CN111614148A - 一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案，属于中高压电动汽车充电站领域。本发明通过控制串联谐振式隔离型DC‑DC拓扑所有IGBT(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)的开通时刻以及开关动作持续时间形成准正向间歇模式、准反向间歇模式、准正向模式和准反向模式。保证了在所有模式下都具备了能量双向流动的能力，且不增加系统损耗。通过检测充电站整机功率大小与模式切换条件对比来确定DC‑DC的工作模式状态并进行工作模式切换工作状态，使系统在全负载范围内能够保持较高的效率运行且具备良好动态特性。

Description

一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案
技术领域
本发明涉及中高压电动汽车充电站领域，尤其涉及一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案。
背景技术
中高压电动汽车充电站采用输入串联输出并联型拓扑方案，降低了交流侧单个模块的开关频率和器件耐压等级，使得交流侧可直接并入中高压电网；其后级常使用串联谐振式隔离型DC-DC拓扑，使用开环控制就可以输入输出电压的变比关系并且能实现全功率范围的软开关，提高效率，因此被广泛应用。然而传统方案在整机运行过程中不考虑负载大小，工作模式比较单一，这样在空、轻载情况下所有的串联谐振DC-DC变换器仍然保持原有工作模式持续工作，就会持续产生变压器空载损耗和开关损耗，加上DC-DC变换器数量较多，单一的工作模式就会明显降低整机效率。并且DC-DC传统开环控制方案在单向控制模式下不具备能量双向流动能力，在负载发生突变时无法将多余能量回馈反向侧就会导致输出电压过、欠压问题。
发明内容
本发明针对上述缺陷及需求，提出一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案，在保证系统效率的前提下让开环控制方案在单向控制模式下具备能量双向流动能力，提高系统动态响应，有效防止在负载发生突变时导致的输出电压过、欠压问题。并通过合理选择工作模式解决因系统工作模式单一造成的空、轻载情况下变压器损耗和开关损耗带来的降低系统效率的问题。本发明提供如下技术方案：
一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案，包括中高压充电站前级拓扑结构为级联H桥结构，实现AC-DC变换。每个H桥结构后连接一个串联谐振型隔离变换器实现DC/DC变换。所有串联谐振变换器输出并联构成低压直流母线供低压直流充电桩使用；中间DC-DC环节为串联谐振型拓扑，S1、S4为第一组IGBT，S2、S3为第二组IGBT，S5、S8为第三组IGBT，S6、S7为第四组IGBT；第一组IGBT与第二组组开关驱动信号互补，第三组IGBT与第四组组开关驱动信号互补；通过调节IGBT开通时刻以及开关动作持续时间保证输出输入输出电压比未变压器变比。当有汽车接入进行充电操作时，系统启动，DC-DC环节对低压直流端口进行功率P检测与额定功率PN进行比较，根据比较结果从准正向模式、准反向模式、准正向间歇模式和准反向间歇模式中进行模式选择。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述的DC-DC工作模式选择方法是，如果检测功率P大于等于0.1PN则进入准正向模式；如果P大于等于0且小于0.1PN则进入准正向间歇模式；如果P小于0且大于-0.1PN则进入准反向间歇模式；如果P小于等于-0.1PN则进入准反向间歇模式；
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述的准正向模式为第一组与第二组IGBT驱动信号为开通时间是半个开关周期0.5Ts的互补的方波信号；第三组与第四组IGBT驱动信号为开通时间是小于等于0.5Tres的方波信号，其中Tres为串联谐振式DC-DC拓扑中的固有的谐振周期；第一组与第三组IGBT同时开通，第二组与第四组IGBT同时开通；
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述的准反向模式为第三组与第四组IGBT驱动信号为开通时间是半个开关周期0.5Ts的互补的方波信号；第一组与第二组IGBT驱动信号为开通时间是小于等于0.5Tres的方波信号；第一组与第三组IGBT同时开通，第二组与第四组IGBT同时开通；
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述的准正向模式和准反向模式的间歇模式，所有IGBT在一个开关周期Ts内动作一次后，就会间隔N个开关周期以后再次进行开关动作，其中N为整数且大于等于1。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：方案简单易行，控制方案复杂度低。利用功率限值作为模式选择切换依据，使系统工作模式不再单一，提高了保证空、轻载情况下的系统效率。改进了传统的串联谐振式DC-DC开环控制方案，使单向模式在不影响效率的同时，具备了能量双向流动能力有效防止了负载突变造成的输出电压过、欠压问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定
图1为中高压电动汽车充电站拓扑图；
图2为串联谐振式隔离型DC-DC拓扑图；
图3为DC-DC工作模式切换的逻辑图。
图4(a)为准正向模式的驱动信号与谐振电流ir1波形；
图4(b)为准反向模式的驱动信号与谐振电流ir1波形；
图4(c)为准正向间歇模式的驱动信号与谐振电流ir1波形；
图4(d)为准反向间歇模式的驱动信号与谐振电流ir1波形
图5为准正向模式下的电流通路图；
图6(a)为传统正向模式负载从28kW突变至-1.5kW时的谐振电流ir1波形与输出电压V2波形；
