CN210327401U - 一种多向功率流隔离式多端口变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电动汽车领域，公开了一种多向功率流隔离式多端口变流器，包括双向AC‑DC转换器、三有源电桥转换器以及若干组直流单元，直流单元包括单向DC‑DC转换器、光伏发电模块、储能转换器和储能装置；双向AC‑DC转换器一端连接电网侧或交流输出接口，另一端与三有源电桥转换器的原边侧并联，三有源电桥转换器的副边侧依次并联单向DC‑DC转换器和储能转换器；储能转换器包括若干组并联的储能转换单元，每个储能转换单元均包括两个串联的第一功率开关管，且其中一个第一功率开关管与储能装置并联；光伏发电模块与单向DC‑DC转换器并联。实现了储能装置的功率流多端转换，每个功率转换级结构简单、效率高，并通过三有源电桥转换器有效解决了电流隔离的问题。

Description

一种多向功率流隔离式多端口变流器

技术领域

本实用新型属于电动汽车领域，涉及一种多向功率流隔离式多端口变流器。

背景技术

在直流微电网中，智能电动汽车与其他能量存储单元可一起用于在高峰时段向负载供电，使负载变化引起的电网波动尽量最小化，并改善电力质量。为了实现这些目标，需要一个隔离的混合多端口转换器来控制功率流并平衡可再生能源、电动汽车和电网之间的能量。

目前，有研究者提出一种双向降压-升压型DC-DC转换器，是一种适应性较强的控制器，用于连接电网与智能充电汽车，以便在高峰时段为负载供电，减少负载波动对电网稳定性的影响，所提出的拓扑结构具有多个功率转换级，会降低转换效率，且没有考虑电流隔离等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中变流器的转换效率低，且没有考虑电流隔离的缺点，提供一种多向功率流隔离式多端口变流器。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种多向功率流隔离式多端口变流器，包括双向AC-DC转换器、三有源电桥转换器以及若干组直流单元，直流单元包括单向DC-DC转换器、光伏发电模块、储能转换器和储能装置；双向AC-DC转换器一端连接电网侧或交流输出接口，另一端与三有源电桥转换器的原边侧并联，三有源电桥转换器的副边侧依次并联单向DC-DC转换器和储能转换器；储能转换器包括若干组并联的储能转换单元，每个储能转换单元均包括两个串联的第一功率开关管，且其中一个第一功率开关管与储能装置并联；光伏发电模块与单向DC-DC转换器并联。

本实用新型进一步的改进在于：

所述双向AC-DC转换器包括第一开关组和第二开开关组；第一开关组和第二开开关组并联连接，第一开关组包括串联连接的第二功率开关管和第三功率开关管，第二开开关组包括串联连接的第四功率开关管和第五功率开关管；第二功率开关管和第三功率开关管的连接线与电网侧高压端或交流输出接口高压端连接；第四功率开关管和第五功率开关管的连接线与电网侧低压端或交流输出接口低压端连接；第二功率开关管和第五功率开关管的连接线与三有源电桥转换器的原边侧高压端连接，第三功率开关管和第四功率开关管的连接线与三有源电桥转换器的原边侧低压端连接。

所述三有源电桥转换器包括多绕组变压器、原边侧和若干副边侧；多绕组变压器包括原边绕组和若干副边绕组；原边侧一端并联双向AC-DC转换器，另一端并联多绕组变压器的原边绕组；副边侧一端并联副边绕组，另一端并联直流单元。

所述原边侧包括电容、第一开关组和第二开开关组；第一开关组和第二开开关组并联连接，第一开关组包括串联连接的第二功率开关管和第三功率开关管，第二开开关组包括串联连接的第四功率开关管和第五功率开关管；电容与双向AC-DC转换器并联，且电容一端连接第二功率开关管，另一端连接第三功率开关管；第四功率开关管和第五功率开关管的连接线与原边绕组的两端均连接。

所述副边侧包括电容、第一开关组和第二开开关组；第一开关组和第二开开关组并联连接，第一开关组包括串联连接的第二功率开关管和第三功率开关管，第二开开关组包括串联连接的第四功率开关管和第五功率开关管；电容与单向DC-DC转换器并联，且电容一端连接第四功率开关管，另一端连接第五功率开关管；第二功率开关管和第三功率开关管的连接线与副边绕组的一端连接，第四功率开关管和第五功率开关管的连接线与副边绕组的另一端连接。

