專利名稱：電動(dòng)汽車pwm整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型蓄電池充電系統(tǒng)，更具體的說是一種電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前電動(dòng)汽車已經(jīng)不是一個(gè)陌生的名詞，電動(dòng)汽車與內(nèi)燃汽車相比有著很明顯的優(yōu)越性污染小、噪音小，因此電動(dòng)汽車的發(fā)展相當(dāng)迅速，電動(dòng)汽車的電源采用的是大型蓄電池供電，因此對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的技術(shù)相當(dāng)重要，普通家用的充電裝置功率很小，并且對(duì)充電速度要求也不是很高，因此其充電時(shí)間普遍較長(zhǎng)，但是這種充電裝置并不適用于電動(dòng)汽車使用。用于電動(dòng)汽車充電的商用充電裝置，必須滿足蓄電池?fù)p耗小、污染小、速度快的要求，由于電動(dòng)汽車上使用的大型蓄電池都具備容量大、功率大、壽命長(zhǎng)等幾大特點(diǎn)，所以對(duì)其進(jìn)行充電的設(shè)備，尤其是對(duì)相當(dāng)于內(nèi)燃汽車加油站的商用充電設(shè)備的功率要求也很高，這是因?yàn)檫@種充電設(shè)備不可能只對(duì)一只蓄電池進(jìn)行充電，而是要對(duì)整臺(tái)車甚至幾臺(tái)車的所有蓄電池進(jìn)行充電，但是在一味的提高充電設(shè)備的功率的同時(shí)，也使其在使用過程中對(duì)電網(wǎng)的影響很大，其功率較大是影響電網(wǎng)的最主要的因素。傳統(tǒng)的大功率充電裝置基于相控整流技術(shù)，使用晶閘管作為功率器件，除了采用普通的三相整流技術(shù)構(gòu)成充電機(jī)外，還發(fā)展了多脈波充電機(jī)等，但是基于相控整流技術(shù)的充電機(jī)具有體積笨重、功率因數(shù)低、諧波污染大等缺點(diǎn)，如果充電機(jī)功率因數(shù)較低，在充電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)及其他用電設(shè)備產(chǎn)生巨大的影響，這種相控整流充電機(jī)為了解決功率因數(shù)和諧波污染，必須配備相應(yīng)的諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，但是這樣既增加設(shè)備體積，又增加了成本，而且即便采取這樣的措施，也不能從根本上解決諧波污染和功率因數(shù)問題。另外電動(dòng)汽車的充電好比內(nèi)燃機(jī)汽車的加油，正常情況下需在十分鐘左右充電完成。對(duì)于電動(dòng)汽車車載式充電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是在蓄電池需要充電的任何時(shí)候，只要有可用的供電插座，就可以進(jìn)行充電，而其缺點(diǎn)則是受車上空間所限，因而功率處理能力有限，只能提供小電流慢速充電，充電時(shí)間一般較長(zhǎng)，如果采用傳統(tǒng)的充電技術(shù)，電動(dòng)汽車蓄電池一次充電至少需要12小時(shí)以上，還有傳統(tǒng)的充電方法充電過于簡(jiǎn)單，常常會(huì)縮短蓄電池的使用壽命，可以想象，采用傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電根本無(wú)法進(jìn)行推廣。所以解決要大大減少蓄電池充電時(shí)間，同時(shí)還要保證不對(duì)蓄電池產(chǎn)生損壞這一技術(shù)問題，有必要研制一種功率因數(shù)高、諧波小而又無(wú)需配備相應(yīng)的諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的快速充電系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述技術(shù)問題，提供一種功率因數(shù)高，且諧波小而又無(wú)需配備相應(yīng)的諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的一種電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)。
4
為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明提供的一種電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，包括整流模塊與充電模塊，整流模塊分別與交流電網(wǎng)和充電模塊相連接。所述的充電系統(tǒng)還包括直流充電管理模塊，其中充電模塊由直流輸入模塊和直流輸出模塊所組成；所述的整流模塊、直流輸入模塊、直流輸出模塊與直流充電管理模塊都為相互獨(dú)立的模塊，并通過網(wǎng)絡(luò)總線聯(lián)系在一起；整流模塊對(duì)由電源輸入的交流電進(jìn)行整流并經(jīng)濾波后，形成穩(wěn)定的直流輸出電壓，提供給后續(xù)直流輸出模塊中的變換模塊；直流輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流進(jìn)行計(jì)量、對(duì)直流供電進(jìn)行控制、對(duì)直流輸入輸出進(jìn)行安全防護(hù)；直流輸出模塊實(shí)現(xiàn)與車載能量管理系統(tǒng)通信，進(jìn)行輸出功率變換，配合輸出蓄電池充電所需電壓及電流；直流充電管理模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，用于界面顯示、身份識(shí)別、費(fèi)用收取、票據(jù)打印、 數(shù)據(jù)管理、控制電流斷續(xù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控。