CN110011542B - 直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流变换器，包括：多个变换器模块，多个变换器模块并联连接；每个变换器模块包括检测单元、控制单元和多个微变换器，多个所述微变换器并联连接，且每个所述微变换器与所述控制单元连接，检测单元与所述控制单元数据连接；所述控制单元用于控制多个所述微变换器。本发明的有益效果：通过设置多个主控器，将直流变换器分为多个模块进行，多路集成控制，解决了双向直流变换器效率低，单一控制器复杂的问题，此外本发明双向直流变换器只有一级，相对于一般设置两级或者多级变换器，减少了功率变换过程的损耗，具有更高的变换传输效率。

Description

直流变换器

技术领域

本发明涉及动力电池领域，特别涉及一种直流变换器。

背景技术

目前双向变换器广泛应用于能量回馈型电芯充放电过程，其主要是通过双向交直流模块，双向直流变换器模块组成，但是一般的双向直流变换器存在没有电器隔离，且不满足大电流及大功率工作。

因此，为了实现电气隔离，现有技术中一般采用多通道实现电气隔离，同时又能满足大电流和大功率工作，但是，现有的技术方案中，多通道双向直流变换器只采用了一个主控器，通过一个主控器控制双向直流变换器中所有通道，从而造成双向直流变换器效率低，控制器复杂的弊端。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种直流变换器，旨在解决多通道双向直流变换器效率低，单一控制器复杂的问题。

本发明提出一种直流变换器，包括：多个变换器模块，多个所述变换器模块并联连接；每个所述变换器模块包括检测单元、控制单元和多个微变换器，多个所述微变换器并联连接，且每个所述微变换器与所述控制单元连接，检测单元与所述控制单元数据连接；所述控制单元用于控制多个所述微变换器。

进一步地，所述微变换器包括输入端、变压器、输出端，所述变压器包括第一线圈、第二线圈和铁芯，所述第一线圈和所述第二线圈相对缠绕在所述铁芯上，所述输入端与所述第一线圈连接，所述输出端与所述第二线圈连接，所述输入端和所述输出端受控于所述控制单元。

进一步地，所述输入端包括电容C1、电容C2、MOS管Q1和MOS管Q2，所述电容C1与所述电容C2串联，所述MOS管Q1与所述MOS管Q2串联，所述电容C1与所述电容C2串联的电路和所述MOS管Q1与所述MOS管Q2串联的电路并联；

所述第一线圈的一端连接在所述电容C1和所述电容C2之间，所述第一线圈的另一端连接在所述MOS管Q1和所述MOS管Q2之间。

进一步地，所述输出端包括MOS管Q3、MOS管Q4、电感L1和电容C3，所述电感L1与所述电容C3的一端连接，所述电容C3的另一端与所述MOS管Q3的S极连接，所述MOS管Q3的S极与所述MOS管Q4的S极连接；

所述第二线圈包括第三线圈和第四线圈，所述第三线圈和所述第四线圈在铁芯上与所述第一线圈相对缠绕，所述第三线圈与所述第四线圈在铁芯上缠绕的方向相反，所述第三线圈的一端连接所述MOS管Q3的D极，另一端连接所述电感L1，所述第四线圈的一端连接所述MOS管Q4的D极，另一端连接所述电感L1。

进一步地，所述输出端还包括继电器RL1，所述继电器RL1一端与所述电容C3连接，另一端与电芯连接，所述继电器RL1与所述控制单元连接，所述继电器RL1受控于所述控制单元。

进一步地，每个所述变换器模块还包括开关模块和电容Cbus，所述开关模块包括电阻R1和受控于所述控制单元的继电器K1、继电器K2，所述继电器K1与所述电阻R1串联后与所述继电器K2并联，所述电容Cbus与所述继电器K2的一端连接，所述继电器K2的另一端与电网连接，所述微变换器与所述电容Cbus并联连接。

进一步地，所述检测单元包括母线电压检测结构，所述母线电压检测结构包括母线前端电压检测结构和母线后端电压检测结构，所述母线前端电压检测结构与所述母线后端电压检测结构分别与所述控制单元数据连接。

