CN110466365A - 一种基于三端口dc/dc变换器的增程式电动汽车功率分配装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置，涉及直流变换器，属于新能源汽车动力系统设计与应用领域。解决了现有增程器的输出端与负载端附加变换器需要多个电子变换装置，造成系统的稳定性差、成本高且功率密度低的问题。本发明发动机带动发电机发电，发电机的电源信号输出端连接整流装置的电流信号输入端，整流装置的整流后信号输出端连接三端口DC/DC变换器的一个电源信号输入端；三端口DC/DC变换器的另一个电源信号输入端连接储能电池的电源信号输出端，三端口DC/DC变换器的信号输出端连接逆变器的信号输入端，逆变器的信号输出端牵引电机的电源信号输入端，所述牵引电机带动主减速器运动。本发明适用于增程式电动汽车使用。

Description

一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配 装置
技术领域
本发明涉及直流变换器，属于新能源汽车动力系统设计与应用领域。
背景技术
增程式电动汽车是在现阶段最具有发展前景的车型。相比插电式混合动力汽车，它具有结构相对简单，对石油依赖程度较低，排放较低等优点；相比纯电动汽车又减少了车载电池容量，降低了整车成本，并使车辆不受续驶里程的限制。因此，在当前新能源汽车构型中，增程式电动汽车是一条重要的发展路线。
现有采用在增程器的输出端与负载端附加DC/DC(直流/直流)变换器，再附加储能电池动力单元就需要多个电力电子变换装置的方式，实现增程器与蓄电池之间的功率匹配和分配，但是，该种方式，不仅造成了系统的稳定性差的问题，同时，成本较高，且功率密度低。
发明内容
本发明是为了解决现有增程器的输出端与负载端附加变换器需要多个电子变换装置，造成系统的稳定性差、成本高且功率密度低的问题。提出了一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置。
本发明所述的一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置，该装置包括发动机1、发电机2、整流装置3、储能电池Ub、三端口DC/DC变换器5、逆变器6、牵引电机7和主减速器8；
发动机1带动发电机2发电，发电机2的电源信号输出端连接整流装置3的电流信号输入端，所述整流装置3的整流后信号输出端连接三端口DC/DC变换器的一个电源信号输入端；三端口DC/DC变换器5的另一个电源信号输入端连接储能电池的电源信号输出端，三端口DC/DC变换器5的信号输出端连接逆变器6的信号输入端，逆变器6的信号输出端牵引电机7的电源信号输入端，所述牵引电机7带动主减速器8运动，所述主减速器8用于驱动车轮运动。
进一步地，三端口DC/DC变换器5包括输入电容Cin、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感L1和输出电容Co；
输入电容Cin的一端连接整流装置3的直流信号输出端Uin的正极，输入电容Cin的另一端连接整流装置3的直流信号输出端Uin的负极；
整流装置3的直流信号输出端Uin的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接整流装置3的直流信号输出端Uin的负极；
开关管Q2的源极连接二极管D1的负极，开关管Q2的漏极连接二极管D2的负极，二极管D2的正极连接储能电池Ub的正极，储能电池Ub的负极连接二极管D1的正极；
电感L1的一端连接开关管Q2的源极，电感L1的另一端连接开关管Q3漏极，开关管Q3源极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接储能电池Ub的正极；
输出电容Co的一端连接开关管Q3漏极，输出电容Co的另一端连接储能电池Ub的负极，输出电容Co的两端为三端口DC/DC变换器5的信号输出端Uo。
进一步地，还包括控制电路，所述控制电路包括保护电路9、DSP系统10、电压传感器11和电流传感器12；
电压传感器11用于实时检测整流装置3的直流信号输出端Uin的电压和三端口DC/DC变换器的输出电压；并将检测的电压信号发送至DSP系统10；
电流传感器12用于实时检测整流装置3的直流信号输出端Uin的电流，并将采集的电流信号发送至DSP系统10；
DSP系统10用于接收电压传感器11输出的电压信号和电流传感器12输出的电流信号，计算三端口DC/DC变换器的实际输出功率，同时接收目标电压和电流信号，计算目标输出功率，将三端口DC/DC变换器的实际输出功率和目标输出功率进行对比，根据功率对比结果，生成三路PWM波，并将三路PWM波作为驱动信号发送至保护电路9；
保护电路9用于接收DSP系统10发送的开关管驱动信号，对DSP系统10与三端口DC/DC变换器进行电气隔离；将开关管驱动信号发送至开关管Q1的栅极、开关管Q2的栅极和开关管Q3的栅极，对开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3进行驱动。
本发明提出了在传统的增程器输出端引入了非隔离三端口DC/DC变换器同时与电池和负载相连，具有结构紧凑、体积和成本小、方便对动力系统集中控制等优势。同时，本发明中的非隔离三端口DC/DC变换器以Buck斩波电路为基础引入两个开关管、两个二极管组成的回路连接储能电池端口实现控制增程器和储能电池同时向负载提供能量，或者增程器同时向储能电池和负载提供能量，本发明所述的三端口DC/DC变换器有快速响应负载突变的能力。有效的提高了系统的稳定性，且仅采用一个三端口DC/DC变换器即可实现能量的分配，有效的降低电动汽车能量管理的成本，且有效的提高了功率密度。
