具有电隔离的双向能量输送的系统和方法

专利名称：具有电隔离的双向能量输送的系统和方法
技术领域：
这里描述的主题的实施例总体上涉及汽车中的电气系统，更具体而言，该主题的 实施例涉及具有电隔离的充电系统。
背景技术：
期望用于电动和/或混合动力车辆的充电系统适于在宽范围的工作输入/输出电 压下输送高功率，同时达到电隔离、一致功率因素、低谐波失真、高功率密度和低成本。很多 充电系统采用两个功率级设计。第一功率级包括宽输入电压范围的一致功率因素升压转换 器，其提供的输出电压高于被充电的能源的电压。第二级提供电隔离，并且针对被充电的电 源将电压和电流处理到可接受的水平。然而，使用两个功率级是不高效的(例如在部件尺 寸、功率消耗和成本方面)和不够灵活的，也就是说，两功率级充电系统通常适用于两个电 源的特定电压组合。此外，大多数现有技术充电系统是单向的，也就是说，两个功率级在单 个方向上提供充电电流的功率处理(例如，AC到DC)，并因此不能够进行双向能量输送。

发明内容
根据一个实施例，提供一种用于充电系统的设备。所述充电系统包括第一双向转 换模块；第二双向转换模块；和联接在所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之 间的隔离模块。所述隔离模块提供所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的 电隔离。根据另一个实施例，提供一种控制充电系统的方法，所述充电系统包括在DC接口 处联接到DC能量源的第一双向转换模块和在AC接口处联接到AC能量源的第二双向转换 模块。所述方法包括识别所述充电系统的能量输送方向，所述能量输送方向对应于所述 DC接口处的DC电流的方向；和基于所述能量输送方向操作所述第一双向转换模块和所述 第二双向转换模块，使得所述DC电流在与所述能量输送方向相对应的方向上流动。在另一个实施例中，提供一种车辆充电系统。所述车辆充电系统包括DC接口 ；AC 接口 ；第一双向转换模块，联接到所述DC接口 ；和第二双向转换模块，联接到所述AC接口。 隔离模块联接在所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间，所述隔离模块提供 所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的电隔离。控制模块联接到所述AC 接口、所述DC接口、所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块的控制模块。所述控 制模块配置为识别能量输送方向；和基于所述能量输送方向操作所述第一双向转换模块 和所述第二双向转换模块，使得所述DC接口处的DC电流处于与所述能量输送方向相对应 的方向上。
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本发明涉及下述技术方案。1. 一种充电系统，包括第一双向转换模块；第二双向转换模块；联接到所述第一双向转换模块的接口 ；联接在所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的隔离模块，所述隔 离模块提供所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的电隔离；和联接到所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块的控制模块，所述控制模 块配置为识别所述充电系统的能量输送方向；和基于所述能量输送方向操作所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块，使 得所述接口处的电流处于与所述能量输送方向相对应的方向上。2.根据方案1所述的充电系统，还包括联接到所述接口的DC能量源，所述DC能量源具有DC电压；联接到所述第二双向转换模块的AC能量源，所述AC能量源具有AC电压，其中基于所述能量输送方向操作所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块，使 得所述接口处的DC电流处于与所述能量输送方向相对应的方向上。3.根据方案2所述的充电系统，所述AC能量源在AC接口处联接到所述第二双向 转换模块，其中当所述能量输送方向对应于从所述DC能量源流出的所述DC电流时，所述控 制模块操作所述第一双向转换模块以将DC电压转换为所述隔离模块处的第一高频率电 压，并且所述隔离模块响应于所述第一高频率电压产生第二高频率电压；和操作所述第二双向转换模块以将来自所述隔离模块的所述第二高频率电压转换 为所述AC接口处的AC电压。4.根据方案3所述的充电系统，其中所述控制模块配置为基于所述DC电压对所述 AC电压之比调节所述隔离模块的匝数比，其中所述隔离模块基于所述匝数比产生具有一定 幅值的所述第二高频率电压。5.根据方案2所述的充电系统，所述DC能量源在所述接口处联接到所述第一双向 转换模块，其中当所述能量输送方向对应于流动至所述DC能量源的所述DC电流时所述控制模块操作所述第二双向转换模块以将AC电压转换为所述隔离模块处的
第一高频率电压；所述隔离模块响应于所述第一高频率电压产生第二高频率电压；和所述第一双向转换模块将所述第一高频率电压转换为所述接口处的DC电压。6.根据方案5所述的充电系统，其中所述控制模块配置为基于所述DC电压对所述 AC电压之比调节所述隔离模块的匝数比，其中所述隔离模块基于所述匝数比产生具有一定 幅值的所述第一高频率电压。7.根据方案2所述的充电系统，还包括联接到所述第二双向转换模块的AC接口， 所述AC接口包括AC输入功率连接器和AC输出功率连接器，其中所述控制模块配置为当所述AC能量源联接到所述AC输出功率连接器时识别所述能量输送方向为DC