进一步地，所述检测单元还包括微变换器检测结构，所述微变换器检测结构包括电流检测装置，所述电流检测装置用于检测所述电感L1中的电流，所述电流检测装置与所述控制单元数据连接，所述控制单元根据所述电流检测装置检测所述电感L1中的电流值，控制所述输出端输出的电流。

进一步地，所述微变换器检测结构还包括第一电压检测装置和第二电压检测装置，所述第一电压检测装置用于检测所述电容C3的电压，所述第二电压检测装置用于检测所述输出端输出的电压。

进一步地，所述输出端还包括吸合装置，所述吸合装置受控于所述控制单元，所述吸合装置用于在所述控制单元的控制下控制所述继电器RL1的开合。

本发明的有益效果：通过设置多个主控器，将直流变换器分为多个模块进行，多路集成控制，解决了双向直流变换器效率低，单一控制器复杂的问题，此外本发明双向直流变换器只有一级，相对于一般设置两级或者多级变换器，减少了功率变换过程的损耗，具有更高的变换传输效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的一种直流变换器的系统框图；

图2是本发明一实施例的另一种直流变换器的系统框图；

图3是本发明一实施例的一种微变换器的拓扑图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1-2，本发明提出一种直流变换器，包括：多个变换器模块，多个变换器模块并联连接；每个变换器模块包括检测单元、控制单元和多个微变换器，多个微变换器并联连接，且每个微变换器与控制单元连接，检测单元与控制单元数据连接；控制单元用于控制多个微变换器。

应当理解的是，本实施例中的多个微变换器即图1和图2中的微变换器1、微变换器2、微变换器3、微变换器4。

本实施例中，将直流变换器分为多个变换器模块，每个变换器模块中有独立的控制单元和检测单元，控制单元可以通过检测单元检测微变换器中的情况，例如检测微变换器中输出端的电流值或者电压值，控制单元再根据检测的结果对微变换器进行调节，使输出端输出的电流或者电压达到设置值，从而实现对微变换器的精准控制；且控制单元不需要控制所有的微变换器，而是只需要控制一个变换器模块中的微变换器，控制的数目可以根据控制单元的控制能力来定；此外，每个微变换器并联连接，每个通道中的电压互不干扰，实现了电气隔离，保证了人体和电芯的安全。在一些实施例中可以将一个微变换器与一个电芯连接，也可以将多个微变换器并联后与一个电芯连接，进而实现更大电流的检测。

本实施例中，微变换器包括输入端、变压器T1、输出端，变压器T1包括第一线圈、第二线圈和铁芯，所述第一线圈和所述第二线圈相对缠绕在所述铁芯上，输入端与第一线圈连接，输出端与第二线圈连接，输出端和输入端受控于控制单元。

本实施例中，由于外部电源的电压一般不符合对电芯充电的标准，故需要对外部电源的电压进行升降压处理，因此将输入端与外部电源进行连接，再连接变压器T1的第一线圈，通过变压器T1将外部电源输入至输出端中，在控制单元的控制下，使输出端输出满足对电芯供电的电压，再对电芯进行供电。在一些实施例中，也可以将电芯中的电源或者是输出端中的电流通过变压器T1输入至输入端中，输入端在输入到外部电源中，再通过交直流变换器输入至电网中。其中，外部电源一般指恒压直流母线。

参照图3，本实施例中，输入端包括电容C1、电容C2、MOS管Q1和MOS管Q2，电容C1与电容C2串联，MOS管Q1与MOS管Q2串联，电容C1与电容C2串联的电路和MOS管Q1与MOS管Q2串联的电路并联；第一线圈的一端连接在电容C1和电容C2之间，第一线圈的另一端连接在MOS管Q1和MOS管Q2之间。

