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CN114013326B - 一种共直流母线的电动汽车充电站系统 - Google Patents

一种共直流母线的电动汽车充电站系统 Download PDF

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CN114013326B CN202111483893.6A CN202111483893A CN114013326B CN 114013326 B CN114013326 B CN 114013326B CN 202111483893 A CN202111483893 A CN 202111483893A CN 114013326 B CN114013326 B CN 114013326B
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Abstract

本发明公开了一种共直流母线的电动汽车充电站系统，属于电动汽车充电设备领域。本系统包括直流母线，交流模组，多个充电模组和多个切换模组。所述直流母线包括至少两组直流母线：第一电压直流母线和第二电压直流母线；所述交流模组包括交流电源，连接单元和交变单元，交变单元包括两组级联三相H桥变流器，直流侧可生成第一电压和第二电压，分别与第一电压直流母线和第二电压直流母线相连接。充电模组和切换模组对应连接，充电模组根据不同电动汽车充电需求，选择连接不同的直流母线，通过切换开关不同的投切位置，加倍相应电动汽车的充电功率，加快充电速度。本系统成本低，可靠性高，方便接入光伏和储能设备，充电灵活及容错性高。

Description

一种共直流母线的电动汽车充电站系统
技术领域
本发明涉及电动汽车充电设备领域，特别是一种共直流母线的电动汽车充电站系统。
背景技术
随着电动汽车的快速发展，电动汽车的充电电压、电流及充电速度再不断提升，公共充电站不仅要适应不同电动汽车的充电速率需求，还需要尽可能接入光伏、储能以提供低碳的新能源电能。
现有技术的一种充电站输入端直接连接10kV交流电源，通过前级的电力电子变压器输出端生成相应的直流母线，然后接入DC/DC充电桩给电动汽车充电。具有便于新能源接入、易于维护、能量双向流动等特点。但是该类型充电站系统采用的电力电子变压器需要大量的电力电子变流模块经过多级的电能变换，且电力电子变流模块的绝缘耐压设计需要按照10kV电压等级考虑，导致充电站的成本高、尺寸大、能量转换效率低、可靠性难以保证。此外，该方案中每个DC/DC充电桩对应一个电动汽车，其充电容量固定，不能根据车辆的充电需求灵活配置。
还有一种充电站采用多个充电机模块的输入端口串联，连接成MMC变流器的技术形式，每个MMC桥臂由若干个充电机模块串联，同一相的上下桥臂有两只电感串联抑制环流，MMC变流器的交流输入端与电网10kV交流母线直接相连，MMC的直流输出端为高压直流母线，可连接高压直流负载。该方案的充电机模块与10kV交流电网直连，其绝缘耐压等级要求高，每个桥臂的多个充电机模块需要串联，所以某个充电机模块发生故障，那么同一相桥臂的充电机模块甚至同一相的充电机模块组都将收到影响。同时，充电站直流输出端为10kV等级高电压不利于储能、光伏等新能源的接入。因此，该方案导致充电站的成本高、尺寸大、可靠性难以保证，不便于新能源的接入。
发明内容
为了克服现有技术中变流器的绝缘电压等级高导致成本高、体积大，以及多变流器模块串联可靠性低，且不便于接入光伏、储能，满足电动汽车的多种充电需求等技术问题，本专利提出一种共直流母线的电动汽车充电站系统。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：一种共直流母线的电动汽车充电站系统，其特征在于：所述直流母线包括至少两组直流母线：第一电压直流母线和第二电压直流母线；所述交流模组包括交流电源、连接单元和交变单元；所述连接单元一侧连接交流电源，另一侧连接交变单元；所述交变单元包括两组级联三相H桥变流器，每组所述三相H桥变流器的交流侧与所述连接单元相连接，每组所述三相H桥变流器的直流侧电压形成所述第一电压，两组所述三相H桥变流器直流侧级联形成所述第二电压，所述级联三相H桥变流器的直流侧与所述第一电压直流母线和所述第二电压直流母线相连接；所述充电模组包括两个DC/DC充电变流器，根据不同电动汽车的充电功率需求，所述DC/DC充电变流器的输入端选择与所述第一电压直流母线或所述第二电压直流母线相连接；所述切换模组包括两个切换开关，其输入对应连接所述充电模组的两个所述DC/DC充电变流器的输出，其输出连接到所述电动汽车充电接口。
