專利名稱：基于同步整流Buck-Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動車輛的車載電源領(lǐng)域，涉及一種電動汽車用復合電源控制系統(tǒng)，尤其涉及一種基于同步整流Buck — Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，能源危機和環(huán)境危機已成為當今社會最突出的兩大主題。據(jù)調(diào)查顯示，目前全世界擁有各類車輛年消耗燃油約7億噸，按這種比例推算目前世界所蘊藏的石油資源僅可維持50 70年；而且城市大氣污染量有63%都來自燃油汽車的廢 氣排放。因此，在這兩大危機的壓力下，電動汽車應(yīng)運而生。然而，電動車用蓄電池性能差所導致的車輛一次充電續(xù)駛里程短、起動加速爬坡性能差以及初始化成本高等問題，已成為限制電動汽車快速發(fā)展的最根本因素。研究開發(fā)高比能量、高比功率、充放電速度快、循環(huán)壽命長的車載電源成為時代發(fā)展的必然要求。但是，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，任何一種單一能源都不能同時滿足高比能量和高比功率的要求。于是國外就有專家提出了復合電源的概念，即將高比能量的能源與高比功率的能源組合在一起共同成為車載電源，其中超級電容+蓄電池復合電源系統(tǒng)是未來研究熱門之一。在現(xiàn)有理論和技術(shù)方面，專利號為200810018098. 8的“一種電動摩托車超級電容與蓄電池復合電源控制系統(tǒng)”和專利申請?zhí)枮?0102068944. 8的“一種基于超級電容的電動汽車混合動力控制系統(tǒng)”給出了一種復合電源控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，二者均是將超級電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)后再與蓄電池并聯(lián)，為電機驅(qū)動控制裝置提供動力源。其中，雙向DC/DC變換器在系統(tǒng)中對蓄電池和超級電容兩者間的電壓進行合理的匹配，以滿足電機的驅(qū)動與制動要求。但是該雙向DC/DC變換器只能對超級電容進行升壓充電和降壓放電，這時超級電容工作在高壓模式，使得當超級電容端電壓較低時的那部分能量得不到充分利用，從而削弱了超級電容的驅(qū)動能力。另外一種較為常見的控制方法和上述兩篇專利具有同樣的拓撲結(jié)構(gòu)，即將超級電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)后再與蓄電池并聯(lián)，為電機驅(qū)動控制裝置提供動力源。但是這里所用的雙向DC/DC變換器只能對超級電容進行降壓充電和升壓放電，超級電容工作在低壓模式，使得當電機反電動勢較低時，無法給超級電容充電，其能量回收效率低，削弱了超級電容的再生制動能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于同步整流Buck—Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，本發(fā)明不僅能夠進行大功率放電，改善電動汽車起動、加速、爬坡性能，延長蓄電池使用壽命；還能夠進行大功率充電，快速回收車輛再生制動時的能量，提高電動汽車的一次充電續(xù)駛里程。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種基于同步整流Buck—Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，包括電機、與電機相連的電機控制器以及與電機控制器分別相連的蓄電池、超級電容，蓄電池在與功率開關(guān)相連后接入電機控制器，超級電容與雙向DC/DC變換器相連后接入電機控制器，所述功率開關(guān)包括并聯(lián)的兩個P溝道MOS管，雙向DC/DC變換器包括四個N溝道MOS管以及一個儲能電感，四個N溝道MOS管兩兩組成半橋結(jié)構(gòu)，儲能電感的兩端分別接于兩半橋結(jié)構(gòu)的中間，其中第一半橋與功率開關(guān)的一端相連，功率開關(guān)的另一端與蓄電池的一極相連，第一半橋的另一端與蓄電池的另一極相連，蓄電池的另一極與超級電容的一極相連，第二半橋與超級電容并聯(lián)，PWM脈沖加在變換器N溝道MOS管的柵極。