本实施例中，将第一线圈的一端连接在电容C1和电容C2之间，另一端连接在MOS管Q1和MOS管Q2之间，进而可以通过控制单元控制MOS管Q1和MOS管Q2的导通与关闭，对直流母线中的电压进行斩波，将直流母线中的电压由直流转换为交流，使其可以通过变压器T1传输电流。具体地，通过调整MOS管Q1与MOS管Q2的交替导通和占空比(指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例)，即在一个脉冲循环内，MOS管Q1和MOS管Q2以很小的固定占空比交替导通，第一线圈内有电流的时间占全部时间的比例，再结合输出端对电芯进行供电，即可实现对充放电电流波在变压器T1上的顺利传输。

本实施例中，输出端包括MOS管Q3、MOS管Q4、电感L1和电容C3，电感L1与电容C3的一端连接，电容C3的另一端与MOS管Q3的S极连接，MOS管Q3的S极与MOS管Q4的S极连接；第二线圈包括第三线圈和第四线圈，第三线圈与第四线圈在铁芯上与第一线圈相对缠绕，第三线圈与第四线圈在铁芯上缠绕的方向相反，第三线圈的一端连接MOS管Q3的D极，另一端连接电感L1，第四线圈的一端连接MOS管Q4的D极，另一端连接电感L1。

本实施例中，通过控制MOS管Q3和MOS管Q4的交替导通，将输入端通过变压器T1传输过来的电流进行整流(将变压器T1传输过来的交流电变为直流电)后对电容C3进行充电，待电容C3电压与电芯两端电压一致时，再接通电芯，从而实现与电芯的交互过程，使微变换器与电芯连接。

本实施例中，输出端还包括继电器RL1，继电器RL1一端与电容C1连接，另一端与电芯连接，继电器RL1与控制单元连接，继电器RL1受控于控制单元。

本实施例中，通过继电器RL1控制微变换器输出端与电芯之间的导通，即在MOS管Q3和MOS管Q4的整流作用下对电容C3充电，电容C3两端的电压达到与电芯两端的电压时，控制单元控制RL1闭合连通输出端与电芯。

本实施例中，每个变换器模块还包括开关模块和电容Cbus，开关模块包括电阻R1和受控于控制单元的继电器K1、继电器K2，继电器K1与电阻R1串联后与继电器K2并联，电容Cbus与继电器K2的一端连接，继电器K2的另一端与电网连接，微变换器与电容Cbus连接。

本实施例中，在充电过程中，控制装置控制继电器K1闭合直流母线电压经过电阻R1限流之后给电容Cbus进行充电，待前端电压与后端电压相等时(即母线电压与电容Cbus两端的电压相等时)，再通过控制继电器K2吸合，继电器K1断开，实现保护电压Cbus的缓启动，使微变换器和电容Cbus不会遭受瞬时大电流的冲击，从而延长了电容Cbus和微变换器的使用期限和保证了用电安全。

本实施例中，检测单元包括母线电压检测结构，母线电压检测结构包括母线前端电压检测结构和母线后端电压检测结构，母线前端电压检测结构与母线后端电压检测结构分别与控制单元数据连接。

本实施例中，母线前端电压检测结构检测母线中的电压，母线后端电压检测结构检测电容Cbus中的电压，并将检测结果发送至控制单元，当检测到母线中的电压与电容Cbus中的电压相等时，控制单元根据控制继电器K2吸合，继电器K1断开，实现缓启动，保证用电安全。

本实施例中，检测单元还包括微变换器检测结构，微变换器检测结构包括电流检测装置，电流检测装置用于检测电感中L1中的电流，电流检测装置与控制单元数据连接，控制单元根据电流检测装置检测电感L1中的电流值，控制输出端输出的电流。

本实施例中，微变换器检测结构包括多个电压检测结构，具体地，微变换器检测结构还包括第一电压检测装置和第二电压检测装置，第一电压检测装置用于检测电容C3的电压，第二电压检测装置用于检测输出端输出的电压(即电芯电压)，当控制单元接收到两者的电压一致时，控制继电器RL1闭合，若为充电状态，则对电芯进行充电。进一步地，还包括电流检测结构，电流检测结构与电感L1连接并检测电感L1中的电流，根据检测结果判断电流是否满足需求，若不满足需求，则根据检测结果调整MOS管Q3和MOS管Q4的交替导通的情况，直至检测结果与设定值相同或者在误差范围内。在一实施例中，通过并联多个微变换器对单一电芯进行检测时，其通过电芯的电流值应当是多个微变换器中通过电感L1的电流值之和。

