CN112956105A

CN112956105A - 使用开关模式转换器进行单相充电的有源滤波器

Info

Publication number: CN112956105A
Application number: CN201980072458.9A
Authority: CN
Inventors: A·W·布朗; P·M·约翰逊
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-06-11
Also published as: EP3874577A1; WO2020089739A1

Abstract

提供了一种用于电连接到三相电网和单相电网的转换器。该转换器包括三个DAB模块，每个模块用于转换三相电网的相应交流电。当连接到单相电网时，第三DAB模块是双向的，使得其可操作以对第一和第二DAB模块的功率输出进行滤波。转换器进一步包括通过继电器与第三DAB模块电通信的滤波电容器，其中所述继电器响应于控制器，用于当检测到单相电网时将第三DAB模块耦合到滤波电容器，以及用于当检测到三相电网时将第三DAB模块耦合到电网整流器。

Description

使用开关模式转换器进行单相充电的有源滤波器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月2日提交的美国临时申请62/754,641的权益，该美国临时申请的公开内容通过引用以其整体并入。

技术领域

本发明涉及一种用于电动车辆车载充电器的使用双向开关模式转换器的有源滤波器。

背景技术

电动车辆包括为电动驱动系统供电的电池。插电式电动车辆是具有可以从电网再充电的可再充电电池组的一类电动车辆。因为大多数电网提供AC电压，并且因为大多数可再充电电池组需要DC电压，所以当给电动车辆再充电时，来自电网的电力必须首先转换成合适的DC电压。

存在用于将来自电网的AC电压转换成可再充电电池的DC电压的各种电路。一种已知的电路包括双有源桥（DAB）转换器。DAB转换器从前端整流器接收DC电压，并输出到DC链路电容器。在操作中，其DC输入由初级侧桥反相，并由次级侧桥整流。DAB转换器典型地由控制器操作，以根据电池充电要求调节DC输出的幅度。

电网作为三相电网或单相电网存在，经常在两者之间改变。虽然高功率充电比单相电网更理想地适合三相电网，但是后者可能是唯一可用的选项。因此，合期望的是具有可以支持这两种电网类型的车载充电器。特别地，合期望的是具有一种车载充电器，其在单相充电期间移除二阶谐波，以从单相电网提供纯DC输出。

发明内容

提供了一种车载充电器，其具有用于电连接到三相电网和单相电网的两用开关模式转换器。当连接到三相电网时，三个开关模式转换器（例如三个DAB转换器）转换整流电压以在输出处产生直流。当连接到单相电网时，第三开关模式转换器是双向的，使得它可操作以对第一和第二开关模式转换器的电力输出进行滤波，并且由此在输出处保持直流电。车载充电器包括通过继电器与第三开关模式转换器电通信的滤波电容器。继电器响应于控制器，以当检测到单相电网时将第三开关模式转换器耦合到滤波电容器，以及当检测到三相电网时将第三开关模式转换器耦合到电网的第三相。

在一个实施例中，车载充电器包括第一DAB转换器、第二DAB转换器和第三DAB转换器，当耦合到三相电网时，每个转换器可操作以将整流电压转换成DC分量。然而，当耦合到单相电网时，第三DAB转换器的输入级作为有源滤波器耦合到滤波电容器，以从第一和第二DAB转换器中的一个或两个的DC输出移除谐波。特别地，如果DC输出大于功率参考，则滤波电容器通过第三DAB转换器从DC输出汲取功率，以及如果DC输出小于功率参考，则滤波电容器通过第三DAB转换器向DC输出供应功率。每个DAB转换器的输入级电耦合到整流器，可选地电耦合到全桥整流器。取决于检测到的是单相电网还是三相电网，继电器可替代地将第三DAB转换器的输入级耦合到整流器或滤波电容器。

在另一个实施例中，提供了一种操作方法。该方法包括在车载充电器的输入处确定单相电网或三相电网的存在。如果检测到三相电网，则控制器操作第一整流器和第一DAB转换器以将AC输入的第一相转换成第一DC分量，操作第二整流器和第二DAB转换器以将AC输入的第二相转换成第二DC分量，并且操作第三整流器和第三DAB转换器以将第三相转换成第二DC分量。如果检测到单相电网，则控制器使第三DAB转换器从第三整流器去耦合并耦合到滤波电容器。控制器进一步使第三DAB转换器作为第一和第二DAB转换器的DC输出的有源滤波器操作，使得如果DC输出大于功率参考，则滤波电容器通过第三DAB转换器从DC输出汲取功率，以及如果DC输出小于功率参考，则通过第三DAB转换器向DC输出供应功率。

