高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置的製作方法

2024-04-01 03:13:05 1

本發明涉及一種用於連接電網和電池組並實現雙向電能流動的高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置。

背景技術：

隨著全球石化能源的日益緊張，迫切需要可再生清潔能源。以新能源儲能、電動汽車、混合動力汽車為代表的新能源應用技術得到蓬勃發展和廣泛關注。如近年來得到廣泛關注的v2g(vehicle-to-grid)系統，該系統可以實現電動汽車和電網的接口。v2g系統的效率、重量、體積、諧波等直接影響整個充放電系統。

目前，對於電動汽車的充電機的dc-dc變換器採用雙有源h橋，實現了電動汽車電池和電網的隔離。但高頻隔離dc-dc變換器採用硬開關來實現，導致其開關損耗比較大。另外，對於電動汽車的充電機中的dc-ac逆變器通常採用二電平電壓型逆變器，與多電平相比，具有電力電子器件電壓應力大、逆變器輸出電壓波形總諧波畸變率大、電磁幹擾大、損耗大等不足。同時，傳統的單相高頻隔離ac-dc變換器廣泛應用於電動汽車充電和不間斷電源等系統中，實現能量的雙向流動。如申請號為201110167515.7的發明專利《一種電動汽車車載雙向充電機》中的一種電動汽車車載雙向充電機，包括：ac/dc變換器、dc/dc變換器、微處理器控制電路及濾波電路。該專利中高頻隔離的dc/dc變換器採用雙有源h橋。但該專利的高頻隔離的dc/dc變換器沒有實現零電壓關斷，從而導致變換器效率低。再如申請號為201310199098.3的發明專利《一種雙向充電裝置和系統》中發明了一種雙向充電裝置和系統，實現能量的雙向流動。該專利的dc-dc變換器沒有實現高頻隔離，dc-ac逆變器為二電平電壓型逆變器，導致系統的效率低。因此，高效率隔離dc-dc和dc-ac逆變器拓撲結構的選擇成為電動汽車充電系統和新能源儲能系統的關鍵環節。而現有技術中並沒有兼顧各方面性能的拓撲結構。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種具有效率高、逆變性能好、可靠性和靈活性高的高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置。

為達到上述目的，本發明採用的技術方案是：

一種高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置，用於連接電網和電池組並實現雙向電能流動，所述高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置包括雙向直流變換器和t型三電平三相逆變器；

所述雙向直流變換器包括兩個雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器，兩個所述雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器串聯或並聯後形成所述雙向直流變換器的兩個直流側，所述雙向直流變換器的一個所述直流側與所述電池組相連接，所述雙向直流變換器的另一個所述直流側與所述t型三電平三相逆變器的直流側相連接，所述t型三電平三相逆變器的交流側與所述電網相連接。

優選的，每個所述雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器具有第一dc側和第二dc側，所述第一dc側具有第一正端子和第一負端子，所述第二dc側具有第二正端子和第二負端子；

兩個所述雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器分別為第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器和第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器，

當兩個所述雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器串聯時，所述第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一負端子和所述第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一正端子相連接，所述第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一正端子與所述電池組的正極相連接，所述第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一負端子與所述電池組的負極相連接；所述第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二負端子和所述第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二正端子相連接，所述第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二正端子與所述t型三電平三相逆變器的直流側正極相連接，所述第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二負端子與所述t型三電平三相逆變器的直流側負極相連接；

當兩個所述雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器並聯時，所述第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一正端子和所述第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一正端子相連接並連接至所述電池組的正極，所述第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一負端子和所述第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一負端子相連接並連接至所述電池組的負極；所述第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二負端子和所述第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二正端子相連接，所述第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二正端子與所述t型三電平三相逆變器的直流側正極相連接，所述第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二負端子與所述t型三電平三相逆變器的直流側負極相連接。

優選的，所述雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器包括第一h橋電路、與所述第一h橋電路相連接的串聯諧振電感、與所述第一h橋電路相連接的串聯諧振電容、與所述串聯諧振電感和所述串聯諧振電相連接的變壓器以及與所述變壓器相連接的第二h橋電路。

