CN110228392A

CN110228392A - 一种用于电动汽车的新型充电系统

Info

Publication number: CN110228392A
Application number: CN201910539589.5A
Authority: CN
Inventors: 颜景斌; 李瑞松; 李森铎
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2019-09-13

Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车的新型充电系统，该系统的直流充电机采用基于改进型整流器的电动汽车充电机，这种改进型整流器的控制系统采用滑模变结构控制。该系统用于减少电动汽车充电系统对电网注入的谐波电流，改善电网电能质量；此外，滑模变结构控制使输出电压和负载发生大幅度变化时，具备非常优良的动态调节特性。由于电动汽车的新型充电系统结构的优越性，提高电力资源的利用效率。

Description

一种用于电动汽车的新型充电系统

技术领域

本发明属于电力配电系统领域，尤其涉及一种用于电动汽车的新型充电系统。

背景技术

21世纪以来，随着全球工业的发展，对能源的需求越来越大，对生态环境的影响也越来越大，世界各国对改善环保和降低能源消耗的呼声日益高涨，各国制订了一系列法律法规，要求生产厂家设法减少排放，开发无污染或超低污染的动力源，节能环保的电动车可以减缓或者替代传统汽车对石油的依赖，以此为出发点，全球正在推动一次汽车动力技术革命；当今，人们公认电动汽车是未来最有指望解决陆上运输工具的办法，因此，大力发展以电动汽车为主的新能源汽车技术，是各主要国家和汽车制造商的共同战略选择。日本从2008年开始，每年用于电动汽车的研发费用达到2亿美元，预计在2030年在全国范围内电动汽车超过3000辆，德国预计2020年将有100万辆电动汽车投入到交通运输中，2030年电动汽车数量将翻倍，到本世纪中叶，电动汽车数量将占绝对优势，逐渐取代传统燃油汽车，因此，我国也加大了对电动汽车的投入，跟上时代的步伐，电动汽车充电设施的性能成为电动汽车产业顺利推进的要素之一，它不仅决定了电动汽车蓄电池的稳定性、充电次数、寿命长短，还直接影响到用户的驾车体验；然而，目前运营的电动汽车直流充电机大部分是由电力电子变换电路等组成，导致谐波产生及功率因数较低，开关损耗大，影响电网的电能质量；因此，需要投入无功补偿装置和滤波装置以配合使用，从而加大了占地面积，并增加了额外的资金投入，此外对于输出的电压不可调节，目前仍然没有简单有效的办法来解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于电动汽车的新型充电系统，以减少电动汽车充电系统对电网的谐波电流含量和无功功率，改善电网电能质量，此外，同时它还具有单位功率因数运行、开关损耗小、电流谐波畸变率低、全电压可调等优异性能。

为解决上述技术问题，本发明所采用以下技术方案：一种用于电动汽车的新型充电系统，主要由电力驱动模块、车载电源模块、检测模块组成，电力驱动模块包括中央控制单元、驱动控制器、交流输入及保护单元、直流充电机、机械传动装置，电能计量装置；车载电源模块包括蓄电池、电池保护装置；检测模块包括监视单元、执行机构；所述电力驱动模块和车载电源模块通过光纤连接充放电监控系统，通过光纤通信接入计算机实现对电池实时监控；所述执行机构连接隔离开关和断路器再连接负载，用于对已经充满电的电动汽车停止继续供电；电力驱动模块从电网取电，直流充电机将交流电变换为直流电为电动汽车电池包充电；所述直流充电机采用改进型整流器的电动汽车充电机，包括三相不可控整流桥和上下各串接一个DC-DC型降压电路；所述改进型整流器的控制系统采用滑模变控制结构，使系统实现了单位功率因数运行，并且谐波损耗小。

直流充电机采用了改进型整流器，改进型整流器采用了三次谐波注入电路，能有效地改善注入电路波形，结构中的两个DC-DC型降压电路，使得输出电压可调；直流充电机通过光纤连接执行机构，当发生异常时使隔离开关和断路器动作。直流充电机的滑模变结构控制系统，采用了非线性滑模控制，在滑动平面函数中引入了非线性函数，使得在滑模面上跟踪误差能够在有限时间内收敛到零，提高了收敛速度，在不改变系统参数的情况下获得了稳定性和鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的一种用于电动汽车的新型充电系统的结构框图。

图2是本发明的改进型整流器的电路结构图。

图3是改进型整流器的滑模变控制结构的第一开关管(T+)的调制波仿真放大图。

图4是改进型整流器的第二开关管(T-)的调制波仿真放大图。

具体实施方式

图1显示了一种用于电动汽车的新型充电系统，主要由电力驱动模块、车载电源模块、检测模块组成，电力驱动模块包括中央控制单元、驱动控制器、交流输入及保护单元、直流充电机、机械传动装置，电能计量装置；车载电源模块包括蓄电池、电池保护装置；检测模块包括监视单元、执行机构；所述电力驱动模块和车载电源模块通过光纤连接充放电监控系统，通过光纤通信接入PC机实现对电池实时监控；所述执行机构连接隔离开关和断路器再连接负载，用于对已经充满电的电动汽车停止继续供电；电力驱动模块从电网取电，直流充电机将交流电变换为直流电为电动汽车电池包充电；所述直流充电机采用改进型整流器的电动汽车充电机，包括三相不可控整流桥和上下各串接一个DC-DC型降压电路；所述维也纳整流器的控制系统采用滑模变控制结构，使系统实现了单位功率因数运行，并且谐波损耗小。