在单相操作中，第三DAB转换器充当输出有源滤波器的开关模式和电感元件，以消除单相系统中的二阶谐波。通过使用一个DAB转换器作为有源滤波器，整个系统的硬件利用率被最大化，同时附加硬件和软件需求的数量被最小化。有源滤波器的电感性分量由DAB转换器的变压器提供，并且控制无功功率的输出传感器已经就位以用于三相操作。更进一步地，因为DAB转换器的控制算法可以通过零功率进行双向调制，所以仅需要将新的功率参考应用于相同的开环算法，这意味着可以使用与其它两个模块相同的转移函数来设计保持电容器电压的控制环路。

将继电器定位在电网整流器和转换器模块之间的一个优点是，继电器允许电网整流器将其未使用的相短路到中性线，并向中性线添加附加的传导路径。当从三相操作切换到单相操作时，如果一个转换器用作有源滤波器，而其它两个转换器并联工作以向输出供应电力，则中性线连接必须处置这两相连接的返回电流。通过经由未使用的整流器将中性线短路到第三、未使用的相，中性线和相连接之间的电流分布恢复平衡。

当根据附图和所附权利要求来查看时，本发明的这些和其它特征和优点将从本发明的以下描述变得显而易见。

在详细解释本发明的实施例之前，应当理解的是，本发明不限于在以下描述中阐述或在附图中图示的操作细节或构造细节和组件布置。本发明可以在各种其它实施例中实现，并且可以以本文中没有明确公开的替代方式来实践或实行。此外，应当理解，本文中所使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应被视为限制性的。使用“包括”和“包含”及其变化意味着涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目及其等同物。进一步地，列举可以用于对各种实施例的描述中。除非另有明确说明，否则列举的使用不应被解释为将本发明限制于任何特定次序或数量的组件。列举的使用也不应被解释为从本发明的范围排除可能与列举的步骤或组件组合或组合到列举的步骤或组件中的任何附加步骤或组件。

附图说明

图1是用于车辆电池的三相/单相、单级车载充电器的电路图；

图2是图1的车载充电器的第一替代实施例的电路图；

图3是图1的车载充电器的第二替代实施例的电路图；

图4包括用于断开电网和连接滤波电容器的继电器的三个实施例；

图5包括继电器放置的六个实施例，用于在电网和滤波电容器之间切换DAB模块的电连接；

图6是车载充电器的电路图，所述车载充电器包括全桥整流器和全桥DAB初级之间的滤波电容器；

图7是图6的电路图，包括耦合在滤波电容器和输出之间的第三和第四继电器；

图8是单位功率因数操作下由电网的单相提供的瞬时电网电压、电流和功率的曲线图；

图9是使用一相作为输出有源滤波器的三相/单相、单级车载充电器的理想化操作的曲线图。

具体实施方式

现在参考图1，图示了三相/单相车载充电器（OBC），并且一般指定为10。如下面所讨论的，OBC 10的一个DAB模块可选地用作输出有源滤波器的开关模式和电感元件，并且在初级高侧DC链路上采用单个继电器，以当仅检测到单相连接时从三相配置动态切换。

更具体地，OBC 10耦合到三相电网或单相电网12。OBC 10包括控制器14，用于向三个DAB模块16、18、20中的每一个提供控制信号，每个DAB模块具有八个可控开关。DAB模块16、18、20的可控开关由控制器14操作，以向电池2（例如车辆电池）提供DC电压。控制器14还可操作以检测单相连接和三相连接，并可操作以控制耦合到滤波电容器32的一个或多个继电器24的操作。三个电网同步整流器26、28、30向每个DAB模块16、18、20提供变化的DC电压。

在三相操作期间，每个DAB模块16、18、20负责单个交流电的功率因数校正。所得到的DC输出通过所有三个DAB输出的组合来实现。当应用于三相电网时，隔离式AC/DC系统可以利用电网电压的每个相之间的120°偏移。当相移为120°并且每个电压正弦曲线之间的幅度等同时，电网被称为是平衡的。这意味着，在给定单位功率因数的情况下，在任何时间t，所有三相电压之和将等于零，通过扩展，相电流及其所有谐波也将等于零。

在单相操作期间，并且为了消除单相系统中的二阶谐波，来自三相系统中的一个DAB模块20被动态地重新用作输出有源滤波器的开关模式和电感元件。一旦连接到滤波电容器32、可选地连接到电容器组，该单独的DAB模块就被双向操作，与其它两个DAB模块16、18大约180°异相，以实现有源滤波。虽然在图1直至图3中示出了三个可能的实施例，但是图1的实施例最有利的是其较低的传导损耗和与电网的附加分离，并且因此在下面进一步详细讨论。

