TWI823877B - 電池充電器、電力轉換器及管理功耗的方法 - Google Patents

Abstract

一種電池充電器，其能夠接收單相交流電力並且根據本文揭露的不同實施例向電力儲存電池輸送交流和直流電力。交流輸入從電力入口接收單相電力，一個開關連接到交流輸入，進一步連接到交流輸出或到電力轉換器，該電力轉換器響應於充電電壓值和期望充電電流值，以將電力轉換為可變直流電壓，其可變電流不超過期望的直流負載的充電電流值。電力轉換器具有至少一個高電壓電容器，用於以高於交流輸入的峰值電壓的升壓的電壓儲存。

Description

電池充電器、電力轉換器及管理功耗的方法

本申請案請求於2018年4月20日提交的美國臨時專利申請案第62/660,530號的優先權，其說明書通過引用結合於此。

本發明涉及電池充電系統領域，例如用於電動車輛的電池充電系統。本發明還涉及電力轉換器領域，例如在住宅電壓和功率下工作的整流器。

該部分旨在提供申請專利範圍中記載的本發明的背景或上下文。這裡的描述可以包括需要達到的概念，但不一定是先前已經構思或追求的概念。因此，除非本文另有說明，否則本部分中描述的內容不是本申請案中的說明書和申請專利範圍的現有技術，並且不因包括在本部分中而被認為是現有技術。

目前，一種電動汽車(E-V)通常包含電池組和電池充電系統。電池組通常需要直流電(D-C)輸入以給電池充電。為此，提供了一種車載充電電路，其將通常在家中所用的交流電力轉換為用於電池組的直流輸入。在通常稱為「1級」和「2級」充電的情況下，電池充電系統具有家用或類似的交流電，其轉換為直流以供給電池組。1級和2級充電主要取決於供電量，有時也取決於電壓。

「3級」充電通常是指直流充電，其可以涉及高功率下的直流電流，例如高於350V的電壓和高電流，導致充電功率通常高於15kW並且高達160kW。3級充電站是商業充電站，旨在儘快為EV充電。使用目前的EV電池，可以實現非常快速的充電，到達電池充電容量的約75%至80%。對於一些電動車電池，可以高功率充電，15到20分鐘內完成15%到80%的電池充電。在此之後，充電非常慢，例如，將充電位準從80%提高到99%可能需要數小時。通常會鼓勵客戶離開充電站，以便其他客戶可以為他們的車輛充電。這種快速充電便於商業充電站的操作；然而，經受這種高功率充電可以縮短某些EV電池的壽命。例如，就電池壽命而言，優選允許2小時從電池充電15%至80%而不是20分鐘。

用於這種充電的直流電源由三相電源供電，這些電源通常可用於商業安裝而不是住宅。三相交流電可以有效地轉換為直流電。通常，這種充電在住宅中是不可用的，其中可用功率通常也限制在60kW以下。例如，在某些地方，住宅的電源面板可以在240V(RMS)下限制在200A，使所有家庭使用的總可用功率為48kW。通過使用主斷路器提供這樣的功率限制，通常使用「超額預訂」假設確定尺寸的本地配電變壓器，作為在統計上對應於過多的住宅使用太多電力的過載保護。此外，當從單相交流電流源啟動時，3級充電需要整流器電路，由於成本問題以及其他原因，該整流器電路通常不在家中提供。

當前的住宅汽車充電系統基本上表現得像高功率設備，例如衣物烘乾機。在2級充電中，功率通常限制在約7kW或更低，這是與乾衣機相當的負載(240V時30安培是7.2kW)。安裝在家中的充電單元通過斷路器電路將市電交流電源連接到車輛，使得車輛的車載交流到直流轉換電路可以為車輛電池充電。

大多數電動車輛允許「快速」直流充電，在這種情況下，交流到直流轉換器在EV外部。直流充電的優點不僅在於充電功率可以大於車輛中的交 流到直流轉換器的容量，而且轉換效率不依賴於製造商在製造車輛時提供的轉換器。如果可以有效地為住宅提供直流充電，則可以省略重且昂貴的2級充電設備。

對於2級功耗，車輛充電將導致住宅電力入口或主電路板汲取超過其允許的功率預算(從而導致主斷路器跳閘，導致面板與配電變壓器斷開連接)的概率很低。然而，當大多數家用電器面板增加大於7kW的負載時，並且持續數小時，超過家用電器面板的總功率預算的風險增加了。

本專利申請案提供了可以單獨或組合應用的補充改進。第一個改進涉及用於直流充電的改進的整流器。在一個方面，改進的整流器具有高電壓電容器模組，其可在充電器內容易地更換。在另一個方面，該充電器包括一背板和葉片架構，其允許分佈在多個較低功率葉片模組上，進行交流到直流轉換，以便使用葉片模組提供各自小於約5kVA，使得葉片模組的組合可以提供超過10kVA(並且優選地超過20kVA)的交流單相電力到直流充電電力輸出的電力轉換。第二個改進涉及一種電池充電系統，其允許功率位準用於電池充電，如果所有非充電負載連接到同時使用其負載的入口，則該功率位準將超過電力入口的標稱預算。因此，根據第二改進，基於非充電負載功耗的建模和/或歷史監控來進行非充電負載功耗的基於時間的預測。第三改進涉及具有充電功率程序模組的電力轉換器，該充電功率程序模組具有用於接收定義充電攻擊性參數的用戶輸入的用戶輸入介面，其中充電功率程序模組響應於充電攻擊性參數隨時間控制電流位準。第四改進涉及一種用於從電力轉換器移除和替換高電壓電容器的插座型連接器。第五改進涉及具有能夠在雙向狀態下工作的電路的電力轉換器， 除了提供配合交流輸入作為整流器的直流充電能力之外，它還能夠將電壓/電流從直流轉換為交流作為反相器，因此，提供來自電動汽車直流電池的交流輸出。

在一些實施例中，電池充電器轉換單相交流電力並將直流電力輸送到電力儲存電池。交流輸入從電力入口接收單相電力，電力轉換器連接到交流輸入並響應充電電壓值和期望的充電電流值以將電力轉換為可變直流電壓，其可變電流不超過期望的直流負載的充電電流值。電力轉換器具有至少一個高電壓電容器，用於以高於交流輸入的峰值電壓的升壓的電壓儲存。

在一些實施例中，充電器電路可以在雙向狀態下進行操作，則能夠使電壓/電流從交流轉換成直流作為整流器或從直流向交流作為反相器，因此，從電動汽車的直流電池提供交流輸出。

在本揭露的一個方面，充電器電路只能作為整流器工作，通過更換連接在充電器電路中的高電壓電容器的第一端子和相應的相對端之間的兩個高電壓開關為兩個二極體，以單向方式將交流電壓轉換為直流，作為單向充電器。

這裡，在整流器或反相器模式下工作的電池充電器轉換器，可以分別稱為電池充電器整流器或電池充電器反相器(inverter)。

在一些實施例中，本文所揭露的電池充電器具有交流輸入的外殼(其用於從電力入口接收單相電力)、交流輸出、以及直流輸出，其中開關連接在交流輸入和交流輸出之間。該開關還連接到背板，該背板具有一個或多個適於接收一個或多個直流電力轉換器模組的模組連接器。在交流模式中，開關閉合並且將交流輸入連接到交流輸出，從而為電力儲存電池提供交流電流。在直流模式下，開關斷開，交流輸入連接到直流電力轉換器組件，向直流輸出提供直流電流。

在一個實施例中，充電器具有模組連接器，適於接收一個或多個直流電力轉換器模組，但不具有原始安裝在殼體內的向用戶提供一個2級交流EV電池充電器的直流電力轉換器模組。直流電力轉換器模組可以在以後的時間被添加到充電器，以升級到3級直流EV充電器。

在一個其它方面，本發明提供了一種便攜式直流充電單元，其用於電動車輛。直流便攜單元包括具有連接器背板的殼體，該連接器背板具有用於接收至少一個模組的多個插座，所述模組包括電池整流器電路、從交流電源接收交流電流的交流輸入、和通過直流電纜連接到車輛的直流輸出。

在另一個廣泛的方面，本揭露提供了一種連接到交流輸入的電力轉換器，其將來自交流輸入的電力轉換為直流，包括至少一個高電壓電容器，用於以高於交流輸入的峰值電壓升壓的電壓儲存電力，整流器電路。整流器包括與交流輸入串聯連接的電感器，低電壓電容器，以及連接在第一交流輸入端子和高電壓電容器的相對端之間的兩個二極體或者可選地兩個高電壓開關，兩個中間低電壓電源開關連接在高電壓電容器的相對端和低電壓電容器的相對端之間，並且兩個端子低電壓電源開關連接在低電壓電容器的相對端和第二交流端子之間，其中直流負載可以連接到高電壓電容器的相對端。電力轉換器復包括控制器，該控制器具有至少一個感測器，用於感測整流器電路中的電流和/或電壓，並連接到兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關的閘極輸入。

在一些實施例中，控制器可操作地用於使整流器電路以升壓模式操作，其中高電壓電容器的電壓高於交流輸入的峰值電壓，並且兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關響應於低電壓電容器處存在的電壓的測量，以冗餘開關狀態切換，以便將低電壓電容器保持在高電壓電容器的期望電壓 的預定部分，從而保持高電壓電容器在所需的高電壓下，整流器電路提供直流負載和吸收功率，形成五級有源整流器，在交流輸入端具有低諧波。

在一些實施例中，電力轉換器代替整流器電路具有雙向整流器/反相器電路和兩個控制器，而不是一個能夠作為整流器和反相器雙向工作的控制器。雙向整流器/反相器電路包括與交流埠串聯連接的電感器，低電壓電容器，連接在第一交流端子和高電壓電容器的相對端之間的兩個高電壓電源開關，兩個中間低電壓電源開關連接在高電壓電容器的相對端和低電壓電容器的相對端之間，以及連接在低電壓電容器的相對端和第二交流端子之間的兩個端子低電壓電源開關；其中，直流埠可以連接到高電壓電容器的相對兩端。電力轉換器復包括用於整流器模式的第一控制器，其具有至少一個感測器，用於感測雙向整流器/反相器中的電流和/或電壓並且連接到兩個高電壓電源開關的閘極輸入、兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關，用於使整流器電路工作在升壓模式，其中高電壓電容器的電壓高於交流輸入的峰值電壓，並控制兩個高電壓電源開關以交流輸入的頻率接通和斷開，並且兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關響應於低電壓電容器處存在的電壓的測量，以冗餘開關狀態切換，以便將低電壓電容器保持在高電壓電容器的期望電壓的預定部分，從而保持高電壓電容器在所需的高電壓下，整流器電路提供直流負載和吸收功率，形成五級有源整流器，在交流輸入端具有低諧波。電力轉換器復具有用於反相器模式的第二控制器，其連接到兩個高電壓電源開關、兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關，並且被配置為產生並應用於兩個高電壓電源開關、兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關的信號波形，包括第一控制信號，用於使低電壓電容器與直流埠和交流埠串聯連接，並充電到與電壓成比例的 預定值直流埠，和第二控制信號用於使低電壓電容器與直流埠斷開，並與交流埠串聯連接，從而使低電壓電容器放電。

