CN115208228A - 双向电力变换装置 - Google Patents

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黄少辉
黄伟平
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Abstract

本发明提供了一种双向电力变换装置，包括依次连接于AC电源和DC电源之间的第一双向变换器和第二双向变换器，控制第一双向变换器的第一主控板、控制第二双向变换器的第二主控板以及供电连接单元，第一主控板和第二主控板均包括一个控制模块和一个为该控制模块供电的供电模块；供电连接单元在DC电源失电时将第二供电模块和第一控制模块连通；在AC电源失电时将第一供电模块和第二控制模块连通。通过上述方案，本申请可以在一侧电源失电时采用另一侧电源向双向电力变换装置供电，从而保证双向电力变换装置的不间断供电，提高双向电力变换装置的可靠性。

Description

双向电力变换装置
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种双向电力变换装置。
背景技术
近年来，我国都在倡导低碳生活，而汽车的碳排放量比较大，因此我国的汽车行业也面临着向低碳、环保方面的转型问题。随着绿色能源概念的提出，电动汽车越来越多的出现，在电动汽车试推广的过程中，配套的电动汽车充电装置也是一种必须的设备。
电动汽车充电装置的输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于为电动汽车充电。为了避免电网断电等紧急情况，目前一些研究中设计了双向充电装置，将电动汽车作为一种分布式电源设备，通过双向充电装置实现电网向电动汽车供电以及电动汽车向电网充电，提高电能利用效率，但是双向充电装置的供电源通常取电于电网，当电网没电时，双向充电装置则无法实现电动汽车向电网的供电。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双向电力变换装置，能够解决电网没电情况下双向充电装置无法工作的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种双向电力变换装置，其包括：
第一双向变换器，其耦合DC电源；
第二双向变换器，其耦合AC电源和所述第一双向变换器，以与所述第一双向变换器共同实现所述DC电源与AC电源间的双向电力变换；
第一主控板，其上设有第一控制模块和第一供电模块，所述第一控制模块用于控制所述第一双向变换器；所述第一供电模块取电于所述DC电源，并用于为所述第一控制模块供电；
第二主控板，其上设有第二控制模块和第二供电模块；所述第二控制模块用于控制所述第二双向变换器；所述第二供电模块取电于所述AC电源，并用于为所述第二控制模块供电；和，
供电连接单元，其连接所述第一主控板和所述第二主控板，其在所述DC电源失电时将所述第二供电模块和所述第一控制模块连通，以使所述第二供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电；在所述AC电源失电时将所述第一供电模块和所述第二控制模块连通，以使所述第一供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电。
在一个可能的实施例中，所述供电连接单元包括第一二极管、第二二极管和第三二极管；
所述第一二极管的正极分别与所述第一供电模块的输出端及所述第二二极管的正极连接，所述第一二极管的负极分别与所述第三二极管的负极及所述第一控制模块的供电端连接；所述第二二极管的负极、所述第三二极管的正极分别与所述第二供电模块的输出端连接。
在一个可能的实施例中，所述供电连接单元包括第一二极管、第二二极管和第三二极管；
所述第一二极管的正极分别与所述第二供电模块的输出端及所述第二二极管的正极连接，所述第一二极管的负极分别与所述第三二极管的负极及所述第二控制模块的供电端连接；所述第二二极管的负极、所述第三二极管的正极分别与所述第一供电模块的输出端连接。
在一个可能的实施例中，所述供电连接单元在所述DC电源和所述AC电源均有电时，根据所述双向电力变换装置的工作方向改变连通状态，以使所述第一供电模块或所述第二供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电。
在一个可能的实施例中，在所述双向电力变换装置的工作方向为由所述DC电源流向所述AC电源时，所述供电连接单元改变自身连通状态，以使所述第一供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电；
