一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向dc/dc變換器拓?fù)涞闹谱鞣椒?br>【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)?，包括了超?jí)電容器儲(chǔ)能單元和級(jí)聯(lián)雙向Buck/Boost?LLC DC/DC變換器；其中超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元連接級(jí)聯(lián)雙向Buck/Boost?LLC DC/DC變換器對外實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)、釋放；雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器串聯(lián)組成的級(jí)聯(lián)雙向Buck/Boost?LLC DC/DC變換器，可根據(jù)外接應(yīng)用系統(tǒng)的需求進(jìn)行功率雙向流動(dòng)。本實(shí)用新型通過雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器中電壓、電流的實(shí)時(shí)檢測對功率變換器中開關(guān)管進(jìn)行PWM控制，穩(wěn)定雙向DC/DC變換器的功率輸出，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，有效提高了超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率和系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】
一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)?br>技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)洌瑢儆趦?chǔ)能技術(shù)和電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)(SCESS-SuperCapacitor Energy Storage System)作為一種實(shí)現(xiàn)能量快速儲(chǔ)存、釋放及功率雙向流動(dòng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，相對于其他儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有較為突出的優(yōu)點(diǎn):儲(chǔ)能效率高、功率密度高、響應(yīng)速度快、循環(huán)使用壽命長。該儲(chǔ)能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、國防軍工、航空航天等領(lǐng)域，對平滑、緩沖不穩(wěn)定的電能需求，改善電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)能量儲(chǔ)存具有十分重要的作用。
[0003]超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量存儲(chǔ)、釋放過程中超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元的端電壓變化范圍較寬，為了滿足負(fù)載需求和提高超級(jí)電容器儲(chǔ)存能量的利用率，超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元通常配置功率變換器。超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在工作過程中存在能量存儲(chǔ)和釋放兩個(gè)過程，因此系統(tǒng)配置的功率變換器需采用能夠?qū)崿F(xiàn)功率雙向流動(dòng)的雙向DC/DC變換器。雙向DC/DC變換器主要實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器充放電控制、功率調(diào)節(jié)和控制等功能，以功率雙向流動(dòng)的形式來滿足負(fù)載需求和提高儲(chǔ)能利用率。
[0004]雙向DC/DC變換器是超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換的核心部分。雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同將直接影響超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，功率變換器合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和良好的電路性能，有利于儲(chǔ)能系統(tǒng)提高儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換效率，減小系統(tǒng)體積、重量，降低系統(tǒng)成本，從而更好地實(shí)現(xiàn)能源的高效綜合利用，能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和能源安全供應(yīng)的保障。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型根據(jù)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中具體技術(shù)需求，從適應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，提高系統(tǒng)能量利用率、降低系統(tǒng)重量，減少系統(tǒng)體積以及降低經(jīng)濟(jì)成本的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)洹?br>[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)?，由雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器串聯(lián)組成級(jí)聯(lián)雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器，通過級(jí)聯(lián)雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量存儲(chǔ)、釋放過程中的功率雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率和電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，有效提高了超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率和系統(tǒng)可靠性，該拓?fù)浒ǔ?jí)電容器儲(chǔ)能單元，雙向Buck/Boost DC/DC變換器，由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振網(wǎng)絡(luò)以及整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器，直流母線電壓端口，電壓檢測，電流檢測及中央處理單元;其中，超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元輸出端口 101與雙向Buck/Boost DC/DC變換器左端口 102相連;雙向Buck/Boost DC/DC變換器右端口 103連接開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)左端口 104，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)右端口 105連接LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的左端口 106，LLC諧振網(wǎng)絡(luò)右端口 107連接整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的左端口 108，整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的右端口 109連接直流母線電壓左端口 1010;直流母線電壓右端口 1l I外接應(yīng)用系統(tǒng)；電壓檢測、電流檢測分別從雙向Buck/Boost DC/DC變換器和由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振網(wǎng)絡(luò)以及整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器接入，反饋送至中央處理單元，提供的信號(hào)均用于實(shí)時(shí)控制。
[0007]進(jìn)一步的，電壓檢測、電流檢測分別連接雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器，對電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并反饋至中央處理單元，實(shí)現(xiàn)對功率變換器中開關(guān)管的PWM控制。
