CN108448901A - 一种太阳能电动客车供电系统的集成dc-dc变换器拓扑结构 - Google Patents

一种太阳能电动客车供电系统的集成dc-dc变换器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电动客车供电系统的集成DC‑DC变换器拓扑结构，所述的集成的DC‑DC变换器为多端口隔离型DC‑DC变换器，该多端口隔离型DC‑DC变换器的输入侧接多个光伏阵列，输出侧接入不同电压等级的辅助蓄电池和动力电池，采用隔离变压器连接该多端口隔离型DC‑DC变换器的输入与输出。多个光伏阵列采用并联升压方式接入具备最大功率点跟踪(MPPT)能力，辅助蓄电池采用不控整流桥加自动开关方式接入，动力电池采用半桥加自动开关方式接入具备能量双向控制能力。该集成DC‑DC变换器简化了电路结构，降低系统的占用体积，使得整个系统的能量管理更加灵活。

Description

一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构
技术领域
本发明属于DC-DC开关电源技术领域，涉及能量转换问题，特别是涉及一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构。
背景技术
当前客车光伏发电系统中，受限于光伏阵列的车载位置、角度和光照面积的不同，不同的光伏阵列处于不同的光照等级下，因此每个光伏阵列对应一个单独的DC-DC变换器，每个光伏阵列通过独立的MPPT算法进行控制。
由于系统结构中加入了多个DC-DC变换器，如果每一个变换器都单独设置，再考虑光伏阵列所需要的MPPT控制器，则系统需要增加的变化器数量将会太多，不适于在客车这样空间有限的应用场合，需要进行集成处理，对整个客车光伏发电系统来说，如果将多个DC-DC变换器集成在一起，能够大大减小光伏发电系统的体积，提高系统的空间使用率，降低整个光伏发电系统的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构，将多个DC-DC变换器集成在一起，能够大大减小光伏发电系统的体积，提高系统的空间使用率，降低整个光伏发电系统的成本。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构，包括具有最大功率点跟踪(MPPT)能力的集成DC-DC变换器，所述的集成的DC-DC变换器为多端口隔离型DC-DC变换器，该多端口隔离型DC-DC变换器的输入侧接多个光伏阵列，输出侧接入不同电压等级的辅助蓄电池和动力电池，采用隔离变压器连接该多端口隔离型DC-DC变换器的输入与输出，多个光伏阵列采用并联升压方式接入具备最大功率点跟踪(MPPT)能力，辅助蓄电池采用不控整流桥加自动开关方式接入，动力电池采用半桥加自动开关方式接入具备能量双向控制能力。该集成DC-DC变换器简化了电路结构，降低系统的占用体积，使得整个系统的能量管理更加灵活。
进一步地，所述的集成的DC-DC变换器包括boost电路、整流桥电路、半桥电路。DC-DC变换器还包括MPPT控制器、副边控制器和PWM脉冲宽度调制器。
进一步地，所述boost电路包括有多个光伏阵列PV1、PV2……PVn，开关管Q1、Q2……Qn，二极管D1、D2……Dn，变压器T1，电感L1、L2……Ln，电容Cm1，电容C1、C2……Cn，变压器T1；所述变压器设置有1端、2端、3端、4端、5端和6端。
进一步地，所述整流桥电路设置有自动开关S1，二极管Dm1、Dm2、Dm3、Dm4，电感Lm1，电容Cm2，辅助蓄电池。
进一步地，所述半桥电路设置有自动开关S2，开关管q1、q2，电容Cm3、Cm4，动力电池。
进一步地，所述电感L1的正极、电容C1的正极与光伏阵列PV1的正极相连，所述电感L2的正极、电容C2的正极与光伏阵列PV2的正极相连，……(以此类推)，所述电感Ln的正极、电容Cn的正极与光伏阵列PVn的正极相连，所述电容C1的负极、开关管Q1的负极与光伏阵列PV1的负极、电容Cm1的负极相连，所述电容C2的负极、开关管Q2的负极与光伏阵列PV2的负极、电容Cm1的负极相连，……(以此类推)，所述电容Cn的负极、开关管Qn的负极与光伏阵列PVn的负极、电容Cm1的负极相连，所述电感L1的负极、开关管Q1的正极与二极管D1的正极相连，所述电感L2的负极、开关管Q2的正极与二极管D2的正极