直流变换装置及其运作方法与流程

本发明是有关于一种直流变换技术，且特别是有关于一种直流变换装置及其运作方法。

背景技术：

直流功率变换用于不同电压的直流电能之间的转换。在许多应用中，采用多个直流变换电路或直流变换模块的串联连接以降低单个功率变换电路的电压等级。当多个直流变换电路的直流输入端或输出端串联时，通常各直流变换电路的直流输入端或输出端电压必须控制在预定的范围内，以避免电压超限而造成功率变换电路保护关机或电路元器件的损坏。然而，直流分压控制的可行方法和实效随着电路结构和运行条件而改变，并且还关系到变换电路的成本和效率。

对于电池或电容等储能系统的直流变换，当采用多个储能单元时，各储能单元的充电或放电能量与其容量匹配时，其储能容量可以得到充分利用。因此，如何设计一个新的直流变换装置及其运作方法，以实现直流分压控制，并保证各储能单元的储能状态同步运行于安全的工作范围，是业界亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的一目的在于提供一种直流变换装置。直流变换装置包含：第一直流变换器、第二直流变换器、电压差调节单元、第一控制单元以及第二控制单元。第一直流变换器包含用以接收第一输入电流且具有第一输入电压的第一输入端以及用以产生第一输出电流且具有第一输出电压的第一输出端，且第一输出端与第一储能元件电性连接。第二直流变换器包含用以接收第二输入电流且具有第二输入电压的第二输入端以及用以产生第二输出电流且具有第二输出电压的第二输出端，其中第二输入端与第一输入端串联连接，且第二输出端与第二储能元件电性连接。电压差调节单元电性连接于第一直流 变换器与第二直流变换器，以产生电压差调节信号。第一控制单元产生第一控制信号控制第一直流变换器。第二控制单元根据电压差调节信号产生第二控制信号控制第二直流变换器，可实现第二输入电压调节并平衡第一输出电压及第二输出电压。

本发明的另一目的在于提供一种直流变换装置，包含：第一直流变换器、多个第二直流变换器、电压差调节单元、第一控制单元以及多个第二控制单元。第一直流变换器包含用以接收第一输入电流且具有第一输入电压的第一输入端以及用以产生第一输出电流且具有第一输出电压的第一输出端，且第一输出端与第一储能元件电性连接。第二直流变换器的任一个包含用以接收第二输入电流且具有第二输入电压的第二输入端以及用以产生第二输出电流且具有第二输出电压的第二输出端，其中第二输入端与第一输入端串联连接，且第二输出端分别与多个第二储能元件之一电性连接。电压差调节单元电性连接于第一直流变换器与第二直流变换器，以产生多个电压差调节信号。第一控制单元产生第一控制信号控制第一直流变换器。第二控制单元的任一个用以根据电压差调节信号相对应的其中之一产生相对应的第二控制信号控制相对应的第二直流变换器之一，可实现第二输入电压调节并平衡第一输出电压及相对应的第二输出电压。

本发明的再一目的在于提供一种直流变换装置运作方法，应用于直流变换装置。直流变换装置运作方法包含：使第一直流变换器于第一输入端接收第一输入电流以及于第一输出端产生第一输出电流，其中第一输入端具有第一输入电压，第一输出端具有第一输出电压；使第二直流变换器于第二输入端接收第二输入电流以及于第二输出端产生第二输出电流，其中第二输入端具有第二输入电压，第二输出端具有第二输出电压，其中第一直流变换器与第一储能元件电性连接，且第二直流变换器与第二储能元件电性连接；使电性连接于第一直流变换器与第二直流变换器的电压差调节单元产生电压差调节信号；使第一控制单元产生第一控制信号控制第一直流变换器；以及使第二控制单元根据电压差调节信号产生第二控制信号控制第二直流变换器。

本发明的优点在于提供一种直流变换的装置及方法，满足多个直流变换器在串联时，可实现各变换器的串联输入端功率差异与相应变换器的损耗和(或)储能单元容量差异的匹配，并可使各直流变换器的串联输入电压限制在 正常运行允许的范围内。

附图说明

图1为本发明一实施例中，一种直流变换装置的电路图；

图2为本发明一实施例中，一种直流变换装置的电路图；

图3为本发明一实施例中，一种直流变换装置的电路图；

图4为本发明一实施例中，一种直流变换装置的电路图；

图5为本发明一实施例中，一种直流变换装置的电路图；

图6为本发明一实施例中，一种直流变换装置的电路图；

图7为本发明一实施例中，一种直流变换装置的电路图；

图8为本发明一实施例中，一种直流变换装置的电路图；以及

图9为本发明一实施例中，一种直流变换装置运作方法的流程图。

其中，附图标记说明如下：

1-8：直流变换装置

100：第一直流变换器

102：第二直流变换器

104：电压差调节单元

106：第一控制单元

108：第二控制单元

110：电压差计算单元

112：调节单元

300：功率调节单元

400：电压调节单元

500：电流调节单元

600：电压调节单元

800：电压调节单元

900：直流变换装置运作方法

901-905：步骤

具体实施方式

请参照图1。图1为本发明一实施例中，一种直流变换装置1的电路图。直流变换装置1包含：第一直流变换器100、第二直流变换器102、电压差调节单元104、第一控制单元106以及第二控制单元108。

