CN114030385B - 应用于多类型新能源载具充电的充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于多类型新能源载具充电的充电装置，该装置提供若干种不同型号功率及电压输出的模块，每个模块包括级联型固态变压器及输出端模块；所述级联型固态变压器由若干个固态变压器单元级联而成，所述固态变压器单元包括输入级、变压级和输出级；所述输出端模块包括若干个并联的输出端口。本发明能够在充电车辆数目发生变化时削减零序电流，解决功率变化引起的电流不平衡问题；并且解决了现有的新能源交通工具充电装置目前只能为单一功率及电压类型的交通工具进行充电的不足。

Description

应用于多类型新能源载具充电的充电装置
技术领域
本发明涉及一种新能源交通工具的充电装置，尤其涉及一种应用于多类型新能源载具充电的充电装置。
背景技术
变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯，具有电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压等主要功能，目前在电力输送过程中，需要通过电缆与变压器的配合使用实现电力输送中电压变化的需求，以保证电力传输的稳定高效。
如申请号为CN201710574806.5的专利中，公开一种电动汽车多路快速充电装置，包括充电桩，与所述充电桩通过双股电缆连接的充电枪，设置在电动汽车上并与所述充电枪插接配合的充电座及串并联控制器，与现有技术不同的是：所述电动汽车的电池被分为多个电池组，当所述充电枪未插入所述充电座时，所述串并联控制器控制多个所述电池组串联为电动汽车的电动机提供电能，当所述充电枪插入所述充电座时，所述串并联控制器控制所述充电枪依次为多个所述电池组分别充电。相比于普通充电方法，该方案采用了并联的多路充电。由于对每个电池组单独充电，加快了充电时间，每个充电电路互不干扰，解决了电流不均衡问题。花式多路并联插口的设计，实现了多路并联的可能，并使控制更方便实用。申请号为CN202110714166.X的专利中，公开了一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法，包括：多端口柔性互联模块；级联全桥变换器，级联全桥变换器的交流输入端串联接入多端口柔性互联模块；以及，隔离型直流变换器，各个隔离型直流变换器的一端与级联全桥变换器的子模块的直流输出侧相连接，其另一端相互并联构成低压直流母线。该专利能实现多交流馈线互联，并通过调节串联在线路上的等效电压源幅值相位，进行线路有功功率和无功功率解耦的主动控制，从而实现多交流馈线间的功率互济，有利于配电网经济高效运行；多端口柔性互联模块具备模块化的特点，通过增加互联模块中并联电压源型单相变换器数量，可快速、经济地实现互联端口的拓展。
现有的新能源交通工具充电装置中，内置的变压器并不能满足同时为不同电压和功率型号的新能源交通工具进行充电，针对不同类型的新能源交通载具，需要对应型号的充电站进行充电，内置的变压器结构也仅提供多个同种功率及电压输出的输出端口。此外，现有的固态变压器的级联结构往往通过三相交流电中的两相进行输入，由于不同时间充电车辆数目不同，输出端口的功率也会变得不同，这将会引起电流不平衡现象，阻碍充电的有效输出。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种应用于多类型新能源载具充电的充电装置，能够在充电车辆数目发生变化时削减零序电流，解决功率变化引起的电流不平衡问题；并且解决了现有的新能源交通工具充电装置目前只能为单一功率及电压类型的交通工具进行充电的不足，能够为常用三种型号的新能源交通工具进行插电式充电服务，例如350-400V的普通新能源汽车，800V的重型新能源公交车、汽车及48V的二轮或三轮载具。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种应用于多类型新能源载具充电的充电装置该装置提供若干种不同型号功率及电压输出的模块，每个模块包括级联型固态变压器及输出端模块；所述级联型固态变压器由若干个固态变压器单元级联而成，所述固态变压器单元包括输入级、变压级和输出级，固态变压器输入级包括串联的整流电路、滤波电路、逆变电路、以及初级线圈，固态变压器变压级采用磁芯式结构，固态变压器输出级包括串联的次级线圈和DC-DC转换器，各固态变压器单元的输出端并联作为固态变压器的输出；所述输出端模块包括若干个并联的输出端口。
