四电平快速直流充电系统拓扑

1.本发明涉及快速直流充电系统拓扑，尤其是涉及多种四电平快速直流充电系统拓扑。


背景技术：

2.之前受限于650v和750v硅基igbt的耐压能力，电动车动力系统普遍采用400v电气架构，然而与之相对应的400v充电基础设施存在充电速度慢的问题。为了解决这一问题，主流的技术研究方案是大功率直流快充，提高充电功率、缩短充电时间，主要实现方法有大电流直流快充和高电压直流快充。其中，特斯拉，作为大电流直流快充方案的代表企业，开发的大电流充电技术仅能够在10％～30％soc条件下实现对电池的最大功率充电，而在30％～90％soc条件下其最大充电功率骤减。另外，大电流直流快充过程发热量过大，对散热系统设计要求高，造成成本的增加，而且不能满足4c充电需求，充电速度慢。
3.如果要实现4c充电，800v高电压直流快充技术应运而生，这是目前更为主流且被多数车企接受的直流快充方案。同时，800v高电压直流快充方法要求整车端同步走向800v，因而800v整车端电气架构也应运而生，其整个电机、电控、车载充电机、辅助12v dc-dc电源、高压线束、动力电池都要升级到800v，即充电端和整车端共同走向800v。
4.随着800v高压车型的兴起，国内充电模块主流企业，包括优优绿能、华为、英飞源、永联等陆续发布了充电范围宽至1000v的充电模块，但其前级ac/dc整流器大多采用三电平变换技术，如vienna三相三电平整流器拓扑。然而，三电平变换技术无法满足人们对快速直流充电系统高转换效率和高功率密度性能指标的持续追求。


