DC-DC转换器装置的制作方法

本发明涉及光伏(pv)领域，例如pv太阳能屋顶，用于在电动汽车(electricvehicle，ev)的静止或驾驶情况下对电池，即高压(high-voltage，hv)电池充电。本发明尤其涉及一种直流电-直流电(direct current to direct current，dc-dc)转换器装置和用于将光伏面板互连到用于电动汽车的电池的对应方法。更具体地，本发明涉及太阳能pv应用中的部分功率处理、隔离dc-dc转换器和最大功率点跟踪(maximum power-pointtracking，mppt)的方法。

背景技术：

1、pv太阳能屋顶作为在静止或驾驶情况下为电池充电的替代形式，在ev领域正受到关注。要将pv太阳能屋顶与ev的高压(high-voltage，hv)电池互连，需要dc-dc转换器。为安全起见，所述转换器应通过变压器与hv电池进行电流隔离。变压器还缓解了低压pv太阳能屋顶(＜25v)和ev的电池高压(400v至800v)之间的大电压不匹配。大电压差不利于转换器效率；高效率是一个挑战。dc转换器级还应能够使用最大功率点跟踪(maximum-power-point-tracking，mppt)算法调节从pv面板提取的功率。综上所述，对于pv太阳能屋顶应用，需要dc-dc转换器，所述dc-dc转换器提供mppt跟踪选项、大电压转换比和电流隔离，同时确保高转换效率。此外，在某些情况下，还需要与ev的低压电池互连，增加了复杂性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种dc-dc转换器，特别是用于pv太阳能屋顶应用，所述dc-dc转换器提供mppt跟踪选项、大电压转换比和电流隔离，同时确保高转换效率。

2、通过独立权利要求的特征来实现上述目的。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中显而易见。

3、本发明介绍了在ev的太阳能屋顶应用中使用隔离的部分功率dc-dc拓扑。所公开的技术方案提供高效mppt跟踪能力、大电压转换比和三端口连接。与传统拓扑相比，所公开的技术方案提供了更简单的结构和控制，需要更低的元件数量，以及更简单的双绕组变压器。所述系统的操作针对效率和功率密度进行了优化，因为功率级在其最佳条件下运行(例如，串联谐振转换器(series resonant converter，src)以恒定频率和恒定占空比运行)。所述拓扑、其运行和mppt能力将在下文详细介绍。

4、本发明的关键方面是将pv面板、ev低压电池和高压电池互连的隔离部分功率dc-dc转换器拓扑；以及上述dc-dc转换器通过在电池端充电可变电压的mppt算法操作和调节pv功率的方法。

5、本发明尤其涉及用于太阳能屋顶应用的特殊隔离部分功率dc-dc拓扑的使用。所述部分功率dc/dc转换器可用作mppt跟踪器，从所述pv面板中提取最大功率，为ev电池充电。下文描述的所公开的技术方案提供高效mppt跟踪能力、大电压转换比和三端口连接。

6、益处如下：

7、部分功率处理。因此，可以提高所述系统的效率。更高的效率与更高的功率密度和更低的热管理要求直接相关。

8、通过使用单个变压器和低元件数量，可以实现电流隔离、电压调节和功率传输。所述技术方案可理想地应用于需要隔离且输入(pv面板)和输出(电池)电压之间存在较大电压差的ev的太阳能屋顶应用。

9、mppt调节可以通过不同的控制策略来实现。对于每种情况，所述pv面板的最佳功率都可以随时提取，并输送到lv或/和hv电池。由部分功率非隔离转换器执行的mppt调节使得所述谐振转换器(src)可以以恒定频率和占空比运行。因此，变压器尺寸可以减小。

10、为详细描述本发明，将使用以下术语、缩写和符号：

11、ev         电动汽车

12、pv         光伏

13、hv         高压，在本发明中，例如在400v到800v之间

14、lv         低压，在本发明中，例如，低于25v

15、mppt       最大功率点跟踪(算法或方案)

