带升降压功能的电动汽车大功率充电桩的三相PFC整流装置及控制方法是什么？

　　技术领域
　　［0001］ 本发明涉及电动汽车电池充电技术领域，尤其涉及一种带升降压功能的电动汽车大功率充电桩的三相PFC整流装置及控制方法。
　　技术背景
　　［0002］ 随着人类的发展，人们不得不重视日益突出的能源与环境问题，而电动汽车以电能为动力，既可以解决燃油汽车尾气排放的污染问题，又可以减少对化石能源的消耗。因而逐渐受到青睐，现在我国电动汽车数量仅占总体汽车数量的0 .2％，有很大的发展前景，而方便快捷的充电设施能极大的促进电动汽车的普及和推广。
　　［0003］ 目前电动汽车的充电设施根据应用场合可以大致分为四类：（1）车载应急充电（2）家庭或公共场所充电（3）充电桩充电（4）充电站充电。车载应急充电通常是结构简单、控制方便的接触式充电器，也可以是感应充电器。它完全按照车载充电器的种类进行设计，完针对性较强。而其他三类则可以被统称为非车载充电，即地面充电，非车载充电装置相当于汽车加油站，应当能对任何一种需要充电的电动汽车进行充电。根据充电电压又可以将充电设施分为交流充电和直流充电。直流充电相对于交流充电，直流充电效率高，未来也会成为公共充电设施的首选。但这种充电方式对设备和安全性的要求更高，现在看来争议更多。相比较而言，直流充电的标准制定则相对复杂。直流充电上，距离标准化的问题更多，这涉及到高压充电的问题。
　　［0004］ 高功率的直流充电桩因为充电效率高、充电时间短，具有很大的发展前景。尽管高功率的直流充电桩随着电力电子技术的发展，其整流装置和控制方法有了长足的发展，但仍有不少问题还需要进一步的解决。比如传统的高功率直流充电桩存在以下缺陷：
　　［0005］ （1）体积过大，传统直流充电桩通过变压器或者全桥DC/DC电路调整输出电压，结构笨重，体积大，成本高。
　　［0006］ （2）无法灵活调整输出电压，小汽车充电电压一般为300V～400V，而电动公交车的充电电压一般为600V以上，传统的直流充电桩无法同时对不同类型的电动汽车进行充电服务，降低了直流充电桩的利用率，不利于电动汽车的推广，减少了直流充电桩的经济性。
　　［0007］ （3）充电效率低，传统的直流充电桩输入端谐波电流十分丰富，网侧功率因数低，对电网污染大，不能满足电磁兼容，使得充电效率大大降低。
　　发明内容
　　［0008］ 本发明的主要目的在于针对现有技术中体积过大、无法灵活调整输出电压、充电效率低的缺陷，提供一种带升降压功能的电动汽车大功率充电桩的三相PFC整流装置及控制方法，以克服上述现有技术的不足。本发明一种升降压一体的电动汽车高功率充电桩的三相PFC整流系统采用三相八开关Buck-Boost整流器作为电路的主拓扑，采用双闭环控制，使其输入电流接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，结构简单，体积小，网侧功率因数高，充电效率高，直流侧接Buck-Boost型拓扑，可以根据输出端电动汽车的类型，灵活的调整输出电压，满足对输出电压的不同需求，能对不同类型的电动汽车进行快速充电。
　　［0009］ 为实现上述目的，本发明提供一种带升降压功能的电动汽车大功率充电桩的三相PFC整流装置，该装置包括整流模块、升降压模块、采样模块、硬件电压电流检测模块、比较器模块、DSP处理器模块、带保护的开关管驱动模块；其中：三相电网电压通过引脚输出端UA、UB、UC与整流模块相连，整流模块与升降压模块构成三相八开关Buck-Boost整流器，其电路结构是：
　　［0010］ 第一电感Lf1的一端连接三相整流器的第一输入口a，第二电感Lf2的一端连接三相整流器的第二输入口b，第三电感Lf3的一端连接三相整流器的第三输入口c；
　　［0011］ 第一电容Cf1与第一电感Lf1构成第一输入口a的低通滤波器，第二电容Cf2与第二电感Lf2构成第二输入口b的低通滤波器，第三电容Cf3与第三电感Lf3构成第三输入口c的低通滤波器；第一电感Lf1的另一端与第一二极管的阳极、第四二极管的阴极连接，第二电感Lf2的另一端与第二二极管的阳极、第五二极管的阴极连接，第三电感Lf3的另一端与第三二极管的阳极、第六二极管的阴极连接；
