CN103346671A - 直流变换器及电动汽车直流供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直流变换器，包括第一端口、第二端口、第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、三个单相半桥以及逻辑控制单元，其中：每一单相半桥包括一个第一功率单元、一个第二功率单元以及一个电感；所述逻辑控制单元分别连接到所述第一功率单元和第二功率单元的控制端并通过输出PWM控制信号使三个单相半桥以120°的相位差交叉工作。本发明还提供一种具有上述直流变换器的电动汽车直流供电系统。本发明通过逻辑控制单元控制两组功率单元，可同时实现蓄电池及超级电容之间双向的能量转换，从而提高了产品的功率密度，降低了产品的成本。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，更具体地说，涉及一种直流变换器及电动汽车直流供电系统。
背景技术
在能源和环保的压力下，新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向。电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。
在电动汽车中，通过DC／DC变换器将蓄电池的电能转换为适合驱动电动机运行所需的电能。目前电动汽车中的DC／DC变换器中，低压侧采用全桥电路，高压侧采用一种由两个有源开关组成的可控倍压电路，通过移相来控制经变压器传递的能量。总的来说，时间昂手机DC/DC变换器电路在大功率场合具有一定优势，但是相对来说，上述DC／DC变换器在直流变换环节功率管个数较多，且控制比较复杂。
并且上述DC/DC变换器中采用三个模块的组合结构，各模块输入并联，降低了内部功率管的电流应力。此外，上述DC/DC变换器运行的稳定性和安全性也有所下降，而且需要考虑多模块之间均压和均流等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述电动汽车中直流变换器稳定性和安全性不足的问题，提供一种直流变换器及电动汽车直流供电系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种直流变换器，包括第一端口、第二端口、第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、三个单相半桥以及逻辑控制单元，其中：所述第一直流母线和第二直流母线连接到第一端口；所述第三直流母线和第二直流母线连接到第二端口；每一单相半桥包括串联连接在第三直流母线和第二直流母线之间的第一功率单元和一个第二功率单元以及一端连接在第一功率单元和第二功率单元的连接点、第二端连接到第一直流母线的电感；所述逻辑控制单元分别连接到所述第一功率单元和第二功率单元的控制端并通过输出PWM控制信号使三个单相半桥以120°的相位差交叉工作。
在本发明所述的直流变换器中，所述逻辑控制单元包括信号接收子单元、升压变换子单元和降压变换子单元，其中：所述信号接收子单元，用于接收外部输入的放电信号或回馈信号；所述升压变换子单元在信号接收子单元接收到放电信号时控制三个第二功率单元将来自第一端口的直流电升压后输送到第二端口；所述降压变换子单元在信号接入子单元接收到回馈信号时控制三个第一功率单元将来自第二端口的直流电降压后输送到第一端口。
在本发明所述的直流变换器中，所述直流变换器还包括不可控整流桥及第三端口，所述第三直流母线和第二直流母线经由所述不可控整流桥连接到第三端口。
本发明还提供一种电动汽车直流供电系统，包括蓄电池、超级电容以及直流变换器，所述直流变换器包括第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、三个单相半桥以及逻辑控制单元，其中：所述第一直流母线和第二直流母线分别连接到蓄电池的正极和负极；所述第三直流母线和第二直流母线分别连接到超级电容的正极和负极；每一单相半桥包括串联连接在第三直流母线和第二直流母线之间的第一功率单元和一个第二功率单元以及一端连接在第一功率单元和第二功率单元的连接点、第二端连接到第一直流母线的电感；所述逻辑控制单元分别连接到所述第一功率单元和第二功率单元的控制端并通过输出PWM控制信号使三个单相半桥以120°的相位差交叉工作。
在本发明所述的电动汽车直流供电系统中，所述逻辑控制单元包括信号接收子单元、升压变换子单元和降压变换子单元，其中：所述信号接收子单元，用于接收外部输入的放电信号或回馈信号；所述升压变换子单元在信号接收子单元接收到放电信号时控制三个第二功率单元将来自第一端口的直流电升压后输送到第二端口；所述降压变换子单元在信号接入子单元接收到回馈信号时控制三个第一功率单元将来自第二端口的直流电降压后输送到第一端口。
