技术领域
[0001] 本实用新型涉及电动
汽车双向充电设备，具体涉及一种带高压
直流母线的充电站。
背景技术
[0002] 近年来，为应对
气候变化、
能源危机，相关部
门再次加大对节能减排的重视。电动汽车作为一种新型的交通工具，具有环保、节能的优势，有效地减少了污染尾气的排放，成为作为V2G(Vehicle-to-grid)技术实现
能量信息双向流动的关键设备。随着电动汽车数量的不断增加，如果
电动汽车电池中的能量可调度，那么
电网中将有容量可观的储能设备处于闲置状态，若把这些闲置设备充分利用，将极大提高电动汽车中储存能量的利用效率。具备V2G功能的电动汽车可以在兼顾自身性能的前提下，向电网提供调峰、调频、无功补偿、旋转备用等服务。目前的V2G技术因为效率低、谐波高以及缺乏保护等不足而不能大规模推广，因此有必要研发高效可靠的充电站推进V2G技术的实现。实用新型内容
[0003] 为了解决
现有技术中所存在的各种问题，本实用新型提供一种带高压直流母线的充电站。目前，MMC主要应用于柔性直流输电领域，在工程中表现出极高的优势和应用价值，其主要特点是功率等级高、功率双向流动、模
块化，与实现规模化电动汽车充放电所需的各项指标吻合度极高，故将MMC子模块与双向DC/DC变换器结合，作为电动汽车充
电机，以及电动汽车向电网提供V2G的媒介。
[0004] 本实用新型提供的技术方案是：一种带高压直流母线的充电站，所述充电站包括三相，每相分为上下两个桥臂，同一相的上下桥臂通过电感连接，每个桥臂为一个充电机模块组；
[0005] 每个充电机模块组包含多个充电机模块；每个充电机模块组中各充电机模块的输入端口
串联，各充电机模块的输出端口与电动汽车连接；
[0006] 每一相的输入端口通过电感与高压交流端口连接，每一相的输出端口与高压直流端口连接。
[0007] 优选的，所述充电机模块包括：半桥
电路和双向DC/DC变换器；
[0008] 所述半桥电路的输入端口级联后，通过电感与高压交流端口连接，所述半桥电路的输出端口与所述双向DC/DC变换器的一个端口连接，所述双向DC/DC变换器的另一个端口与电动汽车连接。
[0009] 优选的，所述半桥电路包括：两个
开关管和电容C1；
[0010] 所述两个开关管串联后与电容C1并联，所述半桥电路的输入端口设置在任一开关管的两侧。
[0011] 优选的，所述双向DC/DC变换器，包括：由开关管连接的H1桥和H2桥、高频隔离
变压器T、主电感L和电容C2；
[0012] 所述H1桥为所述双向DC/DC变换器原边侧，所述H2桥为所述双向DC/DC变换器副边侧；
[0013] 所述双向DC/DC变换器原边侧与所述双向DC/DC变换器副边侧通过高频隔离变压器T连接，所述H2桥的输出端口与电感L串联后与电容C2并联。
[0014] 优选的，所述双向DC/DC变换器采用降压-升压型Buck-Boost结构。
[0015] 优选的，所述双向DC/DC变换器采用降压-升压型Buck-Boost结构，包括：
[0016] 当给电动汽车充电时：所述半桥电路的输出端口与所述双向DC/DC变换器连接的一个端口为输入端口，经所述电容C2为电动汽车充电，所述双向DC/DC变换器采用Buck模式；
[0017] 当电动汽车放电时：所述双向DC/DC变换器与电动汽车连接的另一个端口为输入端口，电动汽车经电路放电，将能量回馈电网，所述双向DC/DC变换器工作在Boost模式。
[0018] 优选的，所述双向DC/DC变换器原边侧采用
电压型全桥变换器电路。
[0019] 优选的，所述双向DC/DC变换器副边侧采用
电流型全桥变换器电路。
[0020] 优选的，所述充电机模块的个数与电动汽车的个数相同。
[0021] 优选的，每个所述充电机模块组包括数量相同的多个充电机模块。
