一种用于汽车复合储能系统的双向功率变换器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于汽车复合储能系统的双向功率变换器，该变换器由电感、正向buck变换器、反向buck变换器、第一滤波器、第二滤波器组成；正、反向buck变换器内含全控型功率开关器件和二极管；滤波器由电容构成另外也可采用电感与电容组合的其它结构。该汽车复合储能系统的双向功率变换器具备正向降压、反向降压和阻断模式，能够有效控制汽车复合储能系统中的能量流动、解决储能系统的能量双向流动控制，此外正向和反向buck变换器共用滤波电感且该功率变换器结构简单、体积小、集成度高、成本低。
【专利说明】一种用于汽车复合储能系统的双向功率变换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双向功率变换器，尤其涉及汽车复合储能系统应用，特别涉及一种用于汽车复合储能系统的双向功率变换器。
【背景技术】
[0002]汽车的复合储能系统通常采用电池和超级电容，可带来很多好处，如超级电容适于大电流放电，可提高电池寿命；超级电容的快速储能功能使得有效回收及利用汽车的制动能量成为可能，从而获得显著地节能效果。功率变换器是控制复合储能系统能量流动的重要部件，由于复合储能系统存在不同的控制需求，功率变换器也需要具备不同的功能。现有储能系统中应用的双向变换器多为boost-buck形式，即两个方向分别实现升压和降压功能。在实际应用中，存在ー种特殊需求即超级电容储能不足且电压低于电池电压时，需要电池为其充电；电池储能不足且电压低于超级电容电压时需要超级电容为其充电；当各自储能在一定范围内时，不允许二者间有能量流动。尽管buck变换器技术已为业内所熟知，然而应用两个buck变换器简单反向并联不能满足上述需求，原因在于变换器中功率开关器件的续流ニ极管形成回路，造成储能系统能量流动不可控。目前还没有业内熟知的功率变换器能够满足上述控制需求。
[0003]为满足这种需求，本发明提出一种用于汽车复合储能系统的双向功率变换器，该变换器可有效解决储能系统的能量双向流动控制，正向和反向buck变换器共用滤波电感，功率变换器结构简単、体积小、集成度高、成本低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种用于汽车复合储能系统的双向功率变换器，该变换器由电感、正向buck变换器、反向buck变换器、第一滤波器、第二滤波器组成，该变换器具备正向降压、反向降压和阻断模式，能够有效控制汽车复合储能系统中的能量流动。
[0005]为实现上述目的本发明采用的技术方案为ー种用于汽车复合储能系统的双向功率变换器，其中电感串接于正向buck变换器输出端口和反向buck变换器输出端ロ之间；正向buck变换器的输入端ロ与第一滤波器的第二端ロ连接；第一滤波器的第一端ロ与第一储能元件连接；反向buck变换器的输入端ロ与第二滤波器的第二端ロ连接；第二滤波器的第一端ロ与第二储能元件连接。
[0006]正向buck变换器内含全控型功率开关器件T1和ニ极管D1，全控型功率开关器件T1的功率输入端与第一滤波器第二端ロ连接，其功率输出端与电感的输入端连接，同时与ニ极管D1的负极性端连接；反向buck变换器包括全控型功率开关器件T2和ニ极管D2，全控型功率开关器件T2的功率输入端与第二滤波器第二端ロ连接，其功率输出端与电感的输出端连接，同时与ニ极管D2的负极性端连接。
[0007]第一滤波器由电容C1构成，第二滤波器由电容C2构成，上述滤波器也可采用电感与电容组合的其它结构；双向功率变换器具备正向降压、反向降压及阻断功能，可控制电能双向流动；正向降压时，第一储能元件的电压VeAP高于第二储能元件的电压Vbat,双向功率变换器输出电压为Vbat ;反向降压时，第一储能元件的电压VeAP低于第二储能元件的电压Vbat，双向功率变换器输出电压范围为O?VBAT。阻断模式下，全控型功率开关器件T1和T2均处于关断状态，第一储能元件和第二储能元件之间无能量交換，电压Vbat和Vcap不会相互影响。
[0008]正向降压模式下，全控型功率开关器件T2处于关断状态，全控型功率开关器件T1处于PWM状态，正向buck变换器处于降压状态；正向降压模式下，ニ极管D2承受反向电压ー直处于截止状态，电感和电容C2共同构成正向buck变换器的输出端滤波器；反向降压模式下，全控型功率开关器件T1处于关断状态，全控型功率开关器件T2处于PWM状态，反向buck变换器处于降压状态；反向降压模式下，ニ极管D1承受反向电压一直处于截止状态，电感和电容C1共同构成反向buck变换器的输出端滤波器。
