双向功率转换器 |
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| 申请号 | CN202311498882.4 | 申请日 | 2023-11-10 | 公开(公告)号 | CN118017843A | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | 西门子股份公司; | 发明人 | A·卡达姆; | ||||
| 摘要 | 提供了用于在EV(106)和 电网 之间传输功率的双向功率转换器(102)、控制单元(104)、充电设备(200)和方法(600)。双向功率转换器(102)包括隔离式DC‑DC转换器(102C)，隔离式DC‑DC转换器(102C)具有：将DC 电压 (V1)转换成高频AC电压(V1ac)的第一级(201)；具有四个功率转换 开关 (S5‑S8)以及电容器(C1，C2)的第二级(202)，其能够在功率转换模式中将具有幅度V2的高频AC电压(V2ac)转换成具有幅度V2或2V2的DC电压(Vdc)，并且在功率逆变模式中将DC电压(Vdc)转换成多电平高频AC电压(V2ac)；以及电耦合到第一级和第二级(201，202)的中间级(203)，其具有 匝 数比V1:V2的高频 变压器 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种双向功率转换器(102)，包括： |
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| 说明书全文 | 双向功率转换器[0001] 本公开涉及一种功率转换器。更特别地，本公开涉及可在电动车辆(EV)的DC快速充电中采用的双向功率转换器。 [0002] EV作为对传统的基于内燃机的车辆的替代物正在全球范围被采用。因此，出现了对于开发用于这些EV的快速充电的充电基础设施的增长的需求。用于快速充电的方法之一是DC快速充电器。图1A图示了根据现有技术的在对EV 106充电中采用的DC充电器100的框图。DC充电器100包括彼此电耦合的低电压输入模块101、功率电子模块102(也称为功率转换器102)、以及输出模块103。低电压输入模块具有来自三相电网101A的三相AC电压供应Vac以及输入侧保护单元101B。功率转换器102具有彼此电耦合的输入滤波器102A、三相AC至DC转换器102B(诸如三相脉宽调制(PWM)转换器)、以及隔离式DC‑DC转换器102C。输出模块103是输出保护单元，该输出保护单元在其输出处提供DC电压，该DC电压被EV 106用于DC快速充电。DC充电器100还包括具有一个或多个控制器104A、104B的控制器模块104。控制器模块104与功率转换器102电耦合，以用于控制三相脉宽调制(PWM)转换器102B和隔离式DC‑DC转换器102C。 [0003] DC充电器100还包括软件模块105，该软件模块105具有用户接口105A，诸如人机接口(HMI)，该用户接口105A与通信控制器模块105B电耦合，该通信控制器模块105B又与便携式电子设备105C(诸如蜂窝电话)、云通信网络105D和/或电网105E(诸如包括分布式电网的智能电网)通信。通信控制器模块105B还与EV 106通信。 [0004] 提供给EV 106的DC输出电压应当符合正在被充电的EV 106的电池额定电压。通常，EV 106的电池容量和电压要求取决于EV范围(range)而变化，该EV范围即EV 106在一次完全电池充电中可以覆盖的距离。例如，低范围车辆具有大约150V的电池电压，而高范围或重型车辆(如电动卡车和电动公共汽车)具有大约1000V至1500V的电池电压。因此，为了给各种类型的EV 106充电，DC充电器100的DC输出电压应当具有从大约150V到大约1500V的宽范围，同时确保在整个范围内的高功率的递送。 [0005] 图1B图示了根据现有技术的图1A中所示的DC充电器100的功率转换器102的电路图。功率转换器102从输入模块101接收三相AC输入Vac，该三相AC输入Vac然后被提供给其三相AC至DC转换模块102B，该三相AC至DC转换模块102B提供DC输出电压V1，该DC输出电压V1又作为输入被提供给DC‑DC转换器102C。DC‑DC转换器102C通常包括两个功率转换级(power conversion stage)，即执行DC至高频AC转换的第一级201和执行高频AC至DC转换的第二级202。在第一级201处，DC电压V1被转换成幅度V1的高频AC电压。在第二级202处，幅度V2的高频AC电压被转换成Vdc的输出DC电压。这两个级201和202通过中间级203耦合，中间级203在它们之间提供高频隔离。