所述固态变压器输入级中的整流电路采用三角形连接的级联H桥转换器，所述固态变压器输出级中的DC-DC转换器采用有源全桥转换器，所述级联H桥转换器由若干双全桥子模块在输入级串联而成；每三个串联的双全桥子模块与一个QAB转换器对应输出。其中所述双全桥子模块由两个全桥子模块级联而成，所述全桥子模块包括两组并联的MOS管组，每组MOS管组由两个MOS管串联而成，每个MOS管与二极管并联，MOS管的漏极连接二极管的负极，MOS管的源极连接二极管的正极。
所述固态变压器单元的输出级中除次级线圈外还包括平衡绕组，各单元的平衡绕组均为并联连接。
m个固态变压器输入级进行级联，第1个固态变压器输入级单元中整流电路模块的正极输入端口连接到三相交流母线中的一相上，第1个固态变压器输入级单元中整流电路模块的负极输入端口连接第2个固态变压器输入级单元中整流电路模块的正极输入端口；以此类推，第m-1个固态变压器输入级单元中整流电路模块的负极输入端口连接第m个固态变压器输入级单元中整流电路模块的正极输入端口连接，第m个固态变压器输入级单元中整流电路模块的负极输入端口连接到三相交流母线中区别于输入端连接的另一相上。
所述固态变压器输入级中整流电路的正极输出端口与逆变电路的正极输入端口相连，整流电路的负极输出端口与逆变电路的负极输入端口相连，整流电路与逆变电路之间并联滤波电容，逆变电路的输出级正极串联滤波电感，之后与变压器初级线圈进行串联。
所述的该装置提供若干种不同型号功率及电压输出的模块，包括适用于350-400V的普通新能源汽车的输出模块，适用于800V的重型新能源公交车、汽车的输出模块，以及适用于48V的二轮或三轮载具的输出模块。
有益效果：相比现有技术，本发明具有以下优点：能够满足大部分常规型号的载具进行同时充电服务，包括新能源公交车、新能源汽车、电动自行车、两轮平衡车、电动轮椅等，可以直接对各种载具进行插电式充电服务，直接供电；由于充电车辆数目会发生变化，所以输出功率也会发生变化，会产生零序电流，为了降低零序电流幅值，削减零序电流带来的不平衡性，通过增添平衡绕组并联方式，让在平衡绕组并联线路中的循环电流减少变压器反电动势之间的偏差，以此来解决零序电流的不平衡性。
附图说明
图1是本发明所述的应用于多类型新能源载具充电的充电装置的框图；
图2是本发明所述的固态变压器结构图；
图3是全桥结构拓扑图；
图4是固态变压器单个变压单元结构示意图；
图5是本发明所述的应用于多类型新能源载具充电的充电装置的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的应用于多类型新能源载具充电的充电装置，拓扑结构图如图1所示。包括提供了3种不同型号功率及电压输出的模块，输出常见型号功率及电压，例如350-400V的普通新能源汽车，800V的重型新能源公交车、汽车及48V的二轮或三轮载具。每个模块分为输入级、变压级和输出级，输入级级联m个固态变压器输入级结构，用于降低每个分模块的电压电流应力，变压级采用磁芯式结构，输出级包括普通功率及电压输出端口。固态变压器输入级结构包括AC/DC整流电路和DC/AC逆变电路，整流电路和逆变电路之间的滤波电容及逆变电路后的滤波电感，输出级的普通功率及电压输出结构包括m个并联的AC/DC整流结构共同组成的输出端口。每个输出端都包含n个并联的输出端口，可以提供给n个同型号的新能源交通工具充电服务。
如图2所示，为本发明所述的固态变压器的结构图，为级联型固态变压器。每个固态变压器单元包括两个结构采用三角形连接的级联H桥(CHB)转化器和有源全桥(QAB)转换器，CHB转换器主要实现AC到DC级的转换，QAB转换器主要实现DC到DC级转换，CHB转换器有许多全桥子模块，子模块在输入端进行串联；每三个双全桥子模块与一个QAB转换器进行组合构成一个单元，每个单元中包含一个输出端口，将n个单元进行组合形成一个完整的变换整体，n个单元的输出端进行并联形成一个输出端口。
如图3所示，为全桥结构拓扑图。MOS管与二极管进行并联，MOS管的漏极连接二极管的负极，MOS管的源极连接二极管的正极，采用全桥式连接结构，1号MOS管与2号MOS管进行串联，1号MOS管的源极与2号MOS管的漏极进行串联，形成一个半桥，3号和4号MOS管同样采用以上模式形成另一个半桥，将两个半桥模块进行并联形成一个全桥模块；全桥模块的输入端口分别是与1号MOS管漏极连接的正极输入端口和与2号MOS管源极连接的负极输入端口；全桥模块的输出端口分别是与3号MOS管源极连接的正极输出端口和与4号MOS管漏极连接的负极输出端口。通过不同的PWM波并以此结构形成对应的整流电路模块和逆变电路模块。
整流电路模块的正极输出端口与逆变电路的正极输入端口相连，整流电路模块的负极输出端口与逆变电路的负极输入端口相连，整流电路模块与逆变电路模块之间并联滤波电容，以此构成一个双全桥子模块，如图4所示。逆变电路的输出级正极串联滤波电感，之后与变压器初级线圈进行串联形成单个固态变压器输入级单元。
