CN114337325B - 一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路 - Google Patents

一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路，为三个六脉冲二极管桥式整流器并联串接在三相电源的二次侧，三相电源二次侧包括电源S1、电源S2和电源S3，电源S1和电源S3采用zig‑zag锯齿形连接方式，电源S2采用Y星型连接方式，同时电源S1的三相电源整体滞后于一次侧外部主输入电源
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE001
；电源S2的三相电源与一次侧外部主输入电源同向；电源S3的三相电源整体超前于一次侧外部主输入电源
Figure 744258DEST_PATH_IMAGE001
。本发明的整流电路无需采用PWM脉冲宽带调制，能够显著降低控制电路的复杂性，进而有利于降低成本。同时本发明能够有效改善线路电流质量，同时减少低次谐波污染，具有更广泛的适用范围和前景。

Description

一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，尤其是一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路。
背景技术
电动汽车（electric vehicle）指使用电能作为动力源，通过电动机驱动行驶的汽车，属于新能源汽车，包括纯电动汽车（BEV）、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车（FCEV）。由于其对环境影响相对传统汽车较小，因而发展前景被广泛看好，近些年汽车产业朝着低碳、清洁、高效、智能方向转变已成必然趋势。随着电动汽车技术不断完善和成本快速下降，电动汽车的环保、经济和智能等属性得到越来越多消费者的认可，在汽车市场中的份额不断扩大。
随着电动汽车保有量的快速增长，为方便电动汽车充电，拥有电动汽车的用户大量安装电动汽车充电桩。由于电动汽车充电桩含有大量电力电子组件，电动汽车在充电过程中将产生大量低次谐波，降低线路电流质量，给电网安全稳定运行带来不利影响。同时传统充电电路存在拓扑复杂、投资成本高等劣势。现如今还未出现如何有效解决此类问题的技术手段。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路，能够显著降低充电控制电路的复杂性，进而有利于降低成本，同时能够改善充电线路电流质量，减少低次谐波污染。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路，包括第一六脉冲二极管桥式整流器、第二六脉冲二极管桥式整流器、第三六脉冲二极管桥式整流器和三相电源，第一六脉冲二极管桥式整流器、第二六脉冲二极管桥式整流器和第三六脉冲二极管桥式整流器串联三相电源的二次侧，三相电源的一次侧连接外部主输入电源。
而且，所述三相电源的二次侧包括电源S1、电源S2和电源S3，其中电源S1和电源S3采用zig-zag锯齿形连接方式，电源S2采用Y星型连接方式。
而且，所述电源S1的三相电源整体滞后于一次侧外部主输入电源
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；电源S2的三相电源与一次侧外部主输入电源同向；电源S3的三相电源整体超前于一次侧外部主输入电源
Figure 365032DEST_PATH_IMAGE001
。
而且，所述电源S1、电源S2和电源S3采用五绕组的三相多绕组变压器，其中五绕组的三相多绕组变压器的一次侧采用Y星型连接方式，五绕组的三相多绕组变压器的二次侧采用zig-zag锯齿形连接方式，其中，电源S1五绕组的三相多绕组变压器的二次侧包括第一绕组a9a10、第二绕组a1a2、第三绕组a3a4、第四绕组a5a6、第五绕组a7a8；电源S2五绕组的三相多绕组变压器的二次侧包括第一绕组b9b10、第二绕组b1b2、第三绕组b3b4、第四绕组b5b6、第五绕组b7b8；电源S3五绕组的三相多绕组变压器的二次侧包括第一绕组c9c10、第二绕组c1c2、第三绕组c3c4、第四绕组c5c6、第五绕组c7c8；
电源S1的A相
Figure 547752DEST_PATH_IMAGE002
为通过向量加法得到的第二绕组a1a2和第三绕组b3b4，电源S1的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为通过向量加法得到的第二绕组b1b2和第三绕组c3c4，电源S1的C相
Figure 265172DEST_PATH_IMAGE004
为通过向量加法得到的第三绕组a3a4和第二绕组c1c2；
电源S2的A相
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为通过向量加法得到的第一绕组a9a10、第一绕组b9b10和第一绕组c9c10，电源S2的B相
Figure 831021DEST_PATH_IMAGE006
为通过向量加法得到的第一绕组a9a10、第一绕组b9b10和第一绕组c9c10，电源S12的C相
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为通过向量加法得到的第一绕组a9a10、第一绕组b9b10和第一绕组c9c10；
电源S3的A相
Figure 442131DEST_PATH_IMAGE008
为通过向量加法得到的第四绕组a5a6和第五绕组c7c8；电源S3的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为通过向量加法得到的第五绕组a7a8和第四绕组b5b6；电源S3的C相
Figure 202276DEST_PATH_IMAGE010
为通过向量加法得到的第五绕组b7b8和第四绕组c5c6。
而且，所述电源S1五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压、电源S2五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压和电源S3五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压相等。
