具有分体式电池架构的高功率双向电网连接的充电器的制作方法

具有分体式电池架构的高功率双向电网连接的充电器
1.相关申请
2.本技术根据u.s.c.
§
119(e)要求于2019年9月13日提交的美国临时申请号62/900,140的优先权的权益，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.所公开的实施例总体上涉及电动车辆充电技术和电力输送网(power grid)管理领域，并且更具体地涉及具有分体式电池架构的高功率双向电网连接的充电器。


背景技术：

4.大多数电动车辆从输电网络(electrical grid)(例如，公用设施输电网络)充电。如本领域众所周知的，电动车辆供电设备可用于在高需求的时间期间通过提供来自车辆电池或备用电池的电力来帮助平衡上述输电网络。这是通过采用双向电网连接的电池充电器来实现的，该充电器可从输电网络为电池充电，并在高需求的时间下将来自电池的电力提供回电网。不幸的是，现有的双向充电器缺乏必要的电力来提供有意义的电网平衡。


技术实现要素：

5.公开了用于提供具有电网接口的高功率双向充电的改进系统和方法。
6.其他方面和优势将从以下参考附图进行的优选实施例的具体实施方式中变得明显。
附图说明
7.并入和构成本说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释和说明本发明技术的原理。具体地：
8.图1是根据本公开的一个实施例的双向电网连接的电动车辆电池充电系统100。
9.图2是根据本公开的一个实施例的具有分体式电池架构的高功率双向充电器的实施例的框图。
10.图3是根据本公开的一个实施例的具有分体式电池架构的高功率双向充电器的另一实施例的框图。
具体实施方式
11.大多数电动车辆从诸如公用设施输电网络的输电网络充电。电动车辆供电设备可用于在高需求的时间期间通过从车辆电池或备用电池来提供电力来帮助平衡输电网络。这是通过采用双向电网连接的电池充电器来实现的，该充电器能够从输电网络为电池充电，并在高需求的时间期间下将来自电池的电力提供回电网。不幸的是，现有的双向充电器缺乏必要的电力来提供有意义的电网平衡。因此，可能期望用于提供具有电网接口的高功率双向充电器的新的和改进的系统和方法。
12.本公开针对试图解决与用于电动车辆充电和电力输送网管理的常规系统和方法相关的上述和其他缺点、问题和争议中的一个或多个的系统和方法。本文所述的一个或多个实施例旨在通过将集成电池分成两部分并且使用用于充电的转换器来克服现有技术在输出电压方面的若干限制并且本文所述的一个或多个实施例还要在两个电池之间平衡。
13.在一个或多个实施例中，架构提供具有备用电池的350kw(峰值400kw)组合充电系统(ccs)充电器。在一个或多个实施例中，充电器包含集成电池。
14.在一个或多个实施例中，所描述的充电器是完全双向的，从而提供从电网到电动车辆(ev)电池的电能传输能力，以及从集成电池到电力输送网和从ev电池到电力输送网(例如，车辆到电网(v2g)的能量传输能力)或到集成电池的电能传输能力。
15.在一个或多个实施例中，集成电池被分为两部分。第一电池部分是170v至最高200v的低压电池，该低压电池无需转换器直接馈送输出。第二电池部分输送770v-920v。本领域普通技术人员可以理解，上述电压在碳化硅(sic)mosfet晶体管(1200v)的电压限制范围内，并且可使用配置的有源前端(afe)电子器件的降压dc-dc的堆叠来保证高达750v的输送。
16.上述高达750v的电输出可添加到低压电池部分的170v
–
最大200v输出，以根据组合充电系统(ccs)高功率充电(hpc)标准的要求创建200-920v输出。可根据本领域已知的技术和方法增加两个电池的输出的方式。
17.根据本公开的一个方面，双向电网连接的电动车辆电池充电系统的实施例可包括：双向充电器；电耦合到双向充电器的第一集成电池；第二集成电池，其工作电压显著高于第一电池的工作电压，第二电池电耦合到双向充电器，其中双向充电器被配置为提供车辆到电网(v2g)的能量传输能力，以及从集成电池到电力输送网和从电动车辆(ev)电池到集成电池或到电力输送网的电能传输能力。