在所述双向电力变换装置的工作方向为由所述AC电源流向所述DC电源时，所述供电连接单元改变自身连通状态，以使所述第二供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电。
在一个可能的实施例中，在所述双向电力变换装置的工作方向为由所述DC电源流向所述AC电源时，所述第一供电模块的输出端电压高于所述第二供电模块的输出端电压。
在一个可能的实施例中，在所述双向电力变换装置的工作方向为由所述AC电源流向所述DC电源时，所述第二供电模块的输出端电压高于所述第一供电模块的输出端电压。
在一个可能的实施例中，所述第一供电模块还取电于所述第一双向变换器和所述第二双向变换器之间的直流母线。
在一个可能的实施例中，所述第二供电模块还取电于所述第一双向变换器和所述第二双向变换器之间的直流母线。
在一个可能的实施例中，所述双向电力变换装置还包括第一隔离电源，所述第一隔离电源的输入端与所述第一供电模块的输出端连接，所述第一隔离电源的输出端连接所述第一控制模块中的隔离采样电路。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本发明提供了一种双向电力变换装置，包括依次连接于AC电源和DC电源之间的第一双向变换器和第二双向变换器，控制第一双向变换器的第一主控板、控制第二双向变换器的第二主控板以及供电连接单元，第一主控板和第二主控板均包括一个控制模块和一个为该控制模块供电的供电模块；供电连接单元在DC电源失电时将第二供电模块和第一控制模块连通；在AC电源失电时将第一供电模块和第二控制模块连通。双向电力变换装置由于存在双向工作的场景，这就要求第一双向变换器和第二双向变换器及对应的控制模块在双向工作时均需要工作。通过上述方案，本实施例将第一供电模块和第二供电模块从两种电源分别取电，并设置有可以配置各供电模块和各控制模块间连接关系的供电连接单元，使得本实施例可以在一侧电源失电时采用另一侧电源向双向电力变换装置的供电模块供电，从而保证双向电力变换装置的不间断供电，提高双向电力变换装置的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的双向电力变换装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的供电连接单元的电路图；
图3是本发明实施例提供的供电连接单元的另一种电路图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
如图1所示，图1示出了本发明实施例提供的一种双向电力变换装置的结构示意图，其包括：
第一双向变换器，其耦合DC电源；
第二双向变换器，其耦合AC电源和所述第一双向变换器，以与所述第一双向变换器共同实现所述DC电源与AC电源间的双向电力变换；
第一主控板，其上设有第一控制模块和第一供电模块，所述第一控制模块用于控制所述第一双向变换器；所述第一供电模块取电于所述DC电源，并用于为所述第一控制模块供电；
第二主控板，其上设有第二控制模块和第二供电模块；所述第二控制模块用于控制所述第二双向变换器；所述第二供电模块取电于所述AC电源，并用于为所述第二控制模块供电；和，
供电连接单元，其连接所述第一主控板和所述第二主控板，其在所述DC电源失电时将所述第二供电模块和所述第一控制模块连通，以使所述第二供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电；在所述AC电源失电时将所述第一供电模块和所述第二控制模块连通，以使所述第一供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电。
在本实施例中，双向电力变换装置100可以为双向充电装置，也可以为其他能够实现双向电力变换的变换器，本实施例以双向充电装置为例进行后续说明。
具体地，所述第一双向变换器10的第一直流端用于连接DC电源，所述第一双向变换器10的第二直流端连接第二双向变换器20的直流端，所述第二双向变换器20的交流端用于连接AC电源。其中DC电源可以为电动汽车等具有储电功能的设备，AC电源包括电网或其他交流用电设备。第一双向变换器10可以实现双向DCDC变换功能，第二双向变换器20可以实现双向DCAC变换功能。
在双向电力变换装置的工作方向为由所述DC电源流向所述AC电源时，双向电力变换装置工作于充电状态。具体的，第二控制模块40用于在监测到充电指令时，控制所述第二双向变换器20切换为充电状态，所述第一控制模块30在监测到充电指令时控制第一双向变换器10切换为充电状态，以使电网输入的交流电信号转换成直流电信号并向直流侧设备充电。
