一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)及方法，通過(guò)在控制環(huán)節(jié)中通過(guò)對(duì)接入電壓進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)和鎖相環(huán)鎖相，以構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)正弦指令信號(hào)，生成相應(yīng)的PWM脈沖信號(hào)，使得脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路所需的信號(hào)幅值大小與電源電壓的波形幅值并無(wú)關(guān)系，避免電源側(cè)電壓波動(dòng)或畸變帶來(lái)影響。本發(fā)明適用于風(fēng)能、潮汐能等間歇性的新能源接入電動(dòng)汽車充電的場(chǎng)合。可有效的降低間歇性新能源電壓畸變或幅值波動(dòng)的影響，減輕對(duì)充電機(jī)電力電子器件的沖擊，同時(shí)降低對(duì)充電電池的損害，提高充電機(jī)及電池的使用壽命。
【專利說(shuō)明】
一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電動(dòng)汽車的普及和電網(wǎng)日用電負(fù)荷峰谷差值越來(lái)越大，V2G(VehiCle-t 〇-Grid)技術(shù)可以為電網(wǎng)的削峰填谷提供一種有效的手段而成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)，其中新能源 如何通過(guò)電動(dòng)汽車緩沖并網(wǎng)是V2G的一個(gè)重要領(lǐng)域，然而像風(fēng)能、潮汐能這些間歇性新能源 轉(zhuǎn)換成電能時(shí)具有很大的波動(dòng)性，較大的充電波動(dòng)，經(jīng)過(guò)變換器產(chǎn)生的電壓畸變和電流諧 波，不僅會(huì)對(duì)充電機(jī)的電力電子器件造成損害，也會(huì)降低電動(dòng)汽車電池的壽命。
[0003] 目前常見(jiàn)的充放電控制方法為spmi控制或svpmi控制，其脈沖產(chǎn)生指令多為由輸 出電壓指令和實(shí)際輸出電壓相減，經(jīng)PI環(huán)節(jié)后與電源側(cè)電流波形相結(jié)合得到PWM脈沖指令 信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)充電機(jī)系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。然而，如果接入的新能源電壓或功率波動(dòng)比 較大或有波形畸變，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行功率因數(shù)降低同時(shí)直流側(cè)輸出電壓有波動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī) 及方法，本發(fā)明當(dāng)接入的電源為風(fēng)能、朝夕能等波動(dòng)性較大的能源時(shí)，可降低電源側(cè)電流畸 變，又能降低輸出側(cè)電壓波動(dòng)，較大的提高了充電電能質(zhì)量。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)，包括可控橋式變換電路、過(guò)零比 較鎖相電路、正弦指令產(chǎn)生電路和ΠΜ脈沖生成電路，其中，所述可控橋式變換電路的輸入 端連接交流電源，輸出端為直流側(cè)，所述過(guò)零比較鎖相電路對(duì)交流電源電壓進(jìn)行過(guò)零檢測(cè) 和鎖相環(huán)鎖相，正弦指令產(chǎn)生電路接收過(guò)零比較鎖相電路的信號(hào)及采集設(shè)備采集的電源側(cè) 電流信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令，PWM脈沖生成電路接收該控制指令，控制可控橋式變換電 路中的開(kāi)關(guān)管動(dòng)作。
[0007] 所述可控橋式變換電路為單相橋式或三相橋式。
[0008] 所述可控橋式變換電路與交流電源之間連接有電感。
[0009] 所述可控橋式變換電路的輸出端并聯(lián)有電容。
[0010] 所述過(guò)零比較鎖相電路，包括過(guò)零比較電路、鑒相器鎖相倍頻電路、低通濾波電 路、電壓放大電路和函數(shù)發(fā)生電路，其中，所述過(guò)零比較電路根據(jù)采集到的電源電壓得到與 電源電壓同頻率的電壓過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，并將其輸入鑒相器鎖相倍頻電路，得到和接入電源頻 率、相位一致的電流信號(hào)，所述鑒相器鎖相倍頻電路的輸出端依次連接低通濾波電路、電壓 放大電路和函數(shù)發(fā)生電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾、放大和穩(wěn)定。
[0011] 所述正弦指令產(chǎn)生電路將過(guò)零比較鎖相電路生成的電流信號(hào)與采集到的電源電 流作比較，以控制電源側(cè)電流相位。
