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CN101997323B - 具有电隔离和多个工作模式的充电系统 - Google Patents

具有电隔离和多个工作模式的充电系统 Download PDF

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CN101997323B
CN101997323B CN2010102473995A CN201010247399A CN101997323B CN 101997323 B CN101997323 B CN 101997323B CN 2010102473995 A CN2010102473995 A CN 2010102473995A CN 201010247399 A CN201010247399 A CN 201010247399A CN 101997323 B CN101997323 B CN 101997323B
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Abstract

本发明提供用于操作具有电隔离且适用于多个工作模式的操作充电系统的系统和方法。车辆充电系统包括DC接口、AC接口、联接到所述DC接口的第一转换模块和联接到所述AC接口的第二转换模块。隔离模块被联接在第一转换模块和第二转换模块之间。隔离模块包括变压器和联接在变压器与第二转换模块之间的切换元件。变压器和切换元件协作地被配置为用于多个工作模式，其中多个工作模式中的每个工作模式对应于变压器的相应匝数比。

Description

具有电隔离和多个工作模式的充电系统
关于联邦赞助研究或开发的声明
本发明受到政府DE-FC26-07NT43123的支持，由美国能源部授权。政府对本发明享有某些权利。
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提供电隔离和多个工作模式的充电系统。
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、整功率因素、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整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。
发明内容
根据一个实施例，提供一种用于充电系统的设备。该充电系统包括：第一转换模块；第二转换模块；和联接在所述第一转换模块和所述第二转换模块之间的隔离模块。所述隔离模块在所述第一转换模块和所述第二转换模块之间提供电隔离。所述隔离模块被配置为用于多个工作模式，其中所述多个工作模式中的每个工作模式对应于隔离模块的相应匝数比。
根据另一个实施例，提供一种使用被配置为用于多个工作模式的充电系统从AC能源向DC能源充电的方法。所述充电系统包括在所述DC能源和所述AC能源之间提供电隔离的隔离模块，其中所述多个工作模式中的每个工作模式对应于所述隔离模块的相应的匝数比。所述DC能源具有DC电压，而所述AC能源具有AC电压。所述方法包括：基于所述DC电压和所述AC电压识别所述多个工作模式中的第一工作模式；响应于识别所述第一工作模式，将所述隔离模块配置为与所述第一工作模式相关的第一匝数比；和根据所述第一工作模式操作所述充电系统。
在另一个实施例中，提供一种用于车辆充电系统的设备。所述车辆充电系统包括：DC接口；AC接口；联接到所述DC接口的第一转换模块和联接到所述AC接口的第二转换模块。隔离模块联接在所述第一转换模块和所述第二转换模块之间。所述隔离模块包括变压器和联接在所述变压器与所述第二转换模块之间的切换元件。所述变压器和所述切换元件被协作地配置为用于多个工作模式，所述多个工作模式中的每个工作模式对应于所述变压器的相应匝数比。
方案1、一种充电系统，包括：
第一转换模块；
第二转换模块；和
联接在所述第一转换模块和所述第二转换模块之间的隔离模块，所述隔离模块在所述第一转换模块和所述第二转换模块之间提供电隔离，其中所述隔离模块被配置为用于多个工作模式，所述多个工作模式中的每个工作模式对应于所述隔离模块的相应匝数比。
方案2、如方案1所述的充电系统，其中所述隔离模块包括：
联接到所述第一转换模块的第一节点；
联接到所述第一转换模块的第二节点；
联接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一组绕组；
联接在所述第一节点和所述第二节点之间的第二组绕组，并且所述第一组绕组和所述第二组绕组被配置电并联的；
联接到所述第二转换模块的第三节点；
联接到所述第二转换模块的第四节点；
第五节点；
