CN209896750U - 用于蓄积电能的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于蓄积电能的装置。所要求保护的用于蓄积电能的装置包括接口电力端子、可再充电电流源、第一半桥、第二半桥、具有节流阀电流传感器的节流阀、以及控制单元，其中每个半桥具有控制输入端、正端子、负端子和可切换端子，所述可切换端子能够响应于控制输入端处的信号而连接到正或负端子，第一半桥通过其正和负端子并联连接到可再充电电流源，第一半桥的负端子连接到第二半桥的负端子，并且第一半桥的可切换端子通过节流阀连接到第二半桥的可切换端子，第二半桥的正和负端子是接口电力端子。此外，控制单元具有主输入端并包含第一施密特触发器、第二施密特触发器以及计数器，第一施密特触发器的输出端连接至第一半桥的控制输入端，第二施密特触发器的输出端连接至第二半桥的控制输入端，计数器的输出端连接至第一施密特触发器和第二施密特触发器的输入端，计数器的第一输入端连接至节流阀电流传感器的输出端，并且计数器的第二输入端是控制单元的主输入端。

Description

用于蓄积电能的装置

技术领域

本实用新型涉及电技术，即，涉及自主电源系统，并且可以主要用于车辆中。

背景技术

存在一种用于机动车辆的微型混合动力装置(Micro-hybrid device for motorvehicle/Masson等人//美国专利No.7,952,223 B2-2011年5月31日)，其使用被设计为由电化学电容器(又称为“超级电容器”)构成的电池的可再充电电流源，所述电流源使用具有控制单元(具有驱动点)的直流双向换能器连接至机动车的车载网络，同时可以通过驱动点信号对所述可再充电电流源的充电/放电电流进行调整，从而积蓄和耗散电能，并且所述混合动力装置对应于所要求保护的实用新型设计。然而，该发明的说明书并未描述直流双向换能器电路。

存在一种机动车电源系统(Automotive electrical system configuration/O’Gorman等人//美国专利No.8,159,083 B2-2012年4月17日)，其使用了电能蓄能器。每个蓄能器由可再充电电流源和双向降压/升压转换器构成，双向降压/升压转换器包含控制单元、节流阀以及第一和第二半桥。每个半桥具有正输出端、负输出端以及被设计为连接至正输出端或者负输出端的切换输出端。第一半桥的负输出端连接至第二半桥，第一半桥的切换输出端通过节流阀连接至第二半桥的切换输出端，第一和第二半桥的正输出端和负输出端是双向降压/升压转换器的电力输出端。每个半桥由两个串联连接的基于晶体管的电子门构成，两个电子门的锁连接至控制单元。第一半桥通过正输出端和负输出端与可再充电电流源并联连接，而第二半桥与车辆的车载网络连接。超级电容器或蓄能器可以用作可再充电电流源。

这些装置调整了可再充电电流源的充电/放电电流参数，这允许蓄积和耗散电能，并且这些装置对应于所要求保护的实用新型设计。然而，其说明书并未描述双向降压/升压转换器的控制电路。

大部分双向降压/升压转换器的控制单元的原理(例如，Control circuit andmethod for maintaining high efficiency in a buck-boost switching regulator/Dwelley等人//美国专利No.6,166,527-2000年12月26日)基于对转换器的电力输出端处的电压值的分析(降压、升压或者降压/升压)。在转换器的电力输出端处的输入和输出电压值近乎相同时触发降压/升压操作模式，并且基于对所述电压值的分析，不可能在降压操作模式和升压操作模式之间做出明确的选择。

降压/升压操作模式触发了电子门的过多换向，这导致额外的能量损耗。电能蓄能器必须确保最低的能量损耗，因此降压/升压操作模式是不符合需要的。

存在一种降压/升压转换器的控制单元(Hysteretic controlled buck-boostconverter/Qiu等人//美国专利No.8,330,435 B2-2012年12月11日)，其由如下各项构成：被供应以来自节流阀的电流传感器输出端的电压的第一输入端；接收误差电压的第二输入端；多个浮置信号，所述浮置信号中的每者相对于误差电压偏移某一值。