进一步的，所述切换开关为双刀双掷的机械开关或电力电子器件组成的开关，所述切换开关的两个输出分别连接两个对应的充电接口，所述DC/DC充电变流器的输出通过切换开关不同的投切位置连接到不同的充电接口，实现所述充电模组中的两个所述DC/DC充电变流器通过切换开关并联给同一个充电接口的所述电动汽车充电，或者通过所述切换开关独立给两个充电接口的所述电动汽车充电。
进一步的，所述连接单元包括开关断路器和工频隔离变压器；所述开关断路器一侧连接所述交流电源，另一侧连接所述工频隔离变压器的高压侧；所述工频隔离变压器的低压侧与所述级联三相H桥变流器的交流侧相连。
进一步的，所述工频隔离变压器为三相三柱式，高压侧绕组采用三角形接法或者星形接法，通过所述开关断路器接入所述中压交流电源；低压侧包括两组独立三相绕组，两组所述三相绕组的电压和相位相同，所述三相绕组的三个绕组相互独立不连接，分别接入所述三相H桥变流器的交流侧。
进一步的，所述交流电源为三相10KV或35KV交流电源。
进一步的，所述第一电压为750V，所述第二电压为1500V。
进一步的，所述三相H桥变流器采用单级倍频PWM调制方式，所述两组三相H桥变流器PWM调制的载波频率相同，相位相差180度，其交流输出滤波器采用LCL型或者L型滤波电路进行滤波，所述工频隔离变压器漏感可作为所述三相H桥逆变器中LCL滤波器的网侧电感或者L型滤波器的电感。
进一步的，所述电动汽车充电站系统还包括直流模组，所述直流模组输出侧接入所述第一电压直流母线或所述第二电压直流母线。
进一步的，所述直流模组包括光伏电池板和光伏变流器，所述光伏变流器为一种DC/DC变流器，输入侧接所述光伏电池板，输出侧接所述直流母线，实现能量从所述光伏电池板单向流向所述直流母线。
进一步的，所述电动汽车充电站系统还包括储能模组，所述储能模组包括储能电池和储能变流器，所述储能变流器为一种隔离型DC/DC变流器，一侧连接所述第一电压直流母线或所述第二电压直流母线，另一侧连接所述储能电池，能量流动方向为双向，在用电低峰期存储所述直流模组和所述交流模组的能量，在用电高峰期放电为电动汽车提供能量。
本发明可以获得以下有益效果：
系统成本低，可靠性高：本发明采用工频变压器进行高低压隔离，具有技术成熟、可靠性高、成本低的特点。同时，本发明的交直流变换器采用两组三相H桥变流器级联的主电路拓扑，H桥主电路为两电平电路，每个桥臂只有两个电力电子开关器件串联，拓扑结构简单，控制简便，变流器可靠性高。
并网谐波污染小：交直流变换器采用三相H桥变流器，单极性PWM调制方法，其交流侧输出等效开关频率是器件实际开关频率的两倍，同时交流输出滤波器采用LCL滤波器，可以有效降低对交流电网的谐波污染。
满足不同功率电动车的充电需求：该系统中两个三相H桥变流器级联直流侧能够输出正母线、负母线和零母线三根直流母线，正母线与零母线之间额定电压为750V，零母线与负母线之间额定电压为750V，正母线与负母线之间额定电压为1500V。根据不同电动汽车的充电功率需求，其充电变流器可以接入不同电压的母线。充电电压及功率较低的情况，可以接入750V直流电压母线，充电电压及功率较高的情况，则可以接入1500V直流电压母线。
方便接入光伏、储能设备，提高能量转换效率：该系统中三相H桥变流器可输出750V和1500V的低直流母线电压，方便接入光伏变流器和储能变流器，能量转换效率提高。
电动汽车充电灵活性以及容错性提高：每个充电变流器的输出接一个双刀双掷的切换开关，每个切换开关有两个输出，每个输出对应一个电动汽车的充电接口。相邻的两个充电变流器组成一个充电模组，同一充电模组的两个充电变流器可以通过切换开关连接两个独立的充电接口，也可以通过切换开关并联连接同一充电接口。当两个充电变流器通过同一充电接口给电动汽车充电时，可以加倍相应电动汽车的充电功率，加快充电速度。当充电模组中的一个充电变流器停止工作时，另一个充电变流器可以通过切换开关接入相应的充电接口，给对应的电动汽车充电，提升充电端口的在线率。因此切换开关及模组的加入大大提高了电动汽车充电的灵活性以及容错性，减小了系统一部分充电变流器的故障对电动汽车充电的影响。
