CN204179732U - 基于v2g的多功能车载充放电器 - Google Patents

基于v2g的多功能车载充放电器 Download PDF

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张克玲
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Abstract

本实用新型涉及一种基于V2G的多功能车载充放电器，解决了制动过程中能量浪费的问题，包括了依次连接的DC/DC转换器、双向AC/DC转换器和储能单元，该双向AC/DC转换器与交流电网连接，再生制动控制单元通过交流电机与双向AC/DC转换器相连，以实现从交流电机到储能单元的再生制动能量的回馈，采用DC/DC转换器，实现交流电网到储能单元的充电、储能单元到交流电机的放电、交流电机制动到储能单元的充电三种模式，有效将制动过程中产生的能力加以回收利用，保存到蓄电池中，使得车辆的续驶里程可得到很大的提高，同时也能实现能量的节约和有效利用。

Description

基于V2G的多功能车载充放电器
技术领域
本实用新型涉及电动汽车充放电，特别涉及一种基于V2G的多功能车载充放电器。
背景技术
随着日益严重的能源危机和环境污染问题，新能源汽车已经成为未来汽车工业的发展方向，便捷的充放电系统则成为推动电动汽车快速发展的关键因素。根据相关统计，一台电动汽车95% 的时间处于停驶的状态，电动汽车充电站可以在电网用电低峰时期对电动汽车及其备用蓄电池进行充电，而在用电高峰期将电动汽车电池能量反馈回电网，这种电能在电动汽车和电网之间循环利用的技术就是V2G技术。在电动汽车大力推广后，成百上千的电动汽车就可以构成微电网系统，在紧急状况下还可以作为应急电源，为微电网的安全运行提供有效的支撑。
目前，常用的充电电路采用晶闸管相控整流或不可控整流技术，电路复杂，成本高，当采用二极管整流电路作为充放电系统的主电路时，虽然能保证网侧输入电流的基波分量的相位与电网电压相位大体相同，从而使得基波功率因数较高，但其网侧输入电流中高次谐波分量却很大，从而使得总的功率因数变低。另外，相控方式的充电装置同样也会导致网侧电压波形畸变和向电网注入大量的谐波。因此，充放电装置的谐波污染和低功率因数已成为阻碍蓄电池充放电系统发展和应用的重大障碍。
城市工况下,车辆的平均速度较低、负荷率的起伏变化较大,还需频繁的启动制动，传统汽车制动过程中的所有能量都是以热能的行驶散发了，相关研究显示,汽车制动过程中以热能方式耗散的能量约占驱动总能的50%，另外，家电等负载在制动过程中的能量也会以热能的形式散发掉，如果可以将这部分能量加以回收利用，车辆的续驶里程可得到很大的提高，同时也能实现能量的节约和有效利用。
实用新型内容
为了克服制动过程中能量浪费的不足，本实用新型提供一种基于V2G的多功能车载充放电器。
一种基于V2G的多功能车载充放电器，包括了依次连接的交流电网、DC/DC转换器、双向AC/DC转换器和储能单元，再生制动控制单元通过交流电机与双向AC/DC转换器相连，以实现从交流电机到储能单元的再生制动能量的回馈。
所述DC/DC转换器包括可控开关S1/S2/S3/S4/S5、二极管D1/D2/D3/D4/D5、电感Ls、蓄电池Bat、电容C1，二极管D1/D2/D3/D4分别反并联在可控开关S1/S2/S3/S4两端，电容C1、串联后的可控开关S2/S4均并联在双向AC/DC转换器两端，可控开关S1、蓄电池Bat、可控开关S3依次串联后并联在交流电网两端，电感Ls、可控开关S5、二极管D5串联后并联在可控开关S1两端。
所述的双向AC/DC转换器包括三相电压型PWM整流器和IGBT全控器件。
还包括电网电力调度中心，它包括SVPWM发生器和DSP控制器。
所述储能单元包括储蓄电池Bat和蓄电池管理模块，所述蓄电池管理模块包括用于电动汽车和蓄电池电流电压以及SOC的采集的信号采集模块和用于处理采集到的信息的MCU处理模块。
所述储能单元还包括监测保护电路，它包括储能单元过充电保护电路和过放电保护电路。
所述DC/DC转换器和交流电网之间设有第一断路器K1。
所述双向AC/DC转换器和交流电机之间设有第二断路器K2。
本实用新型的有益效果是：本实用新型采用DC/DC转换器，实现交流电网到储能单元的充电、储能单元到交流电机的放电、交流电机制动到储能单元的充电三种模式，有效将制动过程中产生的能力加以回收利用，保存到蓄电池中，使得车辆的续驶里程可得到很大的提高，同时也能实现能量的节约和有效利用。
附图说明
图1是本实用新型的电路框图。
图2是本实用新型的DC/DC转换器电路图。
