CN113135109A - 一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构 - Google Patents

一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构 Download PDF

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Abstract

一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构，属于新能源汽车充电***设计与应用领域。解决了现有大功率充电装置的开关损耗高，直流电压利用率低，畸变大，充电直流输出端电压等级低问题。本发明所述前级为AC‑DC结构，采用多电平PWM整流，利用不连续脉宽调制策略使得整流器谐波畸变小，开关损耗低，直流电压利用率高。本发明适用于电动汽车大功率充电装置使用。

Description

一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构
技术领域
本发明属于新能源汽车充电***设计与应用领域。
背景技术
电动汽车的发展对于缓解石油能源紧缺和减少有害气体排放有非常大的促进意义，大力发展电动汽车产业是汽车行业的第二次革新。在电动汽车的发展中，充电基础设施的发展是非常重要的，充电装置的性能直接影响到电动汽车的使用感受和使用寿命。由于充电时间受到充电的功率大小的影响，所以需要电压等级很高的直流电压向电动汽车电池充电。因此，功能完善、安全可靠、兼容性好、充电速度快，充电电压等级高的电动汽车大功率充电装置对电动汽车行业整体的发展具有重要意义。
目前大功率充电装置拓扑结构中前级一般采用传统的全桥或者半桥整流方式，后级DC/DC变换器也一般采用非隔离式拓扑结构，与前端的整流器直接相连，共同对电网电能进行变换(AC-DC-DC)，为电动汽车充电。虽然此种方式结构较为简单，效率较高但是难以满足输出直流端越来越高的电压等级，很难达到大功率充电的这一等级。
发明内容
本发明是为了解决现有大功率充电装置的开关损耗高，直流电压利用率低，畸变大，充电直流输出端电压等级低的问题，提出了一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构。
本发明所述一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构，包括前级AC-DC结构和后级DC-DC变换器；
所述前级AC-DC结构包括三个电感La、电感Lb、电感Lc、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、开关管S1、开关管S2、开关管S3、电容C1和电容C2；
后级DC-DC变换器包括电感L1、电感L2、开关管S4、开关管S5、开关管S6、二极管D7、二极管D8和电容C3；
电感La的一端连接a相电网电源，另一端连接二极管D1阳极；
二极管D1阴极连接极性电容C1的正极，极性电容C1的负极连接极性电容C2的正极；极性电容C2的负极连接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接二极管D1阳极；
电感La的另一端还连接开关管S1的漏极，开关管S1的源极连接极性电容C1的负极；
电感Lb的一端连接b相电网电源，另一端连接二极管D2的阳极，二极管D2阴极连接极性电容C1的正极，二极管D2的阳极还连接二极管D5的阴极；
电感Lb的另一端还连接开关管S2的漏极,开关管S2的源极连接极性电容C1的负极；
电感Lc的一端连接c相电网电源，另一端连接二极管D3阳极，二极管D3阴极连接极性电容C1的正极；二极管D3的阳极还连接二极管D6的阴极；
电感Lc的另一端还连接开关管S3的漏极，开关管S3的源极连接极性电容C1的负极；
二极管D7的阳极连接极性电容C1的正极，二极管D7的阴极连接开关管S5的源极，开关管S5漏极连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接二极管D7的阳极；开关管S5漏极还连接开关管S4漏极，开关管S4源极连接极性电容C2的负极；
二极管D7的阴极还连接电感L2的一端，电感L2的另一端连接开关管S6的漏极，开关管S6的源极连接极性电容C2的负极；
电感L2的另一端还连接二极管D8的阳极，二极管D8的阴极连接极性电容C3的正极，极性电容C3的负极连接开关管S6的源极；
二极管D8的阴极连接负载电阻的一端；极性电容C3的负极连接负载电阻的另一端。
