高频隔离串联谐振多电平双向充电装置的制作方法

本发明涉及一种用于连接电网和电池组并实现双向电能流动的高频隔离串联谐振多电平双向充电装置。

背景技术：

随着全球石化能源的日益紧张，迫切需要可再生清洁能源。以新能源储能、电动汽车、混合动力汽车为代表的新能源应用技术得到蓬勃发展和广泛关注。如近年来得到广泛关注的v2g(vehicle-to-grid)系统，该系统可以实现电动汽车和电网的接口。v2g系统的效率、重量、体积、谐波等直接影响整个充放电系统。

目前，对于电动汽车的充电机的dc-dc变换器采用双有源h桥，实现了电动汽车电池和电网的隔离。但高频隔离dc-dc变换器采用硬开关来实现，导致其开关损耗比较大。另外，对于电动汽车的充电机中的dc-ac逆变器通常采用二电平电压型逆变器，与多电平相比，具有电力电子器件电压应力大、逆变器输出电压波形总谐波畸变率大、电磁干扰大、损耗大等不足。同时，传统的单相高频隔离ac-dc变换器广泛应用于电动汽车充电和不间断电源等系统中，实现能量的双向流动。如申请号为201110167515.7的发明专利《一种电动汽车车载双向充电机》中的一种电动汽车车载双向充电机，包括：ac/dc变换器、dc/dc变换器、微处理器控制电路及滤波电路。该专利中高频隔离的dc/dc变换器采用双有源h桥。但该专利的高频隔离的dc/dc变换器没有实现零电压关断，从而导致变换器效率低。再如申请号为201310199098.3的发明专利《一种双向充电装置和系统》中发明了一种双向充电装置和系统，实现能量的双向流动。该专利的dc-dc变换器没有实现高频隔离，dc-ac逆变器为二电平电压型逆变器，导致系统的效率低。因此，高效率隔离dc-dc和dc-ac逆变器拓扑结构的选择成为电动汽车充电系统和新能源储能系统的关键环节。而现有技术中并没有兼顾各方面性能的拓扑结构。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有效率高、逆变性能好、可靠性和灵活性高的高频隔离串联谐振多电平双向充电装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高频隔离串联谐振多电平双向充电装置，用于连接电网和电池组并实现双向电能流动，所述高频隔离串联谐振多电平双向充电装置包括双向直流变换器和t型三电平三相逆变器；

所述双向直流变换器包括两个双有源h桥串联谐振dc-dc变换器，两个所述双有源h桥串联谐振dc-dc变换器串联或并联后形成所述双向直流变换器的两个直流侧，所述双向直流变换器的一个所述直流侧与所述电池组相连接，所述双向直流变换器的另一个所述直流侧与所述t型三电平三相逆变器的直流侧相连接，所述t型三电平三相逆变器的交流侧与所述电网相连接。

优选的，每个所述双有源h桥串联谐振dc-dc变换器具有第一dc侧和第二dc侧，所述第一dc侧具有第一正端子和第一负端子，所述第二dc侧具有第二正端子和第二负端子；

两个所述双有源h桥串联谐振dc-dc变换器分别为第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器和第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器，

当两个所述双有源h桥串联谐振dc-dc变换器串联时，所述第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一负端子和所述第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一正端子相连接，所述第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一正端子与所述电池组的正极相连接，所述第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一负端子与所述电池组的负极相连接；所述第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二负端子和所述第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二正端子相连接，所述第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二正端子与所述t型三电平三相逆变器的直流侧正极相连接，所述第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二负端子与所述t型三电平三相逆变器的直流侧负极相连接；

当两个所述双有源h桥串联谐振dc-dc变换器并联时，所述第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一正端子和所述第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一正端子相连接并连接至所述电池组的正极，所述第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一负端子和所述第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一负端子相连接并连接至所述电池组的负极；所述第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二负端子和所述第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二正端子相连接，所述第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二正端子与所述t型三电平三相逆变器的直流侧正极相连接，所述第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二负端子与所述t型三电平三相逆变器的直流侧负极相连接。

优选的，所述双有源h桥串联谐振dc-dc变换器包括第一h桥电路、与所述第一h桥电路相连接的串联谐振电感、与所述第一h桥电路相连接的串联谐振电容、与所述串联谐振电感和所述串联谐振电相连接的变压器以及与所述变压器相连接的第二h桥电路。