而且，所述第一六脉冲二极管桥式整流器、第二六脉冲二极管桥式整流器和第三六脉冲二极管桥式整流器的直流电压输出
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为：
Figure 141413DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为电源S1、S2或S3五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压，
Figure 12417DEST_PATH_IMAGE014
为电压相角，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示时段。
而且，所述电源S1、电源S2和电源S3的一次侧输入电压为：
Figure 117514DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为线电压幅值，
Figure 782982DEST_PATH_IMAGE014
为电压相角，
Figure 802891DEST_PATH_IMAGE015
表示时段。
而且，所述电源S1的A相
Figure 71061DEST_PATH_IMAGE018
、电源S1的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE019
、电源S1的C相
Figure 266550DEST_PATH_IMAGE020
、电源S2的A相
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、电源S2的B相
Figure 634077DEST_PATH_IMAGE022
、电源S2的C相
Figure DEST_PATH_IMAGE023
、电源S3的A相
Figure 46342DEST_PATH_IMAGE024
、电源S3的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE025
和电源S3的C相
Figure 993569DEST_PATH_IMAGE026
与电源S1、电源S2和电源S3的一次侧输入电压的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
其中，电源S1、电源S2和电源S3为三相电源，A相、B相和C相为对应三相电源的各相。
本发明的优点和积极效果是：
本发明的整流电路为三个六脉冲二极管桥式整流器并联串接在三相电源的二次侧，三相电源二次侧包括电源S1、电源S2和电源S3，电源S1和电源S3采用zig-zag锯齿形连接方式，电源S2采用Y星型连接方式，同时电源S1的三相电源整体滞后于一次侧外部主输入电源20°；电源S2的三相电源与一次侧外部主输入电源同向；电源S3的三相电源整体超前于一次侧外部主输入电源20°。本发明的整流电路无需采用PWM脉冲宽带调制，能够显著降低控制电路的复杂性，进而有利于降低成本。与传统基于多脉冲AC-DC变流器拓扑不同的是，本发明不需要独立或非独立变压器配置，能够有效改善线路电流质量，同时减少低次谐波污染，同时本发明能够工作在电网工频，具有更广泛的适用范围和前景。
附图说明
图1为本发明基于多脉冲变流器的充电桩整流电路图；
图2为本发明整流电路向量图；
图3为本发明9项电源绕组图；
图4为本发明
Figure DEST_PATH_IMAGE029
波形图；
图5为本发明电源S1的A相
Figure 840303DEST_PATH_IMAGE030
的扩展向量图；
图6为本发明相电流
Figure DEST_PATH_IMAGE031
波形图；
图7为本发明相电流
Figure 113152DEST_PATH_IMAGE031
谐波示意图；
图8为电动汽车在本发明恒电流模式（CC）和恒电压（CV）充电模式下的电池充电电流波形；
图9为电动汽车在本发明恒电流模式（CC）和恒电压（CV）充电模式下的电池电压波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路，如图1所示，包括第一六脉冲二极管桥式整流器、第二六脉冲二极管桥式整流器、第三六脉冲二极管桥式整流器和三相电源，第一六脉冲二极管桥式整流器、第二六脉冲二极管桥式整流器和第三六脉冲二极管桥式整流器串联三相电源的二次侧，三相电源的一次侧连接外部主输入电源。
三相电源的二次侧包括电源S1、电源S2和电源S3，其中电源S1和电源S3采用zig-zag锯齿形连接方式，电源S2采用Y星型连接方式。
如图2所示，电源S1的三相电源整体滞后于一次侧外部主输入电源
Figure 107653DEST_PATH_IMAGE032
；电源S2的三相电源与一次侧外部主输入电源同向；电源S3的三相电源整体超前于一次侧外部主输入电源
Figure 91527DEST_PATH_IMAGE032
。
为获得具有18脉冲输出的DC电压
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，需要9相电源。如图3所示，电源S1、电源S2和电源S3采用五绕组的三相多绕组变压器，其中五绕组的三相多绕组变压器的一次侧采用Y星型连接方式，五绕组的三相多绕组变压器的二次侧采用zig-zag锯齿形连接方式，其中，电源S1五绕组的三相多绕组变压器的二次侧包括第一绕组a9a10、第二绕组a1a2、第三绕组a3a4、第四绕组a5a6、第五绕组a7a8；电源S2五绕组的三相多绕组变压器的二次侧包括第一绕组b9b10、第二绕组b1b2、第三绕组b3b4、第四绕组b5b6、第五绕组b7b8；电源S3五绕组的三相多绕组变压器的二次侧包括第一绕组c9c10、第二绕组c1c2、第三绕组c3c4、第四绕组c5c6、第五绕组c7c8。
电源S1的A相
Figure 386242DEST_PATH_IMAGE034
为通过向量加法得到的第二绕组a1a2和第三绕组b3b4，电源S1的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为通过向量加法得到的第二绕组b1b2和第三绕组c3c4，电源S1的C相
