CN109301912B - 电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关，其结构包括3个并联且结构相同的A、B、C电池逆变单元和4个开关其中A相电池逆变单元的输入端通过S1开关接入外部电网的火线；B相电池逆变单元的输入端分为两支，一支通过S2开关接入外部电网的零线，另一支通过S3开关接入外部电网的火线；C相电池逆变单元的输入端通过S4开关接入外部电网的零线，共同构成一个2输入，3输出的矩阵开关。本发明的优点：使用模块化H桥级联逆变器架构，可直接连接电网对车载电池进行直接充电，在0功率充电的时候可以有效减少感性电流；均衡电池的充电幅度。

Description

电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关

技术领域

本发明涉及的是一种电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关，属于电动汽车充电控制技术领域。

背景技术

目前，在电动车使用电网对电池直接进行充电的一体化设备里，采用模块化电池连接至串级式逆变器上。使用电网对车载电池进行直接充电时，电网对电池的充电功率可以用下面的公式（1）来计算：

（1）

式中Vgrid是电网电压，Vinverter是逆变器输出电压，α是电网电压领先逆变器电压的相位角，Z是电网和逆变器之间的电感阻抗。

在该设备中，逆变器能够输出的电压与逆变器的级联个数，以及连接到级联逆变器的电池电压相关。例如，目前电动车常用的电池模块为三级电池级联，每一级电池为48V，电动车逆变器能够输出的最大电压峰值为48x3=144V，如果使用了三次谐波补偿技术，则输出电压峰值最大能够到144*1.15=165V。

从上述公式可知，当电网的超前角度为0的时候，电网对电池的充电功率为0；但是充电功率为0并不代表电路里的充电电流为0，这个时候电路等效为一个纯电感负载，电流为感性电流，其大小由公式（2）得出：

（2）

这个时候，该感性电流对电池既充电，又放电，对整体的电池充电功率为0，只会增加电池的充放电损耗，在大电流的情况下还会损坏电池，因此在实际使用中需要加以避免。从上述公式可得出，在0功率充电下0电流的的条件是Vgrid = Vinverter，要求逆变器输出电压和电网电压匹配。

目前民用电网主要有两种规格，中国是220V/50Hz，峰值电压311伏；美国是120V/60Hz，峰值电压是170V。对上面所举的3级48V电动车来说，输出电压是有限的，虽然能够匹配120V的美国电网，匹配220V的中国电网在实际中是不可行的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有电动车的逆变电池模块在接电网充电时，逆变器输出电压和电网电压不匹配导致在0功率下的大感性电流对电池的性能的损坏问题，使用3x2的SCR可控硅矩阵开关构建一种电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关。

本发明的技术解决方案：电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关，其结构包括3个并联且结构相同的电池逆变单元（A相电池逆变单元、B相电池逆变单元、C相电池逆变单元）和4个开关（S1开关、S2开关、S3开关、S4开关），其中A相电池逆变单元的输入端通过S1开关接入外部电网的火线；B相电池逆变单元的输入端分为两支，一支通过S2开关接入外部电网的零线，另一支通过S3开关接入外部电网的火线；C相电池逆变单元的输入端通过S4开关接入外部电网的零线，共同构成一个2输入，3输出的矩阵开关。

本发明的优点：

1）电动车使用模块化H桥级联逆变器架构，可直接连接电网对车载电池进行直接充电；

2）使逆变器输出电压和电网电压匹配，在0功率充电的时候可以有效减少感性电流；

3）使用双向可控硅实现矩阵开关的轮流切换，均衡电池的充电幅度。

附图说明

附图1是电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关的结构示意图。

附图2是A-B相电池充电线路示意图。

附图3是B-C相电池充电线路示意图。

附图4是A-C相电池充电线路示意图。

附图5是电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关的矩阵开关实现结构图。

附图6是不匹配电压0功率充电情况下的电网电压，逆变器输出电压，电感电压和充电电流波形图。

附图7是不匹配电压下放大后的充电电流波形图。

附图8是串联后逆变器电压和电网电压基本匹配下的0功率充电情况下的电网电压，逆变器输出电压，电感电压和充电电流波形图。

附图9是逆变器电压和电网电压基本匹配下放大后的充电电流波形图。

具体实施方式

如图1所示，电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关，其结构包括3个并联且结构相同的电池逆变单元（A相电池逆变单元、B相电池逆变单元、C相电池逆变单元）和4个开关（S1开关、S2开关、S3开关、S4开关），其中A相电池逆变单元的输入端通过S1开关接入外部电网的火线；B相电池逆变单元的输入端分为两支，一支通过S2开关接入外部电网的零线，另一支通过S3开关接入外部电网的火线；C相电池逆变单元的输入端通过S4开关接入外部电网的零线，共同构成一个2输入，3输出的矩阵开关。