第一直流变换器100包含第一输入端In1以及第一输出端O1。其中，第一输入端In1接收第一输入电流Iin1且具有第一输入电压Vin1。第一直流变换器100可在第一输出端O1产生第一输出电流Io1。于一实施例中，第一直流变换器100为两电平或多电平的直流至直流变换器，如三电平直流至直流变换器，以将直流的第一输入电流Iin1变换为第一输出电流Io1，达到不同电压的直流电能之间的转换。

第一输出端O1与第一储能元件Csc1电性连接。于一实施例中，第一储能元件Csc1为电容、超级电容或是其他类型的储能元件。第一输出端O1所产生的第一输出电流Io1可对第一储能元件Csc1进行充电。根据充电的结果，第一输出端O1将具有第一输出电压Vsc1。

第二直流变换器102包含第二输入端In2以及第二输出端O2。其中，第二输入端In2接收第二输入电流Iin2且具有第二输入电压Vin2。第二直流变换器102可在第二输出端O2产生第二输出电流Io2。于一实施例中，第二直流变换器102为两电平或多电平的直流至直流变换器，如三电平直流至直流变换器，以将直流的第二输入电流Iin2变换为第二输出电流Io2，达到不同电压的直流电能之间的转换。

第二输入端In2与第一输入端In1串联连接。第二输出端O2与第二储能元件Csc2电性连接。于一实施例中，第二储能元件Csc2为电容、超级电容或是其他类型的储能元件。第二输出端O2所产生的第二输出电流Io2可对第二储能元件Csc2进行充电。根据充电的结果，第二输出端O2将具有第二输出电压Vsc2

于一实施例中，直流变换装置1还包含相互串联连接的母线电容C1及C2。其中第一及第二直流变换器100及102的第一输入端和第二输入端分别电性连接母线电容C1及C2。于其他实施例中，直流变换装置1也可包含相互串联连接的电阻，或电阻与电容的并联组合等，并可分别连接到对应于第一及第二直流变换器100及102的第一及第二输入端，但本发明并不以此为限。

电压差调节单元104电性连接于第一直流变换器100与第二直流变换器102，以产生电压差调节信号Vdiff。于本实施例中，电压差调节单元104包含电压差计算单元110以及调节单元112，其中，在电压差计算单元110接收第一输出电压Vsc1以及第二输出电压Vsc2并计算差值ΔV后，调节单元112可根据差值ΔV进行调节，以产生电压差调节信号Vdiff，但本发明并不以此为限，电压差调节单元104的架构仅为一范例，于其他实施例中，也可以其他电路架构实现。于一实施例中，调节单元112可为(例如，但不限于)比例积分及微分调节器等；于一实施例中，调节单元112可以根据相应的储能单元的充电或放电状态调节相应参数，如参数大小及正负等；于一实施例中，调节单元112可以根据系统中变换器的工作频率调节相应参数等；本发明并不以此为限。

第一控制单元106产生第一控制信号Icon1控制第一直流变换器100。于本实施例中，第一控制单元106为电流控制单元，以根据第一输出电流Io1以及参考电流值Iref产生第一控制信号Icon1，通过反馈机制控制第一输出电流Io1。于本实施例中，参考电流值Iref可为一直接给定的值，但本发明并不以此为限。

第二控制单元108根据电压差调节信号Vdiff产生第二控制信号Icon2控制第二直流变换器102，可实现第二输入电压调节并平衡第一输出电压Vsc1及第二输出电压Vsc2。于本实施例中，第二控制单元108为电压控制单元，以根据第二输入电压Vin2以及参考电压值Vref产生第二控制信号Icon2，以控制第二直流变换器102的运作。参考电压值Vref于本实施例中，是根据总输入电压值Vin的一半，亦即Vin/2，与电压差调节信号Vdiff的和产生，但本发明并不以此为限。因此，通过直流变换装置1的设计，可以通过控制第一直流变换器100及第二直流变换器102的电流与电压，使其电性连接的第一储能元件Csc1以及第二储能元件Csc2的电压在充电过程中保持一致或接近，同时将第一直流变换器100及第二直流变换器102的串联接入电压差异限制在由充电损耗率差异和电容容量差异率所确定的较小范围内，但本发明并不以此为限。

