一種高壓大電流直流充電機的製作方法

2023-09-18 16:30:40

專利名稱：一種高壓大電流直流充電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力技術領域，尤其涉及一種高壓大電流直流充電機。
背景技術：
充電機是採用高頻電源技術，運用先進的智能動態調整充電技術，具有充電效率高，操作簡單，重量輕，體積小等特點。現有國內外電動汽車充電機一般通過以下兩種方式來實現高壓大電流輸出一種是由電網的交流電通過工頻變壓器升壓整流後得到高壓直流，通過變換給動力蓄電池充電，但此種方法存在輸出容量小、輸出電流小等缺點；另一種是採用若干個充電模塊串聯組成，此種方法存在各個充電模塊不均壓的隱患，若各個充電模塊不均壓，則可能導致系統環流的形成，進而使系統崩潰

實用新型內容本實用新型實施例提供了一種高壓大電流直流充電機，用於提高高壓大電流充電系統的可靠性和有效性。為解決上述技術問題，本實用新型實施例提供以下技術方案一種新型高壓大電流直流充電機，包括用於對輸入的三相交流電進行有源功率因數校正APFC(Active Power Factor Correction)整流的APFC整流模塊，上述APFC整流模塊由單管絕緣柵雙極型電晶體IGBT 模塊構建；與上述APFC整流模塊的輸出端連接的充電模塊，其中，上述充電模塊包括用於將上述APFC整流模塊輸出的電壓轉變為正負高壓脈衝的DC/AC變換模塊，上述DC/AC變換模塊由全橋IGBT模塊構建；與上述DC/AC變換模塊連接的，用於對上述DC/AC變換模塊輸出的正負高壓脈衝進行升壓的升壓模塊，上述升壓模塊由高頻變壓器組成；與上述升壓模塊連接的，用於將上述升壓模塊輸出的交流電流轉變為動力蓄電池的充電電流的AC/DC變換模塊；上述直流充電機還包括與上述APFC整流模塊和上述充電模塊連接的，用於分別向上述APFC整流模塊、上述充電模塊的DC/AC變換模塊提供脈衝寬度調製PWM驅動信號的主控模塊。由上可見，本實用新型實施例的高壓大電流直流充電機中由主控模塊分別向APFC 整流模塊、DC/AC變換模塊提供PWM驅動信號，可實現對各模塊的輸出電信號的佔空比的控制，其中，APFC整流模塊採用了 APFC技術對輸入的三相交流電進行APFC整流，極大地提高充電系統的輸出功率因數，DC/AC變換模塊由IGBT構建，其在主控模塊的控制下可實現 IGBT為零電壓開通零電流關閉，開關功耗接近零，因此DC/AC變換模塊中的功率器件IGBT溫升很低，提高了直流充電機的使用壽命和可靠性，通過升壓模塊的高頻變壓器對DC/AC 變換模塊輸出的正負高壓脈衝進行升壓，並由AC/DC變換模塊將升壓模塊輸出的交流電流轉變為動力蓄電池的充電電流，綜上，本實用新型實施例中的高壓大電流直流充電機具有可靠性和有效性的特點。

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本實用新型實施例提供的高壓大電流直流充電機直流充電機一個實施例結構示意圖；圖2為本實用新型實施例提供的高壓大電流直流充電機另一個實施例結構示意圖；圖3為本實用新型實施例提供的APFC整流電路一個實施例電路原理圖；圖4為本實用新型實施例提供的DC/AC變換電路一個實施例電路原理圖；圖5為本實用新型實施例提供的升壓電路一個實施例電路原理圖；圖6為本實用新型實施例提供的AC/DC變換電路一個實施例電路原理圖；圖7為本實用新型實施例提供的AC/DC變換電路另一個實施例電路原理圖；圖8為本實用新型實施例提供的主控模塊一個實施例結構示意圖；圖9為本實用新型實施例提供的人機互動模塊的充電主界面示意圖；圖10為本實用新型實施例提供的人機互動模塊的參數設置界面示意圖；圖11為本實用新型實施例提供的兩個充電模塊組成的充電電路原始圖。