在双向电力变换装置的工作方向为由所述AC电源流向所述DC电源时，双向电力变换装置工作于放电状态。具体的，第一控制模块30用于若监测到放电指令，则控制第一双向变换器10切换为放电状态，所述第二控制模块40用于若监测到放电指令，则控制第二双向变换器20切换为放电状态，以使DC电源输出的直流电信号转换成交流电信号并输送至所述电网或交流用电装置。
具体地，第一双向变换器10在充电状态下实现直流第二端至直流第一端的降压功能，第二双向变换器20在充电状态下实现整流功能；第一双向变换器10在放电状态下实现直流第一端至直流第二端的升压功能，第二双向变换器20在所述放电状态下实现逆变功能。
在本实施例中，第一供电模块50和第二供电模块60均可以采用反激开关电源，第一供电模块50用于实现DC-DC的变换功能，第二供电模块60用于实现AC-DC、DC-DC的变换功能。
从上述实施例可知，本实施例可以实现双向电力变换装置的直流侧和交流侧取电，并在一侧电源无电时采用另一侧电源向第一控制模块和第二控制模块供电，从而保证双向电力变换装置100的不间断供电，提高双向电力变换装置100的可靠性。
在一个可能的实施例中，如图2所示，所述供电连接单元包括第一二极管、第二二极管和第三二极管；
所述第一二极管的正极分别与所述第一供电模块的输出端及所述第二二极管的正极连接，所述第一二极管的负极分别与所述第三二极管的负极及所述第一控制模块的供电端连接；所述第二二极管的负极、所述第三二极管的正极分别与所述第二供电模块的输出端连接。
在本实施例中，当双向电力变换装置100的DC电源有电而AC电源失电时，第一供电模块50建立，第一供电模块50在向第一控制模块30供电的同时，还可以通过第二二极管D2向第二控制模块40供电。当双向电力变换装置100的AC电源有电而DC电源没电时，第二供电模块60建立，第二供电模块60在向第二控制模块40供电的同时，还可以通过第三二极管D3向第一控制模块30供电。
在一个可能的实施例中，在供电连接单元如图2所示时，所述供电连接单元70还包括第四二极管；
所述第四二极管的正极与所述第二供电模块60的输出端连接，所述第四二极管的负极与所述第二二极管D2的负极连接。
在本实施例中，为了避免AC电源没电而DC电源有电时，第一供电模块50的输出电信号反灌至第二供电模块60，本实施例可以在第二供电模块60的输出端设置一个第四二极管，从而避免第二供电模块60损坏。
在一个可能的实施例中，如图3所示，所述供电连接单元包括第一二极管、第二二极管和第三二极管；
所述第一二极管的正极分别与所述第二供电模块60的输出端及所述第二二极管的正极连接，所述第一二极管的负极分别与所述第三二极管的负极及所述第二控制模块40的供电端连接；所述第二二极管的负极、所述第三二极管的正极分别与所述第一供电模块50的输出端连接。
在一个可能的实施例中，在供电连接单元如图3所示时，所述供电连接单元70还包括第五二极管；
所述第五二极管的正极与所述第一供电模块50的输出端连接，所述第五二极管的负极与所述第二二极管D2的负极连接。
在本实施例中，为了避免DC电源没电而AC电源有电时，第二供电模块60的输出电信号反灌至第一供电模块50，本实施例可以在第一供电模块50的输出端设置一个第五二极管，从而避免第一供电模块50损坏。
具体地，第一供电模块50和第二供电模块60的输出端电压可以相等，如此，可以实现在任一供电模块无输出电信号时，另一供电模块向无输出电信号的供电模块对应的控制模块供电，在两个供电模块均有电时，因二极管两端的电压相等，因此两个供电模块分别只向各自对应的控制模块供电。
在一个可能的实施例中，所述供电连接单元70在所述DC电源和所述AC电源均有电时，根据所述双向电力变换装置100的工作方向改变连通状态，以使所述第一供电模块50或所述第二供电模块60共同为所述第一控制模块30和所述第二控制模块40供电。
在一个可能的实施例中，在所述双向电力变换装置100的工作方向为由所述DC电源流向所述AC电源时，所述供电连接单元70改变自身连通状态，以使所述第一供电模块50共同为所述第一控制模块30和所述第二控制模块40供电；
在所述双向电力变换装置100的工作方向为由所述AC电源流向所述DC电源时，所述供电连接单元70改变自身连通状态，以使所述第二供电模块60共同为所述第一控制模块30和所述第二控制模块40供电。
在一个可能的实施例中，在所述双向电力变换装置100的工作方向为由所述DC电源流向所述AC电源时，所述第一供电模块50的输出端电压高于所述第二供电模块60的输出端电压。
在本实施例中，当供电连接单元如图2所示时，若第一供电模块50的输出端电压高于第二供电模块60的输出端电压，则第一开关管D1导通，第二开关管D2导通，但由于第一供电模块50的输出端电压高于第二供电模块60的输出端电压，因此第二供电模块60内部的二极管会被阻断，第二供电模块60无输出，因此第一供电模块50为第一控制模块30和第二控制模块40供电。