本实施例中，输出端还包括吸合装置，吸合装置受控于控制单元，吸合装置用于在控制单元的控制下控制继电器RL1的开合。具体地，吸合装置为吸合电阻，吸合电阻的一端可连接在MOS管Q4的3极上，另一端与控制单元连接，当第一电压检测装置与第二电压检测装置检测的结果不一致时，控制单元控制吸合电阻将继电器RL1弹开，直至第一电压检测装置和第二电压检测装置检测的结果一致时才控制吸合电阻将继电器RL1吸合。

本实施例中，控制单元采用型号为TMS320F28069F的控制器，可以控制至多4个上述微变换器，因此采用上述型号的控制器时，可以四个微变换器为一个变换器模块。

本实施例中，开关模块还包括保险丝F1，当电流或者热量达到一定值时，保险丝F1会熔断断开电路，保证用电安全。

本实施例中，参照图1-2，对电芯进行检测时，可以将变换器模块中任意两个或者多个微变换器并联后，再与一个电芯进行连接。例如，将微变换器1与微变换器2并联先对电芯1进行检测，待电芯1检测完毕时，再对电芯2进行检测；优选地，也可以将微变换器1中的正端与微变换器2中的正端作为电芯新的正负极端，其输出电压为两个微变换器中输出的电压，此时输出的电流范围可以得到更大程度的拓展。应当理解，可以将变换器中的微变换器进行不同的组合以满足不同的检测要求，当然，也可以满足电芯的充放电要求，但是为了便于日常的使用，一般是一个微变换器对应一个电芯，只有在检测的时候才进行不同的组合。

本实施例中，对电芯进行充电的过程为，电网通过交直流变换器将电网中的交流电转化为直流进入直流母线中，直流母线通过上述的开关模块缓启动，并对电容Cbus进行充电，当电容Cbus充电完成后，将电流输入至微变换器的输入端，如图2所示，输入的电流先对电容C1和电容C2进行充电，通过控制单元控制MOS管Q1和MOS管Q2交替导通，可以将直流母线输入的直流电源变为交流电源，其频率具体可根据MOS管Q1和Q2的交替导通的周期来确定。微变换器的输出端根据输入端传输过来的电流时，首先在电感L1中缓存电流，使后续对电芯供电时能够形成稳定持续的电流，然后控制装置控制MOS管Q3和MOS管Q4交替导通，使传递过来的交流电变为直流电并对电容C3进行充电，当检测单元检测到电容C3两端的电压与电芯两端的电压相同时，再闭合继电器RL1，对电芯进行充电，由于电容两端的电压与电芯两端的电压相同，此时也没有电流尖峰对电芯冲击，从而实现安全对电芯进行充电；此外，还可以通过检测单元检测电感L1中的电流，控制单元根据检测的电流值对MOS管Q3和MOS管Q4进行调整，另一方面通过上述过程也实现在对电芯进行充电可实现恒流模式、恒压模式以及恒功率模式，而且对于充放电电流波形可以实现阶跃形、脉冲形、斜坡形以及任意曲线形。

本实施例中，将电芯中或者输出端中的电流返回电网的过程为，控制MOS管Q1和MOS管Q2的交替导通，使电容C3的电压上升并检测其电压当与电芯的电压相等，再闭合继电器RL1。控制MOS管Q3和MOS管Q4以占空比大于等于50％相位差为180导通，使电芯对电容C3进行充电，再通过电感L1中缓存与充电时相反的电流，以及变压器T1进行升压，再控制MOS管Q1和MOS管Q2的交替导通，将输出端传递过来的交流电变为直流电，再在电容C1和电容C2的保护作用下将电流输入至直流母线中，最后通过交直流变换器返回至电网中。

