CN108312878B - 一种车载复用充电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载复用充电机，包括高压电池、三个电感L1、L2、L3，和三个互相并联的IGBT桥臂，所述高压电池正极分别通过继电开关S1、S2、S3连接电感L1、L2、L3的一端，电感L1、L2、L3的另一端分别连接三个IGBT桥臂的中间结点，高压电池负极直接连接三个IGBT桥臂的一个共接端，所述继电开关S1、S2与电感L1、L2的连接端分别为电网的火、零线接头，三个互相并联的IGBT桥臂的两端连接逆变器‑电机系统，组成三个IGBT桥臂的IGBT器件由控制器模块连接控制。所述车载复用充电机工作时包括Boost工作状态、单相电网接入对电池充电状态、单相并网逆变状态和车‑车互充状态。本发明利用不同继电开关组合，设备能工作在不同状态，实现不同功能。

Description

一种车载复用充电机

技术领域

本发明涉及新能源汽车充电技术，特别涉及一种车载复用充电机。

背景技术

现有的新能源汽车的车载复用充电技术，一般采用单相电网电压输入+不控整流电路+PFC功率因数校正电路+高频隔离电路+滤波电路方案。

专利公开文献1《电动车辆的充放电控制系统及电动车》（公开号：CN 202455130U）提出了一种利用电机逆变器和单相Boost升压电路组合，实现电池充电的方案；专利公开文献2《电动汽车及电动汽车的车载充电器》（公开号：CN 204835609 U）提出了一种设备，利用该设备可以对车载高压和低压电池进行充电；专利公开文献3《电动汽车、车载充电器及其过流保护电路》（公开号：CN 206379716 U）提出了一种利用电机逆变器和单相Boost/Buck电路组合，实现电池充电的方案；专利公开文献4《电动车辆的充电系统》（公开号：CN105896691 A）提出了一种电动车辆的充电系统。

以上现有技术的缺点：

（1）使用了较多的功率器件，增加了硬件成本；

（2）功率只能由电网传递至汽车电池，无法实现电能双向流动；

（3）不能灵活地实现充电电压跟随和充电电流跟随；

（4）复用程度低，不能与其他汽车电子设备共享硬件电路。

发明内容

本发明目的是：提供一种车载复用充电机，通过不同的设备继电器开关组合使得：

（1）设备在汽车行驶时工作在Boost升压状态，稳定逆变器母线电压；

（2）新能源汽车电池充电时，系统工作在OBC（On Board Charger）状态， 从而实现电池直流充电（G2V）或者电池作为电网均衡负载逆变并网（V2G）；

（3）实现两台配有本产品的新能源汽车互相充电；

二、本发明优势：

（1）本发明有较高的集成复用度，实现了OBC（车载充电机）与Boost DC/DCConverter（Boost升压变换器）的复用；

（2）能适应各电压等级的电池充电要求；

（3）能有效地实现电池充电电压跟随和充电电流跟随，从而能更好地匹配各型BMS（电池管理）系统；

（4）使用了较少的功率器件，降低了设备成本。

本发明的技术方案是：

一种车载复用充电机，包括高压电池、三个电感L1、L2、L3，和三个互相并联的IGBT桥臂，所述高压电池正极分别通过继电开关S1、S2、S3连接电感L1、L2、L3的一端，电感L1、L2、L3的另一端分别连接三个IGBT桥臂的中间结点，高压电池负极直接连接三个IGBT桥臂的一个共接端，所述继电开关S1、S2与电感L1、L2的连接端分别为电网的火、零线接头，三个互相并联的IGBT桥臂的两端连接逆变器-电机系统，组成三个IGBT桥臂的IGBT器件由控制器模块连接控制。

优选的，所述高压电池上连接有并联的输入电容，三个互相并联的IGBT桥臂的两端并联有输出电容。

优选的，所述车载复用充电机工作时包括Boost工作状态、单相电网接入对电池充电状态、单相并网逆变状态和车-车互充状态。

优选的，还包括采样模块，所述采样模块包括各相电感电流采样模块、电网电压采样模块、电池充电电压采样模块，电池充电电流采样模块、整流输出高压侧电压采样模块；采样模块中各模块采样输出端连接控制器模块。

优选的，还包括与控制器模块连接的通讯模块，所述通讯模块包括车-车互充通讯模块、BMS与复用充电通讯模块、并网通讯模块。

优选的，所述Boost工作状态，继电开关S1、S2、S3闭合，电网的火、零线接头悬空，逆变器-电机系统工作汽车工作在行驶状态；高压电池电压Vg经过电感、三相IGBT桥臂和输出电容滤波组成的多重多相Boost电路，按占空比D,泵升至Vg/（1-D）并稳定不变。

优选的，所述单相电网接入对电池充电状态，继电开关S1、S2断开，S3闭合；电网的火、零线接头接入单相电网，汽车不运行，电网能量经两相单相IGBT桥臂组成的PWM整流电路和一相IGBT桥臂组成的功率因数校正/DCDC变换器传递至高压电池，对高压电池充电，对高压电池充电。