中间级203包括被连接在第一级201和第二级202之间的具有V1∶V2匝数比(turns ratio)的高频变压器。 [0006] 如图1B中所示，在第二级202处采用了具有四个开关S5、S6、S7和S8的通用双有源桥式转换器。用于第二级202的开关表在下面的表1中示出，其中：值1和0分别象征开关接通和开关关断； VAB是节点A和B之间的电压；以及 Vdc是转换器的DC电压。 [0007] VAB S5 S6 S7 S8 Vdc+V2 1 0 0 1 +V2 ‑V2 0 1 1 0 +V2 0 1 1 0 0 +V2 0 0 0 1 1 +V2 。 表1 [0008] 从表1中清楚的是，由图1A中所示的DC充电器100的常规功率转换器102提供的最大输出电压Vdc等于高频电压V2的幅度。此外，开关S5、S6、S7和S8中的每一个都被额定为V2的电压。因此，对于1000V的DC输出电压，考虑到1.5倍的裕量，将需要额定为至少1500V的(一个或多个)开关。可用的下一个最高(next highest)额定电压碳化硅(SiC MOSFET)开关是1200V和1700V的开关。然而，用于1700V开关的额定电流并不是相当高。因此，需要串联连接两个1200V的开关来表示开关S5、S6、S7和S8中的每一个。因此，总共需要8个SiC MOSFET。此外，对于低电压输出(即，大约300V的电压输出)处的相同额定功率，高电流流过开关S5、S6、S7和S8。因此，开关的额定电流要求也增加了。 [0009] 因此，本公开的一个目的是提供一种双向功率转换器，该双向功率转换器提供宽范围的DC电压，而不损害跨DC电压范围的功率递送，并且优化其中使用的开关的数量的要求。 [0010] 此外，本公开的另一个目的是提供一种用于在电动车辆和电网之间传输功率的采用上述双向功率转换器的充电设备和方法。 [0011] 此外，本公开的另一个目的是提供一种控制双向功率转换器以用于在电动车辆和电网之间传输功率的控制单元。 [0012] 本文中公开的双向功率转换器包括双向功率转换器的隔离式DC‑DC转换器，该隔离式DC‑DC转换器包括第一级、第二级和中间级。 [0013] 第一级能够将DC电压(V1)转换成具有幅度V1的高频AC电压(V1ac)，并且反之亦然。第二级被配置成在功率转换操作模式或功率逆变操作模式中操作。 [0014] 在功率转换操作模式中，第二级将具有幅度V2的高频AC电压V2ac选择性地转换成DC电压Vdc。在第二级的低电压操作模式中，DC电压Vdc的幅度是V2，即，与高频AC电压V2ac相同。在第二级的高电压操作模式中，DC电压Vdc的幅度是2V2，即，是高频AC电压V2ac的幅度的两倍。有利地，在这种功率转换操作模式中，双向功率转换器可以在针对电网到车辆G2V充电所采用的设备中找到应用。 [0015] 在功率逆变操作模式中，第二级将DC电压Vdc转换成多电平(multi‑level)高频AC电压V2ac。有利地，在这种功率逆变操作模式中，双向功率转换器可以在针对车辆到电网V2G充电和/或能量存储所采用的设备中找到应用，该车辆到电网V2G充电和/或能量存储是在关于EV充电的若干个标准下提出的要求。多电平AC电压V2ac包括三个电平，即+V2、0和‑V2，这对应于具有幅度2V2的DC电压Vdc。类似地，多电平AC电压V2ac包括三个电平，即+0.5V2、0和‑0.5V2，这对应于具有幅度V2的DC电压Vdc。 [0016] 中间级电耦合到第一级和第二级，并且包括高频变压器。高频变压器的匝数比等于高频AC电压(V1ac)与高频AC电压(V2ac)的比。通常，V1取决于电网供应电压连接，并且V2取决于车辆电池的最大电压容量。根据一个实施例，高频变压器是双绕组变压器。根据另一个实施例，高频变压器是多绕组变压器，例如在初级侧具有多个绕组并且在次级侧具有多个绕组。根据该实施例，高频AC电压V1ac出现在初级侧的绕组之一处，并且高频AC电压V2ac跨次级侧的一组多个绕组出现。根据该实施例，多个第二级——即，在次级侧的每个绕组有一个第二级——并联连接。 [0017] 本文中公开的双向功率转换器实现了上述目的，这是因为第二级包括四个功率转换开关S5‑S8和两个或更多个电容器C1、C2。电容器C1、C2在其之间具有公共节点C。功率转换开关中的两个S6、S8串联连接在公共节点C与第二级的DC极(pole)之一之间，并且这两个功率转换开关S6、S8在其之间具有中点，该中点连接到中间级的高频变压器的次级绕组A‑B的端部之一B。 [0018] 第一级包括连接在中间级的高频变压器的初级绕组A'‑B'之间的四个功率转换开关S1‑S4，使得第一功率转换开关S1的第二端子连接到第二功率转换开关S2的第一端子和初级绕组的第一端部A'，第一功率转换开关S1的第一端子连接到第三功率转换开关S3的第一端子，并且第二功率转换开关S2的第二端子连接到第四功率转换开关S4的第二端子，并且第三功率转换开关S3的第二端子连接到第四功率转换开关S4的第一端子和初级绕组的第二端部B'。 [0019] 第二级的功率转换开关S5‑S8是两象限(two‑quadrant)开关。如本文所使用的，术语“开关”指的是能够连接和断开两个电气节点的切换器件，这是例如使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、晶闸管、二极管、可变电阻、或使用对于本领域技术人员明显的任何其他这类器件来实现的。开关也可以是机械开关，诸如接触器。四个功率转换开关S5‑S8中的每一个可以在公共门控逻辑(gating logic)脉冲的帮助下使用一个或多个个体开关的串联或并联连接来实现，该公共门控逻辑脉冲将满足双向功率转换器的电压和电流要求。 [0020] 根据一个实施例，第二级的功率转换开关S5‑S8跨高频变压器的次级绕组A‑B布置，使得第一功率转换开关S5的第二端子连接到第三功率转换开关S7的第一端子和次级绕组的第一端部A，第一功率转换开关S5的第一端子连接到第一电容器C1的正端子，第三功率转换开关S7的第二端子连接到第四功率转换开关S8的第二端子和第二电容器C2的负端子，其中第一电容器C1的负端子和第二电容器C2的正端子彼此连接并且连接到第二功率转换开关S6的第一端子，并且第二功率转换开关S6的第二端子连接到第四功率转换开关S8的第一端子和次级绕组的第二端部B。 [0021] 根据该实施例，第二级在给定时刻处在多个开关状态之一中操作。有利地，至少有四种开关状态：‑‑第一开关状态SS1，其中第一功率转换开关S5和第二功率转换开关S6处于接通状态，并且第三功率转换开关S7和第四功率转换开关S8处于关断状态，从而使得第一电容器C1充电并且第二电容器C2放电； ‑‑第二开关状态SS2，其中第二功率转换开关S6和第三功率转换开关S7处于接通状态，并且第一功率转换开关S5和第四功率转换开关S8处于关断状态，从而使得第一电容器C1放电并且第二电容器C2充电； ‑‑第三开关状态SS3，其中第三功率转换开关S7和第四功率转换开关S8处于接通状态，并且第一功率转换开关S5和第二功率转换开关S6处于关断状态，从而使得第一电容器C1和第二电容器C2放电；以及 ‑‑第四开关状态SS4，其中第一功率转换开关S5和第四功率转换开关S8处于接通状态，并且第二功率转换开关S6和第三功率转换开关S7处于关断状态，从而使得第一电容器C1和第二电容器C2充电。 [0022] 根据另一个实施例，第二级的功率转换开关S5‑S8跨高频变压器的次级绕组A‑B布置，使得第一功率转换开关S5的第二端子连接到第三功率转换开关S7的第一端子和次级绕组的第一端部A，第一功率转换开关S5的第一端子连接到第二功率转换开关S6的第一端子和第二电容器C2的正端子，第三功率转换开关S7的第二端子连接到第一电容器C1的负端子，其中第一电容器C1的正端子和第二电容器C2的负端子彼此连接并且连接到第四功率转换开关S8的第二端子，并且第二功率转换开关S6的第二端子连接到第四功率转换开关S8的第一端子和次级绕组的第二端部B。 [0023] 根据该实施例，第二级在给定时刻处在多个开关状态之一中操作。有利地，至少有四种开关状态：‑‑第一开关状态SS1，其中第一功率转换开关S5和第四功率转换开关S8处于接通状态，并且第二功率转换开关S6和第三功率转换开关S7处于关断状态，从而使得第一电容器C1放电并且第二电容器C2充电； ‑‑第二开关状态SS2，其中第三功率转换开关S7和第四功率转换开关S8处于接通状态，并且第一功率转换开关S5和第二功率转换开关S6处于关断状态，从而使得第一电容器C1充电并且第二电容器C2放电； ‑‑第三开关状态SS3，其中第一功率转换开关S5和第二功率转换开关S6处于接通状态，并且第三功率转换开关S7和第四功率转换开关S8处于关断状态，从而使得第一电容器C1和第二电容器C2放电；以及 ‑‑第四开关状态SS4，其中第二功率转换开关S6和第三功率转换开关S7处于接通状态，并且第一功率转换开关S5和第四功率转换开关S8处于关断状态，从而使得第一电容器C1和第二电容器C2充电。 [0024] 在功率转换模式的高电压操作模式中以及低电压操作模式中，第二级呈现(assume)对应于高频AC电压V2ac的正电压电平的第一开关状态SS1、对应于高频AC电压V2ac的负电压电平的第二开关状态SS2、以及对应于高频AC电压V2ac的零电压电平的第三开关状态SS3。 [0025] 有利地，在低电压模式中，第二级也可以基于跨电容器C1、C2之一出现的电压而呈现对应于高频AC电压V2ac的正电压电平或高频AC电压V2ac的负电压电平的第四开关状态SS4。 [0026] 例如，当跨第一电容器C1的电压大于零时，第四开关状态SS4被选择用于操作，否则第一开关状态SS1被选择用于对应于V2ac的正电压电平的第二级的操作。 [0027] 在另一个示例中，当跨第一电容器C1的电压大于零时，第四开关状态SS4被选择用于操作，否则第二开关状态SS2被选择用于对应于V2ac的负电压电平的第二级的操作。 [0028] 有利地，当处于关断状态时，第一级和第二级的功率转换开关S1‑S10中的每一个阻断(block)跨功率转换开关S1‑S10中的每一个的第一端子和第二端子施加的正DC电压。 [0029] 有利地，在双向功率转换器的上述功率转换模式中，基于以车辆电池容量为基础的EV的电压要求，第二级动态地控制V2和2V2之间的DC电压Vdc。DC电压Vdc的这种动态变化是通过如下方式来实现的：选择性地操作第二级的功率转换开关S5‑S8，以便实现如上述段落中所描述的开关状态SS1‑SS4。 [0030] 本领域技术人员将理解，多个这种双向功率转换器可以并联连接在一起，并且被采用作为具有多相输入和/或输出连接的多相转换器。此外，每个单相转换器可以具有并联连接在一起的多个输入连接。 [0031] 此外，本文中公开了一种控制上述双向功率转换器、并且更具体地是该双向功率转换器的隔离式DC‑DC转换器的控制单元。 [0032] 该控制单元可以包括(一个或多个)控制器，该(一个或多个)控制器在接通状态和关断状态之间选择性地切换双向功率转换器的隔离式DC‑DC转换器的第二级的功率转换开关S5‑S8，以实现功率转换操作模式或功率逆变操作模式。 [0033] 该控制单元执行上述切换，以在给定时刻处实现多个开关状态SS1‑SS4之一。 [0034] 根据一个方面，当连接到可连接到双向功率转换器的车辆侧模块时，该控制单元基于电动车辆的电池的电压要求来执行该切换。电压要求对应于高电压模式和低电压模式。 [0035] 有利地，该控制单元基于第二级的构造——即，功率转换开关S5‑S8相对于彼此之间以及电容器C1和C2与功率转换开关S5‑S8之间的连接拓扑——来执行第二级的功率转换开关S5‑S8的选择性切换，如双向功率转换器的上述描述中的两个方面中所描述。 [0036] 根据另一个方面，该控制单元的(一个或多个)控制器在接通状态和关断状态之间选择性地切换第二级的功率转换开关S5‑S8，以在给定时刻处实现多个开关状态SS1‑SS4之一，使得跨第二级的电容器C1和C2可用的DC电压Vdc在双向转换器的隔离式DC‑DC转换器的中间级的次级绕组处被转换成高频AC电压V2ac。高频AC电压V2ac是多电平AC电压。 [0037] 因此，该控制单元选择性地触发功率转换开关S5‑S8，以在用于将高频AC电压V2ac转换成DC电压Vdc的功率转换模式或用于将DC电压Vdc转换成高频AC电压V2ac的功率逆变模式中操作双向转换器。 [0038] 此外，本文中公开了一种用于在电动车辆(EV)和电网之间传输功率的充电设备。该充电设备包括上述控制单元、由控制单元控制的上述双向功率转换器、电网侧模块和车辆侧模块。 [0039] 电网侧模块能够例如在双向功率转换器的功率转换模式中分别从电网(例如AC电网或DC电网)和/或能量存储系统接收AC电压Vacgrid或DC电压Vdcgrid。电网侧模块还能够例如在双向功率转换器的功率逆变模式中向电网递送AC电压Vacgrid或DC电压Vdcgrid。 [0040] 车辆侧模块能够例如在双向功率转换器的功率转换模式中向连接到该充电设备的EV递送DC电压Vdc，并且例如在双向功率转换器的功率逆变模式中从连接到该充电设备的EV接收DC电压Vdc。 [0042] 此外，本文中公开了一种用于使用上述充电设备在电动车辆(EV)和电网之间传输功率的方法。该方法包括检测EV到充电设备的车辆侧模块的物理连接，并且在功率转换模式或功率逆变模式中选择性地操作充电设备的双向功率转换器。 [0043] 该方法进一步包括经由充电设备的车辆侧模块向EV提供DC电压Vdc，以用于给电动车辆充电。 [0044] 根据一实施例，该方法例如基于车辆(诸如重型卡车或轻型机动车辆等)的品牌和类型来确定给EV充电所需的DC电压Vdc。 [0045] 根据一实施例，该方法接收来自操作充电设备的用户的输入，以用于选择操作模式，即功率转换模式或功率逆变模式。 [0046] 根据另一个实施例，该方法从充电设备获得由操作充电设备的用户选择的充电设备的预设操作模式。 [0047] 根据又一个实施例，该方法基于来自电网的电压供应的可用性来动态地选择操作模式，例如，如果电网没有供应所需的AC或DC电压，则该方法自动切换到将功率馈送到电网中的功率逆变模式，并且反之亦然。 [0048] 该方法通过在接通状态和关断状态之间选择性地切换第二级的功率转换开关S5‑S8以在给定时刻处实现多个开关状态SS1‑SS4之一，从而在功率转换模式中选择性地操作充电设备的双向功率转换器以呈现高电压模式或低电压模式。