CN113544960A - 多端口功率转换器设备 - Google Patents

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汉尼·瓦赫迪
简-于格·德申斯
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Abstract

本公开提供了一种根据其不同实施例能够从多个端口接收AC和DC功率以及向多个端口传递AC和DC功率的双向功率转换器。AC或DC输入接收功率，并且至少两个功率转换电路利用用于连接的多个开关工作，在多个端口处提供DC或AC电流。功率转换电路可以是整流逆变器并且具有模块形式，功率转换电路经由具有多个连接器的背板连接到AC和DC端口。装置还可以使用降压/升压电路提供DC到DC的转换。

Description

多端口功率转换器设备
本申请要求2019年3月12日提交的美国临时专利申请62/817,104的优先权，其说明书通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及功率转换器领域。本申请还涉及能源管理系统领域，并且更特别地涉及能源管理系统领域。
背景技术
本部分旨在为权利要求中记载的本发明提供背景或上下文。本文的描述可以包括可以追求的概念，但不一定是先前已经构想或追求的概念。因此，除非本文另有说明，本部分中描述的内容不是本申请中的说明书和权利要求的现有技术，并且不因被包括在本部分中而被承认为现有技术。
随着越来越多的人对使用太阳能电池板的可再生和环保型的能源感兴趣，电动汽车变得越来越流行。在大多数情况下，此类技术需要连接到电网或家庭电线并与之配合工作。此外，在一天中的不同时间具有可变电价的地区中，如果消费者能够管理他们的能源消耗和生产以从更便宜的能源价格中受益，那么使用电动车辆和/或太阳能可能对消费者更具吸引力。
太阳能电池板或光伏(以下称为“PV”)系统作为通常产生DC功率的无污染和无排放的能源具有特定的优势。为了将这种能源与家用设备一起使用，通常会使用逆变器。逆变器是一种电气转换器，将光伏(PV)太阳能电池板的可变直流(DC)输出转换为工频(utilityfrequency)交流(AC)，AC可被馈入商业电网或由本地、离网电网使用。存在若干种类型的逆变器与太阳能电池板一起使用，诸如独立逆变器、并网逆变器、备用电池逆变器和智能混合逆变器。
由于太阳能电池板的发电会波动，并且可能不易与负载的电力消耗同步，当没有太阳能发电时，需要储存能量以供稍后例如在电池或其他储存系统中使用以使用智能混合(智能电网)逆变器管理能量存储和消耗。
此外，电动汽车(“EV”)越来越受欢迎。新的“三电平”充电系统，诸如申请人在具有序列号PCT/CA2018/051291的国际PCT专利申请中公开的充电器，能够为一辆或多辆EV提供并从一辆或多辆EV获取除了AC之外的DC功率。
必须提到的是，尽管产生DC功率，但PV面板输出不能被直接馈送到EV车辆以对其电池充电。
此外，现有技术中可用的EV充电装置不提供将EV电池用作家庭(车辆到家[V2H])或车辆到电网(V2G)的能源的可能性。
需要具有如下能力的具有多个电气端口的高效系统：从不同源到不同源在AC和DC之间转换能量(不同源诸如PV面板、EV车辆、备用电池、家用电气系统)，并管理这些源之间的能量分配。
同样，需要一种能够转换多个AC和DC耗电器和发电机源并具有在需要时转换、调整和连接这些源的能力的智能设备。
发明内容
本申请通过提供具有多个AC和DC电气端口的转换单元来提供对上述问题的解决方案，多个AC和DC电气端口能够在不同源之间接收、转换和传递AC和DC电流。
在一个广泛的方面，本公开提供了一种功率转换器，该功率转换器包括至少一个用于接收和传递AC电流的AC端口、多个用于以可变电压接收和传递DC电流的DC端口以及多个从所述至少一个AC端口和所述多个DC端口的第一所选组接收电流并且将电流传递到所述至少一个AC端口和所述多个DC端口的第二所选组的开关。它还可以具有连接到多个开关的一个或多个功率转换电路或模块以从AC或DC端口中的所选一个或多个接收电流并传递电流到一些其他端口。转换器还具有控制器，该控制器用于控制开关从端口或转换器模块发送或接收电流并将它们引导至期望目的地。控制器可以通过管理开关来确定功率转换器的输入和输出。
在本公开的一些实施例中，功率转换电路或单元可以是双向功率转换器。