图3是本实用新型双向AC/DC转换器电路图及双闭环控制电路图。
图4是本实用新型充电电流路径示意图。
图5是本实用新型充电电流路径示意图。
图6是本实用新型充电电流路径示意图。
图7是本实用新型充电电流路径示意图。
图8是本实用新型放电电流路径示意图。
图9是本实用新型放电电流路径示意图。
图10是本实用新型再生制动充电电流路径示意图。
图11是本实用新型再生制动充电电流路径示意图。
图12是本实用新型SOC控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型实施例作进一步说明：
如图1所示，一种基于V2G的多功能车载充放电器，包括了依次连接的交流电网、DC/DC转换器、双向AC/DC转换器和储能单元，再生制动控制单元通过交流电机与双向AC/DC转换器相连，以实现从交流电机到储能单元的再生制动能量的回馈，有效将制动过程中产生的能力加以回收利用，保存到蓄电池中，使得车辆的续驶里程可得到很大的提高，同时也能实现能量的节约和有效利用。 
如图2所示，所述DC/DC转换器包括可控开关S1/S2/S3/S4/S5、二极管D1/D2/D3/D4/D5、电感Ls、蓄电池Bat、电容C1，二极管D1/D2/D3/D4分别反并联在可控开关S1/S2/S3/S4两端，电容C1、串联后的可控开关S2/S4均并联在双向AC/DC转换器两端，可控开关S1、蓄电池Bat、可控开关S3依次串联后并联在交流电网两端，电感Ls、可控开关S5、二极管D5串联后并联在可控开关S1两端，该DC/DC转换器结构简单，可以在推进和循环模式中具有升压能力，可以在刹车回收能量模式提供步增后退功能，在再生制动模式中具有降压能力，满足充电、放电和直流/直流变频器的要求，在基于V2G的多功能车载充放电器中加入软开关，减少整个系统的开关损耗，缩小器件体积，通过进一步的提高开关频率来减少输出能量中的谐波含量，减少滤波器的使用容量，提高输出功率的效率，且交流输出电压电流稳定，在大容量的充放电系统中能够输出失真度较小的正弦波，安全可靠。
充电操作时，该转换器包含有两个不对称的等效电路，该等效电路基于充电操作时电网电压的极性来定。
如图4、图5所示，当电网电压的方向是正时，在电网的半个周期中， S5转向“开”，同时根据电网电力调度中心的控制系统，S2切换至“关”，电感Ls电流受到VBat-Vs的影响而减少，类似于典型的升压操作，此时电流的路径是D3-Ls-D2, 此时存在另外一路电流的路径是Ls-S5-D5-D3，由此路电流对储能蓄电池进行充电。
如图6、图7所示，当电网电压的方向是负时，在电网的半个周期中， S5转向“关”，同时根据电网电力调度中心的控制系统，S2切换至“开”，电感Ls存储能量，此时电流的路径是D2-Ls-D3。此时存在另外一路电流的路径是Ls-D1-D2，由此路电流对储能蓄电池进行充电。
在推进过程中升压操作时，电网电力调度中心将储能蓄电池电压提高到直流母线电压，由升压开关S2的状态来确定传导路径，在这个操作过程中，S2作为主开关，S1导通允许电流通过。
放电操作时，该转换器包含有两个不对称的等效电路。
如图8所示，根据电网电力调度中心的控制系统，S2切换至“关”，此时电流的路径是D1-Ls-D4，储能蓄电池和电感Ls将存储的能量释放到电机中，产生高电压使D4导通，对高压母线电容C1进行充电，同时对交流电机进行供电。
如图9所示，根据电网电力调度中心的控制系统，S2切换至“开”，此时电流的路径是D1-Ls-D4,由此将储能蓄电池中的能力储存到电感Ls中。
再生制动的降压操作中，由于最高的制动能量出现在高速行驶时，因此，降压操作用来诱导推进机终端两端的高电压，是至关重要的模式。
如图10所示，根据电网电力调度中心的控制系统，S4切换至“开”，此时电流的路径是D4-Ls-D1,通过切换S4来降低逆变器的输出高电压。在S4导通期间，电感Ls存储的能量和高压母线电容C1的能量从高压直流母线通过D1传给电池。
如图11所示，在惯性滑行的操作中，高压母线电容C1对储能蓄电池放电的同时，电感Ls也将能量转移给储能蓄电池，电流的路径是D2-Ls-D1。
如图3所示，所述的双向AC/DC转换器包括三相电压型PWM整流器和IGBT全控器件，控制三相电压型PWM 整流电路，以获得网侧电流接近正弦化、单位功率因数控制、能量的双向流动，真正实现“绿色电能变化”，三相电压型PWM整流器既需在整流状态工作，又需在逆变状态工作，也可称之为整流/逆变变换器。