進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的整流模塊包含變壓器、整流器、控制部分、開關(guān)電源、 接觸器或斷路器。接觸器或斷路器與變壓器對(duì)主電源輸入輸出進(jìn)行隔離和電壓的升降，整流器完成電源由交流到直流的轉(zhuǎn)換，控制部分生成整流器所需的PWM脈沖信號(hào)，完成對(duì)功率器件的控制及各種邏輯保護(hù)，開關(guān)電源提供控制所需的各個(gè)等級(jí)的電壓。上述進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的變壓器采用環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器，一次側(cè)和二次側(cè)均采用星形連接，變壓器的一次側(cè)連接交流電網(wǎng)，二次側(cè)連接整流器的輸入端；所述的整流器是PWM整流器，PWM整流器實(shí)現(xiàn)變壓器交流電網(wǎng)側(cè)電流為正弦、功率因數(shù)可控、 電能雙向傳輸。上述進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的控制部分由控制器和PWM整流器控制板組成， PWM整流器控制板為由電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以DSP作為主控制芯片，采用電壓空間矢量調(diào)制算法對(duì)輸入電流、輸出電壓的進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)變壓器交流電網(wǎng)側(cè)的電流正弦化、單位功率因數(shù)和直流輸出電壓恒定的功能；控制器則用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，采用主從式RS485總線與PWM整流器控制板進(jìn)行通訊，發(fā)送運(yùn)行指令給PWM整流器控制板，控制PWM整流器運(yùn)行并獲得PWM整流器運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。上述進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的直流輸入模塊由功率控制部分、充電電能計(jì)量模塊、控制板、控制電源板組成。更進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的功率控制部分采用接觸器和保護(hù)器件實(shí)現(xiàn)，使整流后的電路與后級(jí)電路安全隔離且可被控制，其控制信號(hào)來自于直流充電管理模塊；充電電能計(jì)量模塊采用高精度傳感器對(duì)電壓、電流進(jìn)行采樣，對(duì)充電電能進(jìn)行計(jì)量，并通過 RS485通訊接口將電能數(shù)據(jù)上傳給直流充電管理模塊；控制板采用16位的DSP作為主控芯片的單片機(jī)，完成通訊與驅(qū)動(dòng)功能；控制電源板采用多個(gè)集成化的電源模塊，將220V交流電源電壓轉(zhuǎn)換為多種不同等級(jí)的直流電源電壓，為控制板、傳感器提供穩(wěn)定的工作電源。再進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的直流輸出模塊由直流變換模塊、控制板、控制電源板組成。上述進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的直流變換模塊中采用雙向DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池的多種模式充電，包含有恒壓限流充電、恒流限壓充電、三階段充電、脈沖間歇充電、正負(fù)脈沖充電充電模式，多種充電模式可以自由選擇；控制板采用16位的DSP 作為主控芯片的單片機(jī)，完成通訊、驅(qū)動(dòng)的功能；控制電源板采用多個(gè)集成化的電源模塊， 將220V交流電源電壓轉(zhuǎn)換為多種不同等級(jí)的直流電源電壓，為控制板提供穩(wěn)定的工作電源。上述更進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的直流充電管理模塊由嵌入式控制器、顯示屏、 射頻卡讀卡器、CAN通信卡、遠(yuǎn)程監(jiān)控通信擴(kuò)展卡、微型打印機(jī)組成；直流充電管理模塊作為充電系統(tǒng)的控制中心，通過CAN或RS485總線與各個(gè)模塊進(jìn)行聯(lián)系，向各個(gè)模塊發(fā)出各類工作指令、接收模塊各類反饋信息，協(xié)調(diào)模塊間的工作時(shí)序和邏輯。