JP2014516507A

JP2014516507A - 電気自動車ｐｗｍ整流器およびインバータトランスパルス充電システム

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Publication number: JP2014516507A
Application number: JP2014505495A
Authority: JP
Inventors: ゼファシャオ
Original assignee: ゼファシャオ
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2014-07-10
Also published as: CN202019221U; EP2701274A4; EP2701274B1; EP2701274A1; US20140035530A1; US9409487B2; WO2012142925A1

Abstract

この発明は、電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムに関する。これは大型バッテリー充電システムに属し、整流器と充電部を含む。整流器は次々にＡＣ電源や充電部と接続する。上述の充電システムは、ＤＣ充電管理も含む。その中の充電部は、ＤＣ入力部とＤＣ出力部から組成されている。上述の整流器、ＤＣ入力部、ＤＣ出力部とＤＣ充電管理部が相互に独立した部分で、ネットワークバスを介して連結される。この発明で提供された電気自動車ＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムの構造は非常に簡単で、容積も小さくて、すべての鉛亜鉛バッテリーに充電することができ、バッテリーの充電時間も大量に減少できる。そして、応用範囲も広くて、規格化のプロモーションに最適である。

Description

本発明は、大型バッテリー充電システムに関し、すなわち電気自動車ＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムである。

現在の電気自動車は、奇妙な用語ではない。電気自動車は内燃機関自動車と比べて非常に明確な優位性がある。低汚染と低ノイズのおかげで、電気自動車の発展はかなり速い。電気自動車の電源は大型バッテリーから電力が供給されるため、バッテリーに充電する技術はかなり重要である。普通の家庭用充電装置の電源は非常に小さい。しかも、充電の速度に高い要求もなくて、充電時間は普遍的に長い。だからその充電装置は、電気自動車に適用できない。電気自動車に適用する商用充電装置のバッテリーは、必ず低損耗、低汚染、ハイスピードの要求を満足しなければならない。電気自動車の大型バッテリーは、大容量、ハイパワー、高寿命などの特徴を持っている。それに充電する設備、特に内燃機関自動車のガソリンスタンドと同じような商用充電装置のパワー要求が高い。なぜなら、そのような充電装置は、一つのバッテリーに充電することはありえない。車全体ばかりでもなくすべてのバッテリーに充電しなければならない。しかし、充電装置のパワーを改善すると同時に、グリッドへ大きな影響を与える。ハイパワーは、グリッドを影響する主な要因である。

伝統的なハイパワー充電装置は位相制御整流器技術に基づき、サイリスタをパワー・デバイスとして、普通の３相整流技術を取り入れる以外、マルチパルス充電装置も開発された。ただし、位相制御整流器技術の充電装置は、バルキー容積、低力率、高調波汚染などの欠点がある。もし、充電装置の力率が低い場合に負荷を増大すると、グリッドやほかの電気設備に極大な影響を与える。その位相制御整流器は力率と高調波汚染の問題を解決するために、適応な高調波抑制と無効電力補償装置を配備しなければならない。しかしこれは、設備の容積が増大する上に、コストも増加する。たとえそのような措置を講ずるとしても、根本的に高調波汚染や力率問題を解決できない。

それに、電気自動車の充電は内燃機関自動車の燃料補給と同じように、通常の状況下で充電１０分で完了する。電気自動車の車載式充電装置について、メリットは、バッテリーを充電しなければならないとき、使用可能な電源コンセントがあれば、充電できる。デメリットは、車の空間によって制限されるので、パワーの処理能力も制限される。低電流を提供して充電しかできないので、充電の時間は通常は長い。もし、伝統的な充電技術を取り入れると、電気自動車バッテリーの一回充電は少なくとも１２時間以上かかる。それに、伝統的な充電方法がかなり簡単なので、常にバッテリーの使用寿命を縮めさせる。だから、伝統技術を用いて電気自動車に充電する方法を拡張したくてもできない。

だから、バッテリーの充電時間を減少する上に、バッテリーに損傷しないという技術問題を解決しなければならない。高力率と低高調波で、しかも高調波抑制と無効電力補償装置を配備しなくてもよい快速充電システムを開発しなければならない。

この発明の目的は、上述の技術課題を解決するために、高力率と低高調波で、しかも高調波抑制と無効電力補償装置を配備しなくてもよい一つの電気自動車ＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムを提供することである。

