專利名稱：一種用于電動汽車的具有補償充電的多功能一體化充電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電動汽車充電技術領域，涉及一種具有補償充電的多功能一體化充電機。
背景技術：
電動汽車的常規(guī)充電主要包括以下三個方面
1. 在停車充電過程中，從交流電網給動力電池充電(簡稱"動力充電")，以補充動力 電池的能量為目的；
2. 在制動過程中，制動能量回饋給動力電池充電(簡稱"回饋充電")，以回收車輛的 制動能量提高能量利用率為目的；
3. 在行駛過程中，動力電池給輔助電池浮充充電(以下簡稱"浮充充電")，以保持輔 助電池能量并配合輔助電池為車輛提供低壓供電為目的。
圖1為常規(guī)充電基本原理框圖。圖l中包括動力電池l、電機控制器2、驅動電機 3、充電機4、 DC/DC模塊(直流/直流變換模塊)5、輔助電池6、高壓直流母線7、三相 交流母線8、交流電網9、電線10、低壓直流母線ll。動力電池、充電機、電機控制器 和DC/DC模塊通過高壓直流母線相聯(lián)，電機控制器與驅動電機通過三相交流母線相聯(lián)， 交流電網與充電機(車載充電機或地面充電機或地面充電站)通過電線10相聯(lián)，DC/DC 模塊與輔助電池通過低壓直流母線相聯(lián)。
圖1中的充電機具有"AC/DC (交流/直流)"的變換功能。交流電網的交流電經過 電線10進入充電機，充電機將交流電變換成高壓直流電，再經過高壓直流母線給動力電 池進行高壓直流充電。該充電機是單一功能設備，僅負責動力充電的任務。
圖1中的驅動電機在電動車輛制動時處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)出的電能經過三相交流母線 進入電機控制器并變換成高壓直流電，'再經過高壓直流母線為動力電池進行高壓直流充 電，即回饋充電。動力電池回收制動能量可以節(jié)約能源，提高能源的利用率，延長車輛 的續(xù)駛里程。
圖1中的輔助電池為車輛提供低壓供電， 一般選擇鉛酸蓄電池，標稱電壓為12V(用 于轎車或微型車)或者24V (用于客車)。動力電池的高壓直流電經過高壓直流母線進入 DC/DC模塊，DC/DC模塊將高壓直流電變換成低壓直流電，再經過低壓直流母線給輔助電 池充電。DC/DC模塊輸出恒定的工作電壓， 一般為13. 5V (用于轎車或微型車)或27V (用 于客車)，因此只能為輔助電池提供浮充充電，使得輔助電池始終處于滿電或接近滿電 狀態(tài)，因此輔助電池不能夠回收制動能量。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種具有補償充電的多功能一 體化充電機。該充電機將補償充電等四種充電功能高度集成在一臺充電機內，提高了充 電機的集成度，使電動汽車能夠回收更多的制動能量。 本發(fā)明的技術方案如下
一種用于電動汽車的具有補償充電的多功能一體化充電機，包括整流橋、逆變充電 電路、控制電路、接觸器組、動力電池和輔助電池以及制動回饋能量檢測、動力電池能 量檢測和輔助電池能量檢測電路，所述整流橋的輸出端與逆變充電電路相連，所述逆變
充電電路包括電容濾波電路、占空比受控制電路控制的IGBT逆變橋、帶有高壓和低壓
兩種輸出端的高頻變壓器以及高壓整流濾波電路和低壓整流濾波電路，電容濾波電路輸
出的直流電加載在所述的IGBT逆變橋的輸入端，所述IGBT逆變橋的兩個輸出端分別連 接在高頻變壓器的原邊線圈上，所述的高頻變壓器具有三個副邊線圈，其第一副邊線圈 實現(xiàn)高頻高壓逆變，其第二和第三副邊線圈實現(xiàn)高頻低壓逆變，所述的第一副邊線圈與 高壓整流濾波電路和動力電池之間依次連接的線路的通斷受接觸器組控制，所述的第二 副邊線圈與低壓整流濾波電路和輔助電池之間依次連接的線路的通斷受接觸器組控制， 所述的第三副邊線圈與低壓整流濾波電路和輔助電池之間依次連接的線路的通斷受接觸 器組控制；所述的控制電路在車輛行駛時，通過對接觸器組的控制，使動力電池的兩端 