在本公开的一些示例中，功率转换器还可以包括具有多个模块连接器的连接器背板。在一个实施例中，功率转换电路可为连接至模块连接器的转换模块。本领域技术人员将理解，模块连接器可以是容纳转换模块的插座式连接器，也可以是通过诸如简单的接线等其他手段与模块连接的典型连接器。
在本公开的一个示例性实施例中，功率转换电路可以进一步包括DC到DC转换电路。本领域技术人员将理解，DC到DC转换单元可以是单独的模块或集成在双向AC-DC模块内。
在一个示例中，用于接收和重定向端口之间的电流的多个开关可以位于和/或集成在同一转换电路或模块中。可替代地，多个开关可位于不同的功率转换电路上或功率转换器的背板连接器上。在一个示例中，开关可被布置在单独的独立模块上，此模块可以直接连接到转换模块或通过背板连接器连接到转换模块。
在一些示例中，功率转换器可以从一个或多个DC端口接收来自DC源的DC电流并且将其转换用于或者将其直接用于AC或DC负载。例如，任何DC源，诸如EV DC电池、备用电池、PV太阳能电池板都可以作为可用于为另一辆EV车辆充电、用于家庭能源用途、停电情况下的备用能源、或甚至输送电回电网的DC源。
在一个实施例中，转换器电路或模块可以是包括三电平、五电平或七电平拓扑的多电平转换器拓扑。申请人在序列号为PCT/CA2018/051291、公开号为WO/2019/071359的国际PCT专利申请中公开了一种新颖的五电平拓扑的细节。
在一个示例性实施例中，一个或多个功率转换电路可以是整流器电路，该整流器电路包括通过所述多个开关连接到所述AC端口的AC输入、用于存储功率的至少一个高压电容器、与所述AC输入串联连接的电感器、低压电容器、连接在第一AC输入端子和所述高压电容器的相对端之间的两个高压开关、连接在所述高压电容器的所述相对端和所述低压电容器的相对端之间的两个中间低压功率开关、以及连接在所述低压电容器的所述相对端和第二AC端子之间的两个端子低压功率开关，其中DC负载可以连接到所述高压电容器的所述相对端、从转换器控制器接收参考信号的调制器、接收所述至少一个比较信号并输出状态信号的状态选择电路，接收所述状态信号并连接到所述功率开关的栅极的切换脉冲发生器。在一个示例性实施例中，转换电路可以是双向整流器/逆变器电路，其中所述电感器与以下串联连接：所述AC输入、所述低压电容器、连接在所述AC端口的第一AC端子与所述高压电容器的相对端之间的所述两个高压功率开关、连接在所述高压电容器的所述相对端与所述低压电容器的相对端之间的所述两个中间低压功率开关，连接在所述低压电容器的所述相对端与所述AC端口的所述第二AC端子之间的所述两个端子低压功率开关，其中所述多个DC端口中的每一个都连接到所述高压电容器的所述相对端；并且其中，所述控制器在逆变模式中工作以产生信号波形并将信号波形施加到所述两个高压功率开关、所述两个中间低压功率开关和所述两个端子低压功率开关，信号波形包括用于使所述低压电容器串联连接到所述DC端口和所述AC端口并被充电至与所述DC端口的电压成比例的预定值的第一控制信号，以及用于使所述低压电容器与所述DC端口断开并与AC端口串联连接从而使低压电容器放电的第二控制信号。在一个实施例中，功率转换器在可以具有两个二极管而不是两个高压开关时作为整流器工作。
在本公开的一个示例中，转换器还可以具有用于与转换电路控制器和所述开关控制器通信的接口。此接口还可以与EV计算机、太阳能电池板管理系统或家庭管理系统进行通信。它还能够与在线平台通信以更新消费模式和/或与用户在线界面或应用通信以用于改变设备的设置。
本领域技术人员将理解，功率转换器中使用的转换电路控制器和开关控制器和任何其他控制器可以是单独的单元，或者被集成在相同的控制器电路中，可以包括板外组件，这些组件可以是直接连接到转换器电路或可选地通过背板连接器连接到转换器电路。
本领域技术人员将理解，不同的组合可以利用模块化或集成到背板和其他部分中的更多功率转换电路来实现。
在一些实施例中，装置可以适于从所述多个DC端口中的第一端口接收DC电流并将可变电压DC传递到所述多个DC端口中的第二端口。在一个示例中，第一端口和第二端口位于相同的功率转换电路上，而在其他示例中，它们可以位于不同的功率转换电路或装置的背板上。
在一些实施例中，多个DC端口包括至少两个电动车辆连接，该至少两个电动车辆连接用于从两个电动车辆提供和接收DC电流。在一个示例中，装置可以包括用于从太阳能电池板接收DC电流的太阳能电池板连接。