该方法基于第二级的构造——即，功率转换开关S5‑S8相对于彼此之间以及电容器C1和C2与功率转换开关S5‑S8之间的连接拓扑——来执行该选择性切换，如双向功率转换器的上述描述中的两个方面中所描述。 [0050] 下文参考附图中所示的图示实施例进一步描述了本发明，在附图中：图1A图示了根据现有技术的在电动车辆(EV)的充电中采用的DC充电器的框图； 图1B图示了根据现有技术的图1A中所示的DC充电器的功率转换器的电路图； 图2A图示了根据本公开的实施例的充电设备的框图； 图2B图示了根据本公开的实施例的双向功率转换器的框图； 图2C图示了根据本公开的实施例的图2B中所示的隔离式DC‑DC转换器的第一级的电路图； 图2D图示了根据本公开的实施例的图2B中所示的隔离式DC‑DC转换器的中间级的电路图； 图2E‑2F图示了根据本公开的各种实施例的图2B中所示的隔离式DC‑DC转换器的第二级的电路图； 图3A‑3D图示了根据本公开的实施例的在图2B中所示的双向功率转换器的各种开关状态期间经过图2E中所示的第二级的电路图的电流； 图4A‑4C图示了根据本公开的实施例的用于生成2V2的输出DC电压Vdc的经过图2E中所示的第二级的电路图的电流； 图5A‑5D图示了根据本公开的实施例的用于生成V2的输出DC电压Vdc的经过图2E中所示的第二级的电路图的电流； 图6图示了根据本公开的实施例的用于使用图2B中所示的双向功率转换器以及隔离式DC‑DC转换器的图2E中所示的第二级在电动车辆和电网之间传输功率的方法的过程流程图。 [0051] 参考附图描述了各种实施例，其中相同的附图标记始终用于指代相同的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了众多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的透彻理解。可以显然的是，这种实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。 [0052] 图2A图示了根据本公开的实施例的充电设备200的框图。充电设备200包括彼此电耦合的电网侧模块101、双向功率转换器102和车辆侧模块103，如图2A中所示。电网侧模块101具有来自三相AC电网101A的由101A表示的标示为Vacgrid的三相AC电压供应、以及电耦合到三相AC电压供应/电网101A的保护单元101B。电网侧模块101充当双向功率转换器102和电网之间的接口，该接口用于从电网接收AC电压Vacgrid以及向电网递送AC电压Vacgrid。 [0053] 双向功率转换器102具有彼此电耦合的输入滤波器102A、三相AC至DC转换器102B(诸如三相脉宽调制(PWM)转换器)、以及隔离式DC‑DC转换器102C。车辆侧模块103是能够从EV 106接收DC电压Vdc以及向EV 106递送DC电压Vdc的保护单元。充电设备200还包括控制器模块104，也称为控制模块104或控制单元104，控制器模块104具有一个或多个控制器104A、104B。控制器模块104与双向功率转换器102电耦合，以用于控制三相脉宽调制(PWM)转换器102B和隔离式DC‑DC转换器102C。 [0054] 充电设备200还可以包括软件模块105，软件模块105具有用户接口105A，诸如人机接口(HMI)，用户接口105A与通信控制器模块105B电耦合，通信控制器模块105B又与便携式电子设备105C(诸如蜂窝电话)、云通信网络105D和/或智能电网105E通信。通信控制器模块105B还与EV 106通信。 [0055] 图2B图示了根据本公开的实施例的双向功率转换器102的框图。双向功率转换器102从电网侧模块101接收三相AC输入Vacgrid，该三相AC输入Vacgrid然后被提供给双向功率转换器102的三相AC至DC转换器102B，该三相AC至DC转换器102B生成DC电压V1，该DC电压V1又作为输入被提供给隔离式DC‑DC转换模块102C。 [0056] 隔离式DC‑DC转换器102C包括第一级201，第一级201能够将DC电压V1转换成幅度V1的高频AC电压V1ac，并且反之亦然。隔离式DC‑DC转换器102C包括第二级202。第二级202能够在功率转换模式中运作，将幅度V2的高频AC电压V2ac转换成幅度V2或2V2的DC电压Vdc。这两个级201和202通过中间级203耦合，中间级203在它们之间提供高频隔离。中间级203包括连接在第一级201和第二级202之间的具有V1:V2匝数比的高频变压器。 [0057] 图2C图示了根据本公开的实施例的图2B中所示的隔离式DC‑DC转换器102C的第一级201的电路图。