CN113346747B - 一种对称升降压电路的多电源集成供电系统及供电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对称升降压电路的多电源集成供电系统及供电方法，系统包括多电源直接集成模块、第一第二对称升降压电路；在多电源直接集成模块第一第二两侧，分别为第一对称升降压电路和第二对称升降压电路。第一对称升降压电路由电感L1、MOS管M1、续流二极管D1组成；第二对称升降压电路由电感L2、MOS管M2、续流二极管D2组成；通过控制第一第二对称升降压电路的两个开关管，可以实现不同电源直接串联工作、多样化并联工作，满足多电源系统的多样化供电需求。

Description

一种对称升降压电路的多电源集成供电系统及供电方法
技术领域
本发明属于多电源供电技术领域，涉及一种对称升降压电路的多电源集成供电系统及供电方法。
背景技术
近年来，可再生、可循环充电的电源技术取得了突破性进展，并得到了广泛应用。比较具有代表性的包括燃料电池、锂电池和超级电容等电源。这些电源分别服务于不同的供电应用需求：包括储能介质快速补充，高能量密度或高功率密度需求等。这些电源各有优缺点，例如：燃料电池具有非常高的能量密度，其储能介质(氢气)可以快速补充，但其工作电压随输出电流增大而减少，导致功率输出特性偏软；锂电池具有较高的能量密度和功率密度，但充电时间较长，电池电量较低时，不能很快补充能量将导致整个电源系统缺电；超级电容具有非常高的功率密度，可以解决锂电池长时间充电问题，但能量密度不足，不适合长时间供电应用场景。
为了保证电源系统的长时间、稳定工作，并达到快速更换储能介质目的，最简单的办法就是将多种电源集成供电。多电源供电的难点是根据不同电源的工作特性设计他们的集成拓扑结构，从而最大程度发挥他们共同工作的优势。在过去的应用中，不同电源通常通过直流变换器或中间转化装置并联或串联工作。由于不同类型电源工作特性不同，往往不能直接串联或并联工作，否则会导致不能有效发挥各类电源的优势、降低整个系统全局工作效率、甚至毁坏整个电源系统。
但是，在一些竞赛、军事应用或者是应急供电场合特殊应用场合，工程师将不计较电源系统的全局工作效率和电源使用寿命来提升电源系统的局部工作性能，而是着眼于电源系统的局部性能提升。例如，搭载有多电源的水下/空中无人机在电源工作性能衰减严重，电源电压下降显著时，为驱动无人机继续执行侦察工作或军事打击任务，可采用电源直接串联、电源多样化并联供电方案。电源直接串联、电源多样化并联供电方案与多电源系统集成拓扑结构密切相关，已有的拓扑结构和方案不能在电源直接连接输出的基础上，实现电源多样化并联供电。
发明内容
为解决现有技术中多电源集成供电的问题，本发明的目的是提供一种对称升降压电路的多电源集成供电系统及供电方法。该系统可以通过两个对称型升降压电路实现电源的直接串联、电源多样化并联供电方案，满足不同工作条件下多电源集成供电系统的多样化供电需求。
为实现上述功能，本发明提供的技术方案是：
一种对称升降压电路的多电源集成供电系统，包括多电源直接集成模块和两个对称型升降压电路；
所述多电源直接集成模块包括燃料电池发电系统、单向功率二极管、超级电容和电池组，燃料电池发电系统通过单向功率二极管直接并联在电池组两端，电池组正极和超级电容的负极直接相连，超级电容的正极和电池组的负极分别为直流输出端的正极和负极，用于连接直流电机或电机逆变器的直流端；
两个对称型升降压电路分别设置在所述多电源直接集成模块的两侧；其中：第一对称升降压电路包括电感L1、MOS开关管M1、续流二极管D1，MOS开关管M1与续流二极管D1串联后并联在所述直流输出端两端；第二对称升降压电路包括电感L2、MOS开关管M2、续流二极管D2，MOS开关管M2与续流二极管D2串联后并联在所述直流输出端两端；MOS开关管M1和MOS开关管M2斜对角对称设置，二极管D1和二极管D2斜对角对称设置。
作为本发明的进一步改进，所述电感L1的一端连接电池组的正极和超级电容的负极，另一端连接二极管D1的输入端和MOS开关管M1的漏极，二极管D1的输出端连接超级电容的正极，为电感L1续流，M1的源极连接电池组的负极。