在一個方面，本揭露提供了一種電池充電器，用於轉換單相交流電力並將直流電力輸送到電力儲存電池。充電器包括用於從電力入口接收單相電力的交流輸入，用於與電力儲存電池連接並接收充電電壓值和期望的充電電流值的電池充電控制器介面，連接到交流輸入的電力轉換器並且其響應於充電電壓值和期望的充電電流值，以根據充電電壓值以及在不超過直流負載情況下的期望的充電電流值的可變電流下，將來自交流輸入的電力轉換為在可變電壓的直流輸出處的直流電，電力轉換器包括至少一個高電壓電容器，用於以高於交流輸入的峰值電壓的升壓的電壓儲存電力。充電器的特徵還在於以下之一：

-在一些實施例中，電力轉換器包括入口功率感測器和電力汲取增加預測模組，該入口功率感測器用於測量由來自其配電變壓器的電力入口處汲取的功率的電力入口功率感測器，而電力汲取增加預測模組具有用於接收所汲取的功率的值的輸入和提供在電力入口處所汲取的功率中最大可能跳躍的值的輸出，電力轉換器被配置為限制電力轉換器輸出的電流位準，以便在所汲取的功率中最大可能跳躍發生時防止電力入口處所汲取的功率超過預定限制；

-在一些實施例中，電力轉換器包括充電功率程序模組，其具有用戶輸入介面，用於接收定義充電攻擊性參數的用戶輸入，其中充電功率程序模組響應於充電攻擊性參數隨時間控制電流位準。

-在一些實施例中，充電器復包括插座型連接器，用於從電力轉換器移除和替換高電壓電容器。

-在一些實施例中，電力轉換器包括整流器電路，其包括與交流輸入串聯連接的電感器，低電壓電容器，連接在第一交流輸入端子和高電壓電容器的相對端之間的兩個高電壓電源開關，連接在高電壓電容器的相對端和低電壓電容器的相對端之間的兩個中間低電壓電源開關，以及連接在低電壓電容器的相對端和第二交流端子之間的兩個端子低電壓電源開關，其中直流負載可以連接到高電壓電容器的相對端。電力轉換器復包括控制器，該控制器具有至少一個感測器，用於感測整流器電路中的電流和/或電壓，並連接到兩個高電壓電源開關，兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關的閘極輸入，用於使整流器電路在升壓模式下工作，其中高電壓電容器的電壓高於交流輸入的峰值電壓，並且控制兩個高電壓電源開關以交流輸入的頻率為接通和斷開，兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關響應於低電壓電容器上存在的電壓的測量而以冗餘開關狀態切換，以便將低電壓電容器保持在高電壓電容器的所需電壓的預定部分，並因此將高電壓電容器保持在所需的高電壓，且提供直流負載和吸收功率的整流器電路作為交流輸入上具有低諧波的五位準有源整流器，以及降壓轉換器電路，用於將來自高電壓電容器的相對端的直流電轉換為較低的由充電電壓值設定的直流輸出電壓。

在一些實施例中，充電器的特徵在於電力轉換器，其包括以下兩者：電力入口功率感測器和電力汲取增加預測模組，該電力入口功率感測器用於測量由來自其配電變壓器的電力入口處汲取的功率，而電力汲取增加預測模組具有用於接收所汲取的功率的值的輸入和提供在電力入口處所汲取的功率中最大可能跳躍的值的輸出，電力轉換器被配置為限制由電力轉換器輸出的電流 位準，以便在所汲取的功率中最大可能跳躍發生時防止電力入口處汲取的功率超過預定限制；以及a)整流器電路，其包括與交流輸入串聯連接的電感器，低電壓電容器，連接在第一交流輸入端子和高電壓電容器的相對端之間的兩個高電壓電源開關，連接在高電壓電容器的相對端和低電壓電容器的相對端之間的兩個中間低電壓電源開關，以及連接在低電壓電容器的相對端和第二交流端子之間的兩個端子低電壓電源開關，其中直流負載可以連接到高電壓電容器的相對端；b)控制器，該控制器具有至少一個感測器，用於感測整流器電路中的電流和/或電壓，並連接到兩個高電壓電源開關，兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關的閘極輸入，用於使整流器電路在升壓模式下工作，其中高電壓電容器的電壓高於交流輸入的峰值電壓，並且控制兩個高電壓電源開關以交流輸入的頻率為接通和斷開，兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關響應於低電壓電容器上存在的電壓的測量而以冗餘開關狀態切換，以便將低電壓電容器保持在高電壓電容器的所需電壓的預定部分，並因此將高電壓電容器保持在所需的高電壓，且提供直流負載和吸收功率的整流器電路作為交流輸入上具有低諧波的五位準有源整流器；以及c)降壓轉換器電路，用於將來自高電壓電容器的相對端的直流電轉換為較低的由充電電壓值設定的直流輸出電壓。

在一些實施例中，充電器復具有用於接收用戶輸入的網路介面，包括連接到網路介面的遠程設備用戶介面。

在一個實施例中，電力轉換器包括充電功率程序模組，並且充電攻擊性參數定義了對車輛充電的充電電流上限。

在一個示例中，充電電力程序模組記錄充電電流的歷史，從而可以執行電池劣化的評估。

在一些實施例中，充電器的特徵在於電力轉換器包括電力入口功率感測器和電力汲取增加預測模組，該電力入口功率感測器用於測量由來自其配電變壓器的電力入口處汲取的功率，而電力汲取增加預測模組具有用於接收所汲取的功率的值的輸入和提供在電力入口處所汲取的功率中最大可能功率跳躍的值的輸出，電力轉換器被配置為限制由電力轉換器輸出的電流位準，以便在所汲取的功率中最大可能跳躍發生時防止電力入口處所汲取的功率超過預定限制，復包括可斷開負載開關；其中，所述電力汲取增加預測模組連接到所述可斷開負載開關以用於當所汲取的功率中接近最大可能跳躍值造成超過所述預定限制的危險時，暫時斷開可連接到所述可斷開負載開關之至少一個可斷開負載，所述電力汲取增加預測模組被配置為當所述電力汲取增加預測模組確定超過所述預定限制的接近風險已經消退時，重新連接所述可斷開負載。

要求保護的系統，方法和更廣泛的技術如本文所述，並在下面具體描述。

100‧‧‧電池充電器轉換器

105‧‧‧交流輸入

110‧‧‧電感濾波器

115‧‧‧5級位準拓撲電路

116‧‧‧輔助電路

120‧‧‧高壓電容器

125‧‧‧低電壓電容器

130a、130b‧‧‧高電壓電源開關

132a、132b‧‧‧二極體

135‧‧‧第一端子1

140a、140b‧‧‧中間低電壓電源開關

145a、145b‧‧‧端部

150a、150b‧‧‧端子低電壓電源開關

155a、155b‧‧‧相對端

160‧‧‧第二輸入端子

200‧‧‧拓撲、電路

202‧‧‧交流負載

205、210‧‧‧電流路徑

206、208‧‧‧元件

305‧‧‧電壓平衡

310‧‧‧調變器

315‧‧‧狀態選擇電路

320‧‧‧參考信號

325‧‧‧脈衝發生器模組

340‧‧‧開關單元

405‧‧‧模組

410‧‧‧控制器

810‧‧‧電池管理系統

815‧‧‧充電電纜

820‧‧‧電池充電控制器介面

830‧‧‧電腦

840‧‧‧背板

902‧‧‧網路介面

904‧‧‧記錄模組

906‧‧‧功率預算控制器

908‧‧‧可用功率預測器

910‧‧‧充電功率程序模組

1100‧‧‧交流充電葉片

1102‧‧‧過充防止模組

1200‧‧‧便攜式直流充電單元

1202‧‧‧殼體

1204‧‧‧交流輸入

1206、1210‧‧‧電纜

1208‧‧‧直流輸出

1302‧‧‧連接器背板

1304‧‧‧插座

1306‧‧‧葉片模組

S1~S7‧‧‧開關

參考下面的附圖將更好地理解本申請案的實施例：第1圖是家用電動車充電系統的實體安裝的示意圖，其包括桿頂變壓器、帶有負載感測器和主斷路器面板的住宅電力入口、面板和充電器之間的240V交流 電力線、充電器和電動車(EV)之間延伸的充電電纜，具有電動車和充電器之間的CAN匯流排連接；第2A圖示出了根據一個特定實施例的電池充電器轉換器的電路圖，該電池充電器轉換器具有以整流器模式工作的5級拓撲電路。

第2B圖示出了第2A圖的電池充電器的5級拓撲電路的電路圖，示出了在稱為「狀態2」的一個開關配置下的連接；第2C圖示出了第2A圖的電池充電器的5級拓撲電路的電路圖，示出了在稱為「狀態3」的一個開關配置下的連接；第2D圖示出了根據特定實施方式的單向/整流器充電器的5級拓撲電路的電路圖；第2E圖示出了根據一個實施例的具有在反相器模式下工作的5級拓撲電路的電池充電器轉換器的電路圖；第3A圖示出了具有第1圖中的整流器模式下工作的電池充電器轉換器的具有電壓平衡的調變器的方塊圖；第3B圖示出的信號圖示出了在第3A圖的調變器中使用的4載波脈衝寬度調變技術；第3C圖示出的電路圖示出了以整流器模式工作的第1圖的電池充電器轉換器的控制器的元件；第3D圖示出了顯示第2E圖的在反相器模式下工作的電池充電器轉換器的控制器的元件的電路圖；第3E圖示出了調變器和狀態選擇電路的邏輯元件，以使用電壓和電流反饋提供指示各個狀態的8個信號； 第4圖示出了第1圖的電池充電器轉換器1在包括控制器電路的整流器模式下工作的方塊圖；第5圖示出的信號圖示出了第1圖的電池充電器轉換器在1kW操作下以整流器模式工作的穩態結果。

