CN106410910A - 一种三电平双向充放电电路 - Google Patents

一种三电平双向充放电电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及充放电电路，尤其涉及三电平双向充放电电路。包括电网电压端；PWM整流器，PWM整流器包括第一输出端和第二输出端；第一母线电容和第二母线电容串接于第一输出端和第二输出端之间；以及第一充电支路，第二充电支路，第一放电支路，第二放电支路；于一充电或放电状态下，依据电池电压高于二分之一的母线电压或低于二分之一的母线电压，第一充电支路和第二充电支路可控制地导通以调节母线电压与电池电压的平衡；本发明可以通过控制电路可控制地调节充放电电路的导通，以调节母线电压与电池电压的平衡，从而移相控制正负母线电压差的方向，更重要的是可以降低单相输出纹波，实现电感电流倍频功能。

Description

一种三电平双向充放电电路
技术领域
本发明涉及一种充放电电路，尤其涉及一种三电平双向充放电电路。
背景技术
传统的两电平电路采用双PWM控制技术，由PWM整流器和逆变器组成，利用PWM整流器实现能量的双向流动。此外，通过多路并联并配合软件移相控制母线电压的方法，可以实现大电流低纹波输出电能。但是这种传统的两电平双向充放电电路相对于单相输出纹波还是比较大的，并且充放电电压调节范围相对比较小，不利于系统的稳定性。因此，本发明针对上述存在的问题，提出了一种三电平双向充放电电路。
发明内容
针对目前双向充放电电路存在的上述问题，本发明提供一种三电平双向充放电电路。
本发明解决技术问题所采用的技术方案为：
一电网电压端，用于提供母线电压；
一PWM整流器，连接于所述电网电压端和一电池电压端之间，可控制地对所述母线电压进行整流变换；所述PWM整流器包括一第一输出端和一第二输出端；一第一母线电容和一第二母线电容串联连接于所述第一输出端和所述第二输出端之间；
一第一充电支路，连接于一第一参考节点和所述第一输出端之间；
一第二充电支路，连接于一第二参考节点和所述第二输出端之间；
一第一放电支路，连接于所述第一参考节点和所述第一母线电容和第二母线电容的串联连接点之间；
一第二放电支路，连接于所述第二参考节点和所述串联连接点之间；
所述第一参考节点与所述电池电压端的正极相连接，所述第二参考节点与所述电池电压端的负极相连接；
于一充电状态下，依据所述电池电压高于二分之一的所述母线电压或低于二分之一的所述母线电压，所述第一充电支路和所述第二充电支路可控制地导通以调节母线电压与电池电压的平衡；
于一放电状态下，依据所述电池电压高于二分之一的所述母线电压或低于二分之一的所述母线电压，所述第一放电支路和所述第二放电支路可控制地导通以调节母线电压与电池电压的平衡。
优选地，所述第一充电支路和所述第二充电支路以相差二分之一周期交替导通，其中，
所述第一充电支路的导通时间为充电开通时间加上母线电压平衡调节时间；所述第二充电支路的导通时间为充电开通时间减去母线电压平衡调节时间。
优选地，所述第一放电支路和所述第二放电支路以相差二分之一周期交替导通，其中，
所述第一放电支路的导通时间为放电开通时间加上母线电压平衡调节时间；所述第二放电支路的导通时间为放电开通时间减去母线电压平衡调节时间。
优选地，所述第一充电支路包括一第一开关管，所述第一开关管的一端连接所述第一输出端，另一端连接所述第一参考节点；和/或
所述第二充电支路包括一第四开关管，所述第四开关管的一端连接所述第二参考节点，另一端连接所述第二输出端；和/或
所述第一放电支路包括一第二开关管，所述第二开关管的一端连接所述第一参考节点，另一端连接所述第一母线电容和第二母线电容的串联连接点；和/或
所述第二放电支路包括一第三开关管，所述第三开关管的一端连接所述第一母线电容和第二母线电容的串联连接点，另一端连接所述第二参考节点。
优选地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管均为绝缘栅双极型晶体管。
优选地，所述三电平双向充放电电路还包括：
一滤波电路，所述滤波电路的两个输入端分别与所述第一参考节点和所述第二参考节点连接，所述滤波电路的两个输出端连接于所述电池电压两端。
优选地，所述滤波电路包括：
一第一电感，连接于所述第一参考节点和一第三参考节点之间；
一第二电感，连接于所述第三参考节点和所述电池电压端之间；