优选的，所述第一h桥电路包括电力电子开关管s1、电力电子开关管s2、电力电子开关管s3、电力电子开关管s4；

所述电力电子开关管s1的一端和所述电力电子开关管s2的一端相连接而构成所述第一h桥电路的一条桥臂，所述电力电子开关管s3的一端和所述电力电子开关管s4的一端相连接而构成所述第一h桥电路的另一条桥臂，所述电力电子开关管s1的另一端与所述电力电子开关管s3的另一端相连接而形成所述双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一正端子；所述电力电子开关管s1和所述电力电子开关管s2的共同端与所述串联谐振电感的一端相连接，所述电力电子开关管s3和所述电力电子开关管s4的共同端与所述串联谐振电容的一端相连接，所述串联谐振电感的另一端、所述串联谐振电容的另一端分别与所述变压器的原边的两端相连接；

所述第二h桥电路包括电力电子开关管s5、电力电子开关管s6、电力电子开关管s7、电力电子开关管s8；

所述电力电子开关管s5的一端与所述电力电子开关管s6的一端相连接而构成所述第二h桥电路的一条桥臂，所述电力电子开关管s7的一端与所述电力电子开关管s8的一端相连接而构成所述第二h桥电路的另一条桥臂，所述电力电子开关管s5与所述电力电子开关管s6的共同端、所述电力电子开关管s7与所述电力电子开关管s8的共同端分别与所述变压器的副边的两端相连接；所述电力电子开关管s5的另一端与所述电力电子开关管s7的另一端相连接而形成所述双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二正端子，所述电力电子开关管s6的另一端与所述电力电子开关管s8的另一端相连接而构成所述双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二负端子。

优选的，所述电力电子开关管s1、所述电力电子开关管s2、所述电力电子开关管s3、所述电力电子开关管s4、所述电力电子开关管s5、所述电力电子开关管s6、所述电力电子开关管s7、所述电力电子开关管s8均为高频金属氧化物半导体场效应晶体管；

所述电力电子开关管s1的源极与所述电力电子开关管s2的漏极相连接，所述电力电子开关管s3的源极与所述电力电子开关管s4的漏极相连接，所述电力电子开关管s1的漏极与所述电力电子开关管s3的漏极相连接，所述电力电子开关管s2的源极与所述电力电子开关管s4的源极相连接；

所述电力电子开关管s5的源极与所述电力电子开关管s6的漏极相连接，所述电力电子开关管s7的源极与所述电力电子开关管s8的漏极相连接，所述电力电子开关管s5的漏极与所述电力电子开关管s7的漏极相连接，所述电力电子开关管s6的源极与所述电力电子开关管s8的源极相连接。

优选的，所述电力电子开关管s1、所述电力电子开关管s2、所述电力电子开关管s3、所述电力电子开关管s4、所述电力电子开关管s5、所述电力电子开关管s6、所述电力电子开关管s7、所述电力电子开关管s8均在源极和漏极之间并联有二极管。

优选的，所述t型三电平三相逆变器包括电力电子开关管sa1、电力电子开关管sa2、电力电子开关管sa3、电力电子开关管sa4、电力电子开关管sb1、电力电子开关管sb2、电力电子开关管sb3、电力电子开关管sb4、电力电子开关管sc1、电力电子开关管sc2、电力电子开关管sc3、电力电子开关管sc4；

所述电力电子开关管sa1的一端与所述电力电子开关管sa4的一端相连接，所述电力电子开关管sb1的一端与所述电力电子开关管sb4的一端相连接，所述电力电子开关管sc1的一端与所述电力电子开关管sc4的一端相连接，所述电力电子开关管sa1的另一端、所述电力电子开关管sb1的另一端、所述电力电子开关管sc1的另一端相连接而构成所述t型三电平三相逆变器的直流侧正极，所述电力电子开关管sa4的另一端、所述电力电子开关管sb4的另一端、所述电力电子开关管sc4的另一端相连接而构成所述t型三电平三相逆变器的直流侧负极；

