CN107069891A - 一种基于高耐压igbt直流配电的电动汽车充电站 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站。包括高压断路器、高压工频变压器、高压直流变换装置、充电机，三相高压输入电压通过高压断路器与高压工频变压器输入端连接，高压工频变压器的输出端与高压直流变换装置连接，高压直流变换装置将三相高压输入交流电变换为直流电供电至充电机。本发明的高压直流变换装置采用高耐压IGBT实现功率因素校正和LLC全桥逆变，将三相高压输入交流电变换为直流电供电至充电机的直流配电方案，不需要进行功率因素校正，简化直流充电模块设计，提高直流充电模块的功率密度，提高充电机可靠性，降低充电机成本。另外，本发明提高设备IP防护等级及提高设备在户外恶劣环境下工作的可靠性，延长设备的使用寿命。
Description
技术领域
本发明是一种基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，特别是涉及一种大功率非车载直流配电的电动汽车充电站，属于基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站的创新技术。
背景技术
随着电动汽车的普及，大功率充电设备应用越来越多，大功率电动汽车充电站也越来越多，传统的大功率充电站设备效率低，建设成本高、占地面积大，急需突破一种低成本、高可靠的大功率充电站技术。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站。本发明采用直流配电，稳定可靠，且成本低。
本发明的技术方案是：本发明的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，包括有高压断路器、高压工频变压器、高压直流变换装置、充电机，其中三相高压输入电压通过高压断路器与高压工频变压器输入端连接，高压工频变压器的输出端与高压直流变换装置连接，高压直流变换装置将三相高压输入交流电变换为直流电供电至充电机。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
1）本发明高压变压器输入交流电压为10Kv，输出交流电压范围为0.4Kv～4Kv，高压直流变换装置的输入电压范围为0.4Kv～4Kv三相交流电压，输出为直流电压，输出的直流电压作为充电站内充电机的供电电压，解决了高压输入电压的整流及对输入的功率因素校正；
2）本发明高压直流的高频逆变将高压直流逆变成高频脉冲交流，再通过高频变压器降压成需求电压；变压器使用高功率密度的高频变压器，变压器体积小、重量轻，成本低廉；
3）本发明高频整流电路采用快速整流管组成的桥式整流；桥式整流对变压器要求最低，变压器的利用率最高，功率扩展便利；
4）本发明高压直流变换装置包括有配电交流输入EMI滤波电路、配电工频整流电路、基于IGBT配电功率因素校正电路、基于IGBT配电LLC全桥逆变电路、配电高频变压器、配电高频整流电路、配电防倒灌直流输出电路、配电PWM隔离驱动控制电路、配电控制器，其中配电交流输入EMI滤波电路、配电工频整流电路、基于IGBT配电功率因素校正电路、基于IGBT配电LLC全桥逆变电路、配电高频变压器、配电高频整流电路、配电防倒灌直流输出电路构成功率主回路，本发明配电PWM隔离驱动控制电路及配电控制器与功率主回路高耐压隔离；
5）本发明关键开关器件使用单个高耐压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）；单个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的耐压不能完全解决高输入电压的问题，因此在高压断路器和高压直流变换装置之间增加一个功率高压变压器。高压变压器的隔离降压解决了单个高耐压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）耐压不足的问题；两级隔离同时降低了高压变压器和高频变压器两个变压器的原边、副边隔离耐压要求，简化变压器制造工艺和难度，缩小了高压变压器的体积；
6）本发明采用直流配电，因直流配电没有相位和功角，不存在稳定问题，只要电压降，网损等技术指标符合要求，就可达到传输的目的，无需考虑稳定问题；只要输出电压一致，直流配电基本不需要处理就可以串联、并联，扩大输出功率；且直流配电材料成本比三相四线的交流输电低，仅仅需要交流输电的1/3或更低。
7）本发明充电机的直流充电模块改变传统的三相四线380VAC交流输入结构模式，简化电磁兼容要求及设计，去除整流及功率因素校正；关键开关器件使用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或SiC功率模块替代传统直流充电电源模块中使用的场效应管（MOSFET），简化LLC全桥谐振电路结构；直流充电模块功率密度大大增加，转换效率更高，直流充电机的设计更加灵活；