在本发明所述的电动汽车直流供电系统中，所述第一直流母线和第二直流母线之间设有第一稳压滤波电容；所述第三直流母线和第二直流母线之间设有第二稳压滤波电容；所述第一直流母线和第三直流母线上分别设有由两个开关和一个电阻构成的上电缓冲电路。
在本发明所述的电动汽车直流供电系统中，所述逻辑控制单元包括电压检测子单元及电流检测子单元，其中：所述电压检测子单元用于检测第一直流母线和第二直流母线之间的电压以及第三直流母线和第二直流母线之间的电压；所述电流检测子单元用于检测三个电感的输出电流。
在本发明所述的电动汽车直流供电系统中，所述直流变换器还包括不可控整流桥；所述不可控整流桥的两个输出端子分别连接到第三直流母线和第二直流母线且该不可控整流桥包括用于连接交流电的输入端口。
在本发明所述的电动汽车直流供电系统中，所述不可控整流桥的一个输出端经由一个上电缓冲电流连接到第三直流母线，且该上电缓冲电路由两个开关和一个电阻构成。
在本发明所述的电动汽车直流供电系统中，所述逻辑控制单元通过CAN总线连接到电动汽车的整车控制器、蓄电池管理系统。
本发明的直流变换器及电动汽车直流供电系统，通过逻辑控制单元控制两组功率单元，可同时实现蓄电池及超级电容之间双向的能量转换，从而提高了产品的功率密度，降低了产品的成本。并且，本发明的控制策略简单、响应速度快。
附图说明
图1是本发明直流变换器第一实施例的示意图。
图2是图1中逻辑控制单元的示意图。
图3是本发明直流变换器第二实施例的示意图。
图4是本发明电动汽车直流供电系统实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过在直流变换器上集成Boost（升压）变换器、Buck（降压）变换器功能，将超级电容与蓄电池组成复合电堆，其解决了纯超级电容电动汽车行驶里程较短的缺点，同时避免蓄电池出现瞬间大电流充放电现象，从而使蓄电池寿命得到了延长。
如图1所示，是本发明直流变换器实施例的示意图。本实施例中的直流变换器主要用于实现直流电的升压和降压变换，其包括第一端口11、第二端口12、第一直流母线13、第二直流母线14、第三直流母线15、三个电感L1-L3、三个第一功率单元G1-G3、三个第二功率单元G4-G6以及逻辑控制单元16，其中第一直流母线13和第二直流母线14的一端分别连接到第一端口11，该第一端口11可连接到电动汽车的蓄电池等；第三直流母线15和第二直流母线14连接到第二端口12，该第二端口12可连接到超级电容等直接为电动汽车驱动器直接供电的设备。上述第一端口11和第二端口12仅用于实现本实施例中的直流变换器与其他设备的电气连接，其本身可采用任何现有的结构。
上述三个第一功率单元、三个第二功率单元以及三个电感组成三个单相半桥，该三个单相半桥并联连接且每一单相半桥包括一个第一功率单元、一个第二功率单元以及一个电感。在每一单相半桥中，第一功率单元和第二功率单元串联后接于第三直流母线15和第二直流母线14之间且该第一功率单元和第二功率单元的连接点经由一个电感连接到第一直流母线13。
逻辑控制单元16分别连接到第一功率单元G1-G3和第二功率单元G4-G6中的每一个的控制端，并通过输出PWM控制信号使三个单相半桥以120°的相位差交叉工作。
如图2所示，上述逻辑控制单元16包括信号接收子单元161、升压变换子单元162和降压变换子单元163。上述信号接收子单元161、升压变换子单元162和降压变换子单元163可由运行在同一芯片上的软件实现，也可由多个运行不同软件的芯片实现。
信号接收子单元161用于接收外部输入的放电信号（例如在电动汽车急加速、爬坡时，连接到第二端口12的超级电容快速大电流放电时）或回馈信号（例如在车辆滑行或制动能量回馈时）。在具体实现时，该信号接收子单元161可从电动汽车的整车控制器、蓄电池管理系统或安装在特定位置的电流传感器等装置获取信号。
升压变换子单元162在信号接收子单元161接收到放电信号时控制三个第二功率单元G4-G6将来自第一端口11的直流电升压后输送到第二端口12，从而将连接到第一端口11的蓄电池的能量补充给连接到第二端口12的超级电容，以源源不断地为电动汽车的电动机提供动力。具体地，在升压变换过程中，该升压变换子单元162使三个第一功率单元G1-G3保持断开，并在电感L1-L3充电过程中使对应的第二功率单元G4-G6导通、导通角度相差120°、在电感L1-L3放电时使第二功率单元G4-G6断开（由第一功率单元G1-G3中的续流二极管将高压直流电传送到第三直流母线15），从而经由第一功率单元G1-G3将第一直流母线13的直流电升压后传送到第三直流母线15。