优选的，所述对高压电池充电，采用电压跟随或者电流跟随控制方式；所述电压跟随控制：既根据上位机或者电池充电管理系统的要求，在某一充电阶段，复用充电机保持充电电压跟随电池充电特性曲线；所述电流跟随控制：既根据上位机或者电池充电管理系统的要求，在某一充电阶段，复用充电机保持充电电流跟随电池充电特性曲线。

优选的，所述单相并网逆变状态，继电开关S1、S2断开，S3闭合；电网的火、零线接头接入单相电网，汽车不运行，在电网有功或者无功功率不足时，高压电池用于平衡电网负荷。

优选的，所述车-车互充状态，继电开关S1、S2、S3闭合，电网的火、零线接头接入待充电汽车电池端，系统工作在Boost DC/DC变换器状态，对被充电汽车电池进行高压直流充电。

本发明的优点是：

1．不同继电开关组合，设备能工作在不同状态，实现不同功能；

2、利用PWM整流整流电路和功率因数校正/DCDC变换器，实现对电池的各个电压等级的充电；

3、Buck充电电路的三环控制策略，增加了系统充电输出的稳定性、快速性和系统阻尼，同时抑制了PWM整流电路引起的电网二次谐波；

4、利用三环控制电压跟随和电流跟随模式的切换，能有效地实现充电电压电压跟随和充电电流跟随控制，提高了充电机的灵活性；

5、利用同一套设备，能实现Boost电池升压、车载充电OBC（On Board Charger）；电池作为电网均衡负载逆变并网（V2G）；车车互充（V2V）。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明车载复用充电机的结构原理图；

图2为系统工作在Boost升压状态的等效电路；

图3为系统工作在单相电网接入对电池充电的等效电路;

图4为Buck充电电路示意图；

图5为电压跟随控制框图；

图6为电流跟随控制框图;

图7为高压电池并网逆变的等效电路;

图8为车-车互充的等效电路;

图9为本发明车载复用充电机模块示意。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种新能源汽车车载充电机与车载升压Boost电路复用的设备方案。使用此设备能实现车载充电和Boost升压两种功能。方案结构包括高压电池、三个电感L1、L2、L3，和三个互相并联的IGBT桥臂，所述高压电池正极分别通过继电开关S1、S2、S3连接电感L1、L2、L3的一端，电感L1、L2、L3的另一端分别连接三个IGBT桥臂的中间结点，高压电池负极直接连接三个IGBT桥臂的一个共接端，所述继电开关S1、S2与电感L1、L2的连接端分别为电网的电网接头1和电网接头2，三个互相并联的IGBT桥臂的两端连接逆变器-电机系统，组成三个IGBT桥臂的IGBT器件由控制器模块连接控制。所述高压电池上连接有并联的输入电容，三个互相并联的IGBT桥臂的两端并联有输出电容。

所述车载复用充电机工作时包括Boost工作状态、单相电网接入对电池充电状态、单相并网逆变状态和车-车互充状态。

实施例1

Boost工作状态：设备工作在Boost升压电路时，继电开关S1、S2、S3闭合；电网接头1和电网接头2悬空，逆变器-电机系统工作汽车工作在行驶状态。系统工作在Boost升压电路时，等效电路如图2所示：

此时，高压电池电压Vg经过电感、三相IGBT桥臂和输出电容滤波组成的多重多相Boost电路，按占空比D（0<D<1）,泵升至Vg/（1-D）并稳定不变。

实施例2

单相电网接入对电池充电状态：设备工作在单相整流充电状态时，继电开关S1、S2断开，继电开关S3闭合；电网接头1和电网接头2接入单相电网（零线与火线之间），汽车不运行。系统工作在单相整流充电状态，电网能量经单相PWM整流电路和Buck功率因数校正电路传递至电池，对电池充电。等效电路如图3所示：

此时，桥臂1和2组成PWM整流电路，整流电路工作在双极型调制状态。将工频电网电压整流成较高的直流高压， 再经过Buck电路，通过电压跟随或者电流跟随控制方式，对电池充电。

这里要说明的是电压跟随、电流跟随控制方式的实现方法和利用Buck电路抑制整流电路输出电压中二次谐波分量的实现方法：

图4是Buck充电电路示意图，其采样内容包括Buck输出电感（滤波电感）电流采样i_L、电池两端充电电压采样V_Battery、流经电池的充电电流采样i_Battery。

电压跟随控制：既根据上位机或者电池充电管理系统的要求，在某一充电阶段，复用充电机保持充电电压稳定在某一特定值。这一阶段为电压跟随充电阶段。

电压跟随控制的控制框图如图5所示，借由该控制框图，能实现充电电压跟随和电网频率二而次谐波抑制。它的创新点在于：传统的Buck电路为输出电压单闭环控制或者输出电压和电感电流双闭环控制，本发明引入了负载电流（充电电流）闭环控制，组成了三闭环控制系统。提高了系统阻尼，增加了系统输出充电电压的稳定性，抑制了PWM整流电路引起的二次谐波。