请参照图2。图2为本发明一实施例中，一种直流变换装置2的电路图。直流变换装置2所具有的元件与图1所绘示的直流变换装置1可以相近，包 括第一直流变换器100、第二直流变换器102、电压差调节单元104、第一控制单元106以及第二控制单元108，但本发明并不以此为限。于本实施例中，第一控制单元106是根据第一输入电流Iin1进行控制。

如图2所示，本实施例的第一控制单元106产生第一控制信号Icon1控制第一直流变换器100。于本实施例中，第一控制单元106为电流控制单元，以根据第一输入电流Iin1以及参考电流值Iref产生第一控制信号Icon1，但本发明并不以此为限。而第二控制单元108则可以与图1的实施例为相同。于本实施例中，参考电流值Iref可为一直接给定的值，但本发明并不以此为限。

因此，通过第一控制单元106及第二控制单元108的闭环控制作用下，串联的第一及第二直流变换器100及102稳态运行的输入电压及第一储能元件Csc1以及第二储能元件Csc2的电压均可获得稳定的控制。

请参照图3。图3为本发明一实施例中，一种直流变换装置3的电路图。直流变换装置3所具有的元件与图1所绘示的直流变换装置1可以相近，包括第一直流变换器100、第二直流变换器102、电压差调节单元104、第一控制单元106以及第二控制单元108，但本发明并不以此为限。于本实施例中，直流变换装置3还包含功率调节单元300。

于一实施例中，参考电流值Iref的输入可由直流变换装置3中的控制环路根据电路系统运行要求给定，例如但不限于总输入功率值。如图3所示，功率调节单元300可以接收参考功率值Pref以及总输入功率值，其中总输入功率值可以为总输入电压值Vin以及总输入电流值Iin的乘积，并根据参考功率值Pref以及总输入功率值产生参考电流值Iref，但本发明并不以此为限。第一控制单元106可以根据第一输出电流Io1以及参考电流值Iref产生第一控制信号Icon1。而第二控制单元108则可以与图1的实施例为相同。

请参照图4。图4为本发明一实施例中，一种直流变换装置4的电路图。直流变换装置4所具有的元件与图1所绘示的直流变换装置1可以相近，包括第一直流变换器100、第二直流变换器102、电压差调节单元104、第一控制单元106以及第二控制单元108，但本发明并不以此为限。于本实施例中，直流变换装置4还包含电压调节单元400。

于一实施例中，参考电流值Iref的输入可由直流变换装置4中的控制环 路根据电路系统运行要求给定，例如但不限于总输入电压值Vin。如图4所示，电压调节单元400可以接收参考电压值Vref以及总输入电压值Vin，并可以据以产生参考电流值Iref，但本发明并不以此为限。第一控制单元106可以根据第一输出电流Io1以及参考电流值Iref产生第一控制信号Icon1。而第二控制单元108则可以与图1的实施例为相同。

请参照图5。图5为本发明一实施例中，一种直流变换装置5的电路图。直流变换装置5所具有的元件与图3所绘示的直流变换装置3可以相近，包括第一直流变换器100、第二直流变换器102、电压差调节单元104、第一控制单元106、第二控制单元108以及功率调节单元300，但本发明并不以此为限。于本实施例中，直流变换装置5还包含电流调节单元500。

于本实施例中，第二直流变换器102除通过第二控制单元108采用第二输入电压Vin2控制外，也可以采用输入或输出电流内环控制等，以获得期望的输入电压控制性能。如图5所示，电流调节单元500可接收第二输出电流Io2及第二控制信号Icon2，并据以产生第三控制信号Icon3，但本发明并不以此为限。而第一控制单元106的运作方式则可以与先前图3的实施例相同。

于另一实施例中，电流调节单元500可接收第二输入电流Iin2及第二控制信号Icon2来产生第三控制信号Icon3，但本发明并不以此为限。

需注意的是，电流调节单元500亦可搭配应用于前述的其他实施例中，不为图5所绘示的实施方式所限。

请参照图6。图6为本发明一实施例中，一种直流变换装置6的电路图。直流变换装置6所具有的元件与图1所绘示的直流变换装置1可以相近，包括第一直流变换器100、第二直流变换器102、电压差调节单元104、第一控制单元106以及第二控制单元108，但本发明并不以此为限。于本实施例中，直流变换装置6还可包含电压调节单元600。

于一实施例中，电压调节单元600采用了第一输入电压Vin1反馈控制，并以接近于总输入电压值Vin的一半(Vin/2)的调节参考电压Vrref，叠加电压差信号Vdiff的负值，做为电压控制环的参考给定信号，以产生参考电流值Iref，但本发明并不以此为限。第一控制单元106可以根据第一输出电流Io1以及参考电流值Iref的差值产生第一控制信号Icon1。而第二控制单元108则可与图1的实施例相同。