进一步地，电感La、电感Lb和电感Lc的型号相同，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6的型号相同，开关管S1、开关管S2和开关管S3的型号相同，电容C1和电容C2的型号相同，电感L1和电感L2的型号相同，开关管S4、开关管S5、开关管S6、二极管D7和二极管D8的型号相同。
进一步地，本发明中，还包括控制电路，所述控制电路包括开关管驱动电路、DSP控制***、电压传感器和电流传感器；
电压传感器用于对前级AC-DC结构的三相输入电压、输出电压和后级DC/DC变换器结构的输出电压分别进行采样，并将采集的电压信号发送至DSP控制***；
电流传感器用于对前级AC-DC结构的三相输入电流和电感L1的电流进行采样；并将采集的电流信号发送至DSP控制***；
DSP控制***根据接收的电压信号和电流信号采用PI算法，获取开关管的控制信号，并将开关管的控制信号发送至开关管驱动电路，所述开关管驱动电路根据接收的控制信号分别驱动开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6导通或关闭。
进一步地，DSP控制***采用电压PI控制器实现。
进一步地，本发明中，所述前级AC-DC结构的控制方法为：
步骤一一、对前级AC-DC结构的三相输入电压、输出电压和三相输入电流分别进行abc-dq坐标变换；
步骤一二、利用坐标变换后的输入电压、输出电压、输入电流和目标参考电流，采用PI控制器进行电压电流双环控制，获取指令电压矢量；
步骤一三、对指令电压矢量作dq-αβ坐标变换，根据三相输入电流的相位差周期和正负极，获取输入电流所在的矢量扇区；
步骤一四、在步骤一三确定的矢量扇区内对指令电压矢量进行分解，利用扇区内的作用矢量按照作用顺序和作用时间进行排列合成前级AC-DC结构开关管的控制信号。
进一步地，本发明中，步骤一四中所述的利用扇区内的作用矢量按照作用顺序和作用时间进行排列合成前级AC-DC结构开关管的控制信号的具体方法为：
根据前级AC-DC结构的电容C1和电容C2的电压差值，将所述电压差值与设定阈值进行比较，根据最近三矢量原则，调节电容C1和电容C2的中点电位，使前级AC-DC结构输出侧的中点电位平衡；获得调节前级AC-DC结构输出侧中点电位的作用矢量；
根据伏秒平衡原理，利用调节前级AC-DC结构输出侧中点电位的作用矢量，计算出指令电压矢量中作用矢量的作用时间和作用顺序，获得前级AC-DC结构的开关管控制信号。
进一步地，本发明中，所述后级DC-DC变换器的控制方法为：
步骤二一、将后级DC-DC变换器输出电压与目标参考电压进行比较，获取误差信号；
步骤二二、采用PI控制器对误差信号进行电压环控制，获取期望电感电流；
步骤二三、将获取的期望电感电流与电感电流IL1的电流进行比较，获取电流误差信号；
步骤二四、将误差电流信号输入电流环PI控制器，获取每个开关管占空比值；
步骤二五、根据每个开关管的占空比的值调整PWM波一个周期中开关管的导通和关断的时间；获得对后级DC-DC变换器的控制信号。
本发明所述拓扑结构前级为AC-DC结构，采用多电平PWM整流，利用不连续脉宽调制策略使得整流器具有谐波畸变小，开关损耗低，直流电压利用率高等优点。后级的DC-DC变换器具较高的电压增益，较低的电压应力，快速的响应速度，可以根据负载的功率需求通过控制DC-DC变换器部分的开关管进行功率追踪，以达到满足电动汽车大功率充电等级的要求。
附图说明
图1是本发明所述一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构电路图；
图2是本发明所述一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构及其控制电路原理框图；
图3是前级AC-DC结构控制原理框图；
图4是后级DC-DC电路在电感充电时段工作时的等效电路图如图4；
图5后级DC-DC电路在电感放电时段工作时的等效电路图如图5；
图6是后级DC-DC变换器控制的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构，包括前级AC-DC结构和后级DC-DC变换器；
所述前级AC-DC结构包括三个电感La、电感Lb、电感Lc、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、开关管S1、开关管S2、开关管S3、电容C1和电容C2；
后级DC-DC变换器包括电感L1、电感L2、开关管S4、开关管S5、开关管S6、二极管D7、二极管D8和电容C3；
电感La的一端连接a相电网电源，另一端连接二极管D1阳极；