6至AC ；和当所述DC能量源联接到所述AC输入功率连接器时识别所述能量输送方向为AC 至DC。8.根据方案1所述的充电系统，其中所述第一双向转换模块包括第一节点；第二节点；联接到所述隔离模块的第三节点；联接到所述隔离模块的第四节点；第一开关，联接在所述第一节点和第三节点之间并且配置为提供从所述第一节点 至第三节点的电流的路径；第一二极管，联接在所述第一节点和第三节点之间并且配置为提供从所述第三节 点至第一节点的电流的路径；第二开关，联接在所述第二节点和第三节点之间并且配置为提供从所述第三节点 至第二节点的电流的路径；第二二极管，联接在所述第二节点和第三节点之间并且配置为提供从所述第二节 点至第三节点的电流的路径；第三开关，联接在所述第一节点和第四节点之间并且配置为提供从所述第一节点 至第四节点的电流的路径；第三二极管，联接在所述第一节点和第四节点之间并且配置为提供从所述第四节 点至第一节点的电流的路径；第四开关，联接在所述第二节点和第四节点之间并且配置为提供从所述第四节点 至第二节点的电流的路径；和第四二极管，联接在所述第二节点和第四节点之间并且配置为提供从所述第二节 点至第四节点的电流的路径；9.根据方案8所述的充电系统，其中所述第二双向转换模块包括第五节点；第六节点；联接到所述隔离模块的第七节点；联接到所述隔离模块的第八节点；第一组开关，联接在所述第五节点和第七节点之间，所述第一组开关中的每个开 关具有与各自开关反向平行配置的二极管；第二组开关，联接在所述第六节点和第七节点之间，所述第二组开关中的每个开 关具有与各自开关反向平行配置的二极管；第三组开关，联接在所述第五节点和第八节点之间，所述第三组开关中的每个开 关具有与各自开关反向平行配置的二极管；和第四组开关，联接在所述第六节点和第八节点之间，所述第四组开关中的每个开 关具有与各自开关反向平行配置的二极管。10. 一种控制充电系统的方法，所述充电系统包括在DC接口处联接到DC能量源的 第一双向转换模块和在AC接口处联接到AC能量源的第二双向转换模块，所述AC能量源具
7有AC电压，所述方法包括识别所述充电系统的能量输送方向，所述能量输送方向对应于所述DC接口处的 DC电流的方向；和基于所述能量输送方向操作所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块，使 得所述DC电流在与所述能量输送方向相对应的方向上流动。11.根据方案10所述的方法，其中操作所述第一双向转换模块和所述第二双向转 换模块包括调制所述第一双向转换模块的开关使得DC电流在所述能量输送方向上流动。12.根据方案10所述的方法，所述DC能量源具有DC电压，其中如果所述能量输送 方向对应于DC至AC，所述方法还包括操作所述第一双向转换模块以将DC电压转换为第一高频率电压；响应于所述第一高频率电压产生第二高频率电压；和操作所述第二双向转换模块以将所述第二高频率电压转换为所述AC接口处的AC 电压，其中AC电流从所述充电系统流动至所述AC能量源。13.根据方案10所述的方法，所述DC能量源具有DC电压，其中如果所述能量输送 方向对应于AC至DC，所述方法还包括操作所述第二双向转换模块以将AC电压转换为第一高频率电压，其中AC电流从 所述AC能量源流动至所述充电系统，所述AC电流基本上与所述AC电压同相；响应于所述第一高频率电压产生第二高频率电压；和操作所述第一双向转换模块以将所述第二高频率电压转换为所述DC接口处的DC 电压。14.根据方案10所述的方法，其中所述充电系统包括联接在所述第一双向转换模 块和所述第二双向转换模块之间的隔离模块，其中所述方法还包括基于所述DC能量源的 DC电压对所述AC电压之比调节所述隔离模块的匝数比。15. —种车辆充电系统，包括DC 接口；AC 接口；第一双向转换模块，联接到所述DC接口 ；第二双向转换模块，联接到所述AC接口 ；联接在所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的隔离模块，所述隔 离模块提供所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的电隔离；和联接到所述AC接口、所述DC接口、所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模 块的控制模块，其中所述控制模块配置为识别能量输送方向；和基于所述能量输送方向操作所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块，使 得所述DC接口处的DC电流处于与所述能量输送方向相对应的方向上。16.根据方案15所述的车辆充电系统，还包括联接到所述AC接口的AC能量源；联接到所述DC接口的DC能量源，所述DC能量源具有DC电压，其中当所述能量输 送方向对应于DC至AC时，所述控制模块
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操作所述第一双向转换模块以将DC电压转换为所述隔离模块处的第一高频率电 压，其中所述隔离模块响应于所述第一高频率电压产生第二高频率电压；和操作所述第二双向转换模块以将来自所述隔离模块的所述第二高频率电压转换 为所述AC接口处的AC电压，使得所述AC电流流动至所述AC能量源。17.根据方案16所述的车辆充电系统，所述第一双向转换模块包括联接在所述DC 接口和所述隔离模块之间的第一多个开关，并且所述第二双向转换模块包括联接在所述AC 接口和所述隔离模块之间的第二多个开关，其中所述控制模块配置为调制所述第一多个开关以将所述DC电压转换为所述第一高频率电压；和调制所述第二多个开关以将所述第二高频率电压转换为所述AC电压。18.根据方案15所述的车辆充电系统，还包括联接到所述AC接口的AC能量源；和联接到所述DC接口的DC能量源，所述DC能量源具有DC电压，其中当所述能量输 送方向对应于AC至DC时所述控制模块操作所述第二双向转换模块以将AC电压转换为所述隔离模块处的