所述的3个电池逆变单元由n个三相电池模块串联构成，每个三相电池模块包括1个电池包和1个模块化逆变器，模块化逆变器由4个功率管构成H桥逆变电路；以A相电池逆变单元为例，电池逆变单元中各三相电池模块从左至右依次为A1三相电池模块、A2三相电池模块、…、An三相电池模块，以此类推。

如图5所示，所述的S1开关、S2开关、S3开关、S4开关使用双向可控硅，通过电感线圈连接电池逆变单元的输出端，对交流电可以实现开通或者关断。

如图2~图4所示，实际使用时，因为单独的一相输入无法匹配电网电压，因此把其中的两相串联之后输出一个高电压和电网电压匹配，这样两相串联之后的电压就可以和电网电压匹配；电池充电过程包括如下步骤：

1）将S1开关、S2开关闭合，S3开关、S4开关断开，A相电池逆变单元和B相电池逆变单元串联之后接入电网，电网对A相电池逆变单元和B相电池逆变单元直接充电；

2）将S3开关、S4开关闭合，S1开关、S2开关断开，B相电池逆变单元和C相电池逆变单元串联之后接入电网，电网对B相电池逆变单元和C相电池逆变单元直接充电；

3）将S1开关、S4开关闭合，S2开关、S3开关断开，A相电池逆变单元和C相电池逆变单元串联之后接入电网，电网对A相电池逆变单元和C相电池逆变单元直接充电；

4）循环上述步骤1）~3）直至电池模块全部充满。

图6~图9是本发明接入电动车电池充电电路的仿真结果对比图。

图6是不匹配电压0功率充电情况下的电网电压，逆变器输出电压，电感电压和充电电流波形情况，由图7放大后的充电电流波形图可以得出，0功率下电流在8A以上。

图8是使用本发明的电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关串联后逆变器电压和电网电压基本匹配时，在0功率充电情况下的电网电压，逆变器输出电压，电感电压和充电电流波形图，由图9放大后的充电电流波形图可以得出，0功率下电流在2A左右，对比电压不匹配情况时，0功率充电电流大大减少。因此，本发明可以在0功率充电的时候可以有效减少感性电流，减小电池损耗，延长电池使用寿命。

Claims (3)

1.电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关，其特征是3个并联且结构相同的A相电池逆变单元、B相电池逆变单元、C相电池逆变单元和S1开关、S2开关、S3开关、S4开关共4个开关，其中A相电池逆变单元的输入端通过S1开关接入外部电网的火线；B相电池逆变单元的输入端分为两支，一支通过S2开关接入外部电网的零线，另一支通过S3开关接入外部电网的火线；C相电池逆变单元的输入端通过S4开关接入外部电网的零线，共同构成一个2输入，3输出的矩阵开关；

实际使用时，电池充电过程包括如下步骤：

1）将S1开关、S2开关闭合，S3开关、S4开关断开，A相电池逆变单元和B相电池逆变单元串联之后接入电网，电网对A相电池逆变单元和B相电池逆变单元直接充电；

2）将S3开关、S4开关闭合，S1开关、S2开关断开，B相电池逆变单元和C相电池逆变单元串联之后接入电网，电网对B相电池逆变单元和C相电池逆变单元直接充电；

3）将S1开关、S4开关闭合，S2开关、S3开关断开，A相电池逆变单元和C相电池逆变单元串联之后接入电网，电网对A相电池逆变单元和C相电池逆变单元直接充电；循环上述步骤1）~3）直至电池模块全部充满。

2.根据权利要求1所述的电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关，其特征是所述的A相电池逆变单元、B相电池逆变单元、C相电池逆变单元每个均由n个三相电池模块串联构成，每个三相电池模块包括1个电池包和1个模块化逆变器，模块化逆变器由4个功率管构成H桥逆变电路；A相电池逆变单元中各三相电池模块从左至右依次为A1三相电池模块、A2三相电池模块、…、An三相电池模块，其中任意1个三相电池模块记为Ai三相电池模块，以此类推。

3.根据权利要求1所述的电动车直接充电电压匹配单相转三相矩阵式切换开关，其特征是所述的S1开关、S2开关、S3开关、S4开关使用双向可控硅，通过电感线圈连接电池逆变单元的输出端，对交流电实现开通或者关断。