能够进行双向电力传输的充电器的制作方法

1.本发明总的来说涉及一种能够进行双向电力传输的充电器，更具体涉及以下这种能够进行双向电力传输的充电器，其被配置成将从车辆外的外部源提供的交流(ac)电转换为直流(dc)电以对车内电池充电，并从车内电池向车外输出直流电。


背景技术：

2.一般来说，电动车辆或插电式混合动力车辆包括被配置成利用从外部源供应的电力进行充电的电池，该车辆具有将外部交流(ac)电转换为直流(dc)电以对电池充电的车载充电器(obc)。
3.最近，随着诸如智能电网等各种电源管理技术的提出，人们正在研究将车辆用作储能装置，将储存在车内电池中的电力提供给电网或其他装置的方法。
4.在相关现有技术中，作为允许车辆向外部提供储存在电池中的电力的方法，人们提出一种制造能够进行双向电力传输的车载充电器的技术。在电池充电模式下，能够进行双向电力传输的相关现有技术的充电器，将外部ac电转换为dc电，并将dc电提供给电池，以便对电池进行充电。在电池用作储能装置的模式下，现有技术的充电器将储存在电池中的dc电转换为ac电，从而将ac电输出到外部。
5.如上所述，由于现有技术中的能够进行双向电力传输的的充电器将储存在电池中的dc电转换为ac电，并将ac电提供给车辆外部，因此存在的缺点在于，现有技术的充电器不能在不单独将dc电转换为ac电的情况下将dc电提供给使用dc电进行操作的装置或外部电池。
6.上述内容仅旨在帮助理解本发明的背景，并且不旨在意味着本发明落入本领域技术人员已经知道的相关技术的范围内。


技术实现要素：

7.因此，本发明牢记相关现有技术中出现的上述问题而提出，并且本发明旨在提出一种能够进行双向电力传输的充电器，该充电器被配置成将从外部源提供给车辆的交流(ac)电转换为直流(dc)电以对车内电池进行充电，并从车内电池向车辆外部输出dc电。
8.根据一个方面，提供一种能够进行双向电力传输的充电器，包括：功率因数补偿电路，被配置成将多相ac电压转换为dc电压，并包括多个电感器和多个开关元件；dc链路电容器，由功率因数补偿电路转换的dc电压被施加到dc链路电容器；双向dc转换器，被配置成在dc链路电容器和电池之间双向转换电压的大小；以及控制器，被配置成：在dc电源模式下，控制双向dc转换器转换电池的电压的大小，以将电池的电压施加到dc链路电容器，并控制多个开关元件通过转换dc链路电容器的dc电压的大小来生成dc电源电压，并通过输入多相ac电压的端子输出dc电源电压。
9.功率因数补偿电路包括：多个输入/输出端子，多相ac电压通过输入/输出端子中的每一个而被输入或者dc电源电压通过通过输入/输出端子中的每一个而被输出；多个电
感器，其一端分别连接到多个输入/输出端子中的相应一个；以及桥接电路，包括并联连接到dc链路电容器的多个支路，多个支路中的每一个包括在多个开关元件中串联连接的两个开关元件，其中，在多个支路中连接开关元件的节点，分别连接到多个电感器的另一端。
10.在dc电源模式下，控制器被配置成控制开关元件，以通过转换dc链路电容器的dc电压的大小，将dc链路电容器的dc电压施加到多个输入/输出端子；并且在对电池进行充电的电池充电模式下，控制器被配置成控制开关元件，以将施加到多个输入/输出端子的ac电压转换为dc电压，并将dc电压施加到dc链路电容器。
11.功率因数补偿电路进一步包括连接到多个电感器中的一个电感器的两端的旁路开关，以选择性地形成旁路开关所连接的电感器的旁路路径。
12.在dc电源模式下，控制器被配置成控制旁路开关处于短路状态，控制在连接到旁路开关所连接的电感器的支路的开关元件中、连接到dc链路电容器的高电位端子的一个开关元件保持在断开状态，并且控制在连接到旁路开关所连接的电感器的支路的开关元件中、连接到dc链路电容器的低电位端子的另一个开关元件保持在短路状态。
13.功率因数补偿电路进一步包括附加开关，其被配置成选择性地确定多个输入/输出端子中的两个输入/输出端子之间的电连接状态。
