CN110784003A - 无电解电容单三相兼容充电机控制电路及其控制方法 - Google Patents

无电解电容单三相兼容充电机控制电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开无电解电容单三相兼容充电机控制电路及其控制方法，其中控制电路包括第一、第二和第三交直流转换模块，其中第一交直流转换模块的两个输入端直接连接电网相线和零线，第二和第三交直流转换模块中至少一个模块采用带逆变功能的双向转换模块并且其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线；所述充电机控制电路在三相工作模式时，第二和/或第三交直流转换模块断开蓄能滤波模块；所述充电机控制电路在单相工作模式时，第二和/或第三交直流转换模块连接蓄能滤波模块；本发明在满足单三相输入兼容的情况下，不使用电解电容，从而大大提高充电机功率密度，提高充电机寿命，减小充电机体积，同时抑制输出充电电流纹波，保持稳定的充电性能。

Description

无电解电容单三相兼容充电机控制电路及其控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车充电技术领域，具体涉及一种无电解电容单三相兼容充电机控制电路及其控制方法。
背景技术
随着节能减排，以及控制大气污染的需求，新能源汽车逐渐在市场商用，而电动汽车更是新能源汽车的主力军。伴随着续航里程的增加，电动车动力电池容量也在日益增长，为了减少充电等待时间，车载充电机对于高功率的需求越来越强烈，三相输入的高功率充电器将成为未来市场的主力军。为了保证较低的输出电流纹波，充电机通常会加入大量的铝电解电容用于滤波输入变化的功率。
当前车辆对充电机电源寿命要求越来越长，工作环境越来越恶劣（温度高，振幅大），传统电源里面使用大量的电解电容制约了充电机的寿命。众所周知，电解电容有诸多缺点：体积大，低温容值减少，ESR增大，长时间高温工作电解液干涸失效，寿命低。但当前车辆对充电机电源寿命要求越来越长，工作环境越来越恶劣（温度高，振幅大），传统电源里面使用大量的电解电容制约了充电机的寿命。同时随着半导体技术日新月异的更新，高频、高功率密度充电机成为各个主机厂和零部件厂商追求的重点。例如典型的6.6kW充电机需要约1000uF的电解电容，电解电容体积约占整个充电机单板10%体积。
为了提高功率密度、提高充电机寿命，业内期望去除充电机内部PFC母线电解电容，但这样会导致单相充电时充电纹波电流过大。故此业内亟需开发一种不用电解电容、充电纹波电流小、体积小的高功率密度的单三相兼容充电机控制电路。
发明内容
本发明是要解决现有技术的上述问题，提出一种无电解电容单三相兼容充电机控制电路及其控制方法。
本发明采用的技术方案是设计一种无电解电容单三相兼容充电机控制电路，包括第一、第二和第三交直流转换模块，所述第一、第二和第三交直流转换模块的输入端连接分别连接电网三条相线和零线，第一、第二和第三交直流转换模块的输出端并联后连接电池；其中第一交直流转换模块的两个输入端直接连接电网相线和零线，第二和第三交直流转换模块中至少一个模块采用带逆变功能的双向转换模块并且其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线；所述蓄能滤波模块包括选择开关S和电容C，交直流转换模块的一个输入端连接选择开关S静触头，交直流转换模块的另一个输入端接电网零线，选择开关S的第一动触头连接电网相线，选择开关S的第二动触头连接所述电容C的一端，电容C的另一端连接电网零线；所述充电机控制电路在三相工作模式时，选择开关S的静触头和第一动触头闭合；在单相工作模式时，选择开关S的静触头和第二动触头闭合。
所述第一、第二和第三交直流转换模块采用无电解电容的交直流转换模块。
所述电容C采用小容量的薄膜电容或者陶瓷电容。
所述第二交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块，其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线：所述第三交直流转换模块采用不带逆变功能的单向转换模块，其输入端直接连接电网相线和零线。
所述第二交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块，其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线；所述第三交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块，其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线。
所述第一交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块、或者不带逆变功能的单向转换模块。
