CN113602115B - 一种计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统，包括不控整流桥，三相逆变器，三相永磁同步电机，储能电容，储能电感，输出滤波电容，动力电池和切换开关。在充电模式，永磁同步电机的三相绕组与逆变器的两组半桥构成双Boost并联电路，逆变器剩余的一组半桥与储能电容和储能电感构成有源滤波器。该系统充分利用电动汽车原有的三相逆变器和三相永磁同步电机绕组，通过增加一个电容、一个电感和三个切换开关，就可实现网侧单位功率因数校正和直流侧二次功率纹波抑制的功能，在降低充电电流纹波的同时降低了充电机成本。

Description

一种计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统
技术领域
本发明涉及一种计及二次功率纹波抑制的电动汽车充电系统，属于电力电子及电力拖动领域。
背景技术
随着电动汽车的增多，电动汽车基础充电设施目前尚在发展中，电动汽车充电设施主要包括交流充电和直流充电。其中，交流充电机分为单相交流充电和三相交流充电。交流单相充电机主要面向家用，实现小功率慢充，特点是方便安装。交流三相充电机的充电功率相对较大，可以实现快速充电，适用于公共场所。而直流充电可实现超大功率充电，充电速度快，但是直流充电设施的建设要求高、成本高。电动汽车发展至今，车载充电机被各汽车厂商广泛应用。虽然目前对于电动汽车电池电压等级没有统一的标准，但是我国制定了电动汽车用传导式车载充电机的标准QC/T895，对于单相220V交流电源要求额定输入电流值为10A、16A和32A。标准虽然没有规定三相输入电压电流的额定值，但三相充电模式为可扩展项，在GB/T20234.2中也要求预留三相充电插头接口。
车载充电机便于用户充电，但由于车载充电机系统安装在电动汽车内部，缺点为占据更多电动汽车空间，增加电动汽车重量。为了解决车载充电机存在的问题，提出了电动汽车车载集成充电机，其充分利用电动汽车电驱动系统中已有的硬件电路来实现充电功能，具有占用体积小、成本低等特点，因其高度集成化，为未来电动汽车充电机提供一种选择，其核心思想是将电动汽车电驱动系统的硬件包含电机绕组复用为充电机。电动汽车车载集成充电机具有低成本高充电功率的优势，其未来应用潜力巨大，但在充电机单相慢充应用场合，输出侧存在较大的二次功率脉动，严重影响充电效率，减少电池寿命，并且还增加了安全隐患。
发明内容
发明目的：针对上述问题，提出一种计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统，以实现电动汽车电驱与动力电池充电功能总集成，同时抑制充电时系统直流侧的二次功率纹波。
技术方案：一种计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统，其特征在于：包括不控整流桥、三相永磁同步电机、三相逆变器、输出滤波电容、动力电池、储能电感、储能电容、模式切换开关K 1、K 2、K 3；
单相交流电源连接不控整流桥输入端，不控整流桥的负极连接动力电池的负极；输出滤波电容与动力电池并联在三相逆变器的输入端；三相永磁同步电机的A相绕组和B相绕组分别对应连接三相逆变器的A相和B相输出端，三相永磁同步电机的C相绕组的接线端通过模式切换开关K 1切换连接三相逆变器的C相输出端或连接不控整流桥的正极；储能电感的一端与三相逆变器的C相输出端连接，模式切换开关K 2用于将储能电感的另一端切换至悬空或连接动力电池的负极；三相逆变器的C相桥臂的负极通过模式切换开关K 3切换连接接动力电池的负极或连接储能电容的一端，储能电容的另一端连接接动力电池的负极；
在电驱模式，通过操作模式切换开关K 1、K 2、K 3，连接三相永磁同步电机的C相绕组接线端到三相逆变器的C相输出端，控制三相逆变器的C相桥臂的负极连接动力电池负极，储能电感的一端悬空，此时动力电池通过三相逆变器驱动三相永磁同步电机运行；
在充电模式，通过操作模式切换开关K 1、K 2、K 3，控制不控整流桥的正极连接三相永磁同步电机的C相绕组接线端，三相逆变器的C相桥臂的负极连接储能电容的一端，储能电感的一端连接动力电池负极，三相永磁同步电机中的三相绕组和三相逆变器的A相、B相半桥构成双Boost并联电路，对交流侧进行功率因数校正并对直流侧电压进行调节；三相逆变器的剩余的C相半桥、储能电容和储能电感构成有源滤波器，吸收直流侧二次功率纹波，抑制动力电池的充电电流纹波。
有益效果：该系统充分利用电动汽车原有的三相逆变器、三相永磁同步电机绕组，在原有电驱系统的基础上只需要增加一个电容、一个储能电容与三个切换开关，即可完成网侧功率因数校正和直流侧二次功率脉动抑制的功能，在提高充电电流质量的同时，有效降低了系统的成本与体积。
附图说明
图1为一种计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统结构示意图；
图2为充电模式下系统简化拓扑结构；
图3为网侧电压和电流仿真结果；
图4为无有源滤波器系统充电电流仿真结果；
图5为一种计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统充电电流仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统，其特征在于：包括不控整流桥2、三相永磁同步电机3、三相逆变器4、输出滤波电容5、动力电池6、储能电感7、储能电容8、模式切换开关K 1、K 2、K 3；
