CN102290999B - 一种多端口隔离双向dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多端口隔离双向DC-DC变换器，用于混合储能系统。该变换器包括移相变压器以及分别与所述移相变压器原边、副边连接的原边电路、副边电路；副边电路包括一个双通道Buck/Boost变换电路，该双通道Buck/Boost变换电路具有两个输入/输出端和两个桥臂中点，两个桥臂中点分别与所述移相变压器的副边两端连接；原边电路包括至少一个双通道Buck/Boost变换电路，所述双通道Buck/Boost变换电路具有两个输入/输出端和两个桥臂中点，两个桥臂中点分别与移相变压器的原边两端连接。本发明还公开了所述多端口隔离双向DC-DC变换器的电压匹配控制方法，以及包括该变换器的混合储能系统。相比现有技术，本发明能够实现变压器两端电压的完全匹配，并可延长蓄电池和超级电容的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种DC-DC变换器，尤其涉及一种用于混合储能系统的多端口隔离双向DC-DC变换器。
背景技术
应用于电动汽车、分布式可再生能源发电的储能系统，常采用蓄电池和超级电容混合储能的方式，来提高储能系统的性能，蓄电池提供能量存储，超级电容则提供峰值功率。采用一个三端口的双向DC-DC变换器将蓄电池、超级电容和直流母线结合在一起，更易于实现高功率密度、集中控制和有效的能量管理。
三多端口隔离双向DC-DC变换器主要是基于桥式双向DC-DC变换器的拓展而来。典型的两端电压型全桥双向DC-DC变换器如图1所示。变压器漏感L r 是变换器能量传输的重要元件，不需要增加辅助开关元件，利用漏感可以实现所有开关管的软开关，滤波元件少，动态响应速度快。变换器主要工作波形如图2所示， 
为相移角，改变
的大小，可以改变传递功率的大小；改变
的相位，可以改变变压器两侧的功率流向。
传递功率的表达式为
其中，
。
当电压d=1时，变压器两端电压匹配，电流应力小，且整个功率范围均可实现软开关。当电压U 1的变化范围较宽时，变压器两端电压不能够完全匹配，电流应力明显增大，软开关范围变小。因此，移相桥式双向变换器不适合用于宽电压输入范围的场合。除了全桥单元，变压器两端还可以接入半桥单元、Boost半桥单元等，其中Boost半桥单元为电流型，桥侧输出电流连续，电流纹波小，适合蓄电池和超级电容的应用。
常见的多端口双向变换器主要有两种：一种是利用磁耦合的方式将多个变换单元连接到一个多绕组变压器上，图3为两个Boost半桥单元和一个半桥单元通过三绕组变压器构成的电流-电流-电压型三端口双向隔离变换器。工作原理与两端口类似。另外一种是利用直流母线耦合其中一些输入/输出端，图4为利用直流母线耦合输入/输出端U 1的三端口双向变换器，大大减少了器件数目，整个拓扑只需要四个开关管，降低了控制的复杂度。U 1与U 2之间直接通过Boost半桥进行能量传递，不需要经过移相变压器；U 1、U 2与U 3之间的能量传递原理与两端口类似。
由于超级电容和蓄电池的电压有一定的波动范围，尤其超级电容的电压变化范围很大。上面这些拓扑结构，在宽电压输入范围下，变压器两端电压无法实现完全匹配，变换器的电流应力增加，软开关范围变小。常采用加入占空比控制来拓展软开关的范围，但当同时接有两个储能元件时，电压匹配的要求还是无法满足，软开关范围受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的在宽电压输入范围下，变压器两端电压无法实现完全匹配的技术问题，提供一种多端口隔离双向DC-DC变换器，可在较宽的电压输入范围内，实现变压器两端的电压匹配，且能够减小输出电流纹波，从而有利于延长蓄电池和超级电容的使用寿命。
本发明采用以下技术方案：
一种多端口隔离双向DC-DC变换器，用于混合储能系统，该变换器包括移相变压