所述单向DC-DC转换器包括串联的二极管和第二功率开关管；二极管正极与第二功率开关管集电极连接，第二功率开关管与光伏发电模块并联。

所述储能装置包括电感和电动车电池/高压电池；电感与电动车电池/高压电池串联后与其中一个第一功率开关管并联。

所述光伏发电模块包括电感和光伏发电单元；电感和光伏发电单元串联后与单向DC-DC转换器并联。

还包括电容；电容一侧并联电网侧，另一侧并联双向AC-DC转换器；电容高压端与双向AC-DC转换器的连接线上设置电感。

还包括DSP芯片和PWM控制器；

PWM控制器一端连接DSP芯片，另一端与双向AC-DC转换器、三有源电桥转换器以及若干组直流单元的功率开关管均连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

通过设置单向DC-DC转换器和光伏发电模块，实现光伏发电模块与储能装置之间的功率流动，仅通过单向DC-DC转换器功率转换级，结构简单且转换效率高；通过设置储能转换器实现储能装置之间的功率流动，不需其他额外转换级，转换效率高；通过设置双向AC-DC转换器，实现电网侧和储能装置之间的功率流动，实现多向功率流多端口流动，充分平衡功率能量。同时，设计三有源电桥转换器，通过三有源电桥转换器的磁链有效的起到电流隔离的作用，并且三有源电桥转换器的副边侧扩展到多个不同的直流总线，能够连接更多的直流电压源，充分满足使用需求。

进一步的，设置电容和电感作为滤波电容和等效漏感，减小电网侧的交流电的波动。

进一步的，设置DSP芯片和PWM控制器，通过DSP芯片控制PWM控制器生成控制信号，进而控制双向AC-DC转换器、三有源电桥转换器以及若干组直流单元的功率开关管的通断，实现功率流向控制。

附图说明

图1为本实用新型的多向功率流隔离式多端口变流器电路拓扑图；

图2为本实用新型的能量流动示意图。

其中：1-电网侧；2-双向AC-DC转换器；3-三有源电桥转换器；4-单向DC-DC转换器；5-储能转换器；6-原边侧；7-副边侧；G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8、G9、G10、G11、G12、G13、G14、G15、G16、G17、G18、G19、G20、G21、G22、G23、G24、G25和G26均为功率开关管；C1、C2、C3和C4均为电容；L1、L2、L3、L4、L5、L6和L7均为电感。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1，本实用新型多向功率流隔离式多端口变流器，包括双向AC-DC转换器2、三有源电桥转换器3以及若干组直流单元，直流单元包括单向DC-DC转换器4、光伏发电模块、储能转换器5和储能装置；双向AC-DC转换器2一端连接电网侧1或交流输出接口，另一端与三有源电桥转换器3的原边侧6并联，三有源电桥转换器3的副边侧7依次并联单向DC-DC转换器4和储能转换器5；储能转换器5包括若干组并联的储能转换单元，光伏发电模块与单向DC-DC转换器4并联；还包括电容C1，电容C1一侧并联电网侧1，另一侧并联双向AC-DC转换器2；电容高压端与双向AC-DC转换器2的连接线上设置电感L1；还包括DSP芯片和PWM控制器；PWM控制器一端连接DSP芯片，另一端与双向AC-DC转换器2、三有源电桥转换器3以及若干组直流单元的功率开关管均连接。

每个储能转换单元均包括两个串联的功率开关管，本实施例中设置两个储能转换单元，其中一个储能转换单元包括串联的功率开关管G14和功率开关管G15，另一个储能转换单元包括串联的功率开关管G16和功率开关管G17；功率开关管G14和功率开关管G16与储能装置并联。

双向AC-DC转换器2包括功率开关管G1、功率开关管G2、功率开关管G3和功率开关管G4；功率开关管G1和功率开关管G2串联形成一组开关组，功率开关管G3和功率开关管G4串联形成一组开关组，这两组开关组并联；功率开关管G1和功率开关管G2的连接线与电网侧1高压端或交流输出接口高压端连接；功率开关管G3和功率开关管G4的连接线与电网侧1低压端或交流输出接口低压端连接；功率开关管G1和功率开关管G4的连接线与三有源电桥转换器3的原边侧6高压端连接，功率开关管G2和功率开关管G3的连接线与三有源电桥转换器3的原边侧6低压端连接。