单相交流电源1连接不控整流桥2输入端，不控整流桥2的负极连接动力电池6的负极；输出滤波电容5与动力电池6并联在三相逆变器4的输入端；三相永磁同步电机3的A相绕组和B相绕组分别对应连接三相逆变器4的A相和B相输出端，三相永磁同步电机3的C相绕组的接线端通过模式切换开关K 1切换连接三相逆变器4的C相输出端或连接不控整流桥2的正极；储能电感7的一端与三相逆变器4的C相输出端连接，模式切换开关K 2用于将储能电感7的另一端切换至悬空或连接动力电池6的负极；三相逆变器4的C相桥臂的负极通过模式切换开关K 3切换连接接动力电池6的负极或连接储能电容8的一端，储能电容8的另一端连接接动力电池6的负极；
在电驱模式，通过操作模式切换开关K 1、K 2、K 3，连接三相永磁同步电机3的C相绕组接线端到三相逆变器4的C相输出端，控制三相逆变器4的C相桥臂的负极连接动力电池6负极，储能电感7的一端悬空，此时动力电池6通过三相逆变器4驱动三相永磁同步电机3运行；
在充电模式，通过操作模式切换开关K 1、K 2、K 3，控制不控整流桥2的正极连接三相永磁同步电机3的C相绕组接线端，三相逆变器4的C相桥臂的负极连接储能电容8的一端，储能电感7的一端连接动力电池6负极，三相永磁同步电机3中的三相绕组和三相逆变器4的A相、B相半桥构成双Boost并联电路，对交流侧进行功率因数校正并对直流侧电压进行调节；三相逆变器4的剩余的C相半桥、储能电容8和储能电感7构成有源滤波器，吸收直流侧二次功率纹波，抑制动力电池6的充电电流纹波。
本实施例中，通过复用三相永磁同步电机绕组与三相逆变器，在充电时将三相永磁同步电机的三相绕组和与三相逆变器的两组半桥重构为一个双Boost并联电路，实现对网侧的功率因数校正，同时将剩余的一组半桥与一个储能电容和一个储能电感重构为一个有源滤波器，抑制直流侧二次功率纹波，实现较小的充电电流脉动，获得高质量充电电流，以延长动力电池的使用寿命。
为验证本发明的技术问题，构建了计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统的简化拓扑电路，如图2所示，它主要由双Boost并联电路和有源滤波器电路构成。在本实施例中，单相交流电源电压幅值48V；频率50Hz；充电电压52V；充电电流10A；输出功率520W；储能电容798uF；储能电感55uH；动力电池容量20Ah。
在本实施例中，图3为网侧电压与电流波形，可以看出，充电过程中电源输入电压和电流波形相位基本一致并且电流呈正弦状态，满足单位功率因数运行要求。
图4为无有源滤波器系统的充电电流波形，可以看出，当系统只有输出滤波电容而无有源滤波器时，充电电流纹波高达20A左右，这将大大降低电池的使用寿命。
图5为本发明提出的计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统直流侧充电电流波形，由图可见，充电电流纹波由图4的20A左右降低至图5的3A左右，电流脉动抑制效果显著。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种计及二次功率纹波抑制的电动汽车集成充电系统，其特征在于：包括不控整流桥(2)、三相永磁同步电机(3)、三相逆变器(4)、输出滤波电容(5)、动力电池(6)、储能电感(7)、储能电容(8)、模式切换开关K 1、K 2、K 3；
单相交流电源(1)连接不控整流桥(2)输入端，不控整流桥(2)的负极连接动力电池(6)的负极；输出滤波电容(5)与动力电池(6)并联在三相逆变器(4)的输入端；三相永磁同步电机(3)的A相绕组和B相绕组分别对应连接三相逆变器(4)的A相和B相输出端，三相永磁同步电机(3)的C相绕组的接线端通过模式切换开关K 1切换连接三相逆变器(4)的C相输出端或连接不控整流桥(2)的正极；储能电感(7)的一端与三相逆变器(4)的C相输出端连接，模式切换开关K 2用于将储能电感(7)的另一端切换至悬空或连接动力电池(6)的负极；三相逆变器(4)的C相桥臂的负极通过模式切换开关K 3切换连接动力电池(6)的负极或连接储能电容(8)的一端，储能电容(8)的另一端连接动力电池(6)的负极；
在电驱模式，通过操作模式切换开关K 1、K 2、K 3，连接三相永磁同步电机(3)的C相绕组接线端到三相逆变器(4)的C相输出端，控制三相逆变器(4)的C相桥臂的负极连接动力电池(6)负极，储能电感(7)的一端悬空，此时动力电池(6)通过三相逆变器(4)驱动三相永磁同步电机(3)运行；
在充电模式，通过操作模式切换开关K 1、K 2、K 3，控制不控整流桥(2)的正极连接三相永磁同步电机(3)的C相绕组接线端，三相逆变器(4)的C相桥臂的负极连接储能电容(8)的一端，储能电感(7)的一端连接动力电池(6)负极，三相永磁同步电机(3)中的三相绕组和三相逆变器(4)的A相、B相半桥构成双Boost并联电路，对交流侧进行功率因数校正并对直流侧电压进行调节；三相逆变器(4)的剩余的C相半桥、储能电容(8)和储能电感(6)构成有源滤波器，吸收直流侧二次功率纹波，抑制动力电池(7)的充电电流纹波。
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