CN105680525A - 一种基于混合母线的充电车供电***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于混合母线的充电车供电***及其控制方法，***包括三相市电接口、车载交流发电机、三相交流转换开关、整流设备、电池簇、交直流一体化充电设备、直流母线、交流母线、直流快充接口、交流慢充接口以及主控制柜，三相市电接口和车载交流发电机与三相交流转换开关连接后再与整流设备的输入端连接，整流设备的输出端分别与电池簇和交直流一体化充电设备连接，交直流一体化充电设备同时还挂接在电池簇的两端，交直流一体化充电设备输出交流电压到交流母线、输出直流电压接到直流母线；主控制柜与三相交流转换开关、整流设备、交直流一体化充电设备连接。本发明集交流、直流充电于一体，能源接入多样化、移动方便、充电场地及车型不受限制。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车充电领域，尤其是涉及一种基于混合母线的充电车供电***及控制方法。
背景技术
目前，针对电动汽车的充电设备有两种：一种是车载型的，主要采取交流慢充方式；另一种是非车载型，主要采取直流快充方式。不同车辆对充电需求的差异化，导致充电场地需要配备多种充电设备，规模较大的充电站，占地面积已经超过了一般的加油站，甚至可以与停车场相比，难免造成建设难度较大，一次性投入多的情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于混合母线的充电车供电***及其控制方法，能够为电量不足的电动汽车进行补电，不受场地和位置限制，同时具备交流慢充电设备和直流快速充电设备，兼容性强，不受充电车型限制，可根据不同充电需求对各种电动汽车充电。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于混合母线的充电车供电***，包括三相市电接口、车载交流发电机、三相交流转换开关、整流设备、电池簇、交直流一体化充电设备、直流母线、交流母线、直流快充接口、交流慢充接口以及主控制柜，三相市电接口和车载交流发电机作为充电车的电输入口，与三相交流转换开关连接后再与整流设备的输入端连接，整流设备的输出端分别与电池簇和交直流一体化充电机连接，交直流一体化充电设备同时还挂接在电池簇的两端，交直流一体化充电设备包括DC/AC功率转换模块和DC/DC功率转换模块，DC/AC功率转换模块经交流母线与交流慢充接口连接，DC/AC功率转换模块用于将直流电转换为交流电，提供交流慢充的母线电压，输出交流电压到交流母线；DC/DC功率转换模块经直流母线与直流快充接口连接，DC/DC功率转换模块用于将电池簇的电压转换为电动汽车快充电所需的直流电压，输出直流电压接到直流母线；主控制柜通过光纤与三相交流转换开关、整流设备、交直流一体化充电设备连接，用于承担充电车内的电气控制、故障保护和通信，实现电池簇、整流设备、交直流一体充电设备的信息交互、功率转换控制和充电电流电压控制和通信。
按上述方案，所述车载交流发电机是在充电车移动中或没有三相市电接入的情况下为电池簇充电的设备，车载交流发电机采用取力发电机的形式，嵌入充电车轴承内(输出电压和频率不受发动电转速的瞬间或持续变化的影响，改善燃油消耗量和降低发动机的噪声)。
按上述方案，所述三相交流转换开关用于根据交流电优先级进行开关切换，三相交流转换开关切换的逻辑是，当三相市电接口通过有电压时，三相交流转换开关自动切换到三相市电接口(主电路接通与三相市电接口的通路)；当三相市电接口无电而车载交流发电机有电时，三相交流转换开关自动切换到三相交流发电机接口(主电路接通与车载交流发电机的通路)，三相交流发电机发出的电为电池簇充电；当三相市电接口和车载交流发电机同时有电时，三相交流转换开关选择三相市电接口(保持主电路接通与三相市电接口的通路)；当三相市电接口和车载交流发电机同时无电时，三相交流转换开关不动作(位置不改变)。
按上述方案，所述整流设备包括依次连接的LC滤波器、十二脉波移相变压器、并联整流桥、中心抽头电感和二重化BUCK电路，十二脉波移相变压器配合LC滤波器用于削弱电网侧交流谐波、降低交流电流畸变，两个并联整流桥接受三相输入，配合中心抽头电感削弱直流纹波，整流后的直流电经过二重化BUCK电路，将电压降到电池簇的充电适用电压，供给电池簇充电。
按上述方案，所述电池簇作为储能部件，采用磷酸铁锂电池的串并联形式在充电车内进行分列两边放置(平衡电池重量)，电池簇固定工作电压在400至500V之间，电池簇的充电受整流设备控制(电池簇的电量依靠整流设备来维持)，而放电受交直流一体化充电设备和整流设备同时控制，电池簇提供稳定的电能通过一体化充电设备为电动汽车充电。