降压变换子单元163在信号接入子单元161接收到回馈信号时控制三个第一功率单元G1-G3将来自第二端口12的直流电降压后输送到第一端口11，从而将电动机在电动汽车滑行或制动过程中产生的能量回馈到蓄电池。具体地，在降压变换过程中，该降压变换子单元163使三个第二功率单元G4-G6保持断开，并在电感L1-L3充电过程中使对应的第一功率单元G1-G3导通、导通角度相差120°、在电感L1-L3放电时使第一功率单元G1-G3断开，从而经由第一功率单元G1-G3将第三直流母线15的直流电降压后传送到第一直流母线13。
特别地，为了避免大电流对连接到第一端口11的蓄电池的冲击，在第一直流母线13上设有一个上电缓冲电路，该上电缓冲该电路由两个开关K1、K2和一个电阻R1构成。同样地，在第三直流母线15上也设有上电缓冲电路，该上电缓冲电路由两个开关K3、K4和一个电阻R2构成。上述开关K1-K4可由逻辑控制单元16控制闭合或断开。
如图3所示，是本发明直流变换器第二实施例的示意图。本实施例中的直流变换器除了实现第一端口21和第二端口22之间的电压转换外，还包括不可控整流桥27及第三端口28，其中第三直流母线25和第二直流母线24经由不可控整流桥27连接到第三端口28。
上述第三端口28用于连接单相或三相交流电，用于对连接到第一端口21的电动汽车的蓄电池进行充电。具体地，上述不可控整流桥27将来自第三端口28的交流电转换为直流电，逻辑控制单元26控制三个第一功率单元G1-G3实现降压处理，将第三直流母线25的直流电降压后传输到第一直流母线23。
为了避免大电流冲击，上述不可控整流桥的正电压输出端经由一个上电缓冲电路连接到第三直流母线25，该上电缓冲该电路由两个开关K5、K6和一个电阻R3构成。上述开关K5-K6可由逻辑控制单元26控制闭合或断开。
上述直流变换器可直接应用于电动汽车的直流供电系统，如图4所示。该电动汽车直流供电系统包括蓄电池41、超级电容42以及直流变换器，上述直流变换器包括第一直流母线43、第二直流母线44、第三直流母线45、三个电感L1-L3、三个第一功率单元G1-G3、三个第二功率单元G4-G6以及逻辑控制单元46。第一直流母线43和第二直流母线44分别连接到蓄电池41的正极和负极，第三直流母线45和第二直流母线44分别连接到超级电容42的正极和负极。
上述三个第一功率单元G1-G3、三个第二功率单元G4-G6以及三个电感L1-L3组成三个单相半桥，该三个单相半桥并联连接且每一单相半桥包括一个第一功率单元、一个第二功率单元以及一个电感。在每一单相半桥中，第一功率单元和第二功率单元串联后接于第三直流母线45和第二直流母线44之间且该第一功率单元和第二功率单元的连接点经由一个电感连接到第一直流母线43。
逻辑控制单元46分别连接到第一功率单元G1-G3和第二功率单元G4-G6中的每一个的控制端，并通过输出PWM控制信号使三个单相半桥以120°的相位差交叉工作。
上述逻辑控制单元46通过CAN总线与电动汽车的整车控制器、电池管理系统连接，并包括信号接收子单元、升压变换子单元和降压变换子单元，其中信号接收子单元用于接收来自整车控制器、电池管理系统或电流传感器的放电信号或回馈信号（例如在电动汽车急加速或爬坡时接收放电信号、在电动汽车滑行或制动时接收回馈信号）；升压变换子单元在信号接收子单元接收到放电信号时控制三个第二功率单元将来自第一端口的直流电升压后输送到第二端口；升压变换子单元在信号接入子单元接收到回馈信号时控制三个第一功率单元将来自第二端口的直流电升压后输送到第一端口。
特别地，为了实现稳压和滤波，上述第一直流母线43和第二直流母线44之间可设置第一稳压滤波电容C1；第三直流母线45和第二直流母线44之间可设置第二稳压滤波电容C2。并且，为了保证安全，第一直流母线43和第三直流母线45上可分别设置由两个开关和一个电阻构成的上电缓冲电路。
上述电动汽车的直流供电系统中的直流变换器还可具有充电控制功能，此时该直流变换器还包括不可控整流桥47。该不可控整流桥47的两个输出端子分别连接到第三直流母线45和第二直流母线44且该不可控整流桥47通过2相/3相交流输入口48连接交流电源。
在上述的电动汽车直流供电系统中，逻辑控制单元46还可包括电压检测子单元及电流检测子单元，其中电压检测子单元用于检测第一直流母线和第二直流母线之间（即UAB）的电压、第三直流母线和第二直流母线之间的电压（即UCD）以及不可控整流桥47的输出端的电压（即UEF）；电流检测子单元用于检测三个电感L1-L3的输出电流。通过电压和电流监控，可对输入、输出的电压、电流实现闭环控制，可实现恒功率、恒压、恒流输出，并实现较快的响应速度。