8）本发明功率器件安装在功率器件散热器上；功率器件散热器是风冷或液冷散热器；仅仅需要对功率器件散热器散热；高压直流变换装置的配电控制器和配电PWM隔离驱动电路封装在弱电壳体内，弱电壳体与功率器件散热器隔离实现隔热；
9）本发明弱电控制电路封装在具有良好散热的壳体内，与功率发热器件隔热；提高充电机的IP防护等级，提高系统恶劣环境下的使用寿命。
本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明高压直流变换装置的原理框图；
图3为本发明高压直流变换装置的电路原理图；
图4为本发明充电机的原理框图；；
图5为本发明的充电机中直流充电模块的原理框图；
图6为本发明的充电机中直流充电模块的电路原理图。
具体实施方式
实施例：
本发明的结构示意图如图1所示，本发明的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，包括有高压断路器、高压工频变压器、高压直流变换装置、充电机，其中三相高压输入电压通过高压断路器与高压工频变压器输入端连接，高压工频变压器的输出端与高压直流变换装置连接，高压直流变换装置将三相高压输入交流电变换为直流电供电至充电机。
本实施例中，上述高压变压器输入交流电压为10Kv，输出交流电压范围为0.4Kv～4Kv；上述高压直流变换装置输入电压范围为0.4Kv～4Kv三相交流电，输出为直流电，输出的直流电作为充电站内充电机的供电电源。
本实施例中，上述高压直流变换装置包括有配电交流输入EMI滤波电路、配电工频整流电路、基于IGBT配电功率因素校正电路、基于IGBT配电LLC全桥逆变电路、配电高频变压器、配电高频整流电路、配电防倒灌直流输出电路、配电PWM隔离驱动控制电路、配电控制器，其中配电交流输入EMI滤波电路的输入端与高压断路器的输出端连接，配电工频整流电路的输入端与交流输入EMI滤波电路的输出端连接，配电工频整流电路的输出端与基于IGBT配电功率因素校正电路的输入端连接，基于IGBT配电功率因素校正电路的输出端与基于IGBT配电LLC全桥逆变电路的输入端连接，配电高频变压器的输入线圈与基于IGBT配电LLC全桥逆变电路的输出端连接，配电高频变压器的输出线圈与配电高频整流电路的输入端连接，配电高频整流电路的输出端通过配电防倒灌直流输出电路与充电机的输入端连接，配电控制器通过配电PWM隔离驱动控制电路与基于IGBT配电功率因素校正电路及基于IGBT配电LLC全桥逆变电路连接，配电高频整流电路的输出端通过配电PWM隔离驱动控制电路与配电控制器连接。
本实施例中，上述配电工频整流电路包括有由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成的桥式整流电路；上述基于IGBT配电功率因素校正电路包括有IGBT器件Q5，电容C1、C2，二极管D7，变压器T1，电感L1，其中Q5的门极与高压直流变换PWM隔离驱动控制电路连接，Q5的集电极与二极管D7的阳极连接及与电感L1的一端连接，Q5的发射极与变压器T1的初级线圈连接，变压器T1的次级线圈与高压直流变换PWM隔离驱动控制电路连接，变压器T1的初级线圈还与电容C1、C2的一端连接，电容C1的另一端与电感L1的另一端连接，C2的另一端与二极管D7的阴极连接；上述基于IGBT配电LLC全桥逆变电路包括有四个IGBT器件及其外围电路，IGBT器件分别是Q1、Q2、Q3、Q4, 其中Q1的门极、Q2的门极、Q3的门极、Q4的门极都与配电PWM隔离驱动控制电路连接，Q1的发射极、Q2的集电极、Q3的发射极、Q4的集电极都与配电高频变压器T2的初级线圈连接，Q1的集电极及Q3的集电极与二极管D7的阴极连接，Q2的发射极及Q4的发射极都与与变压器T1的初级线圈连接，配电高频整流电路包括有由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路；配电防倒灌直流输出电路包括有二极管D8，二极管D8的阳极与由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路的输出端连接，二极管D8的阴极与充电机的输入端连接。
本实施例中，上述配电工频整流电路中的二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6是功率器件；基于IGBT配电功率因素校正电路中的二极管D7及IGBT器件Q5是功率器件；基于IGBT配电LLC全桥逆变电路中的IGBT器件Q1、Q2、Q3、Q4是功率器件；配电高频整流电路中的二极管D9、D10、D11、D12是功率器件；配电防倒灌直流输出电路中的二极管D8是功率器件；上述功率器件安装在功率器件散热器上，该功率器件散热器是专用的大体积散热器，功率器件散热器可以是风冷或是液冷散热器；本发明仅仅需要对功率器件散热器散热；高压直流变换装置的配电控制器和配电PWM隔离驱动电路封装在弱电壳体内，弱电壳体是具有良好散热的壳体，弱电壳体与功率器件散热器隔离实现隔热。一般功率器件的电流是3A以上，本发明功率器件的电流可以是10A以上，属于大功率器件。