附图说明
图1是为本发明一种共直流母线的电动汽车充电站系统的充电站系统整体框图。
图2是本发明一种共直流母线的电动汽车充电站系统的三相H桥变换器结构图。
图3是本发明一种共直流母线的电动汽车充电站系统的充电模组DC/DC变换器拓扑图。
其中：1、交流电源，2、开关断路器，3、工频隔离变压器，4、交变单元，5、直流母线，6、充电模组，7、切换模组，8、光伏变流器，9、储能变流器。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明提供了一种共直流母线的电动汽车充电站系统，包括：中压交流电源、开关断路器、工频隔离变压器、与变压器低压侧相连接的由两组级联三相H桥变流器组成的交变单元、直流±750V母线、输入端与直流母线相连的光伏变流器和储能变流器，二者输出端分别连接光伏电池板和储能单元，还有多个与直流母线相连的充电模组、与充电模组输出端相连的由多个切换开关组成的切换模组、电动汽车。其中充电模组中的DC/DC充电变流器拓扑均为隔离型DAB拓扑结构，可以进行能量的双向流动。通过三相H桥变流器实现光伏、储能设备以及直流充电桩的接入，同时实现电动汽车的灵活充电，容错性高、可靠性高。
具体实施方式为，中压交流电压侧为电网电源进线，通过开关断路器接入隔离工频变压器高压侧，变压器为三相三柱式，其高压侧采用三角形接法或者星形接法，低压侧采用两组三相独立绕组；两组三相H桥变流器级联，各相交流输入端分别与变压器低压侧绕组相连接，两组三相H桥变流器的输出端引出直流母线，形成±750V的直流母线。每个充电模组中含有两组DC/DC充电变流器。每个充电模组都对应有切换模组，充电变流器通过对应的切换开关为电动汽车充电。如图1中所示，充电变流器A1和A2输入端分别接DC+、DC0和DC0、DC-以接入750V直流母线，充电变流器A1和A2输出端分别接切换开关A1和A2，通过开关的闭合关断为电动汽车A1和A2充电。
切换开关为双刀双掷开关或电力电子开关，当切换开关A1和A2的两个双刀双掷开关均与上面的触点接通，充电变流器A1和充电变流器A2同时对电动汽车A1进行充电，如此可大大提高电动汽车的充电速度，满足用户对充电速度的需求。当切换开关A1和上面的触点接通，切换开关A2和下面的触点接通，充电变流器A1和充电变流器A2分别对电动汽车A1和电动汽车A2进行充电，如此可满足多个用户同时充电的需求。当充电模组的其中一个充电变流器故障，另一个充电变流器就可以代替故障变流器为对应的电动汽车充电。如充电变流器A1损坏，可通过将切换开关A2与上面的触点接通以使充电变流器A2对电动汽车A1进行充电，保障电动汽车A1正常可靠充电。另外，当电动汽车所需充电电压和功率比较大时，可以将充电变流器B1和B2输入端都接DC+、DC-以接入1500V直流电压，再通过切换开关B1和切换开关B2为大功率电动汽车B1和B2进行充电。
中压交流电源经变压器降压再经两组级联的H桥变流器逆变成直流电，逆变电路采用三相H桥，三相H桥结构如图2所示。L1、L3、L5是变压器的漏感，作为逆变器LCL滤波器的网侧电感，L2、L4、L6是逆变器侧滤波电感，C1、C3、C4是交流滤波电容，C2是直流滤波电容，Q1～Q12均为电力电子开关器件，可以是基于硅材料的IGBT/二极管模块、MOSFET，也可以是基于碳化硅或者氮化镓的开关器件。D1～D12分别为Q1～Q12的反并联二极管。
发明中DC/DC变换器采用隔离型DAB拓扑结构，DAB拓扑结构如图3所示。电路拓扑由高频变压器T、电感Lr、输入电容Cin、输出电容Cout、全桥H1和全桥H2组成。其中变压器变比为N:1，N的具体值可根据负荷需要进行调节。全桥H1和全桥H2中的S1～S8均为电力电子开关器件，可以是基于硅材料的IGBT/二极管模块、MOSFET，也可以是基于碳化硅或者氮化镓的开关器件；D1～D8分别为S1～S8的反并联二极管。
