阅读说明：本技术 智能电源中枢 (Intelligent power supply center ) 是由 刘学超 黄建立 李清纯 谢斌 许丹婷 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：智能电源中枢包括一个AC端口、连接汽车电池的第一DC端口、连接DC设备(如汽车仪表)的第二DC端口、连接太阳能电池板或其他智能电源中枢的第三DC端口。AC双向转换器有六个B6配置的晶体管以转换三相交流电,对于单相交流电充当一个交错式图腾柱功率因数校正器。开关将DC双向转换器与AC双向转换器或第三DC端口上的太阳能电池板连接起来。链路电容器上有DC链路电压,其在电池充电期间上升。DC双向转换器具有变压器、连接到DC链路电压的主桥、和连接到第一DC端口的次级桥晶体管。变压器中的辅助绕组驱动整流器到第二DC端口,为车载DC设备供电。太阳能直流电对电池充电,无需AC转换。(The intelligent power hub includes an AC port, a first DC port for connecting to a vehicle battery, a second DC port for connecting to a DC device (e.g., a vehicle instrument), and a third DC port for connecting to a solar panel or other intelligent power hub. The AC bi-directional converter has six transistors in a B6 configuration to convert three-phase AC power and acts as an interleaved totem-pole power factor corrector for single-phase AC power. The switch connects the DC bi-directional converter with the AC bi-directional converter or the solar panel on the third DC port. There is a DC link voltage on the link capacitor that rises during battery charging. The DC bi-directional converter has a transformer, a primary bridge connected to the DC link voltage, and a secondary bridge transistor connected to the first DC port. An auxiliary winding in the transformer drives a rectifier to the second DC port to power the on-board DC device. Solar dc charges the battery without AC conversion.)

具体实施方式

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本发明涉及EV车载充电器的改进。以下描述以使本领域普通技术人员能够制造和使用在特定应用及其要求的上下文中所提供的本发明。对本领域技术人员而言，对优选实施例的各种修改将是显而易见的，本发明定义的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本发明并非旨在限于所示和所述的特定实施例，而是应被赋予与本发明披露的原理和新颖特征一致的最宽范围。

图3显示EV带有智能电源中枢。智能电源中枢120从AC插头102对电池106充电，还产生DC电力用于车载设备。因此车载充电器104和车载DC/DC转换器108由智能电源中枢120代替。由于智能电源中枢120比车载充电器104和车载DC/DC转换器108加起来更小，在EV100上就节省了空间。但是，智能电源中枢120还提供了一些其他功能。

图4显示EV直接从家用太阳能电池板充电，而不需要转换为AC。太阳能电池板112使用光伏电池从太阳光产生DC电力。由太阳能电池板112产生的DC电力被提供给DC线118，再到DC-AC转换器110，其将太阳能DC转换为AC电力给AC电网114。

DC插头116也连接到DC线118，允许DC电缆插入，以将太阳能产生的DC电力直接传送到EV100上的智能电源中枢120。太阳能产生的DC电力通过智能电源中枢120，对电池106进行充电，没有转换为AC。效率高于太阳能电池板112的太阳能电力首先由DC-AC转换器110转换为AC，然后通过AC插头102传送到智能电源中枢120，再转换回DC以对电池106充电。当来自DC插头116的能量直接通过智能电源中枢120被转换时，峰值效率可以高于98.5％。

当来自EV 100的DC电缆插入DC插头116，并且智能电力转换器120对电池106充电时，可以禁用DC-AC转换器110。当没有太阳能时，电池106仍可由智能电源中枢120从AC电网114和AC插头102进行充电，但在该模式下智能电源中枢120必须将AC转换为DC。当EV 100中安装有智能电源中枢120时，房主可以灵活选择从太阳能或AC电网114来进行充电。

图5显示与智能电源中枢的连接。智能电源中枢120包含双向转换器，以在AC和DC之间以及不同DC直流电压之间进行转换。这些转换电路经过优化，用于EV内部。

到智能电源中枢120的AC端口连接到AC电网136，其可以是单相AC或三相AC。AC电力可以从AC电网136流到智能电源中枢120，或从智能电源中枢120流到AC电网136上的家用电器。

电池132是EV中的主电池，例如图1-4中的电池106。电池132通过DC1端口连接。DC电流可以从智能电源中枢120流到电池132(充电模式)，或从电池132流到智能电源中枢120(放电模式)。

第二电池可以通过端口DC3连接到智能电源中枢120。第二电池134可以是第二EV上的一个电池，其通过电池端口DC3上的智能电源中枢120(未示出)连接。智能电源中枢120可以由主电池132对第二电池134进行充电(DC1至DC3)，或者可以由第二电池134对主电池132进行充电(DC3至DC1)。

端口DC2上的DC负载138可以是EV100上的辅助车载设备，例如加热器、仪表、收音机、灯或用于手持设备的电源转换器/端口。这些可以是24伏DC汽车设备。DC负载138只能从智能电源中枢120接收电力，所以这是一个单向端口。

图6A-6F显示智能电源中枢的运行模式。在图6A的电网-电压(G2V)模式，智能电源中枢120从AC电网136的AC端口接收AC电力，其被转换为DC电力再到主电池132的端口DC1。此模式使用AC电网为EV电池充电。

在图6B，主电池132提供DC电流给智能电源中枢120，其将DC电力转换为AC电力，再通过AC端口传输到AC电网136。这是电池压-电网(V2G)模式。智能电源中枢120在V2G模式下用作电流源逆变器(CSI)。

