第二功率管所组成的电路的两端连接的的第一电容以及与所述第三功率管及第二功率管所组成的电路的两端连接的第二电容，所述第一功率管、第二功率管、第三功率管以及第四功率管形成所述第一半桥变换模块的第一桥臂；
第二半桥变换模块，连接于所述变压器的副边与所述充电端之间，所述第二半桥变换模块具有第五功率管、与该第五功率管两端连接的第三电容、第六功率管以及与该第六功率管两端连接的第四电容，所述第五功率管以及第六功率管形成所述第二半桥变换模块的第二桥臂；
交流电网内的电流通过所述接线端依次进入第一半桥变换模块、变压器、第二半桥变换模块、充电端，并由所述充电端对车载电池充电；
控制模块，具有功率管控制单元，所述功率管控制单元用于控制所述第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管及第六功率管处的对应电信号的占空比。
由于上述控制模块可通过第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管及第五功率管及第六功率管，调节对应位置的占空比，进而调高上述双向拓扑结构的充电效率，其结构较为简单，降低了成本。
在其中一个实施方式中，所述双向拓扑结构还包括：
第一继电器，与交流电网串联；
第二继电器，与家用负载串联，所述控制模块包括继电器控制单元，所述继电器控制单元通过控制所述第一继电器或第二继电器，切换所述双向拓扑结构的工作模式。
在其中一个实施方式中，所述第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管及第六功率管为场效应管。
在其中一个实施方式中，所述双向拓扑结构还包括：
第一滤波模块，电性连接于所述第一半桥变换模块与交流电网及家用负载之间，用于对交流电网进行高频滤波。
在其中一个实施方式中，所述第一滤波模块包括：
第一电感，串联于所述接线端的正极；
第一滤波电容，并联于所述接线端的正负极之间。
在其中一个实施方式中，所述双向拓扑结构还包括：
储能电感，连接于所述第一半桥变换模块与所述变压器的原边之间。
在其中一个实施方式中，所述双向拓扑结构还包括：
第二滤波电容，并联于所述充电端的正负极之间。
在其中一个实施方式中，所述变压器的原边与副边的线圈比值范围为1:1.2至1：3。
在其中一个实施方式中，所述变压器的原边与副边的线圈比值范围可调。
在其中一个实施方式中，所述变压器为高频变压器。
附图说明
图1为本发明一优选实施方式的双向拓扑结构的电路结构示意图；
图2是本发明一优选实施方式的双向拓扑结构中的六个功率管对应交流电网的PWM波示意图；
图3是本发明一优选实施方式的双向拓扑结构中的交流电网的电压对应正弦波处于正半周时，对应功率管由控制模块所控制的变量示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明公开了一种应用于汽车充电系统的双向拓扑结构100，该双向拓扑结构100包括变压器110、接线端及充电端，该变压器110具有原边以及与该原边相对的副边。接线端设置在上述变压器110的原边且与该变压器110的原边电性连接，该接线端用于连接交流电网10及家用负载20充电端设置于所述变压器110的副边，用于与车载电池对接，进而使交流电网通过上述双向拓扑结构100对车载电池进行充电，也可是上述车载电池通过双向拓扑结构100对家用负载20进行供电。
进一步地，上述双向拓扑结构100还包括第一半桥变换模块120，该第一半桥变换模块120连接于上述变压器的原边与所述接线端之间，所述第一半桥变换模块120具有相互反向串联的第一功率管121与第二功率管122与相互反向串联的第三功率管123、第四功率管124、以及与所述第一功率管121及第二功率管122所组成的电路两端连接的第一电容125、与所述第三功率管123及第四功率管124所组成的电路两端连接的第二电容126，上述第一功率管121、第二功率管122、第三功率管123以及第四功率管124形成所述第一半桥变换模块120的第一桥臂。
一般地，上述第一功率管121、第二功率管122、第三功率管123及第四功率管124可以为场效应管，而该第一功率管121与第二功率管122反向串联，也就是说，该第一功率管121及第二功率管122均具有源极及漏极，该第一功率管121的源极与第二功率管122的漏极电性连接。在该第一功率管121与该第二功率管122形成反向串联电路后，与上述第一电容125并联。
同样地，上述第三功率管123与第四功率管124反向串联，也就是说，该第三功率管123及第四功率管124均具有源极及漏极，该第三功率管123的源极与该第四功率管124的漏极电性连接。在该第三功率管123与该第四功率管124形成反向串联电路后，上述第二电容126与上述第三功率管123及第四功率管124所形成的串联电路并联。
这样，上述第一功率管121、第二功率管122、第三功率管123及第四功率管与第一电容125、第二电容形成第一半桥变换模块，并且该第一半桥变换模块与上述变压器110原边的正负极电性连接。
当交流电网10对接通上述充电端的电动汽车进行充电，如图2所示，当交流电网10的交流电压Vc对应的正弦波位于正半周时，桥臂端电压为正，此时第二功率管122及第四功率管124处于常开状态，第一功率管121及第三功率管123分别作为该第一半桥变换器的上管和下管，第一功率管121及第三功率管123的电压分别为V1与V3，第一功率管121及第三功率管123的高频PWM(脉冲宽度调制、Pulse Width Modulation)波是互补的。第一功率管121的占空比d1可以作为控制功率的变量之一。