在一些实施例中，功率转换器可以包括一个或多个用于转换DC功率的降压/升压转换器电路。降压/升压电路可以位于每个功率转换电路上、连接器背板上或作为连接到背板连接器的模块化降压/升压电路。
在一个广泛的方面，本公开提供了一种功率转换装置，该功率转换装置包括用于连接到单相AC功率的AC端口、多个DC端口、具有可变电压DC输出和连接到AC端口的AC输入的至少两个功率转换电路、以及用于将所述DC端口中的所选一个或多个连接到所述功率转换电路的DC输出的所选DC输出的多个开关。
在一些实施例中，装置进一步包括具有模块连接器或插座的连接器背板。至少两个功率转换电路可以是适于连接到模块连接器或插座的模块。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以利用模块化或集成到背板和其他部分中的更多功率转换电路来实现不同的组合。
在一些实施例中，装置适于从所述多个DC端口中的第一端口接收DC电流并将可变电压DC传递到所述多个DC端口中的第二端口。在一个示例中，第一端口和第二端口位于相同的功率转换电路上，而在其他示例中，它们可以位于不同的功率转换电路或装置的背板上。
在一些实施例中，多个DC端口包括至少两个电动车辆连接，该至少两个电动车辆连接用于从两个电动车辆提供和接收DC电流。在一个示例中，装置可以包括用于从太阳能电池板接收DC电流的太阳能电池板连接。
在一些实施例中，多个开关可被布置在连接器背板上作为背板的集成部分、作为开关模块或卡或硬连线到背板。
在一个实施例中，多个开关可被布置在至少两个功率转换电路中的一个或多个上。
在一个示例中，功率转换电路包括多电平转换器拓扑、用于以升压至高于AC输入的峰值电压的电压存储功率的至少一个高压电容器、以及整流器电路。整流器电路包括与所述AC输入串联连接的电感器、低压电容器。还包括两个二极管，连接在所述高压电容器的相对端和所述低压电容器的相对端之间的两个中间低压功率开关，以及连接在所述低压电容器的所述相对端和第二AC端子之间的两个端子低压功率开关，多个DC端口。DC负载可以连接到所述高压电容器的相对端。它还包括控制器，控制器具有至少一个传感器，该至少一个传感器用于感测整流器电路中的电流和/或电压并且连接到所述两个中间低压功率开关和所述两个端子低压功率开关的栅极输入。
在一个实施例中，控制器以整流器模式工作，具有至少一个传感器用于感测所述整流器电路中的电流和/或电压并连接到所述两个高压功率开关、所述两个中间低压功率开关和所述两个端子低压功率开关的栅极输入，用于使所述功率转换电路以整流器模式操作，其中所述高压电容器的电压高于所述AC输入的峰值电压，并且所述两个高压功率开关被控制为以所述AC输入的频率接通和切断，并且响应于对在所述低压电容器处存在的电压的测量以冗余切换状态切换所述两个中间低压功率开关和所述两个端子低压功率开关，以将所述低压电容器保持在所述高压电容器的期望电压的预定分数，以及因此保持所述高压电容器在期望高电压，其中所述整流器电路作为在所述AC输入上具有低谐波的五电平有源整流器供应所述DC负载并吸收功率。
在一个实施例中，整流器电路可以是双向整流器/逆变器电路。在此实施例中，我们将需要两个高压开关，而不能有两个高压开关。电感器可以与所述AC端口、低压电容器、连接在AC端口的第一AC端子与所述高压电容器的相对端之间的两个高压功率开关、连接在高压电容器的相对端和低压电容器的相对端之间的两个中间低压功率开关、以及连接在低压电容器的相对端和AC端口的第二AC端子之间的两个端子低压功率开关串联连接。在此示例中，多个DC端口连接到所述高压电容器的相对端并且控制器可以在逆变器模式下工作以产生并施加信号波形到所述两个高压功率开关、所述两个中间低压功率开关和所述两个端子低压功率开关，信号波形包括用于使所述低压电容器与所述DC端口和所述AC端口串联连接并被充电至与所述DC端口的电压成比例的预定值的第一控制信号，以及用于使所述低压电容器与所述DC端口断开并与AC端口串联连接从而使低压电容器放电的第二控制信号。
在一些实施例中，装置可以包括一个或多个用于转换DC功率的降压/升压转换器电路。降压/升压电路可以位于每个功率转换电路上、连接器背板上或作为连接到背板的模块化降压/升压电路。
附图说明
参考如下所附说明将更好地理解本实施例：
图1A是家庭EV充电系统的物理安装示意图，该家庭EV充电系统包括杆顶变压器、带有负载传感器和主断路器面板的住宅电气入口、面板和装置之间的240V AC电力线，在装置和电动车辆(EV)之间延伸的两条电缆连接，具有EV和装置之间的CAN总线连接和太阳能电池板连接；