本发明还设计一种无电解电容单三相兼容充电机控制电路的控制方法，其包括单相工作模式和三相工作模式；所述充电机控制电路在三相工作模式时，第一、第二和第三交直流转换模块连接电网，第二和/或第三交直流转换模块断开蓄能滤波模块，第一、第二和第三交直流转换模块投入运行；所述充电机控制电路在单相工作模式时，仅第一交直流转换模块连接电网，第一交直流转换模块投入运行，第二和/或第三交直流转换模块连接蓄能滤波模块、并投入运行。
所述第一和第三交直流转换模块的两个输入端分别直接连接电网相线和零线；所述第二交直流转换模块的输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线，所述充电机控制电路在三相工作模式时，第一、第二和第三交直流转换模块连接电网，第二交直流转换模块断开蓄能滤波模块，第一、第二和第三交直流转换模块投入运行；所述充电机控制电路在单相工作模式时，仅第一交直流转换模块连接电网，第一交直流转换模块投入运行，第二交直流转换模块连接蓄能滤波模块、并投入运行，所述第三交直流转换模块停止运行。
所述第一交直流转换模块的两个输入端分别直接连接电网相线和零线；所述第二和第三交直流转换模块的输入端通过各自对应的蓄能滤波模块连接电网相线和零线；所述充电机控制电路在三相工作模式时，第一、第二和第三交直流转换模块连接电网，第二和第三交直流转换模块断开蓄能滤波模块，第一、第二和第三交直流转换模块投入运行；所述充电机控制电路在单相工作模式时，仅第一交直流转换模块连接电网，第一交直流转换模块投入运行，第二和第三交直流转换模块连接各自对应的蓄能滤波模块、并投入运行。
所述单相工作模式和三相工作模式皆包括充电状态和逆变状态。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明可以在满足单三相输入兼容的情况下，不使用电解电容，从而大大提高充电机功率密度，提高充电机寿命，减小充电机体积，同时抑制了输出充电电流纹波，保持了稳定的充电性能。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是较佳实施例的电路结构示意图；
图2是变形后实施例的电路结构示意图；
图3是三相工作模式充电状态时电能流向示意图；
图4是三相工作模式逆变状态时电能流向示意图；
图5是单相工作模式充电状态、且仅有第二交直流转换模块带蓄能滤波模块时电能流向示意图；
图6是单相工作模式逆变状态、且仅有第二交直流转换模块带蓄能滤波模块时电能流向示意图；
图7是单相工作模式、第二和第三交直流转换模块皆带蓄能滤波模块时电能流向示意图；
图8是本发明三相工作模式中输入电压电流、输入功率和输出功率对比示意图；
图9是一种常见的单级DAB拓扑形式的双向转换模块；
图10是一种常见的两级DAB拓扑形式的双向转换模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过复用双向充电模块减少输出单相工作时输出纹波电流，不需要使用电解电容，可提高充电机寿命和可靠性。
本发明公开了一种无电解电容单三相兼容充电机控制电路，参看图1示出的较佳实施例的电路结构图，控制电路包括第一、第二和第三交直流转换模块，所述第一、第二和第三交直流转换模块的输入端分别连接电网三条相线和零线，第一、第二和第三交直流转换模块的输出端并联后连接电池；其中第一交直流转换模块的两个输入端直接连接电网相线和零线，第二和第三交直流转换模块中至少一个模块采用带逆变功能的双向转换模块并且其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线；所述蓄能滤波模块包括选择开关S和电容C，交直流转换模块的一个输入端连接选择开关S静触头，交直流转换模块的另一个输入端接电网零线，选择开关S的第一动触头连接电网相线，选择开关S的第二动触头连接所述电容C的一端，电容C的另一端连接电网零线。在较佳实施例中，所述第一、第二和第三交直流转换模块采用无电解电容的交直流转换模块。所述电容C采用小容量的薄膜电容或者陶瓷电容。
所述充电机控制电路在三相工作模式时，选择开关S的静触头和第一动触头闭合。蓄能滤波模块从电路中分离，不起作用。参看图1，开关S1和S2分别与输入L2 和L3连接，每相输出与输入功率保持一致，瞬时输出功率与输入功率相接近，叠加到一起为稳定功率输出。参看图8示出的三相工作模式中输入电压电流、输入功率和输出功率对比示意图。在单相工作模式时，选择开关S的静触头和第二动触头闭合，开关S1和S2分别与C1和C2连接，蓄能滤波模块接入，对单相工作时输出的纹波电流进行蓄能滤波。藉此不使用电解电容，提高充电机寿命和可靠性。
所述第一、第二和第三交直流转换模块可以为无电解电容多级拓扑；为了提高效率，增加功率密度也可以使用无电解单级转换器，例如可以使用单级DAB拓扑。