Figure 829993DEST_PATH_IMAGE036
为通过向量加法得到的第三绕组a3a4和第二绕组c1c2。
电源S2的A相
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为通过向量加法得到的第一绕组a9a10、第一绕组b9b10和第一绕组c9c10，电源S2的B相
Figure 718315DEST_PATH_IMAGE038
为通过向量加法得到的第一绕组a9a10、第一绕组b9b10和第一绕组c9c10，电源S12的C相
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为通过向量加法得到的第一绕组a9a10、第一绕组b9b10和第一绕组c9c10。
电源S3的A相
Figure 272924DEST_PATH_IMAGE040
为通过向量加法得到的第四绕组a5a6和第五绕组c7c8；电源S3的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为通过向量加法得到的第五绕组a7a8和第四绕组b5b6；电源S3的C相
Figure 796047DEST_PATH_IMAGE042
为通过向量加法得到的第五绕组b7b8和第四绕组c5c6。
为了使每一个六脉冲二极管电桥的输出相等，电源S1五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压、电源S2五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压和电源S3五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压相等。
如图4所示，第一六脉冲二极管桥式整流器、第二六脉冲二极管桥式整流器和第三六脉冲二极管桥式整流器的直流电压输出
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为：
Figure 535333DEST_PATH_IMAGE044
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为电源S1、S2或S3五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压，
Figure 645371DEST_PATH_IMAGE046
为电压相角，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
表示时段。为了获得需要的
Figure 3671DEST_PATH_IMAGE043
最大值，需要
Figure 741820DEST_PATH_IMAGE048
等于25 V rms。
根据图5所示，以电源S1为例，计算量值分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 792953DEST_PATH_IMAGE050
的第二绕组a1a2和第三绕组b4b3的电压：
Figure DEST_PATH_IMAGE051
得到
Figure 888823DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
。根据上述计算方法对电源S1的其他绕组电压以及电源S2和电源S3的绕组进行类似计算，得到：
表1二次侧绕组与一次侧输入电压的电压比值
Figure DEST_PATH_IMAGE055
电源S1、电源S2和电源S3的一次侧输入电压为：
Figure 316393DEST_PATH_IMAGE056
其中，
Figure 784414DEST_PATH_IMAGE057
为线电压幅值。
电源S1的A相
Figure 334345DEST_PATH_IMAGE030
、电源S1的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE058
、电源S1的C相
Figure 684554DEST_PATH_IMAGE059
、电源S2的A相
Figure 978132DEST_PATH_IMAGE060
、电源S2的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE061
、电源S2的C相
Figure 595933DEST_PATH_IMAGE062
、电源S3的A相
Figure 926552DEST_PATH_IMAGE063
、电源S3的B相
Figure 357533DEST_PATH_IMAGE064
和电源S3的C相
Figure 330168DEST_PATH_IMAGE065
与电源S1、电源S2和电源S3的一次侧输入电压的关系为：
Figure 897416DEST_PATH_IMAGE066
其中，电源S1、电源S2和电源S3为三相电源，A相、B相和C相为对应三相电源的各相。
通过一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路，使用MATLAB/Simulink和Power System Blocksets (PSB)工具箱搭建所提基于多脉冲变流器充电电路拓扑，进行验证分析。选取线路电流THD指标量化评估电能质量。电池充电选择恒电流和恒电压两种模式，且充电电路建模包括一个AC-DC变流器和一个用于充电末期阶段DC-DC升压型变流器。
如图6所示为基于18脉冲电动汽车充电桩的A相线路输入电流波形，可以看出该电流波形无畸变，波形平滑，可以满足电动汽车充电电流需求。图7给出了不同次数相电流谐波的幅值，可以看出，每相线路电流的总谐波失真THD指标约9.12%，验证了本方法具有较好的电流谐波抑制效果。如图8和图9，分别展示了电动汽车充电在恒电流（CC）和恒电压（CV）模式下的充电电流波形和电压波形，能够看出，所提供基于多脉冲变流器的电动汽车充电电路拓扑具有良好的整流效果，能够满足IEEE-519电能质量标准，在电动汽车充电桩充电领域具有广泛推广和利用价值。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路，其特征在于：包括第一六脉冲二极管桥式整流器、第二六脉冲二极管桥式整流器、第三六脉冲二极管桥式整流器和三相电源，第一六脉冲二极管桥式整流器、第二六脉冲二极管桥式整流器和第三六脉冲二极管桥式整流器串联三相电源的二次侧，三相电源的一次侧连接外部主输入电源；