上述の技術課題を解決するために、この発明は以下の技術試案を採用する。

この発明で提供された電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムは、整流器と充電部を含み、整流器が次々にＡＣグリッドや充電部に接続されている電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムにおいて、
上述の充電システムがＤＣ充電管理部を含み、充電部は、ＤＣ入力とＤＣ出力から組成されていて、上述の整流器、ＤＣ入力、ＤＣ出力とＤＣ充電管理部が相互に独立した部分で、ネットワークバスを介して連結され、
整流器が電源から入力されたＡＣ電源を整流して濾過した後、安定的なＤＣ出力電圧が形成され、
ＤＣ入力部は、ＤＣ電流を計測し、ＤＣ電源の提供量を制御し、ＤＣ電源の入力と出力の安全保護を行い、
ＤＣ出力部は、車載エネルギー管理システムと通信し、出力電力変換を行い、バッテリーの充電に必要な電圧と電流の出力を調整し、
ＤＣ充電管理部がＨＣＩ（ヒューマンコンピュータインタラクション）実現し、画面表示、身分識別、費用の受取、領収書の印刷、データ管理、電流断続の制御、リモート監視をする。

優れた選択として、さらに技術的なソリューションは以下のとおりである。
整流器は、変圧器、整流器、制御部分、電源スイッチ、コンタクタ或いはブレーカから組成され、コンタクタ或いはブレーカと変圧器の役割は、主電源の入力と出力の隔離および電圧の降下と上昇であり、整流器は電源をＡＣ電源からＤＣ電源への変換を完成し、制御部は整流器に必要なＰＷＭのパルス信号を生成して、パワー・デバイスの制御および各種のロジック保護を完成し、電源スイッチを制御するために必要な各レベルの電圧を提供する。

さらに技術的なソリューションは以下のとおりである。
変圧器はエポキシ樹脂で鋳造した乾式変圧器が採用され、一次側と二次側が星型結線で作られ、変圧器の一次側がＡＣグリッドに接続され、二次側が整流器の入力端に接続され、整流器はＰＷＭ整流器であり、変圧器のＡＣグリッド側の電流が正弦で、力率も調整できて、電力を双方向に伝送する。

さらに技術的なソリューションは以下のとおりである。
制御部分は、制御装置とＰＷＭ整流器の制御基板から組成され、ＰＷＭ整流器の制御基板は、内側の電流制御ループと外側の電圧制御ループによって構成されたダブル・閉ループ制御システムであり、ダブル・閉ループ制御システムは、ＤＳＰをメイン制御チップとして、電圧空間ベクトル変調アルゴリズムで入力した電流と出力した電圧をコントロールして、変圧器のＡＣグリッド側の電流を正弦化し、力率と一定のＤＣ出力電圧機能を実現し、制御装置は、ＨＣＩを実現させて、マスター・スレーブ型のＲＳ−４８５バスでＰＷＭ整流器の制御基板と通信し、ＰＷＭ整流器制御基板にコマンドを送り、ＰＷＭ整流器の運行を制御し、運行の状態とパラメータを得る。

さらに技術的なソリューションは以下のとおりである。
ＤＣ入力部は、電源制御部、充電エネルギー計測部、制御基板、制御電源基板から組成されている。

さらに技術的なソリューションは以下のとおりである。
電源制御部はコンタクトと保護装置が採用され、ＤＣ充電管理部からの制御信号は、整流後の回路と後段回路が安全的に隔離して制御し、充電エネルギー計測部が高精度のセンサーで電圧と電流をサンプリングして、充電エネルギーを計測し、ＲＳ−４８５の通信インターフェースを通じて、電力データがＤＣ充電管理部に伝達し、制御基板は、１６ビットのＤＳＰをマスターチップのＳＣＭ（マイクロコントローラ）として、通信と駆動機能を完成させ、制御電源基板は複数の集積化電源部が採用され、２２０ＶのＡＣ電源電圧がいろいろな違うレベルのＤＣ電源電圧に転換し、制御基板とセンサーに安定な動作電源を提供する。

さらに技術的なソリューションは以下のとおりである。
ＤＣ出力部は、ＤＣコンバータ、制御基板、制御電源基板から組成されている。

さらに技術的なソリューションは以下のとおりである。
ＤＣ出力部のＤＣコンバータは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを取り入れて、電気自動車バッテリーに様々な方式で充電することが実現でき、充電の方式は、定電流充電、定電圧充電、３段階充電、パルス断続充電、正と負パルス充電方式を含み、充電の方式は自由に選択することができ、制御基板が１６ビットのＳＣＭをマスターチップとして、通信と駆動の機能を完成させ、制御電源基板が複数の集積化電源部を取り入れて、２２０ＶのＡＣ電源電圧をいろいろな違うレベルのＤＣ電源電圧に転換し、制御基板に安定な動作電源を提供する。