上述還進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的直流充電管理模塊通過射頻卡讀卡器讀取用戶信息，并顯示IC卡信息，提示用戶正確連接充電插頭，選擇充電時(shí)間、充電方式，并確認(rèn)啟動(dòng)充電；在充電過程中，嵌入式控制器定時(shí)獲取電量數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到用戶設(shè)置的充電時(shí)間或充電電量時(shí)，發(fā)送停止充電指令給直流輸入模塊，控制直流輸入模塊中接觸器執(zhí)行動(dòng)作，切斷電源，并在顯示屏上提示用戶充電結(jié)束，用戶拔下插頭后，可以進(jìn)行付款、查看消費(fèi)信息、 打印票據(jù)的操作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是在電動(dòng)汽車的充電過程中能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)側(cè)電流正弦化、單位功率因數(shù)恒定，且提高充電系統(tǒng)的功率因數(shù)，同時(shí)在功率轉(zhuǎn)換控制中實(shí)現(xiàn)零壓零流的控制，系統(tǒng)效率最高可達(dá)95%，從而減少了電動(dòng)汽車在充電過程中充電系統(tǒng)中的諧波含量，減小了充電系統(tǒng)及設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的污染，起到節(jié)能環(huán)保的作用。同時(shí)充電系統(tǒng)中的直流輸出模塊具有多種充電模式可供設(shè)置，可滿足不同電動(dòng)汽車蓄電池的需求，且靈活便捷，并優(yōu)先采用正負(fù)脈沖快速充電方法，解決了以往電動(dòng)汽車蓄電池充電時(shí)間長(zhǎng)，或者雖充電快但對(duì)蓄電池本身存在損傷的問題，進(jìn)一步縮短了充電時(shí)間，且對(duì)蓄電池本身?yè)p傷較小，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，滿足現(xiàn)實(shí)需求。同時(shí)本發(fā)明所提供一種電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，且可適用于所有鉛鋅蓄電池充電，應(yīng)用范圍廣，適于規(guī)?；茝V。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1當(dāng)中的整流模塊電路結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1當(dāng)中的直流輸入模塊電路結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例1當(dāng)中的直流輸出模塊電路結(jié)構(gòu)框圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例1當(dāng)中的直流充電管理模塊電路結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明所提供的一種電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，包括整流模塊與充電模塊，整流模塊分別與交流電網(wǎng)和充電模塊相連接，本實(shí)施方式中交流電網(wǎng)的額定電壓為380V，所述的充電系統(tǒng)還包括直流充電管理模塊，其中充電模塊由直流輸入模塊和直流輸出模塊所組成，并且整流模塊、直流輸入模塊、直流輸出模塊與直流充電管理模塊分別都為相互獨(dú)立的模塊，它們都是通過網(wǎng)絡(luò)總線聯(lián)系在一起；四個(gè)獨(dú)立的模塊的功用如下整流模塊對(duì)由電源輸入的交流電進(jìn)行整流并經(jīng)濾波后，形成穩(wěn)定的直流輸出電壓，以提供給后續(xù)直流輸出模塊中的變換模塊；直流輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流進(jìn)行計(jì)量、 對(duì)直流供電進(jìn)行控制、對(duì)直流輸入輸出進(jìn)行安全防護(hù)；直流輸出模塊實(shí)現(xiàn)與車載能量管理系統(tǒng)通信，進(jìn)行輸出功率變換，配合輸出蓄電池充電所需電壓及電流；直流充電管理模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，用于界面顯示、身份識(shí)別、費(fèi)用收取、票據(jù)打印、數(shù)據(jù)管理、控制電流斷續(xù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控。如圖2所示，出于更好的體現(xiàn)出對(duì)交流電的到直流電的變壓轉(zhuǎn)換效果，組成整流模塊的部件中最好采用變壓器、整流器、控制部分、開關(guān)電源，其中變壓器對(duì)主電源輸入輸出進(jìn)行隔離和電壓的升降，整流器完成電源由交流到直流的轉(zhuǎn)換，控制部分生成整流器所需的PWM脈沖信號(hào)，完成對(duì)功率器件的控制及各種邏輯保護(hù)，開關(guān)電源提供控制所需的各個(gè)等級(jí)的電壓。本實(shí)施方式中為體現(xiàn)出比較優(yōu)異的調(diào)壓效果，變壓器采用的是環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器，將變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)都采用星形連接，使其變壓器的一次側(cè)連接交流電網(wǎng)，二次側(cè)連接整流器的輸入端；而整流器是PWM整流器，通過PWM整流器實(shí)現(xiàn)變壓器交流電網(wǎng)側(cè)電流為正弦、功率因數(shù)可控、電能雙向傳輸?？