联接在所述第三节点和所述第五节点之间的第三组绕组；
联接在所述第四节点和所述第五节点之间的第四组绕组；和
联接在所述第五节点和所述第二转换模块之间的切换元件，其中所述隔离模块具有与所述切换模块打开时的第一工作模式对应的第一匝数比，和与所述切换元件关闭时的所述多个工作模式中的第二工作模式对应的第二匝数比。
方案3、如方案2所述的充电系统，其中所述第二转换模块包括：
联接到所述切换元件的第六节点；
第七节点；
联接在所述第三节点和所述第六节点之间的第一组开关；
联接在所述第四节点和所述第六节点之间的第二组开关；
联接在所述第三节点和所述第七节点之间的第三组开关；和
联接在所述第四节点和所述第七节点之间的第四组开关。
方案4、如方案3所述的充电系统，进一步包括：
联接到所述第七节点的感应器；和
联接到所述感应器和所述第七节点的AC接口。
方案5、如方案1所述的充电系统，进一步包括：
联接到所述第一转换模块的DC能源，所述DC能源具有DC电压；
联接到所述第二转换模块的AC能源，所述AC能源具有AC电压；和
联接到所述隔离模块和所述第二转换模块的控制模块，所述控制模块被配置为：
基于所述DC电压和所述AC电压识别所述多个工作模式中的第一工作模式；
针对所述第一工作模式配置所述隔离模块；和
基于所述第一工作模式操作所述第二转换模块。
方案6、如方案5所述的充电系统，其中所述控制模块被配置为当所述AC电压的峰值大于所述DC电压时识别降低模式。
方案7、如方案6所述的充电系统，其中所述控制模块被配置为响应于识别降低模式而减小所述隔离模块的匝数比。
方案8、如方案5所述的充电系统，其中所述控制模块被配置为当所述AC电压的峰值小于所述DC电压时识别升高模式。
方案9、如方案8所述的充电系统，其中所述控制模块被配置为响应于识别升高模式而增加所述隔离模块的匝数比。
方案10、如方案1所述的充电系统，其中所述隔离模块包括：
联接到所述第二转换模块的一组初级绕组；
联接到所述第一转换模块的一组次级绕组；和
联接在所述一组初级绕组和所述第二转换模块之间的切换元件，其中所述切换元件被配置为通过调节所述一组次级绕组的有效绕组数与所述一组初级绕组的有效绕组数之比来调节所述隔离模块的匝数比。
方案11、一种使用被配置为用于多个工作模式的充电系统从AC能源向DC能源充电的方法，所述充电系统包括在所述DC能源和所述AC能源之间提供电隔离的隔离模块，其中所述多个工作模式中的每个工作模式对应于所述隔离模块的相应匝数比，所述DC能源具有DC电压，而所述AC能源具有AC电压，所述方法包括：
基于所述DC电压和所述AC电压识别所述多个工作模式中的第一工作模式；
响应于识别所述第一工作模式，将所述隔离模块配置为具有与所述第一工作模式相关的第一匝数比；和
根据所述第一工作模式操作所述充电系统。
方案12、如方案11所述的方法，其中：
识别所述第一工作模式包括当所述DC电压大于所述AC电压的峰值时识别升高模式；和
针对所述第一工作模式配置所述隔离模块包括响应于识别所述升高模式而增加所述隔离模块的匝数比。
方案13、如方案12所述的方法，所述充电系统包括联接在所述AC能源和所述隔离模块之间的转换模块，其中根据所述第一工作模式操作所述充电系统包括响应于识别所述升高模式而使所述转换模块工作在升高模式下。
方案14、如方案10所述的方法，其中：
识别所述第一工作模式包括当所述DC能源的电压小于于所述AC能源的峰值时识别降低模式；和
针对所述第一工作模式配置所述隔离模块包括响应于识别所述降低模式而减小所述隔离模块的匝数比。
方案15、如方案14所述的方法，所述充电系统包括联接在所述AC能源和所述隔离模块之间的转换模块，其中根据所述第一工作模式操作所述充电系统包括响应于识别所述降低模式而使所述转换模块工作在降低模式下。
方案16、一种车辆充电系统，包括：
DC接口；
AC接口；
联接到所述DC接口的第一转换模块；
联接到所述AC接口的第二转换模块；
联接在所述第一转换模块和所述第二转换模块之间的隔离模块，所述隔离模块包括：
变压器；和
联接在所述变压器和所述第二转换模块之间的切换元件，其中所述变压器和所述切换元件被协作地配置为用于多个工作模式，所述多个工作模式中的每个工作模式对应于所述变压器的相应匝数比。
方案17、如方案16所述的车辆充电系统，进一步包括：
联接到所述AC接口的AC能源，所述AC能源具有AC电压；
联接到所述DC接口的DC能源，所述DC能源具有DC电压；和
联接到所述DC接口、所述AC接口、所述切换元件和所述第二转换模块的控制模块，其中所述控制模块被配置为：
基于所述DC电压和所述AC 电压识别所述多个工作模式中的第一工作模式；
针对所述第一工作模式配置所述隔离模块；和
基于所述第一工作模式操作所述第二转换模块。
方案18、如方案17所述的车辆充电系统，其中所述控制模块被配置为：
