一種用于汽車復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于汽車復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器，該變換器由電感、正向buck變換器、反向buck變換器、第一濾波器、第二濾波器組成；正、反向buck變換器內含全控型功率開關器件和二極管；濾波器由電容構成另外也可采用電感與電容組合的其它結構。該汽車復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器具備正向降壓、反向降壓和阻斷模式，能夠有效控制汽車復合儲能系統(tǒng)中的能量流動、解決儲能系統(tǒng)的能量雙向流動控制，此外正向和反向buck變換器共用濾波電感且該功率變換器結構簡單、體積小、集成度高、成本低。
【專利說明】一種用于汽車復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙向功率變換器，尤其涉及汽車復合儲能系統(tǒng)應用，特別涉及一種用于汽車復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器。
【背景技術】
[0002]汽車的復合儲能系統(tǒng)通常采用電池和超級電容，可帶來很多好處，如超級電容適于大電流放電，可提高電池壽命；超級電容的快速儲能功能使得有效回收及利用汽車的制動能量成為可能，從而獲得顯著地節(jié)能效果。功率變換器是控制復合儲能系統(tǒng)能量流動的重要部件，由于復合儲能系統(tǒng)存在不同的控制需求，功率變換器也需要具備不同的功能。現有儲能系統(tǒng)中應用的雙向變換器多為boost-buck形式，即兩個方向分別實現升壓和降壓功能。在實際應用中，存在ー種特殊需求即超級電容儲能不足且電壓低于電池電壓時，需要電池為其充電；電池儲能不足且電壓低于超級電容電壓時需要超級電容為其充電；當各自儲能在一定范圍內時，不允許二者間有能量流動。盡管buck變換器技術已為業(yè)內所熟知，然而應用兩個buck變換器簡單反向并聯不能滿足上述需求，原因在于變換器中功率開關器件的續(xù)流ニ極管形成回路，造成儲能系統(tǒng)能量流動不可控。目前還沒有業(yè)內熟知的功率變換器能夠滿足上述控制需求。
[0003]為滿足這種需求，本發(fā)明提出一種用于汽車復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器，該變換器可有效解決儲能系統(tǒng)的能量雙向流動控制，正向和反向buck變換器共用濾波電感，功率變換器結構簡単、體積小、集成度高、成本低。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種用于汽車復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器，該變換器由電感、正向buck變換器、反向buck變換器、第一濾波器、第二濾波器組成，該變換器具備正向降壓、反向降壓和阻斷模式，能夠有效控制汽車復合儲能系統(tǒng)中的能量流動。
[0005]為實現上述目的本發(fā)明采用的技術方案為ー種用于汽車復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器，其中電感串接于正向buck變換器輸出端口和反向buck變換器輸出端ロ之間；正向buck變換器的輸入端ロ與第一濾波器的第二端ロ連接；第一濾波器的第一端ロ與第一儲能元件連接；反向buck變換器的輸入端ロ與第二濾波器的第二端ロ連接；第二濾波器的第一端ロ與第二儲能元件連接。
[0006]正向buck變換器內含全控型功率開關器件T1和ニ極管D1，全控型功率開關器件T1的功率輸入端與第一濾波器第二端ロ連接，其功率輸出端與電感的輸入端連接，同時與ニ極管D1的負極性端連接；反向buck變換器包括全控型功率開關器件T2和ニ極管D2，全控型功率開關器件T2的功率輸入端與第二濾波器第二端ロ連接，其功率輸出端與電感的輸出端連接，同時與ニ極管D2的負極性端連接。
[0007]第一濾波器由電容C1構成，第二濾波器由電容C2構成，上述濾波器也可采用電感與電容組合的其它結構；雙向功率變換器具備正向降壓、反向降壓及阻斷功能，可控制電能雙向流動；正向降壓時，第一儲能元件的電壓VeAP高于第二儲能元件的電壓Vbat,雙向功率變換器輸出電壓為Vbat ;反向降壓時，第一儲能元件的電壓VeAP低于第二儲能元件的電壓Vbat，雙向功率變換器輸出電壓范圍為O?VBAT。阻斷模式下，全控型功率開關器件T1和T2均處于關斷狀態(tài)，第一儲能元件和第二儲能元件之間無能量交換，電壓Vbat和Vcap不會相互影響。