分別連接到逆變充電電路的兩個輸入端，并使第二副邊線圈經過低壓整流濾波電路變成 低壓直流電后給輔助電池充電，控制電路在檢測到存在制動回饋能量情況下，根據(jù)動力 電池以及輔助電池剩余能量檢測和計算結果，控制IGBT逆變橋的占空比，進行補償充 電模式的啟動和控制；控制電路在未檢測到存在制動回饋能量情況下，并檢測到輔助電 池剩余能量過低時，控制IGBT逆變橋的占空比，進行調整充電模式的啟動和控制；所 述控制電路在通過交流電網為電動車輛充電時，通過對接觸器組的控制，使第一副邊線 圈經過高壓整流濾波電路變成高壓直流電后給動力電池充電，并使輔助電池與逆變充電電 路斷開，實現(xiàn)對動力電池進行充電的動力充電模式；所述的控制電路，在監(jiān)測到用戶選 擇輔助充電模式時，使動力電池與逆變充電電路斷開，并使第三副邊線圈經過低壓整流 濾波電路變成低壓直流電后給輔助電池充電，且在控制電路檢測到輔助電池充電完畢后， 自動切換成動力充電模式繼續(xù)進行動力鬼池的充電。
本發(fā)明多功能一體化充電機包含有實現(xiàn)"補償充電"、"調整充電"、"輔助充電" 和"動力充電"等四種充電功能的充電電路和綜合控制方法，集成在一臺充電機中的四 種充電模式沒有采用彼此完全獨立的電路，而是通過對高頻變壓器的結構設計和接觸器 組的邏輯控制，實現(xiàn)電路切換，整個電路結構具有高效復用的特點。同時四種充電模式 還共用了一個控制電路，在控制電路中除了集^S四種充電模式的接觸器組切換控制程序 和綜合充電控制方法外，還集成了根據(jù)動力電池和輔助電池的試驗建立的數(shù)據(jù)庫為四種充電模式所共用。
圖1是電動汽車常規(guī)充電原理框圖； 圖2是電動汽車補償充電原理框圖； 圖3是多功能一體化充電原理框圖4是"補償充電"模式和"調整充電"模式下逆變充電電路結構示意圖； 圖5是"動力充電"模式下逆變充電電路結構示意圖； 圖6是"輔助充電"模式下逆變充電電路結構示意圖。
具體實施例方式
圖2是電動汽車補償充電的原理框圖。圖2中包括動力電池1、電機控制器2、驅 動電機3、補償充電模塊4、輔助電池5、高壓直流母線6、三相交流母線7、低壓直流母 線8。動力電池、電機控制器和補償充電模塊通過高壓直流母線6相聯(lián)，電機控制器通過 三相交流母線7與驅動電機相聯(lián)，補償充電模塊通過低壓直流母線8與輔助電池相聯(lián)。
在電動車輛制動時，圖2中的驅動電機發(fā)出的電能經過三相交流母線進入電機控制 器，并轉換成高壓直流電，再經過高壓直流母線一分為二， 一部分進入動力電池，另一 部分進入補償充電模塊。進入動力電池的能量為動力電池充電，由動力電池回收。進入 補償充電模塊的能量轉換成低壓直流電，然后再經過低壓直流母線為輔助電池充電，由 輔助電池回收，實現(xiàn)補償充電。圖2中的箭頭指示方向表示回饋充電能量的流動方向。 在沒有制動能量回饋時，補償充電模塊不輸出充電功率或減小輸出的充電功率，輔助電 池的能量通過電動車輛的低壓用電而消耗，當車輛再次制動時又可以回收制動能量得到 補充，從而形成"放電一回收一再放電一再回收"的良性循環(huán)。輔助電池通過補償充電 模塊實現(xiàn)了補償動力電池回收制動能量的功能，可以回收更多的制動能量，提高電動汽 車的能源利用率。
圖3中包括動力電池、電機控制器、驅動電機、多功能一體化充電機、輔助電池、 高壓直流母線、'三相交流母線、低壓直流母線、輔助電池檢測線束和輔助電池檢測電路、 動力電池檢測線束和動力電池檢測電路、制動回饋檢測線束和制動回饋檢測電路、交流 輸入線束和交流電網。動力電池、多功能一體化充電機、電機控制器通過高壓直流母線 相聯(lián)，電機控制器通過三相交流母線與驅動電機相聯(lián)，多功能一體化充電機通過交流輸 入線束與交流電網相聯(lián)，多功能一體化充電機通過低壓直流母線與輔助電池相聯(lián)。輔助 電池檢測電路通過輔助電池檢測線束分別與多功能一體化充電機和輔助電池相聯(lián)，動力 電池檢測電路通過動力電池檢測線束分別與多功能一體化充電機和動力電池相聯(lián)，制動 回饋檢測電路通過制動回饋檢測線束分別與多功能一體化充電機和高壓直流母線相聯(lián)。