当供电连接单元如图3所示时，若第一供电模块50的输出端电压高于第二供电模块60的输出端电压，则第三开关管D3导通，第一开关管D1不导通，此时第一供电模块50为第一控制模块30和第二控制模块40供电。
在一个可能的实施例中，在所述双向电力变换装置100的工作方向为由所述AC电源流向所述DC电源时，所述第二供电模块60的输出端电压高于所述第一供电模块50的输出端电压。
当供电连接单元如图2所示时，若第二供电模块60的输出端电压高于第一供电模块50的输出端电压，则第三开关管D3导通，第一开关管D1不导通，此时第二供电模块60为第一控制模块30和第二控制模块40供电。
当供电连接单元如图3所示时，若第二供电模块60的输出端电压高于第一供电模块50的输出端电压，则第一开关管D1导通，第二开关管D2导通，但由于第二供电模块60的输出端电压高于第一供电模块50的输出端电压，因此第一供电模块50内部的二极管会被阻断，第一供电模块50无输出，因此第二供电模块60为第一控制模块30和第二控制模块40供电。
通过上述设置，本实施例可以实现AC电源或DC电源的优先取电，避免存在某一端电源在充电过程中还要放电的情况，提高双向电力变换装置的充放电效率。
进一步的，其他实施例中，还可以根据DC电源的性能参数来决定采用哪个供电模块对两个控制模块进行优先供电。例如，在DC电源为电动汽车的电池时，上述的性能参数可以为其对外输出功率或SOC等。以SOC为例，在DC电源被充电时，实时监控DC电源的SOC值，在SOC值低于预设阈值时，保持使用第二供电模块优先为两个控制模块供电，而在SOC值高于预设阈值后，改变供电方式，采用第一供电模块优先为两个控制模块供电。这样一来，在电池低电量时保证电池优先被充满，而在电池高电量时使用DC电源进行供电则可以拥有较高的供电效率。
在一个可能的实施例中，所述第一供电模块50还取电于所述第一双向变换器10和所述第二双向变换器20之间的直流母线。
在本实施例中，若当前DC电源无电而AC电源有电，则此时第二供电模块60分别向第一控制模块30和第二控制模块40供电，第一控制模块30开机，控制第一双向变换器10工作，第二控制模块40开机，控制第二双向变换器20工作，在双向电力变换装置100启动工作后，直流母线有电，此时，第一供电模块50从直流母线取电。
具体地，为了实施上述过程，本实施例可以在第一供电模块50的输入端设置一个单刀双掷开关，该单刀双掷开关的动端与第一供电模块50的输入端连接，该单刀双掷开关的一个静端与DC电源连接，该单刀双掷开关的另一个静端与双向电力变换装置100的直流母线连接，单刀双掷开关的控制端连接第一控制模块30，第一控制模块30在检测到直流母线有电而DC电源无电时，控制单刀双掷开关的动端与直流母线对应的静端连接，当第一控制模块30在检测到DC电源有电时，控制单刀双掷开关的动端与DC电源对应的静端连接。从而实现第一供电模块50输入端取电点的切换。
在一个可能的实施例中，所述第二供电模块60还取电于所述第一双向变换器10和所述第二双向变换器20之间的直流母线。
在本实施例中，若当前DC电源有电而AC电源无电，则此时第一供电模块50分别向第一控制模块30和第二控制模块40供电，第一控制模块30开机，控制第一双向变换器10工作，第二控制模块40开机，控制第二双向变换器20工作，在双向电力变换装置100启动工作后，直流母线有电，此时第二供电模块60从直流母线取电并向第二控制模块40供电。
具体地，为了实施上述过程，本实施例可以在第二供电模块60的输入端设置一个单刀双掷开关，该单刀双掷开关的动端与第二供电模块60的输入端连接，该单刀双掷开关的一个静端与双向电力变换装置100的AC电源连接，该单刀双掷开关的另一个静端与双向电力变换装置100的直流母线连接，单刀双掷开关的控制端连接第二控制模块40，第二控制模块40在检测到直流母线有电而AC电源无电时，控制单刀双掷开关的动端与直流母线对应的静端连接，当第二控制模块40在检测到AC电源有电时，控制单刀双掷开关的动端与AC电源对应的静端连接，从而实现第二供电模块60输入端取电点的切换。
在一个可能的实施例中，所述双向电力变换装置100还包括第一隔离电源，所述第一隔离电源的输入端与所述第一供电模块的输出端连接，所述第一隔离电源的输出端连接所述第一控制模块中的隔离采样电路。
在本实施例中，第一供电模块50直接输出的电信号主要向第一控制模块30中的主控板、驱动元件和风机供电；并通过第一隔离电源向第一控制模块30中的隔离采样电路供电，或者向通信电源供电。
在本实施例中，第一控制模块30和第二控制模块40共地。
在一个可能的实施例中，双向电力变换装置100还包括第二隔离电源，所述第二隔离电源的输入端与所述第二供电模块60的输出端连接，所述第二隔离电源的输出端连接所述第二控制模块40中的隔离采样电路。