第一高频率电压；所述隔离模块响应于所述第一高频率电压产生第二高频率电压；和所述第一双向转换模块将所述第一高频率电压转换为所述DC接口处的DC电压。19.根据方案18所述的车辆充电系统，所述第二双向转换模块包括联接在所述AC 接口和所述隔离模块之间的多个开关，其中所述控制模块配置为调制所述多个开关以将所 述AC电压转换为所述第一高频率电压。20.根据方案18所述的车辆充电系统，其中所述控制模块联接到所述隔离模块并 且配置为基于所述DC电压对所述AC电压之比调节所述隔离模块的匝数比，其中所述隔离 模块基于所述匝数比响应于具有一定幅值的所述第一高频率电压产生所述第二高频率电 压。本发明内容被提供以简化的形式介绍概念的选择，这在下面在详细说明中进一步 进行描述。本发明内容不是用于指出要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是用于 辅助确定要求保护的主题的范围。


通过结合附图考虑该详细说明和权利要求，可得到对本发明主题的更全面的理 解，其中在所有附图中，相似的附图标记指代相似的元件。图1为根据一个实施例的适于用在车辆中的充电系统的示意图；和图2为根据一个实施例的适于用于图1的充电系统的充电系统控制方法的流程 图。
具体实施例方式下面的详细说明本质上仅为举例说明性的，并非旨在限制本发明主题的实施例或 这些实施例的应用和使用。如这里所使用的，词语“示例性”的含义是“用作示例、例子或例 证”。这里描述为示例性的任何实施方式不必被解释为是优于其它实施方式或比其它实施
9方式更有利。并且，在前面的技术领域、背景技术、发明内容或后面的详细说明中出现的任 何明示或隐含的理论都不用于限制。参照操作的符号表征、处理任务和可由不同的计算部件或装置执行的功能，这里 可从功能和/或逻辑块部件方面描述工艺和技术。应该认识到，附图中示出的各种块部件 可由任意数量的被配置为执行特定功能的硬件、软件和/或固件实现。例如，系统或部件的 实施例可采用各种集成电路部件，例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表 等，其可在一个或多个微处理器或其它控制装置的控制下执行多种功能。如这里所使用的那样，“节点”的含义是任何内部或外部参考点、连接点、结合点、 信号线、导电元件等，在节点处，会呈现出给定信号、逻辑水平、电压、数据类型、电流或数 量。并且，两个或更多个节点可由一个物理元件实现(并且两个或多个信号可被复用、调制 或以其它方式被区分，即使在一个公共节点处被接收或输出也是如此)。下面的说明提及到元件或节点或特征被“连接”或“联接”在一起。如这里所使用 的，除非以任何方式明确声明之外，“连接”的含义是一个元件/节点/特征被直接接合到 (或直接连通到)另一元件/节点/特征，并且不是必须为机械式的。同样，除非以任何方 式明确声明之外，“联接”的含义是一个元件/节点/特征被直接或间接接合到(或直接或 间接连通到)另一元件/节点/特征，并且不是必须为机械式的。因此，尽管附图描绘元件 的一个示例性设置，但在描绘的主题中可出现另外的中间元件、装置特征或部件。另外，某 些术语也可在下面的说明中仅用于参考的目的，因此不倾向于进行限制。术语“第一”、“第 二”和指代结构的其它这种数量术语不隐含顺序或次序，除非在上下文中清楚地表明。为了简洁，与电能和/功率转换、电力充电系统、功率转换器、变压器结构和/或设 计、脉宽调制(PWM)以及系统(以及系统的独立工作部件)的其它功能方面相关的传统技 术在这里可能不再详细描述。并且，在这里包含的不同附图中示出的连接线旨在表示不同 元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应该注意到，在本发明主题的一个实施例中， 可出现多个可替代的或附加的功能关系或物理连接。这里讨论的技术和概念总体上涉及能够双向能量(或功率输送)的充电系统，该 充电系统同时适应于宽范围的电压、一致功率因素、电隔离、低谐波失真和高功率密度。该 充电系统可用于从例如主电源的AC能量源对DC能量源充电，例如对电动和/或混合动力 车辆中的可再充电电池充电，或者替代地可用于从DC能量源输送能量到AC能量源，也称为 车辆到电网。图1示出适于用在车辆(例如电动和/或混合动力车辆)中的充电系统100(或可 替代地，充电器或充电模块)的示例性实施例。充电系统100包括但不限于第一接口 102、 第一双向转换模块104、隔离模块106、第二双向转换模块108、感应器110、电容器111第二 接口 112和控制模块114。在示例性实施例中，控制模块114被联接到双向转换模块104、 108，并且被配置为以这样的方式操作双向转换模块104、108，即实现进入/离开联接到第 一接口 102的DC能量源116和进入/离开联接到第二接口 112的AC能量源118的期望功 率流，如下面更详细地描述的那样。应该理解的是，图1是充电系统100的简化视图，为了阐释的目的，其不以任何方 式限制这里描述的本发明主题的范围和可应用性。因此，尽管图1示出的是电路元件和/ 或端子之间的直接电连接，但是替代实施例可采用中间电路元件和/或部件，同时实现基本相似的功能。在示例性实施例中，第一接口 102被联接到第一双向转换模块104，该第一双向转 换模块104又被联接到隔离模块106。隔离模块106被联接到第二双向转换模块108，该 第二双向转换模块108又被联接到与AC接口 112联接的感应器110。在示例性实施例中， 控制模块114被联接到接口 102、112和双向转换模块104、108。第一接口 102通常表示用 于将充电系统100联接到DC能量源116的物理接口(例如端子、连接器等)。