[0008]基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器中超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元的作用是在功率雙向流動(dòng)過程中完成超級(jí)電容器的充放電，以實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放;級(jí)聯(lián)雙向Buck/DC/DC變換器中的雙向Buck/Boost DC/DC變換器主要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元端口電壓的寬范圍的精確調(diào)節(jié);級(jí)聯(lián)雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器中的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)整個(gè)功率變換器在雙向Buck/Boost DC/DC變換器的電壓調(diào)節(jié)下能夠工作在效率最優(yōu)狀態(tài)。同時(shí)中央處理單元還將通過實(shí)時(shí)檢測的電壓電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)對級(jí)聯(lián)雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
[0009]本實(shí)用新型的特點(diǎn)是:在超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)中借鑒開關(guān)電源技術(shù)的最新成果以及雙向DC/DC變換器現(xiàn)在的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器進(jìn)行了有效級(jí)聯(lián)，構(gòu)成級(jí)聯(lián)雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器，以滿足輸出電壓的精確調(diào)節(jié)以及超級(jí)電容器組充放電后端電壓寬范圍變化的要求，同時(shí)追求系統(tǒng)的高效率和高功率密度。這種方案實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)在于:該變換器的非隔離級(jí)選擇了Buck/Boost DC/DC變換器，而隔離級(jí)選擇了雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器，其中非隔離級(jí)變換器工作效率較高、開關(guān)器件少，在整個(gè)系統(tǒng)工作過程中主要進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，隔離級(jí)變換器在前級(jí)變換器的電壓調(diào)節(jié)下能夠工作在效率最優(yōu)狀態(tài)。系統(tǒng)功率變換器在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，大大降低電路開關(guān)損耗，提高變換器的工作效率和功率密度，并且變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，便于控制實(shí)施。
【附圖說明】
[0010]圖1為本實(shí)用新型所述的基于超級(jí)電容器組儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0011]圖2為本實(shí)用新型所述的雙向Buck/Boost DC/DC變換器工作在Boost模式下電路拓?fù)鋱D。
[0012]圖3為本實(shí)用新型所述的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器正向工作時(shí)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖4為本實(shí)用新型所述的雙向Buck/BoostDC/DC變換器工作在Buck模式下電路拓?fù)鋱D。
[0014]圖5為本實(shí)用新型所述的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器反向工作時(shí)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0015]具體標(biāo)號(hào)如下:
[0016]1.超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元
[0017]2.雙向Buck/Boost DC/DC變換器
[0018]3.開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)
[0019]4.LLC諧振網(wǎng)絡(luò)
[0020]5.整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)
[0021]6.直流母線電壓端口
[0022]Csc:超級(jí)電容器組;S1，S2，Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q7，Q8:十個(gè) IGBT 器件；Crl，Cr2:諧振電容;L:儲(chǔ)能電感;Lr:諧振電感;Lm:勵(lì)磁電感。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本實(shí)用新型的基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)洌饕獞?yīng)用于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)中功率雙向流動(dòng)時(shí)功率輸出和電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)，根據(jù)附圖敘述本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】。
[0024]實(shí)例一:
[0025]如圖1所示，本實(shí)用新型的硬件電路【具體實(shí)施方式】如下:
[0026]本實(shí)用新型的一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)?，較佳實(shí)施方案包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元、雙向Buck/Boost DC/DC變換器、由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振網(wǎng)絡(luò)以及整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器、直流母線電壓端口、應(yīng)用系統(tǒng)、電壓檢測、電流檢測及中央處理單元;其中，超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元輸出端口1l與雙向Buck/BoostDC/DC變換器左端口 102相連;雙向Buck/Boost DC/DC變換器右端口103連接開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)左端口 104，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)右端口 105連接LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的左端口 106，LLC諧振網(wǎng)絡(luò)右端口 107連接整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的左端口 108，整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的右端口 109連接直流母線電壓端口左端口 1010;直流母線電壓端口右端口 1011外接應(yīng)用系統(tǒng)；電壓檢測、電流檢測分別從雙向Buck/Boost DC/DC變換器和由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振網(wǎng)絡(luò)以及整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器接入，反饋送至中央處理單元，提供的信號(hào)均用于實(shí)時(shí)控制。
[0027]具體來說，電壓檢測、電流檢測分別連接雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器，對電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并反饋至中央處理單元，實(shí)現(xiàn)對功率變換器中開關(guān)管的PWM控制。
[0028]實(shí)例二:
[0029]如圖2、圖3所示，本實(shí)用新型在功率正向流動(dòng)條件下的【具體實(shí)施方式】如下:
[0030]本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式中，發(fā)明的雙向DC/DC變換器中超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元中作用是超級(jí)電容器放電，為雙向Buck/Boost DC/DC變換器提供功率為10KW，電壓變化范圍為200?400V的不穩(wěn)定直流電源，電源經(jīng)過Boost升壓工作模式下的雙向Buck/Boost DC/DC變換器，獲得功率為10KW，電壓為800V的穩(wěn)定直流電壓源，之后，穩(wěn)定直流電壓源流入由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振網(wǎng)絡(luò)和整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器后，經(jīng)過變換器電壓調(diào)節(jié)后，獲得功率為10KW，電壓為1000V的穩(wěn)定直流電源流出，為直流母線電壓端口提供恒定直流電壓；