[0012] 所述正弦指令產(chǎn)生電路所需的信號(hào)幅值大小與電源電壓的波形幅值無(wú)關(guān)。
[0013] 所述PffM脈沖生成電路接收正弦指令產(chǎn)生電路產(chǎn)生的比較結(jié)果，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器后， 再與三角載波信號(hào)進(jìn)行比較，生成ΠΜ脈沖，將脈沖信號(hào)取反，作用于可控橋式變換電路的 開(kāi)關(guān)管上。
[0014] -種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)方法，具體為:在控制環(huán)節(jié)中通過(guò)對(duì)接入 電壓進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)和鎖相環(huán)鎖相，以構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)正弦指令信號(hào)，生成相應(yīng)的PWM脈沖信號(hào)，使 得脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路所需的信號(hào)幅值大小與電源電壓的波形幅值并無(wú)關(guān)系，減輕電源側(cè)電 壓波動(dòng)或畸變對(duì)電源側(cè)電流和輸出側(cè)電壓產(chǎn)生影響。
[0015] 本發(fā)明的有益效果為：
[0016] (1)本發(fā)明應(yīng)用在接入電源為風(fēng)能、朝夕能等波動(dòng)性較大V2G領(lǐng)域時(shí)，可避免了電 源側(cè)電壓波動(dòng)或畸變帶來(lái)的影響，在充電時(shí)能降低電源側(cè)電流畸變，減輕功率畸變對(duì)充電 機(jī)電力電子器件及電能計(jì)量裝置電子器件的沖擊，增加了充電機(jī)的使用壽命以及計(jì)量的準(zhǔn) 確性。
[0017] (2)在接入電源電壓幅值有波動(dòng)或波形有畸變時(shí)，輸出電壓受波動(dòng)帶來(lái)的影響也 較小，此種改善應(yīng)用在電動(dòng)汽車電池恒壓充電時(shí)，能降低充電電壓不穩(wěn)對(duì)電池造成的損害， 延長(zhǎng)電池使用壽命。
[0018] (3)接入電源電壓幅值無(wú)論有無(wú)波動(dòng)或波形有無(wú)畸變，應(yīng)用此方法，在V2G充電機(jī) 初始階段，與常規(guī)的充電控制方法相比，輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間變短，即設(shè)備的響應(yīng)速度 有很大提尚。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明的過(guò)零檢測(cè)鎖相電路圖；
[0021 ]圖3為本發(fā)明的接入電壓畸變時(shí)電流畸變比較圖；
[0022]圖4為本發(fā)明的接入電壓波動(dòng)時(shí)輸出電壓響應(yīng)與波動(dòng)比較圖；
[0023] 其中，1、可控橋式變換電路，2、過(guò)零比較鎖相電路，3、正弦指令產(chǎn)生電路，4、PffM脈 沖生成電路，5、過(guò)零比較電路，6、鑒相器鎖相倍頻電路，7、低通濾波電路，8、電壓放大電路， 9、函數(shù)發(fā)生電路。
【具體實(shí)施方式】：
[0024]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025] 如圖1所示，一種可提高充電電能質(zhì)量的V2G充電機(jī)，包括可控橋式變換電路1，根 據(jù)電源場(chǎng)合不同，可為單相橋式，也可為三相橋式;過(guò)零比較鎖相電路2,它主要由過(guò)零比較 電路和鎖相電路組成，其中鎖相電路由鑒相器(PD)、低通濾波器、電壓放大器和函數(shù)發(fā)生器 組成，電路2的輸入信號(hào)為采集到的電源側(cè)電壓信號(hào)，電壓采集電路這里不再贅述;輸出電 壓指令和實(shí)際輸出電壓的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與電路2的輸出信號(hào)相乘，再與采集到的電源側(cè) 電流信號(hào)相減，得到正弦指令產(chǎn)生電路3;電路3的輸出信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，與兩個(gè)相位相差 180°的三角波信號(hào)相比較，得到PffM脈沖生成電路4。
[0026] 過(guò)零比較鎖相電路2,其具體構(gòu)成如圖2所示，包含過(guò)零比較電路5,鑒相器鎖相倍 頻電路6、低通濾波電路7、電壓放大電路8和函數(shù)發(fā)生電路9。
[0027] 過(guò)零比較電路5,這里采用低功耗、低失調(diào)的電壓比較器LM339,為提高LM339過(guò)零 比較器精度，輸入信號(hào)接比較器負(fù)輸入端，輸出端接PNP高頻三極管，此電路可消除LM339轉(zhuǎn) 換速率帶來(lái)的影響。
[0028] 將采集到電源電壓，經(jīng)過(guò)零比較電路后，得到與電源電壓同頻率的電壓過(guò)零點(diǎn)信 號(hào)，此信號(hào)作為鑒相器鎖相倍頻電路6的輸入信號(hào)。