控制单元基于节流阀电流值与浮置信号的比较而选择转换器的操作模式，这样做有助于消除降压/升压操作模式，并且因而降低能量损耗。该控制单元的缺陷在于其为形成多个浮置信号所需要的复杂电路。

在设计和技术性质方面与所要求保护的实用新型最为接近的基于双向降压/升压转换器的蓄能器的原型曾被选用过(Bidirectional buck-boost converter/Esser//美国专利No.5,734,258-1998年3月31日)。该装置由如下各项构成：接口电力输出端、可再充电电流源、第一半桥、第二半桥、具有节流阀电流传感器的节流阀以及控制单元，同时每个半桥具有控制输入端、正输出端、负输出端以及切换输出端，所述切换输出端取决于控制输入端处的信号而连接至正输出端或者负输出端；第一半桥通过正输出端和负输出端与可再充电电流源并联连接，第一半桥的负输出端与第二半桥的负输出端连接，第一半桥的切换输出端通过节流阀连接至第二半桥的切换输出端，第二半桥的正输出端和负输出端是接口电力输出端。每个半桥由两个串联连接的基于晶体管的电子门构成，所述电子门的锁是半桥控制输入端；每个电子门通过激活的二极管被反向分流。使用电化学电容器电池作为可再充电电流源。

实用新型内容

原型说明并未描述双向降压/升压转换器的控制单元电路，但是提供了控制方法。该方法取决于接口电力输出端处以及可再充电电流源输出端处的电压值的相关性而提供换能器的操作模式：

-在所陈述的电压值存在显著差异的情况下，选择升压或降压操作模式，其特征在于，半桥之一的切换输出端永久性地连接至其正输出端，同时另一半桥的切换输出端周期性地在其正输出端和负输出端之间切换。

-在所陈述的值没有显著差异的情况下，选择升压或降压操作模式，其特征在于，两个半桥的切换输出端均周期性地在其正输出端和负输出端之间切换。

所述原型的缺陷如下：

-由于两个半桥的周期性切换的原因，降压/升压操作模式导致额外的能量损耗；

–取决于接口电力输出端处和可再充电电流源输出端处的电压值的相关性的所需操作模式选择导致换能器的控制单元的复杂性。

所要求保护的装置被设计为通过接口电力输出端连接至直流电网络，并且被设计为控制通过接口电力输出端的电流，以便对其进行蓄积并将其返回，从而为大功率间歇式负载供电。

所要求保护的装置的任务在于减少能量损耗以及实现装置简化。

技术成果包括使装置操作期间的切换最小化以及减少部件和连接。

技术成果是通过取得所要求保护的蓄能器而实现的，所述蓄能器由接口电力输出端、可再充电电流源、第一半桥、第二半桥、具有电流传感器的节流阀和控制单元构成，而每个半桥具有控制输入端、正输出端、负输出端以及切换输出端，所述切换输出端被设计为取决于控制输入端处的信号而连接至正输出端或负输出端，第一半桥通过正输出端和负输出端与可再充电电流源并联连接，第一半桥的负输出端与第二半桥的负输出端连接，第一半桥的切换输出端通过节流阀连接至第二半桥的切换输出端，第二半桥的正输出端和负输出端是接口电力输出端，根据本实用新型，控制单元具有驱动点，并且包含第一施密特触发器、第二施密特触发器以及计数器，第一施密特触发器的输出端连接至第一半桥的控制输入端，第二施密特触发器的输出端连接至第二半桥的控制输入端，计数器的输出端连接至第一和第二施密特触发器的输入端，计数器的第一输入端连接至节流阀电流传感器输出端，而计数器的第二输入端是控制单元的驱动点。

每个半桥被设计为基于控制输入端处的信号H将切换输出端连接至正输出端，并且基于控制输入端处的信号L将切换输出端连接至负输出端，第一施密特触发器在条件H和L下分别具有切换输出端的阈值电平U₁和 U₂，第二施密特触发器在条件H和L下分别具有切换输出端的阈值电平U₃和U₄。