在图6C，太阳能电池板112代替第二电池134连接到DC3端口。来自太阳能电池板112的DC电力通过端口DC3传送到智能电源中枢120，然后通过DC1端口传送以对主电池132进行充电。这是太阳能-电池压(S2V)模式。智能电源中枢120在S2V模式下执行DC-DC转换，以将太阳能电压转换为电池充电电压。

在图6D，主电池132提供DC电流给智能电源中枢120，其将DC转换为AC，通过AC端口驱动AC家用电器。这是电池压-家用(V2H)模式。在V2H模式下，将家用电器的专用离网AC插头或电缆插入到智能电源中枢120，家用电器可由主电池132供电一段时间。对于V2H模式，这些家用电器是离网的。智能电源中枢120在V2H模式期间用作电压源逆变器(VSI)。

在图6E，主电池132提供DC电流给智能电源中枢120，其将DC转换为24伏以驱动端口DC2上的DC负载138。DC负载138可以是车载辅助设备，如汽车加热器、仪表等。这是电池压-负载(V2L)模式。

在图6F，第二电池134连接到DC3端口，主电池132连接到端口DC1。来自第二电池134的DC电力通过DC3端口传送到智能电源中枢120，然后通过DC1端口传送到主电池132，对主电池132进行充电。这是电池压-电池压(V2V)模式。智能电源中枢120也可以反向运行，从主电池132给第二电池134充电。

图7是智能电源中枢的示意图。智能电源中枢120有四个端口AC、DC1、DC2和DC3。这些端口是双向的，允许充电或放电模式，但端口DC2是单向的，因为只有负载连接到端口DC2，例如图6E所示的V2L模式。

智能电源中枢120有AC前端和DC后端。AC端口连接到AC双向转换器150(ABC)，而DC端口DC1和DC2连接到DC双向转换器160(DBC)。AC双向转换器150和DC双向转换器160通过DC链路电压连接在一起，DC链路电压产生在链路电容器168上。

智能电源中枢120内配置有三个继电器或开关SW1、SW2、SW3连接，以执行图6A-6F所示的各种运行模式。开关SW3可以将AC双向转换器150连接到DC双向转换器160用于大多数模式，但也可以断开AC双向转换器150，而将端口DC3直接连接到DC双向转换器160，绕过AC双向转换器150，用于不使用AC的S2V和V2V模式(图6C、6F)。

AC双向转换器150在S2V模式下被绕开(图6C)。S2V模式仅使用DC双向转换器160，允许端口DC3上的太阳能电池板112直接对端口DC1上的主电池132充电。S2V模式是DC-DC充电模式，避免低效转换为AC。第二电池134也可以在V2V模式下在端口DC3上被充电或放电(图6F)，其中DC双向转换器160可以在任一方向上运行，AC双向转换器150被禁用。

DC双向转换器160内的开关SW2可以切换，使AC双向转换器150连接到DC双向转换器160或端口DC3。当开关SW2切换到端口DC2时，则AC和DC3输入被隔离而未使用。在V2L模式中(图6E)，开关SW2接通端口DC2上的DC负载138，由端口DC1上的主电池132供电，在反向模式上使用DC双向转换器160。该V2L模式可用于放电主电池132，提供辅助电力以驱动DC负载138，例如加热器、仪表和EV 100上的其他设备(图3-4)。

AC端口可插入标准单相AC插头154或三相AC插头156。标准AC在两根电线上有一AC正弦波(P，N)，而三相AC三线输入A、B、C上有三个AC正弦波，由120度相位分开。大多数家用AC是单相，但位于办公室和商业建筑的增压器使用三相AC，用于对商用级空调和照明装置进行供电。

单相AC插头154和三相AC插头156的P和A输入它们短接在一起并应用于AC双向转换器150。同样，单相AC插头154和三相AC插头156的N和C输入短接在一起并应用于AC双向转换器150。三相AC插头156的中间B输入连接到AC双向转换器150，而不与单相连接AC插头154连接。但是，当使用单相AC插头154而不使用三相AC插头156时，例如在家庭安装时，开关SW1将上输入A/P短路到中间输入B，使得到AC双向转换器150的上输入和中间AC输入通过开关SW1短接在一起。

当不使用单相AC插头154而使用三相AC插头156时，例如在商用增压器安装中，开关SW1断开，隔离上输入A(P)和中间输入B，使得AC双向转换器150的AC输入由开关SW1隔离。然后AC双向转换器150从三相AC插头156接收所有三个A、B、C输入。电磁干扰(EMI)滤波器158连接到A、B和C输入以滤除噪声，诸如AC输入上不需要的谐波。

开关SW1和SW3由ABC数字控制器152控制，而开关SW2由DBC数字控制器162控制。ABC数字控制器152产生脉宽调制(PWM)控制信号到AC双向转换器150内晶体管的栅极，以控制AC双向转换器150执行AC-DC或DC-AC转换时的方向、电压和功率因数校正。类似地，DBC数字控制器162也产生PWM控制信号到DC双向转换器160内的晶体管的栅极，以控制DC双向转换器160执行DC-DC转换时的方向、电压和其他转换特性。

