CN107465230A - 一种低成本直流配电的电动车充电站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低成本直流配电的电动车充电站，包括有高压断路器、移相变压器、整流滤波电路、直流配电线路和充电机，其中三相高压输入交流电通过高压断路器与移相变压器连接，移相变压器将三相高压输入交流电变换为三相低压交流电，三相交流电经整流滤波电路整流滤波后通过直流配电线路送至充电机。本发明通过移相变压器隔离、降压及整流滤波电路将三相高压输入交流电变换为直流电供电至充电机，且简化直流充电模块设计，提高直流充电模块的功率密度，提升充电机稳定性，降低充电站的建设成本。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的低成本直流配电的电动车充电站。
Description
技术领域
本发明涉及充电站技术领域，特别涉及一种低成本直流配电的电动车充电站。
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结构复杂，元件繁多，效率低，能耗大，返修率高，建设成本高，占地面积大，而且大功率电动汽车充电站需要输入大功率，必须在充电站的输入端另外加装高压变压器柜，而不能直接接入原来布置的三相五线380VAC交流电，而传统的高压断路器+高压变压器柜+谐波柜等柜体组成的隔离变压器箱，以及由包含多个各自配备PFC整流电路直流充电模块的直流充电机组成的直流充电站，体积庞大，成本昂贵。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
本发明的目的在于提供一种低成本直流配电的电动车充电站，本发明低本低，可靠性高，功率大。
为实现上述目的，本发明提出的一种低成本直流配电的电动车充电站，包括有高压断路器、移相变压器、整流滤波电路、直流配电线路和充电机，其中三相高压输入交流电通过高压断路器与移相变压器连接，移相变压器将三相高压输入交流电变换为三相低压交流电，三相交流电经整流滤波电路整流滤波后通过直流配电线路送至充电机。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
1）本发明移相变压器的输入电压范围为3Kv～10Kv三相交流电压，移相变压器通过对整流变压器高压侧进行移相，基本上消除了幅值较大的低次谐波；移相变压器的输出经整流滤波后为直流电压，输出的直流电压作为充电站内充电机的供电电压，解决了三相交流输入电压的整流及对输入的功率因素校正；
2）本发明采用移相变压器来实现高压输入的隔离、降压以及功率因素校正，无需额外添加无功补偿装置、谐波抑制装置，结构简单、成本低廉；
3）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。
4）本发明充电机的直流充电模块改变传统的三相四线380VAC交流配电模式，简化直流充电模块电磁兼容要求及设计，去除整流及功率因素校正；关键开关元件使用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；
5）本发明大功率元件安装在大功率元件散热器上；大功率元件散热器是风冷或液冷散热器；仅仅需要对大功率元件散热器散热；
6）本发明弱电控制电路封装在具有良好散热的壳体内，与大功率发热元件隔热；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，方便实用的低成本直流配电的电动车充电站。
附图说明
图1为本发明一种低成本直流配电的电动车充电站的原理框图；
图2为本发明中整流滤波电路的原理框图；
图3为本发明中充电机的原理框图；
图4为本发明充电机中直流充电模块的原理框图；
图5为本发明充电机中直流充电模块的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-5，本发明提出的一种低成本直流配电的电动车充电站，包括有高压断路器、移相变压器、整流滤波电路、直流配电线路和充电机，其中三相高压输入交流电通过高压断路器与移相变压器连接，移相变压器将三相高压输入交流电变换为三相低压交流电，三相交流电经整流滤波电路整流滤波后通过直流配电线路送至充电机。
上述高压断路器输入电压范围为3Kv～10Kv三相交流电。本实施例中，本发明由电网高压直接经高压断路器进入移相变压器，再通过全桥整流滤波后轻松实现直流输出，输送至非车载电动汽车直流充电机。
本实施例中，上述移相变压器是直流电压移相变压器，直流电压移相变压器通过对整流变压器高压侧进行移相，基本上消除了幅值较大的低次谐波。
本发明通过电路处理后直接输送直流电，供电至充电机。直流输电具有如下特点：1）直流输电没有相位和功角，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；2）只要输出电压一致，直流输电基本不需要处理就可以串联、并联，扩大输出功率；3）直流输电材料成本比三相五线的交流输电低，仅仅需要交流输电的1/3或更低。
上述移相变压器输入电压范围为3Kv～10Kv三相交流电，输出0.8Kv～1Kv直流配电，输出的直流配电作为充电站内充电机的供电电源。