图1B是根据本公开的一个实施例的具有多个DC和AC端口以及板外组件面板的功率转换装置的框图；
图2A示出了根据具体实施方式的特定示例的在整流器模式下工作的具有五电平拓扑电路的转换电路的电路图；
图2B示出了根据本公开的一个实施例的在逆变器模式下工作的具有五电平拓扑电路的电池装置转换器的电路图；
图3是根据本公开的一个实施例的具有集成切换能力和多个DC输出的功率转换器模块的示意图；
图4是根据本公开的一个实施例的与图3中所示的功率转换器模块一起工作的背板的示意图；
图5、图6和图7是根据本公开的一个实施例的可以与多个开关一起使用的一些双向开关(BS)的类型的示意图；
图8是根据本公开的一个实施例的具有一个DC输出的功率转换器模块的示意图；
图9是根据本公开的一个实施例的与图8中所示的功率转换器模块一起工作的背板的示意图；
图10是根据本公开的一个实施例的具有一个DC输出和到背板的一个DC输出的功率转换器模块的示意图；
图11是根据本公开的一个实施例的与图10中所示的功率转换器模块一起工作的背板的示意图；
图12是根据本公开的一个实施例的具有来自背板的一个DC输入和两个DC输出的开关卡或模块的示意图；
图13是根据本公开的一个实施例的具有集成切换能力和集成DC到DC转换能力的功率转换器模块的示意图；
图14是根据本公开的一个实施例的具有五个功率转换器模块的板外组件的板外组件板的示意图。
具体实施方式
在整个说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似的语言可以但不一定都指代同一实施例。
此外，在一个或多个实施例中，本发明的所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。因此，本发明旨在涵盖本发明的修改和改变，只要它们在所附权利要求及其等同的范围内。现在将详细参考本发明的优选实施例。
图1A示出了实施例的物理背景，其中分离式单相主电力从效用(utility)杆顶变压器传递，这是北美最常见的电力传递类型。变压器通常从配电线路接收14.4kV或25kV单相电力，并且变压器可以处理约50kVA至167kVA的功率，作为分相240VAC传递到少数家庭或电气入口。每个电气入口通常被配置为在240VAC下处理100A至200A之间的电力，即大约24kVA 至48kVA(通常假设1kVA等同于1kW)。如图所示，转换装置或设备经由AC连接而连接到网络，并且可以连接到多个车辆和/或太阳能电池板。这由于装置的双向(整流器/逆变器)性质而可以实现，此装置通过从一个端口接收AC或DC功率并从其他端口提供AC或DC的能力来提供该双向性质。
本领域技术人员将理解，尽管是单相入口图示，但本公开的实施例不限于分离式单相240VAC电力系统，并且本文公开的任何实施例都可以适于与传递AC电压的不同的电力网络一起工作。
电气入口通常包括用量表、具有对应于总允许负载(例如100A或200A)的额定值的主断路器，以及具有用于每个家用电路的断路器的面板，每个家用电路可被供应240VAC电力或来自分相240VAC输入的120VAC电力。虽然大多数断路器的容量在15A到30A之间，但有些断路器的容量可能更低(即10A)，以及有些可能更大，诸如用于大型电器的40A。在一些国家，电气入口的容量较低，例如40A到60A，而在所有家用电路都为240VAC的国家，电力不是分相的，而是常规的单相240VAC(使用的电压电平可以从大约100V到250V变化)。
如图1中所示，转换装置/转换器通过具有较大额定电流诸如40A至80A的断路器连接到主面板的断路器，尽管所公开的装置如果需要可消耗超过100A。是否需要特定于装置的断路器由电气规范决定。将装置连接到面板的电缆的额定值达到这种高电流。与配电板的连接可以是直接固定接线，或者高压插座可被安装并连接到配电板，使得装置使用电缆和插头连接到配电板，例如类似于用于烤箱或干衣机等电器的那些。此装置显示为连接到单个负载传感器，此负载传感器感测由包括装置的整个面板所牵引的负载。装置电缆可以是本领域已知的常规装置电缆和插头。
此外，如图1A中所示，转换器可以连接到太阳能电池板，以及一个或多个电动车辆。
图1B是示出具有AC端口18、多个DC和EV/DC端口12和14、DC/EV输入端口16和板外组件面板20的示例性功率转换装置10的框图。如图1A中所示，端口12和14可以连接到EV1和EV2并且DC/EV端口16可以连接到太阳能电池板以使用由电池板产生的DC能量。