具體實施方式
本實用新型實施例提供了一種高壓大電流直流充電機。為使得本實用新型的實用新型目的、特徵、優點能夠更加的明顯和易懂，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述， 顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而非全部實施例。下面對本實用新型實施例中一種高壓大電流直流充電機進行描述，請參閱圖1，本實用新型實施例中的高壓大電流直流充電機100包括APFC整流模塊101，充電模塊102和主控模塊103。其中，APFC整流模塊101用於對輸入的三相交流電進行APFC整流；在本實用新型實施例中，APFC整流模塊由單管絕緣柵雙極型電晶體(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊構建。充電模塊102與APFC整流模塊101的輸出端連接，其中，充電模塊102包括用於將APFC整流模塊101輸出的電壓轉變為正負高壓脈衝的DC/AC變換模塊 1021，在本實用新型實施例中，DC/AC變換模塊1021由全橋IGBT模塊構建；[0037]與DC/AC變換模塊1021連接的，用於對DC/AC變換模塊輸出的正負高壓脈衝進行升壓的升壓模塊1022，升壓模塊1022由高頻變壓器組成；與升壓模塊1022連接的，用於將升壓模塊輸出的交流電流轉變為動力蓄電池的充電電流的AC/DC變換模塊1023 ；主控模塊103與APFC整流模塊101和充電模塊102，用於向APFC整流模塊101和充電模塊102的DC/AC變換模塊1021提供脈衝寬度調製(PWM，Pulse Width Modulation) 驅動信號，從而可實現對不同模塊輸出的電信號的佔空比進行控制。在本實用新型實施例中，主控模塊103由數位訊號處理器(DSP，Digital Signal Processing)構建，當然，主控模塊103也可由其它處理器構建，此處不作限定。 在本實用新型實施例中，直流充電機100可以由一個充電模塊102實現，也可以由兩個或兩個以上的充電模塊102通過並聯連接，並共用APFC整流模塊101的輸出直流母線來實現，當直流充電機包含兩個或兩個以上的充電模塊102時，可通過在AC/DC變換模塊 1023中接入兩個濾波電容板，通過上述兩個濾波電容板實現對AC/DC變換模塊的輸出電壓進行均壓，從而有效抑制充電模塊之間的環流形成。由上可見，本實用新型實施例的高壓大電流直流充電機中由主控模塊分別向APFC 整流模塊、DC/AC變換模塊提供PWM驅動信號，可實現對各模塊的輸出電信號的佔空比的控制，其中，APFC整流模塊採用了 APFC技術對輸入的三相交流電進行APFC整流，極大地提高充電系統的輸出功率因數，DC/AC變換模塊由IGBT構建，其在主控模塊的控制下可實現 IGBT為零電壓開通零電流關閉，開關功耗接近零，因此DC/AC變換模塊中的功率器件IGBT 溫升很低，提高了直流充電機的使用壽命和可靠性，通過升壓模塊的高頻變壓器對DC/AC 變換模塊輸出的正負高壓脈衝進行升壓，並由AC/DC變換模塊將升壓模塊輸出的交流電流轉變為動力蓄電池的充電電流，由單個充電模塊即可有效地實現高壓直流輸出。綜上，本實用新型實施例中的直流充電機具有可靠性和有效性的特點。請參閱圖2，在本實用新型實施例中，高壓大電流直流充電機200包括APFC整流模塊201，充電模塊202，主控模塊203和人機互動模塊204。