第二和第三交直流转换模块可根据对逆变功能的需要按需组合，充电控制电路也可以删除S2和C2以简化电路。参看图2示出的变形后的（少一组蓄能滤波模块的）电路结构示意图，所述第二交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块，其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线；所述第三交直流转换模块采用不带逆变功能的单向转换模块，其输入端直接连接电网相线和零线。
图1示出的是较佳实施例的电路结构示意图，所述第二交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块，其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线；所述第三交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块，其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线。也可以说是第二和第三交直流转换模块分别带有自己的蓄能滤波模块。
所述第一交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块、或者不带逆变功能的单向转换模块。
生产时可以根据各机型的实际需要选择交直流转换模块是否带逆变功能。参看下表：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
注：单向转换模块为不带逆变功能，双向转换模块为带逆变功能。“(简化)”为第三交直流转换模块不带蓄能滤波模块的电路。
图3是三相工作模式充电状态时电能流向示意图，电能由电网经过第一、第二和第三交直流转换模块流向电池。如果充电机不带逆变功能的话，则第一、第二和第三交直流转换模块可不带逆变功能。
图4是三相工作模式逆变状态时电能流向示意图，电能由电池经过第一、第二和第三交直流转换模块流向电网。如果充电机带逆变功能的话，则第一、第二和第三交直流转换模块均需要带逆变功能。
图5是单相工作模式充电状态、且仅有第二交直流转换模块带蓄能滤波模块时电能流向示意图；电能由电网经过第一交直流转换模块流向电池。开关S1与C1连接，蓄能滤波模块接入，这样可以利用已有的第二交直流转换模块在L1线输入功率高时将多余平均输出功率的能量转移到电容C1，在输入功率低时将储能电容上面的能量转移到输出侧。这样输出叠加功率仍然为稳定直流功率。如果充电机不带逆变功能的话，则第一交直流转换模块可不带逆变功能。
图6是单相工作模式逆变状态、且仅有第二交直流转换模块带蓄能滤波模块时电能流向示意图；电能由电池经过第一交直流转换模块流向电网。开关S1与C1连接，L1线输出功率高时，第二交直流转换模块将能量转移到电容C1上； L1线输出功率低时，将C1上能量释放出来以减少电池输出电流纹波。第一和第二交直流转换模块带逆变功能，第三交直流转换模块可不带逆变功能。
图7是单相工作模式、第二和第三交直流转换模块皆带蓄能滤波模块时电能流向示意图，开关S1和S2分别与C1和C2连接，这样可以利用已有的第二和第三交直流转换模块在L1线输入功率高时将多余平均输出功率的能量转移到电容C1和C2，在输入功率低时将电容上面的能量转移到输出侧。这样输出叠加功率仍然为稳定直流功率。第一、第二和第三交直流转换模块带逆变功能。
第一、第二和第三交直流转换模块可以使用图9和图10两种常见的DAB拓扑形式的双向转换模块。
需要指出，为表述方便，在列举仅有一个蓄能滤波模块的实施例时，蓄能滤波模块是连接第二交直流转换模块上的，而实际上仅有一个蓄能滤波模块时，也可以将之连接到第三交直流转换模块上。
本发明还公开了一种无电解电容单三相兼容充电机控制电路的控制方法，其包括单相工作模式和三相工作模式；所述充电机控制电路在三相工作模式时，第一、第二和第三交直流转换模块连接电网，第二和/或第三交直流转换模块断开蓄能滤波模块，第一、第二和第三交直流转换模块投入运行；所述充电机控制电路在单相工作模式时，仅第一交直流转换模块连接电网，第一交直流转换模块投入运行，第二和/或第三交直流转换模块连接蓄能滤波模块、并投入运行。
上述控制方法所蕴含的控制原理在上面已经详述，在此不再赘述。
所述第一和第三交直流转换模块的两个输入端分别直接连接电网相线和零线；所述第二交直流转换模块的输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线，所述充电机控制电路在三相工作模式时，第一、第二和第三交直流转换模块连接电网，第二交直流转换模块断开蓄能滤波模块，第一、第二和第三交直流转换模块投入运行；所述充电机控制电路在单相工作模式时，仅第一交直流转换模块连接电网，第一交直流转换模块投入运行，第二交直流转换模块连接蓄能滤波模块、并投入运行，所述第三交直流转换模块停止运行。
所述第一交直流转换模块的两个输入端分别直接连接电网相线和零线；所述第二和第三交直流转换模块的输入端通过各自对应的蓄能滤波模块连接电网相线和零线；所述充电机控制电路在三相工作模式时，第一、第二和第三交直流转换模块连接电网，第二和第三交直流转换模块断开蓄能滤波模块，第一、第二和第三交直流转换模块投入运行；所述充电机控制电路在单相工作模式时，仅第一交直流转换模块连接电网，第一交直流转换模块投入运行，第二和第三交直流转换模块连接各自对应的蓄能滤波模块、并投入运行。