当所述AC电压的峰值电压大于所述DC电压时，识别降低模式；和
响应于识别所述降低模式，减小所述变压器的匝数比；和
在所述降低模式下操作所述第二转换模块。
方案19、如方案17所述的车辆充电系统，其中所述控制模块被配置为：
当所述AC电压的峰值电压小于所述DC电压时，识别升高模式；和
响应于识别所述升高模式，增加所述变压器的匝数比；和
在所述升高模式下操作所述第二转换模块。
方案20、如方案16所述的车辆充电系统，其中所述第二转换模块包括：
第一节点；
第二节点，其中所述变压器的初级绕组联接在所述第一节点和所述第二节点之间；
联接到所述切换元件和所述AC接口的第三节点；
联接到所述AC接口的第四节点；
联接在所述第一节点和所述第三节点之间的第一组开关；
联接在所述第二节点和所述第三节点之间的第二组开关；
联接在所述第一节点和所述第四节点之间的第三组开关；和
联接在所述第二节点和所述第四节点之间的第四组开关。
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。
附图说明
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过程的流程图。
具体实施方式
下面的详细说明本质上仅为描绘性的，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具有多个工作模式的充电系统，该充电系统适应于宽范围的电压组合，同时达到整功率因素、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电源对DC电源充电，例如对电动和/或混合动力车辆中的可再充电电池充电。
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、第一转换模块104、隔离模块106、第二转换模块108、感应器110、第二接口112和控制模块114。在示例性实施例中，控制模块114被联接到转换模块104、108和隔离模块106，并且被配置为以某种方式操作转换模块104、108和隔离模块106，以实现从联接到第二接口112的AC电源118向联接到第一接口102的DC电源116具有期望功率流，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被联接到第一转换模块104，该第一转换模块104又被联接到隔离模块106。隔离模块106被联接到第二转换模块108，该第二转换模块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能源116的实体接口(例如端子、连接器等)。DC能源116(或可替代地，储能源或ESS)能够以特定的DC电压水平(VDC)从充电系统100接收直流电。根据一个实施例，DC能源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能源116具有从约200伏至约500伏DC的额定DC电压范围。
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能源118的实体接口(例如端子、连接器等)。AC能源118(或电源)能够以特定的AC电压水平(VAC)向充电系统100提供AC电流(iAC)。在示例性实施例中，AC能源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能源118可被实现为60Hz的120伏(RMS)或240伏(RMS)，而在其它区域，AC能源118可被实现为50Hz的110伏(RMS)或220伏(RMS)。在可替代实施例中，AC能源118可被实现为适用于操作充电系统100的任何AC能源。
在示例性实施例中，第一转换模块104在节点120、122处将来自隔离模块106的高频能量转换为提供到DC能源116的DC能量。在这一点上，第一转换模块104在将高频AC能量转换为DC能量时用作整流器，如本领域认识的那样。在描绘的实施例中，第一转换模块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)。在示例性实施例中，开关(S9-S12)为晶体管，并且可使用任何合适的半导体晶体管开关来实现，例如双极结晶体管(例如IGBT)、场效应晶体管(例如MOSFET)，或本领域已知的任何等同装置。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的方式电力并联。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到每个开关，以便当对应的开关关闭而开关被调节(例如被打开和/或关闭)时，为电流提供路径以到达DC能源116，用于对DC能源116充电。