相连，……(以此类推)，所述电感Ln的负极、开关管Qn的正极与二极管Dn的正极相连，所述二极管D1的负极与变压器T的1端相连，所述二极管D2的负极与变压器T的1端相连，……(以此类推)，所述二极管Dn的负极与变压器T的1端相连，所述电容Cm1的正极与变压器的2端相连，所述二极管Dm1的正极、二极管Dm3的负极与变压器的3端相连，所述二极管Dm2的正极、二极管Dm4的负极与变压器的4端相连，所述二极管Dm1的负极、二极管Dm2的负极与自动开关S1的正极相连，所述二极管Dm3的正极、二极管Dm4的正极、电容Cm2的负极与辅助蓄电池的负极相连，所述自动开关S1的负极与电感Lm1的正极相连，所述电感Lm1的负极、电容Cm2的正极与辅助蓄电池的正极相连，所述开关管q1的负极、开关管q2的正极与变压器的5端相连，所述电容Cm3的负极、电容Cm4的正极与变压器的6端相连，所述开关管q1的正极、电容Cm3的正极与自动开关S2的正极相连，所述开关管q2的负极、电容Cm4的负极与动力电池的负极相连，所述自动开关S2的负极与动力电池的正极相连。
进一步地，所述MPPT控制器接收光伏PV1、PV2……PVn的电压和电流信号U1和i1、U2和i2……Un和in，并通过PWM脉冲宽度调制器PWM1、PWM2……PWMn控制开关管Q1、Q2……Qn的占空比，所述的副边控制器接收辅助蓄电池和动力电池的信号，控制自动开关S1和S2、开关管q1和q2，所述的MPPT控制器与副边控制器构成双向控制。
本发明的有益效果是：本发明提供的客车光伏发电系统，其内部的各个光伏阵列具有独立的控制器，系统高度集成化；与传统的单个光伏阵列对应的单个DC-DC变换器结构相比，集成的DC-DC变换器不仅减少了变换器的数量，降低系统的占用面积，提高空间使用率，而且对系统的输入输出侧进行了隔离；在能量管理策略上，系统在不同的光照和空间位置条件下，可以实现客车光伏阵列、辅助蓄电池和动力电池之间的高效能量流动，最大限度地利用太阳能，节约用电成本。
附图说明
图1是本发明一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器的结构示意图；
图2是本发明一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构图；
图3是本发明一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构工作模态一的电路原理图；
图4是本发明一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构工作模态二的电路原理图；
图5是本发明一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构工作模态三的电路原理图；
图6是本发明一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构工作模态四的电路原理图；
图7是本发明一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构工作模态五的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的太阳能电动客车供电系统中的一种集成DC-DC变换器结构示意图，包括具有MPPT功能集成的DC-DC变换器，所述的集成的DC-DC变换器的输入侧接多个光伏阵列，所述的集成的DC-DC变换器的输出侧接入辅助蓄电池和动力电池，其中：所述的集成的DC-DC变换器为多端口隔离型DC-DC变换器。该系统输入侧接多个光伏阵列，输出侧接入不同电压等级的辅助蓄电池和动力电池，采用隔离变压器连接输入与输出，集成的DC-DC变换器简化了电路结构，能够降低客车光伏发电系统的成本，降低系统的占用体积，使整个系统的能量管理更加灵活。多个光伏阵列共用一个DC-DC变换器，与传统单个光伏阵列对应单个DC-DC变换器相比，这不仅能够降低系统成本和复杂程度，还能够提高经济效益。
如图2所示的太阳能电动客车供电系统中的一种集成DC-DC变换器拓扑结构图，集成的DC-DC变换器连接光伏、辅助蓄电池和动力电池，用于推动光伏、辅助蓄电池和动力电池之间的能量流动。DC-DC变换器还包括MPPT控制器、副边控制器和PWM脉冲宽度调制器。