本实施例中，上述充电机输入电压为直流电压，包括有直流断路器、直流充电模块、非车载直流充电机控制器、直流继电器K，其中直流充电模块的输入端与直流断路器的输出端连接，直流充电模块的输出端与直流继电器K连接，且直流继电器K和直流断路器的通断由非车载直流充电机控制器控制。
本实施例中，上述充电机中的直流充电模块包括有直流输入EMI滤波电路、基于IGBT充电模块LLC全桥逆变电路、充电模块高频变压器、充电模块高频整流电路、充电模块防倒灌直流输出电路、充电模块PWM隔离驱动控制电路、充电模块控制器，其中直流输入EMI滤波电路的输入端与高压直流变换装置的输出端连接，基于IGBT充电模块LLC全桥逆变电路的输入端与直流输入EMI滤波电路的输出端连接，基于IGBT充电模块LLC全桥逆变电路的输出端与充电模块高频变压器的初级线圈连接，充电模块高频变压器的次级线圈与充电模块高频整流电路的输入端连接，充电模块高频整流电路的输出端与直流充电防倒灌直流输出电路的输入端连接，充电模块防倒灌直流输出电路的输出端与充电汽车连接，充电模块控制器通过充电模块PWM隔离驱动控制电路驱动基于IGBT充电模块LLC全桥逆变电路的开关管，充电模块高频整流电路的输出电压、电流还通过充电模块PWM隔离驱动控制电路采样给充电模块控制器。
本实施例中，上述直流充电模块中的充电模块LLC全桥逆变电路包括四个开关器件及其外围电路，四个开关器件分别是Q21、Q22、Q23、Q24 ，Q21的门极、Q22的门极、Q23的门极、Q24的门极都与高压直流变换PWM隔离驱动控制电路连接，Q21的发射极、Q22的集电极、Q23的发射极、Q24的集电极都与高压直流变换高频变压器T22的初级线圈连接，Q21的集电极及Q23的集电极与与铝电解电容C22的正端连接，Q22的发射极及Q24的发射极都与铝电解电容C22的负端连接，充电模块高频整流电路包括有由二极管D29、D30、D31、D32组成的桥式整流电路；充电模块防倒灌直流输出电路包括有二极管D28，二极管D28的阳极与由二极管D29、D30、D31、D32组成的桥式整流电路的输出端正端连接，二极管D8的阴极与汽车的输入端连接。
本实施例中，上述充电机中的充电模块LLC全桥逆变电路的四个开关器件Q21、Q22、Q23、Q24是功率器件；充电模块高频整流电路中的二极管D29、D30、D31、D32是功率器件；充电模块防倒灌直流输出电路中的二极管D28是功率器件；上述功率器件安装在功率器件散热器上，该功率器件散热器是专用的大体积散热器，功率器件散热器可以是风冷或是液冷散热器；本发明仅仅需要对功率器件散热器散热；高压直流变换装置的配电控制器和配电PWM隔离驱动电路封装在弱电壳体内，弱电壳体是具有良好散热的壳体，弱电壳体与功率器件散热器隔离实现隔热。
本实施例中，上述直流充电模块中的开关器件Q21、Q22、Q23、Q24既可以采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，又可以采用SiC功率模块。
本实施例中，本发明中高压输入的基于IGBT配电功率因素校正电路主要解决了高压输入电压的整流及对输入的功率因素校正； 高压直流的基于IGBT配电LLC全桥逆变电路采用高压变频逆变技术，将高压直流逆变成高频脉冲交流，再通过高频变压器降压成需求电压；变压器使用高功率密度的高频变压器，变压器体积小、重量轻，成本低廉；配电防倒灌直流输出电路采用快速整流管组成的桥式整流，桥式整流对变压器要求最低，变压器的利用率最高，功率扩展便利；配电PWM隔离驱动控制电路包括控制器及其外围电路，外围电路可以包括通信处理电路，控制电路、采样及其处理电路等。
本发明的工作原理如下：待充电汽车与充电机连接，待充电汽车上的车载电池管理系统（BMS）通过CAN与充电机上的非车载直流充电机控制器进行通信；本发明开始工作时，由电网高压直接经高压断路器进入整流器，经过高压二极管全桥整流、功率因素校正升压，再通过全桥逆变进行逆变，轻松实现高频变压输出，再通过全桥整流滤波后直接给非车载电动汽车直流充电机，充电机的非车载直流充电机控制器在接收到充电需求后，在保证人员、设备安全的条件下，根据车载电池管理系统（BMS）需求，按照充电机自身最大充电能力和车载电池管理系统（BMS）需求的较小值下发输出电压、电流指令给直流充电模块，直流充电模块输出电压、电流通过直流继电器K给待充电汽车的车载电池充电。
本发明具有如下特点：