一第一滤波电容，连接于所述第三参考节点和所述电池电压端之间。
优选地，所述三电平双向充放电电路还包括：
一空气开关，连接于所述电网电压端和所述PWM整流器之间，用于保护所述充放电电路。
优选地，通过与所述充放电电路连接的一控制电路可控地调节第一充电支路和/或第二充电支路和/或第一放电支路和/或第二放电支路的导通，以调节母线电压与电池电压的平衡。
本发明的有益效果：本发明采用三电平I型电路，不仅可以实现传统的两电平双向充放电电路的功能，也可以多路并联以180°的相位差控制两个母线电压差的方向，更重要的是可以降低单相输出纹波，实现电感电流倍频功能。在同样硬件基础下，可以大大提高充放电电压的范围，有着很高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种三电平双向充放电电路；
图2为本发明的充放电电路的充放电时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
由于是三电平电路，就一定存在母线电压不平衡的问题，本发明根据充放电电电路的正负母线电压差的方向来限幅调整三电平半桥的上管和下管的开通时间，以达到调整母线电压平衡的目的。
如图1所示的一种三电平双向充放电电路，包括：
一电网电压端，用于提供母线电压；
一PWM整流器，连接于电网电压端和一电池电压端之间，可控制地对母线电压进行整流变换；PWM整流器包括一第一输出端和一第二输出端；一第一母线电容和一第二母线电容串联连接于第一输出端和第二输出端之间；
一第一充电支路，连接于一第一参考节点和第一输出端之间；
一第二充电支路，连接于一第二参考节点和第二输出端之间；
一第一放电支路，连接于第一参考节点和第一母线电容和第二母线电容的串联连接点之间；
一第二放电支路，连接于第二参考节点和串联连接点之间；
第一参考节点与电池电压端的正极相连接，第二参考节点与电池电压端的负极相连接；
于一充电状态下，依据电池电压高于二分之一的母线电压或低于二分之一的母线电压，第一充电支路和第二充电支路可控制地导通以调节母线电压与电池电压的平衡；
于一放电状态下，依据电池电压高于二分之一的母线电压或低于二分之一的母线电压，第一放电支路和第二放电支路可控制地导通以调节母线电压与电池电压的平衡。
本发明的三电平双向充放电电路，在电网电压端后的PWM整流器PWM1的输出端Vo1和Vo2连接母线电容C1和C2，母线电容C1和C2串联连接。在母线电容C1和C2的两端连接四条充放电支路(G1，G2，G3，G4)，这四条充放电支路构成了三电平半桥。第一充电支路G1、第一放电支路G2、第二放电支路G3、第二充电支路G4依次顺序连接。从第一充电支路G1和第一放电支路G2之间引出第一参考节点Vr1连接至电池电压端B1的正极；从第二放电支路G3和第二充电支路G4之间引出第二参考节点Vr2连接至电池电压端B1的负极。该电路中的母线电压是指第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间的两个母线电容C1和C2S上的电压。
在充电过程中，当电池电压高于二分之一的母线电压或低于二分之一的母线电压时，第一充电支路G1和第二充电支路G4于不同时刻导通，而第一放电支路G2和第二放电支路G3截止。
在放电过程中，当电池电压高于二分之一的母线电压或低于二分之一的母线电压时，第一放电支路G2和第二放电支路G3于不同时刻导通，而第一充电电路G1和第二充电电路G4都截止。
本发明优选的实施方式，第一充电支路和第二充电支路以相差二分之一周期交替导通，其中，第一充电支路的导通时间为充电开通时间加上母线电压平衡调节时间；第二充电支路的导通时间为充电开通时间减去母线电压平衡调节时间。
具体地，第一充电支路和第二充电支路可以以相差二分之一的周期交替导通，也就是以25us(180度)的间隔轮流交替导通，可以参见图2中各支路的工作时序图。
本发明优选的实施方式，第一放电支路和第二放电支路以相差二分之一周期交替导通，其中，第一放电支路的导通时间为放电开通时间加上母线电压平衡调节时间；第二放电支路的导通时间为放电开通时间减去母线电压平衡调节时间。
本发明优选的实施方式，通过与充放电电路连接的一控制电路(图中未画出)可控地调节第一充电支路G1和/或第二充电支路G4和/或第一放电支路G2和/或第二放电支路G3的导通，以调节母线电压与电池电压的平衡。