圖3中的多功能一體化充電機包含有一個控制電路、一個接觸器組和一個逆變充電
5電路。其中控制電路包含有"補償充電"、"調整充電"、"輔助充電"和"動力充電" 等四種充電模式的接觸器組切換控制程序和綜合充電控制方法?？刂齐娐吠ㄟ^控制接觸 器組中相應的接觸器，實現(xiàn)四種逆變充電電路的切換?？刂齐娐窞樗姆N充電功能提供充 電控制方法，從而實現(xiàn)四種充電功能的切換和控制。
電池在不同的電壓、電流和溫度等條件下對應不同的剩余能量，通過電池試驗得到 電壓、電流和溫度等與電池剩余能量之間對應關系的數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫存儲在控制電 路中為四種充電模式所共用?？刂齐娐吠ㄟ^檢測電路實時檢測電池的電壓、電流和溫度 等并査詢數(shù)據(jù)庫則可以計算出輔助電池和動力電池的剩余能量。
電池在不同的剩余能量時對應不同的最佳充電功率，通過電池試驗得到剩余能量與 最佳充電功率之間對應關系的數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫存儲在控制電路中?？刂齐娐犯鶕?jù)電 池的剩余能量査詢數(shù)據(jù)庫就可以得到動力電池和輔助電池的最佳充電功率。
控制電路通過制動回饋檢測電路和制動回饋檢測線束實時檢測是否產生制動回饋 能量以及制動能量的大小，同時根據(jù)檢測到的動力電池和輔助電池的剩余能量的高低， 進行補償充電的啟動和控制。 "補償充電"模式
在圖4中，控制電路首先控制接觸器JA的觸點JA1與JA1-1導通、觸點JA2與JA2-1 導通，再控制接觸器JB的觸點JB1與JB1-1導通、觸點JB2與JB2-1導通，最后控制接 觸器JC的觸點JC1與JC1-1導通、觸點JC2與JC2-1導通，使輔助電池與逆變充電電路 的低壓直流輸出端連接，而動力電池則與逆變充電電路的高壓直流輸入端連接，實現(xiàn)了 將補償和調整充電電路切換成當前充電電路。
在圖4中，制動回饋的高壓直流電通過動力電池的正負極進入逆變充電電路。該高 壓直流電首先被Cl和C2濾波，然后經過IGBT、 Np和Ns2逆變成高頻低壓交流電，再經過 D1和D2整流以及L2和C8濾波成低壓直流電，通過JB切換給輔助電池充電，實現(xiàn)的是 DC/DC變換。
輔助電池能夠回收的制動能量等于輔助電池充滿電時的能量與剩余能量的差值，該差 值是補償充電功率在時間上的積分。控制電路將補償充電功率與輔助電池的實際充電功 率相比較，如果實際充電功率>補償充電功率，則減小IGBT的占空比，逆變充電電路的 實際輸出功率就會減小，如果實際充電功率<補償充電功率，則增加IGBT的占空比，逆 變充電電路的實際輸出功率就會增加。使得輔助電池能夠補償動力電池回收更多制動能 量，提高能量利用率，即實現(xiàn)了補償充電。 "調整充電"模式
"調整充電"與"補償充電"使用相同的逆變充電電路，見圖4。在圖4中，動力電 池的高壓直流電被C1和C2濾波后，經過IGBT、 Np和Ns2逆變成高頻低壓交流電，再經過 D1和D2整流以及L2和C8濾波成低壓直流電，通過JB切換給輔助電池充電，實現(xiàn)的是 DC/DC變換。"調整充電"模式主要用于沒有制動能量回饋的場合，例如電動汽車怠速時或者行 駛過程中驅動電機不處于發(fā)電狀態(tài)。為了在"補償充電"模式下能夠回收更多制動能量， 在沒有制動能量回饋時，控制電路通過控制IGBT的占空比等于0從而關斷逆變充電電路 的輸出，使得輔助電池的能量被電動車輛的低壓用電消耗而減少。 '