按上述方案，所述DC/AC功率转换模块采用全桥逆变电路行到单相电进行脉宽调制，得到通用的220V、50Hz交流市电；所述DC/DC功率转换模块采用移相全桥电路和隔离变压器进行高频脉宽调制，为输出端提供50～750V宽范围的直流电。
按上述方案，所述交流母线和直流母线分别用于为需要充电的电动汽车提供交流慢充接口和直流快充接口，交流慢充接口和直流快充接口处分别连接符合标准的交流充电枪和直流充电枪。
按上述方案，充电车内供电***的电气结构，按照模块进行箱体的封装，主控制柜与主体电路部分区域分离，三相市电接口是充电车停靠在有三相交流市电输入的地点，为电池簇充电的接口；交流充电枪和直流充电枪分别设置在充电车内尾端两侧。
本发明还提供了一种上述交直流快慢充一体化充电车的供电***的控制方法，包括如下步骤：
1)充电车内部，三相电经过三相交流转换开关进入整流设备，主控制柜根据采样获得整流电压和电池簇电压决定给电池簇充电的策略，电池簇内部的管理***与主控制柜光纤连接，上报电池簇电量、故障及其它运行状态；
2)主控制柜根据交直流一体化充电设备的负载，自动调整电能供应方式，包括由电池簇还是整流设备给交直流一体化充电设备供电，或是由电池簇、整流设备一起给交直流一体化充电设备供电；
3)交直流一体化充电设备中，DC/AC功率转换模块作为逆变电源提供220V交流；而DC/DC功率转换模块接收主控制柜的充电指令提供固定电压的充电电流。
按上述方案，配备两个或多个DC/DC功率转换模块，同时为多个不同电压等级的电动车充电。
本发明的工作原理：三相市电接口和车载交流发电机通过三相交流转换开关作输入方式的选择后，流入整流设备整流，整流设备经过电压调整后给电池簇充电，交直流一体化充电设备挂接在电池两端，将电池能或整流设备的输入电能转化，形成交流电或直流电，再分别经过交流母线和直流母线连接交流慢充接口和直流快充接口，供不同需求的外部电动汽车充电。
本发明的有益效果：
1、充电车的电源输入既可以是三相交流市电，也可以是车载发电机发出的交流电，因此充电车本身的供电来源是多样的，不存在充电设备本身缺电的现象；
2、充电车本身配备电池簇储能，在任何特殊情况下，都能够为电动汽车提供充电服务；整流设备采用二重化BUCK电路，降低电池充电的电流纹波，提高供电可靠性；
3、充电车配备了交流充电接口和直流充电接口，集交流慢充和直流快充功能于一体，其中直流充电接口采用移相全桥电路结构，能够输出宽范围的充电电压，进行直流快充，***的控制输出提供了交流、直流混合母线形式，直流母线采用高频隔离型桥式逆变加硅堆整流的形式，可提供千安级别的充电电流，DC/DC功率转换模块采用高频脉宽调制和高频变压器，提高了功率密度，降低设备体积和重量均达30％以上；
4、采用模块化设计方法，结构紧凑，为设备的可靠性和安全性上有保证；
5、充电车实际上是一种移动的充电桩，为不同车型的电动汽车充电不受地点、时间、空间限制。
附图说明
图1为本发明实施例供电***整体结构示意图；
图2为本发明实施例基本电气结构示意图；
图3为本发明实施例混合母线输出控制框图；
图1中，1-三相市电接口，2-车载交流发电机，3-三相交流转换开关，4-整流设备，5-电池簇，6-交直流一体化充电设备，7-直流母线，8-交流母线，9-直流快充接口，10-交流慢充接口，11-主控制柜。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步阐述。
参照图1所示，本发明所述的交直流快慢充一体化充电车的供电***，包括三相市电接口1、车载交流发电机2、三相交流转换开关3、整流设备4、电池簇5、交直流一体化充电设备6、直流母线7、交流母线8、直流快充接口9、交流慢充接口10以及主控制柜11，三相市电接口1和车载交流发电机2作为充电车的电输入口，与三相交流转换开关3连接后再与整流设备4的输入端连接，整流设备4的输出端分别与电池簇5和交直流一体化充电设备6连接，交直流一体化充电设备6同时还挂接在电池簇5的两端，交直流一体化充电设备6包括DC/AC功率转换模块和DC/DC功率转换模块，DC/AC功率转换模块经交流母线8与交流慢充接口10连接，DC/AC功率转换模块用于将直流电转换为交流电，提供交流慢充的母线电压，输出交流电压到交流母线8；DC/DC功率转换模块经直流母线7与直流快充接口9连接，DC/DC功率转换模块用于将电池簇5的电压转换为电动汽车快充电所需的直流电压，输出直流电压接到直流母线7；主控制柜11通过光纤与三相交流转换开关3、整流设备4、交直流一体化充电设备6连接，用于承担充电车内的电气控制、故障保护和通信功能，实现电池簇5、整流设备4、交直流一体充电设备6的信息交互、功率转换控制和充电电流电压控制和通信。