三有源电桥转换器3包括多绕组变压器、原边侧6和若干副边侧7；多绕组变压器包括原边绕组和若干副边绕组；原边侧6一端并联双向AC-DC转换器2，另一端并联多绕组变压器的原边绕组；副边侧7一端并联副边绕组，另一端并联直流单元。原边侧6包括电容C2、功率开关管G5、功率开关管G6、功率开关管G7和功率开关管G8；功率开关管G5和功率开关管G6串联形成一组开关组，功率开关管G7和功率开关管G8串联形成一组开关组，这两组开关组并联；电容与双向AC-DC转换器2并联，且电容C2一端连接功率开关管G5，另一端连接功率开关管G6；功率开关管G7和功率开关管G8的连接线与原边绕组的两端均连接。副边侧7包括电容C3、功率开关管G9、功率开关管G10、功率开关管G11和功率开关管G12；功率开关管G9和功率开关管G10串联形成一组开关组，功率开关管G11和功率开关管G12串联形成一组开关组，这两组开关组并联；电容C3与单向DC-DC转换器4并联，且电容C3一端连接功率开关管G11，另一端连接功率开关管G12；功率开关管G9和功率开关管G10的连接线与副边绕组的一端连接，功率开关管G11和功率开关管G12的连接线与副边绕组的另一端连接。本实施例中，副边侧设置两组，两组副边侧内部连接相同，不再赘述。

单向DC-DC转换器4包括串联的二极管D1和功率开关管G13；二极管D1正极与功率开关管G13漏极连接，功率开关管G13与光伏发电模块并联。本实施例中，单向DC-DC转换器4对应两个副边侧设置两组，两组的连接关系相同，不再赘述。

储能装置包括电感L3、电感L4、电动车电池和高压电池；电感L3与电动车电池串联与功率开关管G14并联，电感L4与高压电池串联后与功率开关管G16并联。本实施例中，储能装置对应单向DC-DC转换器4设置两组，两组的连接关系相同，不再赘述。

光伏发电模块包括电感L2和光伏发电单元；电感L2和光伏发电单元串联后与单向DC-DC转换器4并联。

所有功率开关管均采用绝缘栅极双极型晶体管IGBT，选择CT60AM-20型号，最大电流为60A,最大承受电压为1000V，够承受大脉冲电流，开通速度快，驱动功率小。电感L2、L3、L4、L5、L6和L7均为储能电感取3.0mh，光伏发电模块选取CXG240-IP-60，最佳工作电流为7.68A，最佳工作电压为31.3V，功率为240W；电动车电池型号选取6-QAW-54a，额定电压为12V，额定容量为54Ah；高压电池选择额定电压为12V，容量为40Ah的磷酸铁锂电池。

本实用新型的工作原理：

电网侧电压为Vg，设定为已知峰值、频率的正弦交流电，其中C1为滤波电容，通常取500μf，L1为等效漏感，通常为2.2mh。参见图2，光伏发电模块、储能装置以及电网之间的能量流动模式，共有4模式：

(1)光伏发电模块发电量充足，此时，光伏发电模块给电动汽车充电，此时G15导通，能量从光伏发电模块正极经过电感L2和二极管D1及导通的G15流向电动汽车电池，最后回到光伏发电模块负极。

(2)光伏发电模块发电量不够给电动汽车供电时，则由储能装置和光伏发电模块共同给电动汽车充电，G15导通完成光伏发电模块给电动汽车充电的过程，工作过程如模式(1)所示；G15导通同时完成高压电池给电动汽车充电，过程如下：能量从高压电池的正极经过储能电感L4和与G17反并联的二极管，再经过G15流向电动汽车，最后回到高压电池的负极。

(3)考虑极限情况，即没有光伏发电模块工作，高压电池也不能满足电动汽车所需电量，此时，电动汽车就需要从电网上取电以满足自身需求，此时，G2、G3导通，G5、G7同时导通，经过一个相位差后，G9、G11同时导通，能量由相位超前的一侧传输到相位滞后的一侧，即从电网侧传输到电动汽车侧，最后流经导通的G15流向电动汽车电池。

(4)当光伏发电模块电量满足充电汽车的需求，此时，光伏发电模块剩余的电量可以存储到高压电池中，G17导通完成光伏发电模块给高压充电，工作过程如下，能量从光伏发电模块正极经过储能电感L4和二极管D1，再经过G17流向高压电池，最后回到光伏发电模块负极。

DSP芯片将监测到的光伏电池电量、电动汽车电量及储能电池电量作为控制信号，由剩余电量判断其系统的工作模式，得到控制信号并发送至PWM控制器。本实用新型DSP芯片选用DSP28335，其配置了64各I/O口，能够输出最多18路的PWM信号。PWM控制器根据控制信号生成控制脉冲信号并发送至功率开关管，通过控制脉冲信号控制功率开关管的开启和关闭。