ABC数字控制器152感测AC输入上的电压和电流，以确定是否出现单相或三相AC。控制器局域网(CAN)监视器164监视主电池132的状态并将电池状态报告给DBC数字控制器162。还可以监视DC2和DC3端口。ABC数字控制器152和DBC数字控制器162之间的总线，例如RS485总线，可以用于控制器之间的通信。链路电容器168上的DC链路电压也是由ABC数字控制器152和/或DBC数字控制器162监视。

图8是AC双向转换器的示意图。电压传感器202、204、206分别感测A(P)、B和C(N)上AC输入的电压，电流传感器208、210、212感测在这些线上流动的相应电流。电感器214、216、218是串联电感器，用于滤除AC上的谐波和其他噪声。

开关SW1250对于三相AC是断开的，对于单相AC是闭合的。当施加单相AC而没有三相AC时，开关250将AC输入B短接到AC输入A/P。

开关SW3240可以选择端口DC3或AC转换电压，以对链路电容器168充电，和链接到DC双向转换器160。

在G2V模式下，当连接到单相AC网时，开关SW1250闭合。晶体管220、222、224、226以快速切换频率工作，如100-200KH，而晶体管228、230以较慢的AC线频率(50Hz或60Hz)工作。晶体管220、222形成一个快速切换桥，互补PWM驱动信号施加到它们的栅极上。晶体管224、226形成另一个快速切换桥，互补PWM驱动信号施加于它们的栅极上。上拉晶体管220栅极上的PWM驱动信号与上拉晶体管224栅极上的PWM驱动信号的相位相差180度。类似地，施加到下拉晶体管222栅极的PWM驱动信号与施加到下拉晶体管226栅极的PWM驱动信号相比，相位延迟180度。该180度相位差使得通过晶体管220、222的电流与通过晶体管224、226的电流相互交错。这种交错运行可以减少AC纹波电流。

晶体管228、230形成一个线路频率桥。当AC输入电压为其周期的正部分时，晶体管230持续导通，晶体管228持续关断。当AC输入电压处于AC周期的负部分时，晶体管228持续导通，晶体管230持续关断。ABC数字控制器152产生PWM控制信号给晶体管220、222、224、226以较高的切换频率切换，并产生PWM控制信号给晶体管228、230以较慢的AC线路频率切换。ABC数字控制器152控制AC双向转换器150运行为交织图腾柱(totem pole)功率因数校正控制，使用后面图10中所示的控制回路。

在G2V模式期间，当连接三相AC电网时，开关SW1250断开。晶体管220、222为A/P输入形成一个快速切换桥。晶体管220、222的栅极接收互补PWM驱动信号。晶体管224、226形成另一个快速切换桥，但这个桥用于B输入。晶体管224、226的栅极接收互补PWM驱动信号。晶体管228、230形成另一个快速切换桥。该桥用于C/N输入。晶体管228、230的栅极接收互补PWM驱动信号。

ABC数字控制器152使用空间向量PWM驱动信号控制AC双向转换器150，对晶体管220、222、224、226、228、230进行三相功率因数校正。

对于单相模式，ABC数字控制器152产生的PWM控制信号的时序被改变。由于A和B的AC输入通过开关SW1短接在一起，施加到上拉晶体管220和下拉晶体管222栅极上的PWM信号与施加到上拉晶体管224和下拉晶体管226栅极上的PWM信号的相位分别相差180度。这180度相移提供交错效果。施加到上拉晶体管228和下拉晶体管230栅极上的PWM信号具有电力线频率，例如50赫兹或60赫兹。晶体管220、222、224、226栅极上的PWM信号以更高的切换频率工作，例如100-200KHz。

当AC输入是单相时，AC双向转换器150运行为交错图腾柱功率因数校正(PFC)转换器。上拉晶体管220与晶体管224交错，晶体管222与晶体管226交错，因为它们的控制栅极是由彼此180度相差的PWM信号驱动。当三相AC输入运行时，三相功率因数校正是由AC双向转换器150使用所谓的B6拓扑提供，开关SW1打开。单相或三相AC输入均可通过ABC数字控制器152实施控制模式，以低AC输入谐波和高功率因数运行。

图9是DC双向转换器的示意图。变压器50隔离电压和流过初级绕组52初级侧上的电流和流过次级绕组54和辅助绕组56次级侧的电流。开关SW270断开初级绕组52或辅助绕组56的电流。因此，变压器50感应地将次级绕组54连接到初级绕组52或辅助绕组56，但不是到两者。

当开关SW270断开辅助绕组56和DC2回路时，电流可以流过初级绕组52。来自AC双向转换器150的整流AC电压被链路电容器168滤波，以产生DC链路电压，其由电压传感器80检测。DC链路电压和地连接到全桥的晶体管20、22、24、26。晶体管20、22之间桥的中点连接到电容器28，电容器28与电感器58和初级绕组52串联。流过初级绕组52的电流由电流传感器60感测。然后，流过初级绕组52的电流流过开关SW270到晶体管24、26之间的该桥的第二内部节点。

晶体管20、22、24、26的栅极由DBC数字控制器162控制。这些栅极可以由脉冲频率调制(PFM)信号驱动。这些PFM驱动信号具有可变的高频率(例如50KHz～200KHz)，固定脉冲占空比约为50％。施加到晶体管22栅极的PFM控制信号与施加到晶体管20栅极的控制信号互补。同样，施加到晶体管24栅极的PFM控制信号与施加到晶体管26栅极的控制信号是互补的。