　　［0012］ 第一电感Lf1与开关管Sap的源极、开关管San的漏极相连，第二电感Lf2与开关管Sbp的源极、开关管Sbn的漏极相连，第三电感Lf3与开关管Scp的源极、开关管Scn的漏极相连；开关管Sp的漏极与第一二极管、第二二极管、第三二极管的阴极相连，开关管Sp的源极与第七二极管、第八二极管、第九二极管的阴极相连；开关管Sn的源极与第四二极管、第五二极管、第
　　六二极管的阳极相连，开关管Sn的漏极与第十二极管、第十一二极管、第十二二极管的阳极相连；
　　［0013］ 电感L1一端与第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十三二极管的阴极以及开关管Sp的源极相连，一端与开关管Sn的漏极，第十二极管、第十一二极管、第十二二极管的阳极以及电容C1相连；电容C1连接着输出端；电容C1和放电电阻R1、开关K1构成放电回路。
　　［0014］ 采用本发明三相PFC整流装置对电动汽车高功率直流充电桩采用恒流恒压充电，第一阶段以恒定电流充电；当电压达到预定值时转入第二阶段进行恒压充电。当输出端出现过压、欠压、过流、过温时，DSP处理器模块即刻将占空比置零，带保护的开关管驱动模块即刻输出负压驱动信号，关断八个开关管，三相Buck-Boost整流器停止工作，同时控制开关K1闭合，通过C1、R1构成的放电回路对电容C1进行放电。
　　［0015］ 此外，本发明提供一种通过上述带升降压功能的电动汽车充电桩三相PFC整流装置的控制方法，具体控制步骤包括：
　　［0016］ S1、DSP处理器模块判断是否需要进行预充电，若需要则转步骤S2，若不需要则直接转步骤S3；
　　［0017］ S2、DSP处理器模块输出八路PWM波，使Sp、Sn导通，Sap、San、Sbp、Sbn、Scp、Scn断开，通过整流模块进行不控整流，对输出电容C1进行预充电，达到设定值则进入步骤S4；
　　［0018］ S3、采样模块将交流侧采集的电压、电流输入到DSP处理器模块中；
　　［0019］ S4、DSP处理器模块将交流侧采集的交流侧电压值和电流值，进行三相静止坐标系/两相旋转坐标系的运算，并通过数字锁相环功能得到电网电压角频率ω（k）和相位θ（k）；
　　［0020］ S5，进行恒流充电模式；
　　［0021］ S5.1，在恒流控制模式下，比较器模块对输出电流Iout和参考电流Iref运算，得到输出值E2，通过输入端I-14输入到DSP处理器模块中；
　　［0022］ S5.2，通过空间矢量脉宽调制，计算得出占空比，生成八路PWM波；
　　［0023］ S5 .3，将八路PWM波输入带保护的开关管驱动模块中，产生八路驱动信号，作用于三相八开关Buck-Boost整流器开关管的通断，进行恒流模式充电；
　　［0024］ S5 .4，将输出端电压、电流输入到硬件电压电流检测模块，判断此时的工作模式，并将判断结果输入到比较器模块中，当检测到输出端电压达到预定值，系统转入第二阶段进行恒压充电；
　　［0025］ S6、进行恒压充电模式；
　　［0026］ S6 .1、在恒压控制模式下，比较器模块对输出电压Uout和参考电压Uref运算，得到输出值E1，通过输入端I-15输入到DSP处理器模块中；
　　［0027］ S6.2、通过空间矢量脉宽调制，计算得出占空比，生成八路PWM波；
　　［0028］ S6.3、将八路PWM波输入带保护的开关管驱动模块中，产生八路驱动信号，作用于三相八开关Buck-Boost整流器开关管的通断，进行恒压模式充电；
　　［0029］ S6 .4、DSP处理器模块判断是否结束工作，当需要装置继续工作时，转步骤S5 .3；当结束工作时，则进入下一步；
　　［0030］ S6 .5、DSP处理器模块将占空比置零，带保护的开关管驱动模块即刻输出负压驱动信号，关断八个开关管，三相Buck-Boost整流器停止工作，同时控制开关K1闭合，通过C1、R1构成的放电回路对电容C1进行放电。
　　［0031］ 相较于现有技术，本发明具有以下优点：