18.在一个或多个实施例中，第一电池的工作电压在170v和200v之间。在一个或多个实施例中，第二电池的工作电压在770v和920v之间。
19.在一个或多个实施例中，双向充电器包括电网交互ac-dc转换器。在一个或多个实施例中，双向充电器包括双向隔离dc-dc转换器，该转换器将dc电力从电压较高的一侧转换到电压较低的一侧，其中转换比为1:1。
20.在一个或多个实施例中，双向充电器包括反向连接的有源前端(afe)升压转换器，以在正向方向上降低电压(降压)用于连接到第二电池。在一个或多个实施例中，双向充电器包括反向连接的afe升压转换器，以产生从0到高达输入电压变化的输出电压。
21.图1是根据本公开的一个实施例的双向电网连接的电动车辆电池充电系统100。具有分体式电池架构的高功率双向充电器102被配置为定位在电动车辆(ev)10和公用设施22的输电网络20之间，以促进从电网20为ev 10的电池充电和在高需求的时间下将来自ev 10的电池的电力提供回输电网络20。换言之，充电器102的双向能力使得电能从输电网络20传输到ev 10，以对ev 10的电池充电，并且电能从ev 10的电池传输到输电网络20作为在高需求的时段期间的需求响应来帮助维持输电网络20的平衡。
22.高功率双向充电器102可为(或体现)、可包括在，或者可以其他方式与通常被理解为电动车辆供电设备(evse)的设备集成。众所周知，evse可用于通过在高需求的时间期间提供来自ev 20的电池(或来自备用电池)的电力来帮助输电网络20的平衡。然而，目前可用
的双向充电器(例如双向evse)缺乏足够的电力来提供有意义的电网平衡。高功率双向充电器102可包括或以其他方式电耦合到第一集成电池和第二集成电池，以增强车辆到电网(v2g)的能量传输能力，如将解释的，同时还提供电网到车辆(g2v)的能量传输的核心能力。
23.图2是根据本公开的一个实施例的具有分体式电池架构的高功率双向充电器200的框图。高功率双向充电器200可与图1的高功率双向充电器102相同、相似或类似，并且这些可能包括相似的特征和元素。双向充电器200可提供车辆到电网的技术，该技术使能量能够从ev的电池被推回电力输送网。进一步地，双向充电器200包括作为可用电源的集成电池，无论ev是否连接到充电器200，也将能量推回电网。双向充电器200包括一个或多个双向ac-dc转换器210、第一双向隔离dc-dc转换器212、一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器214、第一降压转换器216、一个或多个第二降压转换器218、第一集成电池220和第二集成电池222。
24.一个或多个ac-dc转换器210各自是电网交互ad-dc转换器，其可以是双向的或可以不是双向的。根据一些实施例的ac-dc转换器210可各自为有源前端(afe)转换器。ac-dc转换器210与电网介接并从电网接收ac电，并且将接收到的ac电转换为dc电并升高电压。尽管在图2中示出了单个输入，普通技术人员容易认识到输入可为三相输入。ac-dc转换器210进而将dc电提供到第一双向隔离dc-dc转换器212和一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器214。
25.第一双向隔离dc-dc转换器212将来自电网侧(在这种情况下是从一个或多个afe转换器210连接的一侧)的dc电力转换到电池侧(在这种情况下是连接到降压转换器216的一侧)。单个第一双向隔离dc-dc转换器212可以以充足的电流和/或功率向相对较低电压的第一集成电池220(相对于第二集成电池222的较低电压)供电。换言之，不需要多个双向隔离dc-dc转换器来将dc电供应到较低电压的第一集成电池220。第一双向隔离dc-dc转换器212提供来自电网的隔离。从电网侧到电池侧的电流和/或电压可能很少或没有变化。换句话说，第一双向隔离dc-dc转换器212的转换比可为1:1或大约为1:1。第一双向隔离dc-dc转换器212也可具有另一适当的转换比。