刂撇糠肿詈貌捎每刂破骱蚉WM 整流器控制板組成，PWM整流器控制板為由電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以 DSP作為主控制芯片，采用電壓空間矢量調(diào)制算法對(duì)輸入電流、輸出電壓的進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)變壓器交流電網(wǎng)側(cè)的電流正弦化、單位功率因數(shù)和直流輸出電壓恒定的功能；控制器則用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，采用主從式RS485總線與PWM整流器控制板進(jìn)行通訊，發(fā)送運(yùn)行指令給PWM整流器控制板，控制PWM整流器運(yùn)行并獲得PWM整流器運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。如圖3、圖4所示，針對(duì)上述的直流輸入模塊與直流輸出模塊，考慮到其與整流模塊的匹配性以及與充電系統(tǒng)的兼容性，直流輸入模塊優(yōu)先采用功率控制部分、充電電能計(jì)量模塊、控制板、控制電源板組成。直流輸出模塊采用直流變換模塊、控制板、控制電源板組成。直流輸入模塊當(dāng)中的功率控制部分采用接觸器和保護(hù)功率器件來實(shí)現(xiàn)，使整流后的電路與后級(jí)電路安全隔離且可被控制，其控制信號(hào)來自于直流充電管理模塊；充電電能計(jì)量模塊采用高精度傳感器對(duì)電壓、電流進(jìn)行采樣，對(duì)充電電能進(jìn)行計(jì)量，并通過RS485通訊接口將電能數(shù)據(jù)上傳給直流充電管理模塊；控制板采用16位單片機(jī)作為主控芯片，完成通訊與驅(qū)動(dòng)功能；控制電源板采用多個(gè)集成化的電源模塊，將220V交流電源電壓轉(zhuǎn)換為多種不同等級(jí)的直流電源電壓，為控制板、傳感器提供穩(wěn)定的工作電源。而直流輸出模塊當(dāng)中的直流變換模塊中采用雙向DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池的多種模式充電，充電模式中包含有恒壓限流充電、恒流限壓充電、三階段充電、脈沖間歇充電、正負(fù)脈沖充電等充電模式，多種充電模式可以自由選擇；控制板采用16位的DSP作為主控芯片的單片機(jī)，其中 DSP優(yōu)先采用TI公司的TMS320F2407的16位定點(diǎn)DSP，用于完成直流輸出模塊通訊以及驅(qū)動(dòng)的功能；控制電源板與直流輸出模塊當(dāng)中的相同，也是采用多個(gè)高性能、集成化的電源模塊，將220V交流電源電壓轉(zhuǎn)換為多種不同等級(jí)的直流電源電壓，為控制板提供穩(wěn)定的工作電源。直流充電管理模塊作為整個(gè)充電系統(tǒng)的控制中心，如圖5所示，由嵌入式控制器、 顯示屏、射頻卡讀卡器、CAN通信卡、遠(yuǎn)程監(jiān)控通信擴(kuò)展卡、微型打印機(jī)組成；其主要通過CAN或RS485總線與各個(gè)模塊進(jìn)行聯(lián)系，向各個(gè)模塊發(fā)出各類工作指令、接收模塊各類反饋信息，協(xié)調(diào)模塊間的工作時(shí)序和邏輯。具體表現(xiàn)為直流充電管理模塊通過射頻卡讀卡器讀取用戶信息，并顯示IC卡信息，提示用戶正確連接充電插頭，選擇充電時(shí)間、充電方式，并確認(rèn)啟動(dòng)充電；在充電過程中，嵌入式控制器定時(shí)獲取電量數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到用戶設(shè)置的充電時(shí)間或充電電量時(shí)，發(fā)送停止充電指令給直流輸入模塊，控制直流輸入模塊中接觸器執(zhí)行動(dòng)作，切斷電源，并在顯示屏上提示用戶充電結(jié)束，用戶拔下插頭后，可以進(jìn)行付款、查看消費(fèi)信息、打印票據(jù)的操作。本發(fā)明所提供的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)工作過程如下通過整流模塊接入380V的交流電網(wǎng)，整流模塊通過PWM整流方式將380V的交流電變?yōu)?50V的直流電傳送至直流輸入模塊當(dāng)中，直流輸入模塊當(dāng)中的控制電源板接入220V的交流電，為控制板、傳感器提供穩(wěn)定的工作電源；經(jīng)直流輸入模塊調(diào)整后的650V直流電進(jìn)入直流輸出模塊當(dāng)中，通過直流輸出模塊當(dāng)中的雙向DC-DC變換器改變電壓的不同狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓限流充電、恒流限壓充電、三階段充電、脈沖間歇充電、正負(fù)脈沖充電充電模式等多種模式的自由選擇，直流輸出模塊與充電的電動(dòng)汽車或蓄電池相連接，調(diào)節(jié)好DC-DC變換器中的充電模式后開始充電，直流充電管理模塊通過CAN或RS485總線分別與各個(gè)模塊相連，各類工作指令、接收模塊各類反饋信息。