光伏变流器为一种DC/DC变流器，一侧接入直流750V或1500V母线，另一侧接入光伏电池板，能量流动方向单向，为从光伏电池流向直流母线，能够控制光伏板运行在最大功率跟踪点。储能变流器为一种隔离型DC/DC变流器，一侧接入直流750V或直流1500V母线，另一侧为储能单元(可以为锂电池或其他电池储能单元)，能量流动方向为双向，可以从750V或1500V母线流向储能单元，也可以从储能单元流向750V或1500V母线。分布式能源以及储能装置中的能源在本发明提出的充电站中可以实现能源的就地消纳。分布式能源(光伏)和储能装置中的能源分别通过光伏变流器和储能变流器、直流母线变流器以及其他变流器为电动汽车提供电能，实现能源的就地消纳。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种共直流母线的电动汽车充电站系统，其特征在于：包括直流母线，交流模组，多个充电模组和多个切换模组；
所述直流母线包括至少两组直流母线：第一电压直流母线和第二电压直流母线；
所述交流模组包括交流电源、连接单元和交变单元；所述连接单元一侧连接交流电源，另一侧连接交变单元；所述交变单元包括两组级联三相H桥变流器，每组所述三相H桥变流器的交流侧与所述连接单元相连接，每组所述三相H桥变流器的直流侧电压形成所述第一电压，两组所述三相H桥变流器直流侧级联形成所述第二电压，所述级联三相H桥变流器的直流侧与所述第一电压直流母线和所述第二电压直流母线相连接；
所述连接单元包括开关断路器和工频隔离变压器；所述开关断路器一侧连接所述交流电源，另一侧连接所述工频隔离变压器的高压侧；所述工频隔离变压器的低压侧与所述级联三相H桥变流器的交流侧相连；
所述三相H桥变流器采用单级倍频PWM调制方式，所述两组三相H桥变流器PWM调制的载波频率相同，相位相差180度，其交流输出滤波器采用LCL型或者L型滤波电路进行滤波，所述工频隔离变压器漏感作为所述三相H桥变流器中LCL滤波器的网侧电感或者L型滤波器的电感；
所述充电模组包括两个DC/DC充电变流器，根据不同电动汽车的充电功率需求，所述DC/DC充电变流器的输入端选择与所述第一电压直流母线或所述第二电压直流母线相连接；
所述切换模组包括两个切换开关，其输入对应连接所述充电模组的两个所述DC/DC充电变流器的输出，其输出连接到所述电动汽车充电接口；
所述切换开关为双刀双掷的机械开关或电力电子器件组成的开关，所述切换开关的两个输出分别连接两个对应的充电接口，所述DC/DC充电变流器的输出通过切换开关不同的投切位置连接到不同的充电接口，实现所述充电模组中的两个所述DC/DC充电变流器通过切换开关并联给同一个充电接口的所述电动汽车充电，或者通过所述切换开关独立给两个充电接口的所述电动汽车充电；
所述电动汽车充电站系统还包括直流模组，所述直流模组输出侧接入所述第一电压直流母线或所述第二电压直流母线；
所述电动汽车充电站系统还包括储能模组，所述储能模组包括储能电池和储能变流器，所述储能变流器为一种隔离型DC/DC变流器，一侧连接所述第一电压直流母线或所述第二电压直流母线，另一侧连接所述储能电池，能量流动方向为双向，在用电低峰期存储所述直流模组和所述交流模组的能量，在用电高峰期放电为电动汽车提供能量。
2.根据权利要求1所述的共直流母线的电动汽车充电站系统，其特征在于：所述工频隔离变压器为三相三柱式，高压侧绕组采用三角形接法或者星形接法，通过所述开关断路器接入所述交流电源；低压侧包括两组独立三相绕组，两组所述三相绕组的电压和相位相同，所述三相绕组的三个绕组相互独立不连接，分别接入所述三相H桥变流器的交流侧。
3.根据权利要求1所述的共直流母线的电动汽车充电站系统，其特征在于：所述交流电源为三相10KV或35KV交流电源。
4.根据权利要求1所述的共直流母线的电动汽车充电站系统，其特征在于：所述第一电压为750V，所述第二电压为1500V。
5.根据权利要求1所述的共直流母线的电动汽车充电站系统，其特征在于：所述直流模组包括光伏电池板和光伏变流器，所述光伏变流器为一种DC/DC变流器，输入侧接所述光伏电池板，输出侧接所述直流母线，实现能量从所述光伏电池板单向流向所述直流母线。
CN202111483893.6A 2021-12-07 2021-12-07 一种共直流母线的电动汽车充电站系统 Active CN114013326B (zh)

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