[实用新型]一种高效率的电动汽车直流快充系统

说明书

本实用新型涉及一种高效率的电动汽车直流快充系统，属于新能源汽车领域。该系统包含直流快充桩的桩体与输出直流母线、AC/DC变换器、DC/DC变换器、电容、配电变压器和电网；配电变压器的一端连接至电网，另一端连接至AC/DC变换器的AC端，AC/DC变换器的DC端与电动车直流快充桩的输出直流母线相连；DC/DC变换器的一端与电容相连，另一端与直流快充桩输出直流母线相连并通过控制来吸收AC/DC直流输出电流中的低次谐波。本实用新型仅需单级AC/DC功率变换，小功率DC/DC只吸收谐波电流，避免了全部充电功率流过额外的DC/DC变换器，从而节省了成本和提高了直流快充系统的效率。

技术领域

本实用新型属于新能源汽车领域，涉及一种高效率的电动汽车直流快充系统。

背景技术

近几年，电动汽车市场飞速扩张，各个国家也在积极推动电动汽车的发展。当前欧洲多个国家已经启动并制定燃油车禁售时间表，我国在已出台了相关政策。然而电动汽车充电基础设施的建设相对滞后，且电动汽车充电时间远远长于传统燃油车的加油时间，造成电动汽车用户体验较差，短期内无法取代燃油车。在两类主要的充电方式中，交流充电桩通常被称为慢充桩，主要是提供单相交流电的接插与计量，而交直流的变换则依靠车载的几个千瓦的充电机对电池组充电；直流充电桩通常被称为快充桩，大功率(几十到上百千瓦)的三相交流到直流充电功率的变换在直流桩系统中完成，直流桩的输出直流母线连接电动汽车电池组实现大功率充电，通常在一小时内完成充电。因此，电动汽车用户体验接近燃油车的关键在于发展直流快速充电技术，推动直流快充设施的建设。

目前的直流快充桩实现方式都是采用两级功率变换的电源实现方式(如图1)，且大多数为单向功率流，其中的AC/DC通常采用三相维也纳整流器，而DC/DC采用LLC谐振的隔离型结构(如图2)。为满足电动汽车与电网互动(V2G)的需求，双向功率流的电源拓扑结构也在一些示范项目或工程中有应用(如图3)。一般来说，380V的三相电压经过AC/DC整流环节后，其输出直流电压(公共直流母线电压)将大于537V，后级的DC/DC变换器将公共直流母线电压向电动汽车电池组(主流车型的电池电压范围为250V-400V)一侧降压。直流快充由于其功率等级较高，可达几十甚至上百千瓦，因此其效率问题至关重要。目前的充电桩从三相交流侧到直流输出的功率变换的额定工作点效率普遍为94-95％。在这种系统结构下，进一步提高功率变换的效率需要大幅度增加系统的成本。

目前尚没有直流快充桩的功率变换系统去掉后级的DC/DC功率变换而采用单级AC/DC来对电动汽车电池组进行快充。这样做实际上可以减少一级功率变换环节，提高效率且节省成本，但将会遇到以下三个问题：

第一，是充电电流的低次谐波问题：一方面电网侧的电压含有5、7、11、13次等主要谐波，造成电压的正弦度的偏差；另一方面快充桩及所有的电气设备(负载或并网)的交流网侧的负载(或并网)电流必须满足充电标准的要求，即保持设备网侧电流的良好的正弦度；于是电压电流的乘积所得的功率中就含有了低次谐波；这个低次谐波功率在单级ACDC变换中，只能到DC侧，而DC侧的电压在相对稳定的前提下(如直流充电桩的母线电压是由所连接的电动汽车电池组电压所决定)，DC侧的充电电流就会有低次谐波，从而违反充电标准。在传统充电桩的两级功率变换的拓扑结构下，全部的功率都必须通过DCDC，这样可以通过DCDC来稳定充电桩一侧的输出电流的稳定性，其物理实质是由ACDC与DCDC之间的公共直流母线上的电容来吸收低次谐波功率。

第二，是需要解决较大范围的输出直流电压的变化的问题。单级AC/DC的直流输出电压是一个升压式的，在三相交流电压为380V时，直流侧输出电压将大于537V。因此，原有的两级功率变换中的后级DC/DC进行降压变换可以实现输出直流电压的较大幅度范围的变化以适配电动汽车电池组的(250V-400V)的端电压变化范围。因此，输入电压为三相380V的单级AC/DC则无法满足电动汽车充电的典型电压范围。