二极管D1阴极连接极性电容C1的正极，极性电容C1的负极连接极性电容C2的正极；极性电容C2的负极连接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接二极管D1阳极；
电感La的另一端还连接开关管S1的漏极，开关管S1的源极连接极性电容C1的负极；
电感Lb的一端连接b相电网电源，另一端连接二极管D2的阳极，二极管D2阴极连接极性电容C1的正极，二极管D2的阳极还连接二极管D5的阴极；
电感Lb的另一端还连接开关管S2的漏极,开关管S2的源极连接极性电容C1的负极；
电感Lc的一端连接c相电网电源，另一端连接二极管D3阳极，二极管D3阴极连接极性电容C1的正极；二极管D3的阳极还连接二极管D6的阴极；
电感Lc的另一端还连接开关管S3的漏极，开关管S3的源极连接极性电容C1的负极；
二极管D7的阳极连接极性电容C1的正极，二极管D7的阴极连接开关管S5的源极，开关管S5漏极连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接二极管D7的阳极；开关管S5漏极还连接开关管S4漏极，开关管S4源极连接极性电容C2的负极；
二极管D7的阴极还连接电感L2的一端，电感L2的另一端连接开关管S6的漏极，开关管S6的源极连接极性电容C2的负极；
电感L2的另一端还连接二极管D8的阳极，二极管D8的阴极连接极性电容C3的正极，极性电容C3的负极连接开关管S6的源极；
二极管D8的阴极连接负载电阻的一端；极性电容C3的负极连接负载电阻的另一端。
进一步地，电感La、电感Lb和电感Lc的型号相同，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6的型号相同，开关管S1、开关管S2和开关管S3的型号相同，电容C1和电容C2的型号相同，电感L1和电感L2的型号相同，开关管S4、开关管S5、开关管S6、二极管D7和二极管D8的型号相同。
进一步地，结合图2说明本实施方式，本实施方式中，还包括控制电路，所述控制电路包括开关管驱动电路、DSP控制***、电压传感器和电流传感器；
电压传感器用于对前级AC-DC结构的三相输入电压、输出电压和后级DC/DC变换器结构的输出电压分别进行采样，并将采集的电压信号发送至DSP控制***；
电流传感器用于对前级AC-DC结构的三相输入电流和电感L1的电流进行采样；并将采集的电流信号发送至DSP控制***；
DSP控制***根据接收的电压信号和电流信号采用PI算法，获取开关管的控制信号，并将开关管的控制信号发送至开关管驱动电路，所述开关管驱动电路根据接收的控制信号分别驱动开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6导通或关闭。
进一步地，DSP控制***采用电压PI控制器实现。
进一步地，本实施方式中，所述前级AC-DC结构的控制方法为：
步骤一一、对前级AC-DC结构的三相输入电压、输出电压和三相输入电流分别进行abc-dq坐标变换；
步骤一二、利用坐标变换后的输入电压、输出电压、输入电流和目标参考电流，采用PI控制器进行电压电流双环控制，获取指令电压矢量；
步骤一三、对指令电压矢量作dq-αβ坐标变换，根据三相输入电流的相位差周期和正负极，获取输入电流所在的矢量扇区；
步骤一四、在步骤一三确定的矢量扇区内对指令电压矢量进行分解，利用扇区内的作用矢量按照作用顺序和作用时间进行排列合成前级AC-DC结构开关管的控制信号。
本实施方式中，前级AC-DC结构控制流程如图3所示，对图3具体控制过程进行说明：
设定整流部分直流输出目标参考电压Udcr；电压传感器和电流传感器对前级三相电网电压和三相电流进行电压电流采样，并对整流部分输出直流电压Udcf的采样值，对采集的电压电流信号进行abc-dq变换；对变换后的信号进行电压和电流双环控制；
再经过dq-αβ变换，结合三相输入电流所判断的扇区来确定目标矢量，此处对判断电容中点电位和扇区判断进行说明，电容中点电位：整流侧输出中电电位平衡通过设置滞环模块与电容C1和C2的电位差共同控制，当电容电位差小于或者大于对应的设置值时，选择对应的矢量控制模式；扇区判断：把三相电根据其对应的相差周期和正负极可以划分为6个区域，在同一扇区内，各相的电流方向是不变的，除去多余空间矢量后，每个扇区有五个电压空间矢量，在一个周期内可以合成任意一个参考矢量，参考电压矢量和输入电流矢量相位总能保证相同，随着输入电流的不断变化，电压参考矢量也总能有与之对应的电流矢量。判断出目标矢量Udcr的矢量控制区域；确定作用矢量，确定了参考电压矢量的扇区后，根据最近三矢量原则可以把A或者B相钳位，钳位A可以使得中点点位上升，钳位B可以使得中点电位下降，所以可以根据输出侧两个电容的差值和所设置的阈值进行不同模式的切换来保证中点电位平衡；确定矢量作用时间及作用的顺序(利用伏秒平衡原理，计算出合成参考矢量的作用时间保证合成的矢量与参考矢量一致)；输出脉冲信号，控制开关管。