所述电力电子开关管sa2的一端与所述电力电子开关管sa3的一端相连接，所述电力电子开关管sb2的一端与所述电力电子开关管sb3的一端相连接，所述电力电子开关管sc2的一端与所述电力电子开关管sc3的一端相连接，所述电力电子开关管sa2的另一端、所述电力电子开关管sb2的另一端、所述电力电子开关管sc2的另一端相连接并连接至所述t型三电平三相逆变器的直流侧中性点，所述电力电子开关管sa3的另一端与所述电力电子开关管sa1和所述电力电子开关管sa4的共同端相连接，所述电力电子开关管sb3的另一端与所述电力电子开关管sb1和所述电力电子开关管sb4的共同端相连接，所述电力电子开关管sc3的另一端与所述电力电子开关管sc1和所述电力电子开关管sc4的共同端相连接，所述电力电子开关管sa1和所述电力电子开关管sa4的共同端、所述电力电子开关管sb1和所述电力电子开关管sb4的共同端、所述电力电子开关管sc1和所述电力电子开关管sc4的共同端共同构成所述t型三电平三相逆变器的交流侧。

优选的，所述电力电子开关管sa1、所述电力电子开关管sa2、所述电力电子开关管sa3、所述电力电子开关管sa4、所述电力电子开关管sb1、所述电力电子开关管sb2、所述电力电子开关管sb3、所述电力电子开关管sb4、所述电力电子开关管sc1、所述电力电子开关管sc2、所述电力电子开关管sc3、所述电力电子开关管sc4均为绝缘栅双极型晶体管；

所述电力电子开关管sa1的源极与所述电力电子开关管sa4的漏极相连接，所述电力电子开关管sb1的源极与所述电力电子开关管sb4的漏极相连接，所述电力电子开关管sc1的源极与所述电力电子开关管sc4的漏极相连接，所述电力电子开关管sa1的漏极、所述电力电子开关管sb1的漏极、所述电力电子开关管sc1的漏极相连接，所述电力电子开关管sa4的源极、所述电力电子开关管sb4的源极、所述电力电子开关管sc4的源极相连接；

所述电力电子开关管sa2的源极与所述电力电子开关管sa3的源极相连接，所述电力电子开关管sb2的源极与所述电力电子开关管sb3的源极相连接，所述电力电子开关管sc2的源极与所述电力电子开关管sc3的源极相连接，所述电力电子开关管sa2的漏极、所述电力电子开关管sb2的漏极、所述电力电子开关管sc2的漏极相连接，所述电力电子开关管sa3的漏极与所述电力电子开关管sa1的源极，所述电力电子开关管sb3的漏极与所述电力电子开关管sb1的源极相连接，所述电力电子开关管sc3的漏极与所述电力电子开关管sc1的源极相连接。

优选的，所述电力电子开关管sa1、所述电力电子开关管sa2、所述电力电子开关管sa3、所述电力电子开关管sa4、所述电力电子开关管sb1、所述电力电子开关管sb2、所述电力电子开关管sb3、所述电力电子开关管sb4、所述电力电子开关管sc1、所述电力电子开关管sc2、所述电力电子开关管sc3、所述电力电子开关管sc4均在源极和漏极之间并联有二极管。

优选的，所述t型三电平三相逆变器的交流侧经滤波电感而与所述电网相连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的拓扑结构能够实现软开关技术，从而提高dc-dc变换器的效率，并通过输出电压三电平技术提高了逆变器性能，其可以根据电压范围灵活选择连接形式，提高了系统可靠性和灵活性，具有很好的应用前景。

附图说明

附图1为本发明的实施例一的高频隔离串联谐振多电平双向充电装置的系统结构图。

附图2为本发明的实施例二的高频隔离串联谐振多电平双向充电装置的系统结构图。

附图3为本发明的高频隔离串联谐振多电平双向充电装置中双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的电路图。

附图4为本发明的高频隔离串联谐振多电平双向充电装置中t型三电平三相逆变器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图1所示，一种用于连接电网和电池组并实现双向电能流动的高频隔离串联谐振多电平双向充电装置，包括双向直流变换器和t型三电平三相逆变器。t型三电平三相逆变器的交流侧三端分别经滤波电感l而与电网相连接。本实施例中电池组工作在高压范围（如400-700v）。

双向直流变换器包括两个双有源h桥串联谐振dc-dc变换器，分别为第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器和第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器。两个双有源h桥串联谐振dc-dc变换器串联后形成双向直流变换器的两个直流侧。双向直流变换器的一个直流侧与电池组相连接，双向直流变换器的另一个直流侧与t型三电平三相逆变器的直流侧相连接。而t型三电平三相逆变器的交流侧与电网相连接。