第一级包括电耦合到中间级203的四个功率转换开关S1‑S4，使得第一功率转换开关S1的第二端子连接到第二功率转换开关S2的第一端子和中间级203的高频变压器的初级绕组A'‑B'的第一端部A'。第一功率转换开关S1的第一端子连接到第三功率转换开关S3的第一端子。第二功率转换开关S2的第二端子连接到第四功率转换开关S4的第二端子。第三功率转换开关S3的第二端子连接到第四功率转换开关S4的第一端子和初级绕组A'‑B'的第二端部B'。 [0058] 如图2C中所示，当处于关断状态时，功率转换开关S1‑S4中的每一个阻断跨功率转换开关S1‑S4中的每一个的第一端子和第二端子施加的正DC电压。 [0059] 图2D图示了根据本公开的实施例的图2B中所示的隔离式DC‑DC转换器102C的中间级203的电路图。中间级203包括连接在第一级201和第二级202之间的高频变压器203A。高频变压器203A具有初级绕组A'‑B'和次级绕组A‑B，它们之间具有V1:V2的匝数比。 [0060] 图2E‑2F图示了根据本公开的各种实施例的图2B中所示的隔离式DC‑DC转换器102C的第二级202的电路图。第二级202包括四个功率转换开关S5‑S8和两个或更多个电容器C1、C2，它们跨中间级203的高频变压器203A的次级绕组A‑B被布置。 [0061] 如图2E和2F中所示，第二级202包括四个功率转换开关S5‑S8和两个或更多个电容器C1、C2。电容器C1和C2在它们之间具有公共节点C。功率转换开关中的两个S6和S8串联连接在公共节点C与第二级202的DC极之一之间。这两个功率转换开关S6和S8在它们之间具有中点，该中点连接到高频变压器203A的次级绕组A‑B的端部之一B。 [0062] 根据图2E中所示的实施例，第一功率转换开关S5的第二端子连接到第三功率转换开关S7的第一端子和次级绕组A‑B的第一端部A。第一功率转换开关S5的第一端子连接到第一电容器C1的正端子。第三功率转换开关S7的第二端子连接到第四功率转换开关S8的第二端子和第二电容器C2的负端子，其中第一电容器C1的负端子和第二电容器C2的正端子彼此连接并且连接到第二功率转换开关S6的第一端子。第二功率转换开关S6的第二端子连接到第四功率转换开关S8的第一端子和次级绕组A‑B的第二端部B。 [0063] 根据图2F中所示的实施例，第一功率转换开关S5的第二端子连接到第三功率转换开关S7的第一端子和次级绕组A‑B的第一端部A。第一功率转换开关S5的第一端子连接到第二功率转换开关S6的第一端子和第二电容器C2的正端子。第三功率转换开关S7的第二端子连接到第一电容器C1的负端子，其中第一电容器C1的正端子和第二电容器C2的负端子彼此连接并且连接到第四功率转换开关S8的第二端子。第二功率转换开关S6的第二端子连接到第四功率转换开关S8的第一端子和次级绕组A‑B的第二端部B。 [0064] DC输出电压Vdc跨电容器C1和C2出现，其对应于跨次级绕组A‑B出现的AC电压Vac2，并且反之亦然，这是基于图2B中所示的功率转换器200是在功率转换模式中还是在功率逆变模式中操作。 [0065] 图3A‑3D图示了根据本公开的实施例的分别在图2B中所示的双向功率转换器102的各种开关状态SS1、SS2、SS3和SS4期间经过图2E中所示的第二级202的电路图的电流。 [0066] 如图3A中所示，在SS1期间，开关S5和S6处于接通状态，而S7和S8处于关断状态，并且高频AC电压V2ac处于正电压电平。 [0067] 如图3B中所示，在SS2期间，开关S6和S7处于接通状态，而S5和S8处于关断状态，并且高频AC电压V2ac处于负电压电平。 [0068] 如图3C中所示，在SS3期间，开关S7和S8处于接通状态，而S5和S6处于关断状态，并且高频AC电压V2ac处于零电压电平。 [0069] 如图3D中所示，在SS4期间，开关S5和S8处于接通状态，而S7和S6处于关断状态，并且高频AC电压V2ac处于正电压电平。 [0070] 转换器的输出Vdc是跨电容器C1和C2出现的电压之和。电容器C1和C2两者都放电到电动车辆EV 106的电池中。因此，为了维持输出电压Vdc，这些电容器C1和C2在开关状态SS1到SS4之一期间被供应有有功功率。电容器C1和C2的充电和放电对应于所应用的相应开关状态SS1‑SS4，如表2中所示，其中1或0分别象征开关接通和开关关断。 [0071] 状态 V2ac S5 S6 S7 S8 C1状态 C2状态SS1 +V2 1 1 0 0 充电 放电 SS2 ‑V2 0 1 1 0 放电 充电 SS3 0 0 0 1 1 放电 放电 SS4 +V2 1 0 0 1 充电 充电 。 