詳細的技術(shù)方案是一種基于同步整流Buck — Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，包括電機、與電機相連的電機控制器以及與電機控制器分別相連的蓄電池、超級電容，蓄電池在與功率開關(guān)相連后接入電機控制器，超級電容與雙向DC/DC變換器相連后接入電機控制器，所述功率開關(guān)包括并聯(lián)的兩個P溝道MOS管，雙向DC/DC變換器包括四個N溝道MOS管以及一個儲能電感，四個N溝道MOS管兩兩組成半橋結(jié)構(gòu)，儲能電感的兩端 分別接于兩半橋結(jié)構(gòu)的中間，其中第一半橋與功率開關(guān)的一端相連，功率開關(guān)的另一端與蓄電池的一極相連，第一半橋的另一端與蓄電池的另一極相連，蓄電池的另一極與超級電容的一極相連，第二半橋與超級電容并聯(lián)，PWM脈沖加在變換器N溝道MOS管的柵極，所述電機控制器為三相全橋逆變電路，三相全橋逆變電路的一端經(jīng)與功率開關(guān)連接后與蓄電池的一極相連，三相全橋逆變電路的一端還與第一半橋的一端相連，三相全橋逆變電路的另一端與第一半橋的另一端、蓄電池的另一極相連。對于上述技術(shù)方案，本發(fā)明對其還具有補充的可替代方案。作為補充，所述雙向DC/DC變換器中的四個N溝道MOS管可用功率晶體管替代，PWM脈沖加在功率晶體管基極。作為補充，所述雙向DC/DC變換器中的四個N溝道MOS管可用絕緣柵雙極性晶體管替代，PWM脈沖加在絕緣柵雙極性晶體管的柵極。作為補充所述雙向DC/DC變換器中的四個N溝道MOS管可用智能功率模塊替代，PWM脈沖加在功智能功率模塊的驅(qū)動控制輸入引腳。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點是
本發(fā)明所描述的基于同步整流Buck — Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，一方面使得超級電容根據(jù)實際需求進行升降壓充放電，而非單一的升壓充電、降壓放電或降壓充電、升壓放電，保證超級電容不管是在高端電壓狀態(tài)還是低端電壓狀態(tài)下都能正常工作，提高了超級電容的能量利用率，有助于改善電動車輛的動力性能，延長其一次充電續(xù)駛里程；另一方面，由于該雙向DC/DC變換器采用了同步整流的工作方式，能夠有效減少MOS管的發(fā)熱程度，改善控制器發(fā)熱問題；再一方面，該雙向DC/DC變換器利用低導通電阻的MOS管代替了原有的Buck降壓斬波電路和Boost升壓斬波電路中的續(xù)流二極管，有效地減小了控制器的功耗，提高了控制系統(tǒng)的工作效率。


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述
圖I為本發(fā)明實施例中復合電源控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實施例中復合電源控制系統(tǒng)主回路的電路 圖3為本發(fā)明實施例中蓄電池單獨供能驅(qū)動情況下控制系統(tǒng)的原理示意 圖4為本發(fā)明實施例中蓄電池單獨供能驅(qū)動并給超級電容充電情況下控制系統(tǒng)的原理示意 圖5為本發(fā)明實施例中蓄電池和超級電容同時供能驅(qū)動情況下控制系統(tǒng)的原理示意
圖； 圖6為本發(fā)明實施例中電機優(yōu)先為超級電容充電情況下控制系統(tǒng)的原理示意 圖7為本發(fā)明實施例中電機為蓄電池充電情況下控制系統(tǒng)的原理示意 圖8為本發(fā)明實施例中蓄電池單獨供能驅(qū)動情況下電路工作原理 圖9為本發(fā)明實施例中蓄電池單獨供能驅(qū)動并給超級電容充電情況下電路工作原理
圖10為本發(fā)明實施例中蓄電池和超級電容同時供能驅(qū)動并且超級電容端電壓大于電機所需電動勢的情況下電路工作原理 圖11為本發(fā)明實施例中蓄電池和超級電容同時供能驅(qū)動并且超級電容端電壓小于電機所需電動勢的情況下電路工作原理 圖12為本發(fā)明實施例中電機優(yōu)先為超級電容充電并且超級電容端電壓大于電機產(chǎn)生的反電動勢的情況下電路工作原理 圖13為本發(fā)明實施例中電機優(yōu)先為超級電容充電并且超級電容端電壓小于電機產(chǎn)生的反電動勢的情況下電路工作原理 圖14為本發(fā)明實施例中電機為蓄電池充電的情況下電路工作原理圖。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例對上述方案做進一步說明。應(yīng)理解，這些實施例是用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實施例中采用的實施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進一步調(diào)整，未注明的實施條件通常為常規(guī)實驗中的條件。實施例