1）本发明采用高输入电压：交流供电电压为AC10KV；
2）本发明满足功率电能需求：需求功率高达1000KW以上级别；
3）本发明直流充电机输入电压为直流电压
4）本发明整个充电站系统的功率因素校正在高压直流变换装置内实现；
5）本发明高、低压隔离变换和功率传输的变压器为工频变压器+高频变压器；工频变压器的隔离降压解决了单个高耐压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）耐压不足的问题；两级隔离同时降低了工频变压器和高频变压器两个变压器的原边、副边隔离耐压要求，简化变压器制造工艺和难度；
6）本发明高压直流变换装置使用单级的高耐压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和成熟的功率因素校正电路及LLC全桥谐振电路解决高压交流输入变换成直流电压问题。
7）本发明直流充电机功率转换模块改变传统的三相四线380VAC交流输入结构模式，不需要整流及功率因素校正；
8）高压直流变换装置及直流充电机的主回路功率发热电子器件（包括交流整流二极管，PFC整流电路的开关管、高速整流管，LLC全桥谐振电路的开关管、高速整流管）安装在专用的大体积散热器上来散热；散热器通过充电机配备的风冷或液冷来散热；仅仅需要对散热器散热；
9）高压直流变换装置及直流充电机的控制电路（不包括PFC整流电路的储能电感、LLC全桥谐振电路的谐振电感、功率变压器）封装在具有良好散热的壳体内，与功率发热器件隔热；提高充电机的IP防护等级，提高系统恶劣环境下的使用寿命。
Claims (10)
1.一种基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，其特征在于包括有高压断路器、高压工频变压器、高压直流变换装置、充电机，其中三相高压输入电压通过高压断路器与高压工频变压器输入端连接，高压工频变压器的输出端与高压直流变换装置连接，高压直流变换装置将三相高压输入交流电变换为直流电供电至充电机。
2.根据权利要求1所述的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，其特征在于高压变压器输入交流电压为10Kv，输出交流电压范围为0.4Kv～4Kv。
3.根据权利要求1所述的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，其特征在于上述高压直流变换装置包括有配电交流输入EMI滤波电路、配电工频整流电路、基于IGBT配电功率因素校正电路、基于IGBT配电LLC全桥逆变电路、配电高频变压器、配电高频整流电路、配电防倒灌直流输出电路、配电PWM隔离驱动控制电路、配电控制器，其中配电交流输入EMI滤波电路的输入端与高压断路器的输出端连接，配电工频整流电路的输入端与交流输入EMI滤波电路的输出端连接，配电工频整流电路的输出端与基于IGBT配电功率因素校正电路的输入端连接，基于IGBT配电功率因素校正电路的输出端与基于IGBT配电LLC全桥逆变电路的输入端连接，配电高频变压器的输入线圈与基于IGBT配电LLC全桥逆变电路的输出端连接，配电高频变压器的输出线圈与配电高频整流电路的输入端连接，配电高频整流电路的输出端通过配电防倒灌直流输出电路与充电机的输入端连接，配电控制器通过配电PWM隔离驱动控制电路与基于IGBT配电功率因素校正电路及基于IGBT配电LLC全桥逆变电路连接，配电高频整流电路的输出端通过配电PWM隔离驱动控制电路与配电控制器连接。
4.根据权利要求3所述的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，其特征在于上述配电工频整流电路包括有由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成的桥式整流电路；上述基于IGBT配电功率因素校正电路包括有IGBT器件Q5，电容C1、C2，二极管D7，变压器T1，电感L1，其中Q5的门极与高压直流变换PWM隔离驱动控制电路连接，Q5的集电极与二极管D7的阳极连接及与电感L1的一端连接，Q5的发射极与变压器T1的初级线圈连接，变压器T1的次级线圈与高压直流变换PWM隔离驱动控制电路连接，变压器T1的初级线圈还与电容C1、C2的一端连接，电容C1的另一端与电感L1的另一端连接，C2的另一端与二极管D7的阴极连接；上述基于IGBT配电LLC全桥逆变电路包括有四个IGBT器件及其外围电路，IGBT器件分别是Q1、Q2、Q3、Q4, 