作为本发明的进一步改进，所述电感L2的一端连接电池组的正极和超级电容的负极，另一端连接MOS开关管M2的源极和二极管D2的输出端，M2的漏极连接超级电容的正极，二极管D2的输入端连接电池组的负极，为电感L2续流。
一种对称升降压电路的多电源集成供电系统的供电方法，包括：
当直流侧需求大于零时，选择升压输出方案；
当直流侧功率需求小于零且直流侧端电压大于超级电容电压和电池组电压之和时，选择直流侧降压馈能方案；
当电池组和超级电容电压均低于逻辑门限值时，强制选择直接串联工作方案。
作为本发明的进一步改进，所述升压输出方案为：
在第一对称升降压电路升压工作时，MOS开关管M1导通和关断使电感L1储能和释放能量，通过二极管D1续流，电池组升压向直流输出端供电；
在第二对称升降压电路升压工作时，MOS开关管M2导通和关断使电感L2储能和释放能量，通过二极管D2续流，超级电容升压向直流输出端供电。
作为本发明的进一步改进，所述直流侧降压馈能方案为：
在第一对称升降压电路降压工作时，MOS开关管M1导通和关闭使电感L1储能和释放能量，通过二极管D1续流，直流侧降压向超级电容馈能；
在第二对称升降压电路降压工作时，MOS开关管M2导通和关闭使电感L2储能和释放能量，通过二极管D2续流，直流侧降压向电池组馈能。
作为本发明的进一步改进，所述串联工作方案为：
当两个对称型升降压电路均不工作时，电池组和超级电容将直接串联输出或吸收回馈电量。
作为本发明的进一步改进，逻辑门限值是指：电池组SOC低于0.2，超级电容SOC低于0.25。
相对于现有技术，本发明所产生的有益效果是：
本发明采用两个对称型升降压电路，在直接串联工作方案下，燃料电池/电池组和超级电容直接串联输出，可以实现超级电容内部最大电量释放。就升压结构而言，该结构除了继承的传统升压型多电源集成系统的升压优势外，串联输出也可以提升整个系统的输出电压。就降压结构而言，两个对称型升降压电路利用原升压结构的MOS开关管实现了不同的降压馈能方案，增加了电能回馈的灵活性，节约了电气元件，有利于电源系统的轻量化。该系统可以通过两个对称型升降压电路实现电源的直接串联、电源多样化并联供电方案，满足不同工作条件下多电源集成供电系统的多样化供电需求。
附图说明
图1是本发明实施例对称升降压电路的多电源集成供电系统总体结构图；
图2是本发明实施例第一对称升降压电路升压工作时的开关状态和功率流路径图；
图3是本发明实施例第二对称升降压电路升压工作时的开关状态和功率流路径图；
图4是本发明实施例第一对称升降压电路降压工作时的开关状态和功率流路径图；
图5是本发明实施例第二对称升降压电路降压工作时的开关状态和功率流路径图；
图6是本发明实施例直接串联工作方案时的开关状态和功率流路径图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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除、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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和 /或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合具体实施例对上述方案进行进一步说明，实施例用于说明本发明而不限制本发明的范围，部分电气元件可以根据不同应用场景采用同类元件替换、互换位置或重新命名，部分参数特别是门限值可以做小范围调整。例如：Mosfet 开关可替换为IGBT开关或其他自动控制开关；两个对称升降压电路可以互换位置，或重新命名为前对称升降压电路与后对称升降压电路，电池组SOC最低逻辑门限值SOC＝0.2可以调整为SOC＝0.1。
实施例
本实施例描述了一种对称升降压电路的多电源集成供电系统及供电方案。图 1为多电源集成供电系统具体结构。
如图1所示，供电系统由多电源直接集成模块和两个对称型升降压电路组成；