附图说明
图1是本发明所述增程式电动汽车动力系统的整体结构图；
图2是本发明所述增程式电动汽车用三端口DC/DC变换器的拓扑结构图；
图3是增程式电动汽车用三端口DC/DC变换器双输入单输出模式的等效电路图；
图4是增程式电动汽车用三端口DC/DC变换器双输入单输出模式下开关管Q1在ton时段内电路工作模态，图中带有箭头方向为能量流动方向；
图5是增程式电动汽车用三端口DC/DC变换器双输入单输出模式下开关管Q1在toff时段内电路工作模态，图中带有箭头方向为能量流动方向；
图6是一种增程式电动汽车用三端口DC/DC变换器单输入双输出模式的等效电路图；由于开关管Q3在该模式下一直开通状态，相当于导线，在电路中省略；
图7是增程式电动汽车用三端口DC/DC变换器单输入双输出模式下开关管Q1在ton时段内电路工作模态，图中带有箭头方向为能量流动方向；
图8是增程式电动汽车用三端口DC/DC变换器单输入双输出模式下开关管Q1在toff时段内电路工作模态，图中带有箭头方向为能量流动方向；
图9是三端口DC/DC变换器电路和控制电路结构框图。
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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1、图2和图9说明本实施方式，本实施方式所述了一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置，该装置包括发动机1、发电机2、整流装置3、储能电池Ub、三端口DC/DC变换器5、逆变器6、牵引电机7和主减速器8；
发动机1带动发电机2发电，发电机2的电源信号输出端连接整流装置3的电流信号输入端，所述整流装置3的整流后信号输出端连接三端口DC/DC变换器的一个电源信号输入端；三端口DC/DC变换器的另一个电源信号输入端连接储能电池的电源信号输出端，三端口DC/DC变换器的信号输出端连接逆变器6的信号输入端，逆变器6的信号输出端牵引电机7的电源信号输入端，所述牵引电机7带动主减速器8运动，所述主减速器8用于驱动车轮运动。
进一步地，本实施方式中，三端口DC/DC变换器5包括输入电容Cin、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感L1和输出电容Co；
输入电容Cin的一端连接整流装置3的直流信号输出端Uin的正极，输入电容Cin的另一端连接整流装置3的直流信号输出端Uin的负极；
整流装置3的直流信号输出端Uin的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接整流装置3的直流信号输出端Uin的负极；
开关管Q2的源极连接二极管D1的负极，开关管Q2的漏极连接二极管D2的负极，二极管D2的正极连接储能电池Ub的正极，储能电池Ub的负极连接二极管D1的正极；
电感L1的一端连接开关管Q2的源极，电感L1的另一端连接开关管Q3漏极，开关管Q3源极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接储能电池Ub的正极；
输出电容Co的一端连接开关管Q3漏极，输出电容Co的另一端连接储能电池Ub的负极，输出电容Co的两端为三端口DC/DC变换器5的信号输出端Uo，该信号输出端Uo为负载端。
进一步地，本实施方式中，还包括控制电路，所述控制电路用于控制开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3的开启或关闭。还包括控制电路，所述控制电路包括保护电路9、DSP系统10、电压传感器11和电流传感器12；
电压传感器11用于实时检测整流装置3的直流信号输出端Uin的电压和三端口DC/DC变换器的输出电压；并将检测的电压信号发送至DSP系统10；
电流传感器12用于实时检测整流装置3的直流信号输出端Uin的电流，并将采集的电流信号发送至DSP系统10；
DSP系统10用于接收电压传感器11输出的电压信号和电流传感器12输出的电流信号，计算三端口DC/DC变换器的实际输出功率，同时接收目标电压和电流信号，计算目标输出功率，将三端口DC/DC变换器的实际输出功率和目标输出功率进行对比，根据功率对比结果，生成三路PWM波，并将三路PWM波作为驱动信号发送至保护电路9；
保护电路9用于接收DSP系统10发送的开关管驱动信号，对DSP系统10与三端口DC/DC变换器进行电气隔离；将开关管驱动信号发送至开关管Q1的栅极、开关管Q2的栅极和开关管Q3的栅极，对开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3进行驱动。
本实时方式中，电压传感器采集DC/DC变换器主电路的输出电压信号和增程器端口Uin的输出电压信号；并将采集的DC/DC变换器主电路的输出电压信号和增程器端口电压Uin的输出电压信号同时输出至接DSP系统；电流传感器采集电感L1的电流信号，并将采集的电感L1的电流信号输出至DSP系统；DSP系统根据接收传感器采集的电压和电流信号，计算出实际输出功率，根据实际输出功率对开关管的驱动信号进行调整。