三相市电接口1的接入方式为380V、50Hz交流，车载交流发电机2采用轴取力作为动力，输出同样为380V、50Hz交流，两种交流输入通过三相交流转换开关3切换，三相交流转换开关3根据输入口的电压进行逻辑判断，切换到有交流输入的一侧，两种交流同时输入时，三相市电接口1的市电输入优先级高于车载交流发电机2输入。充电车在运行过程中或停靠在没有三相市电接口1的位置，只能依靠车载交流发电机2发电来补充储能的电池簇5的电量和给电动汽车充电，实际上是将油转化为电。当充电车停靠在有三相市电接口1的合适地点时，可利用市电补充储能电池电量和给电动汽车充电。
整流设备4的主结体采用十二脉波移相变压器、LC滤波器来削弱电网侧交流谐波，两个整流桥接受三相输入，配合中心抽头电感削弱直流纹波，整流后的直流电经过一个二重化的BUCK电路，将电压降到电池簇5的充电适用电压，给电池充电。
电池簇5采用的是100kWh磷酸铁锂电池，设计的工作电压为400至500V，电池簇5的电量依靠整流设备4来维持。
交直流一体化充电设备6包含DC/DC功率转换模块(直流功率转换)和DC/AC功率转换模块(交流功率转换)两个部分。DC/DC功率转换模块采用移相全桥电路和隔离变压器进行脉宽调制，达到50～750V宽范围的充电电压，该电压既能够控制到比电池电压高，可以调到比电池电压低，因此在直流快充这一通道，它可以为不同电压和容量的动力电池充电；DC/AC功率转换模块在交流侧同样采用脉宽调制的方法，再以全桥逆变电路行到单相电，得到通用的220V、50Hz交流市电。简而言之，交直流一体化充电设备6的功能就是将电池电转化为220V交流电和750V以下的直流电，两种电经过各自直流母线7和交流母线8后，再分别通过直流快充接口9(直流充电枪)和交流慢充接口10(交流充电枪)，给电动汽车充电。
参照图2所示，供电***的电路原理就是由前级LC滤波器(由C1～C3和L1～L3)、十二脉波移相变压器滤波后，再由整流电路(两个并联整流桥，中心抽头电感L4、L5稳流)建立前级母线电压，然后由两个IGBT单元V1、V2和L7、L8续流电感降压后给电池供电，最后级由交直流一体化充电设备6(由V3～V6开关、续流电感L9组成的全桥逆变电路和由V7～V10开关组成的隔离型移相全桥电路和隔离变压器T1构成)分别发出两组独立的交流电和直流电，建立各自的交流或直流充电母线电压。
本发明基于混合母线的充电车供电***的控制方法，包括如下步骤：
1)充电车内部，三相电经过三相交流转换开关3进入整流设备4，主控制柜11根据采样获得整流电压和电池簇5电压决定给电池簇5充电的策略，电池簇5内部的管理***与主控制柜11光纤连接，上报电池簇5电量、故障及其它运行状态；
2)主控制柜11根据交直流一体化充电设备6的负载，自动调整电能供应方式，包括由电池簇5还是整流设备4给交直流一体化充电设备6供电，或是由电池簇5、整流设备4一起给交直流一体化充电设备6供电；
3)交直流一体化充电设备6中，DC/AC功率转换模块作为逆变电源提供220V交流；而DC/DC功率转换模块接收主控制柜的充电指令提供固定电压的充电电流，在特殊情况下，配备两个或多个DC/DC功率转换模块，同时为多个不同电压等级的电动车充电。
参照图3所示，在基本电气结构的基础上，对DC/DC功率转换模块进行合理配置，增加一个或多个模块，就能够同时为多个电压等级的电动车充电，DC/AC功率转换模块由于固定为220V逆变输出，设计时仅需一个模块。在对电动车充电时，由主控制柜11分别发出不同的电流、电压控制指令，DC/AC功率转换模块接收交流指令发出交流电，而DC/DC功率转换模块根据不同的直流负载分别发出不同电压等级的直流电。该控制方法作为混合母线的基本供电***补充方法，作为本实施案例的组成部分。