第6圖示出了功率分析器的屏幕截圖，其示出了功率分析器測量的整流器模式下工作的第1圖的電池充電器轉換器的一些參數；第7圖顯示了第1圖中的電池充電器轉換器性能的信號圖，其在50%的變化I直流負載期間以整流器模式下工作；第8A圖是表示模組化轉換器電池充電系統的方塊圖；第8B圖是表示具有交流和模組化轉換器電池充電系統的充電器的方塊圖；第8C圖是示出充電器的實施例的方塊圖，其具有連接到提供交流輸出的背板的開關；第8D圖是表示第8C圖的實施例的方塊圖，其中開關由模組化轉換器電池充電系統代替；第9圖是表示充電功率預算控制器的方塊圖；第10圖是根據一個實施例的電力轉換器模組的示意圖；第11圖是根據一個實施例的交流充電模組的示意圖；第12圖是便攜式EV充電系統的實體安裝的示意圖，其包括在充電器和電動車輛(EV)之間延伸的充電電纜，在EV和充電器之間具有電池整流器單元；第13圖是示出第12圖中便攜式EV充電系統的方塊圖；第14A圖是根據特定實施例的用於儲存具有接收器的便攜式EV充電系統的配件的示意圖；以及 第14B圖是根據特定實施例的用於儲存具有接收器的便攜式EV充電系統的配件的示意圖。

貫穿本說明書對「一個實施例」，「多個實施例」或類似語言的引用意味著結合該實施例描述的特定特徵，結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書出現的短語「在一個實施例中」，「在多個實施例中」和類似語言可以但不一定全部指代相同的實施例。

此外，所描述的本發明的特徵，結構或特性可以在一個或多個實施例中以任何合適的方式組合。對於本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以對本發明進行各種修改和變化。因此，本發明旨在覆蓋落入所附申請專利範圍及其均等物的範圍內的本發明的修改和變化。現在將詳細參考本發明的優選實施例。

在整個申請案中，術語「EV二級充電器」指的是單相交流EV充電器，術語「EV三級充電器」指的是單相直流EV充電器。

第1圖示出了實施例的實體背景，其中分離的單相幹線電力從電線桿頂部變壓器輸送，這是北美最常見的電力輸送類型。變壓器通常從配電線路接收14.4kV或25kV單相電力，並且變壓器可以處理大約50kVA至167kVA的功率，作為分相240V交流輸送到少量家庭或電力入口。每個電力入口通常被配置為在240V交流處理100A至200A的功率，即約24kVA至48kVA(通常假設1kVA相當於1kW)。

應當理解，實施例不限於分離式單相240V交流電力系統，並且本文揭露的實施例可以適用於使用中的電力網路，其是輸送到家庭或者商家的電力入口的任何現有單相交流電壓。

電力入口通常包括使用表，具有對應於總允許負載(例如100A或200A)的額定值的主斷路器，以及具有用於每個家用電路的斷路器的面板，其可以被供應240V交流電力或由240V交流輸入分相的120V交流電力。雖然大多數斷路器的容量在15A到30A之間，但是一些可以更低(即10A)，而一些可能更大，例如40A，用於大型電器。在一些國家，電力入口的容量較低，例如40A至60A，而在所有家用電路中都具有240V交流的國家，電源不是分相的，而是常規單相240V交流(使用的電壓等級可能不同，從大約100V到250V)。

如第1圖所示，充電器通過具有較大額定電流的斷路器連接到主面板的斷路器，例如40A至80A，儘管所揭露的充電器如果需要可消耗超過100A。對充電器特定的斷路器的需求由電力法規確定。將充電器連接到面板的電纜用於這種高電流。與電力面板的連接可以是直接固定佈線，或者可以安裝高電壓插座並將其連接到電力面板，使得充電器使用電纜和插頭連接到面板，例如，類似於那些用於烤箱或乾衣機等設備的電纜和插頭。充電器顯示為連接到單個負載感測器，該感測器感測整個面板(包括充電器)的負載。如本領域中已知的，充電器電纜可以是傳統的充電器電纜和插頭。

第2A圖示出了根據特定實施例的用於電動車輛的電池充電器轉換器100。該電路採用5級封裝U型單元拓撲結構，提供具有功率因數校正功能的有源整流器。與其他類型的轉換器相比，該充電器具有幾個值得注意的優勢，具有升壓模式操作，允許超交流峰值輸出，同時減少或消除輸入側電流諧波。

電池充電器轉換器100包括交流輸入105，與交流輸入105串聯連接的電感濾波器110，以及5級位準拓撲電路115。

在該非限制性示例中，電感濾波器110是2.5mH的電感器。對於一個典型的1至3kW的功率輸送範圍(對應於全功率和部分功率的所有充電狀態期間)，提供一種與現有的標準配合產生良好結果的1mH線電感器。對於更高的功率範圍，可以降低電感；例如，對於高瓦數(例如大於2kW，並且優選大於3kW，並且更優選地大約5kW)功率等級，電感濾波器110可以替代地使用一個500μH的電感器。方便地，本設計實現整個電池充電器轉換器100的小的幾何形狀，部分地歸因於電感濾波器110的小尺寸。電感濾波器110可根據應用，額定功率，效用電壓諧波，開關頻率等等選擇的設計而變化。雖然最簡單的這種濾波器是單電感器，但在替代實施例中，電感濾波器110可以包括電感器(一個或多個)和電容器(一個或多個)的組合，例如，(例如，2MH)電感器連接到(例如，30μF)電容器，其本身接地。過濾器的選擇會影響設計的整體尺寸和損耗，更大的過濾器會增加整體設計的尺寸，並且通常會產生更多的損失。

5級位準電路包括高電壓電容器120，至少一個低電壓電容器125，兩個高電壓電源開關130a、130b，連接在第一端子135和高電壓電容器120的各自相對的端部145a、145b，兩個中間低電壓電源開關140a、140b，每個連接在高電壓電容器120的兩個相對端145a、145b中的相應端部和低電壓電容器125的相應的相對端155a、155b之間，以及兩個端子低電壓電源開關150a、150b，每個連接在第二輸入端子160和低電壓電容器125的相對端155a、155b中的相應端部之間。

電容器被如此命名是因為高電壓電容器120具有在使用中，其兩端比所述低電壓電容器125兩端有較高的電壓。在該特定示例中，電壓V_o跨過高電壓電容器120為大約兩倍於橫跨低電壓電容器125的電壓V_C。在本實施例中，高電壓電容器120和低電壓電容器125是不同的設備，所述高電壓電容器120是一個2mF電容器，而低電壓電容器是一個50μF電容器。對於典型的1至3kW功率輸出範圍(在全功率到部分功率的所有充電狀態期間)，用於高電壓電容器120的2mF電容器和用於低電壓電容器125的100μF電容器的組合給出了良好的結果，符合現有標準。已經發現，當使用20μs的採樣時間進行電壓平衡時，這是有效的。對於5kW功率器件，用於高電壓電容器120的4mF電容器和用於低電壓電容器125的200μF電容器的組合可能是合適的，但是可以通過增加對平衡電壓的採樣速度來使用更小的電容器，從而實現更精確的電壓平衡計算。這可以通過使用更快的微處理器來實現。每個電容器可以是電解電容器或薄膜電容器，但是在本示例中，未連接到負載的低電壓電容器125是高壽命的薄膜電容器。高電壓電容器120將具有較短的壽命並且可能是電路故障的原因。在第10圖所示的實施例中，高電壓電容器因此被提供為可替換部件，如將參考第10圖進一步描述的。

自然地，使用具有不超過其要求的特性的電容器是更經濟的，但是沒有禁止對高電壓電容器120和低電壓電容器125使用相同的電容器，儘管在這種情況下低電壓電容器125會被過度浪費。

中間低電壓電源開關140a、140b和端子低電壓電源開關150a、150b一起構成輔助電源開關。如同電容，高電壓電源開關130a、130b和低電壓電源開關被這樣叫是因為高電壓電源開關130a、130b具有在使用中，跨越具有 比輔助電源開關更高的電壓。而且，根據本設計，低電壓電源開關是高頻電源開關，而高電壓電源開關130a、130b是低頻開關。同樣，它們之所以被這樣稱呼是因為在使用中，高頻開關以比低頻開關更高的頻率操作/切換。實際上，可以使用相同的開關，只要它們適合於施加高頻開關的最高頻率並且它們適合於施加在高電壓開關上的高電壓。然而，優選的是提供僅適合於其預期用途的開關，以便降低成本以及可能的尺寸和重量。開關可以全部是FET，JFET，IGBT和MOSFET類型的。

5級位準電路115的低電壓電容器125可以被認為是輔助電容器，其與輔助電源開關一起構成5級位準電路115的輔助電路116。如本文所述，在備選實施例中，可以在輔助電路116中提供附加的輔助電容器(一個或多個)和一對(或多對)開關。

5級位準電路115的開關狀態已經被研究以顯示那些冗餘以便幫助平衡輔助電容的電壓。電容器電壓平衡允許在整流器輸入端產生5級電壓位準，並減少直接影響電流諧波含量的電壓諧波。調節輸出端電壓以提供給直流負載。這裡，提供了實驗結果，證明了所提出的整流器在單位功率因數下工作的動態性能並從電源獲取低諧波交流電流。

如第2A圖，該5級位準電路115在整流模式下工作的僅具有6個開關，由它產生5個電壓位準。該配置的有利的特徵是冗餘開關狀態有利於直流電通路之間的電壓平衡。在本揭露中提出的5級位準整流器以單位功率因數操作以及由於在升壓模式下工作而消除了輸入交流電流諧波。5級整流器的低總諧波失真度(THD)5級電壓波形直接影響線電流諧波，因此電感濾波器可以小於2級整流器，以減小產品的尺寸。由於輔助直流電容器電壓可以僅通過冗餘開關 狀態來平衡，因此5級整流器的電壓/電流調節與具有單輸出直流端子的全橋電壓相同，這可以通過級聯PI控制器來完成。

現在將討論5級整流器配置和開關狀態。這裡提供了一種基於電壓平衡的切換技術。關於所描述的設計，已經在諸如負載變化，交流電主要變化的不同條件下執行了實際測試，這些測試已經在整流器模式中示出了電池充電器轉換器100的良好動態性能。

5級位準電路115具有兩個直流電通路。主直流電通路包括高電壓電容器120，其被電壓調節以提供給直流負載。高電壓電容器120兩端的電壓在此表示為V_o。次級直流電通路包括輔助電容器(低電壓電容器125)。低電壓電容器125兩端的電壓在此表示為V_C。V_C具有主端子V_o的電壓幅度的一半，和用於形成所述整流器的在第一和第二端子之間的輸入電壓(V_in)，作為5級的準正弦波。因此，V_C=E，V_o=2E，並且5個電壓位準包括0，±E，±2E。