優選的，所述第一h橋電路包括電力電子開關管s1、電力電子開關管s2、電力電子開關管s3、電力電子開關管s4；

所述電力電子開關管s1的一端和所述電力電子開關管s2的一端相連接而構成所述第一h橋電路的一條橋臂，所述電力電子開關管s3的一端和所述電力電子開關管s4的一端相連接而構成所述第一h橋電路的另一條橋臂，所述電力電子開關管s1的另一端與所述電力電子開關管s3的另一端相連接而形成所述雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一正端子；所述電力電子開關管s1和所述電力電子開關管s2的共同端與所述串聯諧振電感的一端相連接，所述電力電子開關管s3和所述電力電子開關管s4的共同端與所述串聯諧振電容的一端相連接，所述串聯諧振電感的另一端、所述串聯諧振電容的另一端分別與所述變壓器的原邊的兩端相連接；

所述第二h橋電路包括電力電子開關管s5、電力電子開關管s6、電力電子開關管s7、電力電子開關管s8；

所述電力電子開關管s5的一端與所述電力電子開關管s6的一端相連接而構成所述第二h橋電路的一條橋臂，所述電力電子開關管s7的一端與所述電力電子開關管s8的一端相連接而構成所述第二h橋電路的另一條橋臂，所述電力電子開關管s5與所述電力電子開關管s6的共同端、所述電力電子開關管s7與所述電力電子開關管s8的共同端分別與所述變壓器的副邊的兩端相連接；所述電力電子開關管s5的另一端與所述電力電子開關管s7的另一端相連接而形成所述雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二正端子，所述電力電子開關管s6的另一端與所述電力電子開關管s8的另一端相連接而構成所述雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二負端子。

優選的，所述電力電子開關管s1、所述電力電子開關管s2、所述電力電子開關管s3、所述電力電子開關管s4、所述電力電子開關管s5、所述電力電子開關管s6、所述電力電子開關管s7、所述電力電子開關管s8均為高頻金屬氧化物半導體場效應電晶體；

所述電力電子開關管s1的源極與所述電力電子開關管s2的漏極相連接，所述電力電子開關管s3的源極與所述電力電子開關管s4的漏極相連接，所述電力電子開關管s1的漏極與所述電力電子開關管s3的漏極相連接，所述電力電子開關管s2的源極與所述電力電子開關管s4的源極相連接；

所述電力電子開關管s5的源極與所述電力電子開關管s6的漏極相連接，所述電力電子開關管s7的源極與所述電力電子開關管s8的漏極相連接，所述電力電子開關管s5的漏極與所述電力電子開關管s7的漏極相連接，所述電力電子開關管s6的源極與所述電力電子開關管s8的源極相連接。

優選的，所述電力電子開關管s1、所述電力電子開關管s2、所述電力電子開關管s3、所述電力電子開關管s4、所述電力電子開關管s5、所述電力電子開關管s6、所述電力電子開關管s7、所述電力電子開關管s8均在源極和漏極之間並聯有二極體。

優選的，所述t型三電平三相逆變器包括電力電子開關管sa1、電力電子開關管sa2、電力電子開關管sa3、電力電子開關管sa4、電力電子開關管sb1、電力電子開關管sb2、電力電子開關管sb3、電力電子開關管sb4、電力電子開關管sc1、電力電子開關管sc2、電力電子開關管sc3、電力電子開關管sc4；

所述電力電子開關管sa1的一端與所述電力電子開關管sa4的一端相連接，所述電力電子開關管sb1的一端與所述電力電子開關管sb4的一端相連接，所述電力電子開關管sc1的一端與所述電力電子開關管sc4的一端相連接，所述電力電子開關管sa1的另一端、所述電力電子開關管sb1的另一端、所述電力電子開關管sc1的另一端相連接而構成所述t型三電平三相逆變器的直流側正極，所述電力電子開關管sa4的另一端、所述電力電子開關管sb4的另一端、所述電力電子開關管sc4的另一端相連接而構成所述t型三電平三相逆變器的直流側負極；

所述電力電子開關管sa2的一端與所述電力電子開關管sa3的一端相連接，所述電力電子開關管sb2的一端與所述電力電子開關管sb3的一端相連接，所述電力電子開關管sc2的一端與所述電力電子開關管sc3的一端相連接，所述電力電子開關管sa2的另一端、所述電力電子開關管sb2的另一端、所述電力電子開關管sc2的另一端相連接並連接至所述t型三電平三相逆變器的直流側中性點，所述電力電子開關管sa3的另一端與所述電力電子開關管sa1和所述電力電子開關管sa4的共同端相連接，所述電力電子開關管sb3的另一端與所述電力電子開關管sb1和所述電力電子開關管sb4的共同端相連接，所述電力電子開關管sc3的另一端與所述電力電子開關管sc1和所述電力電子開關管sc4的共同端相連接，所述電力電子開關管sa1和所述電力電子開關管sa4的共同端、所述電力電子開關管sb1和所述電力電子開關管sb4的共同端、所述電力電子開關管sc1和所述電力電子開關管sc4的共同端共同構成所述t型三電平三相逆變器的交流側。

