CN103532379A

CN103532379A - 双向dc-dc变换器及混合动力机动车

Info

Publication number: CN103532379A
Application number: CN201310408388.4A
Authority: CN
Inventors: 刘洋成; 王军峰
Original assignee: SHENZHEN JIAHUA LIDAO NEW TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN JIAHUA LIDAO NEW TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2014-01-22

Abstract

本发明公开了一种双向DC-DC变换器及混合动力机动车，该变换器的拓扑结构包括低压端和高压端，所述低压端的负极与第一滤波电容的一端、第二开关管的源极、第二反向二极管的正极、第二滤波电容的一端、高压端的负极均连接；所述低压端的正极与电感的一端、第一滤波电容的另一端均连接；所述电感的另一端与所述第一开关管的源极、第一反向二极管的正极、第二开关管的漏极、第二反向二极管的负极均连接；所述高压端的正极与所述第一开关管的漏极、第一反向二极管的负极、第二滤波电容的另一端均连接。本变换器既达到了正向时控制直流母线电压的目的，又很好的控制蓄电池组的反向充电电流。

Description

双向DC-DC变换器及混合动力机动车

技术领域

本发明涉及双向DC-DC变换器，尤其是一种采用互补PWM控制模式的双向DC-DC变换器及采用该变换器的混合动力机动车。

背景技术

双向DC-DC变换器(Bi-directional DC-DC Converter，简称BDC)是指BDC的双象限运行，其两端电压极性不变而电流可变，功能上本身相当于两个单向直流-直流变换器(DC-DC Converter)。日常生活中，很多关键负载需要有不间断电源，在UPS系统中，供电电源（如市电）正常工作时，通过充电单元给蓄电池组充电；当突然掉电时，系统由蓄电池组给逆变器供电，系统中充放电单元即可用BDC代替实现。在太阳能电池阵列系统中，BDC应用也很广泛，特别是在航天电源系统中，能量主要由蓄电池组和太阳能光伏板提供。当日光充足时，太阳能光伏板除提供负载正常用电外，会通过BDC将多余能量储存在蓄电池组中；当日光不足时，由蓄电池组通过BDC向负载供电。

在混合动力技术研究领域，双向DC-DC变换技术已经和电机驱动技术、电源管理系统技术一起作为混合动力系统中的三大技术。双向DC-DC变换器作为蓄电池组和电机逆变器直流母线间能量流动的媒介，是系统提高效率的重要环节，也是近年来混合动力系统领域研究的重点和热点。混合动力客车在正常行驶时，双向DC-DC变换器能保证发动机系统始终工作在最佳功率区，在起步或加速过程中，能量正向流动，保证电机逆变器的驱动性能，在制动或减速过程中，能量反向流动，有效回收多余能量，真正实现混合动力客车的节能减排目标。

采用双向DC-DC变换器后，一方面可以降低蓄电池组的电压等级，提高整车安全性，降低蓄电池组和BMS(电池管理系统)的成本；另一方面可以将电机直流母线端电压与蓄电池组电压解耦，根据电机的运行情况并输出最适宜稳定的电压，有利于电机体积质量的减小，运行效率的提高；此外，在电机出现故障时，双向DC-DC变换器还能有效将电机可能产生的高压截止在电机逆变器直流母线端，而不至于直接导入蓄电池组引起安全隐患，提高系统安全可靠性。

但是，现有的变换器不能较好控制直流母线电压和蓄电池组的充电电流。

发明内容

本发明提供一种新的双向DC-DC变换器及采用该变换器的混合动力机动车。

本发明提供一种双向DC-DC变换器，该变换器的拓扑结构包括低压端、高压端、电感、第一开关管、第二开关管、第一反向二极管及第二反向二极管，所述低压端的负极与第一滤波电容的一端、第二开关管的源极、第二反向二极管的正极、第二滤波电容的一端、高压端的负极均连接；所述低压端的正极与电感的一端、第一滤波电容的另一端均连接；所述电感的另一端与所述第一开关管的源极、第一反向二极管的正极、第二开关管的漏极、第二反向二极管的负极均连接；所述高压端的正极与所述第一开关管的漏极、第一反向二极管的负极、第二滤波电容的另一端均连接；所述变换器采用双闭环控制且采样所述高压端的电压值和采样通过所述电感的电流值。电流环作为内环，电压环作为外环。

进一步的，所述低压端的正极和所述电感的一端之间通过并联的第一开关和第二开关连接。

进一步的，所述第二开关与一电阻串联后再与所述第一开关并联。

进一步的，所述第一开关管和第二开关管均是IGBT管或MOSFET管。

一种混合动力机动车，包括直流母线、蓄电池组和所述双向DC-DC变换器，所述变换器的高压端连接所述直流母线，所述变换器的低压端连接所述蓄电池组。

本发明的有益效果是：创造性的提出了一种具有新拓扑结构的双向DC-DC变换器，该变换器采用双闭环控制，且将控制电压、电流分处在高压端、低压端，从而既达到了正向时控制直流母线电压的目的，又很好的控制蓄电池组的反向充电电流。