DC双向转换器160还具有次级侧桥的晶体管30、32、34、36，其栅极也是由来自DBC数字控制器162的PFM信号驱动。晶体管30、32之间的内部桥节点和晶体管34、36之间的另一内部桥节点，通过一个回路连接在一起，该回路包括串联的电容器38、电感器62和次级绕组54。该次级侧桥的输出对电容器76充电并驱动端口DC1，DC1电压由电压传感器74测量，DC1电流由电流传感器72测量。

当开关SW270选择DC2回路并断开初级侧回路时，辅助绕组56就形成第三辅助回路。在端口DC1上的来自主电池132的电流流过次级侧桥和次级绕组54，这导致变压器50的互感，产生电流通过辅助绕组56。来自辅助绕组56的辅助电流是由电感器64、66滤波并流到端口DC2，其中电压传感器78测量该正的DC2电压。流过端口DC2的地端GND2的电流是由电流传感器68测量。晶体管40、42连接辅助绕组56的两端至GND2，用作同步整流(SR)晶体管。电容器48跨越连接端口DC2的两端。当开关SW270闭合辅助绕组56的电流回路时，端口DC2上的DC负载138可以由主电池132供电。在此V2L模式(图6E)，DC双向转换器160在次级回路同步整流中运行作为移相全桥。

当开关SW270闭合主回路并断开辅助回路时，DC双向转换器160用作功率转换器的CLLLC谐振回路，其中C代表电容器，L代表电感器。在初级侧桥和次级侧桥中的电容器28、38分别通过初级侧和次级侧中的电感器58、62分别连接到磁感变压器50。这是一种CLLLC结构，在端电容器之间有三个串联的电感器。施加在晶体管20、22、24、26栅极上的PFM信号的频率可以被选择，以获得从DC链路电压到DC1的所需的DC增益。当切换频率等于CLLLC谐振回路频率时，DC增益是1，具有最高切换频率。当切换频率高于CLLLC谐振回路频率时，DC增益低于1，DC1电压降压模式用于DC双向转换器160。当切换频率低于CLLLC谐振回路频率时，直流增益高于1，DC1电压升压模式用于DC双向转换器160。

当在反向运行时，晶体管30、32、34、36的栅极可以由频率与CLLLC结构的谐振频率匹配的PWM信号驱动。施加在晶体管栅极上的PWM控制信号的切换频率是固定的，当切换频率与CLLLC谐振频率匹配时，出现峰值转换效率。

图10是充电模式时的配置用于图腾柱功率因数校正的ABC数字控制器的示意图。此示例中的充电模式是主电池132从AC充电，例如模式G2V(图6A)。

DC链路电压不是恒定的，而是允许DC链路电压随着电池电压的增加而上升，反之亦然。DBC数字控制器162使用DC链路自适应控制，以减小切换频率的工作范围，与固定DC链路电压相比，提高了效率。

ABC数字控制器152从DBC数字控制器162获得主电池132的电池电压，并使用该电池电压来调节PWM控制信号。通过乘法器270，DC1电池电压VDC1-S乘以匝数比N1/N2，以产生整个控制回路的参考电池电压VPFC-REF。N1是初级绕组52的匝数，N2是次级绕组54的匝数。将该参考电池电压与峰值AC电压VAC-PEAK相比较，最大值选择器280选择这两个电压的最大值。电压采样器258对DC链路电压进行采样，以产生VPFC-S。加法器282将最大值选择器280选择的最大电压减去VPFC-S。比例积分器(PI)284对来自加法器282的和进行积分，然后在乘法器286中乘以均方根(RMS)AC电压的平方的倒数，然后再在乘法器288中乘以当前的AC电压VAC，得到产生参考电流IL-REF。

流过A和B交流线的电流，由霍尔传感器252分别检测为电流IA和IB。A线和C线的AC电压，由电压传感器256分别检测为VAC-P和VAC-N。极性检测和计算器250对VAC进行整流，并计算VRMS，还产生极性信号，这使得选择器254选择IA或IB以生成LA-FB和LB-FB。

加法器274将参考电流IL-REF减去来自选择器254的电流LA-FB，然后由比例积分器(PI)264积分，再通过乘法器272乘以VAC/(VPFC-S)，以控制由PWM控制器260产生的、到上拉晶体管220和下拉晶体管222栅极的控制信号的脉宽或占空比。

加法器278将参考电流IL-REF减去来自选择器254的电流LB-FB，然后由比例积分器(PI)266积分，再通过乘法器276乘以VAC/(VPFC-S)，以控制由PWM控制器262产生的、到上拉晶体管224和下拉晶体管226栅极的控制信号的脉宽。

上拉晶体管228和下拉晶体管230栅极上的PWM控制信号是由另一个PWM控制器(未示出)产生，其切换频率等于AC输入频率，例如50Hz或60Hz，用于单相AC运行。对于三相AC运行，则产生空间向量PWM控制信号。

图11显示充电模式时的DBC数字控制器。霍尔传感器314检测流过电池地DC1-的电池电流I-BATERY。加法器304将寄存器306中的低参考电流LO_REF减去该电池电流，再由比例积分器(PI)302积分，得到获得恒流模式参考。

寄存器308中的功率限制P_LIMIT在乘法器312中乘以P/(I-OUT)，即功率除以输出电流，产生恒功率模式参考。寄存器310的恒压模式参考VO_REF也输入到最小值选择器330，最小值选择器330从恒流模式、恒功率模式和恒压模式中选择最小参考值。因此对于电池充电，所有三种模式，恒压(CV)、恒流(CC)和恒定功率(CP)，都是由DBC数字控制器162中的控制回路考虑。