さらに技術的なソリューションは以下のとおりである。
ＤＣ充電管理部は、エンベデッド制御装置、タッチスクリーン、ＲＦカードリーダー、ＣＡＮの通信カード、リモート監視拡張通信カード、ミニプリンタから組成され、ＤＣ充電管理部は充電システムの制御中心として、ＣＡＮ或いはＲＳ−４８５バスで各部とつながり、各部へ作動コマンドを送り、各種類のフィードバックを受け取り、各部の間にある作動タイミングとロジックを調整する。

さらに技術的なソリューションは以下のとおりである。
ＤＣ充電管理部は、ＲＦカードリーダーでユーザ情報を読取り、ＩＣカードの情報を表示し、ユーザに正しい充電プラグの接続方法を提示して、充電時間と充電の方式を選択して、充電開始を確認し、充電し続ける間に、エンベデッド・制御装置が定時的に電量のデータを受け取り、ユーザで設定した充電時間や充電電量に達したとき、ＤＣ入力部へ充電停止のコマンドを送り、ＤＣ入力部のコンタクトをコントロールし、電源を切り、ディスプレイにユーザへの充電停止の表示を提示し、ユーザがプラグを抜いた後、支払い操作、消費情報を調べる操作と領収書の印刷操作をする。

現在の技術と比べて、この発明の有利な点は以下のとおりである。
電気自動車の充電中でグリッド側の電流を正弦化させ、力率を一定にすることが実現できる。力率を改善すると同時に、電源転換制御で零電圧あるいは零電流の制御が実現できる。システムの効率が最高９５％に達成できる。したがって、電気自動車の充電過程で充電システムの中に出る高調波の量を減少させる。充電システムおよび装置がグリッドに対する汚染を減少できて、省エネルギーの役割を果たす。同時に、充電システムのＤＣ出力部は、いろいろな充電方式を設定でき、様々な様式の電気自動車バッテリーの需要を満足できる。しかも、柔軟かつ便利で、正と負パルス充電の方法を優先的に採用して、従来の電気自動車バッテリーの充電時間の長い問題、或いは充電スピードは速いがバッテリーを損傷させる問題を解決する。さらに、充電時間を縮めさせて、バッテリー自身への損傷も少ないので、バッテリーの使用寿命を延長させ、現実の需要を満たす。それに、この発明で提供された電気自動車ＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムの構造は非常に簡単で、容積も小さくて、すべての鉛亜鉛バッテリーの充電に適合である。応用の範囲が広くて、規格化のプロモーションに最適である。

本発明のシステム構成図である。本発明の実施の形態１の中での整流器回路構成図である。本発明の実施の形態１の中でのＤＣ入力部の回路構成図である。本発明の実施の形態１の中でのＤＣ出力部の回路構成図である。本発明の実施の形態１の中でのＤＣ充電管理部の回路構成図である。

以下に図を参照して、この発明をさらに詳述する。

実施の形態１．
図１に示すように、本発明で提供された一つの電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムは、整流器と充電部を含む。整流器が次々にＡＣグリッドや充電部に接続されている。本実施方式でＡＣ電源の定格電圧は３８０Ｖである。上述の充電システムはＤＣ充電管理部を含む。ＤＣ充電管理部内の充電部は、ＤＣ入力部とＤＣ出力部から組成されている。整流器、ＤＣ入力部、ＤＣ出力部とＤＣ充電管理部は、相互に独立した部分であって、ネットワークバスを介して連結される。四つの独立した部分の役割は以下の通りである。

整流器は電源から入力されたＡＣ電源を整流して濾過した後、安定的なＤＣ出力電圧を形成し、ＤＣ出力部のＤＣコンバータへ提供する。ＤＣ入力部はＤＣ電流を計測し、ＤＣ電源の提供量を制御し、ＤＣ電源の入力と出力の安全保護を行う。ＤＣ出力部は車載エネルギー管理システムと通信して、出力電力変換を行って、バッテリーの充電に必要な電圧と電流の出力を調整する。ＤＣ充電管理部はＨＣＩを実現させ、画面表示、身分識別、費用の受取、領収書の印刷、データ管理、電流断続の制御、リモート監視をする。