具体的，每个双有源h桥串联谐振dc-dc变换器均具有第一dc侧和第二dc侧，第一dc侧具有第一正端子p1、p2和第一负端子n1、n2，第二dc侧具有第二正端子p3、p4和第二负端子n3、n4。则第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一负端子n1和第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一正端子p2相连接，第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一正端子p1与电池组的正极相连接，第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一负端子n2与电池组的负极相连接。第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二负端子n3和第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二正端子p4相连接，第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二正端子p3与t型三电平三相逆变器的直流侧正极p相连接，第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二负端子n4与t型三电平三相逆变器的直流侧负极n相连接。

实施例二：如附图2所示，当电池组工作在低压范围（如200-400v）时，高频隔离串联谐振多电平双向充电装置的双向直流变换器中，两个双有源h桥串联谐振dc-dc变换器并联后形成双向直流变换器的两个直流侧。第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一正端子p1和第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一正端子p2相连接并连接至电池组的正极，第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一负端子n1和第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一负端子n2相连接并连接至电池组的负极。第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二负端子n3和第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二正端子p4相连接，第一双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二正端子p3与t型三电平三相逆变器的直流侧正极p相连接，第二双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二负端子n4与t型三电平三相逆变器的直流侧负极n相连接。

如附图3所示，以上两个实施例中的双有源h桥串联谐振dc-dc变换器包括第一h桥电路、与第一h桥电路相连接的串联谐振电感lr、与第一h桥电路相连接的串联谐振电容cr、与串联谐振电感和串联谐振电相连接的变压器tr以及与变压器tr相连接的第二h桥电路。双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的输入电容为cin，输出滤波电容为co。

第一h桥电路包括电力电子开关管s1、电力电子开关管s2、电力电子开关管s3、电力电子开关管s4。电力电子开关管s1的一端和电力电子开关管s2的一端相连接而构成第一h桥电路的一条桥臂，电力电子开关管s3的一端和电力电子开关管s4的一端相连接而构成第一h桥电路的另一条桥臂，电力电子开关管s1的另一端与电力电子开关管s3的另一端相连接而形成双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第一正端子；电力电子开关管s1和电力电子开关管s2的共同端与串联谐振电感lr的一端相连接，电力电子开关管s3和电力电子开关管s4的共同端与串联谐振电容cr的一端相连接，串联谐振电感lr的另一端、串联谐振电容cr的另一端分别与变压器tr的原边的两端相连接。具体包括电力电子开关管s1的源极与电力电子开关管s2的漏极相连接，电力电子开关管s3的源极与电力电子开关管s4的漏极相连接，电力电子开关管s1的漏极与电力电子开关管s3的漏极相连接，电力电子开关管s2的源极与电力电子开关管s4的源极相连接。

第二h桥电路包括电力电子开关管s5、电力电子开关管s6、电力电子开关管s7、电力电子开关管s8。电力电子开关管s5的一端与电力电子开关管s6的一端相连接而构成第二h桥电路的一条桥臂，电力电子开关管s7的一端与电力电子开关管s8的一端相连接而构成第二h桥电路的另一条桥臂，电力电子开关管s5与电力电子开关管s6的共同端、电力电子开关管s7与电力电子开关管s8的共同端分别与变压器tr的副边的两端相连接；电力电子开关管s5的另一端与电力电子开关管s7的另一端相连接而形成双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二正端子，电力电子开关管s6的另一端与电力电子开关管s8的另一端相连接而构成双有源h桥串联谐振dc-dc变换器的第二负端子。具体包括电力电子开关管s5的源极与电力电子开关管s6的漏极相连接，电力电子开关管s7的源极与电力电子开关管s8的漏极相连接，电力电子开关管s5的漏极与电力电子开关管s7的漏极相连接，电力电子开关管s6的源极与电力电子开关管s8的源极相连接。

电力电子开关管s1、电力电子开关管s2、电力电子开关管s3、电力电子开关管s4、电力电子开关管s5、电力电子开关管s6、电力电子开关管s7、电力电子开关管s8均为高频金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor,mosfet），且电力电子开关管s1、电力电子开关管s2、电力电子开关管s3、电力电子开关管s4、电力电子开关管s5、电力电子开关管s6、电力电子开关管s7、电力电子开关管s8均在源极和漏极之间并联有二极管。通过控制电力电子开关管s1、电力电子开关管s2、电力电子开关管s3、电力电子开关管s4、电力电子开关管s5、电力电子开关管s6、电力电子开关管s7、电力电子开关管s8可以实现dc-dc的变换和串联谐振软开关技术。