加法器332将电压传感器320检测的电池电压VDC1减去由最小值选择器330选择的最小值，然后由比例积分器(PI)334进行积分。产生的频率限于一个范围，例如由频率限制器336限制为100-200KHz，由计算器338计算死区时间。死区时间计算器338计算在切换期间上拉和下拉晶体管都关闭时的死区时间，以防止电流浪涌。PFM控制器340根据控制回路计算，产生PFM控制信号到晶体管20、22、24、26的栅极，而SR控制器342产生控制信号到晶体管30、32、34、36的栅极。

图12显示可变DC链路电压以及可变切换频率模式，其支持宽范围的电池电压。在充电期间，ABC数字控制器152根据电池电压从200伏升至500伏，将PWM信号切换频率从200KHz调低到100KHz。电池充满电时，升高的电池电压导致DC链路电压从390伏升高到约600伏。

随着充电进行并且DC链路电压上升，电池电压输入到DBC数字控制器162中的控制回路，使切换频率从200KHz降低到100KHz。

当切换频率与DC双向转换器160的CLLLC结构的谐振频率匹配时，效率最高。例如，可以设置电容值和电感值以达到CLLC谐振回路频率150KHz，即100-200KHz工作范围的中间。对于可变DC链路电压，当DC1的范围为300V至400V，且切换频率等于CLLLC谐振回路频率时，就达到峰值效率。

图13是放电模式时的ABC数字控制器的示意图。该示例中的放电模式是主电池132被放电以驱动AC电器，例如模式V2G(图6B)或V2H(图6D)。与充电模式相比，AC双向转换器150和DC双向转换器160正在以相反方向运行。

不是恒定的DC链路电压，而是电池正在放电时允许DC链路电压掉下来。但是，不是有一个可变的切换频率(这是正向(充电)的运行情况)，而是切换频率是固定的(这是反向(放电)运行情况)。切换频率固定在DC双向转换器160的CLLLC谐振结构的谐振频率上。由于切换频率设置为谐振频率，效率很高。当运行在固定切换频率上时，DC双向转换器160的效率可以高于99％。

流过A和B交流线的电流，由霍尔传感器检测252分别检测为电流IA和IB。A线和C线的AC电压，由电压传感器256分别检测为VAC-P和VAC-N。极性检测和计算器250对VAC进行整流，并产生极性信号，使选择器254选择IA或IB，以产生LA-FB和LB-FB。

加法器274将参考电流IL-REF减去来自选择器254的电流LA-FB，然后由比例积分器(PI)264积分，再通过乘法器272乘以VAC/(VPFC-S)，以控制由PWM控制器260产生的、到上拉晶体管220和下拉晶体管222栅极的控制信号的脉宽或占空比。

加法器278将参考电流IL-REF减去来自选择器254的电流LB-FB，然后由比例积分器(PI)266积分，再通过乘法器276乘以VAC/(VPFC-S)，以控制由PWM控制器262产生的、到上拉晶体管224和下拉晶体管226栅极的控制信号的脉宽。

到上拉晶体管228和下拉晶体管230栅极的PWM控制信号由另一个PWM控制器(未示出)产生，其切换频率等于AC输入频率，例如50Hz或60Hz，用于单相AC运行。对于三相AC运行，则产生空间向量PWM控制信号。

极性检测和计算器250从AC线A/P、B和C/N上检测到的AC，产生采样的VAC电压VAC-S。加法器282将参考AC信号VAC-REF减去该VAC-S电压，VAC-REF具有线路频率(50HZ或60HZ)用于电压源逆变器(VSI)控制。比例积分器(PI)284对来自加法器282的和进行积分，以产生电流参考IL-REF。采样器258对DC链路电压进行采样，以产生VPFC-S。

图14显示放电模式的DBC数字控制器。霍尔传感器314检测流过电池地DC1-的电池电流I-BATERY。电压传感器320检测电池电压VDC1-S，电池电压VDC1-S以及电池电流I-Battery一起施加到保护控制器350。保护控制器35的其他输入可包括温度TEMP、通过初级绕组52的初级电流I-PRI、DC链路电压V-PFC(图13中来自电压采样器258的V-PFC-S)。保护控制器350将这些输入或这些输入的函数进行比较，预设限制，以保护电路免受由过热、初级绕组52中电流过载、电池电压或电流过载情况、和其他电压超出工作范围情况引起的故障。保护控制器350可以指示PFM控制器340关闭PFM控制信号或减少占空比以减少电流流过，保护电路。切换频率固定为150KHz。

由电压传感器320检测的电池电压VDC1被输入到频率限制器336，用于将切换频率设置为固定频率，例如被频率限制器336限制为150KHz。由计算器338计算的死区时间用于调整频率。死区时间计算器338计算在切换期间上拉和下拉晶体管都关闭时的死区时间，以防止晶体管之间的电流短路。到晶体管30、32、34、36栅极的PFM控制信号由PWM控制器340根据控制回路计算来产生，到晶体管20、22、24、26栅极的控制信号由SR控制器342产生。