図２に示すように、ＡＣ電源からＤＣ電源への変圧転換効果をよりよく表すために、整流器の構成部品は変圧器、整流器、制御部分、電源スイッチであるほうがよい。その中で変圧器の役割は、主電源の入力と出力の隔離および電圧の降下と上昇である。整流器が電源をＡＣ電源からＤＣ電源への変換を完成させる。制御部は整流器に必要なＰＷＭのパルス信号を生成して、パワー・デバイスの制御および各種のロジック保護を完成する。電源スイッチを制御するために必要な各レベルの電圧が提供される。本実施方式の中で、優れた電圧の調整効果を表すために、変圧器はエポキシ樹脂で鋳造した乾式変圧器が採用されている。変圧器の一次側と二次側が星型結線で結線される。変圧器の一次側がＡＣグリッドに接続されて、二次側が整流器の入力端に接続される。整流器はＰＷＭ整流器である。変圧器のＡＣグリッド側の電流を正弦化し、力率も調整でき、電力を双方向伝送に実現できる。制御部分は制御装置とＰＷＭ整流器の制御基板から組成されている。ＰＷＭ整流器の制御基板は、内側の電流制御ループと外側の電圧制御ループによって構成されたダブル・閉ループ制御システムである。ダブル・閉ループ制御システムがＤＳＰをメイン制御チップとして、電圧空間ベクトル変調アルゴリズムで入力した電流と出力した電圧を制御し、変圧器のＡＣグリッド側の電流が正弦化させ、力率と一定のＤＣ出力電圧機能を実現させる。制御装置がＨＣＩを実現させ、マスター・スレーブ型のＲＳ−４８５バスでＰＷＭ整流器の制御基板と通信する。そして、ＰＷＭ整流器制御基板にコマンドを送り、ＰＷＭ整流器の運行を制御し、運行の状態とパラメータを得る。

図３と図４に示すように、ＤＣ入力部とＤＣ出力部について、整流器の整合性と充電システムの互換性を考慮しなければならない。ＤＣ入力部は、電源制御部、充電エネルギー計測部、制御基板、制御電源基板から組成されている。ＤＣ出力部は、ＤＣコンバータ、制御基板、制御電源基板から組成されている。そして、ＤＣ入力部の電源制御部は、コンタクトと保護装置を取り入れる。ＤＣ充電管理部からの制御信号によって、整流後の回路と後段回路を安全的に隔離して制御することができる。充電エネルギー計測部が高精度のセンサーで電圧と電流をサンプリングして、充電エネルギーを計測する。しかも、ＲＳ−４８５の通信インターフェースを通じて、電力データをＤＣ充電管理部に伝達する。制御基板は１６ビットのＳＣＭをマスターチップとして、通信と駆動の機能を完成する。制御電源基板が複数の集積化電源部を取り入れ、２２０ＶのＡＣ電源電圧をいろいろな違うレベルのＤＣ電源電圧に転換させ、制御基板とセンサーに安定な動作電源を提供する。ＤＣ出力部のＤＣコンバータは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを取り入れて、電気自動車バッテリーに様々な方式で充電することを実現できる。充電の方式は、定電流充電、定電圧充電、３段階充電、パルス断続充電、正と負パルス充電を自由に選択することができる。制御基板が１６ビットのＤＳＰをマスターチップのＳＣＭとして、そのＤＳＰがＴＩ会社で生産した１６ビットのＴＭＳ３２０Ｆ２４０７ＮＯの定点ＤＳＰであって、ＤＣ出力部の通信および駆動機能を完成させる。制御電源基板がＤＣ出力部と同じように、複数の高性能しかも集積化した電源部を用いて、２２０ＶのＡＣ電源電圧をいろいろな違うレベルのＤＣ電源電圧に転換させ、制御基板に安定な動作電源を提供する。

ＤＣ充電管理部が全充電システムの制御中心として、図５に示すように、エンベデッド制御装置、ディスプレイ、ＲＦカードリーダー、ＣＡＮの通信カード、リモート監視拡張通信カード、ミニプリンタから組成されている。これは、ＣＡＮ或いはＲＳ−４８５バスを通じて各部とつながり、しかも各部へ作動コマンドを送り、各種類のフィードバックを受け取り、各部の間にある作動タイミングとロジックを調整する。具体的な表現は以下のとおりである。

ＤＣ充電管理部は、ＲＦカードリーダーでユーザ情報を読取り、ＩＣカードの情報を表示する。ユーザに正しい充電プラグの接続方法を提示して、充電時間と充電方式を選択して、充電開始を確認する。充電し続ける間に、エンベデッド・制御装置が定時的に電量のデータを受け取る。ユーザで設定した充電時間や充電電量に達したとき、ＤＣ入力部へ充電停止のコマンドを送り、ＤＣ入力部のコンタクトをコントロールし、電源を切り、ディスプレイにユーザの充電を停止することを提示する。ユーザがプラグを抜いた後、支払い操作、消費情報を調べる操作と領収書の印刷操作ができる。

