一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向DC-DC变换器、系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换器、系统及其控制方法，属于功率变换器。

背景技术：

1、为了应对化石燃料作为交通运输主要能源所带来的挑战，由电池系统驱动的电动汽车因其具有低污染或者零污染的特性而受到广泛关注。尽管电源技术的发展进步可以为电动汽车提供更佳的技术性能支撑，但电池的不受限充电以及浪涌电流过高均会导致电池循环寿命缩短、效率降低。

2、因此，将电池和超级电容结合起来成为电动汽车混合能源系统是提高车辆整体效率和电池寿命的较好方法。

3、超级电容器具有高功率密度、高循环寿命以及充放电效率高的优点，可以在瞬间提供大量功率，特别适合于电动汽车由于加速或转向所产生的突然功率变化。电动汽车加速和制动期间的能量转移在短时间内存在，因此为了在短时间内有效地捕获、存储和释放电气负载，设备需要快速响应，而超级电容器可为加速提供能量和再生制动收集能量，从而使得基于超级电容器的系统优化效率、最大化性能，而电池则满足长距离运行的高能量储存密度要求。

4、然而，超级电容器的端电压较低且在充电或放电时，电压变化的范围很大，电压增益范围较窄，因此，如何克服超级电容器在电动汽车电源中使用的不足，是本领域人员急需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换器、系统及其控制方法，为了满足电动汽车变换器控制系统中超级电容器的双向转换要求，设计具有宽电压增益范围的双向直流-直流转换器，以连接低压超级电容器和高压超级电容器为电动汽车提供动力电源

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换器，包括：开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4，电容c1，电容c2，电感l。

4、电感l一端分别与开关管q1、开关管q2和电容c1的一端相连接，开关管q2另一端分别与开关管q3、电容c2的一端相连接，开关管q3另一端分别与电容c1另一端和开关管q4一端相连接，开关管q1另一端还与电容c2另一端相连接。其中，电感l另一端，开关管q1另一端组成低压侧端口，开关管q4另一端，电容c2另一端组成高压侧端口。

5、进一步的，电容c1，电容c2采用开关电容。

6、进一步的，电感l用于能量存储与滤波。

7、第二方面，一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换系统，包括：电容clow，电容chigh。

8、电容clow的两端与双向dc-dc变换器的低压侧端口相连接，chigh两端与双向dc-dc变换器的高压侧端口相连接。

9、进一步的，电容clow、电容chigh采用超级电容。

10、第三方面，一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换系统控制方法，包括如下步骤：

11、当控制信号s1为高电平时开关管q1导通，开关管q2的反并联二极管截止，开关管q3的反并联二极管导通,开关管q4的反并联二极管截止,电容clow通过回路clow-l-q1为电感l充电，能量由电容转移到电感l上，电容c2通过回路c2-q3-c1-q1为电容c1充电。

12、当控制信号s1为低电平时开关管q1截止，开关管q2的反并联二极管导通，开关管q3的反并联二极管截止，开关管q4的反并联二极管导通,电感l通过回路clow-l-q2-c2为电容c2充电，电容c1，clow和电感l通过回路c1-q4-chigh-clow-l为电容chigh充电。

13、进一步的，还包括：

14、当控制信号s2与s4为高电平时，开关管q2及开关管q4导通，开关管q1以及开关管q3的反并联二极管截止，电容c2通过回路c2-q2-l-clow为电感l充电，同时电容chigh通过回路chigh-q4-c1-l-clow为电容c1充电。

15、当控制信号s2与s4为低电平时，开关管q3及开关管q1的反并联二极管开通，开关管q2及q4截止，电感l通过回路l-clow-q1为电容clow充电，电容c1通过回路c1-q3-c2-q1为电容c2充电。

16、进一步的，开关管q2、开关管q3、开关管q4的反并联二极管提前td时间关断并延迟td时间开通。

17、进一步的，控制信号s2与s4设置有相同的pwm占空比。

18、进一步的，二极管q2提前td时间关断并延迟td时间开通。

19、进一步的，td时间设置在相应开关管死区时间以内。

20、有益效果：本发明提供的一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换器、系统及其控制方法，在降低电压应力的情况下，所需的元件数量大大降低并减少了额外的硬件资源消耗，因此，电源转换的效率以及电源开关的利用率都得到了提高。最后，本发明提出的变换器、系统及其控制方法不需要耦合电感因而变换器设计得到大大简化，适合于电动汽车应用。

技术特征：

1.一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换器，其特征在于：包括：开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4，电容c1，电容c2，电感l；

2.根据权利要求1所述的一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换器，其特征在于：电容c1，电容c2采用开关电容。

3.根据权利要求1所述的一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换器、系统及其控制方法，其特征在于：电感l用于能量存储与滤波。

4.一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换系统，其特征在于：包括：电容clow，电容chigh；

5.根据权利要求4所述的一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向dc-dc变换系统，其特征在于：电容clow、电容chigh采用超级电容。

6.根据权利要求4或5所述的双向dc-dc变换系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：还包括：

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：开关管q2、开关管q3、开关管q4的反并联二极管提前td时间关断并延迟td时间开通。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：二极管q2提前td时间关断并延迟td时间开通。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：控制信号s2与s4设置有相同的pwm占空比。

技术总结
本发明公开了一种具有宽电压增益范围的电动汽车用双向DC‑DC变换器、系统及其控制方法，电感L一端分别与开关管Q<subgt;1</subgt;、开关管Q<subgt;2</subgt;和电容C<subgt;1</subgt;的一端相连接，开关管Q<subgt;2</subgt;另一端分别与开关管Q<subgt;3</subgt;、电容C<subgt;2</subgt;的一端相连接，开关管Q<subgt;3</subgt;另一端分别与电容C<subgt;1</subgt;另一端和开关管Q<subgt;4</subgt;一端相连接，开关管Q<subgt;1</subgt;另一端还与电容C<subgt;2</subgt;另一端相连接；其中，电感L另一端，开关管Q<subgt;1</subgt;另一端组成低压侧端口，开关管Q<subgt;4</subgt;另一端，电容C<subgt;2</subgt;另一端组成高压侧端口。本发明在降低电压应力的情况下，所需的元件数量大大降低并减少了额外的硬件资源消耗，因此，电源转换的效率以及电源开关的利用率都得到了提高。最后，本发明提出的变换器、系统及其控制方法不需要耦合电感因而变换器设计得到大大简化，适合于电动汽车应用。

技术研发人员：谢文强,陈骏,刘瑞煌,曾艺坤,孙天奎,张宸宇
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16