表2 [0072] 在电压选择开关S11关断的情况下双向功率转换器102的开关表在下面的表2中示出，其中：图4A‑4C图示了根据本公开的实施例的用于生成2V2的输出DC电压Vdc的经过图2E中所示的第二级202的电路图的电流。 [0073] 因此，图4A‑4C图示了高电压模式，其中生成输出电压Vdc＝2V2。为了实现该高电压，开关状态SS1‑SS4被选择用于双向功率转换器102的操作，使得电容器C1和C2中的每一个被充电到相等的电压。 [0074] 如图4A中所示，在高频AC电压V2ac的正电平处，开关状态SS1被选择。这将电容器C1充电到电压V2，同时电容器C2继续放电。 [0075] 如图4B中所示，在高频AC电压V2ac的负电平处，开关状态SS2被选择。这将电容器C2充电到电压V2，同时电容器C1继续放电。 [0076] 如图4C中所示，在高频AC电压V2ac的零电平处，开关状态SS3被选择。在这里，电容器C1和C2两者都继续放电。 [0077] 在高频AC电压V2ac的正电平和负电平针对相等的时间量而出现时，电容器C1、C2两者被对称地充电和放电达相同的持续时间。因此，输出电容器C1和C2中的每一个被充电到等于高频输入电压V2ac的幅度V2的两倍的电压。因此，输出DC电压Vdc是高频输入电压V2ac的幅度V2的两倍，从而在高电压模式中操作双向功率转换器102。 [0078] 在该高电压操作模式中，双向功率转换器102的开关表在下面的表3中示出，其中：值1和0分别象征开关接通和开关关断； VAB是表示高频AC电压V2ac的在节点A和B之间的电压；以及 Vdc是由双向功率转换器102生成的DC电压。 [0079]V2ac SS S5 S6 S7 S8 Vdc +V2 SS1 1 1 0 0 +2V2 ‑V2 SS2 0 1 1 0 +2V2 0 SS3 0 0 1 1 +2V2 。 表3 [0080] 类似地，当处于功率逆变操作模式时，图2B中所示的双向功率转换器102可以被采用作为三电平逆变器，其中DC电压Vdc被转换成三电平AC电压V2ac。对应于2V2的DC电压Vdc的所获得的三个电压电平是+V2、0和‑V2。类似地，对应于V2的DC电压Vdc的所获得的三个电压电平是+0.5V2、0和‑0.5V2。这是例如通过在下面表4中所示的开关模式中操作如图2E中所示的功率转换开关S5、S6、S7和S8来实现的，其中1和0分别象征接通状态和关断状态。 [0081] Vdc S5 S6 S7 S8 Vac+2V2 1 1 0 0 +V2 +2V2 0 0 1 1 0 +2V2 0 1 1 0 ‑V2 。 表4 [0082] 图5A‑5D图示了根据本公开的实施例的用于生成V2的输出DC电压Vdc的经过图2E中所示的第二级202的电路图的电流。 [0083] 因此，图5A‑5D图示了双向功率转换器102的低电压模式，其中生成了输出电压Vdc＝V2。为了实现该低电压，开关状态SS1‑SS4被选择用于双向功率转换器102的操作，使得电容器C1和C2之一被充电到等于高频AC电压V2ac的幅度V2的电压，而另一个电容器被维持在零电压处。 [0084] 如图5A和5B中所示，在高频AC电压V2ac的正电平处，开关状态SS1或SS4中任一个被选择。如果SS4被选择(如图5A中所示)，则它导致对电容器C1和C2两者充电。如果SS1被选择(如图5B中所示)，则它导致对电容器C1充电，而电容器C2继续放电。 [0085] 如图5C中所示，在高频AC电压V2ac的零电平处，开关状态SS3被选择。在这里，两个电容器C1、C2都继续放电。 [0086] 如图5D中所示，在高频AC电压V2ac的负电平处，开关状态SS2被选择。这对电容器C2进行充电，同时电容器C1继续放电。 [0087] 在正电平和负电平针对相等的时间量而出现时，如果开关状态SS4在高频AC电压V2ac的正电压电平期间被选择，则电容器C2被充电的时间段高于电容器C1。因此，跨C1的电压继续下降。为了避免跨电容器的负电压，开关状态SS1被选择，从而对C1充电并且维持其电压为零。这导致了对电容器的非对称充电，使得电容器C2被充电到等于高频AC电压V2ac的幅度的电压，而另一个电容器C1被维持在零电压处。因此，输出电压等于高频AC电压V2ac的幅度V2。 [0088] 在该低电压操作模式中，双向功率转换器102的开关表在下面的表5中示出，其中：值1和0分别象征开关接通和开关关断； VAB是表示高频AC电压V2ac的在节点A和B之间的电压；以及 Vdc是由双向功率转换器102生成的DC电压。 [0089]V2ac SS S5 S6 S7 S8 Vdc +V2 SS4 1 0 0 1 +V2 +V2 SS1 1 1 0 0 +V2 ‑V2 SS2 0 1 1 0 +V2 0 SS3 0 0 1 1 +V2 。 