图1中的三电平双向充放电电路有以下4个工作状态，具体如图2所示，图2中示出的是充放电电路的工作频率为20K时，两个充放电周期时的工作时序图。其中，阴影部分代表三电平电路工作过程中母线电压平衡调节时间。在充放电电路的工作过程中，必然有两个开关管导通。为了方便描述工作原理，将导通时位于三电平半桥上部的开关管称为上管，位于三电平半桥下部的开关管称为下管。需要说明的是，图2仅为其中一种调制方式的实施例，其它调制方式这里不再详述：
(一)充电状态1：电池电压端的电池电压低于二分之一的母线电压，开关管G1，G4移相25us(即180度)交替导通，根据母线电压平衡情况，实现对开关管G1，G4的开通时间做出限幅调节。因此，调节后的开关管G1的开通时间包括调节前的充电开通时间加上母线电压平衡调节时间。调节后的开关管G4的开通时间包括调节前的充电开通时间减去母线电压平衡调节时间。第二电感L2的电流倍频，开关管G1，G4导通区间不重叠，而开关管G2，G3关闭，从整体来看，三电平充放电电路工作在BUCK降压充电状态。
(二)充电状态2：电池电压端的电压高于二分之一的母线电压，开关管G1，G4移相25us(即180度)交替导通，根据母线电压平衡情况，实现对开关管G1，G4的开通时间做出限幅调节。因此，调节后的开关管G1的开通时间包括调节前的充电开通时间加上母线电压平衡调节时间。调节后的开关管G4的开通时间包括调节前的充电开通时间减去母线电压平衡调节时间。第二电感L2的电流倍频，开关管G1，G4的导通区间有部分重叠，而开关管G2，G3关闭，从整体来看，三电平充放电电路工作在BUCK降压充电状态。
(三)放电状态1：电池电压端的电压高于二分之一的母线电压，开关管G2，G3移相25us(即180度)交替导通，根据母线电压平衡情况，对开关管G2，G3的开通时间做出限幅调节。因此，调节后的开关管G2的开通时间包括调节前的放电开通时间加上母线电压平衡调节时间。调节后的开关管G3的开通时间包括调节前的放电开通时间减去母线电压平衡调节时间。第二电感L2电流倍频，开关管G2，G3导通区间不重叠，而开关管G1，G4关闭，从整体来看，三电平充放电电路工作在BOOST升压放电状态。
(四)放电状态2：电池电压端的电压低于二分之一的母线电压，开关管G2，G3移相25us(即180度)交替导通，根据母线电压平衡情况，对开关管G2，G3的开通时间做出限幅调节。因此，调节后的开关管G2的开通时间包括调节前的放电开通时间加上母线电压平衡调节时间。调节后的开关管G3的开通时间包括调节前的放电开通时间减去母线电压平衡调节时间。第二电感L2电流倍频，开关管G2，G3的导通区间有部分重叠，而开关管G1，G4关闭，从整体来看，三电平充放电电路工作在BOOST升压放电状态。
由此可以看出，本发明的三电平电路，无论在何种充电状态和放电状态，上管的开通时间都为充电或放电开通时间加上母线电压平衡调节时间，下管的开通时间都为充电或放电开通时间减去母线电压平衡调节时间。在实际工作过程中，将根据三电平母线电压的平衡情况做出动态的改变。
本发明优选的实施方式，第一充电支路包括一第一开关管G1，第一开关管G1的一端连接第一输出端Vo1，另一端连接第一参考节点Vr1；和/或
第二充电支路包括一第四开关管G4，第四开关管G4的一端连接第二参考节点Vr2，另一端连接第二输出端Vo2；和/或
第一放电支路包括一第二开关管G2，第二开关管G2的一端连接第一参考节点Vr1，另一端连接第一母线电容C1和第二母线电容C2的串联连接点；和/或
第二放电支路包括一第三开关管G3，第三开关管G3的一端连接第一母线电容C1和第二母线电容C2的串联连接点，另一端连接第二参考节点Vr2。
本发明优选的实施方式，第一开关管G1、第二开关管G2、第三开关管G3、第四开关管G4均为绝缘栅双极型晶体管。
本发明优选的实施方式，三电平双向充放电电路还包括：一滤波电路，滤波电路的两个输入端分别与第一参考节点Vr1和第二参考节点Vr2连接，滤波电路的两个输出端连接于电池电压端B1的两端。
本发明优选的实施方式，滤波电路包括：
一第一电感L1，连接于第一参考节点Vr1和一第三参考节点Vr3之间；
一第二电感L2，连接于第三参考节点Vr3和电池电压端B1之间；
一第一滤波电容C3，连接于第三参考节点Vr3和电池电压端B1之间。
第一电感L1连接于Vr1和Vr3之间，第二电感L2连接于Vr3和电池B1之间，第一滤波电容C3连接于第三参考节点Vr3和电池B1之间。
