一種提高充電電能質(zhì)量的電動汽車入網(wǎng)充電機及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高充電電能質(zhì)量的電動汽車入網(wǎng)充電機及方法，通過在控制環(huán)節(jié)中通過對接入電壓進行過零檢測和鎖相環(huán)鎖相，以構(gòu)造標準正弦指令信號，生成相應的PWM脈沖信號，使得脈沖信號產(chǎn)生電路所需的信號幅值大小與電源電壓的波形幅值并無關(guān)系，避免電源側(cè)電壓波動或畸變帶來影響。本發(fā)明適用于風能、潮汐能等間歇性的新能源接入電動汽車充電的場合?？捎行У慕档烷g歇性新能源電壓畸變或幅值波動的影響，減輕對充電機電力電子器件的沖擊，同時降低對充電電池的損害，提高充電機及電池的使用壽命。
【專利說明】
一種提高充電電能質(zhì)量的電動汽車入網(wǎng)充電機及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高充電電能質(zhì)量的電動汽車入網(wǎng)充電機及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電動汽車的普及和電網(wǎng)日用電負荷峰谷差值越來越大，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下研究熱點，其中新能源 如何通過電動汽車緩沖并網(wǎng)是V2G的一個重要領(lǐng)域，然而像風能、潮汐能這些間歇性新能源 轉(zhuǎn)換成電能時具有很大的波動性，較大的充電波動，經(jīng)過變換器產(chǎn)生的電壓畸變和電流諧 波，不僅會對充電機的電力電子器件造成損害，也會降低電動汽車電池的壽命。
[0003] 目前常見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，以實現(xiàn)充電機系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運行。然而，如果接入的新能源電壓或功率波動比 較大或有波形畸變，則會導致系統(tǒng)運行功率因數(shù)降低同時直流側(cè)輸出電壓有波動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種提高充電電能質(zhì)量的電動汽車入網(wǎng)充電機 及方法，本發(fā)明當接入的電源為風能、朝夕能等波動性較大的能源時，可降低電源側(cè)電流畸 變，又能降低輸出側(cè)電壓波動，較大的提高了充電電能質(zhì)量。
[0005] 為了實現(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)量的電動汽車入網(wǎng)充電機，包括可控橋式變換電路、過零比 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)，所述過零比較鎖相電路對交流電源電壓進行過零檢測 和鎖相環(huán)鎖相，正弦指令產(chǎn)生電路接收過零比較鎖相電路的信號及采集設(shè)備采集的電源側(cè) 電流信號，產(chǎn)生相應的控制指令，PWM脈沖生成電路接收該控制指令，控制可控橋式變換電 路中的開關(guān)管動作。
[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] 所述過零比較鎖相電路，包括過零比較電路、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零點信號，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，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)生電路對信號進行過濾、放大和穩(wěn)定。
[0011] 所述正弦指令產(chǎn)生電路將過零比較鎖相電路生成的電流信號與采集到的電源電 流作比較，以控制電源側(cè)電流相位。
[0012] 所述正弦指令產(chǎn)生電路所需的信號幅值大小與電源電壓的波形幅值無關(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PI調(diào)節(jié)器后， 再與三角載波信號進行比較，生成ΠΜ脈沖，將脈沖信號取反，作用于可控橋式變換電路的 開關(guān)管上。
[0014] -種提高充電電能質(zhì)量的電動汽車入網(wǎng)方法，具體為:在控制環(huán)節(jié)中通過對接入 電壓進行過零檢測和鎖相環(huán)鎖相，以構(gòu)造標準正弦指令信號，生成相應的PWM脈沖信號，使 得脈沖信號產(chǎn)生電路所需的信號幅值大小與電源電壓的波形幅值并無關(guān)系，減輕電源側(cè)電 壓波動或畸變對電源側(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)明應用在接入電源為風能、朝夕能等波動性較大V2G領(lǐng)域時，可避免了電 源側(cè)電壓波動或畸變帶來的影響，在充電時能降低電源側(cè)電流畸變，減輕功率畸變對充電 機電力電子器件及電能計量裝置電子器件的沖擊，增加了充電機的使用壽命以及計量的準 確性。
