CN102377332A

CN102377332A - 电能转换系统

Info

Publication number: CN102377332A
Application number: CN2011102288518A
Authority: CN
Inventors: 弗朗索瓦·克莱因; 克里斯托夫·托朗
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: CN102377332B; EP2418753A2; CA2748227C; EP2418753B1; EP2418753A3; CA2748227A1; FR2963856B1; US9093865B2; FR2963856A1; US20120062045A1

Abstract

一种电能转换系统，此类型的电能转换系统包括主转换器(40)，所述主转换器(40)在输入端连接到在输入电压下工作的至少一个输入网络(41)并且在输出端连接到在输出电压下工作且与电能存储装置关联的输出网络(42)，所述电能存储装置在存储电压下工作，包括双向充电器(46)，所述双向充电器(46)的一端连接到所述输出网络(42)并且另一端连接到电容性电能存储部件(48)，所述双向充电器(46)的操作由用于基于第一设定值(V_ref2)控制所述输出电压的控制部件(49)驱动，其中，所述主转换器(40)的操作由用于基于第二设定值(V_ref1)控制所述存储电压的控制部件(50)驱动。

Description

电能转换系统

技术领域

本发明涉及一种电能转换系统。

这样的系统的示例可以在文献US 2009/0260668中找到，该文献描述了根据权利要求1的前序所述的系统。

更具体地，根据本发明的系统可以应用在从交流(AC)或直流(DC)初级电力网络到DC输出或中级网络的能量转换的范围内。这种类型的系统例如被称为网络调节器。

背景技术

这种类型的转换系统应用在例如尤其是飞机上的机载供电网络中。

当然，可以预期其他应用。

在此类型的应用中，寻求获得一定数量的特殊特性。

实际上，这样的系统应当在一定程度上不受初级电力网络的瞬变电力线干扰的影响。在这种情况下，实现此特性的能量存储在用于存储能量的电容性装置中，例如存储在铝电化学电容器类型的电容性装置中。

当然，为实现此功能，也可以使用其他类型的能量存储装置，比如，电池。

寻求的另一特性是例如借助于用于存储能量的同一电容性装置对最终负载产生的电流请求进行低通滤波，即取平均值。

此滤波于是防止频率过高的电流请求对初级电力网络造成污染。

这样的特性尤其是在航电网络中特别重要，因为应用新的电气标准。

现有技术中已提出了提供解决这些问题的不同方案。

因此，例如，在现有技术中，已提出了将用于存储能量的电容性装置直接放置在中级网络上。

于是中级网络的电压受初级转换器控制。最终转换器(即连接在初级转换器的输出处的那些转换器)的电流请求借助于能量存储装置的电流/电压特性(即电容器的阻抗)而被滤波。

为了受益于存储在能量储备中的最大能量，最终转换器在扩展电压范围下工作，例如在中级网络的额定电压和该额定电压的一半之间工作。

因此，在瞬变电力线干扰期间，初级转换器不再提供任何电源。然后能量由电容性能量存储装置传送。

根据最终转换器所请求的电流，中级网络的电压根据时间且依据电容而自然地减小。

然而，这样的结构具有一定数量的缺点。

实际上，不可能以其最大能量密度使用用于存储能量的电容性装置。用于铝电解电容器的最佳电压约为100伏。将此电压用作中级网络的额定电压会导致最终转换器尺寸过大、最终转换器上的非最佳收益以及绝缘限制。

而且，为了在电容性能量存储装置上获得良好的能量密度，中级网络的电压不应当过低。通常，选择接近35伏的电压。对最终低电压转换器的收益而言，这样的电压是一项缺点。

最后，为了能够在电力线干扰结束时提供有用电源的同时对能量储备再充电，初级转换器应当在整个输出电压范围内具有恒定的电压输出特性。如果为了避免此转换器尺寸过大，则积累拓扑(在现有技术中也称为“驰返”)是唯一的可能。

现有技术中也已提出了将能量储备用在中级网络和扩展转换器上。

这样的结构例如在带有本申请人名称的文献FR 2895167中所述。

因此，为了解决前面提到的第一个问题，即不可能以其最佳能量密度使用能量存储装置，添加了双向转换器(也称为充电器)，利用该双向转换器，可能在中级网络和能量存储网络之间进行链接。