器以及分别与所述移相变压器原边、副边连接的原边电路、副边电路所述副边电路包括一个双通道Buck/Boost变换电路，所述双通道Buck/Boost变换电路具有两个输入/输出端和两个桥臂中点，两个桥臂中点分别与所述移相变压器的副边两端连接；所述原边电路包括至少一个双通道Buck/Boost变换电路，所述双通道Buck/Boost变换电路具有两个输入/输出端和两个桥臂中点，两个桥臂中点分别与所述移相变压器的原边两端连接。
所述原边电路中的双通道Buck/Boost变换电路可以为一个，从而构成“3+1”多端口隔离双向DC-DC变换器；也可包括至少两个双通道Buck/Boost变换电路，与所述移相变压器磁路耦合连接。
进一步地，所述原边电路、副边电路中的双通道Buck/Boost变换电路相同，包括第一输入/输出端、第二输入/输出端、第一至第四功率开关管、第一电感、第二电感；第一功率开关管的源极与第二功率开关管的漏极相连，构成第一桥臂，耦合点为第一桥臂中点；第一电感的第一端与第一输入/输出端的正端相连，第二端与第一桥臂中点相连；第一功率开关管的漏极与第二输入/输出端的正端相连，第二功率开关管的源极与第一输入/输出端和第二输入/输出端的负端相连；第三功率开关管的源极与第四功率开关管的漏极相连，构成第二桥臂，耦合点为第二桥臂中点；第二电感的第一端与所述第一输入/输出端的正端相连，第二端与第二桥臂中点相连；第三功率开关管的漏极与第二输入/输出端的正端相连；第一和第二功率开关管互补开关，第三和第四功率开关管互补开关。
所述双通道Buck/Boost变换电路采用交错控制，第一功率开关管与第三功率开关管的开通时刻相移180°，第二功率开关管与第四功率开关管的开通时刻相移180°。
一种如上所述多端口隔离双向DC-DC变换器的电压匹配控制方法，控制原边电路中双通道Buck/Boost变换电路的第二输入/输出端的电压，使其与副边电路中双通道Buck/Boost变换电路的第二输入/输出端的电压折合到移相变压器原边的电压值相等。
优选地，该方法通过调节原边电路中双通道Buck/Boost变换电路的占空比实现。
根据本发明的发明构思还可得到一种混合储能系统，包括蓄电池、超级电容、直流
母线及双向DC-DC变换器，所述双向DC-DC变换器为上述多端口隔离双向DC-DC变换器；所述多端口隔离双向DC-DC变换器原边电路中的双通道Buck/Boost变换电路，其第一输入/输出端的正端、负端分别与所述蓄电池的正极、负极相连，第二输入/输出端的正端和负端分别与一滤波电容的两极连接；所述多端口隔离双向DC-DC变换器副边电路中的双通道Buck/Boost变换电路，其第一输入/输出端的正端连接所述超级电容的正极，第二输入/输出端的正端连接所述直流母线的正端，这两个输入/输出端的负端相互连接，并与超级电容的负极、直流母线的负端连接。
相比现有技术，本发明的多端口隔离双向DC-DC变换器利用至少两个双通道Buck/Boost变换电路通过一个移相变压器构成，该双通道Buck/Boost变换电路采用交错控制，输出电流纹波大大减小，有利于延长蓄电池和超级电容的使用寿命。变换器内部一端口不接任何的输入或输出，对该端口电压进行跟踪控制，可保证在蓄电池和超级电容电压波动时，甚至直流母线发生变化，依然实现变压器两端电压的完全匹配，减小了开关管的电流应力和循环无功能量。
附图说明
图1是现有电压型全桥双向DC-DC变换器拓扑图；
图2是现有电压型全桥双向DC-DC变换器主要工作原理波形图；
图3是现有通过变压器耦合的三端口双向变换器拓扑图；
图4是现有通过母线耦合的三端口双向变换器拓扑图；
图5是本发明的混合储能系统的电路结构示意图；
图6是具体实施方式中所述“3+1”多端口隔离双向DC-DC变换器工作原理波形图，其中(a)图是第一双通道交错Buck/Boost结构的工作波形图，(b)图是第二双通道交错Buck/Boost结构的工作波形图，(c)图是移相变压器的工作波形图；
图7是具体实施方式中所述“3+1”多端口隔离双向DC-DC变换器的控制电路结构框图；
图8是
时蓄电池侧向直流母线侧传递的功率分布图；
图9是拓展的“n+(n-2)”多端口隔离双向DC-DC变换器拓扑图；