[0029] 鑒相器采用了⑶4046的I號(hào)相位比較器，過(guò)零比較電路5的輸出信號(hào)接⑶4046的14 管腳，由于鑒相器輸入的信號(hào)基波頻率并非為恒定值，如仍采用50Hz頻率采樣，可能會(huì)產(chǎn)生 頻譜泄露，6為由鑒相器搭建的鎖相倍頻電路，中心頻率可通過(guò)設(shè)置R 5X1的參數(shù)值確定，這 里將⑶4046的壓控振蕩器輸出端(4管腳)經(jīng)計(jì)數(shù)器⑶4040同倍的分頻后再與原信號(hào)比較， 當(dāng)環(huán)路穩(wěn)定時(shí)，CD4046可輸出一個(gè)和接入電源頻率、相位一致的信號(hào)。
[0030] 7為低通濾波器，鑒相器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)7后，可降低輸出信號(hào)的噪聲成份，低通濾 波器的截止頻率越高，濾波能力越低，但鑒相器達(dá)到鎖相穩(wěn)定的時(shí)間就越小，R7，C 3大小需綜 合考慮后確定。
[0031] 9為正弦信號(hào)發(fā)生電路，這里采用函數(shù)發(fā)生器ICL8038組成，其工作電壓Vc = 15V， 為獲得穩(wěn)定的頻率，需為ICL8038提供2/3Vc-Vc的控制電壓，即為ICL8038提供的控制電壓 應(yīng)為10-15V，而鑒相器⑶4046經(jīng)低通濾波器7輸出的電壓約為7.5V，所以需在ICL8038前加 一電壓放大器，電壓放大電路如8所示。
[0032]為了減少輸出正弦波的失真度，通過(guò)ICL8038的第1管腳和第12管腳配置可調(diào)橋式 電路，來(lái)減輕失真。其中管腳2輸出正弦波，管腳9輸出方波，將管腳9通過(guò)上拉電阻與Vc相 連，同時(shí)后接一運(yùn)算放大器，使輸出的方波電平控制在±15V，作為⑶4046比較信號(hào)輸入端 (3管腳)的輸入信號(hào)。
[0033]將ICL8038生成的正弦波信號(hào)（2管腳)與輸出電壓指令和實(shí)際輸出電壓的差值經(jīng) PI調(diào)節(jié)后的信號(hào)相乘，再與采集到的電源電流作比較，以控制電源側(cè)電流相位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高 功率因數(shù)運(yùn)行。
[0034] 將與電源電流作比較后的信號(hào)，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器后，再與三角載波信號(hào)進(jìn)行比較，生 成PffM脈沖，將脈沖信號(hào)取反，與原信號(hào)組成四路PffM信號(hào)作用于四個(gè)橋臂。
[0035] 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電源側(cè)電流波動(dòng)幅值與直流側(cè)電壓、電源側(cè)電壓和電感的關(guān) 系式如⑴式所示：
[0036]
[0037] 在輸出側(cè)直流電壓Vd。要求一定的情況下，適當(dāng)增加電感L的值或降低I Vdc=-Emsin (ω kTs) I DkTs的值有利于減小電源側(cè)電流波動(dòng)，但L值過(guò)大會(huì)影響電流跟隨性，主要是在DkTs 周期內(nèi)，保持Vdc^Emsin( cokTs)的跟隨性。
[0038]根據(jù)上述構(gòu)建過(guò)程，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，圖3為電源電壓畸變的情況下，在0.8s時(shí)，采 用本方法的電流畸變比較圖，可以看出與0.8s前未改進(jìn)時(shí)相比，電流受電源電壓畸變影響 變小，基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化正弦運(yùn)行，此種改善有效減少充電功率劇增對(duì)充電機(jī)電力電子器件 的沖擊，降低了充電機(jī)元器件和充電計(jì)量裝置被燒壞的幾率，增加充電機(jī)的使用壽命以及 充電計(jì)量的準(zhǔn)確性。
[0039]在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸出側(cè)電壓波動(dòng)幅值大小為：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 根據(jù)上述構(gòu)建過(guò)程，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，圖4為電源電壓存在波動(dòng)的情況下，采用本 方法與傳統(tǒng)方法相比輸出電壓響應(yīng)及幅值波動(dòng)比較圖，可以看出采用本發(fā)明的技術(shù)方案時(shí) 輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間縮小，即響應(yīng)的快速性有很大提高，同時(shí)電源電壓有上下波動(dòng)時(shí)， 輸出電壓受波動(dòng)影響也較小，此種改善可降低在要求恒壓充電時(shí)，充電電壓不穩(wěn)對(duì)電池造 成的損害，增加了電池使用壽命。