14.在dc电源模式下，控制器被配置成控制附加开关处于短路状态，并且以相同的占空比对多个支路中的一个支路中、通过多个电感器中的相应电感器连接到附加开关的一端的开关元件，以及多个支路中的一个支路中、通过多个电感器中的相应电感器连接到附加开关的另一端的开关元件执行pwm控制。
15.在dc电源模式下，控制器被配置成控制附加开关处于断开状态，并且以不同的占空比对多个支路中的一个支路中、通过多个电感器中的相应电感器连接到附加开关的一端的开关元件，以及多个支路中的一个支路中、通过多个电感器中的相应电感器连接到附加开关的另一端的开关元件执行pwm控制。
16.根据另一方面，提供一种能够进行双向电力传输的充电器，包括：功率因数补偿电路，其包括：第一输入/输出端子；第一电感器，其一端连接到第一输入/输出端子；第二输入/输出端子；第二电感器，其一端连接到第二输入/输出端子；第三输入/输出端子；第三电感器，其一端连接到第三输入/输出端子；以及桥接电路，其包括第一支路、第二支路和第三支路，第一支路包括共同连接到第一电感器的另一端的两个开关元件，第二支路并联连接到第一支路并包括共同连接到第二电感器的另一端的两个开关元件，第三支路并联连接到第一支路并包括共同连接到第三电感器的另一端的两个开关元件。充电器可包括：并联连接到第一支路的dc链路电容器；双向dc转换器，被配置成双向转换dc链路电容器和电池之间的电压的大小；以及控制器。在dc电源模式下，控制器可被配置成控制双向dc转换器以转换电池的电压的大小以将电池的电压施加到dc链路电容器，并控制第一支路至第三支路的开关元件以转换要输出到第一输入/输出端子至第三输入/输出端子的dc链路电容器的dc电压的大小。
17.功率因数补偿电路进一步包括连接到第三电感器的两端的旁路开关，以选择性地形成第三电感器的旁路路径。
18.在dc电源模式下，控制器被配置成控制旁路开关处于短路状态，控制在第三支路的开关元件中、连接到dc链路电容器的高电位端子的一个开关元件保持在断开状态，并且
控制在第三支路的开关元件中、连接到dc链路电容器的低电位端子的另一个开关元件保持在短路状态。
19.功率因数补偿电路进一步包括附加开关，其被配置成选择性地确定第一输入/输出端子和第二输入/输出端子之间的电连接状态。
20.在dc电源模式下，控制器被配置成控制附加开关处于短路状态，并且以相同的占空比对第一支路中的开关元件和第二支路中的开关元件执行pwm控制。
21.在dc电源模式下，控制器被配置成控制附加开关处于断开状态，并且以不同的占空比对第一支路中的开关元件和第二支路中的开关元件执行pwm控制。
22.如上所述的能够进行双向电力传输的充电器可以向dc负载提供电源电压，而无需添加或改变硬件。
23.此外，能够进行双向电力传输的充电器可以通过使用充电器中的双向dc转换器提高或降低电池的电压来调整所提供电压的大小，从而输出宽范围的dc电源电压。
24.此外，当电池的荷电状态充足时，能够进行双向电力传输的充电器可以输出dc电压，而与电池的电压无关。因此，充电器不受电池本身电压的影响。
25.本领域技术人员应理解，本发明实现的效果并不限于上述那些效果，并且从下面的详细描述中可以清楚地理解本发明的其他优点。
附图说明
26.本发明的上述和其他目标、特征和其他优点在结合附图时将从以下详细描述中更清楚地理解，在附图中：
27.图1是示出根据本发明实施例的能够进行双向电力传输的充电器的电路图；以及
28.图2是示出根据本发明实施例的能够进行双向电力传输的充电器的控制方法的流程图。
具体实施方式
29.在下文中，将参考附图详细描述根据本发明实施例的能够进行双向电力传输的充电器。
30.图1示出了根据本发明实施例的能够进行双向电力传输的充电器的电路图。
31.参考图1，根据本发明实施例，能够进行双向电力传输的充电器可以包括：功率因数补偿电路100，其能够进行双向电力传输；直流(dc)转换器200，其能够进行双向电力传输；以及控制器400，其控制功率因数补偿电路100和dc转换器200。