进一步地，本实施方式中，步骤一四中所述的利用扇区内的作用矢量按照作用顺序和作用时间进行排列合成前级AC-DC结构开关管的控制信号的具体方法为：
根据前级AC-DC结构的电容C1和电容C2的电压差值，将所述电压差值与设定阈值进行比较，根据最近三矢量原则，调节电容C1和电容C2的中点电位，使前级AC-DC结构输出侧的中点电位平衡；获得调节前级AC-DC结构输出侧中点电位的作用矢量；
根据伏秒平衡原理，利用调节前级AC-DC结构输出侧中点电位的作用矢量，计算出指令电压矢量中作用矢量的作用时间和作用顺序，获得前级AC-DC结构的开关管控制信号。
本实施方式所述的方法通过采集前级AC-DC结构输出侧电容C1和电容C2的电压，通过调节输出侧两个电容C1和C2的电压值，由于两个电容的型号相同，采用伏秒平衡原理实现调整电位，获取不同的矢量控制模式。
进一步地，结合图6说明本实施方式，本实施方式中，所述后级DC-DC变换器的控制方法为：
步骤二一、将后级DC-DC变换器输出电压与目标参考电压进行比较，获取误差信号；
步骤二二、采用PI控制器对误差信号进行电压环控制，获取期望电感电流；
步骤二三、将获取的期望电感电流与电感电流IL1的电流进行比较，获取电流误差信号；
步骤二四、将误差电流信号输入电流环PI控制器，获取每个开关管占空比值；
步骤二五、根据每个开关管的占空比的值调整PWM波一个周期中开关管的导通和关断的时间；获得对后级DC-DC变换器的控制信号。
根据图6所示DC-DC部分控制框图，其中Uref为所设定的参考电压；CPI1(s)和CPI2(s)为所设计的电压环和电流环的PI控制器；k/Uin为前馈控制器，其中k为常数，此控制器的作用一是把输入电压的变化提前作用于占空比d，抵消输入电压变化时对输出的扰动，作用二是变换器刚启动时占空比d不为零，有软启动的作用，对拓扑进行保护；
具体包括有以下步骤：
a.设定参考电压；
b.电压传感器采集后级DC-DC变换器的输入电压，即整流器输出端电压和DC/DC变换器电路的输出电压UO，电流传感器采集变换单元的电感电流，并进行数模转换；
c.将电压值UO与参考电压Uref比较，得到的误差信号e1送入电压环PI控制器进行处理得到期望电感电流；
d.将步骤c得到的期望电感电流，与反馈的电感电流比较得到误差信号e2送入电流环PI控制器中得到占空比d，根据不同的占空比调节PWM波一个周期中开关管的导通和关断的时间；
e.电流环PI控制器输出的占空比d与前馈控制器输出的信号求和处理后，送入占空比d到电感电流中，得到调整后的IL1；
f.将步骤e中得到的IL1作为电感电流到输出的传递函数的输入量，得到调整后的输出电压UO。
具体的：在电感充电阶段开关管S4、S6导通，整流端输出对电感L1L2充电电容C3向负载供电其等效电路如图4所示；
在电感放电阶段，开关管S4、S6导通关断，两个电感和整流输出端同时向负载侧供电其等效电路如图5所示。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构，其特征在于，包括前级AC-DC结构和后级DC-DC变换器；
所述前级AC-DC结构包括三个电感La、电感Lb、电感Lc、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、开关管S1、开关管S2、开关管S3、电容C1和电容C2；
后级DC-DC变换器包括电感L1、电感L2、开关管S4、开关管S5、开关管S6、二极管D7、二极管D8和电容C3；
电感La的一端连接a相电网电源，另一端连接二极管D1阳极；
二极管D1阴极连接极性电容C1的正极，极性电容C1的负极连接极性电容C2的正极；极性电容C2的负极连接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接二极管D1阳极；
电感La的另一端还连接开关管S1的漏极，开关管S1的源极连接极性电容C1的负极；
电感Lb的一端连接b相电网电源，另一端连接二极管D2的阳极，二极管D2阴极连接极性电容C1的正极，二极管D2的阳极还连接二极管D5的阴极；
电感Lb的另一端还连接开关管S2的漏极,开关管S2的源极连接极性电容C1的负极；
电感Lc的一端连接c相电网电源，另一端连接二极管D3阳极，二极管D3阴极连接极性电容C1的正极；二极管D3的阳极还连接二极管D6的阴极；