其中Q1的门极、Q2的门极、Q3的门极、Q4的门极都与配电PWM隔离驱动控制电路连接，Q1的发射极、Q2的集电极、Q3的发射极、Q4的集电极都与配电高频变压器T2的初级线圈连接，Q1的集电极及Q3的集电极与二极管D7的阴极连接，Q2的发射极及Q4的发射极都与与变压器T1的初级线圈连接，配电高频整流电路包括有由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路；配电防倒灌直流输出电路包括有二极管D8，二极管D8的阳极与由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路的输出端连接，二极管D8的阴极与充电机的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，其特征在于上述配电工频整流电路中的二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6是功率器件；基于IGBT配电功率因素校正电路中的二极管D7及IGBT器件Q5是功率器件；基于IGBT配电LLC全桥逆变电路中的IGBT器件Q1、Q2、Q3、Q4是功率器件；配电高频整流电路中的二极管D9、D10、D11、D12是功率器件；配电防倒灌直流输出电路中的二极管D8是功率器件；上述功率器件安装在功率器件散热器上；功率器件散热器是风冷或液冷散热器；仅仅需要对功率器件散热器散热；高压直流变换装置的配电控制器和配电PWM隔离驱动电路封装在弱电壳体内，弱电壳体与功率器件散热器隔离实现隔热。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，其特征在于上述充电机输入电压为直流电压，包括有直流断路器、直流充电模块、非车载直流充电机控制器、直流继电器K，其中直流充电模块的输入端与直流断路器的输出端连接，直流充电模块的输出端与直流继电器K连接，且直流继电器K和直流断路器的通断由非车载直流充电机控制器控制。
7.根据权利要求6所述的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，其特征在于上述充电机中的直流充电模块包括有直流输入EMI滤波电路、充电模块LLC全桥逆变电路、充电模块高频变压器、充电模块高频整流电路、充电模块防倒灌直流输出电路、充电模块PWM隔离驱动控制电路、充电模块控制器，其中直流输入EMI滤波电路的输入端与高压直流变换装置的输出端连接，充电模块LLC全桥逆变电路的输入端与直流输入EMI滤波电路的输出端连接，充电模块LLC全桥逆变电路的输出端与充电模块高频变压器的初级线圈连接，充电模块高频变压器的次级线圈与充电模块高频整流电路的输入端连接，充电模块高频整流电路的输出端与直流充电防倒灌直流输出电路的输入端连接，充电模块防倒灌直流输出电路的输出端与充电汽车连接，充电模块控制器通过充电模块PWM隔离驱动控制电路驱动充电模块LLC全桥逆变电路的开关管，充电模块高频整流电路的输出电压、电流还通过充电模块PWM隔离驱动控制电路采样给充电模块控制器。
8.根据权利要求7所述的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，其特征在于上述直流充电模块中的充电模块LLC全桥逆变电路包括四个开关器件及其外围电路，四个开关器件分别是Q21、Q22、Q23、Q24 ，Q21的门极、Q22的门极、Q23的门极、Q24的门极都与高压直流变换PWM隔离驱动控制电路连接，Q21的发射极、Q22的集电极、Q23的发射极、Q24的集电极都与高压直流变换高频变压器T22的初级线圈连接，Q21的集电极及Q23的集电极与铝电解电容C22的正端连接，Q22的发射极及Q24的发射极都与铝电解电容C22的负端连接，充电模块高频整流电路包括有由二极管D29、D30、D31、D32组成的桥式整流电路；充电模块防倒灌直流输出电路包括有二极管D28，二极管D28的阳极与由二极管D29、D30、D31、D32组成的桥式整流电路的输出端正端连接，二极管D8的阴极与汽车的输入端连接。
9.根据权利要求8所述的基于高耐压IGBT直流配电的电动汽车充电站，其特征在于上述充电机的充电模块LLC全桥逆变电路的四个开关器件Q21、Q22、Q23、Q24是功率器件；充电模块高频整流电路中的二极管D29、D30、D31、D32是功率器件；充电模块防倒灌直流输出电路中的二极管D28是功率器件；上述功率器件安装在功率器件散热器上；功率器件散热器是风冷或液冷散热器；仅仅需要对功率器件散热器散热；直流充电模块中的充电模块控制器和充电模块PWM隔离驱动电路封装在弱电壳体内，弱电壳体与功率器件散热器隔离实现隔热。
10.根据权利要求9所述的基于IGBT直流配电的电动汽车充电站，其特征在于上述直流充电模块中的开关器件Q21、Q22、Q23、Q24采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，或采用SiC功率模块。
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