32.功率因数补偿电路100可包括：第一至第三输入/输出端子t11、t12和t13，通过这些端子，从车外的外部源提供的ac充电电力被输入以对电池300进行充电，或者从电池300向车辆外部输出dc电以供应负载电力；多个电感器l1、l2和l3，每个电感器的一端连接到第一至第三输入/输出端子t11、t12和t13中的相应一个；以及连接到电感器l1、l2和l3的另一端的全桥电路10。
33.功率因数补偿电路100中的全桥电路10可包括彼此并联连接的多个支路11、12和13。多个支路11、12和13分别包括串联连接的两个开关元件q11和q12、串联连接的两个开关元件q13和q14，以及串联连接的两个开关元件q15和q16。
34.多个支路11、12和13中的每一个的两个开关元件在节点处彼此连接，多个电感器l1、l2和l3中的相应一个的另一端可以连接到该节点。
35.此外，功率因数补偿电路100可进一步包括第一开关sw1，其被配置成使连接到多个支路11、12和13中的两个支路11和12的电感器l1和l2的一端，即第一输入/输出端子t11和第二输入/输出端子t12短路或电断开。第一开关sw1可以是使第一输入/输出端子t11和第二输入/输出端子t12成为电气公共节点的开关。
36.此外，功率因数补偿电路100可进一步包括第二开关sw2，其被配置成使连接到第一开关sw1未连接的剩余支路的电感器l3的两端短路或电断开。开关sw2可以是向电感器l3提供旁路路径的旁路开关。
37.其中形成dc链路电压的电容器cdc可以连接到功率因数补偿电路100中的桥接电路的多个支路11、12和13中的每一个的两端。
38.在电池充电模式的情况下(其中向第一输入/输出端子至第三输入/输出端子t11、t12和t13施加三相ac电以对电池300进行充电)，功率因数补偿电路100可以通过补偿分别从对应于相位的输入/输出端子t11、t12和t13输入的ac充电电力的功率因数，向dc链路电容器cdc提供ac充电电力，从而在dc链路电容器cdc的两端上感应ac链路电压。
39.参考对应于单相(例如对应于电感器l1的相位)的电路连接结构，连接到电感器l1和电感器l1与dc链路电容器cdc之间的点的开关元件q11的反向二极管，以及连接到电感器l1与开关元件q11的连接节点与dc链路电容器cdc的另一端的开关元件q12，在电池300的方向上执行供电时形成了升压转换器的拓扑结构。
40.如上所述，每个相位的电路连接结构形成基于本领域众所周知的升压转换器拓扑结构的功率因数补偿电路。对开关元件q11至q16的适当开关控制使得可以在dc链路电容器cdc中形成dc链路电压，同时改善电池充电模式下输入ac充电电力的功率因数。
41.此外，在dc电源模式下(其中dc供电电力被供应给连接到第一至第三输入/输出端子t11、t12和t13中的至少一些的dc负载)，功率因数补偿电路100可以通过降低dc链路电压来向连接到第一输入/输出端子至第三输入/输出端子t11、t12和t13的dc负载供应dc供电电力。
42.参考对应于单相(例如对应于电感器l1的相位)的电路连接结构，连接到电感器l1和dc链路电容器cdc的开关元件q11、连接到电感器l1和开关元件q11的连接节点与dc链路电容器cdc的另一端的开关元件q12的反向二极管，以及电感器l1，当在第一输入/输出端子至第三输入/输出端子t11、t12和t13的方向上进行供电时，形成降压转换器的拓扑结构。
43.当通过使用连接到第一至第三输入/输出端子t11、t12和t13中的至少一个的电路实现降压转换器，将dc电源电压的高电压施加到对应的输入/输出端子，并且使用连接到对应的输入/输出端子的电路的开关元件，将dc电源电压的低电压施加到其余输入/输出端子t11、t12和t13中的至少一个时，可以通过应用本发明涉及的技术领域的降压转换器控制方法，来生成具有预期大小的电源电压。