在此，在升壓模式下操作，意味著輸出直流電壓高於輸入交流峰值。在本示例中：

基於交流電網的峰值，直流電壓選擇為200V。現在由於V_C是V_o的一半，我們有：V_o=200V→V_C=100V

為此，輸出端電壓V_o被調節在200V以輸送給直流負載，在該示例中，直流負載是EV電池組。此外，輔助電容器電壓V_C在100V處平衡，以便產生5級位準電壓波形作為V_in。

基於上述選擇的電壓，選擇兩個高電壓電源開關130a、130b以承受200V。輔助電源開關連接到高電壓電源開關130a、130b的只有大約一半的電壓，其在該示例中是100V。

表1示出了5級位準電路115的開關狀態。每對開關，在該示例中包括一對高電壓電源開關130a、130b，一對中間低電壓電源開關140a、140b，和一對端子低電壓電源開關150a、150b，是互補的，意味著當一個開路時，另一個閉合，反之亦然。

可以觀察到，基於開關的每個配置，提供路徑以使電流流過轉換器，並且在輸入處產生電壓位準，其一起形成5級位準電壓波形。該波形具有較低的總諧波失真(THD)並直接影響汲取電流諧波含量(如果電壓波形中存在諧波，則它也將注入電流波形。低諧波電壓波形導致低諧波電流波形)。與典型的 2級轉換器的較大濾波器相比，自然減少的THD量允許在交流線路中使用較小的濾波器，並具有可接受的性能。

從表1中可以看出，高電壓電源開關130a、130b實際上每個週期僅切換兩次。然而，輔助電源開關可以以更高的頻率切換，例如，在移動到下一個非冗餘狀態(例如，狀態4)之前多次在冗餘狀態(例如，狀態2和3)之間切換。在某些實施例中，低電壓電源開關可以以至少或大於1kHz的高頻切換，例如，大於10kHz。在該特定示例中，開關頻率可以是48kHz。

現在將描述用於本電池充電器整流器100的電壓平衡。從表1中可以看出，在開關狀態之間存在一些冗餘，也就是說存在導致相同V_in電壓的開關狀態，例如狀態2和3或狀態6和7。由於主輸出是V_o，其由外部PI控制器控制，冗餘開關狀態可以在幾個方面提供幫助。冗餘開關狀態的一個好處是降低V_o的電壓誤差，這會降低外部控制器的負擔。此外，平衡輔助電容器電壓V_C允許提供5個相同的電壓位準，以便產生低THD準正弦波形。

在第2B和2C圖中，分別示出了用於冗餘狀態2和3的電流路徑205、210，以更好地說明冗餘開關狀態對直流電通路電壓平衡的影響。假設直流電通路極性如圖所示。它們可以基於電流符號而充電或放電。在狀態2，假設電流為正，則高電壓電容器120被充電，而低電壓電容器125由於其極性反轉而被放電。因此，V_o和V_C分別增加和減少。然而，在狀態3中，在低電壓電容器125將通過正電流在狀態3充電。如果電流符號是負的，這些狀態會產生相反的影響。還應注意，只要沒有通過交流電源連接，V_o就會因負載放電而降低。

表2類似地示出了每個開關狀態對高電壓電容器120和低電壓電容器125的影響，這為設計相關的電壓平衡技術提供了有用的信息。

由於所提出的轉換器可以是並網的(grid-connected)，並且相關聯的控制器已經包括電流感測器，因此可以避免具有額外的感測器和相關的成本。同樣的線電流感測器的反饋信號可以被用於所述電壓平衡技術。兩個電壓感測器可以用作直流電壓反饋，並且切換技術可以包括由表2中列出的電壓效應操控的多載波PWM。切換技術基於從電流和電壓感測器接收的反饋來選擇冗餘開關狀態。

如第2D圖所示，在一些實施例中，高電壓電源開關130a、130b可以用兩個二極體132a和132b代替，提供5級單向整流器，其僅能將交流電壓 轉換為直流，作為單向充電器。本領域技術人員將理解，使用5級單向整流器不會影響本發明的工作方式，並且可以用作本文揭露的所有實施例中的5級電路的替代方案。

在一些實施例中，5級位準電路可以在雙向狀態下操作。這意味著它可以在整流器模式下，如第2A圖所示將電壓/電流從交流轉換為直流，或者，如第2E圖所示在反相器模式下從直流轉換為交流。當在整流器模式下工作時，本發明具有直流輸出。

在反相器模式中，高電壓電容器(V_o)連接到直流源，如隔離的直流電源，電池或太陽能電池板，5級位準電路可以從這些直流輸入產生交流電壓/電流。該交流電流可以作為並網運行模式注入電網，或者可以作為電源，提供給通常的交流負載。反相器模式可以用於車對電網方法，其中汽車電池可以涉及公用設施的峰值負載分配，或者在沒有電力時供應家中的一些關鍵負載。

參考第2E圖，示出了根據一個實施例的用於在反相器模式下工作的5級位準電力轉換器的拓撲200。交流負載202連接在第一端子135和第二端子160之間，其對應於僅連接開關元件的電路中的唯一節點。在第一端子135和第二端子160之間產生的電壓是反相器輸出電壓(V)，其示意性的是5級位準脈衝寬度調變(PWM)波形。

儘管這裡在描述為所提出的5級位準反相器實現的控制策略時提到使用PWM，但是應該理解，可以使用其他控制技術。例如但不限於選擇性諧波消除PWM和優化諧波步進波形。可以使用諸如移位PWM技術，正弦自然PWM技術和編程PWM技術的PWM技術。可以使用開迴路和閉迴路技術。開 迴路技術的例子是Space Vector和Sigma Delta技術。閉迴路技術的示例是滯後電流控制器，線性電流控制器，DDB電流控制器和優化電流控制器。

在所示實施例中，5級位準反相器電路200可以使用開關處於開/關狀態的各種組合產生五個不同的輸出電壓，這將在下面進一步討論。六個開關130a、130b、140a、140b、150a和150b可以使用雙極接面電晶體(BJT)來實現。由於BJT的性質而隱含地存在的寄生二極體被示出以指示電晶體的偏置方向，即反向偏置，使得電晶體表現為開關而不是短路。應該注意，實現開關的替代方式是可能的。例如閘流體(thyristor)，例如閘極可關斷閘流體(GTO)或整合閘極換向閘流體(IGCT)，繼電器，隔離閘極雙極電晶體(IGBT)，金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)或任何其他合適的可控開關。

電路200復包括如206和208中的元件，它們在閉迴路內連接，使得每個元件206、208連接到開關元件130a、130b、140a、140b、150a和150b中的四個。元件206說明性地是直流源(即，電池，太陽能電池板等)，而元件208是從屬電壓源，例如，電容器的能量儲存裝置(如圖所示)或電容器的組合(未示出)，用作輔助電源。

雖然電路200被示為包括一個元件208以實現5級位準反相器，但是應該理解，可以提供額外的元件208以在反相器的輸出處實現更多位準，如下面將進一步討論的。

第3A圖示意性地示出了整合電壓平衡技術的調變器，其具有電壓平衡305。如圖所示，在該示例中，使用提供5級位準PWM的調變器310。在該示例中，使用4載波PWM技術來調變參考信號320，如第3B圖所示。其參考信號320由下面描述的控制器提供。調變器310的輸出被提供給狀態選擇 電路315，該狀態選擇電路315強制執行表1和表2的邏輯以產生對開關的輸入，這裡以信號的形式輸送給S1、S2和S3，和這些信號的反向(相反的狀態)形式分別輸送給S4、S5和S6。狀態選擇電路315提供整合到開關技術中的快速電壓平衡過程，由此預期小尺寸電容器將適合於輔助電容器。所使用的算法的示意圖示於第3C圖中，其示出了調變器310和狀態選擇電路315的邏輯元件，以使用電壓反饋提供指示各個狀態的8個信號。第3E圖示出了當使用電流和電壓反饋時的相同邏輯元件。

可替換的，第3D圖示出了調變器310和狀態選擇電路315的邏輯元件，以提供指示各個狀態的5個信號而不使用任何反饋。

然後，脈衝發生器模組325使用這些信號來產生到開關的脈衝輸出。在一個實施例中，脈衝發生器325可以是可以由微控制器編程的開關表。

本領域技術人員將理解，數字開關信號可以在到達開關之前通過閘極驅動器。

在第3A圖中，示出了在電壓平衡部件中使用電壓反饋。然而，電壓平衡單元可以使用電壓或電流反饋。當兩者都使用，能夠更穩定地平衡電容器電壓。

第3E圖示出了可以使用的一種算法的示意圖，其示出了調變器310和狀態選擇電路315的邏輯元件，以使用電壓和電流反饋提供指示各個狀態的八個信號，如圖所示。這種安排有比較良好的性能。

在一個實施例中，模組315確定用於開關狀態數的最佳選擇(見表1)，然後發送給模組325。將基於狀態編號生成切換脈衝(S1至S6)。例如，如果 模組315確定了狀態1，則根據表1，S1、S5和S6將為ON，而S2、S3和S4將是相對應的OFF。

在一個實施例中，第4圖中的參考信號320可以被認為是圖3中的V_ref。

用於系統的控制器410，系統可以採用級聯(cascaded)比例積分(PU)控制器，現在將對其進行描述。如上所述，由於通過開關狀態平衡輔助電容器電壓，本示例性配置可以用作單個直流源反相器。雖然已經提出了一些所提出的拓撲結構用於使用兩個直流電容器進行整流，但是在本實施例中，輔助電容器由設計的開關技術進行電壓控制，並且不需要任何附加的電壓調節器。因此，我們可以只使用一個外部電壓控制器，將輸出直流端子穩定到所需的位準，這在本例中是200V。其結果是，一個簡單的級聯PI控制器可被用於調節輸出的直流電壓，以及用於控制輸入電流，並將其與電網電壓同步，以保證整流器的功率因數校正(PFC)操作。控制器410負責調節V_o和i_s，其響應於來自電池管理系統(BMS)的輸入，例如可以在EV上提供。

在本揭露的一些示例中，第4圖中所示的控制器(模組405)包括電流迴路和電壓迴路。電壓迴路負責將C1電壓穩定在參考位準。比例積分(PI)控制器使電壓誤差最小化，其輸出作為電流參考值進入電流環路。電流環路從電網電壓(vs)中取樣，並將電流誤差發送到另一個PI控制器，以調整vs和is之間的相移。(優選是零度相移的功率因數校正PFC，但它可以調整到與電網無功功率交換(reactive power exchange)的任何值。)由於兩個迴路串聯，因此稱為線性級聯PI控制器。作為參考信號(單元320)的控制器的輸出進入調變單元305以基於冗餘產生開關脈衝，以平衡第二電容器電壓(C2)。