图10是拓展的“n+(n-2)”多端口隔离双向DC-DC变换器的控制电路结构框图；
图11是本发明的混合储能系统中直流母线给蓄电池和超级电容同时充电时的仿真波形图，直流母线电压400V，超级电容电压200V，蓄电池电压40V，(a)图为采用本发明的电压匹配控制方法下的仿真波形图，(b)图为未采用电压匹配控制时的仿真波形图；
图12是本发明的混合储能系统中蓄电池和超级电容同时向直流母线放电时的仿真波形图，直流母线电压400V，超级电容电压240V，蓄电池电压40V，(a)图为采用本发明的电压匹配控制方法下的仿真波形图，(b)图为未采用电压匹配控制时的仿真波形图；
上述图5~8、11~12的主要符号及标号名称：L 1、L 2——蓄电池侧储能滤波电感；L 3、L 4——直流母线侧储能滤波电感；T——移相变压器；n 1:n 2——移相变压器匝比；L r——移相变压器漏感；S1~S8——功率开关管；Cc——滤波电容；U DC——直流母线电压；U SC——超级电容电压；U BA——蓄电池电压；U Cc——滤波电容Cc两端电压；i L1——电感L 1的电流；i L2——电感L 2的电流；i L3——电感L 3的电流；i L4——电感L 4的电流；i Lr1——变压器原边电流；i Lr2——变压器副边电流；u ab——变压器原边电压；u cd——变压器副边电压；D 1——蓄电池侧占空比；D 2——直流母线侧占空比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
为了解决移相桥式双向变换器不适用于宽电压输入范围场合的问题，本发明提出了
一种新的混合储能系统，其电路结构如图5所示，该混合储能结构包括蓄电池、超级电容、直流母线及本发明的多端口隔离双向DC-DC变换器。为了便于说明，本具体实施方式中的原边电路中的双通道Buck/Boost变换电路为一个，即构成所谓“3+1”多端口隔离双向DC-DC变换器，其结构如图5所示，包括：移相变压器2、第一双通道Buck/Boost变换电路1、第二双通道Buck/Boost变换电路3（分别如图中虚线框中所示）；其中第一双通道Buck/Boost变换电路1，如图所示，包括第一至第四功率开关管S1-S4、第一电感L1、第二电感L2；第一功率开关管S1的源极与第二功率开关管S2的漏极相连，构成第一桥臂，耦合点a为第一桥臂中点；第一电感L1的第一端与第一输入/输出端的正端相连，第二端与第一桥臂中点a相连；第一功率开关管S1的漏极与第二输入/输出端的正端相连，第二功率开关管S2的源极与第一输入/输出端和第二输入/输出端的负端相连；第三功率开关管S3的源极与第四功率开关管S4的漏极相连，构成第二桥臂，耦合点b为第二桥臂中点；第二电感L2的第一端与所述第一输入/输出端的正端相连，第二端与第二桥臂中点b相连；第三功率开关管S3的漏极与第二输入/输出端的正端相连；第四功率开关管S4的源极与第一输入/输出端和第二输入/输出端的负端相连；第一桥臂中点a、第二桥臂中点b分别与所述移相变压器2的原边两端连接；
第二双通道Buck/Boost变换电路3，如图所示，包括第五至第八功率开关管S5-S8、第三电感L3、第四电感L4；第五功率开关管S5的源极与第六功率开关管S6的漏极相连，构成第三桥臂，耦合点c为第三桥臂中点；第三电感L3的第一端与第三桥臂中点c相连，第二端与第三输入/输出端的正端相连；第五功率开关管S5的漏极与第四输入/输出端的正端相连；第六功率开关管S6的源极与第三输入/输出端和第四输入/输出端的负端相连；第七功率开关管S7的源极与第八功率开关管S8的漏极相连，构成第四桥臂，耦合点d为第四桥臂中点；第四电感L4的第一端与第四桥臂中点d相连，第二端与第三输入/输出端的正端相连；第七功率开关管S7的漏极与第四输入/输出端的正端相连；第八功率开关管S8的源极与第三输入/输出端和第四输入/输出端的负端相连；第三桥臂中点c、第四桥臂中点d分别与所述移相变压器2的副边两端连接。
