一種電動(dòng)汽車充電器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種電動(dòng)汽車充電器，主電路采用不可控整流加BUCK型PFC兩級(jí)結(jié)構(gòu)充電器采用兩通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了變換器的功率等級(jí)，而且改善了系統(tǒng)的熱分布，提高系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命，且大大提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到0.998；本發(fā)明采用了ZCS諧振電路，通過(guò)控制Q1、Q4的導(dǎo)通時(shí)間與Cr、Lr的諧振周期相匹配，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)，從而大幅度提高變換器效率。本發(fā)明中由開(kāi)關(guān)管Q2和Q3、Q5和Q6分別組成逆變電路的兩個(gè)橋臂，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通信號(hào)，進(jìn)行全控型逆變，提供單相交流便攜電源。通過(guò)有效的硬件復(fù)用，滿足了車載充電器體積小、重量輕、成本低的需求。
【專利說(shuō)明】一種電動(dòng)汽車充電器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電動(dòng)汽車【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種電動(dòng)汽車充電器，本發(fā)明用于電動(dòng)汽車與智能電網(wǎng)之間的能量交換環(huán)節(jié)，特別是通過(guò)硬件復(fù)用，采用同一電路實(shí)現(xiàn)了車載充電和便攜電源兩種功能，從而實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)，并且通過(guò)加入軟開(kāi)關(guān)和PFC (功率因數(shù)校正)功能，可提高系統(tǒng)效率及功率因數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界能源和環(huán)境問(wèn)題日益突出，電動(dòng)汽車作為一種能提高能源利用率和降低污染物排放的有效解決方案，一直受到廣泛關(guān)注。近年來(lái)，伴隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的提出和發(fā)展，一種電動(dòng)汽車與智能電網(wǎng)進(jìn)行雙向互動(dòng)的技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都具有重要意義。
[0003]電動(dòng)汽車充電器是為電動(dòng)汽車提供能量的關(guān)鍵部件，其中車載充電器直接安裝在電動(dòng)汽車上，通過(guò)插頭直接與電網(wǎng)相連，因此充電方便。但是受體積、重量和成本等因素的限制，車載充電器的功率一般僅為幾個(gè)千瓦。此外，由于直接連接市電，且功率較高，因此必須具備功率因數(shù)校正功能。其次，高效率是電動(dòng)汽車車載充放電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要求。再次，作為便攜電源提供交流輸出也是目前對(duì)電動(dòng)汽車的一個(gè)重要需求。
[0004]以往較為常見(jiàn)的車載充電電路如圖1所示，該電路采用前級(jí)不可控整流加后級(jí)DC/DC變換電路兩級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)充電功能。該拓?fù)鋬H有一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，成本低。但是該結(jié)構(gòu)相對(duì)效率較低，并且不能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，提供車載充電和便攜電源兩種功倉(cāng)泛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種電動(dòng)汽車充電器，該充電器實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)，提高了變換器的功率等級(jí)，詳見(jiàn)下文描述:
[0006]一種電動(dòng)汽車充電器，所述充電器采用兩通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)，
[0007]第一通道包括:電感組LI的一端接交流電，另一端分別接電容組Cr和不可控整流橋電路，電容組Cr接地；所述不可控整流橋電路連接并聯(lián)本體二極管的第一絕緣柵雙極型晶體管Ql，第一絕緣柵雙極型晶體管Ql分別連接第二電感Lf和第三電感Lr，第二電感Lf并聯(lián)連接第七二極管Dd，第二電感Lf連接第二絕緣柵雙極型晶體管Q2，第二絕緣柵雙極型晶體管Q2接電源正極，第三電感Lr接第三絕緣柵雙極型晶體管Q3，第三絕緣柵雙極型晶體管Q3并聯(lián)連接第二電容Cd，且分別連接不可控整流橋電路和電容組Cr ；