通过使用一个模块20作为有源滤波器，整个系统的硬件利用率被最大化，同时附加硬件和软件需求的数量被最小化。除了用于三相操作的现有硬件之外，仅需要继电器机构24、滤波电容器32和跨滤波电容器32的电压传感器34。主控制器不需要附加的PWM通道，仅需要一个附加的ADC通道，并且潜在地少至只需要一个附加的GPIO输出。有源滤波器的电感性分量由变压器提供，并且控制无功功率的输出传感器已经就位以用于三相操作。更进一步地，因为控制算法可以通过零功率进行双向调制，所以只需要将新的功率参考应用于相同的开环调制算法，这意味着可以使用与其它两个模块相同的转移函数来设计保持电容器电压的控制环路。

图2中图示了根据第二实施例的车载充电器10。该实施例与图1的实施例的不同之处在于，每个DAB 16、28、20的初级侧全桥现在包括矩阵转换器，该矩阵转换器具有针对电网12的每个相的多个双向半导体开关。此外，滤波电容器32连接到针对第三DAB的矩阵转换器的输入侧，或者如图2中所描绘的“矩阵DAB 20”。也如图3中所示出的，滤波电容器32连接到第三电网同步整流器30的输入侧。图2和图3的实施例另外在功能上与图1的实施例类似，因为当连接到三相电网时，每个矩阵DAB或每个DAB模块负责单个交流电的功率因数校正，当连接到单相电网时，一个矩阵DAB或DAB模块被重新用作有源滤波器的开关模式和电感元件。

继电器机构24可以是断开电网连接并同时连接滤波电容器的任何设备。这可以利用单个设备来实现，所述单个设备诸如单刀双掷型机械继电器，或者利用设备的组合来实现，所述设备的组合诸如互补开关、固态或机械继电器。图4示出了三个设备无关的实施例，其中继电器由一个或多个设备组成。虽然电网、滤波电容器中的一个或这二者都不可以连接到DAB模块20，但是这二者同时连接到DAB将被认为是故障状况。出于该原因，图4(a)和图4(c)形式的继电器可能是优选的。

继电器的实现可以具有各种实施例，因为与所有物理连接相反，只有电路必须断开才能断开电网或滤波电容器。图5示出了继电器放置的六个实施例，其将充分断开从DAB模块到电网或滤波电容器的电连接。图5a、5c和5e虽然可行，但是不太合期望，因为整流器将在有源滤波器配置期间添加热损耗，通过使用图5b、5d和5f中的配置可以避免所述情况。其中，从成本和空间优化的观点，图5d和图5f是最合期望的，而从隔离或EMI的角度，图5b可能是优选的。图1的实施例示出了图5d中的继电器放置，而图6示出了图5b的继电器放置。图7示出了进一步实施例，其中滤波电容器32通过第三和第四继电器25耦合到输出干线电压。在该实施例中，总共使用四个继电器，这允许滤波电容器32在三相模式中的输出干线电压和单相模式期间的输入DC链路之间切换。因此，滤波电容器32用于三相操作和单相操作这二者。在三相操作中，开关Sr7和Sr8闭合，使得滤波电容器32减少电池22的输出电流纹波，并且一般增加吸收电网上的瞬变的能力，使得它们不会被电池看到。在单相操作中，开关Sr7和Sr8断开。因此，图7中的配置允许最大限度地利用滤波电容器32，而不管电网配置。取决于特定的系统，将滤波电容器32连接到输出干线电压可以将输出电容放大五到六倍，同时也大大增加了从连接到电池的其它系统向输出总线供应瞬变需求的能力。

将继电器放置在展开的整流器和DAB初级全桥之间的DC链路上的附加优点是，它允许整流器将其未使用的相短路到中性线，并向中性线添加附加的传导路径。当从三相和单相操作切换时，如果一个DAB模块用作有源滤波器，而其它两个并联工作以向输出供电，则中性线连接必须处置这两相连接的返回电流。通过未使用的整流器将中性线短路到第三、未使用的相，中性线和相连接之间的平衡被恢复。

现在将描述OBC 10的操作原理。用于调制每个相的DAB模块的功率的控制算法允许通过每个相的瞬时功率被控制为任何参考波形。因此，供应给被用作有源滤波器的第三DAB模块20的功率参考仅需要被公式化以相消地干涉由其它DAB模块的功率调制产生的不期望的输出谐波。为了图示该概念，图8示出了从具有单位功率因数的277 V _RMS单相电网汲取14 kW平均功率所需的功率命令。因此，这将是应用于图1中前两个DAB模块（16）、（18）的功率参考。假设理想化的系统，输出功率P _输出将等于输入功率P _电网，为120Hz正弦波，具有14kW的振幅和14kW的DC偏移。期望的输出功率是图9中所绘制的平均功率输出P _avg。因此，为消除输出谐波，必须供应给输出的功率为P _act = P _avg–P _输出。如果P _输出由表达式14k*sin(120πt)+14kW表示，并且如果P _avg由表达式14kW表示，则P _act等于-14k*sin(120πt)，其具有