如图2所示，改进型整流器由三相不可控整流桥和上下各串接一个DC-DC降压斩波器，外加一个有源三次谐波电流注入电路网络构成；整流桥的三相交流输入电源取自电网对称三相电，通过滤波器后再接三相不可控整流桥；中间并联的三组共射极双向IGBT构成一个四象限、三次谐波电流注入电路网络，负责给系统注入低频电流，即在两倍电源频率时(即100赫兹)切换注入网络的电流路径，再通过快速开关管(T+和T_)将电流注入至无源相(无电流流经的相)。整流器的直流输出侧端接上两个快速可控开关管T+和T_，流经T+和T_的电流分别为I+和I_,与三相不可控桥式整流输出两相电压成比例关系；I+和I_的差值通过有源三次谐波注入电路回馈到当前电压绝对值最小的电源相；此外I+和I_的差值通过注入电路网络回馈到无源相，这样，外加的注入电路网络和快速开关管可以确保直流母线电压全电压范围内可调以及保证网侧电流的正弦度；直流母线上的平波电感被分为两个等值的电感分别接至直流母线的正负端是为了提供对称的衰减阻抗以便抑制共模噪声。

如图3和图4分别为整流器的控制算法控制下的第一开关管(T+)、第二开关管(T-)的调制波仿真放大图，对该算法能够降低输出电压、输出电流的总谐波畸变率进行了验证。选择电感电流和输出电压为状态变量，即x₁＝i_L,x₂＝U_L,根据维也纳整流器的等效BUCK状态空间模型可得：

变换器始终保持输出电压恒定，属于典型的跟踪问题，采用电容电压误差和其微分的非线性组合作为切换面函数，构成非奇异终端滑模控制切换面，这种方法对于电路能够取得非常好的控制效果，同时还具有过流保护功能，定义输出电压和参考电压误差为：

e₁＝x_2ref-x₂

得到以误差变量e₁和e₂为状态变量的状态方程：

根据变换器BUCK模式下的平均状态方程得到以误差变量为状态变量的状态方程为：

切换面函数设计为：

为了保证系统从任意状态在有限时间内趋向切换面的要求，采用指数趋近率方法设计滑模控制率，指数趋近率中符号函数为不连续函数，推导出的控制变量函数也是不连续函数，为保证输出控制量的连续性，用双曲正切函数代替指数趋近率中的符号函数：

由于p,q(p＞q)为正奇数，且则：

在保证趋近率的基础上，对控制率进行简化计算,得到简化后的非奇异滑模控制器控制率。

下面对非奇异终端滑模变结构控制进行稳定性证明：

由于又由于β＞0,p,q(p＞q)为正奇数，则：

李雅普诺夫函数V＝0.5S²，对李雅普诺夫函数进行求导可得：

在e₂≠0条件下满足李雅普诺夫稳定性条件，所以该系统在李雅普诺夫意义下是稳定的。

在e₂＝0的条件下有：

当S＞0时，快速减小；当S＜0时，快速增大，因此在e₂＝0时，在有限时间内实现S＝0。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，可轻易得到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种用于电动汽车的新型充电系统，其特征在于主要由电力驱动模块、车载电源模块、检测模块组成，电力驱动模块包括中央控制单元、驱动控制器、交流输入及保护单元、直流充电机、机械传动装置，电能计量装置；车载电源模块包括蓄电池、电池保护装置；检测模块包括监视单元、执行机构；所述电力驱动模块和车载电源模块通过光纤连接充放电监控系统，通过光纤通信接入计算机实现对电池实时监控；所述执行机构连接隔离开关和断路器再连接负载，用于对已经充满电的电动汽车停止继续供电；电力驱动模块从电网取电，直流充电机将交流电变换为直流电为电动汽车电池充电；所述直流充电机采用基于改进型整流器的电动汽车充电机，包括三相不可控整流桥和上下各串接一个DC-DC型降压电路；所述改进型整流器的控制系统采用滑模变控制结构，使系统实现了单位功率因数运行，并且谐波损耗小。

2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的新型充电系统，其特征在于：直流充电机采用了改进型整流器，改进型整流器采用了三次谐波注入电路，能有效地改善注入电路波形，结构中的两个DC-DC型降压电路，使得输出电压可调；直流充电机通过光纤连接执行机构，当发生异常时使隔离开关和断路器动作。

3.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的新型充电系统，其特征在于：直流充电机的滑模变结构控制系统，采用了非线性滑模控制，在滑动平面函数中引入了非线性函数，使得在滑模面上跟踪误差能够在有限时间内收敛到零，提高了收敛速度，在不改变系统参数的情况下获得了稳定性和鲁棒性。