在示例性实施例中，第一转换模块104用作使用二极管(D9-D12)的全波桥整流器，其在节点120、122处将高频AC电压转换为DC接口102处的期望的DC电压水平(VDC)。在这一点上，二极管D9被联接在节点120和DC接口102的第一节点150之间，并且被配置为提供从节点120到节点150的电流流动路径，二极管D11被联接在节点120和DC接口102的第二节点152之间，并且被配置为提供从节点152到节点120的电流流动路径，二极管D10被联接在节点122和节点150之间，并且被配置为提供从节点122到节点150的电流流动路径，并且二极管D12被联接在节点122和节点152之间，并且被配置为提供从节点152到节点122的电流流动路径。如图所示，第一转换模块104还包括电容器123，其配置为与DC接口102电并联连接，以减小DC接口102处的电压纹波，如本领域认识到的那样。
在示例性实施例中，第二转换模块108(或可替代地，矩阵转换模块)有利于电流(或能量)从AC能源118流动到联接至隔离模块106的节点124、126，如下面更详细地描述的那样。在描绘的实施例中，第二转换模块108被实现为前端整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S1和D1)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S1和二极管D2被配置为当开关S1关闭(或打开)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S1和二极管D2到达节点130的电流流动路径，并且开关S2和二极管D1被配置为当开关S2关闭(或打开)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D1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。
如下面更详细地描述的那样，在示例性实施例中，基于充电系统100的接口102、112处的电压水平(例如能源116、118的电压)，以使来自AC能源118的电压升高(升压)或降低(降压)的方式调节开关(S1-S8)，以便在DC接口102处提供期望电压水平(VDC)的充电电流。在示例性实施例中，矩阵转换模块108的开关(S1-S8)以某种方式被调节，使得来自AC能源118的输入电流(iAC)与AC电压(VAC)同相，也就是说，充电系统100在AC接口112处使用整功率因素(在可行和/或实际的工作容差内)工作。在示例性实施例中，感应器110被配置为电串联在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工作期间用作高频感应储能元件，如下面更详细描述的。
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，例如在转换模块104、108的开关的切换频率下(例如50kHz)，使得该变压器的实体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的次级绕组(例如绕组136、138)的有效绕组匝数与变压器135的初级绕组(例如绕组140、142)的有效绕组匝数之比，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，在本领域中，响应于节点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处产生一定量的高频电压，使得较大的匝数比在节点120、122处产生较大量的电压，而较小的匝数比在节点120、122处产生较小量的电压。
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在这里可被描述为充电系统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)，应该认识到，充电系统100和/或隔离模块106可适用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/或匝数比将取决于特定的应用和充电系统100的各个接口102、112处的希望的电压水平的组合和/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源116、118和/或电压水平的多种可能的组合。