DC能量源 116 (或可替代地，储能源或ESS)能够以特定的DC电压水平(Vdc)向充电系统100提供和 /或从充电系统100接收直流电(iDe)。根据一个实施例，DC能量源116是能够保存再生能 量的可再充电高电压电池组。在其它实施例中，DC能量源116可包括电池、燃料电池、超级 电容器或其它合适的储能装置。在这一点上，DC能量源116可包括用于车辆中的电气系统 和/或电动机的主能源。例如，DC能量源116可被联接到与电动机联接的功率逆变器，并 且被配置为通过功率逆变器驱动电动机。在示例性实施例中，DC能量源116具有从约200 伏至约500伏DC范围的名义DC电压。以类似的方式，第二接口 112通常表示用于将充电系统100联接到AC能量源118 的物理接口(例如端子、连接器等)。AC能量源118(或电源)能够以特定的AC电压水平 (Vac)向充电系统100提供或从充电系统100接收AC电流(iA。)。如下面详细描述，在示例 性实施例中，AC接口 112包括AC输入功率连接器(或AC输入功率端子)和AC输出功率连 接器(AC输出功率端子)，AC输入功率连接器在从AC能量源118获取能量和/或接收AC 电流时使用，AC输出功率连接器在向AC能量源118提供能量和/或提供AC电流时使用。在示例性实施例中，AC能量源118被实现为用于建筑物、居民住宅或在电力网(例 如主电力或电网)中的其它结构的主电源或主电力系统。根据一个实施例，AC能量源118 包括单相电源，其普遍用于大多数住宅结构，且根据地理区域而改变。例如，在美国，AC能 量源118可被实现为60Hz的120伏(RMS)或240伏(RMS)，而在其它区域，AC能量源118 可被实现为50Hz的110伏(RMS)或220伏(RMS)。在可替代实施例中，AC能量源118可被 实现为适用于充电系统100的任何AC能量源。在示例性实施例中，取决于操作模式，第一双向转换模块104在节点120、122处将 来自DC能量源116的DC能转换为提供到隔离模块106的高频能，或者在节点120、122处 将来自隔离模块106的高频能转换为提供给DC能量源116的DC能。在这一点上，取决于 操作模式，第一双向转换模块104可以操作逆变器(例如，在将能量源116的DC能转换为 高频能时)或作为整流器(例如，在将高频AC能转换为DC能时)。在描绘的实施例中，第 一双向转换模块104包括四个开关(S9-S12)，每个开关具有被配置为与各个开关反向并联 的二极管(D9-D12)。如图所示，第一双向转换模块104还包括电容器123，电容器123配置 为跨越DC接口 102电并联以减小DC接口 102处的电压波动，如本领域中所认识到的那样。在示例性实施例中，开关(S9-S12)为晶体管，并可以使用任何适当的半导体晶体 管实现，例如双极结晶体管(例如IGBT)、场效应晶体管(例如M0SFET)，或本领域已知的 任何可比较的装置。开关和二极管为反向并联，其含义是开关和二极管以反向或逆向极性 电力并联。这种反向并联配置允许双向电流流动，而单向地阻挡电压，如本领域认识到的那 样。在此配置中，电流通过开关的方向与允许通过对应二极管的电流方向相反。这种反向 并联二极管被连接为跨越每个开关，当对应的开关闭合时，为电流提供路径以到达DC能量
11源116，用于对DC能量源116充电，同时开关被调制(例如被打开和/或闭合)以提供从 DC能量源116到隔离模块106的电流的路径，用于输送(或加载)能量到AC能量源118。在这点上，开关S9联接在DC接口 102的节点150和节点120之间，并配置为当开 关S9闭合时提供从节点150到节点120的电流的路径，同时二极管D9联接在节点120和节 点150之间，并配置为提供从节点120到节点150的电流的路径(即，二极管D9反向并联于 开关S9)。开关Sll联接在DC接口 102的节点152和节点120之间，并配置为当开关Sll 闭合时提供从节点152到节点120的电流的路径，同时二极管Dll联接在节点120和节点 152之间，并配置为提供从节点120到节点152的电流的路径。以类似的方式，开关SlO联 接在DC接口 102和节点122之间，并配置为当开关SlO闭合时提供从节点122到节点150 的电流的路径，二极管DlO联接在节点122和DC接口 102之间，并配置为提供从节点122 到节点150的电流的路径；开关S12联接在DC接口 102和节点122之间，并配置为当开关 S12闭合时提供从节点122到节点152的电流的路径，二极管DlO联接在节点122和DC接 口 102之间，并配置为提供从节点152到节点122的电流的路径。在示例性实施例中，取决于操作模式，第二双向转换模块108(或可替代地，矩阵 转换模块)有利于电流(或能)从AC能量源118流动到隔离模块106或从隔离模块流动 到AC能量源118，如下面更详细地描述的那样。在描绘的实施例中，第二双向转换模块108 被实现为前端一致功率因素单相矩阵转换器，其包括八个开关(S1-S8)，每个开关具有被配 置为以与前面针对第一双向转换模块104提出的类似的方式与对应的开关反向并联的一 个二极管(D1-D8)。如图1所示，第一组开关(S1、S2)和二极管(D1、D2)被联接在第二双向转换模块 108 (或可替代地，矩阵转换模块)的节点130和节点124之间，其中第一对开关和反向并联 二极管(例如Sl和Dl)被配置为具有与第二对开关和反向并联二极管(S2和D2)相反的极 性。开关Sl和二极管D2被配置为当开关Sl闭合(或接通)且从节点124到节点130的 电压是正电压(或者从节点130到节点124的电压是负电压)时，提供从节点124经过开 关Sl和二极管D2到达节点130的电流流动路径，开关S2和二极管Dl被配置为当开关S2 闭合(或接通)且从节点124到节点130的电压是负电压(或者从节点130到节点124的 电压是正电压)时，提供从节点130经过开关S2和二极管Dl到达节点124的电流流动路 径。