　　［0032］ 1、对传统三相Buck-Boost整流器进行了改进，通过开关电源的技术，对八个开关管进行控制，有效的减少了开关管的功率损耗，功率因数高；
　　［0033］ 2、采用具有低正向导通压降和低反向漏电流的半导体二极管，减少了开关管的损耗；
　　［0034］ 3、结构简单，体积小，使用操作便捷，充电效率高，谐波干扰小，工作稳定性和可靠性高，实用性强，便于推广使用；
　　［0035］ 4、输出端采用Buck-Boost拓扑结构可以实现输出直流电压灵活的升压和降压输出，满足大范围的汽车充电电压，可对不同类型的电动汽车进行快速充电，提高了充电桩的利用率，大大提升了充电桩的经济性。
　　附图说明
　　［0036］ 图1为本发明带升降压功能的电动汽车大功率充电桩的三相PFC整流装置的结构示意图。
　　［0037］ 图2为本发明三相PFC整流装置的控制方法流程图。
　　［0038］ 图中，100-整流模块、110-升降压模块、120-采样模块、130-硬件电压电流检测模块、140-比较器模块、150-DSP处理器模块、160-带保护的开关管驱动模块。
　　具体实施方式
　　［0039］ 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明：
　　［0040］ 如图1所示，本发明实施例的一种带升降压功能的电动汽车高功率充电桩的三相PFC整流系统，包括整流模块100、升降压模块110、采样模块120、硬件电压电流检测模块130、比较器模块140、DSP处理器模块150、带保护的开关管驱动模块160。
　　［0041］ 在本实施例中，该装置的输出功率可达66KW，三相交流电压380V，频率50HZ采用恒流恒压充电，第一阶段以恒定电流充电；当电压达到预定值时转入第二阶段进行恒压充电，此时电流逐渐减小；当充电电流达到下降到零时，蓄电池完全充满。
　　［0042］ 在本实施例中，三相电网电压通过引脚输出端UA、UB、UC与三相Buck-Boost整流器相连，三相Buck-Boost整流器的电路结构是：
　　［0043］ 第一电感Lf1的一端连接三相整流器的第一输入口a，第二电感Lf2的一端连接三相整流器的第二输入口b，第三电感Lf3的一端连接三相整流器的第三输入口c；
　　［0044］ 第一电容Cf1与第一电感Lf1构成第一输入口a的低通滤波器，第二电容Cf2与第二电感Lf2构成第二输入口b的低通滤波器，第三电容Cf3与第三电感Lf3构成第三输入口c的低通滤波器；
　　［0045］ 第一电感Lf1的另一端与第一二极管的阳极、第四二极管的阴极连接，第二电感Lf2的另一端与第二二极管的阳极、第五二极管的阴极连接，第三电感Lf3的另一端与第三二极管的阳极、第六二极管的阴极连接；第一电感Lf1与开关管Sap的源极、开关管San的漏极相连，
　　第二电感Lf2与开关管Sbp的源极、开关管Sbn的漏极相连，第三电感Lf3与开关管Scp的源极、开关管Scn的漏极相连；
　　［0046］ 开关管Sp的漏极与第一二极管、第二二极管、第三二极管的阴极相连，开关管Sp的源极与第七二极管、第八二极管、第九二极管的阴极相连。开关管Sn的源极与第四二极管、第五二极管、第六二极管的阳极相连，开关管Sn的漏极与第十二极管、第十一二极管、第十二二极管的阳极相连；
　　［0047］ 电感L1一端与第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十三二极管的阴极以及开关管Sp的源极相连，一端与开关管Sn的漏极，第十二极管、第十一二极管、第十二二极管的阳极以及电容C1相连；电容C1连接着输出端，电容C1和放电电阻R1、开关K1构成放电回路。
　　［0048］ 在本实施例中，第一电感Lf1的另一端还分别连接有第一电压检测器和第一电流检测器，第二电感Lf2的另一端还分别连接有第二电压检测器和第二电流检测器，第三电感Lf3的另一端还分别连接有第三电压检测器和第三电流检测器；第一、第二、第三电压检测器分别检测的电压值UA、UB、UC和第一、第二、第三电流检测器检测电流值IA、IB、IC分别通过采样模块120的输入端I-1、I-2、I-3、I-4、I-5、I-6输入到采样模块，采样模块的输出采样值UA