上述整流滤波电路包括有由二极管D11～D22，C4组成的桥式整流滤波电路，其中D11～D16和D17～D22两个6脉冲整流桥的输出并联，且与滤波电容C4并联，输出稳定的直流电压，通过直流配电线路送至充电机。
上述整流滤波电路包括有由二极管D11～D22是功率器件；上述功率器件安装在第一散热器上；第一散热器采用风冷或液冷散热器。
在本实施例中，只要设计好装载功率器件的散热器散热良好，就能很好地提高配电部分的IP防护等级，延长设备使用寿命，特别是提高系统恶劣环境下的使用寿命。
上述充电机输入电压为0.8Kv～1Kv直流电压，上述充电机包括有直流输入断路器、直流输出断路器、直流充电模块、非车载直流充电机控制器及连接装置，其中直流输入断路器的输入端与整流滤波电路的输出端连接，直流充电模块的输入端与直流输入断路器的输出端连接，直流充电模块的输出端与直流输出断路器的输入端连接，直流输出断路器的输出端与连接装置连接，连接装置与电动汽车连接，且直流输入断路器、直流输出断路器的通断由非车载直流充电机控制器控制。
在本实施例中，本发明通过在充电机内设置断路器、直流充电模块、非车载直流充电机控制器、断路器及连接装置来控制直流输出电压，以输出电动车所需的充电电压。
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、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、直流充电模块控制器，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，直流充电模块控制器驱动充电模块LLC全桥逆变电路的开关管。
本实施例中，本发明通过在充电机中直流充电模块的转换，将输入充电机的直流电变换到合适电动车需求的直流充电电压。充电模块LLC全桥逆变电路是充电模块中的电压变换部分的电路，是逆变成交流后，再经过高频变压器变换电压，最后整流输出的直流电的电压为电动车所需的充电电压。
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管及其外围电路，四个开关管分别是Q1、Q2、Q3、Q4 ，Q1的门极、开关管Q2的门极、开关管Q3的门极、开关管Q4的门极都与直流充电模块控制器连接，开关管Q1的发射极、开关管Q2的集电极、开关管Q3的发射极、开关管Q4的集电极都与高压直流变换高频变压器T2的初级线圈连接，开关管Q1的集电极及开关管Q23的集电极与电解电容C2的正端连接，开关管Q2的发射极及Q4的发射极都与电解电容C2的负端连接，本实施例中，电解电容C2是铝电解电容。充电模块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；充电模块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正端连接，二极管D8的阴极与电动车的输入端连接。充电模块LLC全桥逆变电路通过上述电路连接关系完成功率传递及电压的变换任务。
本实施例中，上述充电机的充电模块LLC全桥逆变电路的四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4是功率器件 ；充电模块高频整流电路中的二极管D9、D10、D11、D12是功率器件 ；充电模块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第二散热器上；第二散热器是风冷和/或液冷散热器；直流充电模块中的直流充电模块控制器封装在第二导热壳体内，直流充电模块中的直流充电模块控制器与第二散热器隔离设置。
本实施例中，本发明通过充电模块LLC全桥逆变电路的大功率发热电子器件，包括LLC全桥谐振电路的开关管、高速整流二极管、防倒灌整流二极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。与传统的充电模块比较，传统的15KW功率密度较高的主动风冷式直流充电模块采用2个小直流风机，模块的散热完全依赖于直流风机，风机的使用寿命直接决定了模块的使用寿命。但是直流风机体格越小，内部的零件脆弱，容易损坏，散热效果不佳，在主动风冷的工作模式下，温度、粉尘、潮湿、油污、霉变、盐雾、化学物质等等各类因素严重的损害着直流风机使用寿命；传统的直流充电模块的拓扑结构是采用无桥维也纳整流电路和基于三电平的LLC谐振电路，使用了大量的场效应管并联来实现大功率的输出，结构复杂，元件太多，增加了成本；传统的15KW功率密度较高的直流充电模块中，大容值电容都是使用了电解液式的铝电解电容，单个直流充电模块满载输出时的温升约18℃，部分靠近模块内部散热器的电解温升＞30℃，高温恶劣环境将严重的影响铝电解电容的使用寿命。这样，本发明只需要对散热器进行散热，结构简单，且具有极佳的散热效果。
在本发明实施例中，通过将低压控制电路（例如直流充电模块中的直流充电模块控制器）封装在第二导热壳体内，低压控制电路与第二散热器隔离设置，进一步地完成地压控制电路与大功率发热器件的热隔离，进一步地提高充电机的IP防护等级，特别是提高系统恶劣环境下的使用寿命。