16、dc         直流电

17、ac         交流电

18、pwm        脉宽调制

19、src        串联谐振转换器

20、在本发明中，描述了转换器，即功率转换器。功率转换器，也称为电力电子转换器，用于将电能从一种形式转换为另一种形式，例如在dc和dc之间转换，例如在低压dc和高压或中压dc之间或在ac和dc之间转换。然而，本发明集中在dc-dc功率转换器。电源转换器还可以改变电压或频率或这些的某种组合。电力电子转换器根据电力电子开关，可通过应用on/off逻辑(即pwm操作，通常由闭环控制算法命令)主动控制。

21、在本发明中，描述了满功率转换器和部分功率转换器。pv系统与电池的互连可以采用满功率和部分功率拓扑。

22、满功率转换器处理来自所述pv面板的全部功率。因此，预计会有更高的功率损耗和更低的效率。满功率拓扑可以是双级，第一级负责mppt跟踪，第二级与负载接口。也可以实现单级技术方案。特别相关的是三端口单级满功率转换器。这些转换器可以向两个负载(例如hv和lv电池)馈送能量，这使它们更适合ev的太阳能屋顶应用。尽管如此，它们的效率较低，因为它们需要处理所述pv面板的全部功率。

23、在部分功率拓扑中，一部分功率直接从所述pv面板馈送到所述负载，而另一部分功率首先由中间转换器处理。所述部分转换器处理的功率部分将取决于总输入和输出电压之间的比率。如果所述输入电压和所述输出电压匹配，则所述部分功率转换器不处理任何功率。然而，随着电压增益偏离1，功率增加。由于只有一部分功率由所述中间dc-dc转换器调节，因此功率损耗较低，从而产生更高的整体效率。大多数部分功率拓扑都是非隔离的。为了隔离，可以在所述转换器之后添加变压器，以降低所述输入/输出电压比，并符合安全法规(cm电流、触摸电流等)。然而，这增加了系统的复杂性和元件数量。在ev的太阳能屋顶应用中，隔离拓扑是首选的，以符合与电气安全相关的接触电流和共模要求。

24、根据第一方面，本发明涉及一种直流电到直流电(direct-current to direct-current，dc-dc)转换器装置，用于将光伏面板互连到电动汽车的电池，所述dc-dc转换器装置包括：第一端子，用于将所述dc-dc转换器装置连接到所述光伏面板，其中，所述第一端子用于提供第一dc电压；第二端子，用于将所述dc-dc转换器装置连接到所述电池，其中，所述第二端子用于提供第二dc电压；第一dc-dc转换器级，用于将所述第一dc电压转换为中间dc电压；第二dc-dc转换器级，用于将所述第一dc电压和所述中间dc电压转换为所述第二dc电压，用于通过由所述光伏面板提供的满功率为所述电池充电，其中，所述第二dc-dc转换器级用于将所述第二dc电压与所述第一dc电压和所述中间dc电压电隔离。

25、所述dc-dc转换器装置可以有利地应用于pv太阳能屋顶应用。所述dc-dc转换器装置提供mppt跟踪选项、大电压转换比和电流隔离，同时确保高转换效率。

26、所述dc-dc转换器装置提供部分功率处理。因此，可以提高所述系统的效率。更高的效率与更高的功率密度和更低的热管理要求直接相关。

27、所述技术方案可理想地应用于需要隔离且输入(pv面板)和输出(电池)电压之间存在较大电压差的ev的太阳能屋顶应用。

28、所述dc-dc转换器装置有助于进行mppt调节，所述调节可以用不同的控制策略有利地实现。对于每种情况，所述pv面板的最佳功率都可以随时提取，并输送到lv或/和hv电池。

29、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述第一端子用于相对于第一参考端子提供所述第一dc电压；所述第二端子用于相对于第二参考端子提供所述第二dc电压，其中，所述第二参考端子与所述第一参考端子电隔离。

30、在所述dc-dc转换器装置中，通过使用单个变压器和低元件数量，可以有利地实现电流隔离、电压调节和功率传输。

31、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述第一dc-dc转换器级包括连接到所述第一端子的第一转换器端子，以及第二转换器端子，其中，所述第一dc-dc转换器级用于在所述第二转换器端子处相对于所述第一参考端子提供所述中间dc电压。