實(shí)施例2如圖1所示，本發(fā)明所提供的一種電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，包括整流模塊與充電模塊，整流模塊分別與交流電網(wǎng)和充電模塊相連接，本實(shí)施方式中交流電網(wǎng)的額定電壓為380V，所述的充電系統(tǒng)還包括直流充電管理模塊，其中充電模塊由直流輸入模塊和直流輸出模塊所組成，并且整流模塊、直流輸入模塊、直流輸出模塊與直流充電管理模塊分別都為相互獨(dú)立的模塊，它們都是通過網(wǎng)絡(luò)總線聯(lián)系在一起；四個(gè)獨(dú)立的模塊的功用如下整流模塊對(duì)由電源輸入的交流電進(jìn)行整流并經(jīng)濾波后，形成穩(wěn)定的直流輸出電壓，以提供給后續(xù)直流輸出模塊中的變換模塊；直流輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流進(jìn)行計(jì)量、 對(duì)直流供電進(jìn)行控制、對(duì)直流輸入輸出進(jìn)行安全防護(hù)；直流輸出模塊實(shí)現(xiàn)與車載能量管理系統(tǒng)通信，進(jìn)行輸出功率變換，配合輸出蓄電池充電所需電壓及電流；直流充電管理模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，用于界面顯示、身份識(shí)別、費(fèi)用收取、票據(jù)打印、數(shù)據(jù)管理、控制電流斷續(xù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控。本發(fā)明中的整流模塊還可以由空氣開關(guān)、預(yù)充電電阻、交流接觸器、輸入側(cè)電感、 三相全控型橋式變換器、PWM整流器、直流母線電容、假負(fù)載、功率管驅(qū)動(dòng)和數(shù)字邏輯保護(hù)電路、控制部分所組成。其中整流模塊當(dāng)中的功率器件采用大功率的壓控器件IGBT或IPM，以保證系統(tǒng)功率容量和散熱的要求；采用專用的功率管驅(qū)動(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)模塊、隔離電源將控制部分當(dāng)中的芯片發(fā)出的PWM脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有驅(qū)動(dòng)能力的IGBT或IPM脈沖，并在功率器件發(fā)生過流故障時(shí)，向數(shù)字邏輯保護(hù)電路反饋故障信號(hào)。功率器件之間通過無(wú)感母排連接，減小寄生參數(shù)對(duì)主電路的影響。在PWM整流器的交流側(cè)采用濾波電感，實(shí)現(xiàn)交流測(cè)單位功率因數(shù)控制和PWM整流器的四象限運(yùn)行，濾除PWM整流器交流側(cè)諧波電流，從而實(shí)現(xiàn)交流側(cè)正弦波電流控制，使PWM整流器具有BOOST PWM AC/DC變換性能，同時(shí)保證充電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。在PWM整流器的直流側(cè)采用耐壓為1200V，容量為40000uF濾波電路，濾波電路由多個(gè)400V耐壓的電解電容串并聯(lián)而成或多個(gè)薄膜電容并聯(lián)而成，抑制直流側(cè)諧波電壓，緩沖交流側(cè)和直流側(cè)之間的能量交換，保證中間直流電壓的平滑、穩(wěn)定。本發(fā)明中的整流模塊當(dāng)中的PWM整流器采用三相電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整流模塊的控制部分的主控制芯片采用TI公司的TMS320F2812的32位定點(diǎn)DSP，其速度躍升到150M，處理數(shù)據(jù)位數(shù)也躍升到32位定點(diǎn)，其擁有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD 數(shù)據(jù)采集，再加上豐富的外設(shè)接口，如CAN、SCI等，使外圍電路更加簡(jiǎn)潔。整流模塊的控制部分由TMS320F2812和晶體振蕩器、復(fù)位電路等外圍設(shè)備構(gòu)成，完成信號(hào)采樣、控制算法運(yùn)算、PWM信號(hào)輸出、數(shù)據(jù)源存貯等功能。本發(fā)明中的整流模塊PWM整流器的控制板為由電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制的形式，以DSP作為主控制芯片，采用電壓空間矢量調(diào)制(SVPWM)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流、輸出電壓的控制。直流側(cè)輸出電壓經(jīng)過取樣反饋，與給定參考電壓比較，以比較后得到的誤差值作為控制板中電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，輸出作為交流側(cè)電流幅度的給定，電流環(huán) PI調(diào)節(jié)器以電流幅度給定及電流反饋信號(hào)作為輸入，經(jīng)過運(yùn)算后獲得空間指令電壓矢量， 然后通過空間電壓矢量合成，使得實(shí)際的空間電壓矢量跟蹤指令電壓矢量，以達(dá)到控制輸入電流幅度和相位的目的。PWM整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用數(shù)字調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，將原來由硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件來代替，使控制方式更加靈活，參數(shù)調(diào)整更加方便。