以类似的方式，第二组开关(S3、S4)和二极管(D3、D4)被联接在节点130和节点126 之间，第三组开关(S5、S6)和二极管(D5、D6)被联接在节点128和节点124之间，第四组开 关(S7、S8)和二极管(D7、D8)被联接在节点128和节点126之间。在示例性实施例中，第 二双向转换模块108的开关(S1-S8)以这样的方式调制，即使得AC电流(iAC)沿期望的方 向并且同时实现一致功率因素(在可行和/或实际工作容差内)而流动，即来自AC能量源 118的AC电流(iAC)基本上与AC电压(Vac)同相(在可行和/或实际工作容差内)。在示例性实施例中，感应器110被配置为电力地串联在AC接口 112的第一节点 132与矩阵转换模块108的节点128之间，而AC接口 112的第二节点134被联接到矩阵转 换模块108的节点130。感应器110在充电系统100工作期间作为高频感应储能元件，如下 面更详细地描述的那样。电容器111联接在节点132和节点134之间，并且电容器111和 感应器110配置为在充电系统100从DC能量源116提供能量到AC能量源118时提供高频 滤波，如下面详细描述。
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在示例性实施例中，隔离模块106在两个转换模块104、108之间提供电隔离。在 该描绘的实施例中，隔离模块106被实现为可被配置用于多个不同的匝数比的变压器135。 在示例性实施例中，变压器135被实现为高频变压器，也就是说，被设计为在高频下用于特 定功率水平的变压器，例如转换模块104、108的开关的切换频率(例如50kHz)，使得变压器 的物理尺寸相对于被设计为在低频(例如主频率)下用于相同功率水平的变压器的尺寸减 小。如这里所使用的，隔离模块106和/或变压器135的匝数比应该被理解为指的是变压 器135的次级线圈(例如线圈136、138)的有效线圈匝数与变压器135的初级线圈(例如 线圈140、142)的有效线圈匝数之比，或可替代地，节点120、122上的电压与节点124、126、 141上的电压之比。应该认识到，在本领域，响应节点124、126、141处的高频电压，隔离模 块106基于变压器135的匝数比在节点120、122处产生一定幅值的高频电压，使得较大的 匝数比在节点120、122处产生较大幅值的电压，而较小的匝数比在节点120、122处产生较 小幅值的电压。在示例性实施例中，充电系统100和/或隔离模块106被配置为用于多个工作模 式，每个工作模式对应于变压器135的多个不同的匝数比中的不同的匝数比。应该注意到， 尽管变压器135和/或隔离模块106在这里可以在充电系统100和/或隔离模块106被配 置为用于两个工作模式(或两个不同的匝数比)的上下文中进行描述，应该认识到，充电系 统100和/或隔离模块106可适于任何数量的工作模式和/或匝数比。在这一点上，工作 模式和/或匝数比将依赖于特定的应用和充电系统100的各个接口 102、112处的电压水平 的预期组合和/或范围。换句话说，隔离模块106和/或变压器135的匝数比可被配置为 用于能量源116、118和/或电压水平的很多可能的组合。在示例性实施例中，隔离模块106包括连接在第一双向转换模块104的节点120、 122之间的第一组线圈136、连接在节点120、122之间的第二组线圈138、连接在节点126、 141之间的第三组线圈140和连接在节点124、141之间的第四组线圈142。为了阐释的目 的，线圈组140、142在这里可被称为包括变压器135的初级线圈级(或主线圈)，线圈组 136、138在这里可被称为包括变压器135的次级线圈级(或次线圈)。主线圈140、142以 传统方式被磁性联接到次线圈136、138，如本领域认识到的那样。在示例性实施例中，切换元件144被连接在隔离模块106的初级线圈级的节点141 和矩阵转换模块108的节点130之间。在这一点上，第三组线圈140和第四组线圈142被配 置为当切换元件144断开(或切断)时电气串联，而第一组线圈136和第二组线圈138被 配置为电气并联。因此，当切换元件144被闭合(或接通)时，变压器135的初级线圈级的 有效线圈匝数(例如主线圈140、142的有效匝数)减少，使得闭合(或接通)切换元件144 增加隔离模块106和/或变压器135的匝数比。相反，当切换元件144被断开(或切断) 时，两组主线圈140、142串联，且两组次线圈136、138并联，使得断开切换元件144降低了 隔离模块106和/或变压器135的匝数比。切换元件144可使用适合的半导体晶体管而被 实现，例如双极结晶体管(例如IGBT)、场效应晶体管(例如M0SFET)或本领域已知的任何 其它可比较装置。如前面提到的那样，应该认识到，隔离模块106和/变压器135可适于包 括另外的线圈组和另外的切换元件，以适应于任何数量的匝数比和/或工作模式。在这一 点上，应该注意到，线圈组136、138、140、142中的线圈匝数可根据特定应用的需要修改，而 本发明主题并不被限制于任何特定的配置或特定数量的线圈匝数。