32、这提供了所述dc-dc转换器装置可以分为两级的优点，其中，所述第一dc-dc转换器级不需要电流隔离，而所述第二dc-dc转换器级提供电流隔离。

33、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述第二dc-dc转换器级包括：第一转换器端子，连接到所述第一端子；第二转换器端子，连接到所述第一dc-dc转换器级的所述第二转换器端子；第三转换器端子，连接到所述第二端子；第四转换器端子，连接到所述第一参考端子；第五转换器端子，连接到所述第二参考端子，其中，所述第二dc-dc转换器级用于在所述第三转换器端子与所述第二参考端子之间提供所述第二dc电压。

34、这提供了一种优点，即可以实现各种不同的设计来实现所述第二dc-dc转换器级，即隔离转换器，从而提高了设计灵活性。

35、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述dc-dc转换器装置还可以包括耦合在所述第一端子与所述第二dc-dc转换器级之间的低通滤波器。所述低通滤波器用于抑制所述光伏面板的电流谐波。

36、这提供了这样的优点，即所述pv面板的电流谐波可以被有利地抑制，而不会损坏所述dc-dc转换器装置的功能。即，所述dc-dc转换器装置可以耦合到非理想pv面板，而不会显著降低性能。

37、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述第二dc-dc转换器级包括：全桥逆变器，其中，所述全桥逆变器包括：连接在所述第一转换器端子与所述第四转换器端子之间的第一逆变器桥臂；以及连接在所述第二转换器端子与所述第四转换器端子之间的第二逆变器桥臂；整流器，连接到所述第二端子和所述第二参考端子。

38、这提供了这样的优点，即由所述第一dc-dc转换器级，即非隔离转换器级执行的mppt调节使得所述第二dc-dc转换器级，即谐振转换器级可以以恒定的频率和占空比运行。因此，可以放宽全桥逆变器的精度要求。

39、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述第二dc-dc转换器级用于组合所述第一dc电压和所述中间dc电压，以转换为所述第二dc电压。

40、这提供了这样的优点，即所述第一dc-dc转换器级可以有利地处理由所述光伏面板提供的部分功率，而所述第二dc-dc转换器级可以向所述hv电池提供满功率。

41、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述第一dc-dc转换器级包括任何系列的至少一个dc-dc转换器，特别是降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器，以转换所述第一dc电压。

42、这提供了设计灵活性的优势，根据特定的设计要求，可以实现各种不同的dc-dc转换器设计。

43、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述dc-dc转换器装置包括：控制器，用于提供用于控制所述第一dc-dc转换器级和所述第二dc-dc转换器级的相应控制信号。

44、这提供了所述控制器可以根据特定需求灵活地实现所有所需的控制策略的优点。例如，不同的mppt算法可以在软件中实现，并由所述控制器执行。

45、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述控制器用于根据最大功率点跟踪方案控制所述第一dc-dc转换器级。

46、这提供了所述部分功率dc/dc转换器可用作mppt跟踪器，从所述pv面板中提取最大功率，为ev电池充电的优点。这种技术方案提供高效mppt跟踪能力、大电压转换比和三端口连接。

47、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述第二dc-dc转换器级包括：变压器，包括原边和副边，其中，所述变压器的所述原边耦合到所述全桥逆变器，所述变压器的所述副边耦合到所述整流器。

48、这提供了所述变压器可用作电去耦的基本元件的优点。因此，高压侧可以与低压侧去耦。

49、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述第二dc-dc转换器级包括谐振转换器。

50、通过使用这种谐振转换器，所述系统的操作可以优化效率和功率密度，因为所述功率级可以在其最佳条件下运行。例如，以恒定频率和恒定占空比运行的串联谐振转换器(series resonant converter，src)可以有利地用作谐振转换器。

51、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述第二dc-dc转换器级包括：主谐振槽，耦合在所述全桥逆变器与所述变压器的所述副边之间。

52、这使得所述dc-dc转换器装置可以灵活设计，因为所述第二dc-dc转换器级只需要主谐振槽而不需要副谐振槽。或者，可以实现主谐振槽和副谐振槽，但这是可选的：所述第二dc-dc转换器级可以可选地包括耦合在所述变压器的所述副边与所述整流器之间的副谐振槽。