[0022] 优选的，所述的充电站，还包括：LCD吸收回路；
[0023] 所述LCD吸收回路与双向DC/DC变换器连接，用于在电动汽车放电时对双向DC/DC变换器中开关管的关断过压进行抑制，并回收漏感能量。
[0024] 优选的，所述吸收回路，包括：
[0025] 钳位
二极管D1、钳位电容Cs、吸收
电阻Rs、
续流二极管D2、限流电感Ls、续流二极管D3和开关管Q11；
[0026] 所述
钳位二极管D1的负极与钳位电容Cs的一端串联，所述钳位二极管D1的正极和钳位电容Cs的另一端分别并在双向DC/DC变换器的两端；
[0027] 所述钳位二极管D1的负极与主电感L之间并联吸收电阻Rs；
[0028] 所述续流二极管D2的负极、限流电感Ls和续流二极管D3的正极依次串联，所述续流二极管D2的正极和续流二极管D3的负极连接在电容C2两端；
[0029] 所述开关管Q11的一端连接在钳位二极管D1的负极与钳位电容Cs之间，所述开关管Q11的另一端连接在所述续流二极管D2的负极和限流电感Ls之间。
[0030] 优选的，所述限流电感Ls小于主电感L。
[0031] 优选的，所述开关管为绝缘栅型场效应管MOS。
[0032] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
[0033] 1、本实用新型提供的技术方案，充电站包括三相，每相分为上下两个桥臂，同一相的上下桥臂通过电感连接，每个桥臂为一个充电机模块组；每个充电机模块组包含多个充电机模块；每个充电机模块组中各充电机模块的输入端口串联，各充电机模块的输出端口与电动汽车连接；每一相的输入端口通过电感与高压交流端口连接，每一相的输出端口与高压直流端口连接，本实用新型提供的充电站在拥有较高的电压等级下可减少中间环节变压器的投入，大大减小了损耗和维护成本，同时无无功环流，工作效率高，动态响应快。
[0034] 2、本实用新型提供的技术方案，每个桥臂由多个子模块串联而成，对于不同功率等级的充放电系统，可以通过增减每个桥臂子模块数量来适应系统功率，充电站的拓扑结构具有良好的拓展性和冗余性，且较高的电压等级可减少中间环节变压器的投入，大大减小了损耗和维护成本。
[0035] 3、本实用新型提供的技术方案，采用双向DC/DC变换器，具有高频隔离变压器，实现了电气隔离，提高系统的安全性；同时可实现Buck、Boost电路的切换，无无功环流，工作效率高，动态响应快。
[0036] 4、本实用新型提供的技术方案，包括LCD吸收回路，可以对开关管的关断过压进行有效抑制，保证电路能够正常工作。
[0037] 5、本实用新型提供的技术方案，充电站交流侧输出的电压与充电机模块的数量密切相关，可以通过增减子模块个数来调节
输出电压。
[0038] 6、本实用新型提供的技术方案，充电站能够实现功率的双向流动，其拓扑可视为一种实现电动汽车V2G技术新的结构，为后续V2G的进一步研究提供了新的思路。
附图说明
[0039] 图1为本实用新型的充电站拓扑结构示意图；
[0040] 图2为本实用新型的充电机模块结构示意图；
[0041] 图3为本实用新型的LCD吸收回路结构示意图。
具体实施方式
[0042] 为了更好地理解本实用新型，下面结合
说明书附图和实例对本实用新型的内容做进一步的说明。
[0043] 为解决特定场合下、规模化电动汽车集中式充放电的需求以及由此引起的电网三相
不平衡、并网谐波含量高等问题，提出了结合
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的带高压直流母线的充电站。输入级MMC直接连接10kV母线，在传统MMC的
基础上，在子模块内部通过双向隔离DC/DC变换器作为充电机连接电动汽车，通过控制实现电网与子模块内电动汽车动
力电池之间功率双向流动，并且可以避免目前由于大规模充放电引起的