的RMS值和0W的净贡献。在图9中的负部分期间，滤波器DAB模块20正在从输出汲取走功率，并将该能量存储到滤波电容器32。这是其中PFC DAB正在供应比期望平均值更多的功率的区域。在P _act为正的区域期间，滤波DAB模块20正在将存储的能量从滤波电容器32拉出，并将其递送到输出。这是PFC DAB模块16、18正在递送比期望的更少的功率的区域。以这种方式，负载仅将平均功率视为期望的DC输出。

上面的描述是本发明的当前实施例。在不脱离本发明的精神和更广泛的方面的情况下，可以做出各种更改和改变。本公开是为了说明性的目的而呈现的，并且不应该被解释为对本发明的所有实施例的详尽描述，或者将权利要求的范围限制为结合这些实施例所图示或描述的特定元素。例如，使用冠词“一”、“一个”、“该”或“所述”对单数形式的元素的任何引用不应被解释为将该元素限制为单数。

Claims

1.一种用于车辆的车载充电器，包括：

第一开关模式转换器，可操作以将第一整流电压转换成第一DC分量；

第二开关模式转换器，可操作以将第二整流电压转换成第二DC分量；

第三开关模式转换器，可操作以将第三整流电压转换成第三DC分量，所述第三开关模式转换器是双向的，使得第三开关模式转换器可操作为有源滤波器，以当耦合到单相电网时从第一和第二开关模式转换器的DC输出移除谐波；以及

滤波电容器，选择性地耦合到第三开关模式转换器的输入级，其中如果DC输出大于功率参考，则滤波电容器通过第三开关模式转换器从DC输出汲取功率，并且如果DC输出小于功率参考，则通过第三开关模式转换器向DC输出供应功率。

2.根据权利要求1所述的车载充电器，其中所述第一、第二和第三开关模式转换器中的每一个包括双有源桥拓扑。

3.根据权利要求1所述的车载充电器，进一步包括分别与第一开关模式转换器、第二开关模式转换器和第三开关模式转换器串联电耦合的第一整流器、第二整流器和第三整流器。

4.根据权利要求2所述的车载充电器，其中所述第一整流器、第二整流器和第三整流器每个包括全桥拓扑。

5.根据权利要求2所述的车载充电器，进一步包括继电器，所述继电器可替代地将第三开关模式转换器的输入级耦合到第三整流器和滤波电容器。

6.根据权利要求5所述的车载充电器，进一步包括控制器，以检测单相AC输入电压和三相AC输入电压并控制继电器的操作。

7.根据权利要求6所述的车载充电器，其中所述第一、第二和第三开关模式转换器中的每一个当耦合到三相AC输入电压时提供单位功率因数。

8.根据权利要求6所述的车载充电器，其中当控制器检测到单相AC输入电压时，第三开关模式转换器相对于第一开关模式转换器和第二开关模式转换器180°异相操作。

9.根据权利要求6所述的车载充电器，进一步包括跨滤波电容器的电压传感器，所述电压传感器耦合到控制器。

10.根据权利要求1所述的车载充电器，其中选择功率参考，使得第三开关模式转换器相消地干涉DC输出的谐波。

11.一种用于将AC输入电压转换成DC输出电压的方法，包括：

提供车载充电器，所述车载充电器包括分别与第一开关模式转换器、第二开关模式转换器和第三开关模式转换器串联电耦合的第一整流器、第二整流器和第三整流器；

响应于在车载充电器处检测到三相AC输入，操作第一整流器和第一开关模式转换器以将AC输入的第一相转换成第一DC分量，操作第二整流器和第二开关模式转换器以将AC输入的第二相转换成第二DC分量，以及操作第三整流器和第三开关模式转换器以将AC输入的第三相转换成第三DC分量；以及

响应于在车载充电器处检测到单相AC输入，通过第三开关模式转换器对第一和第二开关模式转换器中的至少一个的DC输出进行滤波，以减少DC输出中的谐波，其中对DC输出进行滤波包括将第三开关模式转换器从第三整流器去耦合，并将第三开关模式转换器的输入级耦合到滤波电容器，使得如果DC输出大于功率参考，则滤波电容器从DC输出汲取功率，并且如果DC输出小于功率参考，则滤波电容器向DC输出供应功率。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一整流器、第二整流器和第三整流器每个包括全桥拓扑。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一开关模式转换器、第二开关模式转换器和第三开关模式转换器每个包括双有源桥拓扑。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述滤波电容器包括电容器组，所述电容器组通过继电器耦合到第三开关模式转换器。

15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括将车载充电器的DC输出耦合到车辆电池。

16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括当检测到三相AC输入时，通过第一和第二开关将滤波电容器耦合到车载充电器的DC输出，以减少车载充电器的DC输出中的电流纹波。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括当检测到单相AC输入时，通过第一和第二开关将滤波电容器从车载充电器的DC输出去耦合。