[0009]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0010]1、本发明功率变换器具有双向降压和阻断模式，可有效地解决储能系统能量双向流动控制问题。
[0011]2、该功率变换器的正向和反向buck变换器共用滤波电感，功率变换器结构简単、体积小。
[0012]3、本发明的功率变换器集成度高，可以有效地降低功率变换器的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为用于复合储能系统的双向功率变换器结构图。
[0014]图2为双向功率变换器的正向降压原理图。
[0015]图3为双向功率变换器的反向降压原理图。
[0016]图中:1、第一储能元件；2、第二储能元件；3、全控型功率开关器件T1 ;4、全控型功率开关器件T2 ;5、ニ极管D1 ;6、ニ极管D2 ;7、电容C1 ;8、电容C2 ;9、电感L ;10、正向buck变换器；11、反向buck变换器；12、第一滤波器；13、第二滤波器。
【具体实施方式】
[0017]以下将结合附图和实例对本发明作进ー步说明。
[0018]如图1所示为用于复合储能系统的双向功率变换器结构图，该双向功率变换器由电感L9、正向buck变换器10、反向buck变换器11、第一滤波器12、第二滤波器13组成；正向buck变换器10内含全控型功率开关器件1\3和ニ极管DP，全控型功率开关器件1\3的功率输入端与第一滤波器12第二端ロ连接，其功率输出端与电感L9的输入端连接，同时与ニ极管队5的负极性端连接；反向buck变换器11包括全控型功率开关器件T24和ニ极管D26，全控型功率开关器件T24的功率输入端与第二滤波器13第二端ロ连接，其功率输出端与电感L9的输出端连接，同时与ニ极管D26的负极性端连接；电感L9串接于正向buck变换器10输出端口和反向buck变换器11输出端ロ之间；正向buck变换器10的输入端ロ与第一滤波器12的第二端ロ连接；第一滤波器12的第一端ロ与第一储能元件I连接；反向buck变换器11的输入端ロ与第二滤波器13的第二端ロ连接；第二滤波器13的第一端ロ与第二储能元件2连接；第一滤波器12由电容CJ构成，第二滤波器13由电容C28构成，另外滤波器也可采用电感与电容组合的其它结构；全控型功率开关器件1\3、全控型功率开关器件T24为MOSFET或IGBT器件；第一储能元件I为超级电容、第二储能元件2为电池。
[0019]双向功率变换器可实现正向降压、反向降压及阻断功能，可控制电能双向流动。正向降压时，第一储能元件I的电压VeAP高于第二储能元件2的电压Vbat，双向功率变换器输出电压为Vbat ;反向降压时，第一储能兀件I的电压Vcap低于第二储能兀件2的电压Vbat，双向功率变换器输出电压范围为0?VBAT。阻断模式下，全控型功率开关器件1\3和T24均处于关断状态，第一储能元件I和第二储能元件2之间无能量交換，其电压Vbat和VeAP不会相互影响。
[0020]如图2所示为双向功率变换器的正向降压原理图，图中全控型功率开关器件T24处于关断状态，全控型功率开关器件处于PWM状态，正向buck变换器10处于降压状态；全控型功率开关器件处于PWM状态中的导通阶段吋，电流路径为第一储能元件I一全控型功率开关器件1\3—电感L9一全控型功率开关器件T24中的反向ニ极管ー第二储能元件2—第一储能元件I，ニ极管D:5承受反向电压处于截止状态；全控型功率开关器件1\3处于PWM状态中的关断阶段吋，电流路径为电感L9一全控型功率开关器件T24中的反向ニ极管一第二储能元件2—二极管Dp—电感L9 ;上述过程中ニ极管D26承受反向电压一直处于截止状态，电感L9和电容C28共同构成正向buck变换器10的输出端滤波器。
[0021]如图3所示为双向功率变换器的反向降压原理图，图中全控型功率开关器件1\3处于关断状态，全控型功率开关器件T24处于PWM状态，反向buck变换器11处于降压状态；全控型功率开关器件T24处于PWM状态中的导通阶段吋，电流路径为第二储能元件2—全控型功率开关器件T24—电感L9一全控型功率开关器件1\3中的反向ニ极管ー第一储能元件I一第二储能元件2，ニ极管D26承受反向电压处于截止状态；全控型功率开关器件T24处于PWM状态中的关断阶段时，电流路径为电感L9一全控型功率开关器件1\3中的反向ニ极管一第一储能元件I一二极管D26—电感L9 ;上述过程中，ニ极管D-承受反向电压一直处于截止状态，电感L9和电容CJ共同构成反向buck变换器11的输出端滤波器。