表5 [0090] 类似于图3A‑3D，根据本公开的另一个实施例，对应于图2F中所示的第二级202的开关状态如下面的表6中所示：状态 V2ac S5 S6 S7 S8 C1状态 C2状态 SS1 +V2 1 0 0 1 放电 充电 SS2 ‑V2 0 0 1 1 充电 放电 SS3 0 1 1 0 0 放电 放电 SS4 ‑V2 0 1 1 0 充电 充电 。 表6 [0091] 而且，类似于图4A‑4C，根据本公开的另一个实施例，用于生成2V2的输出DC电压Vdc的对应于图2F中所示的第二级202的开关状态如下面的表7中所示：V2ac SS S5 S6 S7 S8 Vdc +V2 SS1 1 0 0 1 +2V2 ‑V2 SS2 0 0 1 1 +2V2 0 SS3 1 1 0 0 +2V2 。 表7 [0092] 而且，类似于图5A‑5D，根据本发明的另一个实施例，用于生成V2的输出DC电压Vdc的对应于图2F中所示的第二级202的开关状态如下面的表8中所示：V2ac SS S5 S6 S7 S8 Vdc +V2 SS1 1 0 0 1 +V2 ‑V2 SS2 0 0 1 1 +V2 ‑V2 SS4 0 1 1 0 +V2 0 SS3 1 1 0 0 +V2 。 表8 [0093] 图6图示了根据本公开的实施例的用于使用图2B中所示的双向功率转换器102以及隔离式DC‑DC转换器102C的图2E中所示的第二级202在图2A中所示的电动车辆(EV)106和电网101A之间传输功率的方法600的过程流程图。本文中公开的方法600采用图2A中所示的充电设备200。 [0094] 在步骤601，该方法检测EV 106到充电设备200的车辆侧模块103的物理连接。 [0095] 在步骤602，该方法通过经由充电设备200的人机接口接收关于操作模式的用户输入来确定是否选择双向功率转换器102的功率转换操作模式，即，双向功率转换器102在其中操作的功率转换模式或功率逆变模式。双向功率转换器102的功率转换模式包括将从电网101A接收到的AC电压Vacgrid转换成具有幅度V2或2V2的DC电压Vdc。双向功率转换器102的功率逆变模式包括将具有幅度V2或2V2的DC电压Vdc转换成AC电压Vac，该AC电压Vac被馈送回到电网101A中。 [0096] 在步骤603，当用户选择功率转换模式时，该方法确定连接到充电设备200的EV 106的电压要求。 [0097] 如果电压要求是针对重型EV 106的，即高电压要求，则方法在步骤604确定高频AC电压的幅度V2是否处于零电平。如果是，则方法在步骤605选择开关状态SS3以用于操作双向功率转换器102的隔离式DC‑DC功率转换器102C的第二级202。如果否，则在步骤606，该方法确定幅度V2处于负电平。如果是，则该方法在步骤607选择开关状态SS2以用于操作第二级202。如果否，则在步骤608，该方法选择开关状态SS1以用于操作第二缀202。 [0098] 如果电压要求不是针对重型EV 106的，即低电压要求，则该方法重复步骤604至607。然而，如果幅度V2既不处于零电平，也不处于负电平，则在步骤609，该方法确定跨电容器C1或C2之一的电压是否大于0。该方法基于第二级202的构造来选择电容器C1或C2以测量跨其两端的电压。例如，如果第二级202如图2E中所示，则该方法确定跨电容器C1的电压Vc1，否则，如果第二级202如图2F中所示，则该方法确定跨电容器C2的电压Vc2。如果电压Vc1或Vc2大于0，则在步骤610，该方法选择开关状态SS4以用于操作第二级202，否则在步骤 611，该方法选择开关状态SS1以用于操作第二级202。 [0099] 在步骤612，该方法经由充电设备200的车辆侧模块103将跨第二级202所生成的DC输出电压Vdc施加到EV 106。 [0100] 在步骤602，如果确定要由用户选择功率逆变操作模式，则在步骤613，该方法在功率逆变模式中操作双向功率转换器102，其中从EV 106接收DC电压Vdc，并且将其转换成多电平AC电压V2ac，该多电平AC电压V2ac具有3个电平，例如对应于2V2的DC电压Vdc的‑V2、0和+V2、以及对应于V2的DC电压Vdc的‑0.5V2、0和+0.5V2。该方法进一步将该多电平AC电压V2ac提供给双向功率转换器102的中间级203，该多电平AC电压V2ac被中间级203的高频变压器203A进一步转换成高频AC电压V1ac，该高频AC电压V1ac又被双向功率转换器102的第一级201转换成DC电压V1，该DC电压V1可以被直接馈送到DC电网或能量存储系统，或者被转换成AC电压Vac并被馈送回到AC电网101A。 |
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