电能质量问题。系统的
输出侧作为高压直流母线，可以连接高压直流负荷，
光伏发电装置以及集中储能设备。本
实施例所研究的拓扑可以实现大规模电动汽车V2G技术，并且与传统的充电站相比，具有谐波污染小，效率高，有效降低三相不平衡度低、可参与调度的容量可观等优点。可以应用到大型
停车场，具备向电网提供
无功功率支持，参与有功功率调节的功能。V2G的主要目的是为了实现电动汽车与电网之间的双向能量交换。
[0044] 1.带高压直流母线的充电站拓扑
[0045] 图1为充电站拓扑结构示意图，带高压直流母线的充电站包括三相，每相分为上下两个桥臂，同一相的上下桥臂通过电感连接，每个桥臂为一个充电机模块组；
[0046] 每个充电机模块组包含多个充电机模块；每个充电机模块组中各充电机模块的输入端口串联，各充电机模块的输出端口与电动汽车连接；
[0047] 每一相的输入端口通过电感与高压交流端口连接，每一相的输出端口与高压直流端口连接。
[0048] 与传统的充电站拓扑不同，所提拓扑交流侧没有工频变压器，充电机输入端口串联，连接成MMC的形式，每个桥臂有n个充电机模块串联，同一相上下桥臂由两只电感连接，并引出交流输出。MMC输入端与电网10kV母线直接相连，减少占地；整个MMC输出级可作为16～20kV高压直流母线，可连接高压直流负载，接入储能、光伏系统。
[0049] 根据充电端口的个数需求来设计子模块个数，每个子模块内部结构图2所示，可分为两部分，一部分是传统MMC的半桥子模块，两个开关管组成的半桥电路；另一部分是含隔离变压器的双向DC/DC变换器电路，变换器的输入端口连接半桥电路的直流侧，输出端口作为充电端口连接电动汽车。通过对每个半桥电路以及双向DC/DC变换器的控制实现对接在不同端口上的电动汽车进行充放电的控制。
[0050] 2双向DC/DC变换器
[0051] 双向DC/DC变换器是电动汽车向电网提供V2G服务的重要
桥梁。本实施例中采用一种可以消除传统DC/DC变换器无功功率的新拓扑，其优点是系统中可以实现电气隔离，没有无功环流，工作效率高，动态响应快，可以实现双向的Buck和Boost工况。
[0052] 如图2所示，当U1为输入端，U2为输出端时，电路工作于Buck工况，H1桥的开关管采用移相控制，H2桥采用满占空比的互补导通控制；当U2为输入端，U1为输出端，电路工作于Boost工况，H1桥采用满占空比的互补导通控制，H2桥的开关管采用移相控制。当电路处于Buck模式时，能量从电容流向电动汽车；当电路处于Boost模式时，能量从电动汽车流向电容，实现了对电动汽车充放电的控制。
[0053] 3.LCD吸收回路
[0054] 当功率开关器件应用到实际电路中，由于线路的杂散电感会在开关器件关断时引起过压尖峰，若对此过压尖峰不加以限制将会导致器件损坏或电路不能正常工作。同时，高频变压器原边绕组和副边绕组存在的漏感在变换器换流过程中都会引起过压，而且变压器漏感值通常比线路的杂散电感值高得多，这会进一步恶化开关器件的工作环境，所以必须采取措施对开关器件两端的过压尖峰进行限制。
[0055] 本实施例所用的双向DC/DC变压器原边的H1桥为电压源特性，一个桥臂的上下两个开关管不存在直通的情况，故在处理该过压时可直接在H1桥的正负母线之间并联电容。但是变压器副边的H2桥由于有主电感而呈现电流源特性，一个桥臂的上
下管存在直通的情况，在处理副边绕组漏感产生的过压时，若采取与原边H1桥相同的方法，则在桥臂开关管直通后并联电容较大的放电电流会导致开关管损坏。
[0056] 综上，对于变压器副边绕组漏感产生的过压需要采取吸收电路进行处理，采用LCD吸收回路进行过压抑制并对漏感能量
回收利用。