26.一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器214还将dc电力从电网侧(在这种情况下是从一个或多个afe转换器210连接的一侧)转换到电池侧(在这种情况下是连接到第二集成电池222的一侧)。一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器214中的每一个可与第一双向隔离dc-dc转换器212相同或基本相似。多个第二双向隔离dc-dc转换器214可向相对较高电压的第二集成电池222(相对于第一集成电池220的较高电压)供电，以提供充足的电流和/或功率。一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器214提供来自电网的隔离。从电网侧到电池侧的电流和/或电压可能很少或没有变化。换句话说，一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器214的转换比可为1:1或大约为1:1。一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器214也可具有另一适当的转换比。
27.第一降压转换器216从第一双向隔离dc-dc转换器212接收dc电，并将dc电的电压降低到适当的电平以供应到第一集成电池220。第一降压转换器216可为afe降压转换器。降压转换器216可为与一个或多个ac-dc转换器210相同或基本相似的电子部件，但反向连接以降低用于相对较低电压的第一集成电池220的电压。
28.一个或多个第二降压转换器218各自从较高电压的第二集成电池222接收dc电，并
且可将dc电的电压降低到适当的电平以供应用于ev的dc快速充电。一个或多个第二降压转换器218可各自为afe降压转换器。降压转换器218可为与一个或多个ac-dc转换器210相同或基本相似的电子部件，但反向连接以根据需要降低电压，从而提供ev的dc快速充电。afe降压转换器218可产生从0v到高达(来自第二集成电池222的)输入电压的变化的输出电压。
29.与第二集成电池222相比，第一集成电池220可为相对较低电压的电池。换言之，第二集成电池222可具有比第一集成电池220的工作电压显著或至少显著更高的工作电压。可以理解，通过双向充电器200的大部分电力通过较高电压的第二集成电池222。
30.第一集成电池220和第二集成电池222创建双向充电器200的分体式电池架构，其具有几个优势。集成电池220、222提供电池支持的双向充电器200架构，其可以帮助平衡电网，即使ev可能未附着到双向充电器200。集合电池220、222提供可用电源，无论ev是否连接到充电器200。双向充电器200可提供车辆到电网的技术，该技术使能量能够从ev的电池推回电力输送网，并且还通过将能量从集成电池220、222推回电力输送网来提供类似的需求响应，无论ev是否连接到双向充电器200。
31.集成电池220、222的较高电压和较低电压组合也实现了硬件和操作的效率。目前可用的电子器件可能在大约900v时对硅的性能有限制(例如，下降点)。所谓的硅单极器件限制在200v到900v的电压范围内。超过900v阈值需要超级结mosfet和/或其他更复杂的电路系统，该电路系统既昂贵又笨重。利用分体式电池架构，高功率双向充电器200可组合来自较低电压的第一集成电池220和较高电压的第二集成电池222两者的输出，从而能够始终保证超过900v的组合输出，诸如可为dc快速充电标准所要求的。例如，组合充电系统(ccs)是用于对电动车辆进行dc快速充电的标准，需要供应高达920v的电压的能力。较低电压的集成电池220的输出与较高电压的集成电池222的输出的组合可保证始终能够提供高达ccs标准所需的920v。
32.换句话说，具有两个不同内部电池220、222的架构可允许输出电压高于高功率双向充电器200的单个电子器件可以处理的电压。通过将第一集成电池220的输出电压与第二集成电池222的输出电压相加，输出电压可能在超过高功率双向充电器的电子器件可处理的阈值的范围内。
33.图2的双向充电器200的分体式高低电池架构还可最小化转换量以实现期望的输出。转换器210、216、218可为单级转换器。两级转换器比单级转换器更复杂，该两级转换器可创建更大的整体双向转换器(例如，体积更大的产品)。两级转换器也往往比单级转换器产生更多的热量，需要额外的冷却硬件或用于操作的设备。双向充电器200的分体式高低电池架构最小化转换，从而最小化复杂性和热量产生，从而可最小化整个充电器的相关尺寸和用于必要冷却的成本。