本領域技術人員將理解，可以替代地使用本領域中已知的其他類型的控制器，諸如非線性控制器，模型預測，滑動模式或本領域中已知的其他合適的控制器。

控制器可以由基於處理器的微控制器提供，該微控制器具有控制軟體，該控制軟體使用來自感測器的輸入並提供遵循本文描述的邏輯用於數位系統的閘極控制信號輸出。控制器還可以包括使用有源和無源組件的模擬電路。模擬電路可以從系統電壓和電流獲得一些反饋，並將參考信號發送到調變器。

第3D圖示出了在本揭露的一些實施例中使用的算法的示意圖，其中狀態選擇電路315提供指示各個狀態的8個信號，不使用感測器來傳遞指示各個狀態的信號(「無感測器」)。此外，第3D圖示出了當充電器轉換器在反相器模式下工作時在本發明的實施例中使用的開關單元340的邏輯元件。本領域技術人員將理解，轉換器可適用於所述開關脈衝生成和5級配置下的輔助電容(低電容)的電壓平衡，當它工作在整流器模式和換流器模式時，並不限於一種操作模式。

參考第10圖，可以理解，控制器410還響應於BMS請求的期望輸出直流電壓來控制直流到直流降壓或升壓轉換器。在第10圖中，這是一個簡單的降壓或升壓轉換器，由開關S7控制，使用感測器測量的直流輸出電壓的反饋。

本領域技術人員將理解，可以使用本領域中已知的任何類型的降壓或升壓或降壓-升壓轉換器而不影響本發明的工作方式。兩種重要的拓撲結構稱為降壓-升壓轉換器，它可以產生一系列輸出電壓，範圍從比輸入電壓大得多(絕對幅度)到幾乎為零。

第一種拓撲結構是反相拓撲結構，其中輸出電壓的極性與輸入電壓的極性相反。這是一種開關模式電源，具有與升壓轉換器和降壓轉換器類似的電路拓撲結構。輸出電壓可根據開關電晶體的占空比進行調節。

第二種拓撲結構是降壓(下降)轉換器與升壓(上升)轉換器的結合，其中輸出電壓通常與輸入的極性相同，並且可以低於或高於輸入。這種非反相降壓-升壓轉換器可以使用單個電感器，其用於降壓電感器模式和升壓電感器模式，使用開關而不是二極體。

在該示例的第4圖中，控制器410在一個參考位準電壓V_ref調整V_o電壓接收作為輸入，並且還控制電網電流i_s以消除或減少其諧波並使其與電網電壓同相位，而作為單元功率因數操作或接近(例如，PF=99.99%)。所述的示例性實現的控制器410示意性地示出在第4圖中，其中來自感測器的電流和/或電壓，按要求由控制器410採樣(例如，大約每20微秒)。

電壓調節器通過調節電流參考(i_s ^*)幅度來嘗試最小化V_o誤差。在該示例中，通過電網電壓的單位樣本生成電流參考的形狀，以確保PFC模式。最終，控制器輸出320由標準的4載波PWM技術調變，以發送所需的脈衝。

現在將描述電池充電器整流器100的實驗結果。在一個特定的測試實例中，已經對基於碳化矽(SiC)的5級轉換器進行了實際測試。六個1.2KV，40A的SiC的MOSFET類型SCT2080KE被用作有源開關。在dSpace1103上實現了整合到開關技術和級聯控制器中的所提出的電壓平衡方法，因此，開關脈衝被發送到5級開關。測試的系統參數列在表4中。

在備選實施例中，交流輸入(電網)電壓可以是大約240V RMS，並且直流負載可以大於350V，如通過本文所述方式的升壓模式整流所提供。

如第5圖所示，已經獲得了1kW的穩態結果。如圖所示，輸出直流端子電壓3被調節為200V(Ch1，參考點由0V2表示，對應於垂直軸上的點1，並且具有4個單元，如圖的底部所示，每個代表50.0V，總計200V)，可接受的電壓波動小於10%。此外，由於V_C的有效電壓平衡，V_in由5個相同的電壓位準0，±100，±200V形成，具有比2級位準電壓波形更低的諧波污染。此外，可以通過輸入電壓和電流波形v _s 觀察電池充電器整流器100的PFC操作(Ch3，其中參考點由對應於垂直軸上的點4的0V示出-如圖的底部所示，每個代表100.0V)和i _s (Ch4，參考點由0A2表示，對應於垂直軸上的點4-如圖的底部所示，每個代表10.0A)最後，負載電流i _l (Ch2，參考點顯示為0A2，對應於垂直軸上的點 2-如圖的底部所示，每個代表10.0A)，其在大致5A處測得，這表明1kW工作系統的實現。

第6圖示出了由AEMC^TM功率分析儀測量的一些其它參數。這是可以理解的是電池充電器整流器100被在1kW具有最高可能功率因數(接近一致)的測試，其降低了顯著無功功率的量，並實現與電網電壓同步的線電流控制器的良好性能。此外，由於5級整流器產生的多位準電壓波形的低諧波污染，電流THD也很低(IEEE519和IEC61000標準要求線電流THD小於5%)。

在此測試中，最終有意地(從38Ω到75Ω)進行了50%的負載變化，以檢查控制器的動態性能。如第7圖所示，負載電流減小到初始幅度的大約一半。因此，由於傳遞到負載的能量的變化，V_o(Ch1，參考點由0V2表示，對應於垂直軸上的點1，並且如圖所示，每個單元代表50.0V)變化但是通過控制器和電壓平衡技術可以很好地穩定，而不會出現意外的過衝或下衝。此外，輸入交流電流與電網電壓保持同步，其幅度同時變化以達到穩態模式。應當理解，在轉換期間也消除了電流諧波。換句話說，當觀察到直流負載減少50%(負載電流i _l (Ch2)減小到50%-垂直軸上對應於點2的參考點0A2)時，直流電壓被控制在期望的位準。

電池充電器整流器100的實際結果已經顯示出控制器和電壓平衡技術的良好動態性能，其已經整合到調變過程中。輔助電容器電壓保持在適當的低電壓波動的期望位準調節部分，以這樣的快速和準確的電壓平衡的方法導致在具有低諧波含量整流器的輸入時，生成一個5級準正弦電壓波形。這種多級波形允許使用小尺寸濾波器來消除線電流諧波。所述電池充電器整流器100可以， 因此，非常適合於作為電動汽車的牽引系統或電池充電器的應用工業整流器的潛在候選產品。

電壓平衡的技術已被設計和整合到切換模式，來調節輔助電容電壓導致在該整流器的輸入產生5個相同的電壓位準，以形成具有5級平滑電壓波形，且具有低諧波含量。在所提出的整流器上已經實現了標準級聯PI控制器，部分原因是由於在輸出端具有單個直流端子而沒有任何分離電容器。實際測試表明電池充電器整流器100具有良好的動態性能，在穩態和負載變化條件下實施電壓平衡技術和控制器。它也可能是PFC整流器市場的潛在產品。

為了提供7級位準/3個電容器的實現方式，需要增加兩個電源開關和一個額外的低電壓電容器。調變模組也將被改變為具有六個載波。電壓平衡單元將被改變，因為將有更多的開關狀態來對電容器充電和放電並調節它們的電壓。

電池充電器整流器100可以與其他類似結構的並聯電池充電器整流器電路一起提供在電池充電器中，如第8A圖所示，每個並聯工作以向負載提供直流電力。為此，電池充電器可以包括殼體，殼體包括具有多個插座的連接器背板，用於接收多個模組，每個模組包括本文所述類型的電池充電器整流器，也可以使用如第8A圖所示的公共控制器。這種模組化方法的優點是，可以首先安裝背板，可能使用專業電工的服務，而最終用戶可以根據需要添加或更換模組100。所示的模組化方法不限於任何特定數量的模組100；然而，申請人已經發現，針對使用上文所述的整流器的設計，即一個5千瓦整流器模組是有效的，和6個這樣的模組提供了有關的組合直流充電功率30千瓦。該功率量適合於高速電池充電，同時在大多數傳統單相電力入口的可用功率預算內是可行的。

對於實際的實施例中，一個電池充電器包括電池充電器整流器100，可以包括用戶可更換的直流車輛充電電纜和充電插頭，例如，具有用於裝配EV中標準化插頭/插座的兼容的格式(即，SAE J1772，ChaDeMo，或其他)。

第8A圖還示出了電力儲存電池和充電控制器(也稱為電池管理系統或BMS)810如何通過充電電纜815連接到電池充電控制器介面820和控制器830。充電電纜815可以提供數據連接到介面820，以及連接到背板840的高電壓直流導體。介面820可以包括直流EV充電器領域中已知的介面，其從BMS接收有關電壓和/或電流充電參數信息的信號的數據或指示。介面820可以與用於主控制器830的電腦相關聯。電腦830可以將V_ref值提供給一個或多個整流器電路100的背板840。無論是電路100的一部分還是使用感測器作為背板840的一部分，電腦830可以接收傳送到電池810的電流。模組100的數據介面、交流輸入和直流輸出連接在第10圖中示出並且將在下面詳細描述。電腦830可以是具有用於管理改變控制的程式記憶體的任何合適的處理器。

在本發明的一些實施例中，如第8B圖示出，從電輸入面板來的交流電流進到連接器，例如，可以直接將交流電流導向電力儲存電池和充電控制單元的開關，以提供給所述用戶帶交流輸出的2級交流電動車電池充電器，或者導向整流器電路，提供帶直流輸出的3級直流EV充電器。因此，用戶可以選擇2級交流EV或3級直流EV充電器。

第8C圖示出了其中一個實施例中背板可以接收連接器或直接或通過開關的模組連接器。當開關連接到背板時，充電器將有一個交流輸出連接到電力儲存電池，為用戶提供2級交流EV電池充電器。

第8D圖示出了作為第8C圖相同的實施例，其中該開關由用戶從模組連接器被實體去除，因此斷開提供給交流輸出的交流電流，和被一個或多個電池充電器整流器替換，如在稍後的時間由模組100替換，因此升級到3級直流EV充電器。這為用戶提供了安裝更便宜的2級交流電動車電池充電器，該充電器可與所有類型的車輛配合使用，但對車輛充電的速度和效率不高，而它可以輕鬆升級到更快、更高效的3級直流電動車。

在一些實施例中，這表現在第11圖中，該開關可以有具有超充電防止模組的一個葉片(blade)200的形式，並且直接連接到背板或通過模組連接器，類似於整流器的葉片100。在此實施方式，移除所使用的葉片200以便用整流器葉片100替換它。