本发明的有益效果：通过设置多个主控器，将直流变换器分为多个模块进行，多路集成控制，解决了双向直流变换器效率低，单一控制器复杂的问题，此外本发明双向直流变换器只有一级，相对于一般设置两级或者多级变换器，减少了功率变换过程的损耗，具有更高的变换传输效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种直流变换器，其特征在于，包括：多个变换器模块，多个所述变换器模块并联连接；

每个所述变换器模块包括检测单元、控制单元和多个微变换器，多个所述微变换器并联连接，且每个所述微变换器与所述控制单元连接，检测单元与所述控制单元数据连接；

所述控制单元用于控制多个所述微变换器；一个所述微变换器或多个所述微变换器并联后与一个电芯连接。

2.如权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，所述微变换器包括输入端、变压器、输出端，所述变压器包括第一线圈、第二线圈和铁芯，所述第一线圈和所述第二线圈相对缠绕在所述铁芯上，所述输入端与所述第一线圈连接，所述输出端与所述第二线圈连接，所述输入端和所述输出端受控于所述控制单元。

3.如权利要求2所述的直流变换器，其特征在于，所述输入端包括电容C1、电容C2、MOS管Q1和MOS管Q2，所述电容C1与所述电容C2串联，所述MOS管Q1与所述MOS管Q2串联，所述电容C1与所述电容C2串联的电路和所述MOS管Q1与所述MOS管Q2串联的电路并联；

所述第一线圈的一端连接在所述电容C1和所述电容C2之间，所述第一线圈的另一端连接在所述MOS管Q1和所述MOS管Q2之间。

4.如权利要求2所述的直流变换器，其特征在于，所述输出端包括MOS管Q3、MOS管Q4、电感L1和电容C3，所述电感L1与所述电容C3的一端连接，所述电容C3的另一端与所述MOS管Q3的S极连接，所述MOS管Q3的S极与所述MOS管Q4的S极连接；

所述第二线圈包括第三线圈和第四线圈，所述第三线圈和所述第四线圈在铁芯上与所述第一线圈相对缠绕，所述第三线圈与所述第四线圈在铁芯上缠绕的方向相反，所述第三线圈的一端连接所述MOS管Q3的D极，另一端连接所述电感L1，所述第四线圈的一端连接所述MOS管Q4的D极，另一端连接所述电感L1。

5.如权利要求4所述的直流变换器，其特征在于，所述输出端还包括继电器RL1，所述继电器RL1一端与所述电容C3连接，另一端与电芯连接，所述继电器RL1与所述控制单元连接，所述继电器RL1受控于所述控制单元。

6.如权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，每个所述变换器模块还包括开关模块和电容Cbus，所述开关模块包括电阻R1和受控于所述控制单元的继电器K1、继电器K2，所述继电器K1与所述电阻R1串联后与所述继电器K2并联，所述电容Cbus与所述继电器K2的一端连接，所述继电器K2的另一端与电网连接，所述微变换器与所述电容Cbus并联连接。

7.如权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，所述检测单元包括母线电压检测结构，所述母线电压检测结构包括母线前端电压检测结构和母线后端电压检测结构，所述母线前端电压检测结构与所述母线后端电压检测结构分别与所述控制单元数据连接。

8.如权利要求4所述的直流变换器，其特征在于，所述检测单元还包括微变换器检测结构，所述微变换器检测结构包括电流检测装置，所述电流检测装置用于检测所述电感L1中的电流，所述电流检测装置与所述控制单元数据连接，所述控制单元根据所述电流检测装置检测所述电感L1中的电流值，控制所述输出端输出的电流。

9.如权利要求8所述的直流变换器，其特征在于，所述微变换器检测结构还包括第一电压检测装置和第二电压检测装置，所述第一电压检测装置用于检测所述电容C3的电压，所述第二电压检测装置用于检测所述输出端输出的电压。

10.如权利要求5所述的直流变换器，其特征在于，所述输出端还包括吸合装置，所述吸合装置受控于所述控制单元，所述吸合装置用于在所述控制单元的控制下控制所述继电器RL1的开合。

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