技术实现要素：

5.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
6.一种四电平快速直流充电系统拓扑，其特征在于，包括
7.前级ac/dc部分：采用四电平变换器，运行在开关频率，用于直流母线电压的闭环控制和三个串联母线电容的电压平衡控制；
8.后级dc-dc部分：为输入串联输出串并联组合型dc-dc变换器，用于输出电压和输出电流的闭环控制。
9.在上述的一种四电平快速直流充电系统拓扑中，前级为detroit整流器，后级为输入串联输出串联型dab变换器，所有开关管工作在开关频率，选用宽禁带器件。
10.在上述的一种四电平快速直流充电系统拓扑，前级为detroit整流器，后级为输入串联输出并联型dab变换器。所有开关管工作在开关频率，选用宽禁带器件
11.一种四电平快速直流充电系统拓扑，其特征在于，包括
12.前级ac/dc部分：采用四电平变换器，运行在基波频率，用于直流母线电压的闭环控制；
13.后级dc-dc部分：为输入串联输出串并联组合型dc-dc变换器，用于输出电压和输
出电流的闭环控制和输入侧三个串联母线电容的电压平衡控制。
14.在上述的一种四电平快速直流充电系统拓扑，前级为detroit整流器，后级为输入串联输出串联型dab变换器，detroit整流器中的开关管s
x1
'、s
x3
、s
x2
、s
x2
'工作在基波频率，所有二极管和开关管选用si器件；后级的所有开关管工作在开关频率，选用宽禁带器件，x为a、b、c三相。
15.在上述的一种四电平快速直流充电系统拓扑，前级为detroit整流器，后级为输入串联输出串联型dab变换器，detroit整流器中的开关管s
x1
'、s
x3
、s
x2
、s
x2
'工作在基波频率，所有二极管和开关管可选用si器件；后级为的所有开关管工作在开关频率，可选用宽禁带器件，x为a、b、c三相。
16.在上述的一种四电平快速直流充电系统拓扑，前级为detroit整流器，后级为输入串联输出串联型dab变换器，detroit整流器中的开关管s
x1
'、s
x3
、s
x2
、s
x2
'工作在基波频率，所有二极管和开关管可选用si器件；后级为输入串联矩阵型全桥变换器，所有开关管工作在开关频率，选用宽禁带器件，x为a、b、c三相。
17.因此，本发明具有如下优点：
18.1.“四电平整流器+串并联组合型dc-dc变换器”的快速直流充电桩系统，减小了dv/dt，降低了谐波畸变率，同时减小了开关损耗，有利于实现高功率密度和高转换效率性能指标。
19.2.单级式快速直流充电系统减小了直流母线电容体积，有利于进一步提升系统功率密度。
附图说明
20.图1为两级式快速直流充电系统架构；
21.图2为单向两级式快速直流充电系统拓扑结构1：
22.图3为双向两级式快速直流充电系统拓扑结构1；
23.图4为单向两级式快速直流充电系统拓扑结构2：
24.图5为双向两级式快速直流充电系统拓扑结构2；
25.图6为单级式快速直流充电系统架构；
26.图7为单向单级式快速直流充电系统拓扑结构1：
27.图8为双向单级式快速直流充电系统拓扑结构1：
28.图9为单向单级式快速直流充电系统拓扑结构2：
29.图10为双向单级式快速直流充电系统拓扑结构2：
30.图11为单向单级式快速直流充电系统拓扑结构3：
31.图12为双向单级式快速直流充电系统拓扑结构3：
具体实施方式
32.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
33.实施例：
34.本发明专利提出了如图1所示的两级式快速直流充电系统架构，其中前级ac/dc部分为四电平变换器，主要实现直流母线电压的闭环控制和三个串联母线电容的电压平衡控
制，而后级为输入串联输出串并联组合型dc-dc变换器，主要完成输出电压的闭环控制。需要说明的是，图1中的四电平变换器有多种选择，隔离型dc-dc变换器可为双有源桥(dab)变换器、llc变换器等。其中，前级电路以四电平detroit整流器拓扑为例，后级电路以dab电路拓扑为例，形成的电路拓扑列举如下：
35.1、提出如图2所示的单向两级式快速直流充电系统拓扑结构1，前级为detroit整流器，后级为输入串联输出串联型dab变换器，所有开关管工作在开关频率，可选用宽禁带器件。图3所示拓扑为双向两级式快速直流充电系统拓扑结构1。
36.2、提出如图4所示的单向两级式快速直流充电系统拓扑结构2，前级为detroit整流器，后级为输入串联输出并联型dab变换器。所有开关管工作在开关频率，可选用宽禁带器件。图5所示拓扑为双向两级式快速直流充电系统拓扑结构2。
37.另外，本发明专利提出了如图6所示的单级式快速直流充电系统架构，其中前级ac/dc部分为四电平变换器，主要实现直流母线电压的闭环控制，而后级为输入串联输出串并联组合型dc-dc变换器，主要完成输出电压的闭环控制和输入侧三个串联母线电容的电压平衡控制。需要说明的是，图6中的四电平变换器有多种选择，隔离型dc-dc变换器可为双有源桥(dab)变换器、llc变换器等。其中，前级电路以四电平detroit整流器拓扑为例，后级电路以dab电路拓扑为例，形成的电路拓扑列举如下：
38.1、提出如图7所示的单向单级式快速直流充电系统拓扑结构1，其中detroit整流器中的开关管s
x1
'、s
x3
、s
x2
、s
x2
'(x＝a、b、c)工作在基波频率，所有二极管和开关管可选用si器件；后级为输入串联输出串联型dab变换器，所有开关管工作在开关频率，可选用宽禁带器件。图8所示拓扑为双向单级式快速直流充电系统拓扑结构1。
39.2、提出如图9所示的单向单级式快速直流充电系统拓扑结构2，其中detroit整流器中的开关管s
x1
'、s
x3
、s
x2
、s
x2
'(x＝a、b、c)工作在基波频率，所有二极管和开关管可选用si器件；后级为输入串联输出串联型dab变换器，所有开关管工作在开关频率，可选用宽禁带器件。图10所示拓扑为双向单级式快速直流充电系统拓扑结构2。
40.3、提出如图11所示的单向单级式快速直流充电系统拓扑结构3，其中detroit整流器中的开关管s
x1
'、s
x3
、s
x2
、s
x2
'(x＝a、b、c)工作在基波频率，所有二极管和开关管可选用si器件；后级为输入串联矩阵型全桥变换器，所有开关管工作在开关频率，可选用宽禁带器件。图12所示拓扑为双向单级式快速直流充电系统拓扑结构3。
41.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。