[0008]第二通道包括:電感組L2即第四電感的一端接交流電，另一端分別接電容組Cf和不可控整流橋電路，電容組Cf接地；不可控整流橋電路連接并聯(lián)本體二極管的第四絕緣柵雙極型晶體管Q4，第四絕緣柵雙極型晶體管Q4分別連接第四電感Ls和第五電感Ld，第四電感Ls并聯(lián)連接第八二極管Df，第四電感Ls連接第五絕緣柵雙極型晶體管Q5，第五絕緣柵雙極型晶體管Q5接電源正極，第五電感Ld接第六絕緣柵雙極型晶體管Q6，第六絕緣柵雙極型晶體管Q6并聯(lián)連接第四電容Ce，且分別連接不可控整流橋電路、電容組Cf和電源負(fù)極。
[0009]所述不可控整流橋電路分別由6個(gè)二極管組成，第一二極管Dl的陽(yáng)極連接第四二極管D4的陰極，第三二極管D3的陽(yáng)極連接第六二極管D6的陰極，第五二極管D5的陽(yáng)極連接第二二極管D2的陰極。
[0010]第一絕緣柵雙極型晶體管Q1、第二絕緣柵雙極型晶體管Q2、第三絕緣柵雙極型晶體管Q3、第四絕緣柵雙極型晶體管Q4、第五絕緣柵雙極型晶體管Q5和第六絕緣柵雙極型晶體管Q6為雙向?qū)щ娊饘傺趸锇雽?dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:
[0011]1.本發(fā)明采用雙通道結(jié)構(gòu)，不僅有效的提高了變換器的功率等級(jí)，而且改善了系統(tǒng)的熱分布，提高系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。
[0012]2.本發(fā)明由于采用了 BUCK型PFC結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到
0.998 ο
[0013]3.本產(chǎn)品采用了 ZCS諧振電路，通過(guò)控制Q1、Q4的導(dǎo)通時(shí)間與Cr、Lr的諧振周期相匹配，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)，從而大幅度提高變換器效率。
[0014]4.本發(fā)明中由開(kāi)關(guān)管Q2和Q3、Q5和Q6分別組成逆變電路的兩個(gè)橋臂，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通信號(hào)，進(jìn)行全控型逆變，提供單相交流便攜電源。通過(guò)有效的硬件復(fù)用，滿足了車載充電器體積小、重量輕、成本低的需求。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為現(xiàn)有技術(shù)提供的車載充電器電路示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明提供的車載充電器的拓?fù)鋱D；
[0017]圖3為本發(fā)明提供的充電模式原理圖；
[0018]圖4為本發(fā)明提供的充電過(guò)程控制框圖；
[0019]圖5a為本發(fā)明提供的充電模式輸入電壓的波形圖；
[0020]圖5b為本發(fā)明提供的充電模式輸入電流的波形圖；
[0021]圖6為本發(fā)明提供的充電模式功率因數(shù)圖；
[0022]圖7為本發(fā)明提供的便攜電源模式原理圖；
[0023]圖8為本發(fā)明提供的MOSFET改進(jìn)型拓?fù)鋱D。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0025]為了實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，提高變換器的功率等級(jí)，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種電動(dòng)汽車充電器，參見(jiàn)圖2和圖3，該電動(dòng)汽車充電器采用兩通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)，主電路采用不可控整流加BUCK型PFC兩級(jí)結(jié)構(gòu)，
[0026]第一通道包括:電感組LI (即第一電感)的一端接交流電，另一端分別接電容組Cr(即第一電容)和不可控整流橋電路，電容組Cr接地；不可控整流橋電路連接并聯(lián)本體二極管的第一絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) Q1，第一絕緣柵雙極型晶體管Ql分別連接第二電感Lf和第三電感Lr，第二電感Lf并聯(lián)連接第七二極管Dd，第二電感Lf連接第二絕緣柵雙極型晶體管Q2，第二絕緣柵雙極型晶體管Q2接電源正極，第三電感Lr接第三絕緣柵雙極型晶體管Q3，第三絕緣柵雙極型晶體管Q3并聯(lián)連接第二電容Cd，且分別連接不可控整流橋電路和電容組Cr。
[0027]第二通道包括:電感組L2 (即第四電感)的一端接交流電，另一端分別接電容組Cf(即第三電容)和不可控整流橋電路，電容組Cf接地；不可控整流橋電路連接并聯(lián)本體二極管的第四絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) Q4，第四絕緣柵雙極型晶體管Q4分別連接第四電感Ls和第五電感Ld，第四電感Ls并聯(lián)連接第八二極管Df，第四電感Ls連接第五絕緣柵雙極型晶體管Q5，第五絕緣柵雙極型晶體管Q5接電源正極，第五電感Ld接第六絕緣柵雙極型晶體管Q6，第六絕緣柵雙極型晶體管Q6并聯(lián)連接第四電容Ce，且分別連接不可控整流橋電路、電容組Cf和電源負(fù)極。