图15显示充电期间随着电池电压升高，切换频率逐步降低。随着电池电压VDC1在充电模式期间逐渐增加，到晶体管20-26的PFM控制信号的切换频率被PFM控制器340逐步减小(图11)，因为电池电压被加法器332减去。

DC输出电压(电池电压)相对恒定，相对AC输入有略微变化或纹波，但波动很小。DC输出电压随时间逐渐上升。通过初级绕组52的初级电流(图9)也随AC输入电压振荡。

图16是电池放电期间的恒定切换频率的曲线图。切换频率被设置为DC双向转换器160中CLLLC结构的谐振频率，例如150KHz。通过匹配切换频率到谐振频率来达到高效率。

DC链路电压相对恒定，只有轻微的变化或纹波。该DC链路电压随着产生的AC而波动，但波动很小。随着放电时电池电压DC1下降，DC链路电压在图16的充电模式期间随时间逐渐下降。流过初级绕组52(图9)的初级电流随着AC双向转换器150产生的AC电压而振荡。

图17是智能电源中枢运行在单相AC充电模式的曲线图。在输入A/P上测量的AC输入有正弦波的AC电压和AC电流。DC链路电压随AC输入而波动，但是波动很小。例如，当AC输入电压为+/-300伏时，峰值AC电流为20A，DC链路电压为380V+/-12V。所以DC链路电压的波动为24/380，即约6％。总谐波失真(THD)很低。AC电流与AC电压同相，并以图腾柱功率因数校正控制运行。

图18是智能电源中枢运行在三相AC充电模式的曲线图。AC输入有A、B、C交流输入三个正弦波。这些正弦波相位相差120度。对于3个输入中的每一个，AC电流与AC电压同相。每个正弦波的交替电压为-300伏至+300伏，交替电流从-20A到+20A。AC双向转换器150以低THD的空间向量PWM控制运行。输入AC电流与输入AC电压几乎同相。

DC链路电压随着三个AC输入而波动，但是波动非常小。例如，当AC输入电压为+/-300伏时，DC链路电压从大约649.9伏波动到650.2伏。所以DC链路电压的波动或波纹为0.3/650，或约0.05％。

图19A-19I是智能电源中枢的模式选择和配置的流程图。在图19A，当智能电源中枢检测到电源插头插入后，启动配置流程。也可以定期执行该流程。在步骤502，检查充电连接确认/控制先导(CC/CP)端口以确定AC端口的电源线类型，例如三相或单相AC。在步骤504，读取控制器区域网络(CAN)端口的电池状态。

在步骤506，当选择充电，例如通过电池状态，在步骤508，CC/CP端口表示三相AC在用，然后选择G2V三相充电模式，该过程在图19B中继续。

在步骤506，当选择充电，在步骤508，CC/CP端口指示三相AC不在用，但是步骤510，单相AC在用，然后选择G2V单相充电模式，该过程在图19C中继续。

在步骤506，当选择充电，但是在步骤508，CC/CP端口指示三相AC不在用，在步骤510，单相AC也不在用，然后选择S2V模式，该过程在图19D中继续。

在步骤506，当选择放电，然后该过程在图19E中继续。

在图19B中，选择充电并且三相AC在用。在步骤512，当用户使用一个app确认使用G2V模式，然后在步骤514配置开关。ABC数字控制器152将开关SW1设置为断开以允许所有3个AC输入馈入到AC双向转换器150，并设置开关SW3以将AC信号转换成DC链路电压。DBC数字控制器162设置开关SW2以闭合初级绕组52回路，以从ABC、AC双向转换器150中选择DC链路电压。在步骤516，AC双向转换器150(ABC)被配置为B6三相功率因数校正(PFC)，而DC双向转换器160(DBC)被配置为CLLLC谐振功率转换器模式。在步骤518，智能电源中枢120在三相AC输入的G2V模式下运行。

在图19C中，选择充电并且单相AC在用。在步骤522，当用户使用app确认使用G2V模式，然后在步骤524配置开关。ABC数字控制器152将开关SW1设置为闭合以使A/P和B交流输入短路一起，以馈入到AC双向转换器150，并将开关SW3设置为将AC信号转换为DC链路电压。DBC数字控制器162设置开关SW2闭合初级绕组52回路，以从ABC、AC双向转换器150中选择DC链路电压。在步骤526，AC双向转换器150(ABC)被配置为B6三相功率因数校正(PFC)，而DC双向转换器160(DBC)被配置为CLLLC谐振功率转换器模式。在步骤528，智能电源中枢120在单相AC输入的G2V模式下运行。

在图19D，选择充电但CC/CP端口指示既没有三相也没有单相AC在用。选择S2V模式。在步骤530，DC输入电源可用，并且在步骤534用户通过app确认使用太阳能给电池充电，然后在步骤534配置开关。ABC数字控制器152设置开关SW1断开，并设置开关SW3以将太阳能电池板的端口DC3上的DC信号转换成在直流链路电压。DBC数字控制器162将开关SW2设置为闭合初级绕组52回路，以从ABC中选择DC链路电压，即因为SW3选择端口DC3而不是AC端口，而被绕过。

在步骤536，ABC被配置用于交错升压，但是由于开关SW3选择了端口DC3而没有选择AC，而被旁路，但是DBC被配置为CLLLC谐振功率转换器模式。在步骤538，智能电源中枢120以S2V模式运行，主电池132通过DC插头116由太阳能电池板112产生的DC充电(图4)。没有将太阳能转换为交流电，因为太阳能产生的直流电通过端口DC3直接施加到链路电容器168上的DC链路电压。