[0031]結(jié)合圖1、圖2和圖3對【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說明:
[0032]如圖1所示，超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元(I)中超級(jí)電容器放電，提供功率額定的不穩(wěn)定直流電壓源V1輸入到雙向Buck/Boost DC/DC變換器(2)中，變換器(2)工作在Boost升壓模式下，得到功率額定的穩(wěn)定輸出電壓源Vd。;恒值電壓源Vd。流經(jīng)由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)(3)、LLC諧振網(wǎng)絡(luò)(4)以及整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(5)所構(gòu)成的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器后實(shí)現(xiàn)電壓進(jìn)一步調(diào)節(jié)，獲得功率額定的穩(wěn)定輸出電壓源V2;最后電壓源V2經(jīng)由直流母線電壓端口(6)外接應(yīng)用系統(tǒng);整個(gè)變換器的具體功率流向分別如圖2和圖3所示。雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器在電壓調(diào)節(jié)過程中完成電源的DC-AC以及AC-DC的轉(zhuǎn)換。電壓、電流檢測的作用是對級(jí)聯(lián)雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器中兩級(jí)變換器的電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，為中央處理單元提供實(shí)時(shí)信號(hào);通過中央處理單元產(chǎn)生PWM波形，用來控制功率變換器中IGBT的開關(guān)，以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。
[0033]實(shí)例三:
[0034]如圖4、圖5所示，本實(shí)用新型在功率反向流動(dòng)條件下的【具體實(shí)施方式】如下:
[0035]本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式中，發(fā)明的雙向DC/DC變換器中直流母線電壓端口從外接應(yīng)用系統(tǒng)獲得功率為10KW，電壓為1000V的穩(wěn)定直流電壓源，流入由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振網(wǎng)絡(luò)和整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)后獲得功率為10KW，電壓為800V的穩(wěn)定直流電壓源，之后該電壓源流入Buck降壓工作模式下的雙向Buck/Boost DC/DC變換器，對超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元中超級(jí)電容器充電，直到超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元端電壓達(dá)到額定值400V為止，充電完成。
[0036]結(jié)合圖1、圖4和圖5對【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說明:
[0037]如圖1所示，由外接應(yīng)用系統(tǒng)接入直流母線電壓端口(6)的額定功率的直流穩(wěn)壓源V2，流經(jīng)由整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(5)、LLC諧振網(wǎng)絡(luò)(4)以及開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)(3)所構(gòu)成的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器后實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，獲得額定功率的直流穩(wěn)壓源Vdc，接入工作在Buck降壓模式下的雙向Buck/Boost DC/DC變換器(2)中，給超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元(I)中超級(jí)電容器充電，直到超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元端電壓達(dá)到額定值為止，充電完成。整個(gè)雙向DC/DC變換器的具體功率流向分別如圖4和圖5所示。雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器在電壓調(diào)節(jié)過程中完成電源的DC-AC以及AC-DC的轉(zhuǎn)換。此時(shí)整個(gè)雙向DC/DC變換器在具體實(shí)施的過程中電壓、電流的控制和上述實(shí)例二中電壓、電流的控制工作原理相同。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)?，所述的雙向DC/DC變換器拓?fù)涫腔诔?jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通過級(jí)聯(lián)雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量存儲(chǔ)、釋放過程中的正向流動(dòng)和反向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率輸出和電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，其特征為: 該拓?fù)浒ǔ?jí)電容器儲(chǔ)能單元，雙向Buck/Boost DC/DC變換器，由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振網(wǎng)絡(luò)以及整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器，直流母線電壓端口，應(yīng)用系統(tǒng)，電壓檢測，電流檢測及中央處理單元;其中，超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元輸出端口 1l與雙向Buck/Boost DC/DC變換器左端口 102相連;雙向Buck/Boost DC/DC變換器右端口 103連接開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)左端口 104，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)右端口 105連接LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的左端口 106，LLC諧振網(wǎng)絡(luò)右端口 107連接整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的左端口 108，整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的右端口 109連接直流母線電壓端口左端口 1010;直流母線電壓端口右端口 1011外接應(yīng)用系統(tǒng);對雙向Buck/Boost DC/DC變換器和由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)/整流網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振網(wǎng)絡(luò)以及整流網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成的雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器進(jìn)行電壓檢測、電流檢測，獲得的電壓信號(hào)、電流信號(hào)反饋送至中央處理單元，提供的信號(hào)均用于實(shí)時(shí)控制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)?，其特征在于，電壓檢測、電流檢測分別連接雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC諧振DC/DC變換器，對電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并反饋至中央處理單元，實(shí)現(xiàn)對功率變換器中開關(guān)管的PffM控制。
【文檔編號(hào)】H02M3/338GK205490160SQ201620027462
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月4日
【發(fā)明人】曾志輝, 王曉衛(wèi), 韋延方, 高慶華, 楊曉邦, 張蛟龍
【申請人】河南理工大學(xué)