PWM整流器中的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用直接電流控制對(duì)整流器輸入電流進(jìn)行閉環(huán)控制，直接采用電流對(duì)瞬時(shí)電流波形進(jìn)行高精度控制，此種控制方式具有很好的動(dòng)態(tài)性能，可以補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)變化帶來的誤差以及管壓降和死區(qū)的影響，而且易于防止過載和實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。直接電流控制的PWM整流器的控制板所采用的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為電壓環(huán)，通過對(duì)直流母線電壓的調(diào)節(jié)得到交流電流的指令瞬時(shí)值，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，使PWM整流器的實(shí)際輸入電流能夠跟蹤電流給定，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)正弦波的電流控制。在整流模塊中設(shè)置完善的數(shù)字邏輯保護(hù)電路，通過對(duì)輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等的采樣，實(shí)現(xiàn)輸入過壓、輸入欠壓、輸入缺相、輸出過壓、輸出過載、輸出短路等保護(hù)功能。本發(fā)明中PWM整流器的控制板中的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流控制器采用采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI調(diào)節(jié)電流控制，將電流指令值與實(shí)際值的偏差作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器輸出所需的空間電壓矢量，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，電流給定值是直流量，PI調(diào)節(jié)器可以做到無(wú)差調(diào)節(jié)，因此系統(tǒng)的控制精度較高。本發(fā)明中的直流輸入模塊中的控制MCU可以采用TI公司的16位單片機(jī) MSP430F4152，此種型號(hào)的MCU具有16KB閃存、512BRAM、56個(gè)I/O 口和LCD驅(qū)動(dòng)器，10位的ADC轉(zhuǎn)換器，SPI和UART接口，MCU的供電電壓范圍為1. 8 3. 6V，內(nèi)置WatchDog(看門狗)電路，防止由于外部干擾或內(nèi)部編程錯(cuò)誤引起單片機(jī)運(yùn)行故障。而直流輸出控制模塊則還可以由前級(jí)輸入電容、濾波電路、橋式變換器、高頻變壓器、輸出二極管整流橋、輸出接觸器、控制板等部分組成。輸出電壓、電流信號(hào)經(jīng)過采樣反饋電路送入控制板，與給定信號(hào)進(jìn)行比較，通過PWM整流器控制板中的PI調(diào)節(jié)器后，作為控制信號(hào)輸入給DSP芯片的PWM生成模塊，橋式變換器通過改變控制脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸出電流或電壓，直流輸出控制模塊當(dāng)中控制板的主控制芯片采用TI公司的TMS320F2407的16位定點(diǎn)DSP，TMS320LFM07內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)空間和程序空間分離，獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和程序總線允許同時(shí)對(duì)程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行操作；其處理速度達(dá)到30MIPS，片內(nèi)處理器集成高達(dá)1.漲字的數(shù)據(jù)/程序RAM、544字雙口 RAM(DARAM)和^(字的單口 RAM，并有3 (字Flash程序存儲(chǔ)空間，它的兩個(gè)事件管理器EVA和EVB功能都較優(yōu)秀，能生成各種需要的PWM波形。TMS320LFM07還集成了 16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、SCI串行通訊及CAN總線等模塊。另外本發(fā)明的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)中還采用XC95144XL型 CPLD實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字邏輯保護(hù)及相關(guān)的擴(kuò)展功能，保證充電系統(tǒng)可靠、安全的工作。本發(fā)明的中的直流充電管理模塊采用嵌入式控制器、觸摸顯示屏、射頻卡讀卡器、 CAN通信卡、遠(yuǎn)程監(jiān)控通信擴(kuò)展卡、微型打印組成。