[0017] (2)在接入電源電壓幅值有波動或波形有畸變時，輸出電壓受波動帶來的影響也 較小，此種改善應用在電動汽車電池恒壓充電時，能降低充電電壓不穩(wěn)對電池造成的損害， 延長電池使用壽命。
[0018] (3)接入電源電壓幅值無論有無波動或波形有無畸變，應用此方法，在V2G充電機 初始階段，與常規(guī)的充電控制方法相比，輸出電壓達到穩(wěn)定的時間變短，即設(shè)備的響應速度 有很大提尚。
【附圖說明】
[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)明的過零檢測鎖相電路圖；
[0021 ]圖3為本發(fā)明的接入電壓畸變時電流畸變比較圖；
[0022]圖4為本發(fā)明的接入電壓波動時輸出電壓響應與波動比較圖；
[0023] 其中，1、可控橋式變換電路，2、過零比較鎖相電路，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。
【具體實施方式】：
[0024]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0025] 如圖1所示，一種可提高充電電能質(zhì)量的V2G充電機，包括可控橋式變換電路1，根 據(jù)電源場合不同，可為單相橋式，也可為三相橋式;過零比較鎖相電路2,它主要由過零比較 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的輸入信號為采集到的電源側(cè)電壓信號，電壓采集電路這里不再贅述;輸出電 壓指令和實際輸出電壓的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與電路2的輸出信號相乘，再與采集到的電源側(cè) 電流信號相減，得到正弦指令產(chǎn)生電路3;電路3的輸出信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，與兩個相位相差 180°的三角波信號相比較，得到PffM脈沖生成電路4。
[0026] 過零比較鎖相電路2,其具體構(gòu)成如圖2所示，包含過零比較電路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過零 比較器精度，輸入信號接比較器負輸入端，輸出端接PNP高頻三極管，此電路可消除LM339轉(zhuǎn) 換速率帶來的影響。
[0028] 將采集到電源電壓，經(jīng)過零比較電路后，得到與電源電壓同頻率的電壓過零點信 號，此信號作為鑒相器鎖相倍頻電路6的輸入信號。
[0029] 鑒相器采用了⑶4046的I號相位比較器，過零比較電路5的輸出信號接⑶4046的14 管腳，由于鑒相器輸入的信號基波頻率并非為恒定值，如仍采用50Hz頻率采樣，可能會產(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)計數(shù)器⑶4040同倍的分頻后再與原信號比較， 當環(huán)路穩(wěn)定時，CD4046可輸出一個和接入電源頻率、相位一致的信號。
[0030] 7為低通濾波器，鑒相器的輸出信號經(jīng)過7后，可降低輸出信號的噪聲成份，低通濾 波器的截止頻率越高，濾波能力越低，但鑒相器達到鎖相穩(wěn)定的時間就越小，R7，C 3大小需綜 合考慮后確定。
[0031] 9為正弦信號發(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ICL8038的第1管腳和第12管腳配置可調(diào)橋式 電路，來減輕失真。其中管腳2輸出正弦波，管腳9輸出方波，將管腳9通過上拉電阻與Vc相 連，同時后接一運算放大器，使輸出的方波電平控制在±15V，作為⑶4046比較信號輸入端 (3管腳)的輸入信號。
[0033]將ICL8038生成的正弦波信號（2管腳)與輸出電壓指令和實際輸出電壓的差值經(jīng) PI調(diào)節(jié)后的信號相乘，再與采集到的電源電流作比較，以控制電源側(cè)電流相位，實現(xiàn)系統(tǒng)高 功率因數(shù)運行。
[0034] 將與電源電流作比較后的信號，通過PI調(diào)節(jié)器后，再與三角載波信號進行比較，生 成PffM脈沖，將脈沖信號取反，與原信號組成四路PffM信號作用于四個橋臂。
[0035] 在一個開關(guān)周期內(nèi)，電源側(cè)電流波動幅值與直流側(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，但L值過大會影響電流跟隨性，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)建過程，進行了仿真驗證，圖3為電源電壓畸變的情況下，在0.8s時，采 用本方法的電流畸變比較圖，可以看出與0.8s前未改進時相比，電流受電源電壓畸變影響 變小，基本達到標準化正弦運行，此種改善有效減少充電功率劇增對充電機電力電子器件 的沖擊，降低了充電機元器件和充電計量裝置被燒壞的幾率，增加充電機的使用壽命以及 充電計量的準確性。