由于车载光伏阵列的空间位置以及光照原因，光伏阵列中各光伏组件工作状况会存在不一致的现象，图3～图7是针对不同环境条件进行的，具体的：图3所示结构主要应用于工作模态1，此时光照条件短时间充足，车载光伏产生的电能只能为辅助蓄电池充电；图4所示结构主要应用于工作模态2，此时光照条件长时间充足，车载光伏产生的电能不仅为辅助蓄电池充电，还为动力电池提供能量；图5所示结构主要应用于工作模态3，此时光照长时间充足，且辅助蓄电池充电已经完成，此时车载光伏产生的电能只为动力电池充电；图6所示结构主要应用于工作模态4，此时光照不充足，车载光伏产生的电能不能完全满足辅助蓄电池的需求，辅助蓄电池不仅接受车载光伏产生的能量，还接受动力电池提供的能量；图7所示结构主要应用于工作模态5，此时无光照，光伏不再产生电能，动力电池单方面为辅助蓄电池提供能量。多个单独的光伏阵列对应一个集成隔离型DC-DC变换单元，且通过MPPT控制器和副边控制器控制变压器原边和副边电路，以实现最大限度提高光伏能源利用率。
如图3所示的太阳能电动客车供电系统中的一种集成DC-DC变换器拓扑结构工作模态一的电路原理图，当电路处于工作状态1时，光伏PV1、PV2……PVn通过MPPT控制器，实时侦测光伏的发电电压，并追踪最高电压电流值，再通过PWM脉冲宽度调制器控制开关管Q1、Q2……Qn的占空比，使系统以最大功率输出，通过电感、开关管和二极管组成的升压环节，将能量暂存入变压器中，同时副边控制器作用于自动开关S1，使自动开关S1闭合，二极管Dm1、Dm2、Dm3和Dm4组成不控整流桥，功能是通过Dm1、Dm4和Dm2、Dm3的交替导通，让暂存于变压器中的交流电转换成一种含有直流电压和交流电压的混合电压，Lm1和Cm2构成滤波器，主要功能是去掉混合电压中的交流成分,使之成为平滑的直流电压并对辅助蓄电池充电。
如图4所示的太阳能电动客车供电系统中的一种集成DC-DC变换器拓扑结构工作模态二的电路原理图，当电路处于工作状态2时，光伏PV1、PV2……PVn通过MPPT控制器使系统以最大功率输出，同时副边控制器作用于自动开关S1和S2，使自动开关S1和S2闭合，副边控制器还作用于开关管q1和q2，此时储存在变压器中的能量通过开关管q1和q2组成的半桥电路传递到动力电池中。
如图5所示的太阳能电动客车供电系统中的一种集成DC-DC变换器拓扑结构工作模态三的电路原理图，当电路处于工作状态3时，光伏PV1、PV2……PVn通过MPPT控制器使系统以最大功率输出，同时副边控制器接收到辅助蓄电池充电完成的信号，副边控制器作用于自动开关S1、S2，使S1断开、S2闭合，此时储存在变压器中的能量只通过开关管q1和q2组成的半桥电路传递到动力电池中。
如图6所示的太阳能电动客车供电系统中的一种集成DC-DC变换器拓扑结构工作模态四的电路原理图，当电路处于工作状态4时，光伏PV1、PV2……PVn通过MPPT控制器使系统以最大功率输出，通过整流桥电路将光伏产生的电能传递到辅助蓄电池中，同时副边控制器作用于自动开关S1和S2，使S1和S2闭合，动力电池中的能量通过开关管q1和q2组成的半桥电路传递到变压器中，再通过整流桥电路将能量传递到辅助蓄电池中。
如图7所示的一太阳能电动客车供电系统中的一种集成DC-DC变换器拓扑结构工作模态五的电路原理图，当电路处于工作状态5时，光伏PV1、PV2……PVn不再产生电能，副边控制器作用于自动开关S1和S2，使S1和S2闭合，副边控制器还控制开关管q1和q2，通过调节q1和q2的占空比，使动力电池中的能量通过开关管q1和q2组成的半桥电路传递到变压器中，再通过整流桥电路将能量传递到辅助蓄电池中。
本发明提供的客车光伏发电系统，其内部的各个光伏阵列具有独立的控制器，系统高度模块化，可靠性高，易于维护；与传统的单个光伏阵列对应的单个DC-DC变换器结构相比，集成的DC-DC变换器不仅减少了变换器的数量，降低系统的占用面积，提高空间使用率，而且对系统的输入输出侧进行了隔离；在能量管理策略上，系统在不同的光照和空间位置条件下，可以实现客车光伏阵列、辅助蓄电池和动力电池之间的高效能量流动，最大限度地利用太阳能，节约用电成本。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或者示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或者采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于：包括具有最大功率点跟踪MPPT能力的集成DC-DC变换器，所述的集成的DC-DC变换器为多端口隔离型DC-DC变换器，该多端口隔离型DC-DC变换器的输入侧接多个光伏阵列，输出侧接入不同电压等级的辅助蓄电池和动力电池，采用隔离变压器连接该多端口隔离型DC-DC变换器的输入与输出，多个光伏阵列采用并联升压方式接入具备最大功率点跟踪MPPT能力的集成DC-DC变换器，辅助蓄电池采用不控整流桥加自动开关方式接入，动力电池采用半桥加自动开关方式接入具备能量双向控制能力。