m个固态变压器输入级结构进行级联构成一个级联输入模块，第1个固态变压器输入级单元中整流电路模块的正极输入端口连接到三相交流母线中的一相上，第1个固态变压器输入级单元中整流电路模块的负极输入端口连接第2个固态变压器输入级单元中整流电路模块的正极输入端口；以此类推，第m-1个固态变压器输入级单元中整流电路模块的负极输入端口连接第m个固态变压器输入级单元中整流电路模块的正极输入端口连接，第m个固态变压器输入级单元中整流电路模块的负极输入端口连接到三相交流母线中区别于输入端连接的一相上。
变压级为磁芯结构，输入级的初级线圈，输出级的次级线圈和磁芯实现变压。由于充电车辆数目会发生变化，所以输出功率也会发生变化，会产生零序电流，为了降低零序电流幅值，削减零序电流带来的不平衡性，通过增添平衡绕组并联方式，让在平衡绕组并联线路中的循环电流减少变压器反电动势之间的偏差，以此来解决零序电流的不平衡性。输出级的次级线圈中，除连接到QAB变换器的次级线圈外，每个单元还额外增加了平衡绕组，所有单元的平衡绕组都是并联的，解决了由于三种类型变压器由于输入相位的不同之间存在的不对称、不平衡问题。
输出级包含输出端口，其中输出模块包括m个整流电路和整流电路之后并联的滤波电容再次并联构成的一个共同输出的输出端口，输出所需对应的功率及电压，以给予对象进行充电服务。
图5是本发明所述的应用于多类型新能源载具充电的充电装置的工作流程图。具体操作过程中，以输出800V的模块1为例，交流电流进入模块1后，由于固态变压器输入级以级联模式进行连接存在，能降低每个固态变压器输入级的电压电流应力，交流电流通过整流电路将交流转换为直流，经过电容滤波后经过逆变电路将直流电转换成220V通过变压级将220V转换成800V交流电，后经整流电路转换为800V直流电。

Claims (5)

1.一种应用于多类型新能源载具充电的充电装置，其特征在于：该装置提供若干种不同型号功率及电压输出的模块，每个模块包括级联型固态变压器及输出端模块；所述级联型固态变压器由若干个固态变压器单元级联而成，所述固态变压器单元包括输入级、变压级和输出级，固态变压器输入级包括串联的整流电路、滤波电路、逆变电路、以及初级线圈，固态变压器变压级采用磁芯式结构，固态变压器输出级包括串联的次级线圈和DC-DC转换器，各固态变压器单元的输出端并联作为固态变压器的输出；所述输出端模块包括若干个并联的输出端口；所述固态变压器单元的输出级中除次级线圈外还包括平衡绕组，各单元的平衡绕组均为并联连接；m个固态变压器输入级进行级联，第1个固态变压器输入级单元中整流电路模块的正极输入端口连接到三相交流母线中的一相上，第1个固态变压器输入级单元中整流电路模块的负极输入端口连接第2个固态变压器输入级单元中整流电路模块的正极输入端口；以此类推，第m-1个固态变压器输入级单元中整流电路模块的负极输入端口连接第m个固态变压器输入级单元中整流电路模块的正极输入端口连接，第m个固态变压器输入级单元中整流电路模块的负极输入端口连接到三相交流母线中区别于输入端连接的另一相上。
2.根据权利要求1所述的应用于多类型新能源载具充电的充电装置，其特征在于：所述固态变压器输入级中的整流电路采用三角形连接的级联H桥转换器，所述固态变压器输出级中的DC-DC转换器采用有源全桥转换器，所述级联H桥转换器由若干双全桥子模块在输入级串联而成；每三个串联的双全桥子模块与一个QAB转换器对应输出。
3.根据权利要求2所述的应用于多类型新能源载具充电的充电装置，其特征在于：所述双全桥子模块由两个全桥子模块级联而成，所述全桥子模块包括两组并联的MOS管组，每组MOS管组由两个MOS管串联而成，每个MOS管与二极管并联，MOS管的漏极连接二极管的负极，MOS管的源极连接二极管的正极。
4.根据权利要求1所述的应用于多类型新能源载具充电的充电装置，其特征在于：所述固态变压器输入级中整流电路的正极输出端口与逆变电路的正极输入端口相连，整流电路的负极输出端口与逆变电路的负极输入端口相连，整流电路与逆变电路之间并联滤波电容，逆变电路的输出级正极串联滤波电感，之后与变压器初级线圈进行串联。
5.根据权利要求1所述的应用于多类型新能源载具充电的充电装置，其特征在于：所述的该装置提供若干种不同型号功率及电压输出的模块，包括适用于350-400V的普通新能源汽车的输出模块，适用于800V的重型新能源公交车、汽车的输出模块，以及适用于48V的二轮或三轮载具的输出模块。
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