[0044]在V2G領(lǐng)域，當(dāng)接入的電源為風(fēng)能、朝夕能等波動(dòng)性較大的能源時(shí)，采用本發(fā)明，BP 可降低電源側(cè)電流畸變，又能降低輸出側(cè)電壓波動(dòng)，較大的提高了充電電能質(zhì)量。
[0045]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)，其特征是:包括可控橋式變換電路、 過(guò)零比較鎖相電路、正弦指令產(chǎn)生電路和PWM脈沖生成電路，其中，所述可控橋式變換電路 的輸入端連接交流電源，輸出端為直流側(cè)，所述過(guò)零比較鎖相電路對(duì)交流電源電壓進(jìn)行過(guò) 零檢測(cè)和鎖相環(huán)鎖相，正弦指令產(chǎn)生電路接收過(guò)零比較鎖相電路的信號(hào)及采集設(shè)備采集的 電源側(cè)電流信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令，PWM脈沖生成電路接收該控制指令，控制可控橋式 變換電路中的開(kāi)關(guān)管動(dòng)作。2. 如權(quán)利要求1所述的一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)，其特征是:所述 可控橋式變換電路為單相橋式或三相橋式。3. 如權(quán)利要求1所述的一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)，其特征是:所述 可控橋式變換電路與交流電源之間連接有電感。4. 如權(quán)利要求1所述的一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)，其特征是:所述 可控橋式變換電路的輸出端并聯(lián)有電容。5. 如權(quán)利要求1所述的一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)，其特征是:所述 過(guò)零比較鎖相電路，包括過(guò)零比較電路、鑒相器鎖相倍頻電路、低通濾波電路、電壓放大電 路和函數(shù)發(fā)生電路，其中，所述過(guò)零比較電路根據(jù)采集到的電源電壓得到與電源電壓同頻 率的電壓過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，并將其輸入鑒相器鎖相倍頻電路，得到和接入電源頻率、相位一致的 電流信號(hào)，所述鑒相器鎖相倍頻電路的輸出端依次連接低通濾波電路、電壓放大電路和函 數(shù)發(fā)生電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾、放大和穩(wěn)定。6. 如權(quán)利要求1所述的一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)，其特征是:所述 正弦指令產(chǎn)生電路將過(guò)零比較鎖相電路生成的電流信號(hào)與采集到的電源電流作比較，以控 制電源側(cè)電流相位。7. 如權(quán)利要求1所述的一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)，其特征是:所述 正弦指令產(chǎn)生電路所需的信號(hào)幅值大小與電源電壓的波形幅值無(wú)關(guān)。8. 如權(quán)利要求1所述的一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電機(jī)，其特征是:所述 PWM脈沖生成電路接收正弦指令產(chǎn)生電路產(chǎn)生的比較結(jié)果，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器后，再與三角載波 信號(hào)進(jìn)行比較，生成PWM脈沖，將脈沖信號(hào)取反，作用于可控橋式變換電路的開(kāi)關(guān)管上。9. 一種提高充電電能質(zhì)量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)方法，其特征是:具體為:在控制環(huán)節(jié)中通過(guò) 對(duì)接入電壓進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)和鎖相環(huán)鎖相，以構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)正弦指令信號(hào)，生成相應(yīng)的PWM脈沖信 號(hào)，使得脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路所需的信號(hào)幅值大小與電源電壓的波形幅值并無(wú)關(guān)系，減輕電 源側(cè)電壓波動(dòng)或畸變對(duì)電源側(cè)電流和輸出側(cè)電壓產(chǎn)生影響。
【文檔編號(hào)】H02J3/32GK106058902SQ201610378805
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】李付存, 郭紅霞, 郭亮, 李 昊, 王鵬, 代燕杰, 王者龍, 張曉東, 王兆軍, 王振華, 劉麗君
【申請(qǐng)人】國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司