上述直流充电模块中的开关管Q1、Q2、Q3、Q4均可采用IGBT器件或 SIC功率模块。本实施例中，本发明中的开关管均采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，或者是用碳化硅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），碳化硅SiC功率模块具有低损耗、高效率、耐工作高温特点；绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关管速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。在室温条件下，其集电极发射电压可达1200V，平均前向电流为600A，容许的最大直流电流为750A，因此该晶体管具备承受高电压大电流的能力。相同正向导通电流下，使用场效应MOS管的数量是绝缘栅双极型晶体管IGBT的近13倍；与以往电路比较，PFC电路中使用场效应管的数量是绝缘栅双极型晶体管的39倍；LLC全桥谐振电路33中使用场效应管的数量是绝缘栅双极型晶体管的26倍。故通过绝缘栅双极型晶体管（IGBT）替代传统直流充电电源模块中使用的场效应管（MOSFET），不仅减少了直流充电模块中元件使用还能承载更大的输出功率。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种低成本直流配电的电动车充电站，其特征在于包括有高压断路器、移相变压器、整流滤波电路、直流配电线路和充电机，其中三相高压输入交流电通过高压断路器与移相变压器连接，移相变压器将三相高压输入交流电变换为三相低压交流电，三相交流电经整流滤波电路整流滤波后通过直流配电线路送至充电机。
2.根据权利要求1所述的低成本直流配电的电动车充电站，其特征在于上述高压断路器输入电压范围为3Kv～10Kv三相交流电。
3.根据权利要求1所述的低成本直流配电的电动车充电站，其特征在于上述直流输入断路器的输入电压为0.8Kv～1Kv。
4.根据权利要求1所述的低成本直流配电的电动车充电站，其特征在于上述整流滤波电路包括有由二极管D11～D22及电容C4组成的桥式整流滤波电路，其中D11～D16和D17～D22两个6脉冲整流桥的输出并联，且与滤波电容C4并联，输出稳定的直流电压，通过直流配电线路送至充电机。
5.根据权利要求1所述的低成本直流配电的电动车充电站，其特征在于上述二极管D11～D22是功率器件；上述功率器件安装在第一散热器上；第一散热器采用风冷或液冷散热器。
6.根据权利要求1至5任一项所述的低成本直流配电的电动车充电站，其特征在于上述充电机包括有直流输入断路器、直流输出断路器、直流充电模块、非车载直流充电机控制器及连接装置，其中直流输入断路器的输入端与整流滤波电路的输出端连接，直流充电模块的输入端与直流输入断路器的输出端连接，直流充电模块的输出端与直流输出断路器的输入端连接，直流输出断路器的输出端与连接装置连接，连接装置与电动汽车连接，且直流输入断路器、直流输出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所述的低成本直流配电的电动车充电站，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、直流充电模块控制器，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，直流充电模块控制器驱动充电模块LLC全桥逆变电路的开关管。
8.根据权利要求7所述的低成本直流配电的电动车充电站，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管及其外围电路，四个开关管分别是Q1、Q2、Q3、Q4 ，Q1的门极、开关管Q2的门极、开关管Q3的门极、开关管Q4的门极都与直流充电模块控制器连接，开关管Q1的发射极、开关管Q2的集电极、开关管Q3的发射极、开关管Q4的集电极都与高压直流变换高频变压器T2的初级线圈连接，开关管Q1的集电极及开关管Q23的集电极与电解电容C2的正端连接，开关管Q2的发射极及Q4的发射极都与电解电容C2的负端连接，充电模块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；充电模块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正端连接，二极管D8的阴极与电动车的输入端连接。
9.根据权利要求8所述的低成本直流配电的电动车充电站，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管Q1、Q2、Q3、Q4是功率器件 ；充电模块高频整流电路中的二极管D9、D10、D11、D12是功率器件 ；充电模块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第二散热器上；第二散热器是风冷和/或液冷散热器；直流充电模块中的直流充电模块控制器封装在第二导热壳体内，直流充电模块中的直流充电模块控制器与第二散热器隔离设置。
10.根据权利要求9所述的低成本直流配电的电动车充电站，其特征在于上述直流充电模块中的开关管Q1、Q2、Q3、Q4均采用IGBT器件或 SIC功率模块。
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