輔助電池的剩余能量過低會影響電動車輛的低壓用電。當輔助電池的剩余能量過低而 不足以為低壓供電提供足夠能量時，控制電路就將啟動"調整充電"模式，將動力電池 的能量變換成低壓直流電為輔助電池充電?？刂齐娐吠ㄟ^控制IGBT的占空比控制逆變充 電電路的輸出功率，占空比越大充電功率越大，占空比越小充電功率越小，從而實現(xiàn)調 整輔助電池剩余能量的目的。 "動力充電"模式
在圖5中，控制電路首先控制接觸器JA的觸點JA1與JA1-0導通、觸點JA2與JA2-0 導通，再控制接觸器JB的觸點JB1與JB1-0導通、觸點JB2與JB2-0導通，使動力電池 接入逆變充電電路，而輔助電池與逆變充電電路斷開，實現(xiàn)了將動力充電電路切換成當 前充電電路。
圖5中，交流電從AC-IN1和AC-IN2進入逆變充電電路，經Bl整流以及Cl和C2濾 波后成高壓直流電，再經過IGBT、 Np和Ns,逆變成高頻高壓交流電，然后經過B2整流以 及L1和C7濾波成高壓直流電，通過JA切換給動力電池充電，實現(xiàn)的是AC/DC變換。
控制電路將逆變充電電路輸出給動力電池的實際充電功率與動力電池最佳充電功率 相比較，當實際充電功率>最佳充電功率時，控制電路減小IGBT的占空比，當實際充電 功率>最佳充電功率時，控制電路增加IGBT的占空比，當動力電池充滿電時，控制電路 使IGBT的占空比等于O，關斷逆變充電電路終止充電。在動力電池充電過程中，實際充 電功率始終等于最佳充電功率，實現(xiàn)了動力電池的最佳充電控制。 "輔助充電"模式
在圖6中，控制電路首先控制接觸器JA的觸點JA1與JA1-0導通、觸點JA2與JA2-0 導通，再控制接觸器JB的觸點JB1與JB1-1導通、觸點JB2與JB2-1導通，最后在控制 接觸器JC的觸點JC1與JC1-0導通、觸點JC2與JC2-0導通，使輔助電池接入逆變充電 電路，而動力電池與逆變充電電路斷開，實現(xiàn)了將輔助充電電路切換成當前充電電路。
圖6中，交流電從AC-IN1和AC-IN 2進入逆變充電電路，經Bl整流以及Cl和C2 濾波后成高壓直流電，再經過IGBT、 Np和Ns3逆變成高頻低壓交流電，然后經過D1和D2 整流以及L2和C8濾波成低壓直流電，通過JB切換給輔助電池充電，實現(xiàn)的是AC/DC變 換。
"輔助充電"模式主要用于輔助電池過放電而無法啟動車輛的場合，或者動力電池 能量不足而無法進行調整充電的場合?？刂齐娐穼⒛孀兂潆婋娐份敵鼋o輔助電池的實際 充電功率與輔助電池的最佳充電功率相比較，當實際充電功率>最佳充電功率時，控制 電路減小IGBT的占空比，當實際充電功率 > 最佳充電功率時，控制電路增加IGBT的占空比，當輔助電池充滿電時，控制電路使IGBT的占空比等于O，關斷逆變充電電路終止 充電。在輔助電池充電過程中，實際充電功率始終等于最佳充電功率，實現(xiàn)了輔助電池 的最佳充電控制。 四種充電模式的切換控制
四種充電模式分別對應不同的充電使用場合，在電動車輛行駛的過程中僅使用"補 償充電"和"調整充電"兩種模式，而"動力充電"和"輔助充電"兩種模式則用于通 過交流電網為電動車輛充電的場合。
在電動車輛行駛的過程中，控制電路通過監(jiān)測車輛是否產生制動回饋能量作為充電 模式的切換依據(jù)。當監(jiān)測到產生制動回饋能量時切換為"補償充電"模式，如果沒有監(jiān) 測到產生制動回饋能量則切換成"調整充電"模式，這兩種模式的切換是由控制系統(tǒng)自 動完成的。
在通過交流電網為電動車輛充電時，電動車輛處于靜止狀態(tài)。當用戶使用充電電纜 將電動車輛的充電口與交流電網連接好并打開充電開關后，多功能一體化充電機將立即 啟動，控制電路首先將充電模式自動設置并切換成"動力充電"模式，也就是說"動力 充電"模式是電網充電條件下的默認充電模式。
"輔助充電"模式與其它三種充電模式不同，是由用戶通過手動開關來選擇的。當 控制電路監(jiān)測到用戶選擇了 "輔助充電"模式，就會立即停止"動力充電"模式并切換 到"輔助充電"模式，并在"輔助充電"過程結束后自動切換成"動力充電"模式繼續(xù) 進行動力充電。
圖4 圖6中所用器件說明