在本实施例中，第二供电模块60直接输出的电信号主要向第二控制模块40中的主控板、驱动元件和风机供电；并通过第二隔离电源向第二控制模块40中的隔离采样电路供电，或者向第二控制模块40中的通信电源供电。
在本实施例中，供电模块输出的电信号可以为15V，在主控板上通过标准化电路使用芯片TPS54227DDAR转换成+5V，供主控板上芯片使用，+5V再通过标准化电路TPS70302转换成3.3V、1.2V供DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)使用(芯片电源以及采样电源都采用3.3V、1.2V)，另外+5V电源通过标准化电路采用TL431转换成1.82V基准电源。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双向电力变换装置，其特征在于，包括：
第一双向变换器，其耦合DC电源；
第二双向变换器，其耦合AC电源和所述第一双向变换器，以与所述第一双向变换器共同实现所述DC电源与AC电源间的双向电力变换；
第一主控板，其上设有第一控制模块和第一供电模块，所述第一控制模块用于控制所述第一双向变换器；所述第一供电模块取电于所述DC电源，并用于为所述第一控制模块供电；
第二主控板，其上设有第二控制模块和第二供电模块；所述第二控制模块用于控制所述第二双向变换器；所述第二供电模块取电于所述AC电源，并用于为所述第二控制模块供电；和，
供电连接单元，其连接所述第一主控板和所述第二主控板，其在所述DC电源失电时将所述第二供电模块和所述第一控制模块连通，以使所述第二供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电；在所述AC电源失电时将所述第一供电模块和所述第二控制模块连通，以使所述第一供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电。
2.如权利要求1所述的双向电力变换装置，其特征在于，所述供电连接单元包括第一二极管、第二二极管和第三二极管；
所述第一二极管的正极分别与所述第一供电模块的输出端及所述第二二极管的正极连接，所述第一二极管的负极分别与所述第三二极管的负极及所述第一控制模块的供电端连接；所述第二二极管的负极、所述第三二极管的正极分别与所述第二供电模块的输出端连接。
3.如权利要求1所述的双向电力变换装置，其特征在于，所述供电连接单元包括第一二极管、第二二极管和第三二极管；
所述第一二极管的正极分别与所述第二供电模块的输出端及所述第二二极管的正极连接，所述第一二极管的负极分别与所述第三二极管的负极及所述第二控制模块的供电端连接；所述第二二极管的负极、所述第三二极管的正极分别与所述第一供电模块的输出端连接。
4.如权利要求2或3所述的双向电力变换装置，其特征在于，所述供电连接单元在所述DC电源和所述AC电源均有电时，根据所述双向电力变换装置的工作方向改变连通状态，以使所述第一供电模块或所述第二供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电。
5.如权利要求4所述的双向电力变换装置，其特征在于，
在所述双向电力变换装置的工作方向为由所述DC电源流向所述AC电源时，所述供电连接单元改变自身连通状态，以使所述第一供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电；
在所述双向电力变换装置的工作方向为由所述AC电源流向所述DC电源时，所述供电连接单元改变自身连通状态，以使所述第二供电模块共同为所述第一控制模块和所述第二控制模块供电。
6.如权利要求5所述的双向电力变换装置，其特征在于，在所述双向电力变换装置的工作方向为由所述AC电源流向所述DC电源时，所述第二供电模块的输出端电压高于所述第一供电模块的输出端电压。
7.如权利要求5所述的双向电力变换装置，其特征在于，在所述双向电力变换装置的工作方向为由所述DC电源流向所述AC电源时，所述第一供电模块的输出端电压高于所述第二供电模块的输出端电压。
8.如权利要求1所述的双向电力变换装置，其特征在于，所述第一供电模块还取电于所述第一双向变换器和所述第二双向变换器之间的直流母线。
9.如权利要求1所述的双向电力变换装置，其特征在于，所述第二供电模块还取电于所述第一双向变换器和所述第二双向变换器之间的直流母线。
10.如权利要求1所述的双向电力变换装置，其特征在于，所述双向电力变换装置还包括第一隔离电源，所述第一隔离电源的输入端与所述第一供电模块的输出端连接，所述第一隔离电源的输出端连接所述第一控制模块中的隔离采样电路。
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