[0028]具體實(shí)現(xiàn)時(shí)通過(guò)硬件復(fù)用，采用不同的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)車載充電和便攜電源的功能集成。
[0029]參見(jiàn)圖2和圖3，兩個(gè)通道中的不可控整流橋電路分別由6個(gè)二極管組成，即第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4、第五二極管D5和第六二極管D6。第一二極管Dl的陽(yáng)極連接第四二極管D4的陰極，第三二極管D3的陽(yáng)極連接第六二極管D6的陰極，第五二極管D5的陽(yáng)極連接第二二極管D2的陰極。
[0030]由于第一通道和第二通道工作原理相同，因此下文只對(duì)其中一個(gè)通道的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0031]—、該充電器工作在充電模式時(shí):
[0032]參見(jiàn)圖3，220V交流輸入電壓經(jīng)LC濾波(即電感組LI和電容組Cr)、不可控整流橋電路(即第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4、第五二極管D5和第六二極管D6)變?yōu)橹绷骱螅┙oBUCK型PFC電路實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)及功率因數(shù)校正功能。電路中第一絕緣柵雙極型晶體管Ql為BUCK電路的開(kāi)關(guān)管，第二電感Lf為儲(chǔ)能電感，Q3的本體二極管為續(xù)流二極管(用于給電感Lf上的電流提供由下至上的電流通路，Q2保持關(guān)斷，由其本體二極管提供由左至右的電流回路)，電路通過(guò)附加電容組Cr、第三電感Lr、第二電容Cd實(shí)現(xiàn)了第一絕緣柵雙極型晶體管Ql的軟開(kāi)關(guān)。采用恒導(dǎo)通時(shí)間控制方法，從而滿足諧振條件，實(shí)現(xiàn)ZCS (零電流開(kāi)關(guān))。
[0033]充電時(shí)，第一絕緣柵雙極型晶體管Ql閉合，通過(guò)第二絕緣柵雙極型晶體管Q2的本體二極管為第二電感Lf充電；第一絕緣柵雙極型晶體管Ql關(guān)斷，第二電感Lf放電，通過(guò)第三絕緣柵雙極型晶體管Q3的本體二極管續(xù)流。充電過(guò)程中只需對(duì)第一絕緣柵雙極型晶體管Q1、第四絕緣柵雙極型晶體管Q4進(jìn)行控制。為滿足諧振條件，采用與諧振周期相配合的恒導(dǎo)通時(shí)間控制策略。
[0034]由于采用恒導(dǎo)通時(shí)間控制策略，因此只能通過(guò)調(diào)解開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)解占空比，從而調(diào)解輸出電壓。參見(jiàn)圖4，采用電壓閉環(huán)控制，誤差電壓(充電器輸出電壓Uo和預(yù)設(shè)參考電壓Uref之差)通過(guò)PI調(diào)節(jié)器與限幅器作為壓控振蕩器(Voltage-Controlled Oscillator,簡(jiǎn)稱VC0)的輸入，通過(guò)壓控振蕩器得到頻率與誤差輸入成正比的正弦信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一級(jí)恒導(dǎo)通時(shí)間的觸發(fā)器，從而得到第一絕緣柵雙極型晶體管Ql的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0035]本發(fā)明實(shí)施例對(duì)一個(gè)通道模型進(jìn)行了仿真，輸入電壓電流如圖5所示，輸入功率因數(shù)如圖6所示，在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦為功率因數(shù)，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值。在視在功率不變的情況下，功率因數(shù)越大，有功功率就越大，無(wú)功功率越小，從而使供電設(shè)備的容量得到充分利用，降低設(shè)備及線路損耗。功率因數(shù)最大值為1，本發(fā)明中功率因數(shù)達(dá)到了 0.998，進(jìn)而說(shuō)明本發(fā)明達(dá)到了很好的功率因數(shù)校正目的。
[0036]該充電器由于上下結(jié)構(gòu)完全相同，采用了兩通道交錯(cuò)并聯(lián)控制方式，不僅能夠提高功率等級(jí)和容量，而且能進(jìn)行兩通道間的紋波互補(bǔ)，降低系統(tǒng)紋波系數(shù)(兩個(gè)通道由于干擾等因素產(chǎn)生的諧波不一致，可以通過(guò)兩個(gè)通道的疊加進(jìn)行減弱，來(lái)降低系統(tǒng)紋波系數(shù))，此外，還能改善系統(tǒng)的熱分布，提高器件壽命(由于采用兩通道結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的功率等級(jí)相當(dāng)于平均分配到了兩部分，因此可以平均系統(tǒng)散熱，通過(guò)散熱，提高器件及系統(tǒng)壽命。)。