優選的，所述電力電子開關管sa1、所述電力電子開關管sa2、所述電力電子開關管sa3、所述電力電子開關管sa4、所述電力電子開關管sb1、所述電力電子開關管sb2、所述電力電子開關管sb3、所述電力電子開關管sb4、所述電力電子開關管sc1、所述電力電子開關管sc2、所述電力電子開關管sc3、所述電力電子開關管sc4均為絕緣柵雙極型電晶體；

所述電力電子開關管sa1的源極與所述電力電子開關管sa4的漏極相連接，所述電力電子開關管sb1的源極與所述電力電子開關管sb4的漏極相連接，所述電力電子開關管sc1的源極與所述電力電子開關管sc4的漏極相連接，所述電力電子開關管sa1的漏極、所述電力電子開關管sb1的漏極、所述電力電子開關管sc1的漏極相連接，所述電力電子開關管sa4的源極、所述電力電子開關管sb4的源極、所述電力電子開關管sc4的源極相連接；

所述電力電子開關管sa2的源極與所述電力電子開關管sa3的源極相連接，所述電力電子開關管sb2的源極與所述電力電子開關管sb3的源極相連接，所述電力電子開關管sc2的源極與所述電力電子開關管sc3的源極相連接，所述電力電子開關管sa2的漏極、所述電力電子開關管sb2的漏極、所述電力電子開關管sc2的漏極相連接，所述電力電子開關管sa3的漏極與所述電力電子開關管sa1的源極，所述電力電子開關管sb3的漏極與所述電力電子開關管sb1的源極相連接，所述電力電子開關管sc3的漏極與所述電力電子開關管sc1的源極相連接。

優選的，所述電力電子開關管sa1、所述電力電子開關管sa2、所述電力電子開關管sa3、所述電力電子開關管sa4、所述電力電子開關管sb1、所述電力電子開關管sb2、所述電力電子開關管sb3、所述電力電子開關管sb4、所述電力電子開關管sc1、所述電力電子開關管sc2、所述電力電子開關管sc3、所述電力電子開關管sc4均在源極和漏極之間並聯有二極體。

優選的，所述t型三電平三相逆變器的交流側經濾波電感而與所述電網相連接。

由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：本發明的拓撲結構能夠實現軟開關技術，從而提高dc-dc變換器的效率，並通過輸出電壓三電平技術提高了逆變器性能，其可以根據電壓範圍靈活選擇連接形式，提高了系統可靠性和靈活性，具有很好的應用前景。

附圖說明

附圖1為本發明的實施例一的高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置的系統結構圖。

附圖2為本發明的實施例二的高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置的系統結構圖。

附圖3為本發明的高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置中雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的電路圖。

附圖4為本發明的高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置中t型三電平三相逆變器的電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖所示的實施例對本發明作進一步描述。

實施例一：如附圖1所示，一種用於連接電網和電池組並實現雙向電能流動的高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置，包括雙向直流變換器和t型三電平三相逆變器。t型三電平三相逆變器的交流側三端分別經濾波電感l而與電網相連接。本實施例中電池組工作在高壓範圍（如400-700v）。

雙向直流變換器包括兩個雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器，分別為第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器和第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器。兩個雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器串聯後形成雙向直流變換器的兩個直流側。雙向直流變換器的一個直流側與電池組相連接，雙向直流變換器的另一個直流側與t型三電平三相逆變器的直流側相連接。而t型三電平三相逆變器的交流側與電網相連接。

具體的，每個雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器均具有第一dc側和第二dc側，第一dc側具有第一正端子p1、p2和第一負端子n1、n2，第二dc側具有第二正端子p3、p4和第二負端子n3、n4。則第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一負端子n1和第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一正端子p2相連接，第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一正端子p1與電池組的正極相連接，第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一負端子n2與電池組的負極相連接。第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二負端子n3和第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二正端子p4相連接，第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二正端子p3與t型三電平三相逆變器的直流側正極p相連接，第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二負端子n4與t型三電平三相逆變器的直流側負極n相連接。