34.对于变化的输出电压，从第二集成电池222汲取的电流不同于从第一集成电池220汲取的电流。因此，当输送相对较高或较低的输出电压时，第二集成电池222和第一集成电池220的充电状态之间的平衡可能正在转移。
35.为了抵消这种不平衡，输入上的dc-dc转换器212、214可用于将电力从具有较高充电状态(soc)的一个电池220、222发送到具有较低soc的另一个电池222、220。除了发生来自电网的任何充电或放电到电网之外，还可发生从一个电池220、222到另一个电池的这种电力发送。
36.图3是根据本公开的一个实施例的具有分体式电池架构的高功率双向充电器300的另一实施例的框图。高功率双向充电器300在某些或许多方面可类似于图2的高功率双向充电器200。此外，双向充电器300可为图2的双向充电器200的一种设计和/或实施方式。
37.双向充电器300包括一个或多个ac-dc转换器310、第一双向隔离dc-dc转换器312、一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器314、第一afe降压转换器316、第二afe降压转换器318、第一集成电池320和第二集成电池322。
38.图3的电网能够以480v或400v供应三相ac。图3的电网能够以用于100kva接口实施例的高达145a供应ac。
39.一个或多个ac-dc转换器310可为或可不是双向和电网交互的。在图3中，ac-da转换器310均是afe转换器310。一个或多个afe转换器310各自与电网介接并从电网接收三相ac电，并将接收到的ac电转换为dc电，并将电压升高到770v-920v的范围内。afe转换器310又将dc电提供到第一双向隔离dc-dc转换器312和一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器314。
40.第一双向隔离dc-dc转换器312将来自电网侧(在这种情况下是连接到一个或多个afe转换器310的一侧)的dc电力转换到电池侧(在这种情况下是从afe降压转换器316连接的一侧))。单个第一双向隔离dc-dc转换器312可以以充足的电流和/或功率向相对较低电压的第一集成电池320(相对于第二集成电池322的较低电压)供应770v-920v范围内的dc电。换言之，不需要多个双向隔离dc-dc转换器来向较低电压的第一集成电池320供应dc电。第一双向隔离dc-dc转换器312提供来自电网的隔离。从电网侧到电池侧的电流和/或电压可能很少或没有变化。换句话说，第一双向隔离dc-dc转换器312的转换比可为1:1或大约为1:1，从而根据从一个或多个afe转换器310供应的dc电来供应安全、一致的770v-920v dc电的供应。
41.一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器314还将来自电网侧(在这种情况下是从一个或多个afe转换器310连接的一侧)的dc电力转换到电池侧(在这种情况下是连接到第二个afe转换器310的一侧)。一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器314中的每一个可与第一双向隔离dc-dc转换器312相同或基本相似。多个第二双向隔离dc-dc转换器314可向相对较高电压的第二集成电池322(相对于第一集成电池320的更高电压)供电，以提供充足的电流和/或功率。一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器314提供来自电网的隔离。从电网侧到电池侧的电流和/或电压可能很少或没有变化。换句话说，一个或多个第二双向隔离dc-dc转换器314的转换比可为1:1或大约为1:1，从而根据一个或多个afe转换器310供应的dc电来供应安全、一致的770v-920v dc电的供应。
42.第一afe降压转换器316接收来自第一双向隔离dc-dc转换器312的770v-920v dc电，并将dc电的电压降低至170v-200v以供应到第一集成电池320。afe降压转换器316可为与一个或多个afe转换器310中的每一个相同或基本相似的电子组件，但反向连接以降低用于相对较低电压的第一集成电池320的电压。