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控制模块114通常表示硬件、固件和/或软件，其被配置为调制双向转换模块104、 108的开关，以在DC能量源116和AC能量源118之间达到期望的功率流，如下面更详细地 描述的那样。通过被设计为支持和/或执行这里描述的功能的通用处理器、微处理器、微控 制器、内容可寻址存储器、数字信号处理器、特定应用集成电路、现场可编程门阵列、任何适 合的可编程逻辑装置、离散门逻辑、晶体管逻辑、分离硬件元件或它们的任何组合，控制模 块114可被实施或实现。如下面更详细描述，在示例性实施例中，控制模块114识别充电系统100的能量输 送方向，该能量输送方向对应于在DC接口 102处的DC电流(iDC)的方向。在这点上，如果能 量输送方向对应于从DC能量源116流动到AC能量源118的DC电流(例如，iDC > 0)，也就 是说，从DC能量源116输送能量到AC能量源118 (或者替代地，DC至AC能量输送方向)， 则控制模块114通过调制开关(S9-S12)将第一双向转换模块104操作为功率逆变器以将 DC电压(Vdc)转换为节点120、122处的高频率电压，并且通过调制开关(S1-S8)将第二双向 转换模块108操作为循环换流器以将节点124、126、141处的高频率电压转换为AC接口 112 处的低频率AC电压(VA。)，使得AC电流(iAC)流动到AC能量源118。如果能量输送方向对 应于从第一双向转换模块104流动到DC能量源116的DC电流(例如，iDC < 0)，也就是说， 从AC能量源118输送能量到DC能量源116 (或者替代地，AC至DC能量输送方向)，则控制 模块114通过调制开关(S1-S8)将AC电压(Vac)转换为高频率电压，使得AC电流(iAC)从 AC能量源118流出，并且与AC电压(VA。)同相。在示例性实施例中，隔离模块106在节点 102、122处产生高频率电压，该高频率电压被第一双向转换模块104的二极管(D9-D12)整 流以在DC电压水平(VDe)下提供电流到DC能量源116，该电流对DC能量源116充电。现在参见图2，在示例性实施例中，充电系统可被配置为执行下面描述的充电系统 控制方法200和附加的任务、功能和操作。各种任务可通过软件、硬件固件或其任意组合被 执行。为了描绘的目的，下面的说明可引用结合图1提到的元件。在实践中，任务、功能和 操作可由描述的系统的不同元件执行，例如第一双向转换模块104、隔离模块106、矩阵转 换模块108、和/或控制模块114。应该认识到，任何数量的附加或可替代的任务可被包括， 并且可合并到下面没有详细描述的具有附加功能的更复杂的程序或过程中。参见图2，并且继续参见图1，充电系统控制方法200可被执行，以允许充电系统 100适应于双向能量输送，也就是说，从DC能量源提供能量给AC能量源或者从AC能量源 给DC能量源充电。在示例性实施例中，通过识别充电系统的能量输送方向(任务202)，充 电系统控制过程200开始。在这点上，如上所述，能量输送方向对应于从DC能量源116到 充电系统100或从充电系统100到DC能量源116的DC电流(iDC)的方向。DC至AC能量 输送方向对应于从DC能量源116流出的DC电流(例如，iDC > 0)，和流动到AC能量源118 的AC电流(也就是说，从DC能量源116输送能量到AC能量源118)。AC至DC能量输送方 向对应于从AC能量源118至充电系统100的AC电流(其导致流动至DC能量源116的DC 电流)(例如，iDC < 0)，也就是说，从AC能量源118给DC能量源116充电。在示例性实施例中，充电系统控制方法200和/或控制模块114基于AC能量源118 至AC接口 112的配置和/或联接来识别能量输送方向。例如，如果AC接口 112包括AC输 入功率连接器(或AC功率输入端子)和AC输出功率连接器(或AC输出功率端子)，当控 制模块114检测到AC能量源118经由AC输入功率连接器联接到AC接口 112时控制模块114可以识别AC至DC的能量输送方向。替代地，如果控制模块114检测到AC能量源118 经由AC输出功率连接器联接到AC接口 112，控制模块114确定DC至AC的能量输送方向。 在替代实施例中，充电系统控制方法200和/或控制模块114可以响应于来自车辆电气系 统的另一个部件的用户输入或指令(例如，来自电子控制单元(ECU)的指令)来识别能量 输送方向。在示例性实施例中，充电系统控制方法200通过获取联接到充电系统的能量源的 电压水平而继续(任务204)。例如，控制模块114可通过获取充电系统100的DC接口 102 处的DC电压(Vdc)(例如通过适当配置的传感设置)而获取DC能源的电压水平。在可替代 实施例中，DC接口 102处的期望电压水平可被预先确定和保存在控制模块114中，或者DC 接口 102处的期望电压水平可由使用者选择并且被提供到控制模块114和/或充电系统 100。通过获取充电系统100的AC接口 112处的AC电压(Vac)，控制模块114可获取AC能 量源的电压水平。在示例性实施例中，充电系统控制方法200通过基于获取的电压水平来配置隔离 模块而继续(任务206)。在这一点上，充电系统控制过程200和/或控制模块114基于DC 接口 102处的DC电压(Vdc)与AC接口 112处的AC电压(Vac)之比为隔离模块106确定合 适的匝数比，并且调节隔离模块106 (例如，通过断开或闭合切换元件144)以实现期望的匝 数比。当DC接口 102处的DC电压(Vdc)与AC接口 112处的AC电压(Vac)之比为使得隔离 模块106的匝数比应该降低(例如，为了步进降低AC电压(Vac)以适应DC电压(VDC)，或者 替代地，为了步进增大DC电压(VD。)以适应AC电压(VA。))时，控制模块114例如通过断开 (或者切断)切换元件144来降低隔离模块106的匝数比。在示例性实施例中，当AC接口 112处的AC电压的峰值大于DC接口 102处的DC电压水平时，换言之，色^xVac > Foe (其 中VAC是AC接口 112处的RMS(均方根)电压)时，控制模块114降低隔离模块106的匝 数比。