本領域技術人員可以理解，任何類型的連接器都可以用作背板，模組連接器的目的只是為了方便和簡化用戶的安裝過程，任何類型的連接器都可以用作背板。此外，在一些實施例中，開關和背板可以是具有斷開交流輸出並將電流重定向到整流器電路的能力的相同元件。

此外，本領域技術人員將理解，即使已經以不同方式示出，但是控制器830和/或電池充電器控制器介面820或充電器的其他元件也可以作為附加模組或類似的葉片提供，如可以在以後添加到設備的整流器葉片100。因此，原始充電器可能僅是具有輸入和輸出的背板，其僅通過在背板上添加一些模組或葉片而可升級到直流充電站。

此外，本領域技術人員將理解，交流和直流輸出可以使用單獨的或相同的實體插座或電纜。在一些實施例中，插座能夠與車輛的充電控制器聯通。

第9圖是示出用於電力儲存電池的電池充電器的方塊圖。電力入口通過感測器和具有預定電流閾值的主斷路器連接到電網的局部配電變壓器。感測器提供電力入口汲取的電流值。電池充電控制器介面與電力儲存電池聯通並接收充電電壓值和期望的充電電流值。整流器電路連接到用於接收單相交流輸入功率的電輸入，並且其輸出直流電壓，可以是任一向下或向上轉換的使用，例如，一個直流降壓-升壓轉換器電路。所述降壓轉換器具有一個控制輸入端，定義輸出直流電壓和電流。如第10圖所示，控制器410可以控制降壓-升壓轉換器以輸出所需的直流電壓和電流。

在一個廣泛的方面，本揭露提供了一種連接到交流輸入的電力轉換器，其將來自交流輸入的電力轉換為直流，包括至少一個高電壓電容器，用於以高於交流輸入的峰值電壓升壓的電壓儲存電力，整流器電路。整流器包括與交流輸入串聯連接的電感器，低電壓電容器，以及連接在第一交流輸入端子和高電壓電容器的相對端之間的兩個二極體或者可選地兩個高電壓開關，兩個中間低電壓電源開關連接在高電壓電容器的相對端和低電壓電容器的相對端之間，並且兩個端子低電壓電源開關連接在低電壓電容器的相對端和第二交流端子之間，其中直流負載可以連接到高電壓電容器的相對端。電力轉換器復包括控制器，該控制器具有至少一個感測器，用於感測整流器電路中的電流和/或電壓，並連接到兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關的閘極輸入。

在一些實施例中，控制器可操作地用於使整流器電路以升壓模式操作，其中高電壓電容器的電壓高於交流輸入的峰值電壓，並且兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關響應於低電壓電容器處存在的電壓的測量，以冗餘開關狀態切換，以便將低電壓電容器保持在高電壓電容器的期望電壓 的預定部分，從而保持高電壓電容器在所需的高電壓下，整流器電路提供直流負載和吸收功率，形成五級有源整流器，在交流輸入端具有低諧波。

在一些實施例中，電力轉換器代替整流器電路具有雙向整流器/反相器電路和兩個控制器，而不是一個能夠作為整流器和反相器雙向工作的控制器。雙向整流器/反相器電路包括與交流埠串聯連接的電感器，低電壓電容器，連接在第一交流端子和高電壓電容器的相對端之間的兩個高電壓電源開關，兩個中間低電壓電源開關連接在高電壓電容器的相對端和低電壓電容器的相對端之間，以及連接在低電壓電容器的相對端和第二交流端子之間的兩個端子低電壓電源開關；其中，直流埠可以連接到高電壓電容器的相對兩端。電力轉換器復包括用於整流器模式的第一控制器，其具有至少一個感測器，用於感測雙向整流器/反相器中的電流和/或電壓並且連接到兩個高電壓電源開關的閘極輸入、兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關，用於使整流器電路工作在升壓模式，其中高電壓電容器的電壓高於交流輸入的峰值電壓，並控制兩個高電壓電源開關以交流輸入的頻率接通和斷開，並且兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關響應於低電壓電容器處存在的電壓的測量，以冗餘開關狀態切換，以便將低電壓電容器保持在高電壓電容器的期望電壓的預定部分，從而保持高電壓電容器在所需的高電壓下，整流器電路提供直流負載和吸收功率，形成五級有源整流器，在交流輸入端具有低諧波。電力轉換器復具有用於反相器模式的第二控制器，其連接到兩個高電壓電源開關、兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關，並且被配置為產生並應用於兩個高電壓電源開關、兩個中間低電壓電源開關和兩個端子低電壓電源開關的信號波形，包括第一控制信號，用於使低電壓電容器與直流埠和交流埠串聯連接，並充電到與電壓成比例的 預定值直流埠，和第二控制信號用於使低電壓電容器與直流埠斷開，並與交流埠串聯連接，從而使低電壓電容器放電。

在第9圖中，網路介面902可以是與電腦830相關聯的傳統數據介面，例如以太網，Wi-Fi等。記錄模組904，功率預算控制器906，可用功率預測器908和充電功率程序模組910可以用儲存在電腦830的記憶體中的軟體實現，並由電腦830的處理器執行，以執行如下所述的操作。

記錄模組在記憶體中儲存至少一個參數，該參數從由感測器測量的電流得出，減去整流器電路在每天內的各個子週期內隨時間抽取的任何功率。該參數可以是當前時間段和當前非充電負載的非充電負載的最大可能增加。打開的一個或多個家電設備可以產生負載跳躍。交流電動機，例如熱泵和空調壓縮機電動機，在啟動時通常吸收至少兩倍的穩態電流。可以理解，所汲取的功率增加的概率可以在期望的可能性內，例如在97%的概率內。

可用功率預測器計算器接收當前汲取值和記錄模組參數，並根據預定的電力入口最大功率負載提供最大充電負載值。可以使用用戶介面(未示出)來設置電力入口的最大負載值。功率預算控制器從電池管理介面接收地最大充電負載值，所期望的充電電壓值和期望的充電電流值，並提供控制輸入到所述整流器電路。

在一個實施例中，基於長期觀察數據確定最大可能增加。在獲取這樣的數據之前，可用功率預測器可以更保守地運行，並且隨著關於預測的確定性的增加，預測器計算器可以更大膽些。

在另一個實施例中，分析功耗的變化以確定主要家庭負載的數量和大小。然後感測這些負載的行為模式。估計開啟的載荷只能關閉，因此它們不 會增加總載荷的風險。負載開啟的概率取決於其他負載的狀態，一天中的時間和一年中的時間。例如，如果熱水器是關閉的狀態，由於用水的可能性，相比從晚上11點到早上6點，在從7AM到8AM的任何給定時刻開啟的可能性更高。在夏季，電加熱負荷不太可能開啟，而空調更有可能，而冬季則相反。基於行為模式和當前工作負載的估計，可用功率預測器可以預測功率的最大可能的即時增加。

功率預算控制器考慮功率最大可能增加的風險，以確定多少電力可用，當要求的功率太大時，功率預算控制器使整流器電路和/或直流-直流降壓轉換器調節直流電源，以輸送到EV。

此外，功率預算控制器可以在設置充電率時考慮電池劣化。這可以涉及參考預定的最大充電電流或功率值。如下所述，還可以參考用戶選擇的充電攻擊性位準。

當可用功率預測模組預測可能存在超出功率預算(進入限制數量)的風險增加時，可以使用可選的可斷開負載開關來防止大量負載汲取功率，從而導致超出功率預算。這可以延遲或改變增加的負載以避免超過電力入口的功率預算。可斷開的負載開關可包括連接到一個或多個電負載和電力面板(例如，熱水器)的線電壓電源開關，以防止負載從電力面板汲取電流，如果使用這樣的額外負載可能超過風險功率預算。優選地，負載開關包括感測器，例如電流感測器，以測量負載當前是否正在汲取功率。通過這種方式，功率預算控制器可以感測所討論的負載是否正在汲取功率。可斷開的負載開關在打開時可以配備感測器以感測斷開的負載何時尋求汲取功率，並且在這種情況下，功率預算控制器可以在相應地降低直流充電功率之後決定重新連接該負載。

一些吸收高電流的負載包括控制電子器件，其在待機狀態下吸收小負載，例如小於約100瓦。在這種情況下，可以在可斷開負載開關打開的同時將旁路低功率電流包括在可斷開負載中。低功率電流旁路連接的示例是隔離變壓器，其被配置為向可斷開負載的電子器件提供大約十到幾十瓦的功率。當負載接通時，可斷開負載開關模組可以感測隔離變壓器負載側的功率消耗，然後向功率預算控制器發出信號以決定是否降低直流充電功率以允許可斷開負載重新連接到滿交流電源，或者是否應繼續以相同的速率進行直流充電。當直流充電負載需求結束時，然後允許可以重新連接可斷開負載。

第9圖中的實施例包括充電功率程序模組，當用戶沒有急於給EV充電時，該充電功率程序模組響應用戶輸入以抑制充電速率。雖然EV可以允許快速充電，並且本文揭露的實施例可以允許以大約25kVA的功率充電，但是重複快速充電可以減少電池壽命。另外，充電功率程序模組可用於選擇用於充電的時間程序，即根據時變能量成本和/或配電網路內的功率可用性來延遲和/或定制功耗。充電連接器可以例如提供用於選擇充電攻擊性位準的用戶介面，即當電池請求高速充電時的可變充電位準。或者，可以提供網路介面以允許遠程用戶介面用於設置充電功率程序參數。

在一些實施例中，從所述電輸入面板輸入的交流電流可以由用戶重新定向通過一個連接器，例如一個開關到交流的輸出，並從那裡直接到電力儲存電池和繞過整流器電路的充電控制器，因此，提供給用戶可以選擇交流或直流充電模式。在替代實施例中，電池充電器不具有整流器電路，但是具有背板，可以在稍後的時間將整流器電路添加到該背板，從而為用戶提供可升級至用於向電力儲存電池供電的3級直流EV充電器的2級交流EV電池充電器。

本領域技術人員將理解，這裡揭露的背板可以是簡單的連接器，具有控制單元的背板，例如功率預算控制器，可用的功率預測器，嵌入其中的網路介面和充電功率程序模組，或具有可以添加所述控制單元的模組連接器的背板。

第10圖示意性地示出了第8A圖中所示的模組化系統的單個「葉片」100。在所示的實施例中，沿著一個邊緣提供印刷電路板，其具有高電壓交流和直流連接器以及用於數據介面的連接器。葉片100包含用於電力轉換器的電源開關，並且在該實施例中，用於5級有源整流器的六個開關S1至S6和用於降壓-升壓轉換器的一個開關S7分別提供直流至直流降壓或升壓。