所述“3+1”端口隔离双向DC-DC变换器的第一输入/输出端的正端、负端分别与蓄电池的正极、负极相连；第二输入/输出端的正端和负端分别与一滤波电容C c的两极连接；第三输入/输出端的正端连接所述超级电容的正极；第四输入/输出端的正端连接所述直流母线的正端；第三输入/输出端的负端与第四输入/输出端的负端相连，并与超级电容的负极、直流母线的负端连接。
第一双通道Buck/Boost变换电路1和第二双通道Buck/Boost变换电路3分别由两个单通道Buck/Boost变换电路组成，每个单通道的上下管互补导通，即第一和第二功率开关管互补开关，第三和第四功率开关管互补开关，第五和第六功率开关管互补开关，第七和第八功率开关管互补开关。同时两个单通道Buck/Boost变换电路间采用交错控制，即第一功率开关管与第三功率开关管的开通时刻相移180°，第二功率开关管与第四功率开关管的开通时刻相移180°，第五与第七功率开关管的开通时刻相移180°，第六与第八功率开关管的开通时刻相移180°。
由于第一和第二双通道Buck/Boost变换电路均采用交错控制，移相变压器原边两端的电压正好为第二输入/输出端的正电压、负电压和零的组合，变压器副边两端的电压正好为第四输入/输出端的正电压、负电压和零的组合。第二输入/输出端不接任何的输入或输出，只接一滤波电容Cc，控制第二输入/输出端的电压，使该电压跟踪第四输入/输出端的电压，即可实现变压器原副边电压的匹配。对第二输入/输出端电压的控制可通过调节第一双通道交错Buck/Boost变换电路的占空比实现。定义第一双通道Buck/Boost变换电路1、蓄电池和滤波电容Cc为蓄电池侧；定义第二双通道交错Buck/Boost变换电路3、直流母线和超级电容为直流母线侧。蓄电池侧与直流母线侧间通过移相变压器进行能量的传递，当移相变压器原边的脉冲电压的相位超前于副边脉冲电压相位时，蓄电池侧向直流母线侧传递能量，蓄电池放电；当移相变压器原边的脉冲电压的相位滞后副边脉冲电压的相位时，直流母线侧向蓄电池侧传递能量，蓄电池充电。而直流母线与超级电容之间通过Buck/Boost变换器进行能量的双向流动。
图6是上述“3+1”多端口隔离双向DC-DC变换器工作原理波形图，其中(a)图是第一双通道Buck/Boost变换电路的工作波形图，(b)图是第二双通道交错Buck/Boost变换电路的工作波形图，(c)图是移相变压器的工作波形图；由图6(a)、(b)可看出变压器原边电压正好为滤波电容C c两端的电压U Cc，副边电压为直流母线的电压U DC，因此不管直流母线、超级电容和蓄电池的电压如何变化，只需控制电容C c两端的电压跟踪直流母线电压，即可实现变压器两端电压的匹配。对电容C c两端电压的控制通过调节蓄电池侧占空比D 1来实现。直流母线电压和超级电容电压决定了直流母线侧占空比D 2的大小。控制图6(c)所示的相移角
的大小和相位，即可控制蓄电池侧与直流母线侧间传递功率的大小和方向。
图7是上述“3+1”多端口隔离双向DC-DC变换器的控制电路结构框图，电容C c两端的电压与直流母线电压的误差，经过调节器输出，分别与三角波和移相180°后的三角波进行比较，就可以得到第一双通道Buck/Boost变换电路的交错驱动信号。
图8为时蓄电池侧向直流母线侧传递的功率分布图，此时变换器传递的功率最大。在占空比D 1=0.5，D 2=0.5时传递的最大功率最大，随着占空比的增大或减小，传递的最大功率逐渐减小。
本发明的利用内部端口进行电压匹配控制的方法，同样适用于由上述“3+1”多端口隔离双向DC-DC变换器利用磁耦合的方式拓展成的“n+(n-2)”多端口隔离双向DC-DC变换器，即原边电路包括至少两个与所述移相变压器磁路耦合连接的双通道Buck/Boost变换电路，从而可适合更多储能设备的混合应用，图9显示了一种“n+(n-2)”多端口隔离双向DC-DC变换器的电路结构，其控制电路框图如图10所示。其控制方法及工作原理与“3+1”多端口隔离双向DC-DC变换器相似，此处不再赘述。