2.根据权利要求1所述的太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于：所述的集成的DC-DC变换器包括boost电路、不控整流桥电路、半桥电路、MPPT控制器、副边控制器和PWM脉冲宽度调制器。
3.根据权利要求2所述的太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于：所述boost电路包括有多个光伏阵列PV1、PV2……PVn，开关管Q1、Q2……Qn，二极管D1、D2……Dn，变压器T，电感L1、L2……Ln，电容Cm1，电容C1、C2……Cn，变压器T；所述变压器T设置有1端、2端、3端、4端、5端和6端。
4.根据权利要求3所述的太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于：所述不控整流桥电路设置有自动开关S1，二极管Dm1、Dm2、Dm3、Dm4，电感Lm1，电容Cm2，辅助蓄电池。
5.根据权利要求4所述的太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于：所述半桥电路设置有自动开关S2，开关管q1、q2，电容Cm3、Cm4，动力电池。
6.根据权利要求5所述的太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于：所述电感L1的正极、电容C1的正极与光伏阵列PV1的正极相连，所述电感L2的正极、电容C2的正极与光伏阵列PV2的正极相连，所述电感Ln的正极、电容Cn的正极与光伏阵列PVn的正极相连，所述电容C1的负极、开关管Q1的负极与光伏阵列PV1的负极、电容Cm1的负极相连，所述电容C2的负极、开关管Q2的负极与光伏阵列PV2的负极、电容Cm1的负极相连……所述电容Cn的负极、开关管Qn的负极与光伏阵列PVn的负极、电容Cm1的负极相连，所述电感L1的负极、开关管Q1的正极与二极管D1的正极相连，所述电感L2的负极、开关管Q2的正极与二极管D2的正极相连，所述电感Ln的负极、开关管Qn的正极与二极管Dn的正极相连，所述二极管D1的负极与变压器T的1端相连，所述二极管D2的负极与变压器T的1端相连，所述二极管Dn的负极与变压器T的1端相连，所述电容Cm1的正极与变压器的2端相连，所述二极管Dm1的正极、二极管Dm3的负极与变压器的3端相连，所述二极管Dm2的正极、二极管Dm4的负极与变压器的4端相连，所述二极管Dm1的负极、二极管Dm2的负极与自动开关S1的正极相连，所述二极管Dm3的正极、二极管Dm4的正极、电容Cm2的负极与辅助蓄电池的负极相连，所述自动开关S1的负极与电感Lm1的正极相连，所述电感Lm1的负极、电容Cm2的正极与辅助蓄电池的正极相连，所述开关管q1的负极、开关管q2的正极与变压器的5端相连，所述电容Cm3的负极、电容Cm4的正极与变压器的6端相连，所述开关管q1的正极、电容Cm3的正极与自动开关S2的正极相连，所述开关管q2的负极、电容Cm4的负极与动力电池的负极相连，所述自动开关S2的负极与动力电池的正极相连。
7.根据权利要求5或6所述的太阳能电动客车供电系统的集成DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于：所述MPPT控制器接收光伏PV1、PV2……PVn的电压和电流信号U1和i1、U2和i2……Un和in，并通过PWM脉冲宽度调制器PWM1、PWM2……PWMn控制开关管Q1、Q2……Qn的占空比，所述的副边控制器接收辅助蓄电池和动力电池的信号，控制自动开关S1和S2、开关管q1和q2，所述的MPPT控制器与副边控制器构成双向控制。
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