DSP系统的目标电压信号输入端输入目标电压；DSP系统的开关管驱动信号输出端连接保护电路的开关管驱动信号输入端，保护电路的开关管驱动信号输出端为DC/DC变换器控制电路的开关管驱动信号输出端。
所述输出功率采用公式P＝UI计算，从整车控制器得到整车需求功率，当负载所需功率大于增程器端口输出功率时，为双输入单输出模式，DSP控制输出的PWM2(开关管Q2的驱动信号)占空比为0，PWM3(开关管Q3驱动信号)的占空比为1，根据需求的输出电压调节PWM1(开关管Q1驱动信号)占空比的大小；
当负载所需功率小于增程器端口输出功率时，单输入双输出模式，DSP控制输出的PWM2(开关管Q2的驱动信号)占空比为1，PWM3(开关管Q3驱动信号)的占空比为0，根据需求的输出电压调节PWM1(开关管Q1驱动信号)占空比的大小。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置的进一步说明，本实施方式中，三端口DC/DC变换器包括单输入双输出模式和双输入单输出模式；
进一步地，结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式中，双输入单输出模式时的等效电路包括输入电容Cin、开关管Q1、二极管D1、二极管D2、电感L1和输出电容Co；
输入电容Cin的一端连接整流装置3的直流信号输出端Uin的正极，输入电容Cin的另一端连接整流装置3的直流信号输出端Uin的负极；
整流装置3的直流信号输出端Uin的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接整流装置3的直流信号输出端Uin的负极；
二极管D2的负极连接二极管D1的负极，二极管D2的正极连接储能电池Ub的正极，储能电池Ub的负极连接二极管D1的正极；
电感L1的一端连接开关管Q2的源极，电感L1的另一端连接输出电容Co的一端，输出电容Co的另一端连接储能电池Ub的负极，输出电容Co的两端为三端口DC/DC变换器5的信号输出端Uo。
本实施方式中，采用双输入单输出模式为当负载所需功率大于增程器端口输出功率时，储能电池4与增程器一起向负载端(三端口DC/DC变换器5的信号输出端Uo)提供能量，此模式下开关管Q2始终保持开通状态，开关管Q2相当导线，开关管Q3始终保持关断状态。该模式下变换器等效电路图如附图3所示；
双输入单输出模式下，在一个PWM周期内，开关管Q1受PWM控制信号驱动。在ton时段内，开关管Q1导通，此时整流装置3的信号输出端Uin通过开关管Q1对电感L1进行充电，并且向负载端提供能量；储能电池通过开关管Q2、二极管D2对电感L1充电，并对负载端提供能量，电路工作模态图4所示；
在toff时段内，开关管Q1关断，储能电池和储能电感L1串联向负载供电，此阶段电路工作模态如图5所示。
进一步地，结合图6至图8说明本实施方式，单输入双输出模式时的等效电路包括输入电容Cin、开关管Q1、二极管D1、二极管D3、电感L1和输出电容Co；
输入电容Cin的一端连接整流装置3的直流信号输出端Uin的正极，输入电容Cin的另一端连接整流装置3的直流信号输出端Uin的负极；
整流装置3的直流信号输出端Uin的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接整流装置3的直流信号输出端Uin的负极；电感L1的一端连接开关管Q1的源极，电感L1的另一端连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接储能电池Ub的正极；储能电池Ub的负极连接二极管D1的正极；输出电容Co的一端连接极管D3的正极，输出电容Co的另一端连接储能电池Ub的负极，输出电容Co的两端为三端口DC/DC变换器5的信号输出端Uo。
单输入双输出模式是当负载所需功率小于增程器端口输出功率时，增程器端口同时向储能电池和负载提供能量，此模式下开关管Q2始终保持关断状态，开关管Q3始终保持开通状态，开关管Q3相当导线，该模式下变换器等效电路图如图6所示；
单输入双输出模式下，在一个PWM周期内，开关管Q1由PWM驱动信号控制，在PWM驱动信号ton时段内，开关管Q1导通，增程器通过开关管Q1对电感L1和储能电池进行充电，并且对负载提供能量，此时电路工作模态如图7所示；
在PWM驱动信号toff时段内，开关管Q1关断，储能电感向负载和储能电池Ub供电，此阶段电路工作模态如图8所示。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置，其特征在于，该装置包括发动机(1)、发电机(2)、整流装置(3)、储能电池(Ub)、三端口DC/DC变换器(5)、逆变器(6)、牵引电机(7)和主减速器(8)；
发动机(1)带动发电机(2)发电，发电机(2)的电流信号输出端连接整流装置(3)的电流信号输入端，所述整流装置(3)的直流信号输出端连接三端口DC/DC变换器的一个电源信号输入端；三端口DC/DC变换器的另一个电源信号输入端连接储能电池(Ub)的电源信号输出端，三端口DC/DC变换器的信号输出端连接逆变器(6)的信号输入端，逆变器(6)的信号输出端连接牵引电机(7)的电源信号输入端，所述牵引电机(7)带动主减速器(8)运动，所述主减速器(8)用于驱动车轮运动。