[0008]正向降壓模式下，全控型功率開關器件T2處于關斷狀態(tài)，全控型功率開關器件T1處于PWM狀態(tài)，正向buck變換器處于降壓狀態(tài)；正向降壓模式下，ニ極管D2承受反向電壓ー直處于截止狀態(tài)，電感和電容C2共同構成正向buck變換器的輸出端濾波器；反向降壓模式下，全控型功率開關器件T1處于關斷狀態(tài)，全控型功率開關器件T2處于PWM狀態(tài)，反向buck變換器處于降壓狀態(tài)；反向降壓模式下，ニ極管D1承受反向電壓一直處于截止狀態(tài)，電感和電容C1共同構成反向buck變換器的輸出端濾波器。
[0009]與現有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0010]1、本發(fā)明功率變換器具有雙向降壓和阻斷模式，可有效地解決儲能系統(tǒng)能量雙向流動控制問題。
[0011]2、該功率變換器的正向和反向buck變換器共用濾波電感，功率變換器結構簡単、體積小。
[0012]3、本發(fā)明的功率變換器集成度高，可以有效地降低功率變換器的成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為用于復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器結構圖。
[0014]圖2為雙向功率變換器的正向降壓原理圖。
[0015]圖3為雙向功率變換器的反向降壓原理圖。
[0016]圖中:1、第一儲能元件；2、第二儲能元件；3、全控型功率開關器件T1 ;4、全控型功率開關器件T2 ;5、ニ極管D1 ;6、ニ極管D2 ;7、電容C1 ;8、電容C2 ;9、電感L ;10、正向buck變換器；11、反向buck變換器；12、第一濾波器；13、第二濾波器。
【具體實施方式】
[0017]以下將結合附圖和實例對本發(fā)明作進ー步說明。
[0018]如圖1所示為用于復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器結構圖，該雙向功率變換器由電感L9、正向buck變換器10、反向buck變換器11、第一濾波器12、第二濾波器13組成；正向buck變換器10內含全控型功率開關器件1\3和ニ極管DP，全控型功率開關器件1\3的功率輸入端與第一濾波器12第二端ロ連接，其功率輸出端與電感L9的輸入端連接，同時與ニ極管隊5的負極性端連接；反向buck變換器11包括全控型功率開關器件T24和ニ極管D26，全控型功率開關器件T24的功率輸入端與第二濾波器13第二端ロ連接，其功率輸出端與電感L9的輸出端連接，同時與ニ極管D26的負極性端連接；電感L9串接于正向buck變換器10輸出端口和反向buck變換器11輸出端ロ之間；正向buck變換器10的輸入端ロ與第一濾波器12的第二端ロ連接；第一濾波器12的第一端ロ與第一儲能元件I連接；反向buck變換器11的輸入端ロ與第二濾波器13的第二端ロ連接；第二濾波器13的第一端ロ與第二儲能元件2連接；第一濾波器12由電容CJ構成，第二濾波器13由電容C28構成，另外濾波器也可采用電感與電容組合的其它結構；全控型功率開關器件1\3、全控型功率開關器件T24為MOSFET或IGBT器件；第一儲能元件I為超級電容、第二儲能元件2為電池。
[0019]雙向功率變換器可實現正向降壓、反向降壓及阻斷功能，可控制電能雙向流動。正向降壓時，第一儲能元件I的電壓VeAP高于第二儲能元件2的電壓Vbat，雙向功率變換器輸出電壓為Vbat ;反向降壓時，第一儲能兀件I的電壓Vcap低于第二儲能兀件2的電壓Vbat，雙向功率變換器輸出電壓范圍為0?VBAT。阻斷模式下，全控型功率開關器件1\3和T24均處于關斷狀態(tài)，第一儲能元件I和第二儲能元件2之間無能量交換，其電壓Vbat和VeAP不會相互影響。
[0020]如圖2所示為雙向功率變換器的正向降壓原理圖，圖中全控型功率開關器件T24處于關斷狀態(tài)，全控型功率開關器件處于PWM狀態(tài)，正向buck變換器10處于降壓狀態(tài)；全控型功率開關器件處于PWM狀態(tài)中的導通階段吋，電流路徑為第一儲能元件I一全控型功率開關器件1\3—電感L9一全控型功率開關器件T24中的反向ニ極管ー第二儲能元件2—第一儲能元件I，ニ極管D:5承受反向電壓處于截止狀態(tài)；全控型功率開關器件1\3處于PWM狀態(tài)中的關斷階段吋，電流路徑為電感L9一全控型功率開關器件T24中的反向ニ極管一第二儲能元件2—二極管Dp—電感L9 ;上述過程中ニ極管D26承受反向電壓一直處于截止狀態(tài)，電感L9和電容C28共同構成正向buck變換器10的輸出端濾波器。
[0021]如圖3所示為雙向功率變換器的反向降壓原理圖，圖中全控型功率開關器件1\3處于關斷狀態(tài)，全控型功率開關器件T24處于PWM狀態(tài)，反向buck變換器11處于降壓狀態(tài)；全控型功率開關器件T24處于PWM狀態(tài)中的導通階段吋，電流路徑為第二儲能元件2—全控型功率開關器件T24—電感L9一全控型功率開關器件1\3中的反向ニ極管ー第一儲能元件I一第二儲能元件2，ニ極管D26承受反向電壓處于截止狀態(tài)；全控型功率開關器件T24處于PWM狀態(tài)中的關斷階段時，電流路徑為電感L9一全控型功率開關器件1\3中的反向ニ極管一第一儲能元件I一二極管D26—電感L9 ;上述過程中，ニ極管D-承受反向電壓一直處于截止狀態(tài)，電感L9和電容CJ共同構成反向buck變換器11的輸出端濾波器。