如果节流阀电流传感器的输出信号作为正值被接受，并且如果节流阀电流沿从第一半桥的切换输出端到第二半桥的切换输出端的方向流动，则施密特触发器的阈值电平满足下述不等式：

U₄<U₁<U₂， (1)

U₄<U₃<U₂， (2)。

如果节流阀电流传感器的输出信号作为正值被接受，并且如果节流阀电流沿从第二半桥的切换输出端到第一半桥的切换输出端的方向流动，则施密特触发器的阈值电平满足下述不等式：

U₄>U₁>U₂， (3)

U₄>U₃>U₂， (4)。

不等式(1、2)以及(3、4)描述了所要求保护的装置的等价实施方式选项(不等式的选择取决于节流阀电流方向，条件是作为正值被接受)。

可再充电电流源可以被设计为电化学电容器电池。

可再充电电流源可以被设计为蓄能器。

下文列举了所要求保护的装置的用于实现所述技术成果的重要特征。

所要求保护的装置的重要特征的组合：“第一半桥、第二半桥、节流阀和控制单元；每个半桥具有控制输入端、正输出端、负输出端以及切换输出端，所述切换输出端被设计为取决于控制输入端处的信号而连接至正输出端或负输出端；第一半桥的负输出端连接至第二半桥的负输出端，第一半桥的切换输出端通过节流阀连接至第二半桥的切换输出端”描述了一种双向降压/升压转换器。

所要求保护的装置的重要特征：“控制单元具有驱动点，并且包含第一施密特触发器、第二施密特触发器以及计数器，第一施密特触发器的输出端连接至第一半桥的控制输入端，第二施密特触发器的输出端连接至第二半桥的控制输入端，计数器的输出端连接至第一和第二施密特触发器的输入端，第一计数器输入端连接至节流阀电流传感器输出端，而第二计数器输入端是控制单元的驱动点”确保了对流过双向降压/升压转换器的节流阀的电流的控制。

控制流过双向降压/升压转换器的节流阀的电流的能力与特征“第一半桥与可再充电电流源并联连接；第二半桥的正输出端和负输出端是接口电力输出端”相结合，确保了所要求保护的装置根据其设计的操作：控制流过接口电力输出端的电能，以便对其进行蓄积并将其返回，从而为大功率间歇式负载供电。

重要特征的组合：“每个半桥被设计为基于控制输入端处的信号H将切换输出端连接至正输出端，或者基于控制输入端处的信号L将切换输出端连接至负输出端；第一施密特触发器在条件H和L下分别具有切换输出端的阈值电平U₁和U₂；第二施密特触发器在条件H和L下分别具有切换输出端的阈值电平U₃和U₄；如果节流阀电流传感器的输出信号作为正值被接受，并且如果节流阀电流沿从第一半桥的切换输出端到第二半桥的切换输出端的方向流动，则施密特触发器的阈值电平满足不等式(1、2)；如果节流阀电流传感器的输出信号作为正值被接受，并且如果节流阀电流沿从第二半桥的切换输出端到第一半桥的切换输出端的方向流动，则施密特触发器的阈值电平满足不等式(3、4)”确保了在所要求保护的装置的操作期间的切换的最小化。

使切换最小化是通过消除了降压/升压操作模式这一事实而确保的，因为不等式(1、2)以及(3、4)确保了降压模式和升压模式之间的明确选择。在两个半桥的逻辑控制输入端同时接受信号H时，节流阀电流增大精确地对应于换能器的降压操作模式，而电流下降则对应于换能器的升压操作模式。

最小可能切换频率对应于节流阀的电流纹波水平的最大容许水平，其在降压操作模式下是通过阈值电平U₁和U₂定义的，或者在升压操作模式下是通过阈值电平U₃和U₄定义的。

同样的特征同时确保了装置的简化，因为不再需要用于分析换能器输出端处的电压值的部件和连接。

附图说明

在附图中示出了所要求保护的装置。

图1示出了装置方框图。

图2示出了第一施密特触发器的传输参数TS₁(u_Σ)以及第二施密特触发器的传输参数TS₂(u_Σ)。

图3描绘了所述装置如何操作并且示出了时序图：

-计数器输出端处的信号u_Σ(t)示意图；

-第一施密特触发器输出端处的信号TS₁(t)示意图；

-第二施密特触发器输出端处的信号TS₂(t)示意图。

具体实施方式

蓄能器由接口电力输出端1和2、可再充电电流源3、第一半桥4、第二半桥5、具有电流传感器7的节流阀6以及控制单元构成。控制单元具有驱动点8，并且包含第一施密特触发器9、第二施密特触发器10和计数器 11。