为了验证本发明的有益效果，进行了如下仿真实验：直流母线电压U DC=350~400V；蓄电池电压U BA=40~60V，额定功率P BA=1kW；超级电容组电压U SC= 150~300V，峰值功率P SC=10kW；变压器变比n 1:n 2=1:4，漏感；开关频率f=20kHz。图11为在直流母线给蓄电池和超级电容同时充电时的仿真波形图，(a)图为采用本发明的电压匹配控制方法下的仿真波形图，(b)图为未采用电压匹配控制时的仿真波形图；图12为蓄电池和超级电容同时向直流母线放电时的仿真波形图，(a)图为采用本发明的电压匹配控制方法下的仿真波形图，(b)图为未采用电压匹配控制时的仿真波形图。从图中可以看出利用变换器内部端口进行电压匹配控制后，不论蓄电池和超级电容电压如何变化，充电还是放电，变压器两端电压都能保持匹配，漏感电流明显减小，大大减小了开关管的电流应力。
Claims (4)
1.一种多端口隔离双向DC-DC变换器，用于混合储能系统，该变换器包括移相变压器以及分别与所述移相变压器原边、副边连接的原边电路、副边电路；其特征在于，所述副边电路包括一个双通道Buck/Boost变换电路，所述双通道Buck/Boost变换电路具有两个输入/输出端和两个桥臂中点，两个桥臂中点分别与所述移相变压器的副边两端连接；所述原边电路包括至少一个双通道Buck/Boost变换电路，所述双通道Buck/Boost变换电路具有两个输入/输出端和两个桥臂中点，两个桥臂中点分别与所述移相变压器的原边两端连接；所述原边电路、副边电路中的双通道Buck/Boost变换电路相同，包括第一输入/输出端、第二输入/输出端、第一至第四功率开关管、第一电感、第二电感；第一功率开关管的源极与第二功率开关管的漏极相连，构成第一桥臂，耦合点为第一桥臂中点；第一电感的第一端与第一输入/输出端的正端相连，第二端与第一桥臂中点相连；第一功率开关管的漏极与第二输入/输出端的正端相连，第二功率开关管的源极与第一输入/输出端和第二输入/输出端的负端相连；第三功率开关管的源极与第四功率开关管的漏极相连，构成第二桥臂，耦合点为第二桥臂中点；第二电感的第一端与所述第一输入/输出端的正端相连，第二端与第二桥臂中点相连；第三功率开关管的漏极与第二输入/输出端的正端相连；第四功率开关管的源极与第一输入/输出端和第二输入/输出端的负端相连；第一和第二功率开关管互补开关，第三和第四功率开关管互补开关；所述双通道Buck/Boost变换电路采用交错控制，第一功率开关管与第三功率开关管的开通时刻相移180°，第二功率开关管与第四功率开关管的开通时刻相移180°；所述多端口隔离双向DC-DC变换器使用以下电压匹配控制方法：控制原边电路中双通道Buck/Boost变换电路的第二输入/输出端的电压，使其与副边电路中双通道Buck/Boost变换电路的第二输入/输出端的电压折合到移相变压器原边的电压值相等。
2.如权利要求1所述多端口隔离双向DC-DC变换器，其特征在于，所述原边电路包括至少两个双通道Buck/Boost变换电路，与所述移相变压器磁路耦合连接。
3.如权利要求1所述多端口隔离双向DC-DC变换器，其特征在于，所述电压匹配控制方法通过调节原边电路中双通道Buck/Boost变换电路的占空比实现。
4.一种混合储能系统，包括蓄电池、超级电容、直流母线及双向DC-DC变换器，
其特征在于，所述双向DC-DC变换器为权利要求1所述多端口隔离双向DC-DC变换器；所述多端口隔离双向DC-DC变换器原边电路中的双通道Buck/Boost变换电路，其第一输入/输出端的正端、负端分别与所述蓄电池的正极、负极相连，第二输入/输出端的正端和负端分别与一滤波电容的两极连接；所述多端口隔离双向DC-DC变换器副边电路中的双通道Buck/Boost变换电路，其第一输入/输出端的正端连接所述超级电容的正极，第二输入/输出端的正端连接所述直流母线的正端，这两个输入/输出端的负端相互连接，并与超级电容的负极、直流母线的负端连接。
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