[0039]在一個開關(guān)周期內(nèi)，輸出側(cè)電壓波動幅值大小為：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 根據(jù)上述構(gòu)建過程，進行了仿真驗證，圖4為電源電壓存在波動的情況下，采用本 方法與傳統(tǒng)方法相比輸出電壓響應及幅值波動比較圖，可以看出采用本發(fā)明的技術(shù)方案時 輸出電壓達到穩(wěn)定的時間縮小，即響應的快速性有很大提高，同時電源電壓有上下波動時， 輸出電壓受波動影響也較小，此種改善可降低在要求恒壓充電時，充電電壓不穩(wěn)對電池造 成的損害，增加了電池使用壽命。
[0044]在V2G領(lǐng)域，當接入的電源為風能、朝夕能等波動性較大的能源時，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，較大的提高了充電電能質(zhì)量。
[0045]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白，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)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種提高充電電能質(zhì)量的電動汽車入網(wǎng)充電機，其特征是:包括可控橋式變換電路、 過零比較鎖相電路、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)，所述過零比較鎖相電路對交流電源電壓進行過 零檢測和鎖相環(huán)鎖相，正弦指令產(chǎn)生電路接收過零比較鎖相電路的信號及采集設(shè)備采集的 電源側(cè)電流信號，產(chǎn)生相應的控制指令，PWM脈沖生成電路接收該控制指令，控制可控橋式 變換電路中的開關(guān)管動作。2. 如權(quán)利要求1所述的一種提高充電電能質(zhì)量的電動汽車入網(wǎng)充電機，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)量的電動汽車入網(wǎng)充電機，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)量的電動汽車入網(wǎng)充電機，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)量的電動汽車入網(wǎng)充電機，其特征是:所述 過零比較鎖相電路，包括過零比較電路、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 率的電壓過零點信號，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，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)生電路對信號進行過濾、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)量的電動汽車入網(wǎng)充電機，其特征是:所述 正弦指令產(chǎn)生電路將過零比較鎖相電路生成的電流信號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)量的電動汽車入網(wǎng)充電機，其特征是:所述 正弦指令產(chǎn)生電路所需的信號幅值大小與電源電壓的波形幅值無關(guān)。8. 如權(quán)利要求1所述的一種提高充電電能質(zhì)量的電動汽車入網(wǎng)充電機，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PI調(diào)節(jié)器后，再與三角載波 信號進行比較，生成PWM脈沖，將脈沖信號取反，作用于可控橋式變換電路的開關(guān)管上。9. 一種提高充電電能質(zhì)量的電動汽車入網(wǎng)方法，其特征是:具體為:在控制環(huán)節(jié)中通過 對接入電壓進行過零檢測和鎖相環(huán)鎖相，以構(gòu)造標準正弦指令信號，生成相應的PWM脈沖信 號，使得脈沖信號產(chǎn)生電路所需的信號幅值大小與電源電壓的波形幅值并無關(guān)系，減輕電 源側(cè)電壓波動或畸變對電源側(cè)電流和輸出側(cè)電壓產(chǎn)生影響。
【文檔編號】H02J3/32GK106058902SQ201610378805
【公開日】2016年10月26日
【申請日】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
【申請人】國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司