2.根据权利要求1所述一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置，其特征在于，三端口DC/DC变换器(5)包括输入电容Cin、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感L1和输出电容Co；
输入电容Cin的一端连接整流装置(3)的直流信号输出端Uin的正极，输入电容Cin的另一端连接整流装置(3)的直流信号输出端Uin的负极；
整流装置(3)的直流信号输出端Uin的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接整流装置(3)的直流信号输出端Uin的负极；
开关管Q2的源极连接二极管D1的负极，开关管Q2的漏极连接二极管D2的负极，二极管D2的正极连接储能电池(Ub)的正极，储能电池(Ub)的负极连接二极管D1的正极；
电感L1的一端连接开关管Q2的源极，电感L1的另一端连接开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接储能电池(Ub)的正极；
输出电容Co的一端连接开关管Q3漏极，输出电容Co的另一端连接储能电池(Ub)的负极，输出电容Co的两端为三端口DC/DC变换器(5)的信号输出端。
3.根据权利要求2所述一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路用于控制开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3的开启或关闭。
4.根据权利要求3所述一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置，其特征在于，所述控制电路包括保护电路(9)、DSP系统(10)、电压传感器(11)和电流传感器(12)；
电压传感器(11)用于实时检测整流装置(3)的直流信号输出端Uin的电压和三端口DC/DC变换器的输出电压；并将检测的电压信号发送至DSP系统(10)；
电流传感器(12)用于实时检测整流装置(3)的直流信号输出端Uin的电流，并将采集的电流信号发送至DSP系统(10)；
DSP系统(10)用于接收电压传感器(11)输出的电压信号和电流传感器(12)输出的电流信号，计算三端口DC/DC变换器的实际输出功率，同时接收目标电压和电流信号，计算目标输出功率，将三端口DC/DC变换器的实际输出功率和目标输出功率进行对比，根据功率对比结果，生成三路PWM波，并将三路PWM波作为驱动信号发送至保护电路(9)；
保护电路(9)用于接收DSP系统(10)发送的开关管驱动信号，对DSP系统(10)与三端口DC/DC变换器进行电气隔离；将开关管驱动信号发送至开关管Q1的栅极、开关管Q2的栅极和开关管Q3的栅极，对开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3进行驱动。
5.根据权利要求2或3所述一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置，其特征在于，三端口DC/DC变换器(5)分为单输入双输出模式、单输入单输出模式和双输入单输出模式。
6.根据权利要求5所述一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置，其特征在于，双输入单输出模式时的等效电路包括输入电容Cin、开关管Q1、二极管D1、二极管D2、电感L1和输出电容Co；
输入电容Cin的一端连接整流装置(3)的直流信号输出端Uin的正极，输入电容Cin的另一端连接整流装置(3)的直流信号输出端Uin的负极；
整流装置(3)的直流信号输出端Uin的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接整流装置(3)的直流信号输出端Uin的负极；
二极管D2的负极连接二极管D1的负极，二极管D2的正极连接储能电池(Ub)的正极，储能电池(Ub)的负极连接二极管D1的正极；
电感L1的一端连接开关管Q2的源极，电感L1的另一端连接输出电容Co的一端，输出电容Co的另一端连接储能电池(Ub)的负极，输出电容Co的两端为三端口DC/DC变换器(5)的信号输出端。
7.根据权利要求5所述一种基于三端口DC/DC变换器的增程式电动汽车功率分配装置，其特征在于，单输入双输出模式时的等效电路包括输入电容Cin、开关管Q1、二极管D1、二极管D3、电感L1和输出电容Co；
输入电容Cin的一端连接整流装置(3)的直流信号输出端Uin的正极，输入电容Cin的另一端连接整流装置(3)的直流信号输出端Uin的负极；
整流装置(3)的直流信号输出端Uin的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接整流装置(3)的直流信号输出端Uin的负极；电感L1的一端连接开关管Q1的源极，电感L1的另一端连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接储能电池(Ub)的正极；储能电池(Ub)的负极连接二极管D1的正极；输出电容Co的一端连接极管D3的正极，输出电容Co的另一端连接储能电池(Ub)的负极，输出电容Co的两端为三端口DC/DC变换器(5)的信号输出端。
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