本發明涉及雙向充電樁控制，具體涉及一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法及系統。

背景技術：

1、為了對電動汽車用儲能電池進行靈活電能變換與充放電管理，需要采用高性能雙向ac/dc變換器作為接口電路。傳統ac/dc變換器從拓撲結構角度可分為單級式和兩級式，其中，單級式拓撲具有高效、高功率密度和低成本等優勢，相比兩級式拓撲具有更高的研究潛力。單級式拓撲的常見結構包括dab+工頻折疊電路結構和dab+雙向半橋開關結構。然而，這兩種結構雖然能實現簡單的雙向控制以及寬范圍的zvs，但由于交流側電壓呈正弦變化，原副邊電壓匹配區間大大減小，在非匹配區間電流有效值和應力均較高，導致效率降低。此外，考慮蓄電池電壓等級不同，當直流側電壓在寬范圍變化，偏離最佳的電壓匹配點時，變換器效率還將進一步下降。因此，這些兩端口變換器不能同時滿足v2g(vehicle-to-grid)，g2v(grid-to-vehicle)，h2l(high?voltage-to-lowvoltage)等多種功率傳輸模式，較低的集成度也限制了其功率密度的提升。針對傳統雙向ac/dc變換器效率較低、工作范圍窄、電流應力大、功率傳輸不夠靈活的問題，在保持單級式拓撲功率密度高、雙向控制簡單特點的條件下，通過引入額外的電壓匹配點，發明一種高效率、寬電壓輸入范圍、低電流應力的雙向ac/dc變換器拓撲結構及對應控制策略，并增加低壓側設備端口提高功率傳輸的靈活性，對于實現電動汽車電池系統的高效、靈活充放電管理具有較強的實用價值。

技術實現思路

1、鑒于上述現有存在的問題，本發明旨在提供一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法，以短路電流限制效果、有功網損、供電能力和分區數為指標達到綜合最優，實現電磁環網的解環。

2、為解決上述技術問題，提出了一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法，包括，

3、設計新型三端口變換器電路，利用三繞組高頻變壓器連接電網、動力電池和低壓設備三個接口，所述新型三端口變換器電路包括網側濾波電感和多個全橋電路進行功率傳輸，配置變壓器匝數比n1:n2:n3進行不同工作模式下的電流和電壓控制；提供三種工作模式，在不同工作模式下，利用對應控制策略使變換器在多種電壓和功率需求下運行；采用低電流應力移相調制策略與零功率回流算法，優化變換器的電流應力；

4、通過調整橋臂間的移相角及控制信號，控制端口間的功率傳輸。

5、作為本發明所述的一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法的一種優選方案，其中：所述新型三端口變換器電路包括，利用三繞組高頻變壓器，其中，變壓器匝數比為n1:n2:n3，連接三個接口電路，形成三個端口，分別接電網側接口、動力電池端口和低壓側設備端口；

6、所述電網側接口依次通過網側濾波電感lg、展開橋、半橋電路與變壓器繞組n1相連；

7、所述展開橋為由q3至q6組成的全橋結構，將交流測電壓折疊成具有雙倍頻率的電壓絕對值；

8、所述半橋電路為開關q1和q2、電容cf1、cf2組成；

9、所述動力電池端口和低壓側設備端口依次通過由s1h-s6h和穩壓電容ch1、ch2組成的帶有t型橋的全橋電路，以及由s1l-s4l和穩壓電容cl組成的全橋電路與變壓器繞組n2和n3相連；

10、所述新型三端口變換器各端口間采用移相控制方式。

11、作為本發明所述的一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法的一種優選方案，其中：所述三種工作模式包括，變換器具有三種工作模式，電網給動力電池和蓄電池充電模式g2v，動力電池給蓄電池充電模式h2l以及動力電池向電網放電模式v2g；

12、所述g2v包括，當電網同時給動力電池和蓄電池充電g2v時，變換器三個端口同時工作將繞組n2、n3側功率傳輸電感l2、l3及兩個全橋橋臂間方波電壓vt2、vt3均折算到繞組n1側，定義匝數比nxy＝nx/ny，得到等效功率傳輸模型；

13、在g2v模式中，變換器采用低電流應力移相調制策略，包括五個可控變量，包括繞組n2、n3側兩個全橋電路中不同橋臂間的內移相角d2、d3及端口2、端口3相對端口1的外移相角d21、d31以及t型橋控制信號dt；

14、其中，d2為開關s4h滯后s1h的時間與開關周期之比，d3為開關s4l滯后s1l的時間與開關周期之比，d21為開關s1h滯后q1的時間與開關周期之比，d31為開關s1l滯后q1的時間與開關周期之比；

15、當開關周期為10us時，認為vac在每個開關周期內保持不變，得到等效電感電流il12eq、il13eq為：

16、

17、其中，d2與d3表示端口2與端口3的內移相角，fs表示開關頻率，vdc2與vdc3分別表示端口2、端口3輸入電壓，d21表示端口2相對于端口1的外移相角，d31表示端口3相對于端口1的外移相角，l12eq、l13eq為折算到繞組n1側的端口1和端口2的等效電感，端口1和端口3間的等效電感；n12、n13表示繞組n1側的兩個全橋橋臂。