三相电源的二次侧包括电源S1、电源S2和电源S3，其中电源S1和电源S3采用zig-zag锯齿形连接方式，电源S2采用Y星型连接方式；电源S1的三相电源整体滞后于一次侧外部主输入电源
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；电源S2的三相电源与一次侧外部主输入电源同向；电源S3的三相电源整体超前于一次侧外部主输入电源
Figure 251400DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，电源S1、电源S2和电源S3采用五绕组的三相多绕组变压器，其中五绕组的三相多绕组变压器的一次侧采用Y星型连接方式，五绕组的三相多绕组变压器的二次侧采用两种连接方式：zig-zag锯齿形连接方式和Y星型连接方式，电源S1和电源S3采用zig-zag锯齿形连接，电源S2采用Y星型连接，其中，电源S1五绕组的三相多绕组变压器的二次侧包括第一绕组a9a10、第二绕组a1a2、第三绕组a3a4、第四绕组a5a6、第五绕组a7a8；电源S2五绕组的三相多绕组变压器的二次侧包括第一绕组b9b10、第二绕组b1b2、第三绕组b3b4、第四绕组b5b6、第五绕组b7b8；电源S3五绕组的三相多绕组变压器的二次侧包括第一绕组c9c10、第二绕组c1c2、第三绕组c3c4、第四绕组c5c6、第五绕组c7c8；
电源S1的A相
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为通过向量加法得到的第二绕组a1a2和第三绕组b3b4，电源S1的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为通过向量加法得到的第二绕组b1b2和第三绕组c3c4，电源S1的C相
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为通过向量加法得到的第三绕组a3a4和第二绕组c1c2；
电源S2为星型连接，其A相A(S2)、B相B(S2)和C相C(S2)分别对应为二次绕组a9a10、二次绕组b9b10和二次绕组c9c10的电源输出；
电源S3的A相
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为通过向量加法得到的第四绕组a5a6和第五绕组c7c8；电源S3的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为通过向量加法得到的第五绕组a7a8和第四绕组b5b6；电源S3的C相
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为通过向量加法得到的第五绕组b7b8和第四绕组c5c6。
2.根据权利要求1所述的一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路，其特征在于：所述电源S1五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压、电源S2五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压和电源S3五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压相等。
3.根据权利要求1所述的一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路，其特征在于：所述第一六脉冲二极管桥式整流器、第二六脉冲二极管桥式整流器和第三六脉冲二极管桥式整流器的直流电压输出
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为电源S1、S2或S3五绕组的三相多绕组变压器的二次侧输出相电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为电压相角，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示时段。
4.根据权利要求1所述的一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路，其特征在于：所述电源S1、电源S2和电源S3的一次侧输入电压为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为线电压幅值，
Figure 171470DEST_PATH_IMAGE022
为电压相角，
Figure 138158DEST_PATH_IMAGE024
表示时段。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于多脉冲变流器的电动汽车充电桩整流电路，其特征在于：所述电源S1的A相
Figure DEST_PATH_IMAGE030
、电源S1的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE032
、电源S1的C相
Figure DEST_PATH_IMAGE034
、电源S2的A相
Figure DEST_PATH_IMAGE036
、电源S2的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE038
、电源S2的C相
Figure DEST_PATH_IMAGE040
、电源S3的A相
Figure DEST_PATH_IMAGE042
、电源S3的B相
Figure DEST_PATH_IMAGE044
和电源S3的C相
Figure DEST_PATH_IMAGE046
与电源S1、电源S2和电源S3的一次侧输入电压的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
其中，电源S1、电源S2和电源S3为三相电源，A相、B相和C相为对应三相电源的各相。
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