この発明で提供された電気自動車ＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムのプロセスは以下のとおりである。

整流器を介して３８０ＶのＡＣ電源と接続される。整流器はＰＷＭ整流方式で３８０ＶのＡＣ電源を６５０ＶのＤＣ電源に変換し、ＤＣ入力部へ伝送する。ＤＣ入力部の制御電源基板が２２０ＶのＡＣ電源を接続されて、制御基板とセンサーに安定な動作電源を提供する。ＤＣ入力部で調整した６５０ＶのＤＣ電源がＤＣ出力部へ進む。ＤＣ出力部の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを通じて、電圧を違う状態に変える上に、定電流充電、定電圧充電、３段階充電、パルス断続充電、正と負パルス充電などの様々な充電の方式を自由に選択することができる。ＤＣ出力部と充電の電気自動車或いはバッテリーを接続されて、ＤＣ−ＤＣコンバータの充電方式も調節して、充電開始をする。ＤＣ充電管理部がＣＡＮ或いはＲＳ−４８５バスで各部とつながり、各部へ作動コマンドを送り、各種類のフィードバックを受け取る。

実施の形態２．
この発明で提供された電気自動車ＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムは、整流器と充電部を含む。整流器が次々にＡＣ電源や充電部と接続する。本実施方式でのＡＣ電源の定格電圧は３８０Ｖである。上述の充電システムがＤＣ充電管理部も含む。その中の充電部は、ＤＣ入力とＤＣ出力から組成されている。しかも、整流器、ＤＣ入力部、ＤＣ出力部とＤＣ充電管理部が相互に独立した部で、ネットワークバスを介して連結される。四つの独立した部分の役割は以下の通りである。

整流器は電源から入力されたＡＣ電源を整流して濾過した後、安定的なＤＣ出力電圧を形成され、ＤＣ出力部のＤＣコンバータに提供する。ＤＣ入力部はＤＣ電流を計測して、ＤＣ電源の提供量も制御して、ＤＣ電源の入力と出力の安全保護を行う。ＤＣ出力部は車載エネルギー管理システムと通信して、出力電力の変換を行って、バッテリー充電に必要な電圧と電流の出力を調整する。ＤＣ充電管理部がＨＣＩを実現させ、画面表示、身分識別、費用の受取、領収書の印刷、データ管理、電流断続の制御、リモート監視をする。

この発明の整流器は、空気スイッチ、プリチャージ抵抗、ＡＣコンタクト、入力側のインダクタ、三相フルブリッジコンバータ、ＰＷＭ整流器、ＤＣバスコンデンサ、疑似負荷、電力管駆動とデジタルロジック保護回路、制御部分から組成されている。整流器のパワー・デバイスがシステムの電力および冷却の要件を満たすために、ハイパワーの電圧制御装置ＩＧＢＴやＩＰＭを使用する。専用の電力管駆動チップ、駆動部分と絶縁型電源を取り入れて、制御部のチップから出たＰＷＭパルス信号が駆動能力のあるＩＧＢＴやＩＰＭパルスに変換させる。そして、パワー・デバイスの過電流フォールトを発生する時、デジタルロジック保護回路に故障信号をフィードバックする。パワー・デバイスの間に、ラミネートブスバーで接続されて、寄生パラメータから主回路への影響を減少させる。ＰＷＭ整流器の交流側で、フィルタ・インダクタを用いて、交流側力率の制御とＰＷＭ整流器の四象限動作を実現できて、ＰＷＭ整流器の交流側の高調波電流を濾過することができる。それに、ＡＣ側の正弦波電流制御を実現でき、ＰＷＭ整流器がＢＯＯＳＴＰＷＭＡＣ／ＤＣの変換性能を持っている。同時に、充電システムの運行は安定に進められる。ＰＷＭ整流器は１２００ＶのＤＣ側電圧と４００００μＦ容量のフィルタ回路を用いている。フィルタ回路を複数の４００Ｖの電解コンデンサが直列および並列に接続され、或いは複数のフィルムコンデンサで並列に接続される。ＤＣ側の高調波電圧を抑制させ、ＡＣ側とＤＣ側の間に行ったエネルギーの交換を緩衝させ、中間のＤＣ電圧を滑らかで安定したことを保証する。