電容器120設置在小模組上，該小模組具有用於連接到葉片100上的插頭的插座。高電壓電容器120的質量對於整流器的正確和安全操作是重要的。因此，及時更換是可取的。插座可以包括識別電路，該識別電路可以由控制器410讀取以確定各種信息。首先，它可用於確定是否已按要求安裝新電容器。其次，它可用於確定安裝的電容器是否先前被使用過。這可以通過多種方式實現。例如，控制器410可以向外部數據庫報告由其使用的每個電容器120的唯一ID標識。當插入新電容器時，可以查詢這樣的數據庫。或者，電容器插頭模組內的識別電路可以儲存可以由控制器410讀取的非易失性記憶體中的關於使用的信息。這樣，當新電容器模組連接到葉片100的時候，控制器410可以確定電容器120是否應該被認為是全新的、部分使用的或過期的。在過期電容器120的情況下，控制器410可以拒絕提供電力並發出警告以提示更換電容器120。

應當理解，提供到葉片模組100的連接的方式可以使用電纜連接器而不是所示的邊緣連接。還應當理解，電容器模組的插座可以設置在葉片100 上，如第10圖所示，或者它可以設置在別處，例如在背板的單獨部分中(見第8A圖)。

插座可以包括用於感測電容器插頭模組被移除或暴露以便移除的開關，從而可以完成對一個或多個葉片100的斷電以允許安全地移除和更換電容器模組120。在第10圖的實施例中，葉片100具有其自己的控制器410，可以在背板上具有共用控制器410，以控制來自多個葉片的開關。

第10圖中的感測器模組被示為連接以測量低電壓電容器處的電壓、直流輸出電流和直流輸出電壓。如果需要，也可以測量其他值。測量的值被提供給控制器410。

第11圖示出了本發明的替代實施例的示意圖，其中揭露了具有過充防止模組1102的交流充電葉片1100。交流電流從交流輸入進入葉片，並在通過過充防止模組1102後從交流輸出輸出。過充防止模組還提供與充電控制器介面聯通的可能性，以設置通過使用日期埠按EV的要求輸出的交流電的電流和電壓。。

參考第12圖，示出了本發明的一個實施例，其中提供了便攜式直流充電單元1200。便攜式直流充電單元包括具有交流輸入1204和直流輸出1208的殼體1202，交流輸入1204和直流輸出1208分別通過電纜1206連接到交流電源1204並通過電纜1210連接到EV。便攜式直流充電單元1200具有一個或多個5級整流器電路。

在一個實施例中，便攜式直流充電單元1200設置有多個類似結構的5級並聯電池充電器整流器電路，如第13圖所示，每個電路並聯工作以向負載提供直流電力。為此，電池充電器可包括殼體1202可包括連接器背板1302， 連接器背板1302具有多個插座1304，用於接收多個葉片模組1306，每個葉片模組包括本文所述類型的5級電池整流器電路。

這種模組化方法的優點在於便攜式充電器可以僅含一個5級整流器電路出售，並且最終用戶可以根據需要添加或替換模組1306。所示的模組化方法不限於任何特定數量的模組1302。

在一些實施例中，便攜式充電器單元可以以雙向模式或單向模式工作。在雙向模式下，便攜式充電器可以用作反相器或整流器。在單向模式中，轉換器如前所述在本發明的其他實施例中作為整流器。

在單向模式中，5級整流器電路可以具有兩個二極體而不是兩個高電壓開關，如第2D圖所示。

便攜式充電單元1200的一個優點是，與車載充電單元不同，它具有接近單位功率因數，從公用設施/電源汲取低諧波交流電流。此外，在一些實施例中，便攜式充電器單元1200可提供任何其他車外充電單元的能力，例如更高KW傳輸，更複雜的電池管理系統，管理電池發熱，與建築物/家庭/電網、能量管理系統聯通的能力，能量轉移率更高。此外，所揭露的便攜式充電單元1200還可以通過移除車載充電單元並且提供便攜式充電單元1200作為對車輛充電的替代方案，給EV製造商選擇從EV移除重量。

參照第14A和14B圖，在一些實施例中，電動車輛可在其行李箱中具有接收器1402，用於連接器1212，其具有連接到用於駕駛員的指示器的感測器(未示出)，示出便攜式直流充電單元的存在。這將防止用戶在充電結束後或離開地點時忘記便攜式充電單元。感測器可以像機械開關一樣簡單，當接收器 1402接收連接器或本領域已知的任何其他類型的機械、電力或電子感測器時，該機械開關被推動。

在一些實施例中，代替接收器1402，電動車輛具有不同的接收器，用於接收便攜式直流充電單元1200的殼體或電纜，其提供相同的指示功能。

在一個實施例中，代替接收器1402，便攜式充電單元1200可具有無線存在指示器，諸如射頻識別(RFID)或藍牙感測器，以指示便攜式直流充電器在車內或車附近的存在。

本領域技術人員將理解，本申請案中描述的電路，例如5級整流器電路，可以用於任何交流到直流轉換系統，例如直流電源，其他EV充電器，任何其他類型的電池充電器，或任何其他需要交流到直流轉換的實現。

雖然上面的描述已經被提供在參考具體示例中，這僅為示出目的，而不是對本發明的限制。

100‧‧‧電池充電器轉換器

110‧‧‧電感濾波器

120‧‧‧高壓電容器

125‧‧‧低電壓電容器

410‧‧‧控制器

S1~S7‧‧‧開關

Claims (42)