　　（k）、UB（k）、UC（k）、IA（k）、IB（k）、IC（k）分别通过输出端O-1、O-2、O-3、O-4、O-5、O-6通过DSP处理器的输入端I-7、I-8、I-9、I-10、I-11、I-12输入到DSP处理器模块，通过DSP处理器进行三相静止坐标系/两相旋转坐标系的运算，并通过数字锁相环功能得到电网电压角频率ω（k）和相位θ（k），输出端电流、输出端电压、参考电流、参考电压分别通过比较器模块的输入端
　　I-20、I-21、I-22、I-23输入到比较器模块120中，输出端电流、输出端电压通过输入端I-18、I-19分别输入到硬件电压电流检测模块130中，将电压电流检测结果J1通过输入端I-16输入到DSP处理器模块150中，当出现过压、欠压、过流的情况时，DSP处理器模块即刻将占空比置零，带保护的开关管驱动模块即刻输出负压驱动信号，关断八个开关管，三相Buck-Boost整流器停止工作，同时控制开关K1闭合，通过C1、R1构成的放电回路对电容C1进行放电。
　　［0049］ 在本实施例中，温度检测通过输入端I-17输入到DSP处理器模块150中，当检测到温度过高时，DSP处理器模块通过输出端O-7控制散热风扇开始工作，同时DSP处理器模块即刻将占空比置零，带保护的开关管驱动模块即刻输出负压驱动信号，关断八个开关管，三相Buck-Boost整流器停止工作，同时控制开关K1闭合，通过C1、R1构成的放电回路对电容C1进行放电。
　　［0050］ 在本实施例中，硬件电压电流检测模块130通过输入端I-24输入信号到比较器模块140，切换比器模块140的工作状态为恒压控制模式或者恒流控制模式。在恒压控制模式下，比较器模块120对输出电压Uout和参考电压Uref运算，得到输出值E1，通过输入端I-15输入到DSP处理器模块150中。在恒流控制模式下，比较器模块120对输出电流Iout和参考电流Iref运算，得到输出值E2，通过输入端I-14输入到DSP处理器模块150中。当输出电容C1的电
　　压等级达到设定值且无过压、欠压、过流、过温时在DSP处理器模块中，根据输入到DSP处理器模块的数据，通过空间矢量脉宽调制算法，计算得出PWM调制波的占空比，生成八路选通脉冲Gpwm1、Gpwm2、Gpwm3、Gpwm4、Gpwm5、Gpwm6、Gpwm7、Gpwm8，通过输出端口O-11、O-12、O-13、O-14、O-15、O-16、O-17、O-18，输入到带保护的开关管模块160，产生八路驱动信号，通过输出端G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8分别作用在开关管SP、Sn、Sap、San、Sbp、Sbn、Scp、Scn，控制其导通或关断的时间，达到整流调压的目的。
　　［0051］ 通过上述带升降压功能的电动汽车充电桩三相PFC整流装置的具体控制步骤包括：
　　［0052］ 步骤S100，开始；
　　［0053］ 步骤S110，三相PFC整流系统各个模块进行初始化；
　　［0054］ 步骤S120，输出端电压检测装置检测充电电动汽车的电压值；
　　［0055］ 步骤S130，DSP处理器模块150判断是否需要进行预充电，若需要则转步骤S140，若不需要则直接转步骤S150；
　　［0056］步骤S140，DSP处理器模块150输出八路PWM波，使Sp、Sn导通，Sap、San、Sbp、Sbn、Scp、Scn断开，通过整流模块100进行不控整流，对输出电容C1进行预充电，达到设定值则接步骤S150；
　　［0057］ 步骤S150，采样模块120将交流侧采集的电压、电流输入到DSP处理器模块150中；
　　［0058］ 步骤S160，DSP处理器模块150将交流侧采集的交流侧电压值和电流值，进行三相静止坐标系/两相旋转坐标系的运算，并通过数字锁相环功能得到电网电压角频率ω（k）和相位θ（k）；
　　［0059］ 步骤S170，进行恒流充电模式；
　　［0060］ 步骤S180，在恒流控制模式下，比较器模块120对输出电流Iout和参考电流Iref运算，得到输出值E2，通过输入端I-14输入到DSP处理器模块150中；