在一些实施例中，装置10可以适于从第一端口，诸如多个DC端口中的EV/DC端口12接收DC电流并且将可变电压传递到第二端口，诸如EV/DC端口14。这可以通过使用多个开关来实现，这些开关可以位于转换电路模块100上的背板22上或位于可以连接到背板或直接连接到转换电路模块100的单独的切换模块上。
本领域技术人员将理解，虽然模块100被示为双向转换模块，但是根据需要，任何其他类型的模块，诸如整流器、逆变器、DC-DC、降压升压模块和浪涌保护器模块，可用于转换器设备。
如图8中所示，在一个示例中，第一端口12和第二端口14位于同一功率转换电路100上，而在其他示例中，它们可以位于不同的功率转换电路或装置的背板22上。
参考图1B，转换器模块100可以使用连接器114(这里示出为连接器114a、114b、114c、114d、114e，每个连接到一个模块100)连接到背板22。转换器10还可受益于板外组件板20，板外组件板20在此实施例中用于容纳电感器。
图2A至图2B示出了根据实施方式的特定示例的可以在用于电动车辆的转换装置或设备10中使用的类型转换电路模块100的示例的细节。
如图2A中所示，在整流器模式下工作的示例性转换电路100包括AC输入105、与AC输入105串联连接的感应滤波器110、以及五电平拓扑电路115。
在一些示例中，此非限制性示例中的感应滤波器110可以是2.5mH电感器。便利地，本设计允许整个功率转换电路100有小几何形状，部分是由于感应滤波器110的小尺寸。感应滤波器110可以根据基于应用、额定功率、效用电压谐波、切换频率等所选择的设计而变化。虽然最简单的这种滤波器是单个电感器，但在替代实施例中，感应滤波器110可以包括电感器和电容器的组合，例如连接到电容器(例如，30μF)的(例如，2mH)电感器，电容器本身接地。滤波器的选择对设计的整体尺寸和损耗有影响，较大的滤波器会增大整体设计的尺寸，并且通常会产生更多的损耗。
五电平电路可以包括高压电容器120、至少一个低压电容器125、连接在第一端子135和高压电容器120的相应相对端145a、145b之间的两个高压功率开关130a、130b、分别连接在高压电容器120的两个相对端145a、145b中的相应端和低压电容器125的相应相对端155a、155b之间的两个中间低压功率开关140a、140b，以及分别连接在第二输入端子160和低压电容器125的相对端155a、155b中的相应端之间的两个端子低压功率开关150a、150b。
如图2B中所示，功率转换模块100可以使用在双向状态下操作的功率。这意味着五电平电路必须有高压功率开关130a、130b，并且不能用两个二极管代替它们，从而如图2A中所示，以整流器模式将电压/电流从AC转换为DC，或如具有AC负载202和DC源206的图2B中所示，以逆变器模式将电压/电流从DC转换为AC。
转换器模块(模块100)的细节、其如何工作及其切换细节已由申请人在序列号为PCT/CA2018/05129、公开号为WO/2019/071359的国际PCT专利申请中公开。
为了实际实施，包括功率转换电路100的功率转换装置可以包括用户可互换的DC车辆充电电缆和充电插头，例如，具有用于适应EV中的标准化插头/插座(即，SAE J1772，ChaDeMo或其他)的兼容格式。
本领域技术人员将理解，任何类型的连接器都可以用作背板，并且模块连接器的目的只是为了方便和简化用户的安装过程，以及任何类型的连接器都可以用作背板。
此外，本领域技术人员将理解，功率转换装置可以受益于用户接口，此用户接口可以具有屏幕并且具有通过应用与终端设备(诸如计算机或手机)的有线或无线连接，以允许用户通过这样的接口手动调整变量。这种调整可能是优先为设备充电，给出充电时间表，管理太阳能电池板DC如何消耗和分配或用户在全天调整设备输入和输出方面所需的任何其他功能。
此外，本领域技术人员将理解，AC和DC输出可以使用单独的或相同的物理插座或电缆。在一些实施例中，插座能够与车辆的充电控制器通信。
如本文所述，在不同的实施例中，功率转换电路100可具有板外或板上部件，诸如电感器和切换元件。此外，功率转换电路100可以具有集成在其中的降压/升压电路。