在图19E，选择了放电。在步骤602，如果电池电压低于200伏，则电池电量过低，过程结束。否则在步骤604，当主电池132的电池电压大于200伏，DC负载138又连接上，那么选择V2L模式以产生辅助电力给车载仪器，如图19F。

在步骤606，当电池电压超过300伏，且在步骤608，AC电网可以接收来自主电池132的能量，那么选择V2G模式，如图19G。

步骤606，当电池电压超过300伏，但在步骤608，AC电网不能接收来自主电池132的能量，且在步骤610，AC负载诸如AC电器能够从EV电池供电，那么选择V2H模式，如图19H。否则，选择V2V模式，从另一个EV电池(如果有)为一个EV电池充电，过程在图19I中继续。

在图19F，选择V2L模式以产生辅助电力给车载仪器。在步骤542，当用户通过他的app确认辅助电力模式时，那么在步骤544配置开关。ABC数字控制器152将开关SW1设置为断开，并将开关SW3设置到DC2端口，但是，ABC被禁用，因此这些设置没有关系。DBC数字控制器162将开关SW2设置到DC2，以断开初级绕组52回路并闭合辅助绕组56回路。这会断开DC链路电压，而通过变压器50转换DC2电压。

在步骤546，ABC被禁用，而DBC被配置为一个同步整流的移相全桥。在步骤548，智能电源中枢120以V2L模式运行，主电池132被DC3端口上的第二电池134充电。没有将电池电力转换为AC。

在图19G，选择了V2G模式，以使用主电池132来驱动AC网。在步骤552，当用户通过他的app确认V2G模式时，那么在步骤554配置开关。ABC数字控制器152将开关SW1设置为闭合，将B和A/P交流线短接在一起，并将开关SW3设置到AC。DBC数字控制器162将开关SW2设置为ABC闭合初级绕组52的回路。ABC和DBC以相反的方向运行。

在步骤556，ABC被配置为一个单相全桥逆变器，而DBC被配置为一个具有固定切换频率的CLLLC谐振开环功率转换器。智能电力在步骤558，中枢120在V2G模式下运行，主电池132反向为DBC和ABC供电，以产生AC以为AC电网供电。

在图19H，选择了V2H模式，EV电池对AC负载如AC电器进行供电。在步骤562，当用户通过他的app确认V2H模式时，那么在步骤564配置开关。ABC数字控制器152设置开关SW1闭合以将B和A/P交流线短路在一起，并将开关SW3设置到AC。DBC数字控制器162将开关SW2设置到ABC以闭合初级绕组52回路。ABC和DBC都以相反的方向运行。

在步骤566，ABC被配置为单相全桥逆变器，而DBC被配置为有固定切换频率的CLLLC谐振开环功率转换器。在步骤568，智能电源中枢120在V2H模式下运行，主电池132反向为DBC和ABC供电，以产生AC以驱动AC家用电器。这些AC电器可以从AC电网中拔出，插入到连接智能电源中枢120的家庭充电端口。

在图19I，选择了V2V模式，从一个EV电池为另一个EV电池充电(如果有的话)。在步骤570，如果第二电池134没有安装到端口DC3，则过程结束。在步骤572，如果用户没有通过他的app确认模式，则该过程也结束。

在步骤572，当用户通过他的app确认V2V模式时，然后在步骤574配置开关。ABC数字控制器152将开关SW1设置为闭合，将B和A/P交流线短接在一起，并将开关SW3设置到DC3。DBC数字控制器162将开关SW2设置到ABC以闭合初级绕组52的回路。

在步骤576，ABC被禁用，而DBC被配置为具有固定切换频率的CLLLC谐振开环功率变换器。智能电源中枢120在V2V模式上运行，在端口DC3的第二电池134对初级端口DC1上的电池132进行充电。在步骤578，当主电池132被充电，且第二电池134在低电量的情况下，DC双向转换器160可以反向运行，对第二电池134进行充电。

【替代实施例】

发明人还考虑了若干其他实施例。例如，上拉晶体管220和下拉晶体管222都可以是n沟道晶体管，或者上拉晶体管220可以是p沟道晶体管，下拉晶体管222可以是n沟道晶体管，栅极电压反转以考虑固有的p沟道逻辑反转。其他晶体管同样可以都是n沟道或可以是p沟道上拉。

虽然已经描述了用户app来确认智能电源中枢120运行模式，用户还可以使用充电器、插头、电缆、EV的显示器/界面、智能手机或其他方式来确认模式。或者，智能电源中枢120可以在没有用户确认的情况下运行，特别是对于一些较简单的模式。较复杂或较少使用的模式可以需要用户确认，而经常使用的模式可以不需要用户的确认。EV上的操作系统也可以提供确认，或通过其他传感器或设备。

太阳能电池板使用光伏电池或类似的光敏技术从阳光产生DC电流。来自面板的太阳能DC电流可以被改变，例如通过转换DC电压或滤波太阳能DC电流，但是在应用于端口DC3之前未转换为AC。

虽然第二电池134已显示为连接到端口DC3，但端口DC3可以通过另一个智能电源中枢连接到第二电池134。端口DC3可以是一个中枢-中枢端口，也可以是中枢-中枢模式。两个智能电源中枢可以相互通信，例如通过互联网连接或通过用户app，或直接通过电缆中的通信线路。