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，依本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于混合母线的充电车供电***，其特征在于：包括三相市电接口、车载交流发电机、三相交流转换开关、整流设备、电池簇、交直流一体化充电设备、直流母线、交流母线、直流快充接口、交流慢充接口以及主控制柜，三相市电接口和车载交流发电机作为充电车的电输入口，与三相交流转换开关连接后再与整流设备的输入端连接，整流设备的输出端分别与电池簇和交直流一体化充电设备连接，交直流一体化充电设备同时还挂接在电池簇的两端，交直流一体化充电设备包括DC/AC功率转换模块和DC/DC功率转换模块，DC/AC功率转换模块经交流母线与交流慢充接口连接，DC/AC功率转换模块用于将直流电转换为交流电，提供交流慢充的母线电压，输出交流电压到交流母线；DC/DC功率转换模块经直流母线与直流快充接口连接，DC/DC功率转换模块用于将电池簇的电压转换为电动汽车快充电所需的直流电压，输出直流电压接到直流母线；主控制柜通过光纤与三相交流转换开关、整流设备、交直流一体化充电设备连接，用于承担充电车内的电气控制、故障保护和通信，实现电池簇、整流设备、交直流一体充电设备的信息交互、功率转换控制和充电电流电压控制和通信。
2.根据权利要求1所述的基于混合母线的充电车供电***，其特征在于：所述车载交流发电机是在充电车移动中或没有三相市电接入的情况下为电池簇充电的设备，车载交流发电机采用取力发电机的形式，嵌入充电车轴承内。
3.根据权利要求1所述的基于混合母线的充电车供电***，其特征在于：所述三相交流转换开关用于根据交流电优先级进行开关切换，三相交流转换开关切换的逻辑是，当三相市电接口通过有电压时，三相交流转换开关自动切换到三相市电接口；当三相市电接口无电而车载交流发电机有电时，三相交流转换开关自动切换到三相交流发电机接口，三相交流发电机发出的电为电池簇充电；当三相市电接口和车载交流发电机同时有电时，三相交流转换开关选择三相市电接口；当三相市电接口和车载交流发电机同时无电时，三相交流转换开关不动作。
4.根据权利要求1所述的基于混合母线的充电车供电***，其特征在于：所述整流设备包括依次连接的LC滤波器、十二脉波移相变压器、并联整流桥、中心抽头电感和二重化BUCK电路，十二脉波移相变压器配合LC滤波器用于削弱电网侧交流谐波、降低交流电流畸变，两个并联整流桥接受三相输入，配合中心抽头电感削弱直流纹波，整流后的直流电经过二重化BUCK电路，将电压降到电池簇的充电适用电压，供给电池簇充电。
5.根据权利要求1所述的基于混合母线的充电车供电***，其特征在于：所述电池簇作为储能部件，采用磷酸铁锂电池的串并联形式在充电车内进行分列两边放置，电池簇固定工作电压在400至500V之间，电池簇的充电受整流设备控制，而放电受交直流一体化充电设备和整流设备同时控制，电池簇提供稳定的电能通过一体化充电设备为电动汽车充电。
6.根据权利要求1所述的基于混合母线的充电车供电***，其特征在于：所述DC/AC功率转换模块采用全桥逆变电路行到单相电进行脉宽调制，得到通用的220V、50Hz交流市电；所述DC/DC功率转换模块采用移相全桥电路和隔离变压器进行高频脉宽调制，为输出端提供50～750V宽范围的直流电。
7.根据权利要求1所述的基于混合母线的充电车供电***，其特征在于：所述交流母线和直流母线分别用于为需要充电的电动汽车提供交流慢充接口和直流快充接口，交流慢充接口和直流快充接口处分别连接符合标准的交流充电枪和直流充电枪；直流母线采用高频隔离型桥式逆变加硅堆整流的形式，提供千安级别的充电电流。
8.根据权利要求1所述的基于混合母线的充电车供电***，其特征在于：充电车内供电***的电气结构，按照模块进行箱体的封装，主控制柜与主体电路部分区域分离，三相市电接口是充电车停靠在有三相交流市电输入的地点，为电池簇充电的接口；交流充电枪和直流充电枪分别设置在充电车内尾端两侧。
9.一种上述权利要求1～8任一项所述的基于混合母线的充电车供电***的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)充电车内部，三相电经过三相交流转换开关进入整流设备，主控制柜根据采样获得整流电压和电池簇电压决定给电池簇充电的策略，电池簇内部的管理***与主控制柜光纤连接，上报电池簇电量、故障及其它运行状态；
2)主控制柜根据交直流一体化充电设备的负载，自动调整电能供应方式，包括由电池簇还是整流设备给交直流一体化充电设备供电，或是由电池簇、整流设备一起给交直流一体化充电设备供电；
3)交直流一体化充电设备中，DC/AC功率转换模块作为逆变电源提供220V交流；而DC/DC功率转换模块接收主控制柜的充电指令提供固定电压的充电电流。
10.根据权利要求9所述的充电车供电***的控制方法，其特征在于，配备两个或多个DC/DC功率转换模块，同时为多个不同电压等级的电动车充电。
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