この発明で、整流器のＰＷＭ整流器が三相電圧型のトポロジー構造を使用して、整流器制御部の主制御チップはＴＩ会社で生産した３２ビットのＴＭＳ３２０Ｆ２８１２定点ＤＳＰである。そのスピードは１５０Ｍに上昇して、データの処理ビットも３２ビットに上昇する。ＥＶＡ、ＥＶＢイベントマネージャ、整合の１２ビット１６チャンネルのＡＤデータ収集装置、豊富な周辺機器インターフェースを加え、例えばＣＡＮ、ＳＣＩなどを加え、より簡潔な周辺回路になれる。整流器の制御部がＴＭＳ３２０Ｆ２８１２、水晶発振器とリセット回路などの周辺機器で構成され、信号サンプリング、制御アルゴリズムの演算、ＰＷＭ信号の出力、データソースのストレージなどの機能を完成させる。

本発明の整流器のＰＷＭ整流器の制御基板は、内側の電流制御ループと外側の電圧制御ループによって構成されたダブル・閉ループ制御システムである。ＤＳＰをメイン制御チップとして、電圧空間ベクトル変調アルゴリズム（ＳＶＰＷＭ）で入力した電流と出力した電圧を制御する。ＤＣ出力電圧がサンプリングしてフィードバックを経て、現在の基準電圧と比較し、比較から得た誤差値を制御基板の電圧ループＰＩレギュレータの入力と出力をＡＣ側電流振幅の所定値とする。電流ループＰＩレギュレータが電流振幅所定値および電流のフィードバック信号を入力として、演算後は空間コマンド電圧ベクトルを得る。そして、空間電圧ベクトルの合成によって、実際の空間電圧ベクトルがコマンド電圧ベクトルに追跡し、出力電流の振幅と位相を制御できるようになる。ＰＷＭ整流器のダブル・閉ループ制御システムの設計はデジタル調整器によって実現できる。元のハードウェアによって実現される機能がソフトウェアに代わり、制御方式はより柔軟になり、パラメータ調整もより便利になる。ＰＷＭ整流器のダブル・閉ループ制御システムの設計は、直接的な電流制御で整流器に入力した電流の閉ループ制御を行い、しかも直接に電流を使用して瞬間的な電流波形が高精度の制御も行う。このような制御方法が良好なダイナミック性能を持って、システムパラメータの変化による誤差および圧力降下とデッドゾーンの影響を補償できる。しかも、過負荷の防止と過電流の保護をすることができる。直接電流で制御したＰＷＭ整流器の制御基板がダブル・閉ループ構造を取り入れる。外側ループは電圧ループである。電流内側ループの役割は、電圧外側ループの出力した電流のコマンドによって電流を制御し、ＰＷＭ整流器の実際の入力電流が所定の電流に追跡できる。この結果、高力率正弦波の電流制御が実現される。整流器で完全なデジタルロジック保護回路を設定し、入力電圧、出力電圧、出力電流などのサンプリングを通じ、入力過電圧、入力不足電圧、入力位相不足、出力過電圧、出力過負荷、出力短絡などの保護機能を実現する。

本発明で、ＰＷＭ整流器の制御基板のダブル閉ループ制御システム設計の電源制御装置は同期の回転座標系のＰＩで電流制御を調節され、電流コマンド値と実際値の偏差値をＰＩレギュレータの入力とする。ＰＩレギュレータ出力の必要な空間電圧ベクトルを出力する。同期の回転座標系で、電流の現在設定値はストレートフローで、ＰＩレギュレータの非誤差調整ができるので、システムの制御精度は比較的に高い。