在示例性实施例中，隔离模块106包括连接在第一转换模块104的节点120、122之间的第一组绕组136、连接在节点120、122之间的第二组绕组138、连接在节点126、141之间的第三组绕组140和连接在节点126、141之间的第四组绕组142。为了阐释的目的，绕组140、142在这里可被描述为包括变压器135的初级绕组(或主绕组)，而绕组136、138在这里可被描述为包括变压器135的次级绕组(或次绕组)。主绕组140、142以传统方式被磁性联接到次绕组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的初级绕组的节点141和矩阵转换模块108的节点130之间。在这一点上，第三组绕组140和第四组绕组142被配置为当切换元件144打开(或关闭)时电力串联，而第一组绕组136和第二组绕组138被配置为电力并联。因此，当切换元件144被关闭(或打开)时，变压器135的初级绕组的有效绕组匝数(例如主绕组140、142的有效匝数)减少，使得关闭(或打开)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被打开(或关闭)时，两组主绕组140、142串联，且两组次绕组136、138并联，使得打开切换元件144降低了隔离模块106和/或变压器135的匝数比。切换元件144可使用合适的半导体晶体管开关实现，例如双极结晶体管(例如IGBT)、场效应晶体管(例如MOSFET)或本领域已知的任何其它等同装置。如前面提到的那样，应该认识到，隔离模块106和/变压器135可适于包括另外的绕组和另外的切换元件，以适应任何数量的匝数比和/或工作模式。在这一点上，应该注意到，绕组136、138、140、142中的绕组匝数可根据特定应用的需要被修改，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。
控制模块114通常表示硬件、固件和/或软件，其被配置为调节转换模块104、108的开关，以在DC能源116和AC能源118之间获得期望的功率流，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、专用集成电路、现场可编程门阵列、任何合适的可编程逻辑装置、离散门逻辑、或晶体管逻辑、离散硬件元件或它们的任何组合，控制模块114可被实施或实现。在示例性实施例中，控制模块114被联接到接口102、112和切换元件144，并且控制模块114基于接口102、112处的电压水平激活(例如打开或关闭)切换元件144，如下面更详细地描述的那样。
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过程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，下面的说明可参照结合图1提到的元件。在实践中，任务、功能和操作可由所描述的系统的不同元件执行，例如第一转换模块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，充电系统控制过程200可被执行，以允许充电系统100适应宽范围的电压(例如接口102、112处的)或多种能源电压的组合。在示例性实施例中，通过获取DC接口处的期望电压水平(任务202)，充电系统控制过程200开始。根据一个实施例，DC接口102处的期望电压水平对应于DC能源116的电压水平。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装置)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并保存在控制模块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。充电系统控制过程200通过获取AC能源的电压水平(任务204)而继续。例如，通过获取和/或计算充电系统100的AC接口112处的AC电压(VAC)的均方根值(RMS)，控制模块114可获取AC能源的电压水平。
在示例性实施例中，充电系统控制过程200基于针对充电系统的接口获取的电压水平为充电系统确定和/或识别合适的工作模式而继续。在这一点上，充电系统控制过程200和/或控制模块114为隔离模块106确定合适的匝数比，并且基于DC接口102处的期望DC电压(VDC)与AC接口112处的AC电压(VAC)之比为矩阵转换模块108实施合适的控制方案。在示例性实施例中，充电系统控制过程200基于DC电压与AC电压之比确定是否使充电系统工作在降低模式或升高模式下。在这一点上，降低模式对应于当隔离模块106的匝数比被配置为小于1∶1时充电系统100的工作，而升高模式对应于当隔离模块106的匝数比被配置为大于或等于1∶1时充电系统100的工作。在示例性实施例中，充电系统控制过程200还可基于DC电压与AC电压之比确定使充电系统不工作，如下面更详细地描述的那样。