电感Lc的另一端还连接开关管S3的漏极，开关管S3的源极连接极性电容C1的负极；
二极管D7的阳极连接极性电容C1的正极，二极管D7的阴极连接开关管S5的源极，开关管S5漏极连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接二极管D7的阳极；开关管S5漏极还连接开关管S4漏极，开关管S4源极连接极性电容C2的负极；
二极管D7的阴极还连接电感L2的一端，电感L2的另一端连接开关管S6的漏极，开关管S6的源极连接极性电容C2的负极；
电感L2的另一端还连接二极管D8的阳极，二极管D8的阴极连接极性电容C3的正极，极性电容C3的负极连接开关管S6的源极；
二极管D8的阴极连接负载电阻的一端；极性电容C3的负极连接负载电阻的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构，其特征在于，电感La、电感Lb和电感Lc的型号相同，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6的型号相同，开关管S1、开关管S2和开关管S3的型号相同，电容C1和电容C2的型号相同，电感L1和电感L2的型号相同，开关管S4、开关管S5、开关管S6、二极管D7和二极管D8的型号相同。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路包括开关管驱动电路、DSP控制***、电压传感器和电流传感器；
电压传感器用于对前级AC-DC结构的三相输入电压、输出电压和后级DC/DC变换器结构的输出电压分别进行采样，并将采集的电压信号发送至DSP控制***；
电流传感器用于对前级AC-DC结构的三相输入电流和电感L1的电流进行采样；并将采集的电流信号发送至DSP控制***；
DSP控制***根据接收的电压信号和电流信号采用PI算法，获取开关管的控制信号，并将开关管的控制信号发送至开关管驱动电路，所述开关管驱动电路根据接收的控制信号分别驱动开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6导通或关闭。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构，其特征在于，DSP控制***采用PI控制器实现。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构，其特征在于，所述前级AC-DC结构的控制方法为：
步骤一一、对前级AC-DC结构的三相输入电压、输出电压和三相输入电流分别进行abc-dq坐标变换；
步骤一二、利用坐标变换后的输入电压、输出电压、输入电流和目标参考电流，采用PI控制器进行电压电流双环控制，获取指令电压矢量；
步骤一三、对指令电压矢量作dq-αβ坐标变换，根据三相输入电流的相位差周期和正负极，获取输入电流所在的矢量扇区；
步骤一四、在步骤一三确定的矢量扇区内对指令电压矢量进行分解，利用扇区内的作用矢量按照作用顺序和作用时间进行排列合成前级AC-DC结构开关管的控制信号。
6.根据权利要求5所述的一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构，其特征在于，步骤一四中所述的利用扇区内的作用矢量按照作用顺序和作用时间进行排列合成前级AC-DC结构开关管的控制信号的具体方法为：
根据前级AC-DC结构的电容C1和电容C2的电压差值，将所述电压差值与设定阈值进行比较，根据最近三矢量原则，调节电容C1和电容C2的中点电位，使前级AC-DC结构输出侧的中点电位平衡；获得调节前级AC-DC结构输出侧中点电位的作用矢量；
根据伏秒平衡原理，利用调节前级AC-DC结构输出侧中点电位的作用矢量，计算出指令电压矢量中作用矢量的作用时间和作用顺序，获得前级AC-DC结构的开关管控制信号。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构，其特征在于，所述后级DC-DC变换器的控制方法为：
步骤二一、将后级DC-DC变换器输出电压与目标参考电压进行比较，获取误差信号；
步骤二二、采用PI控制器对误差信号进行电压环控制，获取期望电感电流；
步骤二三、将获取的期望电感电流与电感电流IL1的电流进行比较，获取电流误差信号；
步骤二四、将误差电流信号输入电流环PI控制器，获取每个开关管占空比值；
步骤二五、根据每个开关管的占空比的值调整PWM波一个周期中开关管的导通和关断的时间；获得对后级DC-DC变换器的控制信号。
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