其中，APFC整流模塊201，充電模塊202和主控模塊203的組成結構和功能可參照圖1中對APFC整流模塊101，充電模塊102和主控模塊103的描述，此處不再贅述。在本實用新型實施例中，主控模塊203還用於對充電過程中的參數信息進行採集，參數信息例如包括充電電流參數、動力蓄電池電壓參數、充電時間參數等。在本實用新型實施例中，人機互動模塊204通過串行數字通訊埠與主控模塊 203連接，用於向用戶提供人機互動接口並對主控模塊203採集到的參數信息進行顯示。在本實用新型實施例中，人機互動模塊203也可通過控制器區域網路(CAN， Controller Area Network)總線與動力蓄電池管理系統(BMS, Battery Management System)連接，獲取並顯示BMS檢測到的動力蓄電池狀態信息。由上可見，本實用新型實施例中的高壓大電流直流充電機還包含人機互動模塊， 人機互動模塊為用戶提供人機互動接口，簡化用戶的操作過程，另外，人機互動模塊通過串行數字通訊埠與主控模塊交換信息，並對主控模塊採集到的參數信息進行顯示，使得用戶可更直觀地獲知直流充電機的工作狀況和充電過程中的充電電壓、電流信息。本實用新型實施例中的APFC整流模塊、DC/AC變換模塊、升壓模塊和AC/DC變換模塊的電路原理圖可分別如圖3、圖4、圖5和圖6所示。在圖3中，APFC整流模塊由3個高頻電抗器(如圖3中的L1-L3)，6個單管IGBT 模塊(如圖3中的Q1-Q6)，3個無感吸收電容(如圖3中的C1-C3)，6個濾波電容(如圖3 中的E1-E6)，以及2個功率型電阻(如圖3中的R1-R2)組成。主控模塊可分別通過Q1-Q6 門極的基極和發射極向APFC整流模塊輸入6個PWM驅動信號。APFC整流模塊對輸入的三相交流電進行整流後，將直流電送到直流母線上輸出(如圖3中的DC輸出+和DC輸出-)。 在本實用新型實施例中，上述單管IGBT模塊的型號例如可以是FZ600R12KE3，當然，也可採用其它型號的單管IGBT模塊，此處不作限定。在圖4中，DC/AC變換模塊由1個用於儲能的電容E7、l個用於放電的電阻R3、2 個雙模塊IGBT(如圖4中的Q7-Q8)、無感吸收電容(如圖中的C4-C7)以及1個電容板ZVS 組成。APFC整流模塊輸出的正負直流電分別從電容E7的正極端和負極端流入(如圖4中的DC+和DC-)，主控模塊可通過Q7的4腳和5腳、Q7的6腳和7腳、Q8的4腳和5腳，以及Q8的6腳和7腳分別向DC/AC變換模塊輸入A、B、C和D四個PWM驅動信號，實現零電壓開通零電壓關閉移相輸出不同佔空比的正負高壓脈衝。在本實用新型實施例中，上述雙模塊IGBT的型號例如可以是FF400R12KE3，當然，也可採用其它型號的雙模塊IGBT，此處不作限定。在圖5中，升壓模塊由1個高頻變壓器組成，高頻變壓器的原邊Ntl兩端分別與DC/ AC變換模塊的輸出端連接，高頻變壓器的副邊N1和N2對稱，即N1的匝數與N2的匝數相等， N1的匝數大於Ntl的匝數，以實現對DC/AC變換模塊輸入的電壓進行升壓。在圖6中，AC/DC變換模塊由2個全橋整流橋堆(M1-M2)、4個快速恢復二極體(如圖6中的D1-D4)、2個諧振電容(如圖6中的C9-C12)、2塊濾波電容板(如圖6中的E3-E4) 和2個高頻電抗器(如圖6中的L1-L2)組成，圖5中的高頻變壓器的副邊N1和N2可分別與 a和b、c和d連接，將升壓模塊升壓後的高壓電輸入AC/DC變換模塊，本實用新型實施例中， AC/DC變換模塊採用了無源鉗位技術，利用濾波電容板E3-E4均壓，該AC/DC變換模塊可應用於一個充電模塊的場景下，也可應用於多個充電模塊並聯的場景下，可自動實現多個並聯的充電模塊均流、均壓，有效抑制充電模塊之間的環流形成。