所述单相工作模式和三相工作模式皆包括充电状态和逆变状态。
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims (10)

1.一种无电解电容单三相兼容充电机控制电路，包括第一、第二和第三交直流转换模块，其特征在于：所述第一、第二和第三交直流转换模块的输入端连接分别连接电网三条相线和零线，第一、第二和第三交直流转换模块的输出端并联后连接电池；
其中第一交直流转换模块的两个输入端直接连接电网相线和零线，第二和第三交直流转换模块中至少一个模块采用带逆变功能的双向转换模块并且其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线；
所述蓄能滤波模块包括选择开关S和电容C，交直流转换模块的一个输入端连接选择开关S静触头，交直流转换模块的另一个输入端接电网零线，选择开关S的第一动触头连接电网相线，选择开关S的第二动触头连接所述电容C的一端，电容C的另一端连接电网零线；
所述充电机控制电路在三相工作模式时，选择开关S的静触头和第一动触头闭合；在单相工作模式时，选择开关S的静触头和第二动触头闭合。
2.如权利要求1所述的无电解电容单三相兼容充电机控制电路，其特征在于：所述第一、第二和第三交直流转换模块采用无电解电容的交直流转换模块。
3.如权利要求2所述的无电解电容单三相兼容充电机控制电路，其特征在于：所述电容C采用小容量的薄膜电容或者陶瓷电容。
4.如权利要求3所述的无电解电容单三相兼容充电机控制电路，其特征在于：所述第二交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块，其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线；
所述第三交直流转换模块采用不带逆变功能的单向转换模块，其输入端直接连接电网相线和零线。
5.如权利要求3所述的无电解电容单三相兼容充电机控制电路，其特征在于：所述第二交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块，其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线；
所述第三交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块，其输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线。
6.如权利要求4或5所述的无电解电容单三相兼容充电机控制电路，其特征在于：所述第一交直流转换模块采用带逆变功能的双向转换模块、或者不带逆变功能的单向转换模块。
7.一种权利要求1至6任一项所述的无电解电容单三相兼容充电机控制电路的控制方法，其特征在于：包括单相工作模式和三相工作模式；
所述充电机控制电路在三相工作模式时，第一、第二和第三交直流转换模块连接电网，第二和/或第三交直流转换模块断开蓄能滤波模块，第一、第二和第三交直流转换模块投入运行；
所述充电机控制电路在单相工作模式时，仅第一交直流转换模块连接电网，第一交直流转换模块投入运行，第二和/或第三交直流转换模块连接蓄能滤波模块、并投入运行。
8.如权利要求7所述的无电解电容单三相兼容充电机控制电路的控制方法，其特征在于：所述第一和第三交直流转换模块的两个输入端分别直接连接电网相线和零线；所述第二交直流转换模块的输入端通过蓄能滤波模块连接电网相线和零线，
所述充电机控制电路在三相工作模式时，第一、第二和第三交直流转换模块连接电网，第二交直流转换模块断开蓄能滤波模块，第一、第二和第三交直流转换模块投入运行；
所述充电机控制电路在单相工作模式时，仅第一交直流转换模块连接电网，第一交直流转换模块投入运行，第二交直流转换模块连接蓄能滤波模块、并投入运行，所述第三交直流转换模块停止运行。
9.如权利要求7所述的无电解电容单三相兼容充电机控制电路的控制方法，其特征在于：所述第一交直流转换模块的两个输入端分别直接连接电网相线和零线；所述第二和第三交直流转换模块的输入端通过各自对应的蓄能滤波模块连接电网相线和零线；
所述充电机控制电路在三相工作模式时，第一、第二和第三交直流转换模块连接电网，第二和第三交直流转换模块断开蓄能滤波模块，第一、第二和第三交直流转换模块投入运行；
所述充电机控制电路在单相工作模式时，仅第一交直流转换模块连接电网，第一交直流转换模块投入运行，第二和第三交直流转换模块连接各自对应的蓄能滤波模块、并投入运行。
10.如权利要求7所述的无电解电容单三相兼容充电机控制电路的控制方法，其特征在于：所述单相工作模式和三相工作模式皆包括充电状态和逆变状态。
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