对应地，当交流电网10的交流电压Vc对应的正弦波负半周时，桥臂端电压为负，第一功率管121及第三功率管123处于常开状态；第四功率管124及第二功率管122分别作为第一半桥变换器的上管和下管，第四功率管124及第二功率管122的电压分别为V4与V2，第四功率管124及第二功率管122的高频PWM波是互补的。第四功率管124的占空比可以作为控制功率的变量之一。
上述双向拓扑结构100还包括第二半桥变换模块130，该第二半桥变换模块130连接于上述变压器110的副边与充电端之间。具体地，上述第二半桥变换模块130具有第五功率管135、与该第五功率管135两端连接的第三电容133、第六功率管136以及与该第六功率管136两端连接的第四电容134，所述第五功率管135以及第六功率管136形成所述第二半桥变换模块的第二桥臂。
上述第五功率管135及第六功率管136的PWM波与对应的第一半桥变换模块120所输出的高频PWM的频率相同。其中，上述第五功率管135的PWM波与上述第六功率管136的PWM波互补。第五功率管135的占空比可以作为控制功率的变量之一。第五功率管135的PWM波与上述第一半桥变换模块的上管的PWM波的移向时间可以作为控制功率的变量之一。
上述双向拓扑结构100还包括第一滤波模块140，该第一滤波模块140连接于上述接线端与上述第一半桥模块120之间，该第一滤波模块140主要是用于对交流电网10内所输出的交流电进行滤波处理，详细地说，第一滤波模块140包括第一电感141及第一滤波电容142，第一电感141一般串联于上述接线端的正极，第一滤波电容142并联于上述接线端的正负极之间。
上述双向拓扑结构100可以包括储能电感150及滤波电容160，该储能电感150连接于上述变压器110原边的一端，用以稳定进入上述变压器110原边的电流，防止其电流瞬间变大或变小。上述滤波电容160连接于上述充电端的正负极两端，用以稳定充电端的电压。
上述双向拓扑结构100还包括控制模块170，与所述第一半桥变换模块120及第二半桥变换模块130电性连接，其具有功率管控制单元，所述功率管控制单元用于控制第一功率管121的占空比、第四功率管124的占空比以及第五功率管135的PWM波与上述第一半桥变换模块的上管的PWM波的移向时间φT。
如图3所示，本实施方式以当交流电网10的交流电压Vc对应的正弦波位于正半周为例，上述控制模块170根据电路中对应的电信号控制上述第一功率管121及第三功率管123的占空比d1、与第五功率管135的占空比d2。第五功率管135的PWM波相对于上述第一半桥变换模块的上管的PWM波的移相时间φT，以及上述变压器的原边电压Vp以及副边电压Vs的波形图如图3所示。
当本实施方式中的拓扑结构在图3的[t0,t1]时间段时，交流电网10流出的电流经过第一功率管121所在的电路流入变压器110原边的正极，并由变压器110原边的负极流出，通过第二电容流向交流电网10的另一端，以形成一闭合回路。
在变压器110的副边侧，电流通过变压器110副边的正极流出，经过第六功率管136所在的电路进入待充电电池30的负极，并由待充电电池30的正极流出，经过第三电容133所在电路进入变压器110副边的负极，以形成闭合回路。
当本实施方式中的拓扑结构在图3的[t1,t2]时间段时，交流电网10流出的电流经过第一功率管121所在的电路流入变压器110原边的正极，并由变压器110原边的负极流出，通过第二电容流向交流电网10的另一端，以形成一闭合回路。
在变压器110的副边侧，电流通过变压器110副边的正极流出，经过第五功率管135所在的电路进入待充电电池30的正极，并由待充电电池30的负极流出，经过第四电容134所在电路进入变压器110副边的负极，以形成闭合回路。
当本实施方式中的拓扑结构在图3的[t2,t3]时间段时，电流经过第三功率管123所在的电路流入变压器110原边的正极，并由变压器110原边的负极流出通过第二电容，形成一闭合回路。
在变压器110的副边侧，电流通过变压器110副边的正极流出，经过第五功率管135所在的电路进入待充电电池30的正极，并由待充电电池30的负极流出，经过第四电容134所在电路进入变压器110副边的负极，以形成闭合回路。
当本实施方式中的拓扑结构在图3的[t3,t4]时间段时，电流经过第三功率管123所在的电路流入变压器110原边的正极，并由变压器110原边的负极流出通过第二电容，形成一闭合回路。
在变压器110的副边侧，电流通过变压器110副边的正极流出，经过第六功率管136所在的电路进入待充电电池30的负极，并由待充电电池30的正极流出，经过第三电容133所在电路进入变压器110副边的负极，以形成闭合回路。
在上述过程中，变压器原边电压Vp的大小为上述交流电网10的输出电压的一半，充电电压为变压器副边电压Vs的大小的两倍。
由于交流电网10的电压对应的正弦波位于负半周时，双向拓扑结构100内的电流的流向对应相反，因此，本发明在此不在赘述。
由于上述控制模块170可通过第一功率管121、第二功率管122、第三功率管123、第四功率管124及第五功率管135及第六功率管136，调节对应位置的占空比，进而调高上述双向拓扑结构的充电效率。