该充电器于是控制能量存储网络的电压，使得其与中级网络的电压成比例。因此可能在能量存储网络上以100伏使用铝电解电容器，而对该设计的其他部件没有任何影响。

然而，此方案不是最佳的，因为其向已很复杂的组件中添加转换器并且没有解决最终转换器的输入动态范围的问题。

另一方案包括将能量储备放置在中级阶段上以及借助于称为校准器的附加的双向转换器来控制网络。

在现有技术中，此架构经常用于具有功率因数校正器的电源，功率因数校正器也称为PFC并具有两个阶段，即增压阶段和绝缘阶段。

在所有操作时期中，中级网络的电压是恒定的DC电压，在一定范围内其由校准器控制。宽广的输入动态范围的限制被转移到校准器，而最终转换器在恒定的输入电压下工作。

此架构的主要缺点在于：初级网络和稳态条件下的不同输出电压之间的电能传送是通过校准器完成的。这对总能量转换链的收益有严重影响，因为这样就有三个转换器阶段。

发明内容

因此，本发明的目的是解决这些问题。

为此，本发明的目的是一种电能转换系统，此类型的电能转换系统包括主转换器，所述主转换器在输入端连接到在输入电压下工作的至少一个输入网络并且在输出端连接到在输出电压下工作其与用于存储电能的装置关联的输出网络，所述用于存储电能的装置在存储电压下工作，包括双向充电器，所述双向充电器的一端连接到所述输出网络并且另一端连接到用于存储电能的电容性部件，所述双向充电器的操作由用于基于第一设定值控制输出电压的控制部件驱动，其中，所述主转换器的操作由用于基于第二设定值控制所述存储电压的控制部件驱动。

根据本发明的其他方面，所述电能转换系统包括以下特征中的一个或多个：

-所述双向充电器包括在峰值电流模式下以及在正电流和负电流的限制下被控制并在设定频率下工作的同步整流器，

-用于控制所述主转换器的操作的部件包括比例校准器，

-用于控制所述双向充电器的部件的控制速率大于用于控制所述主转换器的部件的控制速率，

-所述电能转换系统在初级网络和中级网络之间包括电绝缘部件，

-所述电绝缘部件被集成到所述主转换器中，

-所述电绝缘部件被集成到网络调节器中，所述网络调节器被集成到所述输出网络中，

-所述输出网络包括由形成开关的部件分开的两个部分，所述两个部分连接有不同的负载，

-所述输入网络是直流网络，以及

-所述输入网络是交流网络。

附图说明

借助于以下仅作为示例给出且参照附图的描述能够更好地理解本发明，附图中：

图1为示出根据现有技术的转换系统的第一示例性实施方式的结构的框图；

图2和图3示出这样的系统不受初级电源网络的瞬变电力线干扰的影响；

图4和图5示出这样的系统的低通滤波功能；

图6为示出现有技术的转换系统的另一结构的框图；

图7又示出现有技术的转换系统的另一实施方式；

图8示出现有技术的转换系统的再一实施方式的框图；

图9为示出根据本发明的转换系统的框图；

图10以更详细的方式示出根据本发明的该转换系统；

图11至图14示出这样的系统的能量储备的充电；

图15至图18示出该能量储备的放电；

图19至图23示出这样的转换器在电流请求的情况下的操作；以及

图24、图25和图26示出根据本发明的转换系统的不同的可替选实施方式。

具体实施方式

实际上，现有技术的能量转换系统的第一示例性实施方式在图1中示出。

所述能量转换系统传统上包括由附图标记1标示的初级转换器，初级转换器1在输入端连接到由附图标记2标示的初级供电或输入网络、且在输出端连接到由附图标记3标示的中级网络或输出网络，中级网络或输出网络3分别连接到最终转换器4和5。