[0057] 图2所示的双向DC/DC变换器的拓扑中功率从U1侧流向U2侧时，由于开关管存在反并联二极管，故漏感能量一直存在向U2侧泄放的通路，所以漏感引起的过压尖峰也较低，漏感引起的损耗相对较小。但是当功率方向由U2侧流向U1侧时，漏感能量不存在上述泄放通路，由漏感引起的过压尖峰将增大，因此漏感能量损耗和开关管的关断损耗都将增加。故该工况下的工作条件更为恶劣，吸收回路参数应该按照功率反向流动时整定。
[0058] 本实施例所提供的LCD吸收回路如图3的虚线框所示，吸收回路由一个钳位电容Cs、一个钳位二极管D1、一个限流电感Ls、一个吸收电阻Rs、两个续流二极管D2和D3、和一个开关管Q11组成。
[0059] 当开关管Q7、Q10开始关断，由漏感引起的过压将逐渐增大，当该过压值超过钳位电容Cs上的电压VCs时，钳位二极管D1将导通，漏感上的能量开始向钳位电容Cs上转移，故钳位电容Cs上的电压VCs也会逐渐增大，同样该过压也会
叠加到开关管Q7上，在换流过程结束，Q7上的电压恢复。主开关管Q3～Q10和辅助开关管Q11状态都未变化，故开关管Q7上的电压Vds和钳位电容Cs上的电压VCs都维持不变。
[0060] 为保证钳位电容上的能量在Q7～Q10均导通后再开始泄放，该段时间是辅助开关管Q11滞后于Q7、Q10开通的时间，由于Q7～Q10均处于导通状态时，Q7上的电压Vds将降成零，VCs仍维持不变。开关管Q11将开始导通，钳位电容Cs上的能量通过Q11～Ls～D3开始泄放，电压VCs逐渐减小，电流ILs逐渐增大。这段时间内钳位电容Cs与限流电感Ls发生谐振，在约1/4个谐振周期后，认为电容Cs上的电压回到初始值，电感Ls的电流达到最大。
[0061] 为保证二极管D1在该过程中处于截止状态，电容Cs上的电压不能降为零，若电容Cs上的电压降为零则在回路Q11～Ls～D3～L～D1回路中开始振荡。开关管Q11将开始关断，Vds仍然为零，VCs维持初始值不变，因为电感Ls的电流ILs在Q11关断后不为零，故二极管D2将导通为其续流，直到ILs降为零。
[0062] 经过上述过程后，双向DC/DC变换器的一个开关周期中由于漏感引起的一次过压尖峰被消除。当Q8、Q9关断后，将会产生下一个过压尖峰，吸收回路的工作过程与Q7、Q10关断时相似。该吸收回路可以对开关管的关断过压进行有效抑制，保证电路能够正常工作。
[0063] 如图3所示，本
发明设计中每一个开关管Q1～Q11指反并联二极管的全控器件，区别于不带二极管的全控器件。
[0064] 本实施例中开关管采用绝缘栅型场效应管MOS。
[0065] 本实施例中提供的充电站具有以下优点：
[0066] 1、输入级MMC结构直挂10KV母线，省去工频变压器，减少占地。当充电站释放能量时，交流侧输出的电压与子模块数量密切相关，可以通过增减子模块个数来调节输出电压。
[0067] 2、MMC直流侧输出作为20KV高压直流母线，可连接高压直流负载，接入储能、光伏系统。
[0068] 3、双向DC/DC变换器作为充电站重要的桥梁，可以实现能量双向流动，支持V2G。
[0069] 4、双向DC/DC变换器具有高频隔离变压器，可以实现电气隔离，保证系统安全性。
[0070] 5、双向DC/DC变换器输入端连接MMC子模块，从子模块直接传输功率，减小MMC桥臂电流。
[0071] 6、双向DC/DC变换器原边侧采用电压型全桥变换器电路。
[0072] 7、双向DC/DC变换器副边侧采用电流型全桥变换器电路。
[0073] 8、由于电感存在漏感，双向DC/DC变换器副边采用LCD电路作为吸收电路，可以对开关管的关断过压进行有效抑制。
[0074] 显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明构思的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