44.dc转换器200可以转换dc链路电容器cdc和电池300之间的双向dc电压的大小。在充电模式下，dc转换器200可通过将在dc链路电容器cdc中形成的dc电压转换为可对电池300进行充电的大小，将该dc电压施加到电池300。此外，在dc供电模式下，dc转换器200可以通过转换电压的大小，将电池300的电压施加到dc链路电容器cdc。
45.图1中示出的双向dc-dc转换器200可以包括两个桥接电路20和40，以及设置在两个桥接电路20和40之间的变压器30。
46.来自双向dc-dc转换器200的桥接电路，直接连接到系统或负载即连接到功率因数补偿电路100的桥接电路20，可以包括以并联关系连接到dc电容器cdc的两端的多个支路21、22和23。支路21、22和23中的每一个可以包括彼此串联连接的两个开关元件。也就是说，支路21可以包括串联连接的两个开关元件q21和q22，支路22可以包括串联连接的两个开关元件q23和q24，并且支路23可以包括串联连接的两个开关元件q25和q26。
47.设置在变压器30的第一侧上的多个线圈31，可以连接到支路21、22和23中的每一个的开关元件的连接节点。
48.在本发明的实施例中，与双向dc-dc转换器200的变压器30的第一线圈31连接的桥接电路20，可被配置成具有三个支路21、22和23，以便生成具有三个不同相位的ac电压，或者通过对具有三个不同相位的ac电压进行整流生成dc电压。
49.因此，在双向dc-dc转换器中，连接到变压器30的第二线圈32的桥接电路40也可以包括三个支路41、42和43，每个支路包括两个开关元件。
50.在双向dc-dc转换器200的桥接电路中，直接连接到电池300的桥接电路40可以包括以并联关系连接到电池300两端的多个支路41、42和43。支路41、42和43中的每一个可以包括串联连接的两个开关元件。也就是说，支路41可以包括串联连接的两个开关元件q31和q32，支路42可以包括串联连接的两个开关元件q33和q34，而支路43可以包括串联连接的两个开关元件q35和q36。
51.设置在变压器30的第二侧上的多个线圈31，可以连接到包含在支路41、42和43中的每一个中的开关元件的连接节点。
52.在本发明的实施例中，与双向dc-dc转换器200的变压器30的第二线圈32连接的桥接电路40被配置成具有三个支路41、42和43，以便通过对具有三个不同相位的ac电压进行整流来生成dc电压，或生成具有三个不同相位的ac电压。
53.包含在桥接电路20和桥接电路40中的开关元件的开关状态可以通过脉冲宽度调制(pwm)控制来控制。可以执行将ac电压转换为dc电压或者将dc电压转换为ac电压的双向ac-dc转换。
54.例如，在电池充电模式下(其中电池300通过从系统向电池300提供电力输入而被充电)，包含在桥接电路20中的开关元件执行dc-ac转换，以将施加到dc电容器cdc的dc电压转换为ac电压，而包含在桥接电路40中的开关元件执行ac-dc转换，以将从变压器30的第二线圈32提供的ac电压转换为可对电池300进行充电的dc电压。
55.此外，在dc供电模式下(其中通过将电池300的dc电转换为ac电来生成dc电)，包含在桥接电路40中的开关元件执行dc-ac转换，以将电池100的dc电压转换为ac电压，而包含在桥接电路20中的开关元件执行ac-dc转换，以将从变压器30的第一线圈32提供的ac电压转换为dc电压，并将dc电压提供给dc电容器cdc。
56.为了在具有至少三个支路的桥接电路20和40之间进行电力传输，变压器30可以实施为多相变压器，其中第一线圈31是三个线圈，并且第二线圈32是三个线圈，以便彼此之间进行电磁感应。多个第一线圈31可以形成y型连接或三角(δ)连接，而多个第二线圈32可以形成y型连接或三角(δ)连接。
57.图1中示出的双向dc-dc转换器200是llc转换器的示例，其中包括电容器和电感器的谐振电路被添加到变压器30的第一侧。然而，本发明不限于图1中示出的llc转换器结构，并且可使用变压器来实现绝缘，例如没有谐振电路的移相转换器结构或cllc转换器结构(其中包括电容器和电感器的谐振电路被添加到变压器30的第二侧)。各种公知的转换器拓扑结构(各自包括能够通过开关元件的切换来生成具有多个相位的相位电压的桥接电路)可用于本发明。