　　［0061］ 步骤S190，通过空间矢量脉宽调制，计算得出占空比，生成八路PWM波；
　　［0062］ 步骤S200，将八路PWM波输入带保护的开关管驱动模块160中，产生八路驱动信号，作用于三相八开关Buck-Boost整流器开关管的通断，进行恒流模式充电；
　　［0063］ 步骤S210，将输出端电压、电流输入到硬件电压电流检测模块130，判断此时的工作模式，并将判断结果输入到比较器模块140中，当检测到输出端电压达到预定值，系统转入第二阶段进行恒压充电；
　　［0064］ 步骤S220，进行恒压充电模式；
　　［0065］ 步骤S230，在恒压控制模式下，比较器模块120对输出电压Uout和参考电压Uref运算，得到输出值E1，通过输入端I-15输入到DSP处理器模块150中；
　　［0066］步骤S240，通过空间矢量脉宽调制，计算得出占空比，生成八路PWM波；
　　［0067］ 步骤S250，将八路PWM波输入带保护的开关管驱动模块160中，产生八路驱动信号，作用于三相八开关Buck-Boost整流器开关管的通断，进行恒压模式充电；
　　［0068］ 步骤S260，DSP处理器模块150判断是否结束工作，当需要装置继续工作时，转步骤S220；
　　［0069］ 步骤S270，DSP处理器模块150将占空比置零，带保护的开关管驱动模块即刻输出负压驱动信号，关断八个开关管，三相Buck-Boost整流器停止工作，同时控制开关K1闭合，通过C1、R1构成的放电回路对电容C1进行放电；
　　［0070］ 步骤S280，结束。
　　［0071］ 以下结合实施例具体讲述本发明技术方案。
　　［0072］ 以给北汽EV电动汽车充电为例，按上述控制步骤进行如下操作：
　　［0073］ 首先对高功率直流充电桩程序的各个模块初始化；
　　［0074］ 进一步地，检测需要输出的负载电压为320V ，将其设为参考电压输入到DSP处理器中，输出功率为16KW ，根据输出电压和输出功率得到参考输出电流为50A，输入DSP处理器中；
　　［0075］ 进一步地，DSP处理器判断系统充电不需要进行预充电；
　　［0076］ 进一步地，通过采样模块将交流侧电压、电流输入到DSP处理器中，同时将整流器直流侧的直流电压和电流输入DSP处理器中，进行三相静止坐标系/两相旋转坐标系的运算，并通过数字锁相环功能得到电网电压角频率ω（k）和相位θ（k）；
　　［0077］ 进一步地，将输出端电压、电流输入到硬件电压电流检测模块中，系统采用恒流恒压充电，第一阶段以恒定电流50A充电，同时将输出端电压、输出端电流、参考电压、参考电流输入到比较器模块中，通过比较器模块计算，将比较结果输入到DSP处理器，检测输出电容C1的电压等级达到设定值且无过压、欠压、过流、过温时在DSP处理器模块中，根据输入到DSP处理器模块的数据，经过处理计算，通过空间矢量脉宽调制算法，计算得出占空比，生成
　　八路PWM波输入到带保护的开关管驱动模块，产生八路驱动信号，作用三相八开关Buck-Boost整流器开关管的通断，进行恒流模式充电；
　　［0078］ 进一步地，当检测到输出端电压达到预定值320V时转入第二阶段进行恒压充电，此时电流逐渐减小，同时将输出端电压、输出端电流、参考电压、参考电流输入到比较器模块中，通过比较器模块计算，将比较结果输入到DSP处理器，检测输出电容C1的电压等级达到设定值且无过压、欠压、过流、过温时在DSP处理器模块中，根据输入到DSP处理器模块的数据，经过处理计算，通过空间矢量脉宽调制算法，计算得出占空比，生成八路PWM波输入到
　　带保护的开关管驱动模块，产生八路驱动信号，作用三相八开关Buck-Boost整流器开关管的通断，进行恒压模式充电；
　　［0079］ 进一步地，DSP处理器模块判断是否结束工作，当需要继续工作时，重复以上步骤，当充电完成时，DSP处理器模块将占空比置零，带保护的开关管驱动模块即刻输出负压驱动信号，关断八个开关管，三相Buck-Boost整流器停止工作，同时控制开关K1闭合，通过C1、R1构成的放电回路对电容C1进行放电；
　　［0080］ 充电结束。