在示例性实施例中，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，以降压或降低AC接口112处的AC电压(VAC)，从而在DC接口102处获得期望的DC电压(VDC)时，充电系统控制过程200和/或控制模块114确定在降低模式下操作充电系统100。根据一个实施例，当AC接口112处的AC电压(VAC)的峰值电压大于DC接口102处的期望DC电压(VDC)时，换句话说，当时(其中VAC为AC接口112处的RMS电压)时，控制模块114确定使充电系统100工作在降低模式下。例如，根据一个实施例，充电系统100可被设计为对于约250伏DC的DC能源116的额定DC电压(或期望的DC电压水平)适用于120伏(RMS)或240伏(RMS)的AC能源电压(VAC)。每组绕组136、138、140、142可具有相同数量的绕组匝数，使得当切换元件144打开时，隔离模块106和/或变压器135的匝数比为1∶2，当切换元件144关闭时，隔离模块106和/或变压器135的匝数比为1∶1。在这一点上，当AC能源118的RMS电压为240伏时，控制模块114可确定充电系统100应该工作在降低模式下，以便将AC电压(VAC)降压到期望的DC电压水平(VDC)。
响应于将降低模式识别为合适的工作模式，充电系统控制过程200通过减少隔离模块的匝数比并且使充电系统工作在降低模式下(任务208、210)而继续。在这一点上，在示例性实施例中，控制模块114通过打开(或关闭)切换元件144而配置隔离模块106用于降低模式，使得隔离模块106的匝数比减小到小于1∶1的比值。控制模块114使用高频脉宽调制(PWM)，以调制或以其它方式操作矩阵转换模块108的开关，使得矩阵转换模块108和隔离模块106的配置工作为高频全桥降压整功率因素矩阵转换器，从而在次绕组136、138的出口120、122处提供期望的电压。控制模块114实施合适的切换型态和/或状态机，并且在与切换频率(fe)的倒数相等的切换间隔期间通过状态机相继地循环开关(S1-S8)的状态。控制模块114产生控制状态机转变从而控制开关(S1-S8)的占空比的正弦脉宽调制(PWM)可变占空比控制信号。
根据一个实施例，DC接口102处的电压被采样，并且与参考电压(例如DC接口102的期望电压)相比较，以得到误差信号，该误差信号与对应于切换频率(fe)的高频载波信号进行比较，以得到正弦PWM调制的占空比。当误差信号小于载波信号时，通过向感应器110上施加AC电压，控制模块114操作开关(S1-S8)，以循环地通过矩阵转换模块108提供能量。当误差信号大于载波信号时，控制模块114操作开关(S1-S8)，以释放感应器110的保存的能量和/或电压(可替代地，回零电压)。回零电压与AC电压的和被施加到隔离模块106上，导致向节点120、122和/或DC能源116进行功率传输。当误差信号小于载波信号时，控制模块114操作开关(S1-S8)，以循环地通过矩阵转换模块108提供能量，直到误差信号大于载波信号为止，在误差信号大于载波信号时，控制模块114如上提到的那样操作开关(S1-S8)，以释放感应器110的保存的能量。以此方式，矩阵转换模块108根据需要在充电系统100的整个工作期间在循环供能和向隔离模块106输送能量之间交替变换。
再次参见图2，并且继续参见图1，在示例性实施例中，当DC接口102处的DC电压(VDC)与AC接口112处的AC电压(VAC)比使得隔离模块106的匝数比应该被增加，以在DC接口102处获得期望的DC电压(VDC)时，充电系统控制过程200确定使充电系统100工作在升高模式下。在示例性实施例中，当AC能源118的峰值电压小于DC接口102处的期望DC电压(VDC)时，换句话说，当
Figure BSA00000220583800141
(其中VAC为AC接口112处的RMS电压)时，控制模块114确定使充电系统100工作在升高模式下。例如，根据一个实施例，当充电系统100被设计为对于约250伏DC的DC能源116的额定DC电压(或期望DC电压水平)适用于120伏(RMS)或240伏(RMS)的AC能源电压(VAC)时，且当AC能源118的RMS电压为120伏时，控制模块114可确定充电系统100应该工作在升高模式下，以将AC电压(VAC)升压到期望的DC电压水平(VDC)。