然后最终转换器4和5传递相应的输出电压。

关于初级转换器1，其与由附图标记6标示的能量存储部件关联。

利用这样的结构，可能获得不受初级电源网络的瞬变电力线干扰的影响，这如在图2和图3中所示。实现此特性的能量被存储在用于存储电能的电容性装置6中。

而且，利用这样的结构，可能获得借助于同一电容性能量存储装置对由最终转换器4和5产生的电流请求进行低通滤波，即取平均值，这如在图4和图5中所示。

如前所述，这防止频率过高的电流请求对初级电源网络造成污染。

在图6中，示出了现有技术的转换系统的另一示例性实施方式。

该转换系统通常包括初级转换器10，初级转换器10的输入端连接到输入网络11且其输出端连接到由附图标记12标示的输出网络。

最终转换器13和14分别连接到该输出网络并传递相应的输出电压。

电容性能量存储装置被直接放置在输出网络12上，该存储装置由附图标记15标示。

输出网络电压由用附图标记16标示的控制部件基于初级转换器10控制的参考电压而控制。

如前所述，这样的结构也具有一定数量的缺点，尤其是涉及以电容性能量存储装置的最佳能量密度使用该电容性能量存储装置，为了获得电容性能量存储装置的良好能量密度且最终因为为了能够在电力线干扰结束时提供有用的电源的同时对能量储备再充电而使得初级转换器应当在其整个输出电压范围内具有恒定的功率输出特性，因此输出网络电压不能过低。

在图7中，示出了现有技术的转换系统的另一实施方式的框图，例如，先前提到的文献FR 2895167中描述的转换系统。

该转换系统仍包括由附图标记20标示的初级转换器，该初级转换器的输入端连接到由附图标记21标示的输入网络且其输出端连接到输出网络22。

最终转换器23和24分别连接到该输出网络22且传递相应的输出。

由附图标记25标示的用于存储电能的第一部件连接到该输出网络22。

该输出网络22还连接到用附图标记26标示的双向充电器，该双向充电器与由附图标记27标示的第二电能存储部件关联。

插入输出网络22和初级转换器20之间、充电器26和能量存储网络之间的控制部件能够使整个系统得到校准和控制。

这些控制部件分别由附图标记28和29标示。

如前所述，该方案不是最佳的，因为其向已经很复杂的组件中添加了转换器，而且未解决最终转换器的输入动态范围的问题。

现有技术中提出的并且在图8中示出的另一方案包括将能量储备放置在中级阶段上以及借助于单向或双向转换器控制输出网络，所述单向或双向转换器也称为校准器。

以此方式，图8中示出了由附图标记30标示的初级转换器，该初级转换器30在输入端连接到输入网络31，且在输出端与能量存储网络32关联，能量存储网络32连接到电能存储部件33。

转换器30与用附图标记34标示的部件关联，部件34用于基于参考电压校准该能量存储网络的电压。

该能量存储网络还与校准器35连接，校准器35的输出端连接到用附图标记36标示的输出网络，输出网络36分别连接到最终转换器37和38，最终转换器37和38传递相应的输出。

由附图标记39标示的控制部件能够控制校准器35，以基于参考电压校准输出网络的电压。

然而，如前所述，此方案仍具有一定数量的缺点。

根据本发明的电能转换系统的示例性实施方式在图9和图10中示出。

在这两个图中，相同的附图标记标示相同的构件。

以此方式，图9和图10中示出了转换系统，所述转换系统包括由附图标记40标示的主转换器，该主转换器的输入端与在输入电压下工作的输入网络41关联。

该主转换器40的输出端与电源输出网络关联，该电源输出网络也称为IPB(中级电源总线)网络，该网络由附图标记42标示且在输出电压下工作。

该网络连接到例如传递相应输出的最终转换器43和44，或者还连接到开关，例如，用附图标记45标示的开关。

输出网络IPB 42还与用附图标记46标示的双向充电器关联，该双向充电器连接到用附图标记47标示的电能存储网络，该电能存储网络连接到电容性电能存储装置48且在存储电压下工作。

施加不同的控制，这在图10中更清楚地示出。

因此，充电器46与用于控制IPB输出网络的电压的部件关联，这些部件由附图标记49标示。

这样，则可基于第一设定值例如V_ref2控制IPB输出网络的输出电压，即输出网络的电压。

另一控制环与主转换器40有关，通过由附图标记50标示的相应部件，主转换器40在能量存储网络47的电压下被控制。

主转换器40然后由用于基于第二设定值(例如，由V_ref1标示)控制存储电压的控制部件驱动。

于是可以想象，这样的转换系统的大体结构包括在恒定DC电压下校准的称为IPB的输出网络。在该网络上连接有最终转换器，所述最终转换器用于将该网络的电压转化为以标准方式分配给电子部件的输出。