本发明优选的实施方式，三电平双向充放电电路还包括：一空气开关S1，连接于电网电压端和PWM整流器PWM1之间，用于保护充放电电路。
本发明采用三电平I型电路，可以实现传统的两电平双向充放电电路的功能，也可以通过控制电路可控制地调节充放电电路的导通，以调节母线电压与电池电压的平衡，从而移相控制正负母线电压差的方向，更重要的是可以降低单相输出纹波，实现电感电流倍频功能。在同样硬件基础下，可以大大提高充放电电压的范围，有着很高的工程应用价值。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种三电平双向充放电电路，其特征在于，包括：
一电网电压端，用于提供母线电压；
一PWM整流器，连接于所述电网电压端和一电池电压端之间，可控制地对所述母线电压进行整流变换；所述PWM整流器包括一第一输出端和一第二输出端；一第一母线电容和一第二母线电容串联连接于所述第一输出端和所述第二输出端之间；
一第一充电支路，连接于一第一参考节点和所述第一输出端之间；
一第二充电支路，连接于一第二参考节点和所述第二输出端之间；
一第一放电支路，连接于所述第一参考节点和所述第一母线电容和第二母线电容的串联连接点之间；
一第二放电支路，连接于所述第二参考节点和所述串联连接点之间；
所述第一参考节点与所述电池电压端的正极相连接，所述第二参考节点与所述电池电压端的负极相连接；
于一充电状态下，依据电池电压高于二分之一的所述母线电压或低于二分之一的所述母线电压，所述第一充电支路和所述第二充电支路可控制地导通以调节母线电压与电池电压的平衡；
于一放电状态下，依据电池电压高于二分之一的所述母线电压或低于二分之一的所述母线电压，所述第一放电支路和所述第二放电支路可控制地导通以调节母线电压与电池电压的平衡。
2.根据权利要求1所述的三电平双向充放电电路，其特征在于，所述第一充电支路和所述第二充电支路以相差二分之一周期交替导通，其中，
所述第一充电支路的导通时间为充电开通时间加上母线电压平衡调节时间；所述第二充电支路的导通时间为充电开通时间减去母线电压平衡调节时间。
3.根据权利要求1所述的三电平双向充放电电路，其特征在于，所述第一放电支路和所述第二放电支路以相差二分之一周期交替导通，其中，
所述第一放电支路的导通时间为放电开通时间加上母线电压平衡调节时间；所述第二放电支路的导通时间为放电开通时间减去母线电压平衡调节时间。
4.根据权利要求1所述的三电平双向充放电电路，其特征在于，
所述第一充电支路包括一第一开关管，所述第一开关管的一端连接所述第一输出端，另一端连接所述第一参考节点；和/或
所述第二充电支路包括一第四开关管，所述第四开关管的一端连接所述第二参考节点，另一端连接所述第二输出端；和/或
所述第一放电支路包括一第二开关管，所述第二开关管的一端连接所述第一参考节点，另一端连接所述第一母线电容和第二母线电容的串联连接点；和/或
所述第二放电支路包括一第三开关管，所述第三开关管的一端连接所述第一母线电容和第二母线电容的串联连接点，另一端连接所述第二参考节点。
5.根据权利要求4所述的三电平双向充放电电路，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管均为绝缘栅双极型晶体管。
6.根据权利要求1所述的三电平双向充放电电路，其特征在于，所述三电平双向充放电电路还包括：
一滤波电路，所述滤波电路的两个输入端分别与所述第一参考节点和所述第二参考节点连接，所述滤波电路的两个输出端连接于所述电池电压端的两端。
7.根据权利要求6所述的三电平双向充放电电路，其特征在于，
所述滤波电路包括：
一第一电感，连接于所述第一参考节点和一第三参考节点之间；
一第二电感，连接于所述第三参考节点和所述电池电压端之间；
一第一滤波电容，连接于所述第三参考节点和所述电池电压端之间。
8.根据权利要求1所述的三电平双向充放电电路，其特征在于，
所述三电平双向充放电电路还包括：
一空气开关，连接于所述电网电压端和所述PWM整流器之间，用于保护所述充放电电路。
9.根据权利要求1所述的三电平双向充放电电路，其特征在于，通过与所述充放电电路连接的一控制电路可控地调节第一充电支路和/或第二充电支路和/或第一放电支路和/或第二放电支路的导通，以调节母线电压与电池电压的平衡。
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