58.电池300是储存电能的部件，用于向由电能驱动的环保型车辆(诸如电动车辆)中的车辆驱动电机提供高压dc电。电池300的两端可以连接到双向充电器的电池侧输入/输出端子t21和t22。电池300可以利用通过上述功率因数补偿电路100和dc-dc转换器200提供的充电电力进行充电。
59.此外，储存在电池300中的dc电可以通过dc-dc转换器200和功率因数补偿电路100转换为具有预定大小的dc供电电力，然后提供给dc负载。也就是说，电池300可以是通过能够双向供电的充电电路向负载供电的电源。
60.上述的开关sw1和sw2以及开关元件q11至q16、q21至q26、q31至q36可以由控制器400控制。控制器400可接收从上层控制器输入的充电器的操作模式，并控制开关sw1和sw2以及开关元件q11至q16、q21至q26以及q31至q36以符合输入模式。
61.在下文中，将参考图2更详细地描述控制器400的控制方法。
62.图2是示出根据本发明实施例的能够进行双向电力传输的充电器的控制方法的流程图。
63.参考图2，根据本发明实施例的能够进行双向电力传输的充电器的控制方法可以从步骤s11开始，即由控制器400接收充电器操作模式的预设信息并确定双向充电器的操作模式。
64.当双向充电器的操作模式被确定为电池充电模式时，控制器400可在步骤s21中控制功率因数补偿电路100中的第一开关sw1和第二开关sw2。
65.在示例中，当三相ac电被输入到第一至第三输入/输出端子t11、t12和t13时，控制器400可以打开第一开关sw1和第二开关sw2两者，以便使用输入到输入/输出端子的所有ac电在dc链路电容器cdc中形成dc电压。
66.在另一个示例中，当仅使用第一至第三输入/输出端子t11、t12和t13中的两个输入/输出端子输入单相ac电时，可以仅断开第一开关sw1并使第二开关sw3短路，以便可以通过第一输入/输出端子t11和第二输入/输出端子t12中的一个并通过第三输入/输出端子t13提供单相输入。
67.之后，在步骤s22中，控制器400可以通过对功率因数补偿电路100中的桥接电路10的开关元件q11至q16执行pwm控制，来改善输入到第一至第三输入/输出端子t11、t12和t13的ac电的功率因数并在dc链路电容器cdc中形成dc电压。
68.随后，在步骤s23中，控制器400可以通过控制双向dc转换器200中的开关元件q21至q26、q31至q36，将在dc链路电容器cdc中形成的dc电压的大小转换为电池300可以被充电的大小，使得该dc电压可以作为电池充电电压被施加到电池侧输入/输出端子t21和t22。
69.在步骤s22和步骤s23中对开关元件q11至q16、q21至q26以及q31至q36的控制，可以通过本发明涉及的技术领域中已知的功率因数补偿电路的典型控制方法或dc转换器的
典型控制方法来执行，因此将省略对开关元件的详细控制方法的描述。
70.此外，当在步骤s11中确定双向充电器的操作模式为dc电源模式时，控制器400可以在步骤s31中控制功率因数补偿电路100中的第一开关sw1和第二开关sw2。
71.在示例中，控制器400可以控制第二开关sw2处于短路状态，以便将第三输入/输出端子用作对应于dc电压的低电压的端子。
72.此外，控制器400可以控制第一开关sw1处于短路状态，从而使具有相同大小的dc电压被提供给第一输入/输出端子t11和第二输入/输出端子t12。
73.在另一个示例中，控制器400可以控制第一开关sw1处于断开状态，从而使具有不同大小的dc电压被提供给第一输入/输出端子t11和第二输入/输出端子t12。
74.控制器400可以根据第一开关sw1的状态，控制桥接电路10中控制开关元件q11至q14的pwm控制的开关占空比。