响应于确定使充电系统工作在升高模式，充电系统控制过程200通过增加隔离模块的匝数比并且使充电系统工作在升高模式下(任务212、214)而继续。在这一点上，在示例性实施例中，控制模块114通过关闭(或打开)切换元件144而配置隔离模块106用于降低模式，使得隔离模块106的匝数比增加到到大于1∶1或等于1∶1的比值。在这一点上，当每组绕组136、138、140、142具有相同数量的匝数时，变压器135和/或隔离模块106的匝数比在切换元件144被关闭(或打开)时为1∶1。控制模块114使用高频脉宽调制(PWM)，以调制或以其它方式操作矩阵转换模块108的开关，使得矩阵转换模块108和隔离模块106的配置工作为高频全桥降压整功率因素矩阵转换器，从而在次绕组136、138的出口120、122处提供期望的电压。控制模块114以与上面提到的方式类似的方式实施合适的切换型态和/或状态机。
再次参见图2，在示例性实施例中，当DC接口102处的DC电压(VDC)与AC接口112处的AC电压(VAC)之比使得隔离模块106的匝数比不能被调节(例如增加和/减小)到适应能源116、118的特定组合时，充电系统控制过程200确定禁止充电系统100工作(任务206)。根据一个实施例，当DC电压(VDC)大于
Figure BSA00000220583800151
(其中VAC为AC接口112处的RMS电压)(加上或减去阈值容差)时，控制模块114确定禁止充电系统100工作。例如，根据一个实施例，当充电系统100被设计为对于约250伏DC的DC能源116的额定DC电压(或期望DC电压水平)适用于120伏(RMS)或240伏(RMS)的AC能源电压(VAC)时，控制模块114在AC能源118的RMS电压小于80伏时禁用充电系统100的工作。
简而言之，上述系统和/或方法的优点是，充电系统能够适应宽范围的电压和/或能源电压的多种可能组合。在这一点上，矩阵转换模块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/或能源的多种组合，同时实现整功率因素、电隔离和高功率密度。
尽管在前面的详细说明中已经呈现了至少一个示例性实施例，应该认识到，还存在大量的变型。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是用于以任何方式限制要求保护的主题的范围、应用或配置。相反，前面的详细说明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，前述权利要求限定的范围包括本专利申请递交时已知的等同物和可预见的等同物。

Claims (19)

1.一种充电系统，包括：
第一转换模块；
第二转换模块；和
联接在所述第一转换模块和所述第二转换模块之间的隔离模块，所述隔离模块在所述第一转换模块和所述第二转换模块之间提供电隔离，其中所述隔离模块被配置为用于多个工作模式，所述多个工作模式中的每个工作模式对应于所述隔离模块的相应匝数比，
其中所述隔离模块包括：
联接到所述第一转换模块的第一节点；
联接到所述第一转换模块的第二节点；
联接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一组绕组；
联接在所述第一节点和所述第二节点之间的第二组绕组，并且所述第一组绕组和所述第二组绕组被配置电并联的；
联接到所述第二转换模块的第三节点；
联接到所述第二转换模块的第四节点；
第五节点；
联接在所述第三节点和所述第五节点之间的第三组绕组；
联接在所述第四节点和所述第五节点之间的第四组绕组；和
联接在所述第五节点和所述第二转换模块之间的单个切换元件，其中所述隔离模块具有与所述切换元件打开时的第一工作模式对应的第一匝数比，和与所述切换元件关闭时的所述多个工作模式中的第二工作模式对应的第二匝数比。
2.如权利要求1所述的充电系统，其中所述第二转换模块包括：
联接到所述切换元件的第六节点；
第七节点；
联接在所述第三节点和所述第六节点之间的第一组开关；
联接在所述第四节点和所述第六节点之间的第二组开关；
联接在所述第三节点和所述第七节点之间的第三组开关；和
联接在所述第四节点和所述第七节点之间的第四组开关。
3.如权利要求2所述的充电系统，进一步包括：
联接到所述第七节点的感应器；和
联接到所述感应器和所述第七节点的AC接口。
4.如权利要求1所述的充电系统，进一步包括：
联接到所述第一转换模块的DC能源，所述DC能源具有DC电压；
联接到所述第二转换模块的AC能源，所述AC能源具有AC电压；和
联接到所述隔离模块和所述第二转换模块的控制模块，所述控制模块被配置为：
基于所述DC电压和所述AC电压识别所述多个工作模式中的第一工作模式；
针对所述第一工作模式配置所述隔离模块；和
基于所述第一工作模式操作所述第二转换模块。
5.如权利要求4所述的充电系统，其中所述控制模块被配置为当所述AC电压的峰值大于所述DC电压时识别降低模式。
6.如权利要求5所述的充电系统，其中所述控制模块被配置为响应于识别降低模式而减小所述隔离模块的匝数比。