53、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述全桥逆变器用于以固定占空比和对应于所述主谐振槽的谐振频率的固定频率操作。

54、这提供了全桥逆变器易于构造的优点，所述逆变器的设计要求放宽，特别是当所述dc-dc转换器装置只有主谐振槽而没有副谐振槽时。

55、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述dc-dc转换器装置包括能量存储器，耦合到所述第一dc-dc转换器级，其中，所述能量存储器用于根据所述中间dc电压存储能量，存储在所述能量存储器中的能量对应于由所述光伏面板提供的部分功率。

56、这提供了能量存储可以根据所述pv面板提供的部分功率存储能量的优点。

57、在所述dc-dc转换器装置的示例性实现方式中，所述能量存储器包括用于所述电动汽车的第二电池，所述第二电池具有比所述电池的标称电压低的标称电压。

58、所述第二电池可以是lv电池，而主电池可以是hv电池。

59、这提供了hv电池和lv电池都可以通过使用所述dc-dc转换器装置充电。

60、根据第二方面，本发明涉及一种用于通过使用直流电到直流电(direct currentto direct current，dc-dc)转换器装置将光伏面板互连到电动汽车的电池的方法，其中，所述dc-dc转换器装置包括第一端子、第二端子、第一dc-dc转换器级和第二dc-dc转换器级，所述方法包括：将所述光伏面板连接到所述第一端子，用于在所述第一端子处提供第一dc电压；将所述电池连接到所述第二端子，用于在所述第二端子处提供第二dc电压；通过所述第一dc-dc转换器级将所述第一dc电压转换为中间dc电压；所述第二dc-dc转换器级将所述第一dc电压和所述中间dc电压转换为所述第二dc电压，用于通过由所述光伏面板提供的满功率为所述电池充电，其中，所述第二dc电压通过所述第二dc-dc转换器级与所述第一dc电压和所述中间dc电压电隔离。

61、所述方法可以有利地应用于pv太阳能屋顶应用。所述方法提供mppt跟踪选项、大电压转换比和电流隔离，同时确保高转换效率。

62、所述方法提供了光伏面板与电动汽车电池的高效互连，从而为电动汽车提供了高效充电。

63、在所述方法的示例性实现方式中，所述方法包括：根据所述中间dc电压将能量存储在所述dc-dc转换器装置的能量存储器中，其中，存储在所述能量存储器中的所述能量对应于由所述光伏面板提供的部分功率。

64、这提供了所述方法可以用于根据所述pv面板提供的所述部分功率将能量存储到所述能量存储器中的优点。

65、根据第三方面，本发明涉及一种用于提供用于控制根据第一方面所述的dc-dc转换器装置的控制信号的方法，其特征在于，所述方法包括：确定所述dc-dc转换器装置的所述第一dc电压和所述中间dc电压；根据所述第一dc电压和所述中间dc电压的预定关系，应用最大功率点跟踪(maximum power point tracking，mppt)方案，其中，所述第一dc电压和所述中间dc电压的所述预定关系基于所述第一dc电压与所述中间dc电压之间的平均电压与所述光伏面板的输出功率的比例；根据所述mppt方案提供用于控制所述第一dc-dc转换器级的所述控制信号。

66、这种方法提供了mppt调节可以用不同的控制策略来实现的优点。所述方法使得每种情况可以在任何时候提取所述pv面板的最佳功率，用于为所述lv或/和hv电池充电。

67、根据第四方面，本发明涉及一种计算机程序产品，包括计算机可执行代码或计算机可执行指令，当执行所述代码或指令时，使至少一个计算机执行根据上述第二或第三方面的方法。

68、所述计算机程序产品可以在用于控制上述dc-dc转换器装置的控制器或处理器上运行。

69、根据第五方面，本发明涉及一种计算机可读介质，存储指令，当所述指令由计算机执行时，使所述计算机执行根据上述第二或第三方面所述的方法。这样的计算机可读介质可以是非瞬态可读存储介质。存储在所述计算机可读介质上的指令可以由控制器或处理器执行。