AC/DC變換模塊將升壓模塊輸入的交流高壓轉變為直流電壓後輸出給動力蓄電池供電，其輸出的直流電壓為1. 2*Oi1/ nQ)*Asa*B，其中，H1表示升壓模塊中高頻變壓器的副邊匝數，n0表示升壓模塊中高頻變壓器的原邊匝數，Asa表示升壓模塊中高頻變壓器原邊的幅度，B表示DC/AC變換模塊輸出的正負高壓脈衝的佔空比。在本實用新型實施例中，可進一步在AC/DC變換模塊的輸出端設置保護電路，以進一步提高直流充電機的安全性和可靠性，如圖7所示為加入保護電路的AC/DC變換模塊， 其中，SIl是電流霍爾傳感器，用於實現對輸出電流進行反饋，Fl為直流快速熔斷器，KMl和 KM2為直流接觸器，電阻R3與KM2串聯，直流充電機在啟動階段時，KMl斷開、KM2閉合，R3 預充電流，當R3的預充電流到達一定值時，KMl閉合，KM2斷開。主控模塊80的結構框圖可如圖8所示，主控模塊80由DSP晶片81構建，外圍電路由PWM驅動信號形成及放大電路82、複雜可編程邏輯器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device) 83、反饋信號處理電路84、通訊接口 85組成，其中，主控模塊80可通過通訊接口 85與人機互動模塊90進行通訊。[0057]本實用新型實施例中的人機互動模塊的充電主界面可如圖9所示，用戶可從該充電主界面直觀地獲知當前直流充電機的工作狀態(如充電模式、充電容量、充電電壓、充電電流等)、動力蓄電池的當前狀態(如動力蓄電池的溫度、當前的剩餘電量等)和故障信息等參數，用戶還可通過點擊該充電主界面上的「停止充電」按鈕控制直流充電機停止對動力蓄電池進行充電，也可通過點擊該充電主界面上的「查看動力蓄電池組詳細信息」按鈕來查看該動力蓄電池組的詳細信息，在直流充電機未啟動時，用戶還可點擊該充電主界面上的 「參數設置」進入參數設置界面，該參數設置界面可如圖10所示，用戶通過該參數設置界面可進行相關參數的設置，如充電模式、計費模式、充電時間等。需要說明的是，本實用新型實施例中的高壓大電流直流充電機也由兩個以上的充電模塊並聯組成，圖11為由充電模塊1101和充電模塊1102組成的高壓大電流直流充電機的充電電路拓撲結構圖，其中，DC+和DC-為整流模塊輸出的電壓，充電模塊1101和充電模塊1102並聯連接，且輸入端共用整流模塊的直流母線，充電模塊1102的正極輸出端與充電模塊1101的正極輸出端連接，充電模塊1102的負極輸出端與充電模塊1101的負極輸出端連接。可以理解，N(N大於或等於2)個充電模塊並聯組成的充電電路拓撲圖均可參照圖11 的連接方式，即N個充電模塊的輸入端共用整流模塊的直流母線，N個充電模塊的正極輸出端相連，N個充電模塊的負極輸出端相連，在N個充電模塊的器件參數一致時，N個充電模塊並聯組成的充電電路輸出的直流電壓為N*l. 2*(η *A_*B，其中，Ii1表示升壓模塊中高頻變壓器的副邊匝數，Iitl表示升壓模塊中高頻變壓器的原邊匝數，Asa表示升壓模塊中高頻變壓器原邊的幅度，B表示DC/AC變換模塊輸出的正負高壓脈衝的佔空比。可見，，N個充電模塊並聯組成的充電電路可實現N倍於單個充電模塊的輸出電流大小。由上可見，本實用新型實施例的直流充電機中由主控模塊分別向APFC整流模塊的輸出電信號的佔空比的控制，其中，APFC整流模塊採用了 APFC技術對輸入的三相交流電進行APFC整流，極大地提高充電系統的輸出功率因數，DC/AC變換模塊由IGBT構建，其在主控模塊的控制下可實現IGBT為零電壓開通零電流關閉，開關功耗接近零，因此DC/AC變換模塊中的功率器件IGBT溫升很低，提高了直流充電機的使用壽命和可靠性，通過升壓模塊的高頻變壓器對DC/AC變換模塊輸出的正負高壓脈衝進行升壓，並由AC/DC變換模塊將升壓模塊輸出的交流電流轉變為動力蓄電池的充電電流，由單個充電模塊即可實現有效地大電流直流輸出。