电流跟随控制：既根据上位机或者电池充电管理系统的要求，在某一充电阶段，复用充电机保持充电电流跟随某一特定值。这一阶段为电流跟随充电阶段。电流跟随控制的控制框图如图6所示，电流跟随充电时，本发明仍旧采用电感电流、电池充电电压、电池充电电流三采样闭环的控制策略，但是调整了三闭环的内外环位置，将充电电流环作为最外环，其他两环为内环。提高了系统阻尼，增加了系统输出充电电流的稳定性，抑制了PWM整流电路引起的二次谐波。

实施例3

单相并网逆变状态：单相并网逆变时，系统接法与单相PWM整流整流电路相同，共用同一套设备，但能量流动方向与单相整流充电时相反。在电网有功或者无功功率不足时，配有本发明的新能源汽车可用于平衡电网负荷。

实施例4

车-车互充状态：图8是设备工作在车车互充状态的示意图。车车互充时，S1、S2、S3均闭合，与Boost状态时开关组合相同，母线接头接入待充电汽车电池端。系统工作在BoostDC/DC变换器状态，即可对被充电汽车电池进行高压直流充电。

总结来说，本发明方案所述的的复用充电机包含以下模块：继电器或接触器开关模块、功率主电路模块、采样模块和控制器模块，模块示意如图9所示。

功率主电路模块包含：多相功率电感模块、多相功率开关管模块；输入电容模块、输出电容模块。

采样模块包含：各相电感电流采样模块、电网电压采样模块、电池充电电压采样模块，电池充电电流采样模块、整流输出高压侧电压采样模块。

控制器模块包含：继电器或接触器开关方式控制模块、单相PWM整流控制模块、Buck充电电路电压跟随控制模块、Buck充电电路电流跟随控制模块、Buck充电电路三闭环电网二次谐波抑制模块、充电电流和充电电压限幅模块、充电电压和充电电流参考值给定缓升模块、驱动信号PWM调制模块、故障处理模块。

通讯模块：车-车互充通讯模块、BMS（电池管理系统）与复用充电通讯模块、并网通讯模块。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种车载复用充电机，其特征在于：包括高压电池、三个电感L1、L2、L3，和三个互相并联的IGBT桥臂，所述高压电池正极分别通过继电开关S1、S2、S3连接电感L1、L2、L3的一端，电感L1、L2、L3的另一端分别连接三个IGBT桥臂的中间结点，高压电池负极直接连接三个IGBT桥臂的一个共接端，所述继电开关S1、S2与电感L1、L2的连接端分别为电网的火、零线接头，三个互相并联的IGBT桥臂的两端连接逆变器-电机系统，组成三个IGBT桥臂的IGBT器件由控制器模块连接控制;

所述高压电池上连接有并联的输入电容，三个互相并联的IGBT桥臂的两端并联有输出电容；

所述车载复用充电机工作时包括Boost工作状态、单相电网接入对电池充电状态、单相并网逆变状态和车-车互充状态；

还包括采样模块，所述采样模块包括各相电感电流采样模块、电网电压采样模块、电池充电电压采样模块，电池充电电流采样模块、整流输出高压侧电压采样模块；采样模块中各模块采样输出端连接控制器模块；

还包括与控制器模块连接的通讯模块，所述通讯模块包括车-车互充通讯模块、BMS与复用充电通讯模块、并网通讯模块；

所述Boost工作状态，继电开关S1、S2、S3闭合，电网的火、零线接头悬空，逆变器-电机系统工作汽车工作在行驶状态；高压电池电压Vg经过电感、三相IGBT桥臂和输出电容滤波组成的多重多相Boost电路，按占空比D,泵升至Vg/（1-D）并稳定不变。

2.根据权利要求1所述的车载复用充电机，其特征在于：所述单相电网接入对电池充电状态，继电开关S1、S2断开，S3闭合；电网的火、零线接头接入单相电网，汽车不运行，电网能量经两相单相IGBT桥臂组成的PWM整流电路和一相IGBT桥臂组成的功率因数校正/DCDC变换器传递至高压电池，对高压电池充电。

3.根据权利要求2所述的车载复用充电机，其特征在于：所述对高压电池充电，采用电压跟随或者电流跟随控制方式；所述电压跟随控制：即根据上位机或者电池充电管理系统的要求，在某一充电阶段，复用充电机保持充电电压跟随电池充电特性曲线；所述电流跟随控制：即根据上位机或者电池充电管理系统的要求，在某一充电阶段，复用充电机保持充电电流跟随电池充电特性曲线。

4.根据权利要求1所述的车载复用充电机，其特征在于：所述单相并网逆变状态，继电开关S1、S2断开，S3闭合；电网的火、零线接头接入单相电网，汽车不运行，在电网有功或者无功功率不足时，高压电池用于平衡电网负荷。

5.根据权利要求1所述的车载复用充电机，其特征在于：所述车-车互充状态，继电开关S1、S2、S3闭合，电网的火、零线接头接入待充电汽车电池端，系统工作在Boost DC/DC变换器状态，对被充电汽车电池进行高压直流充电。

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