如图3中所示，在一个实施例中，功率转换器模块100具有集成切换能力。多个双向开关BS1、BS2、BS3、BS4、BS5和BS6连同继电器RE1和RE2允许功率转换器模块100在板上执行多个DC端口802、804和806与AC端口808之间的切换，而无需任何外部切换。端口812和814用于将功率转换器模块100连接到其板外组件，在此示例中为用于端口814的感应滤波器/电感器110和降压/升压电感器1012。
在一些实施例中，可以是级联比例积分(PI)控制器的控制器410可以用于控制转换器电路以及开关BS1、BS2、BS3、BS4、BS5和BS6连同继电器RE1和RE2。关于转换器电路中使用的控制器的更多细节可以在申请人的序列号为PCT/CA2018/05129，公开号为WO/2019/071359的PCT国际申请中找到。
本领域技术人员将理解，在其他实施例中，可以使用单独的控制器来控制多个开关BS1、BS2、BS3、BS4、BS5和BS6连同继电器RE1和RE2，并且单独的控制器可以位于单独的电路或转换器的背板连接器上。
图4示出了可由图3中所示的功率转换器模块100使用的背板22的示例。如所解释的，在此实施例中，所有切换都可以在板上完成，模块和背板可以是仅将卡1至5的相似端口彼此连接并连接至功率转换装置端口。卡1至5有五个系列的连接器，并且每个系列的连接器具有连接器912、910、902、904、906、908和914，分别接收功率转换器模块100的端口812、810、802、804、806、808和814。在一个实施例中，不同卡的所有相似端口可以彼此连接。例如，卡1至5的所有端口902可以相互连接。
本领域技术人员将理解，虽然在此实施例中必要切换存在于模块100上，但是在一些实施例中背板22可以受益于附加切换以将端口以不同的顺序和组合彼此连接。
图5、6和7是在本公开的一些实施例中可用于在AC和DC端口之间切换的两种典型类型的双向开关(BS)的示意图，诸如BS1、BS2、BS3、BS4、BS5和BS6。
图8示出了实施例中的功率转换器模块100，其中它仅具有一个DC端口和一个AC端口。图13示出了可由图12中的功率转换器模块100使用的背板22的示例。如所解释的，在此实施例中，可以经由多个开关或开关矩阵1302在背板22上进行所有切换。再次，卡1至5有五个系列的连接器，并且每个系列的连接器具有连接器912、910、902、908和914，分别接收功率转换器模块100的端口812、810、802、808和814，如图8中所示。
在一个示例性实施例中，开关矩阵1302可以包括类似于BSl、BS2、BS3、BS4、BS5和BS6的开关连同继电器REl和RE2，如图3所示和描述的。
图10是根据本公开的一个实施例的功率转换器模块100的示意图，其中模块100可以具有一个DC输出和到背板的一个DC输出1402。双向开关BS1和BS2连同继电器RE1和RE2允许功率转换器模块100在板上执行DC端口802和AC端口808的切换。DC连接1402可以连接到开关卡1600，其示例已经在图11中示出。开关卡1600具有经由背板22从DC输出1402接收DC电流的DC输入连接1602，并使用双向开关BS3、BS4、BS5和BS6处理到两个DC输出804和806的切换。如图所示，在此实施例中，模块100处理部分切换，并且附加开关卡或模块可以处理其余切换功能。
如图12中所示，背板22可以具有用于卡1至5的五个系列的连接器，并且每个系列的连接器具有连接器/插座912、910、902、1502、908和914，它们可以分别接收功率转换器模块100的端口812、810、802、1402、808和814。背板还可以具有连接到开关卡1600的DC连接输入1602的端口1508，以及用于开关卡或模块1600的DC连接804和806的两个DC连接1504和1506。在此实施例中，背板经由两个端口1502和1508提供模块100和切换模块1600之间的连接以及它们的DC输出和输入。
本领域技术人员将理解，在不超出本公开的范围的情况下，通过将切换元件完全或部分地布置在模块100、背板22和/或一个或多个开关卡1600上可以实现上述实施例的任何组合。
参照图13，其示出了功率转换器模块100的不同实施例，功率转换器模块100使用附加双向开关BS7、BS8和BS9具有在三个DC端口802、804和806之间的集成切换能力和集成DC到DC转换能力。在此实施例中，模块100可以从任何DC端口(诸如EV电池、太阳能电池板、备用电池或任何其他DC源)接收DC电流并使电流通过板上升降压电路1702并提供给任何其他DC端口。这可以使用开关BS1到BS9的组合来实现。在一个示例中，DC端口802从EV1接收DC电流。控制器410打开开关BS2并关闭BS9以将电流导向降压/升压电路1702。降压/升压电路的输出电流可以是任意可变DC电压，其然后被导向任何其他期望DC端口，在此是DC端口804，通过打开BS6和BS2。