1. 一種用於向電力儲存電池供電的電池充電器，所述電池充電器包括：交流輸入，用於從電力入口接收電力；電池充電控制器介面，用於與所述電力儲存電池聯通並接收充電電壓值；電力轉換器，連接到所述交流輸入並響應於所述充電電壓值，以根據直流負載的所述充電電壓值將來自所述交流輸入的電力轉換為在直流輸出的可變電壓的直流電，所述電力轉換器包括：至少一個高電壓電容器，用於儲存；整流器電路，包括：電感器，與所述交流輸入串聯連接，低電壓電容器，以下之一：兩個二極體，連接在第一交流輸入端和所述高電壓電容器的相對端之間；以及兩個高電壓開關，連接在第一交流輸入端和所述高電壓電容器的相對端之間，兩個中間低電壓電源開關，連接在所述高電壓電容器的所述相對端和所述低電壓電容器的相對端之間，以及兩個端子低電壓電源開關，連接在所述低電壓電容器的所述相對端和第二交流端子之間，其中，所述直流負載可以連接到所述高電壓電容器的所述相對端；以及 控制器，具有至少一個高電壓電容器作為所述充電電壓值輸入，且具有參考信號輸出；調變器，連接到所述控制器，用於接收所述參考信號並輸出比較信號；狀態選擇電路，用於接收所述比較信號並輸出狀態選擇信號；開關脈衝發生器，接收所述狀態選擇信號並連接到以下之一：當所電力轉換器具有所述兩個二極體、所述電源的閘極，所述電源的閘極、所述兩個中間低電壓電源開關、所述兩個端子低電壓電源開關的閘極；以及當電力轉換器具有兩個高電壓開關，所述電源、所述兩個中間低電壓電源開關、所述兩個端子低電壓電源開關和所述兩個高電壓開關的閘極。
2. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，復包括連接到所述調變器的至少一個感測器，用於感測所述整流器電路中的電流和/或電壓，並連接到所述兩個中間低電壓電源開關和所述兩個端子低電壓電源開關的閘極輸入。
3. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，其中，所述控制器是操作地用於使所述整流器電路以升壓模式操作，其中，所述高電壓電容器的電壓高於所述交流輸入的峰值電壓，並且所述兩個中間低電壓電源開關和所述兩個端子低電壓電源開關響應於所述低電壓電容器處存在的電壓的測量而以冗餘開關狀態切換，以便將所述低電壓電容器保持在所述高電壓電容器的期望電壓的預定部分，從而保持所述高電壓電容器在所需的高電壓下，所述整流器電路提供所述直流負載和吸收功率，作為五級有源整流器，在所述交流輸入處具有低諧波。
4. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，其中，所述狀態選擇電路使用所述高壓電容器及所述低壓電容器之間的電壓來提供所述狀態選擇信號。
5. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，其中，所述電池充電控制器介面還與該電力儲存電池聯通並接收期望的充電電流值，並且所述電力轉換器還響應於所述期望的充電電流值以在不超過直流負載的所述期望的充電電流值的可變電流下，將來自所述交流輸入的電能轉換為直流輸出處的直流電。
6. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，復包括降壓轉換器電路，用於將來自所述高電壓電容器的所述相對端的直流電力轉換為由所述充電電壓值設定的較低的直流輸出電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，復包括升壓轉換器電路，用於將來自所述高電壓電容器的所述相對端的直流電力轉換為由所述充電電壓值設定的較高的直流輸出電壓。
8. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，其中，所述兩個中間低電壓電源開關和所述兩個端子低電壓電源開關以高於3kHz的頻率切換。
9. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，其中，所述交流輸入為單相且約為240V RMS，所述直流輸出電能的電壓大於350V。
10. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，其中，所述充電器包括多個模組連接器及至少一個模組，該至少一個模組連接在所述模組連接器中，每個所述模組包括所述整流器電路，所述模組並聯工作以為所述負載提供直流電，其中，所述模組的所述兩個高電壓開關、兩個中間低壓電源開關和兩個端子低壓電源開關中的至少一個位於所述模組的邊緣，以組裝在為所述至少一個所述開關提供所需冷卻的散熱器上。
11. 如申請專利範圍第10項所述的充電器，其中，每個所述模組的所述高電壓電容器約為4毫法拉。
12. 如申請專利範圍第10項所述的充電器，其中，所述模組中的每一個能夠提供大於約2kW的直流負載功率。
13. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，其中，所述充電器能夠提供大於10kW的直流負載功率。
14. 如申請專利範圍第1項所述的充電器，其中：所述整流器電路是雙向整流器/反相器電路，該雙向整流器/反相器電路包括與交流埠串聯連接的電感器、低電壓電容器、連接在第一交流端子和所述高電壓電容器的相對端之間的兩個高電壓電源開關、連接在所述高電壓電容器的所述相對端和所述低電壓電容器的相對端之間的兩個中間低電壓電源開關、以及連接在所述低電壓電容器的所述相對端和第二交流端子之間的兩個端子低電壓電源開關；其中，直流埠可以連接到所述高電壓電容器的所述相對端；所述控制器是用於整流器模式的第一控制器，該第一控制器具有至少一個感測器，用於感測所述雙向整流器/反相器中的電流和/或電壓，所述控制器並且連接到所述兩個高電壓電源開關的閘極輸入，所述兩個中間低電壓電源開關和所述兩個端子低電壓電源開關用於使所述整流器電路工作在升壓模式，其中，所述高電壓電容器的電壓高於所述交流輸入的峰值電壓，所述兩個高電壓電源開關係受控而以交流輸入的頻率接通和斷開，並且所述兩個中間低電壓電源開關和所述兩個端子低電壓電源開關響應於所述低電壓電容器處存在的電壓的測量而以冗餘開關狀態切換，以便將低電壓電容器保持在高電壓電容器的期望電壓的預定部分，從而保持所述高電壓電容器在所需的高電壓下，所述整流器電路提供直流負載和吸收功率，作為五級有源整流器，在所述交流輸入具有低諧波；以及所述電力轉換器復包括用於反相器模式的第二控制器，該第二控制器連接到所述兩個高電壓電源開關、所述兩個中間低電壓電源開關和所述兩個端子低電壓電源開關，並且被配置為產生並應用於所述兩個高電壓電源開關，所述兩個中間低電壓電源開關和所述兩個端子低電壓電源開關發信號波形，該信號波形 包括第一控制信號和第二控制信號，該第一控制信號用於使所述低電壓電容器與所述直流埠和所述交流埠串聯連接並充電到與直流埠的電壓成比例的預定值，而該第二控制信號用於使所述低電壓電容器與所述直流埠斷開並與所述交流埠串聯連接，從而使所述低電壓電容器放電。
15. 一種用於向電力儲存電池供電的電池充電器，所述電池充電器包括：交流輸入，用於從電力入口接收交流電力；電池充電控制器介面，用於與電力儲存電池聯通並接收充電電壓值；電力轉換器，連接到所述交流輸入並響應於所述充電電壓值，以根據直流負載的所述充電電壓值將來自所述交流輸入的電力轉換為在直流輸出的可變電壓的直流電，所述電力轉換器包括：至少一個高電壓電容器，用於以高於所述交流輸入的峰值電壓的升壓電壓儲存電能；整流器電路，包括：電感器，與所述交流輸入串聯連接，低電壓電容器，兩個二極體，連接在第一交流輸入端和所述高電壓電容器的相對端之間；以及兩個中間低電壓電源開關，連接在所述高電壓電容器的所述相對端和所述低電壓電容器的相對端之間，以及兩個端子低電壓電源開關，連接在所述低電壓電容器的所述相對端和第二交流端子之間，其中，所述直流負載可以連接到所述高電壓電容器的所述相對端；以及 控制器，具有用於感測所述整流器電路中的電流和/或電壓的至少一個感測器，並連接到所述兩個中間低電壓電源開關和所述兩個端子低電壓電源開關的閘極輸入。
16. 如申請專利範圍第15項所述的電池充電器，其中，所述控制器是操作地用於使所述整流器電路以升壓模式操作，其中，所述高電壓電容器的電壓高於所述交流輸入的峰值電壓，並且所述兩個中間低電壓電源開關和所述兩個端子低電壓電源開關響應於所述低電壓電容器處存在的電壓的測量而以冗餘開關狀態切換，以便將所述低電壓電容器保持在所述高電壓電容器的期望電壓的預定部分，從而保持所述高電壓電容器在所需的高電壓下，所述整流器電路提供所述直流負載和吸收功率，作為五級有源整流器，在所述交流輸入處具有低諧波。
17. 如申請專利範圍第15項所述的電池充電器，其中，所述電池充電控制器介面還與該電力儲存電池聯通並接收期望的充電電流值，並且所述電力轉換器還響應於所述期望的充電電流值以在不超過直流負載的所述期望的充電電流值的可變電流下，將來自所述交流輸入的電能轉換為在直流輸出的直流電。
18. 如申請專利範圍第15項所述的電池充電器，復包括降壓轉換器電路，用於將來自所述高電壓電容器的所述相對端的直流電力轉換為由所述充電電壓值設定的較低直流輸出電壓。
19. 如申請專利範圍第15項所述的電池充電器，復包括升壓轉換器電路，用於將來自所述高電壓電容器的所述相對端的直流電力轉換為由所述充電電壓值設定的較高直流輸出電壓。
20. 如申請專利範圍第15項所述的電池充電器，其中，所述充電器包括多個模組連接器及連接在所述模組連接器中的至少一個模組，每個所述模 組包括所述整流電路，所述模組並聯工作以為所述負載提供直流電，其中，所述模組的所述兩個高電壓開關、兩個中間低壓電源開關和兩個端子低壓電源開關中的至少一個位於所述模組的邊緣，以組裝在為所述開關的所述至少一個提供所需冷卻的散熱器上。
21. 一種2級交流EV電池充電器，可升級至3級直流EV充電器，用於向電力儲存電池供電，所述電池充電器包括：-殼體，包括：用於從電力入口接收單相電力之交流輸入；交流輸出；直流輸出；連接器背板，具有至少一個模組連接器，適於容納至少一個直流電力轉換器模組並用於連接交流輸入和直流輸出；以及開關，用於連接交流輸入和交流輸出之間的交流電流。
22. 如申請專利範圍第21項所述的電池充電器，其中，所述開關由所述至少一個直流電力轉換器模組控制。
23. 如申請專利範圍第22項所述的電池充電器，其中，所述開關必須打開以允許所述至少一個直流電力轉換器模組實體安裝。
24. 如申請專利範圍第23項所述的電池充電器，其中，所述開關是插座型連接器。
25. 如申請專利範圍第21至24項中任一項所述的電池充電器，復包括過充防止模組，其防止交流輸出電壓超過期望的充電電壓，且防止交流輸出電流超過期望的充電電流。
26. 如申請專利範圍第21至24項中任一項所述的電池充電器，復包括電池充電控制器介面，用於與電力儲存電池聯通並接收充電電壓值和期望的充電電流值。
27. 一種用於以電力入口在系統內管理的電力轉換器，所述電力轉換器包括：交流輸入，用於從所述電力入口接收電力；電力入口功率感測器，用於測量由所述電力入口從其配電變壓器汲取的功率；以及控制器，具有電力汲取增加預測模組，所述電力汲取增加預測模組具有用於接收所汲取的功率的值的輸入和提供在所述電力入口處所汲取的功率中最大可能跳躍的值的輸出；所述電力轉換器被配置以限制由所述電力轉換器輸出的所述電流位準，以便在所汲取的功率中最大可能跳躍發生時防止所述電力入口處所汲取的功率超過預定限制。
28. 如申請專利範圍第27項所述的轉換器，其中，所述電力轉換器記錄充電電流的歷史，以計算所述所汲取的功率中最大可能跳躍。
29. 如申請專利範圍第27項所述的轉換器，復包括網路介面，用於接收來自用戶的輸入。
30. 如申請專利範圍第29項所述的轉換器，其中，所述電力轉換器復包括充電功率程序模組，且其中，所述轉換器接收來自所述用戶的充電攻擊性參數，所述充電攻擊性參數定義對所述車輛充電的充電電流上限。
31. 如申請專利範圍第30項所述的轉換器，其中，所述充電功率程序模組記錄充電電流的歷史，從而可以執行電池劣化的評估。
32. 如申請專利範圍第31項所述的轉換器，復包括可斷開負載開關；其中，所述電力汲取增加預測模組連接到所述可斷開負載開關以用於當所汲取的功率中接近最大可能跳躍值造成超過所述預定義限制的危險時，暫時斷開可連接到所述可斷開負載開關之至少一個可斷開負載，所述電力汲取增加預測模組被配置為當所述電力汲取增加預測模組確定超過所述預定限制的接近風險已經消退時，重新連接所述可斷開負載。
33. 如申請專利範圍第31項所述的轉換器，其中，所述控制器包括處理器及記憶體。
34. 如申請專利範圍第27項所述的轉換器，其中，所述至少一電力轉換模組包括：電池充電控制器介面，用於與電力儲存電池聯通並接收充電電壓值；連接到所述電力轉換模組的交流輸入，用於供給來自所述電力入口的電，其中，所述至少一電力轉換模組係響應於所述充電電壓值，以根據直流負載的所述充電電壓值將來自所述交流輸入的電力轉換為在直流輸出的可變電壓的直流電，所述電力轉換模組包括：至少一個高電壓電容器，用於儲存電能；整流器電路，包括：電感器，與所述交流輸入串聯連接，低電壓電容器，以下之一：兩個二極體，連接在第一交流輸入端和所述高電壓電容器的相對端之間；以及兩個高電壓開關，連接在第一交流輸入端和所述高電壓電容器的相對端之間， 兩個中間低電壓電源開關，連接在所述高電壓電容器的所述相對端和所述低電壓電容器的相對端之間，以及兩個端子低電壓電源開關，連接在所述低電壓電容器的所述相對端和第二交流端子之間，其中，直流負載可以連接到所述高電壓電容器的所述相對端；調變器，接收來自控制器的參考信號；狀態選擇電路，接收所述至少一個比較信號並輸出狀態信號；開關脈衝發生器，接收所述狀態信號並連接到所述電源開關的閘極。
35. 如申請專利範圍第28項所述的轉換器，復包括連接到所述調變器的至少一個感測器，用於感測所述整流器電路中的電流和/或電壓，並連接到所述兩個中間低電壓電源開關和所述兩個端子低電壓電源開關的閘極輸入。
36. 一種使用電力轉換器以管理電氣入口中功耗的方法：測量在所述電氣入口的所汲取的功率，以確定連接到所述電氣入口的網路的總功耗；使用在所述電氣入口的所述總功耗確定所汲取的功率中最大可能功率跳躍的值；管理所述轉換器的功率分配以限制所述電力轉換器的功率輸出，以防止當所述最大可能的功率跳躍發生時，由所述電氣入口所汲取的功率超過預定義的限制。
37. 如申請專利範圍第36項所述的方法，其中，所述方法復包括：調整所述功率分配以降低連接到所述轉換器的第一EV的充電率，以提高連接到所述轉換器的第二EV的充電率。
38. 如申請專利範圍第36項所述的方法，其中，所述方法復包括：根據所接收到的來自本地電源的功率，調整所述功率分配。
39. 如申請專利範圍第38項所述的方法，其中，所述本地電源係太陽能電池板。
40. 如申請專利範圍第38項所述的方法，其中，所述本地電源係備用電池。
41. 如申請專利範圍第38項所述的方法，其中，所述本地電源係連接到所述轉換器的所述第一EV的電池。
42. 如申請專利範圍第36項所述的方法，其中，所述使用在所述電氣入口的所述總功耗確定所汲取的功率中最大可能功率跳躍的值復包括：使用在所述總功耗上先前收集的數據。

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