能量存储网络的电压可以根据操作阶段变化。在该网络上连接有电容性能量存储组件。

根据本发明的系统还包括主转换器和双向充电器，该主转换器将来自输入网络的能量传输到输出网络，该双向充电器在对能量储备充电期间将能量从输出网络传输到能量存储网络并且在对能量储备放电期间以相反方向传输能量。

该充电器可以例如由下转换器类型的(也称为可逆“降压”转换器)且具有同步整流的转换器形成，例如，其在对正电流和负电流有限制的峰值电流模式下以及在设定频率下被控制。

可以通过研究该充电器的不同操作阶段来说明这样的配置的操作。

因此，例如在图11、图12、图13和图14中，示出了与能量储备的充电对应的操作阶段。

该阶段例如与该网络的启动或者在瞬变电力线干扰之后该网络的恢复对应。

电压V(ESB)即能量存储网络的电压小于相应的设定值即V_ref1，误差校正器50命令主转换器40向IPB输出网络42传输能量。

当过多的能量被传输给该输出网络时，其电压将趋向于增大。该增大由校正器49检测到，校正器49命令充电器将来自输出网络42的能量传输到能量存储网络47(图13和图14)。

以此方式，通过转换器40和充电器46，能量从输入网络41传输到能量存储网络47。

关于图15、图16、图17和图18，它们对应于能量储备的放电。

该放电例如对应于输入网络41的瞬变电力线干扰。

在此情况下，由于主转换器40不再向输出网络42提供能量，因此输出网络42的电压趋向于减小。

该减小由校正器49检测到，校正器49命令充电器46将能量从能量存储网络47传输到输出网络42。

于是取决于提供给输出网络42的电流、充电器46的收益以及连接到充电器46的电容性组件48的能量存储能力，能量存储网络47的电压自然减小。

在电流请求的情况下，如图19、图20、图21、图22和图23所示，例如，当一个最终转换器在输出网络42上执行突发电流请求或高频率的周期性电流请求时，该网络上的电流请求导致输出网络42的电压减小。

由于此能量传输，能量存储网络47的电压减小。

该减小由误差校正器50检测到，误差校正器50命令主转换器40将能量从输入网络41传输到输出网络42。于是输出网络电压42趋向于增大，该趋势由校正器49检测到，校正器49命令充电器46将能量从输入网络42传输到能量存储网络47，由此对能量储备48再充电。

可以想象，集成有校准器的环控制由充电器46自输出网络42的电压提供的电源并确保电流请求下的高频响应。

这些电流请求然后由电容性能量存储48的阻抗滤波以及取平均值。

关于集成有校准器50的环，其控制主转换器40自能量存储网络47的电压提供的电源且由此确保对最终转换器的平均电流的响应。

集成有校准器50的环可以被自动地调慢，以放大滤波现象。还可以通过增大能量存储装置48的电容值来减小滤波频率。

通常，充电器的控制部件的控制速率大于主转换器的控制部件的控制速率。

校准器50可以例如是简单的低频比例校准器，其在能量存储装置48的电容值可调的情况下能够更容易地控制环。

可以设想到补充元件，例如，电绝缘部件。

例如，图24中示出主转换器40、输入网络41、输出网络42、充电器46、能量存储网络47、电容性存储部件48以及诸如转换器43、44和开关45的输出构件。

于是电绝缘部件可以集成到主转换器40中，则输出网络42、充电器46、能量存储网络47、电容性存储部件48、输出构件43至45与输入网络41电绝缘。

然而，如图25所示，其中相同的附图标记标示与上述相同或相似的元件，由附图标记60标示的绝缘体也可以集成在主转换器40的输出端。则该绝缘体在输出端传递输出网络42。