其中，所述的多电源直接集成模块中，不同电源之间没有电能变换单元，燃料电池发电系统通过单向功率二极管直接并联在电池组两端，电池组正极和超级电容的负极直接相连，超级电容的正极和电池组的负极分别为直流输出端的正极和负极，直流输出端可以连接直流电机或电机逆变器的直流端；
所述的两个对称型升降压电路位于多电源直接集成模块的左右两侧(以图1 所示的方向为例)，这两个对称型升降压电路各自仅需要一个MOS开关管就能实现对应电源的升压输出或直流侧降压馈能方案；两个对称型升降压电路根据位置分别命名为第一对称升降压电路(对应附图的左对称升降压电路)和第二对称升降压电路(对应附图的右对称升降压电路)，第一对称升降压电路由电感L1、 MOS开关管M1、续流二极管D1组成；MOS开关管M1与续流二极管D1串联后并联在所述直流输出端两端；第二对称升降压电路由电感L2、MOS开关管M2、续流二极管D2组成；MOS开关管M2与续流二极管D2串联后并联在所述直流输出端两端；在两个对称型升降压电路中，MOS开关管M1和MOS开关管M2是斜对角对称，二极管D1和二极管D2也是斜对角对称；
所述的第一对称升降压电路中，电感L1的一端连接电池组的正极和超级电容的负极，另一端连接二极管D1的输入端和MOS开关管M1的漏极，二极管D1的输出端连接超级电容的正极，为电感L1续流，M1的源极连接电池组的负极；
所述的第二对称升降压电路中，电感L2的一端连接电池组的正极和超级电容的负极，另一端连接MOS开关管M2的源极和二极管D2的输出端，二极管D2的输入端连接电池组的负极，为电感L2续流，M2的漏极连接超级电容的正极；
优选地，在电池组和超级电容直接串联的基础上，根据不同应用需求，所述第一对称升降压电路和第二对称升降压电路在位置上可以互换位置，电池组和超级电容在位置上也可以互换位置，实现相类似的对称电路升降压供电和馈能方案。
本发明基于所述对称升降压电路的多电源集成供电系统的供电方法，包括：
升压输出方案、直流侧降压馈能方案和直接串联工作方案；
当直流侧(负载)需求大于零时，选择升压输出方案；
当直流侧(负载)功率需求小于零且直流侧端电压大于超级电容电压和电池组电压之和时，选择直流侧降压馈能方案；
当电池组和超级电容电压均低于逻辑门限值时(电池组SOC低于0.2，超级电容SOC低于0.25)，强制选择直接串联工作方案。
参考图2和图3，所述升压输出方案具体如下：
在升压输出方案中，两个升降压变换器不能同时工作，优先选择第一对称升降压电路工作，当电池组SOC低于逻辑门限值(SOC＝0.2)时，选择第二对称升降压电路工作。
当第一对称升降压电路升压工作时，MOS开关管M1导通和关断可以使电感 L1储能和释放能量，通过二极管D1续流，实现电池组升压向直流输出端供电方案。在M1关断后：当电感L1上电压大于超级电容电压时，为超级电容充电；当电感L1上电压低于超级电容电压时，系统中电池组和超级电容直接串联供电；为保证电路安全，必须设定在升压时电感L1上电压小于超级电容的最大工作电压。相应的开关动作和功率流路径如图2。
当第二对称升降压电路升压工作时，MOS开关管M2导通和关断可以使电感 L2储能和释放能量，通过二极管D2续流，实现超级电容升压向直流输出端供电方案。在M2关断后：当电感L2上电压大于电池组电压时，将为电池组充电；当电感L2上电压低于电池组电压时，系统中电池组和超级电容直接串联供电；为保证电路安全，必须设定在升压时电感L2上电压小于电池组的最大工作电压。相应的开关动作和功率流路径如图3。
参考图4和图5，所述直流侧降压馈能方案具体如下：
当直流侧端电压高于超级电容电压和锂电池电压之和时才可以实施直流侧降压馈能方案，并且两个升降压变换器不能同时工作，优先选择第一对称升降压电路工作，使超级电容尽可能多地吸收回馈电量，当超级电容SOC高于逻辑门限值(SOC＝0.9)时，选择第二侧升降压电路工作，使电池组尽可能多地吸收回馈电量。
当第一对称升降压电路降压工作时，MOS开关管M1导通和关闭使电感L1储能和释放能量，通过二极管D1续流，实现直流侧降压向超级电容回馈电量方案；当电感L1上电压大于超级电容电压时，将为超级电容充电；当电感L1上电压低于超级电容电压时，系统中电池组和超级电容直接串联吸收回馈电量；相应的开关动作和功率流路径如图4。