【权利要求】
1.一种用于复合储能系统的双向功率变换器，其技术特征为:该双向功率变换器由电感L( 9 )、正向buck变换器(10 )、反向buck变换器(11)、第一滤波器(12)、第二滤波器(13)组成；正向buck变换器(10)内含全控型功率开关器件T1 (3)和二极管D1 (5)，全控型功率开关器件T1 (3)的功率输入端与第一滤波器(12)第二端ロ连接，其功率输出端与电感L(9 )的输入端连接，同时与二极管D1 (5 )的负极性端连接；反向buck变换器(11)包括全控型功率开关器件T2 (4)和二极管D2 (6)，全控型功率开关器件T2 (4)的功率输入端与第二滤波器(13)第二端ロ连接，其功率输出端与电感L (9)的输出端连接，同时与二极管D2(6)的负极性端连接；电感L (9)串接于正向buck变换器(10)输出端口和反向buck变换器(11)输出端ロ之间；正向buck变换器(10)的输入端ロ与第一滤波器12的第二端ロ连接；第一滤波器(12)的第一端ロ与第一储能元件(I)连接；反向buck变换器(11)的输入端ロ与第二滤波器(13)的第二端ロ连接；第二滤波器(13)的第一端ロ与第二储能元件(2)连接；第一滤波器(12)由电容C1 (7)构成，第二滤波器(13)由电容C2 (8)构成，另外滤波器也可米用电感与电容组合的其它结构；正向降压时，第一储能兀件(I)的电压Vcap高于第二储能元件(2)的电压Vbat，双向功率变换器输出电压为Vbat;反向降压时，第一储能元件(I)的电压Vcap低于第二储能元件(2)的电压Vbat，双向功率变换器输出电压范围为0~Vbat ;阻断模式下，全控型功率开关器件T1 (3)和T2 (4)均处于关断状态，第一储能元件(I)和第二储能元件(2)之间无能量交換，其电压Vbat和Vcap不会相互影响。
2.根据权利要求1所述的ー种用于复合储能系统的双向功率变换器，其技术特征在于:正向降压模式下，全控型功率开关器件T2 (4)处于关断状态，全控型功率开关器件T1(3 )处于PWM状态，正向buck变换器(10 )处于降压状态；全控型功率开关器件T1 (3 )处于PWM状态中的导通阶段时，电流路径为第一储能元件(I) 一全控型功率开关器件T1 (3) 一电感L (9) 一全控型功率开关器件T2 (4)中的反向二极管ー第二储能元件(2) —第一储能元件(1)，二极管D1 (5)承受反向电压处于截止状态；全控型功率开关器件T1 (3)处于PWM状态中的关断阶段时，电流路径为电感L (9) 一全控型功率开关器件T2 (4)中的反向二极管ー第二储能元件(2) —二极管D1 (5) ー电感L (9);上述过程中二极管D2 (6)承受反向电压一直处于截止状态，电感L (9)和电容C2 (8)共同构成正向buck变换器(10)的输出端滤波器。
3.根据权利要求1所述的ー种用于复合储能系统的双向功率变换器，其技术特征在于:反向降压模式下，全控型功率开关器件T1 (3)处于关断状态，全控型功率开关器件T2(4)处于PWM状态，反向buck变换器(11)处于降压状态；全控型功率开关器件T2 (4)处于PWM状态中的导通阶段时，电流路径为第二储能元件(2) —全控型功率开关器件T2 (4) 一电感L9一全控型功率开关器件T1 (3)中的反向二极管ー第一储能元件(I) 一第二储能元件(2)，二极管D2 (6)承受反向电压处于截止状态；全控型功率开关器件T2 (4)处于PWM状态中的关断阶段时，电流路径为电感L (9) 一全控型功率开关器件T1 (3)中的反向二极管一第一储能元件(I) 一二极管D2 (6) ー电感L (9);上述过程中，二极管D1 (5)承受反向电压一直处于截止状态，电感L (9)和电容C1 (7)共同构成反向buck变换器(11)的输出端滤波器。
4.根据权利要求1或2或3所述的ー种用于复合储能系统的双向功率变换器，其技术特征在于:全控型功率开关器件T1 (3)、全控型功率开关器件T2 (4)为MOSFET或IGBT器.件；第一储能元件(I)为超级电容、第二储能元件(2)为电池；双向功率变换器可实现正向降压、反向降压及阻断功能，可控制电能双向流动。
【文档编号】H02M3/155GK103560667SQ201310409350
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】许家群, 蒋杰, 吴跃乐 申请人:北京工业大学