采用RS485或CAN通訊、按鍵輸入、液晶顯示電路組成系統(tǒng)的通訊和人機(jī)接口模塊，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入、狀態(tài)檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控、客戶交易等功能。充電系統(tǒng)中采用雙向半橋DC-DC變換電路，完成對(duì)電池的充放電，實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖充電，并能將放出的電能進(jìn)行回收。本發(fā)明的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)當(dāng)中的各個(gè)模塊的控制電源都采用開關(guān)電源，將輸入的220V交流變?yōu)榭刂瓢逄峁?V、15V、24V等各種等級(jí)電源，開關(guān)電源輸出穩(wěn)定、紋波小、可靠性高。采用多種措施進(jìn)行系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)，在主開關(guān)功率器件回路采用RCD吸收電路對(duì)過電壓進(jìn)行抑制；在各個(gè)模塊間采用多點(diǎn)接地和集中接地相結(jié)合的方法，解決系統(tǒng)靜電的干擾；在電路接口采用壓敏電阻、瞬態(tài)二極管對(duì)浪涌進(jìn)行抑制。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)及設(shè)備中設(shè)計(jì)有多種充電模式，充電策略設(shè)計(jì)根據(jù)不同蓄電池的性能差異和用戶實(shí)際需要進(jìn)行規(guī)劃，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有恒壓限流充電法、恒流限壓充電法、三階段充電法、脈沖間歇充電法、正負(fù)脈沖充電法。直流輸出模塊通過對(duì)輸出到電池上的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣到的信號(hào)送入控制板，與給定信號(hào)進(jìn)行比較，PWM整流器控制板中的PI調(diào)節(jié)器后，作為控制信號(hào)輸入給DSP芯片的PWM生成模塊，通過改變控制脈沖的占空比來調(diào)節(jié)充電電流或電壓，實(shí)現(xiàn)不同的充電模式。本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅僅局限于上述實(shí)施例，以上為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不局限于發(fā)明本身，任何對(duì)本發(fā)明的PWM整流及變壓變流脈沖充電的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)及設(shè)備中各個(gè)部件模塊所做的等值替換、修改、刪除，均在本發(fā)明所保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，包括整流模塊與充電模塊，整流模塊分別與交流電網(wǎng)和充電模塊相連接，其特征在于所述的充電系統(tǒng)還包括直流充電管理模塊，其中充電模塊由直流輸入模塊和直流輸出模塊所組成；所述的整流模塊、直流輸入模塊、直流輸出模塊與直流充電管理模塊都為相互獨(dú)立的模塊，并通過網(wǎng)絡(luò)總線聯(lián)系在一起；整流模塊對(duì)由電源輸入的交流電進(jìn)行整流并經(jīng)濾波后，形成穩(wěn)定的直流輸出電壓，提供給后續(xù)直流輸出模塊中的變換模塊；直流輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流進(jìn)行計(jì)量、對(duì)直流供電進(jìn)行控制、對(duì)直流輸入輸出進(jìn)行安全防護(hù)；直流輸出模塊實(shí)現(xiàn)與車載能量管理系統(tǒng)通信，進(jìn)行輸出功率變換，配合輸出蓄電池充電所需電壓及電流；直流充電管理模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，用于界面顯示、身份識(shí)別、費(fèi)用收取、票據(jù)打印、數(shù)據(jù)管理、控制電流斷續(xù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，其特征在于 所述的整流模塊包含變壓器、整流器、控制部分、開關(guān)電源、接觸器或斷路器；接觸器或斷路器與變壓器對(duì)主電源輸入輸出進(jìn)行隔離和電壓的升降，整流器完成電源由交流到直流的轉(zhuǎn)換，控制部分生成整流器所需的PWM脈沖信號(hào)，完成對(duì)功率器件的控制及各種邏輯保護(hù)，開關(guān)電源提供控制所需的各個(gè)等級(jí)的電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，其特征在于 所述的變壓器采用環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器，一次側(cè)和二次側(cè)均采用星形連接，變壓器的一次側(cè)連接交流電網(wǎng)，二次側(cè)連接整流器的輸入端；所述的整流器是PWM整流器，PWM整流器實(shí)現(xiàn)變壓器交流電網(wǎng)側(cè)電流為正弦、功率因數(shù)可控、電能雙向傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，其特征在于 