7.如权利要求4所述的充电系统，其中所述控制模块被配置为当所述AC电压的峰值小于所述DC电压时识别升高模式。
8.如权利要求7所述的充电系统，其中所述控制模块被配置为响应于识别升高模式而增加所述隔离模块的匝数比。
9.如权利要求1所述的充电系统，其中所述第三和第四组绕组是初级绕组；而所述第一和第二组绕组是次级绕组。
10.一种使用权利要求1至9中任一项所述的充电系统从AC能源向DC能源充电的方法，所述充电系统包括在所述DC能源和所述AC能源之间提供电隔离的隔离模块，其中所述多个工作模式中的每个工作模式对应于所述隔离模块的相应匝数比，所述DC能源具有DC电压，而所述AC能源具有AC电压，所述方法包括：
基于所述DC电压和所述AC电压识别所述多个工作模式中的第一工作模式；
响应于识别所述第一工作模式，将所述隔离模块配置为具有与所述第一工作模式相关的第一匝数比；和
根据所述第一工作模式操作所述充电系统。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
识别所述第一工作模式包括当所述DC电压大于所述AC电压的峰值时识别升高模式；和
针对所述第一工作模式配置所述隔离模块包括响应于识别所述升高模式而增加所述隔离模块的匝数比。
12.如权利要求11所述的方法，所述充电系统包括联接在所述AC能源和所述隔离模块之间的转换模块，其中根据所述第一工作模式操作所述充电系统包括响应于识别所述升高模式而使所述转换模块工作在升高模式下。
13.如权利要求10所述的方法，其中：
识别所述第一工作模式包括当所述DC能源的电压小于于所述AC能源的峰值时识别降低模式；和
针对所述第一工作模式配置所述隔离模块包括响应于识别所述降低模式而减小所述隔离模块的匝数比。
14.如权利要求13所述的方法，所述充电系统包括联接在所述AC能源和所述隔离模块之间的转换模块，其中根据所述第一工作模式操作所述充电系统包括响应于识别所述降低模式而使所述转换模块工作在降低模式下。
15.一种车辆充电系统，包括：
DC接口；
AC接口；
联接到所述DC接口的第一转换模块；
联接到所述AC接口的第二转换模块；
联接在所述第一转换模块和所述第二转换模块之间的隔离模块，所述隔离模块包括：
变压器；和
联接在所述变压器和所述第二转换模块之间的单个切换元件，其中所述变压器和所述切换元件被协作地配置为用于多个工作模式，所述多个工作模式中的每个工作模式对应于所述变压器的相应匝数比，
其中所述变压器包括：
联接到所述第一转换模块的第一节点；
联接到所述第一转换模块的第二节点；
联接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一组绕组；
联接在所述第一节点和所述第二节点之间的第二组绕组，并且所述第一组绕组和所述第二组绕组被配置电并联的；
联接到所述第二转换模块的第三节点；
联接到所述第二转换模块的第四节点；
第五节点；
联接在所述第三节点和所述第五节点之间的第三组绕组；
联接在所述第四节点和所述第五节点之间的第四组绕组；并且
其中所述单个切换元件联接在所述第五节点和所述第二转换模块之间，其中所述隔离模块具有与所述切换元件打开时的第一工作模式对应的第一匝数比，和与所述切换元件关闭时的所述多个工作模式中的第二工作模式对应的第二匝数比。
16.如权利要求15所述的车辆充电系统，进一步包括：
联接到所述AC接口的AC能源，所述AC能源具有AC电压；
联接到所述DC接口的DC能源，所述DC能源具有DC电压；和
联接到所述DC接口、所述AC接口、所述切换元件和所述第二转换模块的控制模块，其中所述控制模块被配置为：
基于所述DC电压和所述AC电压识别所述多个工作模式中的第一工作模式；
针对所述第一工作模式配置所述隔离模块；和
基于所述第一工作模式操作所述第二转换模块。
17.如权利要求16所述的车辆充电系统，其中所述控制模块被配置为：
当所述AC电压的峰值电压大于所述DC电压时，识别降低模式；和
响应于识别所述降低模式，减小所述变压器的匝数比；和
在所述降低模式下操作所述第二转换模块。
18.如权利要求16所述的车辆充电系统，其中所述控制模块被配置为：
当所述AC电压的峰值电压小于所述DC电压时，识别升高模式；和
响应于识别所述升高模式，增加所述变压器的匝数比；和
在所述升高模式下操作所述第二转换模块。
19.如权利要求15所述的车辆充电系统，其中所述第二转换模块包括：
联接到所述切换元件的第六节点；
第七节点；
联接在所述第三节点和所述第六节点之间的第一组开关；
联接在所述第四节点和所述第六节点之间的第二组开关；
联接在所述第三节点和所述第七节点之间的第三组开关；和
联接在所述第四节点和所述第七节点之间的第四组开关。
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