進一步，本實用新型實施例中的直流充電機還包含人機互動模塊，人機互動模塊為用戶提供人機互動接口，簡化用戶的操作過程，另外，人機互動模塊通過串行數字通訊埠與主控模塊交換信息，並對主控模塊採集到的參數信息進行顯示，使得用戶可更直觀地獲知直流充電機的工作狀況和充電過程中的充電電壓、電流信息。綜上，本實用新型實施例中的直流充電機具有可靠性、有效性、操作簡便等特點。以上對本實用新型所提供的一種高壓大電流直流充電機進行了詳細介紹，對於本領域的一般技術人員，依據本實用新型實施例的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上，本說明書內容不應理解為對本實用新型的限制。
權利要求1.一種高壓大電流直流充電機，其特徵在於，包括用於對輸入的三相交流電進行有源功率因數校正APFC整流的APFC整流模塊，所述 APFC整流模塊由單管絕緣柵雙極型電晶體IGBT模塊構建； 與所述APFC整流模塊的輸出端連接的充電模塊， 其中，所述充電模塊包括用於將所述APFC整流模塊輸出的電壓轉變為正負高壓脈衝的DC/AC變換模塊，所述 DC/AC變換模塊由全橋IGBT模塊構建；與所述DC/AC變換模塊連接的，用於對所述DC/AC變換模塊輸出的正負高壓脈衝進行升壓的升壓模塊，所述升壓模塊由高頻變壓器組成；與所述升壓模塊連接的，用於將所述升壓模塊輸出的交流電流轉變為動力蓄電池的充電電流的AC/DC變換模塊；所述直流充電機還包括與所述APFC整流模塊和所述充電模塊連接的，用於分別向所述APFC整流模塊、所述充電模塊的DC/AC變換模塊提供脈衝寬度調製PWM驅動信號的主控模塊。
2.根據權利要求1所述的直流充電機，其特徵在於， 包含至少兩個所述充電模塊；所述至少兩個充電模塊並聯連接，且共用所述APFC整流模塊的輸出直流母線。
3.根據權利要求1或2所述的直流充電機，其特徵在於， 所述主控模塊還用於對充電過程中的參數信息進行採集； 所述直流充電機還包括通過串行數字通訊埠與所述主控模塊連接的人機互動模塊，所述人機互動模塊用於向用戶提供人機互動接口並對所述主控模塊採集到的所述參數信息進行顯示。
4.根據權利要求1或2所述的直流充電機，其特徵在於， 所述主控模塊由數位訊號處理器DSP構建。
5.根據權利要求2所述的直流充電機，其特徵在於，所述AC/DC變換模塊包含用於對所述AC/DC變換模塊的輸出電壓進行濾波及均壓處理的兩個濾波電容板。
專利摘要本實用新型實施例公開了一種高壓大電流直流充電機，包括APFC整流模塊，充電模塊和主控模塊，其中，APFC整流模塊極大地提高充電系統的輸出功率因數，充電模塊的DC/AC變換模塊在主控模塊的控制下可實現IGBT為零電壓開通零電流關閉，開關功耗接近零，使得DC/AC變換模塊中的功率器件IGBT溫升很低，可提高直流充電機的使用壽命和可靠性，充電模塊的升壓模塊的高頻變壓器通過對DC/AC變換模塊輸出的正負高壓脈衝進行升壓，並由充電模塊的AC/DC變換模塊將升壓模塊輸出的交流電流轉變為動力蓄電池的充電電流，綜上，本實用新型實施例中的高壓大電流直流充電機具有可靠性和有效性的特點。
文檔編號H02M7/5387GK202231473SQ20112036952
公開日2012年5月23日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者王春俊, 蔣志達 申請人:株洲市達能科技有限公司