この発明で、ＤＣ入力部の制御ＭＣＵがＴＩ会社で生産した１６ビットのＭＳＰ４３０Ｆ４１５２のＳＣＭを取り入れられる。このような規格のＭＣＵは、１６キロバイトフラッシュ、５１２バイトのＲＡＭ、５６個のＩ／ＯポートとＬＣＤドライバ、１０ビットのＡＤＣコンバータ、ＳＰＩとＵＡＲＴのインターフェース、１．８〜３．６ＶのＭＣＵ用電源電圧範囲、Ｗａｔｃｈｄｏｇ（ウォッチドッグ）回路が組み込まれ、外部の干渉や内部プログラミング・エラーが起こしたマイクロコントローラ実行障害を防ぐ。そしてＤＣ出力部は、プリアンプ入力容量、フィルタ回路、ブリッジコンバータ、高周波変圧器、出力ダイオード整流ブリッジ、出力コンタクタ、制御基板などの部分から組成されている。出力電圧、電流信号がフィードバック回路をサンプリングして制御基板へ送り、現在設定の信号と比べて、ＰＷＭ整流器制御基板のＰＩレギュレータから通過して、制御信号としてＤＳＰチップのＰＷＭ生成部へ入力する。ブリッジコンバータがパルス・デューティ・サイクルを制御して、出力電流や電圧を調整する。ＤＣ出力制御部の制御基板の主制御チップがＴＩ会社のＴＭＳ３２０Ｆ２４０７の１６ビットの定点ＤＳＰを使用する。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７の内部はハーバードアーキテクチャを使用して、データ空間とプログラム空間を分離し、独立したデータ・バスとプログラム・バスが同時にプログラムとデータを操作する。その処理速度は３０ＭＩＰＳに達し、オンチッププロセッサが一つのＲＡＭプログラムの統合は１．５Ｋワードのデータで、５４４ワードのデュアルポートＲＡＭ（ＤＡＲＡＭ）と２ＫワードのシングルポートＲＡＭがある。３２ＫワードのＦＬＡＳＨプログラムメモリ空間もある。二つのイベントマネージャＥＶＡとＥＶＢの機能はかなり優秀で、いろいろな必要のＰＷＭ波形を生成できる。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７はまた、１６チャンネル１０ビットＡ／Ｄコンバータ、ＳＣＩシリアル通信とＣＡＮバスなどの部を統合している。

別に、この発明の電気自動車ＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムは、充電システムを信頼的で安全に作業するために、ＸＣ９５１４４ＸＬ型のＣＰＬＤを取り入れ、システムのデジタルロジック保護や関連の拡張機能を実現する。

この発明で、電気自動車ＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムの各部の制御電源は全部スイッチング電源を使用している。制御基板に入力した２２０ＶのＡＣ電源を５Ｖ、１５Ｖ、２４Ｖなど各種レベルの電源へ変換する。スイッチング電源から出力した電力の出力安定性、小リップル、高信頼性の特徴である。さまざまな方法を使って電磁適合性の設計をする。メインスイッチング電源装置の回路においてＲＣＤスナバ回路を用いて電圧を抑制する。各部の間に、多点アースと集中アースを組み合わせる方法を利用して、システム静電の干渉を解決する。回路インターフェースでバリスタと過渡ダイオードを取り入れて、サージを抑制する。

電気自動車充電システムや装置で、様々な充電方式を設計している。充電戦略設計は、バッテリー性能の差と実際の必要性によって計画する。このシステムは、定電流充電、定電圧充電、３段階充電、パルス断続充電、正と負パルス充電を設計されている。ＤＣ出力部は、バッテリーへ出力した電圧と電流信号をサンプリングし、サンプリングされた信号を制御基板へ送り、そして与えられた信号と比較する。ＰＷＭ整流器制御基板のＰＩレギュレータが制御信号としてＤＳＰチップのＰＷＭ生成部へ入力する。異なる充電方式を実現するために、制御パルスのデューティ比を変えて、充電電流或いは電圧を調節する。

この発明の保護範囲は、上述の実施例だけではない。以上は、この発明の優れた実施例である。発明だけに限らない、ＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電に関する電気自動車充電システムおよび装置のいろいろな部品および部によって等価交換、修正、削除など、どれも本発明の保護範囲である。