【權利要求】
1.一種用于復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器，其技術特征為:該雙向功率變換器由電感L( 9 )、正向buck變換器(10 )、反向buck變換器(11)、第一濾波器(12)、第二濾波器(13)組成；正向buck變換器(10)內含全控型功率開關器件T1 (3)和二極管D1 (5)，全控型功率開關器件T1 (3)的功率輸入端與第一濾波器(12)第二端ロ連接，其功率輸出端與電感L(9 )的輸入端連接，同時與二極管D1 (5 )的負極性端連接；反向buck變換器(11)包括全控型功率開關器件T2 (4)和二極管D2 (6)，全控型功率開關器件T2 (4)的功率輸入端與第二濾波器(13)第二端ロ連接，其功率輸出端與電感L (9)的輸出端連接，同時與二極管D2(6)的負極性端連接；電感L (9)串接于正向buck變換器(10)輸出端口和反向buck變換器(11)輸出端ロ之間；正向buck變換器(10)的輸入端ロ與第一濾波器12的第二端ロ連接；第一濾波器(12)的第一端ロ與第一儲能元件(I)連接；反向buck變換器(11)的輸入端ロ與第二濾波器(13)的第二端ロ連接；第二濾波器(13)的第一端ロ與第二儲能元件(2)連接；第一濾波器(12)由電容C1 (7)構成，第二濾波器(13)由電容C2 (8)構成，另外濾波器也可米用電感與電容組合的其它結構；正向降壓時，第一儲能兀件(I)的電壓Vcap高于第二儲能元件(2)的電壓Vbat，雙向功率變換器輸出電壓為Vbat;反向降壓時，第一儲能元件(I)的電壓Vcap低于第二儲能元件(2)的電壓Vbat，雙向功率變換器輸出電壓范圍為0~Vbat ;阻斷模式下，全控型功率開關器件T1 (3)和T2 (4)均處于關斷狀態(tài)，第一儲能元件(I)和第二儲能元件(2)之間無能量交換，其電壓Vbat和Vcap不會相互影響。
2.根據權利要求1所述的ー種用于復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器，其技術特征在于:正向降壓模式下，全控型功率開關器件T2 (4)處于關斷狀態(tài)，全控型功率開關器件T1(3 )處于PWM狀態(tài)，正向buck變換器(10 )處于降壓狀態(tài)；全控型功率開關器件T1 (3 )處于PWM狀態(tài)中的導通階段時，電流路徑為第一儲能元件(I) 一全控型功率開關器件T1 (3) 一電感L (9) 一全控型功率開關器件T2 (4)中的反向二極管ー第二儲能元件(2) —第一儲能元件(1)，二極管D1 (5)承受反向電壓處于截止狀態(tài)；全控型功率開關器件T1 (3)處于PWM狀態(tài)中的關斷階段時，電流路徑為電感L (9) 一全控型功率開關器件T2 (4)中的反向二極管ー第二儲能元件(2) —二極管D1 (5) ー電感L (9);上述過程中二極管D2 (6)承受反向電壓一直處于截止狀態(tài)，電感L (9)和電容C2 (8)共同構成正向buck變換器(10)的輸出端濾波器。
3.根據權利要求1所述的ー種用于復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器，其技術特征在于:反向降壓模式下，全控型功率開關器件T1 (3)處于關斷狀態(tài)，全控型功率開關器件T2(4)處于PWM狀態(tài)，反向buck變換器(11)處于降壓狀態(tài)；全控型功率開關器件T2 (4)處于PWM狀態(tài)中的導通階段時，電流路徑為第二儲能元件(2) —全控型功率開關器件T2 (4) 一電感L9一全控型功率開關器件T1 (3)中的反向二極管ー第一儲能元件(I) 一第二儲能元件(2)，二極管D2 (6)承受反向電壓處于截止狀態(tài)；全控型功率開關器件T2 (4)處于PWM狀態(tài)中的關斷階段時，電流路徑為電感L (9) 一全控型功率開關器件T1 (3)中的反向二極管一第一儲能元件(I) 一二極管D2 (6) ー電感L (9);上述過程中，二極管D1 (5)承受反向電壓一直處于截止狀態(tài)，電感L (9)和電容C1 (7)共同構成反向buck變換器(11)的輸出端濾波器。
4.根據權利要求1或2或3所述的ー種用于復合儲能系統(tǒng)的雙向功率變換器，其技術特征在于:全控型功率開關器件T1 (3)、全控型功率開關器件T2 (4)為MOSFET或IGBT器.件；第一儲能元件(I)為超級電容、第二儲能元件(2)為電池；雙向功率變換器可實現正向降壓、反向降壓及阻斷功能，可控制電能雙向流動。
【文檔編號】H02M3/155GK103560667SQ201310409350
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權日:2013年9月10日
【發(fā)明者】許家群, 蔣杰, 吳躍樂 申請人:北京工業(yè)大學