所述的三相电压型PWM整流器采用电压电流双闭环控制结构，电压外环的作用是输出稳定的直流电压，电流内环是按电压外输出的直流电流指令进行电流控制，实现整流变换器单位功率因数正弦波，同时为了改善系统的抗干扰能力，减少母线电压产生的波动，对整流变换器部分采用负载电流和电网电压前馈补偿的控制方法，有效地降低了负载电流和电网电压对直流母线电压的波动。
如图1、图2所示，还包括电网电力调度中心，它包括SVPWM发生器和DSP控制器，SVPWM发生器可以产生PWM信号对三相电压型PWM整流器进行控制，DSP控制器控制能量双向流动的同时，实现谐波治理。
所述储能单元包括蓄电池Bat和蓄电池管理模块,所述蓄电池Bat包括储能蓄电池和备用电池，所述蓄电池管理模块包括MCU处理模块和信号采集模块；信号采集模块主要用于交流电机、储能单元电流电压以及SOC的采集，采集来的信号传送到MCU处理模块进行计算后向电网电力调度中心发出控制指令，蓄电池的充电和放电共用一个变换电路，减少电力电子接口成本。
如图12所示，所述的以当前SOC为依据进行控制主要通过以下方式：
当SOC≥70%时，电网电力调度中心发出控制信号，控制断路器K1/K2，控制接通相关电路，此时根据负载需求由储能蓄电池供电给交流电机，及交流电机制动给储能蓄电池充电。
当SOC＞90%，需要适当放电时，接通备用电池的开关，将释放的电能储存在备用电池中。
当70%≥SOC≥30%，电网电力调度中心发出控制信号，控制断路器K1/K2，控制接通相关电路，此时根据负载需求由储能蓄电池供电给交流电机。
当SOC≤30%，电网电力调度中心发出控制信号，控制断路器K1/K2，控制接通相关电路，此时由交流电网对储能蓄电池进行充电。
所述储能单元还包括监测保护电路，它包括储能单元过充电保护电路和过放电保护电路，以保护储能单元的过充电和过放电。
所述DC/DC转换器和交流电网之间设有第一断路器K1。
所述双向AC/DC转换器和交流电机之间设有第二断路器K2。
使用时，交流电网通过双向AC/DC转换器和DC/DC转换器对储能单元进行充电，将电能存储在储能单元中。储能单元可以是电动汽车、储能蓄电池和超级电容。当储能单元中通过电池管理单元检测到电池容量达到充满的要求时，闭合断路器K1，停止充电。在交流电机启动的时候，闭合断路器K2，通过再生制动控制单元，将交流电机再生制动的能量反馈到储能单元中。保持断路器的闭合状态，由储能单元通过双向AC/DC转换器和DC/DC转换器对交流电机供电，直到电机关闭。
以上结合附图所描述的实施例仅是本实用新型的优选实施方式，而并非对本实用新型的保护范围的限定，任何基于本实用新型精神所做的改进都理应在本实用新型保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于V2G的多功能车载充放电器，其特征在于：包括了依次连接的交流电网、DC/DC转换器、双向AC/DC转换器和储能单元，再生制动控制单元通过交流电机与双向AC/DC转换器相连，以实现从交流电机到储能单元的再生制动能量的回馈。
2.根据权利要求1所述的基于V2G的多功能车载充放电器，其特征在于：所述DC/DC转换器包括可控开关S1/S2/S3/S4/S5、二极管D1/D2/D3/D4/D5、电感Ls、电容C1，二极管D1/D2/D3/D4分别反向并联在可控开关S1/S2/S3/S4两端，电容C1和串联后的可控开关S2/S4均并联在双向AC/DC转换器两端，可控开关S1、蓄电池Bat、可控开关S3依次串联后并联在交流电网两端，电感Ls、可控开关S5、二极管D5串联后并联在可控开关S1两端。
3.根据权利要求1所述的基于V2G的多功能车载充放电器，其特征在于：所述双向AC/DC转换器包括三相电压型PWM整流器和IGBT全控器件。
4.根据权利要求1所述的基于V2G的多功能车载充放电器，其特征在于：还包括电网电力调度中心，它包括SVPWM发生器和DSP控制器。
5.根据权利要求4所述的基于V2G的多功能车载充放电器，其特征在于：所述储能单元包括蓄电池Bat和蓄电池管理模块，所述蓄电池管理模块包括用于电动汽车和蓄电池电流电压以及SOC的采集的信号采集模块和用于处理采集到的信息的MCU处理模块。
6.根据权利要求1所述的基于V2G的多功能车载充放电器，其特征在于：所述储能单元还包括监测保护电路，它包括储能单元过充电保护电路和过放电保护电路。
7.根据权利要求1所述的基于V2G的多功能车载充放电器，其特征在于：所述DC/DC转换器和交流电网之间设有第一断路器K1。
8.根据权利要求1所述的基于V2G的多功能车载充放电器，其特征在于：所述双向AC/DC转换器和交流电机之间设有第二断路器K2。
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