可以添加其他端口，以及使用其他开关来连接这些其他端口。例如，AC家用电器可以放置在一个新的AC端口上，而不是共享AC端口，或者可以在AC端口上放置一个额外的开关，以在AC电网和AC电器之间切换。不使用端口DC3用于太阳能和第二电池134，而是在端口DC3上有一个额外的开关，用于选择太阳能和第二电池134。智能电源中枢120的一些实施例可以有少于这里描述的四个端口。

开关可以是功率继电器，也可以是晶体管开关或传输门。在充电模式期间，DC链路电压由ABC数字控制器控制，尝试匹配主电池电压的变化。DBC正在运形PFM。因此，在充电模式期间，ABC在PWM下运行，DBC在PFC下运行，自适应DC链路电压可支持较宽的DC1电池电压范围。在放电模式期间，DBC的切换频率固定在谐振频率。DC链路电压可变且不受调节，ABC控制器用于调节AC输出电流或电压。

虽然已经描述了EV车载的智能电源中枢，但智能电源中枢可以位于家中，可以是移动EV充电器，也可以是便携式EV充电器，不是EV车载。智能电源中枢120可以分为一部分EV车载和另一部分家用充电站。智能电源中枢120可以用于除EV以外的目的，例如用于备份电力系统，为工业或医疗设备供电。智能电源中枢120也可以是一个可再生能源存储系统。在电网高峰期间，电池可以放电以向电网提供能量，而在低电量需求期间，电池可以从电网或太阳能电池板的能量中充电。因此可以为电网的稳定性和安全性提供峰值电力调节。

虽然已经描述了EV，但EV可以同时具有电动引擎以及燃烧汽油的内燃机，例如混合动力汽车或EV。EV可以有第二个燃烧汽油的引擎给电池充电，而电动引擎用于传动系统。EV可以有自己的电源，例如再生制动器，这些电源可以直接给EV电池充电，绕过智能电源中枢120，或者可以连接到智能电源中枢120上的一个端口。

DC链路电压可以随着电池电压在有限范围内上升，当在该范围之外时，就可以相对恒定。当切换频率和谐振频率在一个期望的范围内时，例如在一个数量级内，或在10％之内，可以认为切换频率等于谐振频率。当切换频率恰好等于谐振频率时，效率最高，但电感和电容以及其他电路特性的变化和布局可能使得精确匹配不合理或不现实，所以在一个范围内如在一个数量级内匹配，可以被视为匹配。

ABC数字控制器152和DBC数字控制器162的运行(由图10、11、13和14的控制回路显示)可以以各种方式和各种变化来实现。运行可以组合或重排次序或跳过。可以使用硬件、固件、软件或其各种组合。可以调整时序和相位差。某些步骤可以重新排成其他次序。

可以在控制回路中添加更复杂的逻辑和控制树，例如添加禁用晶体管以禁止运行，如用于掉电模式。可以添加滤波器到各种节点，例如添加电容器、电阻器、电感器、或电阻器、电容器和电感器的网络。可以添加漏电阻器。可以存在寄生电容和电阻。可以添加滞后用于更复杂的波形整形。可以在阶段之间添加缓冲，或可以添加更多阶段或者虚拟阶段。在一些实施例中可以不需要辅助绕组，一些实施例可以有多于3组的绕组，或者具有不同极性和配置的多组绕组。

可以使用不同的晶体管、电容器、电阻器和其他器件尺寸。可以使用各种布局布置，例如多腿、环形、圈形或不规则形状晶体管。可以添加额外的抽头、保护环、晶体管和其他组件。

PWM控制信号已被描述为有180度相位差。可以理解，这些是理想的相位值，实际相位可以会有些变化，例如+/-5％、10％等，仍被认为有180度相位差。

电流可以是正电流或负电流，并沿任一方向流动。可能存在多个二阶和三阶电路效应，并且可能很重大，特别是对于较小的设备尺寸来说。可以使用电路模拟来考虑设计中的这些次要因素。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的材料并不是申请人对现有技术的承认。

本文描述的任何方法或过程是机器实现的或计算机实现的，旨在由机器、计算机或其他设备执行，不旨在没有机器辅助的情况下仅由人执行。产生的有形结果可以包括在诸如计算机监视器、投影设备、音频生成设备和相关媒体设备之类的显示设备上的报告或其他机器生成的显示，可以包括也是机器生成的硬拷贝打印输出。其他机器的计算机控制是另一个有形的结果。

所述的任何优点和益处可能不适用于本发明的所有实施例。当在权利要求中出现单词“手段”时，申请人意图使该权利要求特征落入35USC第112节第6段的规定。通常，一个或多个单词的标签在单词“装置”之前。单词“装置”前面的单词是旨在便于参考权利要求元素的标签，并不意图表达结构上的限制。这种装置加功能的权利要求旨在不仅覆盖在此所述的用于执行该功能及其结构等同物的结构，而且覆盖等同的结构。例如，虽然钉子和螺钉具有不同的构造，但它们都具有等同的结构，因为它们都具有紧固功能。信号通常是电子信号，但也可以是光信号，例如可以通过光纤线传送。

为了说明和描述的目的，前面已经呈现了本发明实施例的描述。这并不意味着穷举或将本发明限制到所披露的确切形式。鉴于上述教义，许多修改和变化是可能的。本发明范围旨在不受限于该详述，而是受限于所附加的权利要求。