43.第二afe降压转换器318从较高电压的第二集成电池322接收770v-920v dc电，并且可将dc电的电压适当地降低到0v-750v以添加到用于ev的dc快速充电的第一集成电池320的输出。afe降压转换器318可为与一个或多个afe转换器310相同或基本相似的电子部件，但反向连接以根据需要降低电压以提供ev的dc快速充电。afe降压转换器318可产生从
0v到750v变化的输出电压，该输出电压被添加到第一集成电池320的输出以用200v-920v对ev进行dc快速充电。
44.与第二集成电池322相比，第一集成电池320可为相对较低电压的电池。换言之，第二集成电池322的工作电压可非常或至少显著高于第一集成电池320的工作电压。可以理解，通过双向充电器300的大部分电力通过较高电压的第二集成电池322。
45.第一集成电池320和第二集成电池322创建双向充电器300的分体式电池架构，其具有几个优势。集成电池320、322提供电池支持的双向充电器300架构，其可帮助平衡电网，即使ev可能不耦合到双向充电器300。集成电池320、322提供可用电源，无论ev是否连接到双向充电器300。
46.集成电池320、322的较高电压和较低电压组合也实现了硬件和操作的效率。目前可用的电子器件可能在大约900v时对硅的性能有限制(例如，下降点)。所谓的硅单极器件限制在200v至900v的电压范围内。超过900v阈值需要昂贵和/或体积庞大的超级复杂的电路系统。利用分体式电池架构，高功率双向充电器300可组合来自较低电压的第一集成电池320和较高电压的第二集成电池322的输出，从而能够始终保证超过900v的组合输出，诸如可为dc快速充电标准所要求的。例如，组合充电系统(ccs)是用于对ev进行dc快速充电的标准，并且需要供应高达920v的电压的能力。较低电压的集成电池320的输出和较高电压的集成电池322的输出的组合可保证始终能够提供高达ccs标准所需的920v电压。
47.换句话说，具有两个不同内部电池320、322的架构可允许输出电压高于高功率双向充电器300的单个电子器件可处理的电压。通过将第一集成电池320的输出电压与第二集成电池322的输出电压相加，输出电压可能在超过高功率双向充电器的电子器件可处理的阈值的范围内。在这种情况下，范围扩展至高达950v，其超过了转换器300的电子器件的900v能力。
48.在图3所示的实施例和其他实施例中，具有两个不同内部电池的架构允许输出高于电子器件可以处理的电压。具体地，通过将第一集成电池320的170v至200v输出与第二集成电池322的0v至750v输出相加，产生200v至920v的输出电压，根据某些标准的dc快速充电的需要(例如，ccs标准)；当我们比较电池上的电压范围时，我们看到在最大充电电平下，总电压为将200v与920v相加高达至1120v，这是单个电子器件无法处理的电压。电子器件看不到的200v电池的相加(因为它直接馈送输出)增加高于其他可能的输出电压，并且输出符合标准，而无需更高电压的构件。
49.图3的双向充电器300能够在电压为200v和900v之间以及电流为500a到800a之间以大约350千瓦(kw)(高达400千瓦峰值)的功率输送dc电来为电动车辆(ev)的电池充电。
50.最后，应该理解，本文描述的过程和技术与任何特定装置没有内在的关系，并且可以通过任何合适的部件的组合来实现。进一步地，可以根据本文描述的教导使用各种类型的通用设备。构造专门的装置来执行本文所述的方法步骤也可证明是有利的。已经结合特定示例描述了本发明，这些示例在所有方面都旨在是说明性的而不是限制性的。
51.此外，本领域技术人员通过考虑说明书和本文公开的实施例的实践，将清楚本发明的其他实施方式。所描述的实施例的各个方面和/或部件可在用于电动车辆充电和电网平衡的系统和方法中单独或以任意组合使用。
52.换句话说，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不偏离本发明的基本原理
的情况下，可以对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应仅由以下权利要求确定。