图6(b)为准正向模式负载从28kW突变至-1.5kW时的谐振电流ir1波形与输出电压V2波形；
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
本发明应用的中高压电动汽车充电站拓扑图如图1所示，包括中高压充电站前级拓扑结构为级联H桥结构，实现AC-DC变换。每个H桥结构后连接一个串联谐振型隔离变换器实现DC/DC变换。所有串联谐振变换器输出并联构成低压直流母线供低压直流充电桩使用；中间DC-DC环节为串联谐振型拓扑如图2所以，S1、S4为第一组IGBT，S2、S3为第二组IGBT，S5、S8为第三组IGBT，S6、S7为第四组IGBT；第一组IGBT与第二组组开关驱动信号互补，第三组IGBT与第四组组开关驱动信号互补；通过调节IGBT开通时刻以及开关动作持续时间保证输出输入输出电压比未变压器变比。
当有汽车接入进行充电操作时，系统启动，DC-DC环节对低压直流端口进行功率P检测与额定功率PN进行比较。工作模式切换的逻辑图如图3所示，如果检测功率P大于等于0.1PN则进入准正向模式同时继续检测功率P值进行条件判定与工作模式选择，准正向模式下的IGBT驱动信号与谐振电流波形如图4(a)所示，第一组与第二组IGBT驱动信号为开通时间是半个开关周期0.5Ts的互补的方波信号；第三组与第四组IGBT驱动信号为开通时间是小于等于0.5Tres的方波信号，其中Tres为串联谐振式DC-DC拓扑中的固有的谐振周期；第一组与第三组IGBT同时开通，第二组与第四组IGBT同时开通；
如果P小于等于-0.1PN则进入准反向模式同时继续检测功率P值进行条件判定与工作模式选择，准反向模式下的IGBT驱动信号与谐振电流波形如图4(b)所示，第三组与第四组IGBT驱动信号为开通时间是半个开关周期0.5Ts的互补的方波信号；第一组与第二组IGBT驱动信号为开通时间是小于等于0.5Tres的方波信号；第一组与第三组IGBT同时开通，第二组与第四组IGBT同时开通；
如果P大于等于0且小0.1PN则进入准正向间歇模式同时继续检测功率P值进行条件判定与工作模式选择；如果P小于0且大于-0.1PN则进入准反向间歇模式；准正向模式和准反向模式的间歇模式所有IGBT在一个开关周期Ts内动作一次后，就会间隔N个开关周期以后再次进行开关动作，其中N为整数且大于等于1，准正向间歇模式和准反向间歇模式下的IGBT驱动信号与谐振电流波形分别如图4(c)与图4(d)所示，可见在间歇模式下两侧H桥的IGBT并不是一直工作，这样就会降低变压器空载损耗与开关损耗；
图5准正向模式下的电流通路图，从图中可知在第一组与第三组IGBT开通至0.5Tres时间内第三组与第四组IGBT也处于开通状态，但谐振电流并不流过第三组与第四组IGBT，这样就保证了在0.5Tres时间范围内DC-DC具有能量双向流动能力，且第三组与第四组IGBT不产生开关损耗；
图6(a)与图6(b)分别为传统正向模式与准正向模式负载从28kW突变至-1.5kW时的输出电压波形变化，从图中可知准正向模式面对负载反向突变时电压泵升比传统正向模式要小并且最终仍会稳定在750V附近。
综上所述，准正向模式或准反向模式不仅保留了传统方案低开关损耗的优势，而且具备了能量双向流动能力提高了系统动态响应特性；并且通过合理的工作模式选择提高了整个系统的运行效率。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案，其特征在于，系统包括中高压充电站前级拓扑结构为级联H桥结构，实现AC-DC变换。每个H桥结构后连接一个串联谐振型隔离变换器实现DC/DC变换。所有串联谐振变换器输出并联构成低压直流母线供低压直流充电桩使用；中间DC-DC环节为串联谐振型拓扑，S1、S4为第一组IGBT，S2、S3为第二组IGBT，S5、S8为第三组IGBT，S6、S7为第四组IGBT；第一组IGBT与第二组组开关驱动信号互补，第三组IGBT与第四组组开关驱动信号互补；通过调节IGBT开通时刻以及开关动作持续时间保证输出输入输出电压比未变压器变比。当有汽车接入进行充电操作时，系统启动，DC-DC环节对低压直流端口进行功率P检测与额定功率PN进行比较，根据比较结果从准正向模式、准反向模式、准正向间歇模式和准反向间歇模式中进行模式选择。
2.根据权利要1所述的一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案，其特征在于，所述的DC-DC工作模式选择方法是，如果检测功率P大于等于0.1PN则进入准正向模式；如果P大于等于0且小于0.1PN则进入准正向间歇模式；如果P小于0且大于-0.1PN则进入准反向间歇模式；如果P小于等于-0.1PN则进入准反向间歇模式。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案，其特征在于，所述的准正向模式为第一组与第二组IGBT驱动信号为占空比是半个开关周期0.5Ts的互补的方波信号；第三组与第四组IGBT驱动信号为占空比是小于等于0.5Tres的方波信号，其中Tres为串联谐振式DC-DC拓扑中的固有的谐振周期；第一组与第三组IGBT同时开通，第二组与第四组IGBT同时开通。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案，其特征在于，所述的准反向模式为第三组与第四组IGBT驱动信号为占空比是半个开关周期0.5Ts的互补的方波信号；第一组与第二组IGBT驱动信号为占空比是小于等于0.5Tres的方波信号；第一组与第三组IGBT同时开通，第二组与第四组IGBT同时开通。
5.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的充电站效率和动态性能的改善方案，其特征在于，所述的准正向模式和准反向模式的间歇模式，所有IGBT在一个开关周期Ts内动作一次后，就会间隔N个开关周期以后再次进行开关动作，其中N为整数且大于等于1。
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