實施例二：如附圖2所示，當電池組工作在低壓範圍（如200-400v）時，高頻隔離串聯諧振多電平雙向充電裝置的雙向直流變換器中，兩個雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器並聯後形成雙向直流變換器的兩個直流側。第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一正端子p1和第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一正端子p2相連接並連接至電池組的正極，第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一負端子n1和第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一負端子n2相連接並連接至電池組的負極。第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二負端子n3和第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二正端子p4相連接，第一雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二正端子p3與t型三電平三相逆變器的直流側正極p相連接，第二雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二負端子n4與t型三電平三相逆變器的直流側負極n相連接。

如附圖3所示，以上兩個實施例中的雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器包括第一h橋電路、與第一h橋電路相連接的串聯諧振電感lr、與第一h橋電路相連接的串聯諧振電容cr、與串聯諧振電感和串聯諧振電相連接的變壓器tr以及與變壓器tr相連接的第二h橋電路。雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的輸入電容為cin，輸出濾波電容為co。

第一h橋電路包括電力電子開關管s1、電力電子開關管s2、電力電子開關管s3、電力電子開關管s4。電力電子開關管s1的一端和電力電子開關管s2的一端相連接而構成第一h橋電路的一條橋臂，電力電子開關管s3的一端和電力電子開關管s4的一端相連接而構成第一h橋電路的另一條橋臂，電力電子開關管s1的另一端與電力電子開關管s3的另一端相連接而形成雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第一正端子；電力電子開關管s1和電力電子開關管s2的共同端與串聯諧振電感lr的一端相連接，電力電子開關管s3和電力電子開關管s4的共同端與串聯諧振電容cr的一端相連接，串聯諧振電感lr的另一端、串聯諧振電容cr的另一端分別與變壓器tr的原邊的兩端相連接。具體包括電力電子開關管s1的源極與電力電子開關管s2的漏極相連接，電力電子開關管s3的源極與電力電子開關管s4的漏極相連接，電力電子開關管s1的漏極與電力電子開關管s3的漏極相連接，電力電子開關管s2的源極與電力電子開關管s4的源極相連接。

第二h橋電路包括電力電子開關管s5、電力電子開關管s6、電力電子開關管s7、電力電子開關管s8。電力電子開關管s5的一端與電力電子開關管s6的一端相連接而構成第二h橋電路的一條橋臂，電力電子開關管s7的一端與電力電子開關管s8的一端相連接而構成第二h橋電路的另一條橋臂，電力電子開關管s5與電力電子開關管s6的共同端、電力電子開關管s7與電力電子開關管s8的共同端分別與變壓器tr的副邊的兩端相連接；電力電子開關管s5的另一端與電力電子開關管s7的另一端相連接而形成雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二正端子，電力電子開關管s6的另一端與電力電子開關管s8的另一端相連接而構成雙有源h橋串聯諧振dc-dc變換器的第二負端子。具體包括電力電子開關管s5的源極與電力電子開關管s6的漏極相連接，電力電子開關管s7的源極與電力電子開關管s8的漏極相連接，電力電子開關管s5的漏極與電力電子開關管s7的漏極相連接，電力電子開關管s6的源極與電力電子開關管s8的源極相連接。

電力電子開關管s1、電力電子開關管s2、電力電子開關管s3、電力電子開關管s4、電力電子開關管s5、電力電子開關管s6、電力電子開關管s7、電力電子開關管s8均為高頻金屬氧化物半導體場效應電晶體（metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor,mosfet），且電力電子開關管s1、電力電子開關管s2、電力電子開關管s3、電力電子開關管s4、電力電子開關管s5、電力電子開關管s6、電力電子開關管s7、電力電子開關管s8均在源極和漏極之間並聯有二極體。通過控制電力電子開關管s1、電力電子開關管s2、電力電子開關管s3、電力電子開關管s4、電力電子開關管s5、電力電子開關管s6、電力電子開關管s7、電力電子開關管s8可以實現dc-dc的變換和串聯諧振軟開關技術。