以类似方式，当DC接口 102处的DC电压(Vdc)与AC接口 112处的AC电压(Vac)之 比为使得隔离模块106的匝数比应该增大(例如，为了步进增大AC电压(Vac)以适应DC电 压(VDC)，或者替代地，为了步进降低DC电压(Vdc)以适应AC电压(Vac))时，控制模块114 例如通过闭合(或者接通)切换元件144来增大隔离模块106的匝数比。在示例性实施例 中，当AC接口 112处的AC电压的峰值小于或等于DC接口 102处的DC电压水平时，换言 之，当V^xtc^Gc (其中VAC是AC接口 112处的RMS(均方根)电压)时，控制模块114 增大隔离模块106的匝数比。根据一个实施例，控制模块114配置为在AC电压的峰值小于 DC电压(VDe)时闭合切换元件144，并且在AC电压的峰值大于DC电压(VDe)时断开切换元 件 144。在示例性实施例中，充电系统控制方法200通过基于识别的能量输送方向来操 作第一双向转换模块而继续(任务208)。在这点上，如果识别的能量输送方向对应于DC 至AC(例如，从DC能量源116输送能量到AC能量源118)，控制模块114通过调制开关 (S9-S12)将第一双向转换模块104操作为功率逆变器以在节点120、122处产生高频率电 压。例如，根据一个实施例，控制模块114利用PWM技术调制开关(S9-S12)以在节点120、 122处产生在充电系统100的切换频率(例如50kHz)下百分之五十占空比的电压。如果识 别的能量输送方向对应于AC至DC (例如，从AC能量源118对DC能量源116充电)，根据一 个实施例，控制模块114通过在节点122处电压大于节点120处电压时闭合(或接通)开
15关S9和S12并断开(或切断)SlO和Sll以及在节点122处电压小于节点120处电压时断 开(或切断)开关S9和S12并闭合(或接通)SlO和S11，将第一双向转换模块104操作为 同步整流器以将节点120/122处的电压整流为DC电压水平(Vdc)。在替代实施例中，第一双 向转换模块104可以操作为全波桥接整流器(例如通过维持开关(S9-S12)断开或切断)。充电系统控制方法200通过基于识别的能量输送方向和获得的能量源电压来操 作第二双向转换模块而继续(任务210)。在这点上，控制模块114调制矩阵转换模块108 的开关(S1-S8)以实现AC接口 112处的一致功率因素和低谐波失真，同时实现期望电流。 如果识别的能量输送方向对应于DC至AC，控制模块114在切换频率下调制开关(S1-S8)以 将来自隔离模块106的高频率电压转换为AC接口 112处的AC电压水平(VAe)和频率，同时 实现流动至AC能量源118的AC电流。根据一个实施例，控制模块114操作矩阵转换模块 108使得在AC接口 112处的AC电压基本上与AC能量源118同步，也就是说，在AC接口 112 处的AC电压具有与AC能量源118相同的频率(在实际和/或可行工作容差内)。根据该 实施例，控制模块114操作矩阵转换模块108以向AC能量源118提供更宽范围的主动和/ 或反应能量流，用于功率因素修正、电压调节或减小AC能量源118的负载的目的。如果识 别的能量输送方向对应于AC至DC，控制模块114在切换频率下调制矩阵转换模块108的 开关(S1-S8)以将AC接口 112处的AC电压转换为隔离模块106的高频率电压，该高频率 电压继而产生在节点120、122处的高频率电压，在节点120、122处的高频率电压导致DC接 口 102处的期望DC电压水平(Vdc)。此外，控制模块114操作矩阵转换模块108以实现AC 接口 112处的一致功率因素，也就是说，从AC能量源118流出的AC电流(iAC)基本上与AC 接口 112处的AC电压(Vac)同相。在示例性实施例中，控制模块114利用高频率PWM技术来调制矩阵转换模块108 的开关(S1-S8)，其具有在切换频率下的可变占空比。在示例性实施例中，控制模块114实 现与识别的能量输送方向相对应的适当切换模式和/或状态机，并且基本上通过在切换间 隔(其等于切换频率(fs)的倒数)期间状态机的状态来循环开关(S1-S8)。根据一个实施 例，控制模块114产生正弦脉宽调制(PWM)可变占空比控制信号，此信号控制状态机切换并 由此控制开关(S1-S8)的占空比。例如，在示例性实施例中，控制模块114调制矩阵转换模 块108的开关(S1-S8)的占空比以在充电系统100的整个操作中按需要在通过矩阵转换模 块108循环能量与输送能量到AC能量源118或从AC能量源118输送能量之间交替。简而言之，上述的系统和/或方法的优点是，充电系统能够适用于双向功率输送 (例如，从AC能量源向DC能量源充电或从DC能量源向AC能量源输送能量)。在这一点上， 第二双向能量转换模块108和隔离模块106被协作地配置为单个功率级，其适用于宽的电 压范围和AC接口处的一致功率因素，同时实现电隔离和高功率密度。尽管在前面的详细说明书中已经呈现了至少一个示例性实施例，应该认识到，存 在大量的变型。还应该认识到，这里描述的示例性实施例或多个示例性实施例不倾向于以 任何方式限制要求保护的主题的范围、应用或配置。而是，前面的详细说明书将向本领域技 术人员提供用于实施所描述的实施例或多个实施例的便捷途径。应该理解的是，在不脱离 由权利要求限定的范围的情况下可以对元件的功能和设置进行各种改变，包括本专利申请 递交日的已知的等同物和可预见的等同物。
1权利要求
1.一种充电系统，包括 第一双向转换模块； 第二双向转换模块；联接到所述第一双向转换模块的接口；联接在所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的隔离模块，所述隔离模 块提供所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的电隔离；和联接到所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块的控制模块，所述控制模块配 置为识别所述充电系统的能量输送方向；和基于所述能量输送方向操作所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块，使得所 述接口处的电流处于与所述能量输送方向相对应的方向上。