AC-皿 AC-IN2:交流輸入。B1 B2:整流橋，BAT1:動力電池。BAT2:輔助電池。 C1 C8:電容。D1 D2:快恢復二極管。JA、 JB、 JC:接觸器。JA1 JA2:接觸器A的 公共觸點。JB1 JB2:接觸器B的公共觸點。JC1 JC2:接觸器C的公共觸點。JA1- JA2-0:接觸器A的常開觸點。JA1-1 JA2-1:接觸器A的常閉觸點。JB1-0 JB2-0:接 觸器B的常開觸點。JB1-1 JB2-1:接觸器B的常閉觸點。JC1-0 JC2-0:接觸器C的 常開觸點。JC1-1 JC2-1:接觸器C的常閉觸點。L1 L2:電抗器。Q1 Q4:絕緣柵雙 級三極管(IGBT) 。 R1 R5:電阻。Tl:高頻變壓器。NP:高頻變壓器原邊線圈。NS1:高
頻變壓器副邊線圈l。 NS2:高頻變壓器副邊線圈2。 NS3:高頻變壓器副邊線圈3。
權利要求
1. 一種用于電動汽車的具有補償充電的多功能一體化充電機，包括整流橋、逆變充電電路、控制電路、接觸器組、動力電池和輔助電池以及制動回饋能量檢測、動力電池能量檢測和輔助電池能量檢測電路，所述整流橋的輸出端與逆變充電電路相連，所述逆變充電電路包括電容濾波電路、占空比受控制電路控制的IGBT逆變橋、帶有高壓和低壓兩種輸出端的高頻變壓器以及高壓整流濾波電路和低壓整流濾波電路，電容濾波電路輸出的直流電加載在所述的IGBT逆變橋的輸入端，所述IGBT逆變橋的兩個輸出端分別連接在高頻變壓器的原邊線圈上，所述的高頻變壓器具有三個副邊線圈，其第一副邊線圈實現(xiàn)高頻高壓逆變，其第二和第三副邊線圈實現(xiàn)高頻低壓逆變，所述的第一副邊線圈與高壓整流濾波電路和動力電池之間依次連接的線路的通斷受接觸器組控制，所述的第二副邊線圈與低壓整流濾波電路和輔助電池之間依次連接的線路的通斷受接觸器組控制，所述的第三副邊線圈與低壓整流濾波電路和輔助電池之間依次連接的線路的通斷受接觸器組控制；所述的控制電路在車輛行駛時，通過對接觸器組的控制，使動力電池的兩端分別連接到逆變充電電路的兩個輸入端，并使第二副邊線圈經過低壓整流濾波電路變成低壓直流電后給輔助電池充電，控制電路在檢測到存在制動回饋能量情況下，根據(jù)動力電池以及輔助電池剩余能量檢測和計算結果，控制IGBT逆變橋的占空比，進行補償充電模式的啟動和控制；控制電路在未檢測到存在制動回饋能量情況下，并檢測到輔助電池剩余能量過低時，控制IGBT逆變橋的占空比，進行調整充電模式的啟動和控制；所述控制電路在通過交流電網為電動車輛充電時，通過對接觸器組的控制，使第一副邊線圈經過高壓整流濾波電路變成高壓直流電后給動力電池充電，并使輔助電池與逆變充電電路斷開，實現(xiàn)對動力電池進行充電的動力充電模式；所述的控制電路，在監(jiān)測到用戶選擇輔助充電模式時，使動力電池與逆變充電電路斷開，并使第三副邊線圈經過低壓整流濾波電路變成低壓直流電后給輔助電池充電，且在控制電路檢測到輔助電池充電完畢后，自動切換成動力充電模式繼續(xù)進行動力電池的充電。
全文摘要
本發(fā)明屬于電動汽車充電技術領域，涉及一種用于電動汽車的具有補償充電的多功能一體化充電機，包括整流橋、逆變充電電路、控制電路、接觸器組、動力電池和輔助電池以及制動回饋能量檢測、動力電池能量檢測和輔助電池能量檢測電路，整流橋的輸出端與逆變充電電路相連，逆變充電電路包括電容濾波電路、占空比受控制電路控制的IGBT逆變橋、高頻變壓器以及整流濾波電路，通過對接觸器組的控制，改變不同的充電模式。本發(fā)明將補償充電等四種充電功能高度集成在一臺充電機內，提高了充電機的集成度，使電動汽車能夠回收更多的制動能量。
文檔編號H02J7/02GK101499673SQ200910067988
公開日2009年8月5日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權日2009年2月27日
發(fā)明者宮學庚, 磊 李, 楓 梁, 雪 王, 毅 韓, 馬宇坤 申請人:天津清源電動車輛有限責任公司