所述的控制部分由控制器和PWM整流器控制板組成，PWM整流器控制板為由電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以DSP作為主控制芯片，采用電壓空間矢量調(diào)制算法對(duì)輸入電流、輸出電壓的進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)變壓器交流電網(wǎng)側(cè)的電流正弦化、單位功率因數(shù)和直流輸出電壓恒定的功能；控制器則用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，采用主從式RS485總線與PWM整流器控制板進(jìn)行通訊，發(fā)送運(yùn)行指令給PWM整流器控制板，控制PWM整流器運(yùn)行并獲得PWM整流器運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，其特征在于 所述的直流輸入模塊由功率控制部分、充電電能計(jì)量模塊、控制板、控制電源板組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，其特征在于 所述的功率控制部分采用接觸器和保護(hù)器件實(shí)現(xiàn)，使整流后的電路與后級(jí)電路安全隔離且可被控制，其控制信號(hào)來自于直流充電管理模塊；充電電能計(jì)量模塊采用高精度傳感器對(duì)電壓、電流進(jìn)行采樣，對(duì)充電電能進(jìn)行計(jì)量，并通過RS485通訊接口將電能數(shù)據(jù)上傳給直流充電管理模塊；控制板采用16位的DSP作為主控芯片的單片機(jī)，完成通訊與驅(qū)動(dòng)功能；控制電源板采用多個(gè)集成化的電源模塊，將220V交流電源電壓轉(zhuǎn)換為多種不同等級(jí)的直流電源電壓，為控制板、傳感器提供穩(wěn)定的工作電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，其特征在于所述的直流輸出模塊由直流變換模塊、控制板、控制電源板組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，其特征在于 所述的直流變換模塊中采用雙向DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池的多種模式充電， 包含有恒壓限流充電、恒流限壓充電、三階段充電、脈沖間歇充電、正負(fù)脈沖充電充電模式， 多種充電模式可以自由選擇；控制板采用16位單片機(jī)作為主控芯片，完成通訊、驅(qū)動(dòng)的功能；控制電源板采用多個(gè)集成化的電源模塊，將220V交流電源電壓轉(zhuǎn)換為多種不同等級(jí)的直流電源電壓，為控制板提供穩(wěn)定的工作電源。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，其特征在于 所述的直流充電管理模塊由嵌入式控制器、顯示屏、射頻卡讀卡器、CAN通信卡、遠(yuǎn)程監(jiān)控通信擴(kuò)展卡、微型打印機(jī)組成；直流充電管理模塊作為充電系統(tǒng)的控制中心，通過CAN或 RS485總線與各個(gè)模塊進(jìn)行聯(lián)系，向各個(gè)模塊發(fā)出各類工作指令、接收模塊各類反饋信息， 協(xié)調(diào)模塊間的工作時(shí)序和邏輯。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，其特征在于 所述的直流充電管理模塊通過射頻卡讀卡器讀取用戶信息，并顯示IC卡信息，提示用戶正確連接充電插頭，選擇充電時(shí)間、充電方式，并確認(rèn)啟動(dòng)充電；在充電過程中，嵌入式控制器定時(shí)獲取電量數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到用戶設(shè)置的充電時(shí)間或充電電量時(shí)，發(fā)送停止充電指令給直流輸入模塊，控制直流輸入模塊中接觸器執(zhí)行動(dòng)作，切斷電源，并在顯示屏上提示用戶充電結(jié)束，用戶拔下插頭后，可以進(jìn)行付款、查看消費(fèi)信息、打印票據(jù)的操作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)，屬大型蓄電池充電系統(tǒng)，包括整流模塊與充電模塊，整流模塊分別與交流電網(wǎng)和充電模塊相連接，所述的充電系統(tǒng)還包括直流充電管理模塊，其中充電模塊由直流輸入模塊和直流輸出模塊所組成；所述的整流模塊、直流輸入模塊、直流輸出模塊與直流充電管理模塊都為相互獨(dú)立的模塊，并通過網(wǎng)絡(luò)總線聯(lián)系在一起，本發(fā)明所提供一種電動(dòng)汽車PWM整流及變壓變流脈沖充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，且可適用于所有鉛鋅蓄電池充電，大大減少了蓄電池的充電時(shí)間，應(yīng)用范圍廣，適于規(guī)模化推廣。
文檔編號(hào)H02J3/18GK102185367SQ20111009698
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者牟慧文, 邵澤華, 魏小軍 申請(qǐng)人:成都秦川科技發(fā)展有限公司