本实用新型结合了一般的多端口双主动桥(DAB)/三有源电桥(TAB)转换器3，双向AC-DC转换器2和DC-DC单向转换器4，三有源电桥转换器3的原边侧和储能转换器5构成双向DC-DC转换器，采用双向DC-DC转换器来连接储能装置，用来控制储能装置的充放电操作；采用双向AC-DC转换器2及单/双向DC-DC转换器用来实现电动汽车电池、光伏发电模块及电网之间的能量流动；采用基于磁链的三有源电桥转换器用来控制系统中的功率流，其中磁链起到电流隔离的作用；除此之外，通过三有源电桥转换器的多绕组变压器扩展到多个不同的直流总线，能够连接更多的直流电压源。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多向功率流隔离式多端口变流器，其特征在于，包括双向AC-DC转换器(2)、三有源电桥转换器(3)以及若干组直流单元，直流单元包括单向DC-DC转换器(4)、光伏发电模块、储能转换器(5)和储能装置；

双向AC-DC转换器(2)一端连接电网侧(1)或交流输出接口，另一端与三有源电桥转换器(3)的原边侧(6)并联，三有源电桥转换器(3)的副边侧(7)依次并联单向DC-DC转换器(4)和储能转换器(5)；

储能转换器(5)包括若干组并联的储能转换单元，每个储能转换单元均包括两个串联的第一功率开关管，且其中一个第一功率开关管与储能装置并联；

光伏发电模块与单向DC-DC转换器(4)并联。

2.根据权利要求1所述的多向功率流隔离式多端口变流器，其特征在于，所述双向AC-DC转换器(2)包括第一开关组和第二开开关组；第一开关组和第二开开关组并联连接，第一开关组包括串联连接的第二功率开关管和第三功率开关管，第二开开关组包括串联连接的第四功率开关管和第五功率开关管；

第二功率开关管和第三功率开关管的连接线与电网侧(1)高压端或交流输出接口高压端连接；第四功率开关管和第五功率开关管的连接线与电网侧(1)低压端或交流输出接口低压端连接；第二功率开关管和第五功率开关管的连接线与三有源电桥转换器(3)的原边侧(6)高压端连接，第三功率开关管和第四功率开关管的连接线与三有源电桥转换器(3)的原边侧(6)低压端连接。

3.根据权利要求1所述的多向功率流隔离式多端口变流器，其特征在于，所述三有源电桥转换器(3)包括多绕组变压器、原边侧(6)和若干副边侧(7)；多绕组变压器包括原边绕组和若干副边绕组；

原边侧(6)一端并联双向AC-DC转换器(2)，另一端并联多绕组变压器的原边绕组；副边侧(7)一端并联副边绕组，另一端并联直流单元。

4.根据权利要求3所述的多向功率流隔离式多端口变流器，其特征在于，所述原边侧(6)包括电容、第一开关组和第二开开关组；第一开关组和第二开开关组并联连接，第一开关组包括串联连接的第二功率开关管和第三功率开关管，第二开开关组包括串联连接的第四功率开关管和第五功率开关管；

电容与双向AC-DC转换器(2)并联，且电容一端连接第二功率开关管，另一端连接第三功率开关管；第四功率开关管和第五功率开关管的连接线与原边绕组的两端均连接。

5.根据权利要求3所述的多向功率流隔离式多端口变流器，其特征在于，所述副边侧(7)包括电容、第一开关组和第二开开关组；第一开关组和第二开开关组并联连接，第一开关组包括串联连接的第二功率开关管和第三功率开关管，第二开开关组包括串联连接的第四功率开关管和第五功率开关管；

电容与单向DC-DC转换器(4)并联，且电容一端连接第四功率开关管，另一端连接第五功率开关管；第二功率开关管和第三功率开关管的连接线与副边绕组的一端连接，第四功率开关管和第五功率开关管的连接线与副边绕组的另一端连接。

6.根据权利要求1所述的多向功率流隔离式多端口变流器，其特征在于，所述单向DC-DC转换器(4)包括串联的二极管和第二功率开关管；二极管正极与第二功率开关管集电极连接，第二功率开关管与光伏发电模块并联。

7.根据权利要求1所述的多向功率流隔离式多端口变流器，其特征在于，所述储能装置包括电感和电动车电池/高压电池；电感与电动车电池/高压电池串联后与其中一个第一功率开关管并联。

8.根据权利要求1所述的多向功率流隔离式多端口变流器，其特征在于，所述光伏发电模块包括电感和光伏发电单元；电感和光伏发电单元串联后与单向DC-DC转换器(4)并联。

9.根据权利要求1所述的多向功率流隔离式多端口变流器，其特征在于，还包括电容；电容一侧并联电网侧(1)，另一侧并联双向AC-DC转换器(2)；电容高压端与双向AC-DC转换器(2)的连接线上设置电感。

10.根据权利要求1所述的多向功率流隔离式多端口变流器，其特征在于，还包括DSP芯片和PWM控制器；

PWM控制器一端连接DSP芯片，另一端与双向AC-DC转换器(2)、三有源电桥转换器(3)以及若干组直流单元的功率开关管均连接。

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