18、作為本發明所述的一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法的一種優選方案，其中：所述g2v還包括，利用t型橋擴展接入的動力電池電壓范圍，使變換器在接入高電壓動力電池、在重載情況下，電流應力進一步進行優化，其中，t型橋控制表達式如下：

19、

20、端口1和端口3、端口2和端口3之間的功率傳輸依次表示為等效電感電流il12eq與端口1的輸入電壓vac絕對值一半的乘積，以及等效電感電流il13eq與端口1的輸入電壓vac絕對值一半的乘積，考慮t型橋的降壓倍流作用，則有端口1和端口2，端口1和端口3之間傳輸的功率p12、p13表達式如下：

21、

22、端口輸出功率與端口間功率傳輸關系如下：

23、

24、則有：

25、

26、其中，p1、p2、p3為端口1、端口2、端口3輸出功率。

27、作為本發明所述的一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法的一種優選方案，其中：所述g2v還包括，使變換器獲得最小的電流應力，進行控制策略改進；

28、改進一為采用零功率回流算法減小變換器電流應力，定義變換器電壓比m1x表達式：

29、

30、改進二為電感電流與交流側電壓同相位使變換器達到零回流功率，則變換器需滿足：

31、

32、聯立改進一和改進二的結果，得到滿足零功率回流的變換器變量取值為：

33、

34、其中，pn,12、pn,13為端口1傳輸到端口2、端口1傳輸到端口3的基準功率。

35、作為本發明所述的一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法的一種優選方案，其中：所述動力電池向電網放電模式v2g包括，當系統處于動力電池向電網充電模式時v2g，移相絕對值與g2v模式中電網向動力電池充電模式相同，移相方向相反，結合滿足零功率回流的變換器變量取值的結果，得到當前模式下功率傳輸表達式如下：

36、

37、作為本發明所述的一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法的一種優選方案，其中：所述動力電池給蓄電池充電模式h2l包括，當系統處于動力電池向蓄電池供電時h2l，采用tps調制策略，將繞組n3側功率傳輸電感l3及兩個全橋橋臂間方波電壓vt2、vt3均折算到繞組n2側得到傳輸模型；

38、其中n23vt3表示折算到繞組n2側的兩個全橋橋臂間方波電壓，il2為電感l2的電流，i'l3為折算到繞組n2側的端口3電流，i23為端口2對端口3的充電電流，l23eq為折算到繞組n2側的端口2和端口3間的等效電感表達式如下：

39、

40、將端口2，端口3間移相角d23由d13-d12表示，當將d12置零，即可通過控制d13實現端口1、端口2之間的移相，其中，d23為開關s1l相對于s1h的移相角；

41、電感l2上電流il2表達式如下：

42、

43、變換器端口間傳輸功率為相應等效電感電流與電壓乘積的積分，則當前模式下功率傳輸表達式如下：

44、

45、結合上式，采用拉格朗日求解法得到最小電流應力，對應的變量表達式如下：

46、

47、其中，pn,23為端口2傳輸到端口3的基準功率。

48、本發明的另外一個目的是提供了一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制系統，本發明實現電網、動力電池和低壓設備之間的靈活能量流動，支持雙向充電，即電網可以向動力電池充電，同時動力電池也可以向電網放電；通過采用寬電壓范圍變換器，適應不同的電壓和功率需求，提高系統的靈活性和適應性；利用先進的控制策略，優化變換器的電流應力，提高系統的效率和可靠性，同時減少系統的體積和成本。

49、作為本發明所述的一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制系統的一種優選方案，其特征在于，包括三端口變換器模塊、控制策略模塊、工作模式切換模塊；

50、所述三端口變換器模塊，電網側接口通過網側濾波電感和展開橋、半橋電路與變壓器連接，動力電池端口和低壓側設備端口通過帶有t型橋的全橋電路與變壓器連接，各端口間采用移相控制方式，根據不同的工作模式調整橋臂間的移相角及控制信號；

51、所述控制策略模塊，包括電壓計算模塊、電流生成模塊、功率計算模塊，根據不同的工作模式及對應低電流應力移相調制策略和零功率回流算法，控制策略模塊會調整變換器開關的移相角、內移相角、外移相角以及t型橋控制信號，控制變換器各端口間功率傳輸；

52、所述工作模式切換模塊，包括功率計算模塊，根據電網、動力電池和低壓設備的電壓和功率需求，切換到電網給動力電池和低壓設備充電、動力電池給低壓設備充電動力電池向電網放電模式，并通知控制策略模塊調整相應的控制參數。

53、一種計算機設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，其特征在于，所述處理器執行所述計算機程序時實現所述的一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法的步驟。

54、一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執行時實現所述的一種雙向充電樁用寬電壓范圍變換器及控制方法的步驟。

55、本發明的有益效果：本發明的變換器為單級式三端口結構，相比于傳統的兩級式二端口變換器結構，具有較高的功率密度，無需兩級結構即可實現交、直流端口之間的靈活、雙向功率交換。在此基礎上，在高壓直流側加入t型橋結構，設計了一種適用于該拓撲的兼顧寬軟開關范圍和低電流應力的三端口變換器優化調制策略，實現變換器在v2g，g2v，h2l三種工作模式下高效、可靠運行。