如附圖4所示，t型三電平三相逆變器包括電力電子開關管sa1、電力電子開關管sa2、電力電子開關管sa3、電力電子開關管sa4、電力電子開關管sb1、電力電子開關管sb2、電力電子開關管sb3、電力電子開關管sb4、電力電子開關管sc1、電力電子開關管sc2、電力電子開關管sc3、電力電子開關管sc4。

電力電子開關管sa1的一端與電力電子開關管sa4的一端相連接，電力電子開關管sb1的一端與電力電子開關管sb4的一端相連接，電力電子開關管sc1的一端與電力電子開關管sc4的一端相連接，電力電子開關管sa1的另一端、電力電子開關管sb1的另一端、電力電子開關管sc1的另一端相連接而構成t型三電平三相逆變器的直流側正極p，電力電子開關管sa4的另一端、電力電子開關管sb4的另一端、電力電子開關管sc4的另一端相連接而構成t型三電平三相逆變器的直流側負極n。電力電子開關管sa2的一端與電力電子開關管sa3的一端相連接，電力電子開關管sb2的一端與電力電子開關管sb3的一端相連接，電力電子開關管sc2的一端與電力電子開關管sc3的一端相連接，電力電子開關管sa2的另一端、電力電子開關管sb2的另一端、電力電子開關管sc2的另一端相連接並連接至t型三電平三相逆變器的直流側中性點o，電力電子開關管sa3的另一端與電力電子開關管sa1和電力電子開關管sa4的共同端相連接形成一個交流端子a，電力電子開關管sb3的另一端與電力電子開關管sb1和電力電子開關管sb4的共同端相連接形成一個交流端子b，電力電子開關管sc3的另一端與電力電子開關管sc1和電力電子開關管sc4的共同端相連接形成一個交流端子c。電力電子開關管sa1和電力電子開關管sa4的共同端、電力電子開關管sb1和電力電子開關管sb4的共同端、電力電子開關管sc1和電力電子開關管sc4的共同端，即交流端子a、交流端子b、交流端子c共同構成t型三電平三相逆變器的交流側。具體包括電力電子開關管sa1的源極與電力電子開關管sa4的漏極相連接，電力電子開關管sb1的源極與電力電子開關管sb4的漏極相連接，電力電子開關管sc1的源極與電力電子開關管sc4的漏極相連接，電力電子開關管sa1的漏極、電力電子開關管sb1的漏極、電力電子開關管sc1的漏極相連接，電力電子開關管sa4的源極、電力電子開關管sb4的源極、電力電子開關管sc4的源極相連接。電力電子開關管sa2的源極與電力電子開關管sa3的源極相連接，電力電子開關管sb2的源極與電力電子開關管sb3的源極相連接，電力電子開關管sc2的源極與電力電子開關管sc3的源極相連接，電力電子開關管sa2的漏極、電力電子開關管sb2的漏極、電力電子開關管sc2的漏極相連接，電力電子開關管sa3的漏極與電力電子開關管sa1的源極，電力電子開關管sb3的漏極與電力電子開關管sb1的源極相連接，電力電子開關管sc3的漏極與電力電子開關管sc1的源極相連接。

電力電子開關管sa1、電力電子開關管sa2、電力電子開關管sa3、電力電子開關管sa4、電力電子開關管sb1、電力電子開關管sb2、電力電子開關管sb3、電力電子開關管sb4、電力電子開關管sc1、電力電子開關管sc2、電力電子開關管sc3、電力電子開關管sc4均為絕緣柵雙極型電晶體（insulatedgatebipolartransistor,igbt），且電力電子開關管sa1、電力電子開關管sa2、電力電子開關管sa3、電力電子開關管sa4、電力電子開關管sb1、電力電子開關管sb2、電力電子開關管sb3、電力電子開關管sb4、電力電子開關管sc1、電力電子開關管sc2、電力電子開關管sc3、電力電子開關管sc4均在源極和漏極之間並聯有二極體。

上述拓撲結構實現dc-dc變換器的高頻隔離和串聯諧振軟開關技術，大大提高了dc-dc變換器的效率；另外，該拓撲結構的dc-ac逆變器實現了輸出電壓三電平，提高了逆變器的性能；最後，該發明拓撲結構可以根據電池組的電壓範圍，可以進行靈活的串或並聯，提高了系統的可靠性和靈活性。因此，該拓撲結構的在新能源儲能系統（如電動汽車、光伏儲能系統等）有很好的應用前景。

上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。