当第二对称升降压电路降压工作时，MOS开关管M2导通和关闭使电感L2储能和释放能量，通过二极管D2续流，实现直流侧降压向电池组回馈电量方案。当电感L2上电压大于电池组电压时，将为电池组充电；当电感L2上电压低于电池组电压时，系统中电池组和超级电容直接串联吸收回馈电量；相应的开关动作和功率流路径如图5。
参考图6，在直接串联工作方案中，两个对称升降压电路均不工作。
当系统电池组SOC低于0.2，超级电容SOC低于0.25，必须强制系统采用直接串联工作方案工作，此时两个对称型升降压电路均不工作，电池组和超级电容将直接串联输出或吸收回馈电量。相应的开关动作和功率流路径如图6。
以上实施例只为体现本发明的技术构思和特点，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则内做等同替换或修饰，均涵盖在本发明保护范围内。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (6)

1.一种对称升降压电路的多电源集成供电系统，其特征在于，包括多电源直接集成模块和两个对称型升降压电路；
所述多电源直接集成模块包括燃料电池发电系统、单向功率二极管、超级电容和电池组，燃料电池发电系统通过单向功率二极管直接并联在电池组两端，电池组正极和超级电容的负极直接相连，超级电容的正极和电池组的负极分别为直流输出端的正极和负极，用于连接直流电机或电机逆变器的直流端；
两个对称型升降压电路分别设置在所述多电源直接集成模块的两侧；其中：第一对称升降压电路包括电感L1、MOS开关管M1、续流二极管D1，所述电感L1的一端连接电池组的正极和超级电容的负极，另一端连接二极管D1的输入端和MOS开关管M1的漏极，二极管D1的输出端连接超级电容的正极，为电感L1续流，M1的源极连接电池组的负极，MOS开关管M1与续流二极管D1串联后并联在所述直流输出端两端；第二对称升降压电路包括电感L2、MOS开关管M2、续流二极管D2，所述电感L2的一端连接电池组的正极和超级电容的负极，另一端连接MOS开关管M2的源极和二极管D2的输出端，M2的漏极连接超级电容的正极，二极管D2的输入端连接电池组的负极，为电感L2续流，MOS开关管M2与续流二极管D2串联后并联在所述直流输出端两端；MOS开关管M1和MOS开关管M2斜对角对称设置，二极管D1和二极管D2斜对角对称设置。
2.权利要求1所述的一种对称升降压电路的多电源集成供电系统的供电方法，其特征在于，包括：
当直流侧需求大于零时，选择升压输出方案；
当直流侧功率需求小于零且直流侧端电压大于超级电容电压和电池组电压之和时，选择直流侧降压馈能方案；
当电池组和超级电容电压均低于逻辑门限值时，强制选择直接串联工作方案。
3.根据权利要求2所述的一种对称升降压电路的多电源集成供电系统的供电方法，其特征在于，所述升压输出方案为：
在第一对称升降压电路升压工作时，MOS开关管M1导通和关断使电感L1储能和释放能量，通过二极管D1续流，电池组升压向直流输出端供电；
在第二对称升降压电路升压工作时，MOS开关管M2导通和关断使电感L2储能和释放能量，通过二极管D2续流，超级电容升压向直流输出端供电。
4.根据权利要求2所述的一种对称升降压电路的多电源集成供电系统的供电方法，其特征在于，所述直流侧降压馈能方案为：
在第一对称升降压电路降压工作时，MOS开关管M1导通和关闭使电感L1储能和释放能量，通过二极管D1续流，直流侧降压向超级电容馈能；
在第二对称升降压电路降压工作时，MOS开关管M2导通和关闭使电感L2储能和释放能量，通过二极管D2续流，直流侧降压向电池组馈能。
5.根据权利要求2所述的一种对称升降压电路的多电源集成供电系统的供电方法，其特征在于，所述串联工作方案为：
当两个对称型升降压电路均不工作时，电池组和超级电容将直接串联输出或吸收回馈电量。
6.根据权利要求2所述的一种对称升降压电路的多电源集成供电系统的供电方法，其特征在于，逻辑门限值是指：电池组SOC低于0.2，超级电容SOC低于0.25。
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