在电动汽车停止时，电动汽车的直流供电系统可通过2相/3相交流输入口48连接2相/3相充电桩，多重功能DC-DC作为车载充电机，依据电池管理系统（BMS）提供的数据，逻辑控制单元46动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成蓄电池41的充电过程。
本实施例中的逻辑控制单元46在电动汽车运行时由车载供电设备49供电（即车载24V电源）；在停车充电时则由不可控整流桥47供电。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种直流变换器，其特征在于：包括第一端口、第二端口、第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、三个单相半桥以及逻辑控制单元，其中：所述第一直流母线和第二直流母线连接到第一端口；所述第三直流母线和第二直流母线连接到第二端口；每一单相半桥包括串联连接在第三直流母线和第二直流母线之间的第一功率单元和一个第二功率单元以及一端连接在第一功率单元和第二功率单元的连接点、第二端连接到第一直流母线的电感；所述逻辑控制单元分别连接到所述第一功率单元和第二功率单元的控制端并通过输出PWM控制信号使三个单相半桥以120°的相位差交叉工作。
2.根据权利要求1所述的直流变换器，其特征在于：所述逻辑控制单元包括信号接收子单元、升压变换子单元和降压变换子单元，其中：所述信号接收子单元，用于接收外部输入的放电信号或回馈信号；所述升压变换子单元在信号接收子单元接收到放电信号时控制三个第二功率单元将来自第一端口的直流电升压后输送到第二端口；所述降压变换子单元在信号接入子单元接收到回馈信号时控制三个第一功率单元将来自第二端口的直流电降压后输送到第一端口。
3.根据权利要求1或2所述的直流变换器，其特征在于：所述直流变换器还包括不可控整流桥及第三端口，所述第三直流母线和第二直流母线经由所述不可控整流桥连接到第三端口。
4.一种电动汽车直流供电系统，其特征在于：包括蓄电池、超级电容以及直流变换器，所述直流变换器包括第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、三个单相半桥以及逻辑控制单元，其中：所述第一直流母线和第二直流母线分别连接到蓄电池的正极和负极；所述第三直流母线和第二直流母线分别连接到超级电容的正极和负极；每一单相半桥包括串联连接在第三直流母线和第二直流母线之间的第一功率单元和一个第二功率单元以及一端连接在第一功率单元和第二功率单元的连接点、第二端连接到第一直流母线的电感；所述逻辑控制单元分别连接到所述第一功率单元和第二功率单元的控制端并通过输出PWM控制信号使三个单相半桥以120°的相位差交叉工作。
5.根据权利要求4所述的电动汽车直流供电系统，其特征在于：所述逻辑控制单元包括信号接收子单元、升压变换子单元和降压变换子单元，其中：所述信号接收子单元，用于接收外部输入的放电信号或回馈信号；所述升压变换子单元在信号接收子单元接收到放电信号时控制三个第二功率单元将来自第一端口的直流电升压后输送到第二端口；所述降压变换子单元在信号接入子单元接收到回馈信号时控制三个第一功率单元将来自第二端口的直流电降压后输送到第一端口。
6.根据权利要求4或5所述的电动汽车直流供电系统，其特征在于：所述第一直流母线和第二直流母线之间设有第一稳压滤波电容；所述第三直流母线和第二直流母线之间设有第二稳压滤波电容；所述第一直流母线和第三直流母线上分别设有由两个开关和一个电阻构成的上电缓冲电路。
7.根据权利要求4或5所述的电动汽车直流供电系统，其特征在于：所述逻辑控制单元包括电压检测子单元及电流检测子单元，其中：所述电压检测子单元用于检测第一直流母线和第二直流母线之间的电压以及第三直流母线和第二直流母线之间的电压；所述电流检测子单元用于检测三个电感的输出电流。
8.根据权利要求4或5所述的电动汽车直流供电系统，其特征在于：所述直流变换器还包括不可控整流桥；所述不可控整流桥的两个输出端子分别连接到第三直流母线和第二直流母线且该不可控整流桥包括用于连接交流电的输入端口。
9.根据权利要求8所述的电动汽车直流供电系统，其特征在于：所述不可控整流桥的一个输出端经由一个上电缓冲电流连接到第三直流母线，且该上电缓冲电路由两个开关和一个电阻构成。
10.根据权利要求4或5所述的电动汽车直流供电系统，其特征在于：所述逻辑控制单元通过CAN总线连接到电动汽车的整车控制器、蓄电池管理系统。
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