请参照图7。图7为本发明一实施例中，一种直流变换装置7的电路图。直流变换装置7与图1所绘示的直流变换装置1类似，包含第一直流变换器100及第一控制单元106。然而，于本实施例中，直流变换装置7包含n-1个第二直流变换器102、n-1个电压差调节单元104以及n-1个第二控制单元108，但本发明并不以此为限，如在另一实施例中，n-1个电压差调节单元可集成为一个统一的电压差调节单元等。

如图7所示，第一直流变换器100的第一输出端O1的第一输出电压Vsc1可以作为求取不同的直流变换器所对应的储能元件间的电压差的基准电压，但本发明并不以此为限。其他的直流变换器(多个第二直流变换器)则可以采用1/n的总输入电压值Vin(亦即Vin/n)叠加电压差调节信号Vdiff2₁至Vdiff2_n-1的对应一个作为电压控制给定信号Vref2₁至Vdiff2_n-1，但本发明并不以此为限。举例来说，对应母线电容Cn的第二直流变换器102可采用Vin/n叠加电压差信号Vdiff2_n-1作为电压控制给定信号Vref2_n-1。

请参照图8。图8为本发明一实施例中，一种直流变换装置8的电路图。直流变换装置8与图1所绘示的直流变换装置1类似，包含第一直流变换器100及第一控制单元106。然而，于本实施例中，直流变换装置8包含n-1个第二直流变换器102、n-1个电压差调节单元104以及n-1个第二控制单元108，但本发明并不以此为限，如在另一实施例中，n-1个电压差调节单元可集成为一个统一的电压差调节单元等。

如图8所示，第一直流变换器100的第一输出端O1的第一输出电压Vsc1可以作为求取不同的直流变换器所对应的储能元件间的电压差的基准电压，但本发明并不以此为限。其他的直流变换器(多个第二直流变换器)可以将1/n的总电压期望值Veref(亦即Veref/n)叠加电压差调节信号Vdiff2₁至Vdiff2_n-1的对应一个作为电压控制给定信号Vref2₁至Vdiff2_n-1，但本发明并不以此为限。对应基准电压的第一直流变换器100可以采用输入电压控制，并且其电压给定可以为1/n的总电压期望值Veref减去全部其他变换器的电压差调节信号Vdiff2₁至Vdiff2_n-1，但本发明并不以此为限。于本实施例中，直流变换装置8还可包含电压调节单元800。

于一实施例中，电压调节单元800采用了第一输入电压Vin1反馈控制，并以接近于1/n的总电压期望值Veref/n减去全部其他变换器的电压差调节信 号Vdiff2₁至Vdiff2_n-1，做为电压控制环的参考给定信号，以产生参考电流值Iref，但本发明并不以此为限。第一控制单元106可以根据第一输出电流Io1以及参考电流值Iref的差值产生第一控制信号Icon1。此外，图8中的第一控制单元106可以省略，直接由电压调节单元800输出第一控制信号Icon1。

实际上，多个变换器中，可任意选择其中一个做为第一直流变换器100，而使其他的变换器做为第二直流变换器102，不为图1至图8的实施例中绘示的结构所限。

请参照图9。图9为本发明一实施例中，一种直流变换装置运作方法900的流程图。直流变换装置运作方法900可应用于图1至图8所示的实施例的各直流变换装置中。以下将以图1的直流变换装置1为例进行说明。直流变换装置运作方法900包含下列步骤(应了解到，在本实施方式中所提及的步骤，除特别叙明其顺序外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行)。

于步骤901，使第一直流变换器100于第一输入端In1接收第一输入电流Iin1以及于第一输出端O1产生第一输出电流Io1，其中第一输入端In1具有第一输入电压Vin1，第一输出端O1具有第一输出电压Vo1，其中第一直流变换器100可以与第一储能元件Csc1电性连接，。

于步骤902，使第二直流变换器102于第二输入端In2接收第二输入电流Iin2以及于第二输出端O2产生第二输出电流Io2，其中第二输入端In2具有第二输入电压Vin2，第二输出端O2具有第二输出电压Vo2，其中第二直流变换器102可以与第二储能元件Csc2电性连接。

于步骤903，使电性连接于第一直流变换器100与第二直流变换器102的电压差调节单元104产生电压差调节信号Vdiff。

于步骤904，使第一控制单元106产生第一控制信号Icon1控制第一直流变换器100。

于步骤905，使第二控制单元108根据电压差调节信号Vdiff产生第二控制信号Icon2控制第二直流变换器102。

虽然本发明内容已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明内容，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明内容的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围 为准。