Claims

整流器と充電部を含み、整流器が次々にＡＣグリッドや充電部に接続されている電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システムにおいて、
上述の充電システムがＤＣ充電管理部を含み、充電部は、ＤＣ入力とＤＣ出力から組成されていて、上述の整流器、ＤＣ入力、ＤＣ出力とＤＣ充電管理部が相互に独立した部分で、ネットワークバスを介して連結され、
整流器が電源から入力されたＡＣ電源を整流して濾過した後、安定的なＤＣ出力電圧が形成され、
ＤＣ入力部は、ＤＣ電流を計測し、ＤＣ電源の提供量を制御し、ＤＣ電源の入力と出力の安全保護を行い、
ＤＣ出力部は、車載エネルギー管理システムと通信し、出力電力変換を行い、バッテリーの充電に必要な電圧と電流の出力を調整し、
ＤＣ充電管理部がＨＣＩ（ヒューマンコンピュータインタラクション）実現し、画面表示、身分識別、費用の受取、領収書の印刷、データ管理、電流断続の制御、リモート監視をすることを特徴とする電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システム。
整流器は、変圧器、整流器、制御部分、電源スイッチ、コンタクタ或いはブレーカから組成され、コンタクタ或いはブレーカと変圧器の役割は、主電源の入力と出力の隔離および電圧の降下と上昇であり、整流器は電源をＡＣ電源からＤＣ電源への変換を完成し、制御部は整流器に必要なＰＷＭのパルス信号を生成して、パワー・デバイスの制御および各種のロジック保護を完成し、電源スイッチを制御するために必要な各レベルの電圧を提供することを特徴とした請求項１に記載の電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システム。
変圧器はエポキシ樹脂で鋳造した乾式変圧器が採用され、一次側と二次側が星型結線で作られ、変圧器の一次側がＡＣグリッドに接続され、二次側が整流器の入力端に接続され、整流器はＰＷＭ整流器であり、変圧器のＡＣグリッド側の電流が正弦で、力率も調整できて、電力を双方向に伝送することを特徴とした請求項２に記載の電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システム。
制御部分は、制御装置とＰＷＭ整流器の制御基板から組成され、ＰＷＭ整流器の制御基板は、内側の電流制御ループと外側の電圧制御ループによって構成されたダブル・閉ループ制御システムであり、ダブル・閉ループ制御システムは、ＤＳＰをメイン制御チップとして、電圧空間ベクトル変調アルゴリズムで入力した電流と出力した電圧をコントロールして、変圧器のＡＣグリッド側の電流を正弦化し、力率と一定のＤＣ出力電圧機能を実現し、制御装置は、ＨＣＩを実現させて、マスター・スレーブ型のＲＳ−４８５バスでＰＷＭ整流器の制御基板と通信し、ＰＷＭ整流器制御基板にコマンドを送り、ＰＷＭ整流器の運行を制御し、運行の状態とパラメータを得ることを特徴とした請求項２に記載の電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システム。
ＤＣ入力部は、電源制御部、充電エネルギー計測部、制御基板、制御電源基板から組成されていることを特徴とした請求項１に記載の電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システム。
電源制御部はコンタクトと保護装置が採用され、ＤＣ充電管理部からの制御信号は、整流後の回路と後段回路が安全的に隔離して制御し、充電エネルギー計測部が高精度のセンサーで電圧と電流をサンプリングして、充電エネルギーを計測し、ＲＳ−４８５の通信インターフェースを通じて、電力データがＤＣ充電管理部に伝達し、制御基板は、１６ビットのＤＳＰをマスターチップのＳＣＭ（マイクロコントローラ）として、通信と駆動機能を完成させ、制御電源基板は複数の集積化電源部が採用され、２２０ＶのＡＣ電源電圧がいろいろな違うレベルのＤＣ電源電圧に転換し、制御基板とセンサーに安定な動作電源を提供することを特徴とした請求項５に記載の電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システム。
ＤＣ出力部は、ＤＣコンバータ、制御基板、制御電源基板から組成されていることを特徴とした請求項１に記載の電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システム。
ＤＣ出力部のＤＣコンバータは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを取り入れて、電気自動車バッテリーに様々な方式で充電することが実現でき、充電の方式は、定電流充電、定電圧充電、３段階充電、パルス断続充電、正と負パルス充電方式を含み、充電の方式は自由に選択することができ、制御基板が１６ビットのＳＣＭをマスターチップとして、通信と駆動の機能を完成させ、制御電源基板が複数の集積化電源部を取り入れて、２２０ＶのＡＣ電源電圧をいろいろな違うレベルのＤＣ電源電圧に転換し、制御基板に安定な動作電源を提供することを特徴とした請求項７に記載の電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システム。
ＤＣ充電管理部は、エンベデッド制御装置、タッチスクリーン、ＲＦカードリーダー、ＣＡＮの通信カード、リモート監視拡張通信カード、ミニプリンタから組成され、ＤＣ充電管理部は充電システムの制御中心として、ＣＡＮ或いはＲＳ−４８５バスで各部とつながり、各部へ作動コマンドを送り、各種類のフィードバックを受け取り、各部の間にある作動タイミングとロジックを調整することを特徴とした請求項１に記載の電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システム。
ＤＣ充電管理部は、ＲＦカードリーダーでユーザ情報を読取り、ＩＣカードの情報を表示し、ユーザに正しい充電プラグの接続方法を提示して、充電時間と充電の方式を選択して、充電開始を確認し、充電し続ける間に、エンベデッド・制御装置が定時的に電量のデータを受け取り、ユーザで設定した充電時間や充電電量に達したとき、ＤＣ入力部へ充電停止のコマンドを送り、ＤＣ入力部のコンタクトをコントロールし、電源を切り、ディスプレイにユーザへの充電停止の表示を提示し、ユーザがプラグを抜いた後、支払い操作、消費情報を調べる操作と領収書の印刷操作をすることを特徴とした請求項１に記載の電気自動車のＰＷＭ整流器およびインバータトランスパルス充電システム。