每个半桥4和5被设计为基于控制输入端处的信号H将切换输出端连接至正输出端，或者基于控制输入端处的信号L将切换输出端连接至负输出端。半桥4和5的设计是已知的：每个半桥具有两个串联连接的基于IGBT 晶体管的电子门，电子门的锁通过驱动器和部件逻辑连接至半桥控制输入端；每个晶体管通过激活的二极管受到反向分流。第一半桥4通过正输出端和负输出端并联连接至可再充电电流源3，第一半桥4的负输出端连接至第二半桥5的负输出端，第一半桥4的切换输出端通过节流阀6连接至第二半桥5的切换输出端，第二半桥5的正输出端和负输出端是接口电力输出端1和2。

第一施密特触发器9的输出端连接至第一半桥4的控制输入端。第二施密特触发器10的输出端连接至第二半桥的控制输入端。计数器11的输出端连接至施密特触发器9和10的输入端。计数器11的第一输入端连接至节流阀电流传感器7的输出端，而计数器11的第二输入端是控制单元的驱动点8。

可再充电电流源3可以是任何偶极子，其可以在充电电流流动时蓄积能量，并且可以在放电电流流动时耗散能量，例如，蓄能器或者电化学电容器电池(超级电容器)。

以超级电容器为例回顾一下所要求保护的装置的操作。

条件假设：

-节流阀6电流i被假定为正，如果其沿从第一半桥4的切换输出端到第二半桥5的切换输出端的方向流动(在图1中以箭头示出了电流i的正向流动)；

-传感器7输出端处的信号u(i)是电流i的线性增大函数；

-相对于第一和第二半桥的负输出端的连接点测量电压，如果第一半桥的正输出端处的电压超过了第二半桥的正输出端处的电压，那么操作模式为降压，在其他情况下操作模式为升压；

-所要求保护的装置的状态被定义为：HH、LH、HL，其中，第一符号对应于第一施密特触发器9的输出状态，而第二符号对应于第二施密特触发器10的输出状态。

假设装置处于HH状态并且半桥4和5的电子门的位置对应于图1中所示的位置：第一半桥4的正输出端通过节流阀6连接至第二半桥的正输出端。在状态HH中，节流阀6的电流i在降压模式下增大，并且在升压模式下下降。节流阀的电流i的变化引起计数器11的输出端处以及施密特触发器9和10的输入端处的信号u_Σ＝u_ref+u(i)的对应变化。施密特触发器9和10(图2)的传输参数TS₁(u_Σ)、TS₂(u_Σ)定义了信号u_Σ的窗口U₄÷U₂，其中，HH状态在其极限之外是不可能的。根据参数TS₁(u_Σ)和TS₂(u_Σ)，超出窗口U₄÷U₂的信号u_Σ的输出在降压模式中引起向LH状态的转换，或者在升压模式中引起向HL状态的转换。因而，负间接关系有效，其使信号u_Σ的值保持在窗口U₄÷U₂内。因此，通过改变驱动点8处的信号u_ref，我们可以改变信号u(i)，即节流阀的控制电流i。