[0037]二、該充電器工作在便攜電源模式時(shí):
[0038]參見(jiàn)圖7，由第二絕緣柵雙極型晶體管Q2和第三絕緣柵雙極型晶體管Q3、第五絕緣柵雙極型晶體管Q5和第六絕緣柵雙極型晶體管Q6分別組成逆變電路的兩個(gè)橋臂，進(jìn)行全控型逆變橋，從A、B兩點(diǎn)引出單相交流便攜電源。在逆變過(guò)程中，通過(guò)附加第七二極管Dd將第三電感Lf忽略。
[0039]在便攜電源模式下，只需對(duì)第二絕緣柵雙極型晶體管Q2和第三絕緣柵雙極型晶體管Q3、第五絕緣柵雙極型晶體管Q5和第六絕緣柵雙極型晶體管Q6進(jìn)行控制。并且，第三電感Lr和第二電容Cd形成諧振，從而實(shí)現(xiàn)在逆變過(guò)程中第三絕緣柵雙極型晶體管Q3和第六絕緣柵雙極型晶體管Q6的軟開(kāi)關(guān)。
[0040]由于本發(fā)明中多次用到IGBT的本體二極管進(jìn)行續(xù)流，在另一優(yōu)選的實(shí)施例里，參見(jiàn)圖8，可以將所有的絕緣柵雙極型晶體管IGBT換成雙向?qū)щ姷腗OSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)。此時(shí)，可以減少本體二極管續(xù)流的損耗。
[0041]綜上，本發(fā)明通過(guò)采用兩通道交錯(cuò)并聯(lián)，有效的提高變換器功率等級(jí)，并且有效的進(jìn)行了紋波互補(bǔ)以及系統(tǒng)熱分布的改善。其次，加入PFC環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸入電壓、電流同相位，提聞功率因數(shù)。再次，提聞充電器效率的關(guān)鍵是減少開(kāi)關(guān)損耗，而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是減小開(kāi)關(guān)損耗的有效途徑，因此本發(fā)明將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)弓丨入到電動(dòng)汽車車載充電應(yīng)用中。最后，通過(guò)硬件復(fù)用，并采用不同的開(kāi)關(guān)管控制算法，實(shí)現(xiàn)車載充電和便攜電源兩種功能的有效集成。因此，該充電器結(jié)構(gòu)由于具有體積小、重量輕、效率高、控制簡(jiǎn)單以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于電動(dòng)汽車車載充電。
[0042]該本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。
[0043]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電動(dòng)汽車充電器，其特征在于，所述充電器采用兩通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)， 第一通道包括:電感組LI的一端接交流電，另一端分別接電容組Cr和不可控整流橋電路，電容組Cr接地；所述不可控整流橋電路連接并聯(lián)本體二極管的第一絕緣柵雙極型晶體管Ql，第一絕緣柵雙極型晶體管Ql分別連接第二電感Lf和第三電感Lr，第二電感Lf并聯(lián)連接第七二極管Dd，第二電感Lf連接第二絕緣柵雙極型晶體管Q2，第二絕緣柵雙極型晶體管Q2接電源正極，第三電感Lr接第三絕緣柵雙極型晶體管Q3，第三絕緣柵雙極型晶體管Q3并聯(lián)連接第二電容Cd，且分別連接不可控整流橋電路和電容組Cr ； 第二通道包括:電感組L2即第四電感的一端接交流電，另一端分別接電容組Cf和不可控整流橋電路，電容組Cf接地；不可控整流橋電路連接并聯(lián)本體二極管的第四絕緣柵雙極型晶體管Q4，第四絕緣柵雙極型晶體管Q4分別連接第四電感Ls和第五電感Ld，第四電感Ls并聯(lián)連接第八二極管Df，第四電感Ls連接第五絕緣柵雙極型晶體管Q5，第五絕緣柵雙極型晶體管Q5接電源正極，第五電感Ld接第六絕緣柵雙極型晶體管Q6，第六絕緣柵雙極型晶體管Q6并聯(lián)連接第四電容Ce，且分別連接不可控整流橋電路、電容組Cf和電源負(fù)極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車充電器，其特征在于，所述不可控整流橋電路分別由6個(gè)二極管組成，第一二極管Dl的陽(yáng)極連接第四二極管D4的陰極，第三二極管D3的陽(yáng)極連接第六二極管D6的陰極，第五二極管D5的陽(yáng)極連接第二二極管D2的陰極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車充電器，其特征在于，第一絕緣柵雙極型晶體管Q1、第二絕緣柵雙極型晶體管Q2、第三絕緣柵雙極型晶體管Q3、第四絕緣柵雙極型晶體管Q4、第五絕緣柵雙極型晶體管Q5和第六絕緣柵雙極型晶體管Q6為雙向?qū)щ娊饘傺趸锇雽?dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管。
【文檔編號(hào)】H02J7/10GK103427466SQ201310385697
【公開(kāi)日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】王議鋒, 王成山, 李微, 車延博 申請(qǐng)人:天津大學(xué)