2.根据权利要求1所述的充电系统，还包括联接到所述接口的DC能量源，所述DC能量源具有DC电压； 联接到所述第二双向转换模块的AC能量源，所述AC能量源具有AC电压，其中 基于所述能量输送方向操作所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块，使得所 述接口处的DC电流处于与所述能量输送方向相对应的方向上。
3.根据权利要求2所述的充电系统，所述AC能量源在AC接口处联接到所述第二双向 转换模块，其中当所述能量输送方向对应于从所述DC能量源流出的所述DC电流时，所述控 制模块操作所述第一双向转换模块以将DC电压转换为所述隔离模块处的第一高频率电压， 并且所述隔离模块响应于所述第一高频率电压产生第二高频率电压；和操作所述第二双向转换模块以将来自所述隔离模块的所述第二高频率电压转换为所 述AC接口处的AC电压。
4.根据权利要求3所述的充电系统，其中所述控制模块配置为基于所述DC电压对所述 AC电压之比调节所述隔离模块的匝数比，其中所述隔离模块基于所述匝数比产生具有一定 幅值的所述第二高频率电压。
5.根据权利要求2所述的充电系统，所述DC能量源在所述接口处联接到所述第一双向 转换模块，其中当所述能量输送方向对应于流动至所述DC能量源的所述DC电流时所述控制模块操作所述第二双向转换模块以将AC电压转换为所述隔离模块处的第一 高频率电压；所述隔离模块响应于所述第一高频率电压产生第二高频率电压；和 所述第一双向转换模块将所述第一高频率电压转换为所述接口处的DC电压。
6.根据权利要求5所述的充电系统，其中所述控制模块配置为基于所述DC电压对所述 AC电压之比调节所述隔离模块的匝数比，其中所述隔离模块基于所述匝数比产生具有一定 幅值的所述第一高频率电压。
7.根据权利要求2所述的充电系统，还包括联接到所述第二双向转换模块的AC接口， 所述AC接口包括AC输入功率连接器和AC输出功率连接器，其中所述控制模块配置为当所述AC能量源联接到所述AC输出功率连接器时识别所述能量输送方向为DC至AC ；当所述DC能量源联接到所述AC输入功率连接器时识别所述能量输送方向为AC至DC。
8.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述第一双向转换模块包括 第一节点；第二节点；联接到所述隔离模块的第三节点； 联接到所述隔离模块的第四节点；第一开关，联接在所述第一节点和第三节点之间并且配置为提供从所述第一节点至第 三节点的电流的路径；第一二极管，联接在所述第一节点和第三节点之间并且配置为提供从所述第三节点至 第一节点的电流的路径；第二开关，联接在所述第二节点和第三节点之间并且配置为提供从所述第三节点至第 二节点的电流的路径；第二二极管，联接在所述第二节点和第三节点之间并且配置为提供从所述第二节点至 第三节点的电流的路径；第三开关，联接在所述第一节点和第四节点之间并且配置为提供从所述第一节点至第 四节点的电流的路径；第三二极管，联接在所述第一节点和第四节点之间并且配置为提供从所述第四节点至 第一节点的电流的路径；第四开关，联接在所述第二节点和第四节点之间并且配置为提供从所述第四节点至第 二节点的电流的路径；和第四二极管，联接在所述第二节点和第四节点之间并且配置为提供从所述第二节点至 第四节点的电流的路径；
9.一种控制充电系统的方法，所述充电系统包括在DC接口处联接到DC能量源的第一 双向转换模块和在AC接口处联接到AC能量源的第二双向转换模块，所述AC能量源具有AC 电压，所述方法包括识别所述充电系统的能量输送方向，所述能量输送方向对应于所述DC接口处的DC电 流的方向；和基于所述能量输送方向操作所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块，使得所 述DC电流在与所述能量输送方向相对应的方向上流动。
10.一种车辆充电系统，包括 DC 接口 ；AC 接口 ；第一双向转换模块，联接到所述DC接口 ； 第二双向转换模块，联接到所述AC接口 ；联接在所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的隔离模块，所述隔离模 块提供所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的电隔离；和联接到所述AC接口、所述DC接口、所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块的 控制模块，其中所述控制模块配置为 识别能量输送方向；和基于所述能量输送方向操作所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块，使得所 述DC接口处的DC电流处于与所述能量输送方向相对应的方向上。
全文摘要
本发明涉及具有电隔离的双向能量输送的系统和方法，具体地提供双向能量输送的系统和方法。一种充电系统，包括第一双向转换模块；第二双向转换模块；和联接在所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的隔离模块。所述隔离模块提供所述第一双向转换模块和所述第二双向转换模块之间的电隔离。
文档编号H02J7/00GK101997324SQ201010247400
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者L·A·卡尤克 申请人:通用汽车环球科技运作公司