上述双向拓扑结构100利用第一功率管121、第二功率管122、第三功率管123、第四功率管124及第五功率管135及第六功率管136调高其充电效率的同时，且结构较为简单，降低了成本。
上述双向拓扑结构还包括第一继电器181及第二继电器182，其中上述第一继电器181与交流电网10串联，上述第二继电器182与家用负载20串联。所述控制模块170包括继电器控制单元，所述继电器控制单元通过控制所述第一继电器181或第二继电器182，切换所述双向拓扑结构的工作模式。
具体地，当需要交流电网10对汽车电池充电或需要将汽车电池回馈至交流电网10时，上述继电器控制单元控制上述第一继电器181处于吸合、第二继电器182处于断开状态，使交流电网10与该双向拓扑结构100电性连接。
具体地，当需要将汽车电池给家用负载20进行供电时，上述继电器控制单元控制上述第一继电器181处于断开、第二继电器182处于吸合状态，使家用负载20与该双向拓扑结构100电性连接，进而使汽车电池对家用负载20进行供电。
本实施方式中的变压器110为高频变压器，其变压器110的原边与副边的线圈比值范围为1:1.2至1：3，一般地，所述变压器的原边与副边的线圈比值范围可调。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，其特征在于，包括：
变压器，具有原边以及与所述原边相对的副边；
接线端，设置于所述变压器的原边，用于与交流电网及家用负载电性连接；
充电端，设置于所述变压器的副边，用于与车载电池对接；
第一半桥变换模块，连接于所述变压器的原边与所述接线端之间，所述第一半桥变换模块具有相互反向串联的第一功率管与第二功率管、相互反向串联的第三功率管及第四功率管、与所述第一功率管及第二功率管所组成的电路两端连接的第一电容以及与所述第三功率管及第二功率管所组成的电路连段连接的第二电容，所述第一功率管、第二功率管、第三功率管以及第四功率管形成所述第一半桥变换模块的第一桥臂；
第二半桥变换模块，连接于所述变压器的副边与所述充电端之间，所述第二半桥变换模块具有第五功率管、与该第五功率管两端连接的第三电容、第六功率管以及与该第六功率管两端连接的第四电容，所述第五功率管以及第六功率管形成所述第二半桥变换模块的第二桥臂；
交流电网内的电流通过所述接线端依次进入第一半桥变换模块、变压器、第二半桥变换模块、充电端，并由所述充电端对车载电池充电；
控制模块，具有功率管控制单元，所述功率管控制单元用于控制所述第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管及第六功率管处的对应电信号的占空比。
2.根据权利要求1所述的应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，其特征在于，所述双向拓扑结构还包括：
第一继电器，与交流电网串联；
第二继电器，与家用负载串联，所述控制模块包括继电器控制单元，所述继电器控制单元通过控制所述第一继电器或第二继电器，切换所述双向拓扑结构的工作模式。
3.根据权利要求1所述的应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，其特征在于，所述第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管及第六功率管为场效应管。
4.根据权利要求1所述的应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，其特征在于，所述双向拓扑结构还包括：
第一滤波模块，电性连接于所述第一半桥变换模块与交流电网及家用负载之间，用于对交流电网进行高频滤波。
5.根据权利要求4所述的应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，其特征在于，所述第一滤波模块包括：
第一电感，串联于所述接线端的正极；
第一滤波电容，并联于所述接线端的正负极之间。
6.根据权利要求1所述的应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，其特征在于，所述双向拓扑结构还包括：
储能电感，连接于所述第一半桥变换模块与所述变压器的原边之间。
7.根据权利要求1所述的应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，其特征在于，所述双向拓扑结构还包括：
第二滤波电容，并联于所述充电端的正负极之间。
8.根据权利要求1所述的应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，其特征在于，所述变压器的原边与副边的线圈比值范围为1:1.2至1：3。
9.根据权利要求8所述的应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，其特征在于，所述变压器的原边与副边的线圈比值范围可调。
10.根据权利要求1所述的应用于汽车充电系统的双向拓扑结构，其特征在于，所述变压器为高频变压器。
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