75.之后，在步骤s32中，控制器400可以确定包含在单支路13中的开关元件q15和q16的状态，在桥接电路10中的开关元件q11至q16中，dc电压的低电位被施加到开关元件q15和q16。
76.更具体地说，控制器400可以控制包含在支路13中的开关元件中、连接到dc链路电容器cdc的高电位端子的上部开关元件q15持续保持在断开状态，而包含在支路13中的开关元件中、连接到dc链路电容器cdc的低电位端子的下部开关元件q16持续保持在短路状态。
77.由于该控制，第三输入/输出端子t13可以被短路到dc链路电容器cdc的低电位端子，并且第三输入/输出端子t13的电位可以是与施加到外部dc负载的dc电压的低电位相同的参考电位，即dc链路电容器cdc的低电位。
78.随后，在步骤s33中，控制器400可以通过以pwm方式对双向dc转换器200中的开关元件q21至q26和q31至q36执行开关控制来转换电池300的电压大小，从而将电压施加到dc链路电容器cdc。由于步骤s33，dc电压可被施加到dc链路电容器cdc。
79.在步骤s33中，由双向dc转换器200施加到dc链路电容器cdc的电压的最大大小可以由dc链路电容器cdc的内部电压确定，并且至少大于提供给外部的dc电源电压。
80.随后，在步骤s34中，控制器400可以通过对功率因数补偿电路100中的桥接电路10的开关元件q11至q16执行pwm控制来转换在dc链路电容器cdc中形成的dc电压的大小，以将转换的dc电压提供给第一至第三输入/输出端子t11至t13，从而向外部dc负载供电。
81.在示例中，当第一开关sw1在步骤s31中处于短路状态时，控制器400可以对支路11的开关元件和支路12的开关元件以相同的占空比执行pwm控制，从而向第一输入/输出端子t11和第二输入/输出端子t12施加相同的dc电压。在这种情况下，第一输入/输出端子t11和第二输入/输出端子t12中只有一个可以连接到单个外部dc负载，或者第一输入/输出端子t11和第二输入/输出端子t12可以分别连接到不同的dc负载。
82.在另一个示例中，当第一开关sw1在步骤s31中处于断开状态时，控制器400可以在不同的占空比下对支路11的开关元件和支路12的开关元件执行pwm控制，从而对第一输入/输出端子t11和第二输入/输出端子t12施加不同的dc电压。在这种情况下，使用具有不同大小的电源电压的dc负载可以分别连接到第一输入/输出端子t11和第二输入/输出端子t12。
83.控制器400可以包括处理器或微处理器。可选地，控制器400还可以包括存储器。控制器400的上述操作/功能可以体现为存储在其存储器上的计算机可读代码/算法/软件，该
存储器可以包括非暂时性计算机可读记录介质。非暂时性计算机可读记录介质是可存储数据的任何数据存储装置，该数据此后可由处理器或微处理器读取。计算机可读记录介质的示例包括硬盘驱动器(hdd)、固态驱动器(ssd)、硅盘驱动器(sdd)、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘、光学数据存储装置，等等。处理器或微处理器可以通过执行存储在非暂时性计算机可读记录介质上的计算机可读代码/算法/软件，来执行控制器400的上述操作/功能。
84.如上所述，根据本发明各种实施例的能够进行双向电力传输的充电器可以向dc负载提供电源电压，而无需添加或改变硬件。
85.此外，根据本发明的各种实施例的能够进行双向电力传输的充电器可以通过利用充电器中的双向dc转换器提高或降低电池的电压来调整所提供电压的大小，从而输出宽范围的dc电源电压。
86.此外，当电池的充电状态充足时，根据本发明各种实施例的能够进行双向电力传输的充电器可与电池的电压无关地输出dc电压。因此，充电器不受电池本身电压的影响。
87.尽管已描述并示出了本发明的具体实施例，但本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求中公开的本发明的技术精神的情况下，还可以进行各种变更和修改。