如附图4所示，t型三电平三相逆变器包括电力电子开关管sa1、电力电子开关管sa2、电力电子开关管sa3、电力电子开关管sa4、电力电子开关管sb1、电力电子开关管sb2、电力电子开关管sb3、电力电子开关管sb4、电力电子开关管sc1、电力电子开关管sc2、电力电子开关管sc3、电力电子开关管sc4。

电力电子开关管sa1的一端与电力电子开关管sa4的一端相连接，电力电子开关管sb1的一端与电力电子开关管sb4的一端相连接，电力电子开关管sc1的一端与电力电子开关管sc4的一端相连接，电力电子开关管sa1的另一端、电力电子开关管sb1的另一端、电力电子开关管sc1的另一端相连接而构成t型三电平三相逆变器的直流侧正极p，电力电子开关管sa4的另一端、电力电子开关管sb4的另一端、电力电子开关管sc4的另一端相连接而构成t型三电平三相逆变器的直流侧负极n。电力电子开关管sa2的一端与电力电子开关管sa3的一端相连接，电力电子开关管sb2的一端与电力电子开关管sb3的一端相连接，电力电子开关管sc2的一端与电力电子开关管sc3的一端相连接，电力电子开关管sa2的另一端、电力电子开关管sb2的另一端、电力电子开关管sc2的另一端相连接并连接至t型三电平三相逆变器的直流侧中性点o，电力电子开关管sa3的另一端与电力电子开关管sa1和电力电子开关管sa4的共同端相连接形成一个交流端子a，电力电子开关管sb3的另一端与电力电子开关管sb1和电力电子开关管sb4的共同端相连接形成一个交流端子b，电力电子开关管sc3的另一端与电力电子开关管sc1和电力电子开关管sc4的共同端相连接形成一个交流端子c。电力电子开关管sa1和电力电子开关管sa4的共同端、电力电子开关管sb1和电力电子开关管sb4的共同端、电力电子开关管sc1和电力电子开关管sc4的共同端，即交流端子a、交流端子b、交流端子c共同构成t型三电平三相逆变器的交流侧。具体包括电力电子开关管sa1的源极与电力电子开关管sa4的漏极相连接，电力电子开关管sb1的源极与电力电子开关管sb4的漏极相连接，电力电子开关管sc1的源极与电力电子开关管sc4的漏极相连接，电力电子开关管sa1的漏极、电力电子开关管sb1的漏极、电力电子开关管sc1的漏极相连接，电力电子开关管sa4的源极、电力电子开关管sb4的源极、电力电子开关管sc4的源极相连接。电力电子开关管sa2的源极与电力电子开关管sa3的源极相连接，电力电子开关管sb2的源极与电力电子开关管sb3的源极相连接，电力电子开关管sc2的源极与电力电子开关管sc3的源极相连接，电力电子开关管sa2的漏极、电力电子开关管sb2的漏极、电力电子开关管sc2的漏极相连接，电力电子开关管sa3的漏极与电力电子开关管sa1的源极，电力电子开关管sb3的漏极与电力电子开关管sb1的源极相连接，电力电子开关管sc3的漏极与电力电子开关管sc1的源极相连接。

电力电子开关管sa1、电力电子开关管sa2、电力电子开关管sa3、电力电子开关管sa4、电力电子开关管sb1、电力电子开关管sb2、电力电子开关管sb3、电力电子开关管sb4、电力电子开关管sc1、电力电子开关管sc2、电力电子开关管sc3、电力电子开关管sc4均为绝缘栅双极型晶体管（insulatedgatebipolartransistor,igbt），且电力电子开关管sa1、电力电子开关管sa2、电力电子开关管sa3、电力电子开关管sa4、电力电子开关管sb1、电力电子开关管sb2、电力电子开关管sb3、电力电子开关管sb4、电力电子开关管sc1、电力电子开关管sc2、电力电子开关管sc3、电力电子开关管sc4均在源极和漏极之间并联有二极管。

上述拓扑结构实现dc-dc变换器的高频隔离和串联谐振软开关技术，大大提高了dc-dc变换器的效率；另外，该拓扑结构的dc-ac逆变器实现了输出电压三电平，提高了逆变器的性能；最后，该发明拓扑结构可以根据电池组的电压范围，可以进行灵活的串或并联，提高了系统的可靠性和灵活性。因此，该拓扑结构的在新能源储能系统（如电动汽车、光伏储能系统等）有很好的应用前景。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。