附图说明

图1是双向DC-DC变换器第一具体实施方式的拓扑结构图；

图2是双向DC-DC变换器第二具体实施方式的拓扑结构图。

具体实施方式

如图1所示，其为双向DC-DC变换器的第一具体实施方式。该双向DC-DC变换器的拓扑结构包括低压端Ua、高压端Ub、第一开关1、第二开关2、第一滤波电容C1、电感L、第二滤波电容C2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一反向二极管D1及第二反向二极管D2。低压端的负极、第一滤波电容的一端、第二开关管的源极、第二反向二极管的正极、第二滤波电容的一端及高压端的负极连接；低压端的正极通过并联的第一开关、第二开关与第一滤波电容的另一端、电感的一端连接；电感的另一端、第一开关管的源极、第二开关管的漏极、第一反向二极管的正极及第二反向二极管的负极连接；第一开关管的漏极、第一反向二极管的负极、第二滤波电容的另一端及高压端的正极连接。第二开关可以与电阻R串联后再与第一开关并联在低压端的正极和电感的一端之间；第一开关和电感的一端之间还可以设有在电流过大时进行保护的保险器件。第一开关管和第一反向二极管形成该电路的上桥臂，第二开关管和第二反向二极管构成该电路的下桥臂。高压端连接电机逆变器直流母线，高压端电压即直流母线电压。低压端连接蓄电池组，低压端电压即蓄电池组电压。

电路在启动时，首先打开第二开关，由电阻R和第一滤波电容组成RC充电电路，该RC充电电路用以减小电路启动时刻第一滤波电容的瞬态电流，预充电完成后，关闭第二开关，打开第一开关。电路在正向工作时控制第一开关管的通断，第二开关管的通断控制与其互补，反向工作时与第一开关管组成同步Buck降压模式。

本实施方式中，采用互补PWM控制方式，使第一、二开关管以互补形式交替导通，并留有一定死区时间来防止上、下桥臂同时导通。PWM控制时，通过控制第一、二开关管的栅极(基极)电压，达到控制漏极(集电极)和源极(发射极)直通的目的。

本实施方式中，采取了双闭环控制方法，即采用电压环作外环、电流环作内环，从而既增强了系统稳定性，也提高了系统的响应性能。电压环是采样高压端电压，即采样直流母线电压；电流环是采样通过电感的电流，该通过电感的电流也可称为低压端电流；本实施方式电压采集、电流采集选择在不同端，而不是现有双闭环控制中的选择在同一端。

在同一个采样周期中，同时采样电机直流母线电压和电感电流，经过A/D转换成数字信号，经过数字滤波，并减去相应的预设偏置量得到相对应的数字信号量，即最终得到的电压采样值和电流采样值均是数字信号量。高压端电压给定指令由上层命令HCU(HCU，混合动力控制器)给出，并与电压采样值比较得到电压误差信号，输出值经过PID调节器得到电流给定信号，电流给定信号与电流采样值比较得到电流误差信号，输出值经过PID调节器输出数字信号控制PWM寄存器值，从而达到控制高压端电压和控制低压端电流的目的。

如图2所示，其为双向DC-DC变换器的另一种具体实施方式。该双向DC-DC变换器的拓扑结构包括低压端Va、高压端Vb、第一滤波电容C1、电感L、第二滤波电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一反向二极管D1及第二反向二极管D2。低压端的负极、第一滤波电容的一端、第二开关管的源极、第二反向二极管的正极、第二滤波电容的一端及高压端的负极连接；低压端的正极、第一滤波电容的另一端、电感的一端连接；电感的另一端、第一开关管的源极、第二开关管的漏极、第一反向二极管的正极及第二反向二极管的负极连接；第一开关管的漏极、第一反向二极管的负极、第二滤波电容的另一端及高压端的正极连接。高压端连接电机逆变器直流母线，高压端电压即直流母线电压。低压端连接蓄电池组，低压端电压即蓄电池组电压。电阻Rc1、RL、Rc2是对应的第一滤波电容、电感、第二滤波电容的寄生电阻，在分析时，为了简化模型，可以忽略该等寄生电阻。另外，在正向升压模式时，直流母线相当于负载，Ra即相当于直流母线的内阻；在反向降压模式下，蓄电池组相当于负载，Rb相当于蓄电池组的内阻。

根据第一开关管、第二开关管及反并联二极管的导通与关断状态，可将BDC的整个开关过程分为四个等效状态，分别是：a)第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，且第一反向二极管和第二反向二极管均关闭；b)第一开关管、第二开关管均关断，第一反向二极管续流导通，第二反向二极管关断；c)第二开关管关断，第一开关管导通，第一反向二极管和第二反向二极管均关断；d)第一开关管、第二开关管均关断，第一反向二极管关断，第二反向二极管续流导通。

本实施方式中，采样高压端一侧的直流母线电压和低压端一侧的电感电流，且电流环作为内环，电压环作为外环，并构成双闭环控制系统。

本发明双向DC-DC变换器采用Buck-Boost拓扑结构，其采用互补PWM控制模式，即两个开关管同时动作并互补输出，该模式使其实现软开关控制，且不需要使用状态逻辑信号即可实现双向状态间的平稳切换，能量流动更为平滑，系统能够实现快速切换。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims

1.一种双向DC-DC变换器，其特征在于，其拓扑结构包括低压端、高压端、电感、第一开关管、第二开关管、第一反向二极管及第二反向二极管，所述低压端的负极与第一滤波电容的一端、第二开关管的源极、第二反向二极管的正极、第二滤波电容的一端、高压端的负极均连接；所述低压端的正极与电感的一端、第一滤波电容的另一端均连接；所述电感的另一端与所述第一开关管的源极、第一反向二极管的正极、第二开关管的漏极、第二反向二极管的负极均连接；所述高压端的正极与所述第一开关管的漏极、第一反向二极管的负极、第二滤波电容的另一端均连接；且采样所述高压端的电压值和采样通过所述电感的电流值。

2.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述低压端的正极和所述电感的一端之间通过并联的第一开关和第二开关连接。

3.如权利要求2所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第二开关与一电阻串联后再与所述第一开关并联。

4.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均选自IGBT管和MOSFET管中的一种。

5.一种混合动力机动车，包括直流母线和蓄电池组，其特征在于，还包括权利要求1-4中任意一项所述的双向DC-DC变换器，所述变换器的高压端连接所述直流母线，所述变换器的低压端连接所述蓄电池组。