本领域技术人员将理解，相同的切换机制、附加双向开关BS7、BS8和BS9可以位于背板上或位于提供相同类型的DC到DC充电的不同模块上。降压-升压电路1702可以同样地位于背板或单独的模块上以实现上述结果。
现在参照图14，其示出了板外组件板20，板外组件板20容纳板外组件1012和110，在此实施例中，是五个功率转换器模块100的降压/升压电感器1012和电感器110。板20可以直接连接到背板或具有到背板的模块化连接。类似地，板外组件可以永久固定在板上或具有允许其被替代或更换的插座/连接器。
本领域技术人员将理解，可以组合使用任何类型的整流器、逆变器或整流器/逆变器以提供如本文所述的期望AC和DC输出。这种转换电路的示例可以是多电平整流器/逆变器电路。
本领域技术人员将理解，本申请中描述的功率转换装置和电路诸如五电平整流电路可以用于任何AC到DC转换系统，诸如DC电源、其他EV充电器、任何其他类型的电池装置或任何其他需要AC到DC转换的实施方式。此外，可以使用任何其他类型的包括其他类型的多电平的转换器电路。此外，在不影响本公开工作的方式的情况下，任何其他类型的转换器可以替代地与本文公开的配电盘或多个开关一起使用。
虽然以上描述是参考特定示例提供的，但这是为了说明而非限制本发明。

Claims (31)

1.一种功率转换装置，包括：
用于连接到AC功率的AC端口；
多个DC端口；
至少两个功率转换电路，具有连接到所述AC端口的AC输入和可变电压DC输出；以及
多个开关，用于将所述DC端口中的所选一个或多个连接到所述功率转换电路的所述DC输出中的所选DC输出。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括DC-DC转换电路，其中所述开关被配置为连接到所述多个DC端口中的接收DC功率的第一端口和所述多个DC端口中的用于以与在所述第一端口接收所述DC功率不同的电压传递DC功率的第二端口。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一端口和所述第二端口位于所述至少两个功率转换电路上。
4.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一端口和所述第二端口位于同一功率转换电路上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述多个DC端口包括用于从两个电动车辆提供和接收DC电流的至少两个电动车辆连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述多个DC端口包括用于从太阳能电池板接收DC电流的太阳能电池板连接。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，进一步包括具有模块连接器的连接器背板，其中所述至少两个功率转换电路是适于连接到所述模块连接器的模块。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述多个开关布置在所述连接器背板上。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中所述多个开关布置在所述至少两个功率转换电路上。
10.一种功率转换器，包括：
-多个DC端口，用于以可变电压接收和传递DC电流；
-多个开关，从所述多个DC端口中的第一端口接收电流并将电流传递到所述多个DC端口中的至少一个第二端口；
-至少一个功率转换电路，连接到所述多个开关以从所述第一端口和所述第二端口接收电流；以及
-开关控制器，用于控制所述多个开关；
其中，所述开关控制器确定开关中的第一所选组和第二所选组。
11.根据权利要求10所述的功率转换器，进一步包括至少一个AC端口，所述至少一个AC端口连接到所述至少一个功率转换电路，用于接收和传递AC电流。