于是输入网路41、主转换器40、能量储备48、其网络47、其充电器46与输出网路42和输出构件43至45电绝缘。

当然，此架构的扩展例如可以包括两个能量储备，一个在这样的电绝缘系统的初级端，另一个在这样的电绝缘系统的次级端。

而且，如图26所示，通过使用由附图标记70标示的开关，输出网络可以被一分为二。在此情况下，输出网络分别呈现为两个输出部分71和72。

这些部分中的一个、比如部分71可以例如预留给某些最终转换器比如转换器73和74，而另一输出网络部分72预留给其他转换器。

特别地，在待机模式下，转换器73和74可以是活跃的转换器。

该待机模式通常需要很低的输出功率，则充电器46可以通过改变其工作模式并通过使其性能适应于这样的工作模式的限制而实施低功耗模式。

因此，例如，在所想到的该类型的应用中，充电器46可以具有给出以下可能性的低功率模式：

-减小切换频率且由此减小开关的控制损耗以及切换损耗，

-使同步整流无效，使转换器是单向的并允许不连续传导以减小电感器中的损耗以及与不再受控制的开关有关的损耗，

-具有从全功率模式到功率降低模式的“即时”过渡，且反之亦然，而对输出网络的电压没有任何影响，

-“即时”改变基于输出网络的电压控制充电器的误差校正器49，以及

-在电压模式下控制该新控制模式，产生与能量存储网络的电压成比例的斜率，则使来自相应校正器42的设定值不依赖于能量存储网络的电压。

则可以想到这样的能量转换系统具有一定数量的优势。

在未连接输入网络的情况下，模式不切换且输出网络具有与正常操作相同的特性。

在输出网络上的电流请求期间，首先，在通过主转换器反映回输入网络之前，它们由充电器传输到电容性存储部件，电容性存储部件通过它们的电流/电压特性(电解电容器的阻抗)过滤掉它们。

在正常操作中可检测到故障，所有转换器正在工作且没有切换系统。则功能的故障由网络上的错误输出电压表示。所述故障可以由传统的诊断功能检测到。

在此，输出网络的校准是最佳的，而与操作阶段(包括阶段过渡)无关。

在所有操作阶段中，输出网络具有设定的且恒定的电压，这使最终转换器的设计简化。还可在收益方面优化最终转换器的设计。

由此提出的分块关闭还具有后续的优势：

-能量存储网络的电压可以根据需要容易地调节，因为改变集成有校准器50的反馈环以及充电器的电源元件就足够。这对输入转换器和最终转换器没有影响，

-该架构可以容易地用于处理电绝缘。能量储备被放置在这样的绝缘的次级端，而在主转换器中实现该绝缘，或者能量储备被放置在初级端，而通过放置在最终转换器前的双向绝缘转换器来实现该绝缘。

此设计还可以仅通过改变主转换器而变换为用于AC或DC网络输入，而对所述转换器的剩余部件没有影响。

Claims

1.一种电能转换系统，所述电能转换系统包括主转换器(40)，所述主转换器(40)在输入端连接到在输入电压下工作的至少一个输入网络(41)并且在输出端连接到在输出电压下工作且与用于存储电能的装置关联的输出网络(42)，所述用于存储电能的装置在存储电压下工作，且包括双向充电器(46)，所述双向充电器(46)的一端连接到所述输出网络(42)并且另一端连接到电容性电能存储部件(48)，所述双向充电器(46)的操作由用于基于第一设定值(V_ref2)控制所述输出电压的控制部件(49)驱动，其特征在于，所述主转换器(40)的操作由用于基于第二设定值(V_ref1)控制所述存储电压的控制部件(50)驱动。

2.如权利要求1所述的电能转换系统，其特征在于，所述双向充电器(46)包括在峰值电流模式下以及在正电流和负电流的限制下被控制并在设定频率下工作的同步整流器。

3.如权利要求2所述的电能转换系统，其特征在于，用于控制所述主转换器(40)的操作的所述部件(50)包括比例校准器。

4.如前述权利要求中任一项所述的电能转换系统，其特征在于，用于控制所述双向充电器(46)的所述部件(49)的控制速率大于用于控制所述主转换器(40)的所述部件(50)的控制速率。

5.如前述权利要求中任一项所述的电能转换系统，其特征在于，所述电能转换系统在所述输入网络(41)和所述输出网络(42)之间包括电绝缘部件。

6.如权利要求5所述的电能转换系统，其特征在于，所述电绝缘部件被集成到所述主转换器(40)中。

7.如权利要求5所述的电能转换系统，其特征在于，所述电绝缘部件被集成到绝缘体(60)中，所述绝缘体(60)被集成到所述输出网络中。

8.如前述权利要求中任一项所述的电能转换系统，其特征在于，所述输出网络包括由形成开关(70)的部件分开的两个部分(71、72)，所述两个部分(71、72)连接到不同的负载。

9.如前述权利要求中任一项所述的电能转换系统，其特征在于，所述输入网络是直流网络。

10.如权利要求1至8中任一项所述的电能转换系统，其特征在于，所述输入网络是交流网络。