如果供应节流阀的负电流i，那么超级电容器3将充电；节流阀的正电流i导致超级电容器3放电。

根据时序图(图3)使用超级电容器3的放电示例进一步阐明装置操作。

恰好在时间t₁前：

-对超级电容器3充电，并且其电压对应于降压模式；

-所述装置处于HH状态(TS₁(t)＝H，TS₂(t)＝H)；

-节流阀的电流i和信号u_Σ(t)增大。

在时间t₁，信号u_Σ(t)达到U₂值——第一施密特触发器9切换并且信号 TS₁(t)转换至L状态。

在时间t₁÷t₂之间，装置处于LH状态：

-第一半桥4的切换输出端连接至其负输出端；

-节流阀的电流i和信号u_Σ(t)下降；

-在时间t₂，信号u_Σ(t)达到U₁值——第一施密特触发器9切换并且信号TS₁(t)转换回H状态。

降压模式中的切换循环一直重复到时间t₃为止。

在时间t₃÷t₄之间，装置处于HH状态，但是由于超级电容器3放电的原因，其上的电压变得低于第二半桥5的正输出端处的电压，其对应于转换至升压模式：

-节流阀的电流i和信号u_Σ(t)开始下降；

-在时间t₄，信号u_Σ(t)达到U₄值——第二施密特触发器10切换并且信号TS₂(t)转换至L状态。

在时间t₄÷t₅之间，装置处于HL状态：

-第二半桥5的切换输出端连接至其负输出端；

-节流阀的电流i和信号u_Σ(t)增大；

-在时间t₅，信号u_Σ(t)达到U₃值——第二施密特触发器10切换并且信号TS₂(t)转换至H状态。

此外，切换循环在升压模式中重复，并且超级电容器3的放电继续。

所参照的示例表明所要求保护的装置确保了在降压模式和升压模式之间的明确选择，而无需转换到升压/降压模式。节流阀的电流i纹波的最大容许水平是通过施密特触发器9和10的传输参数TS₁(u_Σ)和TS₂(u_Σ)定义的。此外，确保了最小可能切换频率，其对应于所陈述的使能量损耗最小化的技术任务。

控制单元由比其他已知装置少的部件构成，这确保了装置简化。

Claims (6)

1.一种用于蓄积电能的装置，包括接口电力输出端、可再充电电流源、第一半桥、第二半桥、具有电流传感器的节流阀、以及控制单元，而每个半桥具有控制输入端、正输出端、负输出端以及切换输出端，所述切换输出端被设计为取决于所述控制输入端处的信号而连接至所述正输出端或所述负输出端，所述第一半桥通过正输出端和负输出端与所述可再充电电流源并联连接，所述第一半桥的负输出端与所述第二半桥的负输出端连接，所述第一半桥的切换输出端通过所述节流阀连接至所述第二半桥的切换输出端，所述第二半桥的正输出端和负输出端是接口电力输出端，其特征在于，所述控制单元具有驱动点，并且包含第一施密特触发器、第二施密特触发器以及计数器，所述第一施密特触发器的输出端连接至所述第一半桥的控制输入端，所述第二施密特触发器的输出端连接至所述第二半桥的控制输入端，所述计数器的输出端连接至所述第一施密特触发器和所述第二施密特触发器的输入端，所述计数器的第一输入端连接至所述节流阀电流传感器输出端，并且所述计数器的第二输入端是所述控制单元的所述驱动点。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个半桥被设计为在所述控制输入端处的信号H下将所述切换输出端连接至正输出端，并且在所述控制输入端处的信号L下将所述切换输出端连接至负输出端，所述第一施密特触发器在H状态和L状态下分别具有切换输出端的阈值电平U₁和U₂，所述第二施密特触发器在H状态和L状态下分别具有切换输出端的阈值电平U₃和U₄。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，如果所述节流阀电流传感器的输出信号作为正值被接受，并且如果节流阀电流沿从所述第一半桥的切换输出端到所述第二半桥的切换输出端的方向流动，则施密特触发器的阈值电平满足不等式：

U₄<U₁<U₂， (1)

U₄<U₃<U₂， (2)。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，如果所述节流阀电流传感器的输出信号作为正值被接受，并且如果节流阀电流沿从所述第二半桥的切换输出端到所述第一半桥的切换输出端的方向流动，则施密特触发器的阈值电平满足不等式：

U₄>U₁>U₂， (3)

U₄>U₃>U₂， (4)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可再充电电流源被设计为电化学电容器电池。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可再充电电流源是以可再充电电池的形式制作的。

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