12.根据权利要求11所述的功率转换器，其中所述至少一个功率转换电路是双向功率转换器。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的功率转换器，其中所述至少一个功率转换电路进一步包括DC到DC转换电路。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的功率转换器，其中所述多个开关位于所述至少一个功率转换电路上。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的功率转换器，其中所述至少一个转换电路是至少两个功率转换电路，并且其中所述多个开关位于不同的功率转换电路上。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的功率转换器，其中所述多个DC端口之一从DC源接收DC电流，并且其中所述功率转换器以期望的AC或DC电压传递所述DC电流。
17.根据权利要求16所述的功率转换器，其中，所述DC源为电动车辆的电池。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的功率转换器，进一步包括至少两个电动车辆连接。
19.根据权利要求10至18中任一项所述的功率转换器，其中所述多个DC端口包括用于从太阳能电池板接收DC电流的太阳能电池板连接。
20.根据权利要求10至19中任一项所述的功率转换器，进一步包括具有多个模块连接器的连接器背板，并且其中所述至少一个功率转换电路是连接到所述模块连接器的转换模块。
21.根据权利要求10至20中任一项所述的功率转换器，其中所述多个开关布置在所述连接器背板上。
22.根据权利要求10至21中任一项所述的功率转换器，其中所述多个开关布置在连接到所述模块连接器的开关模块上。
23.根据权利要求10至22中任一项所述的功率转换器，其中所述至少两个功率转换电路中的至少一个是多电平转换器拓扑。
24.根据权利要求10至23中任一项所述的功率转换器，其中所述至少一个功率转换电路是整流器电路，包括：
AC输入，通过所述多个开关连接到所述AC端口；
至少一个高压电容器，用于储存功率；
电感器，与所述AC输入串联连接，
低压电容器，
两个高压开关，连接在第一AC输入端子和所述高压电容器的相对端之间，
两个中间低压功率开关，连接在所述高压电容器的所述相对端和所述低压电容器的相对端之间，以及
两个端子低压功率开关，连接在所述低压电容器的所述相对端和第二AC端子之间，
其中，DC负载能够连接到所述高压电容器的所述相对端；
调制器，从转换器控制器接收参考信号；
状态选择电路，接收所述至少一个比较信号并输出状态信号；
切换脉冲发生器，接收所述状态信号并连接到所述功率开关的栅极。
25.根据权利要求24所述的功率转换器，其中所述两个高压开关是二极管。
26.根据权利要求24所述的功率转换器，其中所述转换电路是双向整流器/逆变器电路，其中所述电感器与以下串联连接：所述AC输入、所述低压电容器、连接在所述AC端口的所述第一AC端子与所述高压电容器的相对端之间的所述两个高压功率开关、连接在所述高压电容器的所述相对端与所述低压电容器的相对端之间的所述两个中间低压功率开关、以及连接在所述低压电容器的所述相对端与所述AC端口的所述第二AC端子之间的所述两个端子低压功率开关；
其中，所述多个DC端口中的每一个都连接到所述高压电容器的所述相对端；以及
其中，所述控制器在逆变模式下工作以产生信号波形并将所述信号波形施加到所述两个高压功率开关、所述两个中间低压功率开关和所述两个端子低压功率开关，所述信号波形包括用于使所述低压电容器串联连接到所述DC端口和所述AC端口并被充电至与所述DC端口的电压成比例的预定值的第一控制信号，以及用于使所述低压电容器与所述DC端口断开并与AC端口串联连接从而使低压电容器放电的第二控制信号。
27.根据权利要求10至16中任一项所述的功率转换器，进一步包括用于与转换电路控制器和所述开关控制器通信的接口。
28.根据权利要求10至17中任一项所述的功率转换器，其中所述转换电路控制器和所述开关控制器集成在主控制器中。
29.根据权利要求13至28中任一项所述的功率转换器，其中所述DC到DC转换电路是降压/升压DC到DC转换器电路。
30.根据权利要求10至29中任一项所述的功率转换器，其中所述至少一个功率转换电路进一步包括板外组件。
31.根据权利要求10至30中任一项所述的功率转换器，其中所述板外组件通过所述连接器背板连接到所述至少一个功率转换电路。
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