本實施例描述了一種基于同步整流Buck—Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括電機、與電機相連的電機控制器以及與電機控制器分別相連的蓄電池、超級電容，蓄電池在與功率開關(guān)相連后接入電機控制器，超級電容與雙向DC/DC變換器相連后接入電機控制器。本實施例的復合電源控制系統(tǒng)的主回路的電路原理圖如圖2所示，所述功率開關(guān)包括并聯(lián)的兩個P溝道MOS管Tll以及T12，雙向DC/DC變換器包括四個N溝道MOS管17、T8、T9、TlO以及一個儲能電感L，T7與T8、T9與TlO分別兩兩組成半橋結(jié)構(gòu)，儲能電感L的兩端分別接于兩半橋結(jié)構(gòu)的中間，其中T9與TlO組成的第一半橋與功率開關(guān)S的一端相連，功率開關(guān)S的另一端與蓄電池的正極相連，第一半橋的另一端與蓄電池的負極相連，蓄電池的負極與超級電容的一極相連，T7與T8組成的第二半橋與超級電容CM并聯(lián)，PWM脈沖加在雙向DC/DC變換器的N溝道MOS管的柵極。本實施例中所采用的電機為永磁無刷直流電機，所述電機控制器為三相全橋逆變電路，三相全橋逆變電路有六個功率器件MOS管組成，其中MOS管Tl和T2、MOS管T3和T4、MOS管T5和T6分別組成驅(qū)動半橋，構(gòu)成三相逆變橋，MOS管Tl和T2、MOS管T3和T4、MOS管T5和T6的中間分別于電動機的三相繞組A、B、C連接。三相全橋逆變電路的一端經(jīng)與功率開關(guān)連接后與蓄電池的一極相連，三相全橋逆變電路的一端還與第一半橋的一端相連，三相全橋逆變電路的另一端與第一半橋的另一端、蓄電池的另一極相連。車輛在正常行駛工況下，蓄電池單獨供電以驅(qū)動電機正常工作，此時的控制系統(tǒng)的工作原理如圖3所示，此時的電路工作原理圖如圖8所示。此時，Tl處于PWM調(diào)制狀態(tài)，T4導通，S閉合，其它功率管截止。系統(tǒng)主回路工作于典型的無刷直流電機的降壓驅(qū)動模式當Tl為I時，蓄電池的能量經(jīng)過Tl及電機的電樞繞組A、B驅(qū)動電機，并且線圈A、B利用自身電感儲存一部分能量；當Tl為0時，線圈A、B所儲存的能量經(jīng)過續(xù)流二極管D2組成閉合回路，釋放能量。在超級電容電量不足時，蓄電池在單獨供電驅(qū)動電機的同時還要給超級電容充一部分能量，以便保持超級電容具備一定的輸出能力，則蓄電池在單獨供電驅(qū)動電機的同時也對超級電容進行降壓驅(qū)動。此時的控制系統(tǒng)的工作原理如圖4所示，此時的電路工作原 理圖如圖9所示。此時，Tl處于PWM調(diào)制狀態(tài)，T9和TlO處于同步整流狀態(tài)，T4和17導通，S閉合，其它功率管截止。通過調(diào)制Tl，蓄電池通過三相全橋逆變電路對電機進行降壓驅(qū)動；通過同步整流T9和T10，蓄電池對超級電容進行降壓充電當T9為I時，TlO為0，蓄電池所儲存的能量經(jīng)過T9、電感L給超級電容充電，并且電感L儲存一部分能量；當T9為0時，TlO為1，電感L儲存的能量經(jīng)過TlO對超級電容充電。車輛在起動加速或爬坡工況下，系統(tǒng)所需的驅(qū)動電流比較大，此時超級電容經(jīng)雙向DC/DC變換器和蓄電池并聯(lián)驅(qū)動電機，其控制系統(tǒng)的工作原理如圖3所示，但此時雙向DC/DC變換器是工作于升壓模式還是降壓模式取決于超級電容端電壓與電機所需電動勢的比較。本實施例中蓄電池和超級電容同時供能驅(qū)動并且超級電容端電壓大于電機所需電動勢的情況下電路工作原理如圖10所示。超級電容端電壓大于電機所需電動勢，則超級電容對電機進行降壓驅(qū)動。此時，Tl處于PWM調(diào)制狀態(tài)，17和T8處于同步整流狀態(tài)，T4和T9導通，S閉合，其它功率管截止。通過調(diào)制Tl，蓄電池通過三相全橋逆變電路對電機進行降壓驅(qū)動；通過同步整流17和T8，超級電容對電機進行降壓驅(qū)動當17為I時，T8為0，超級電容所儲存的能量經(jīng)過17及電感L向外釋放，此時電感L儲存一部分能量；當17為0時，T8為1，電感L儲存的能量經(jīng)過Tl、線圈A、B及T8組成閉合回路放電。本實施例中蓄電池和超級電容同時供能驅(qū)動并且超級電容端電壓小于電機所需電動勢的情況下電路工作原理如圖11所示。超級電容端電壓小于電機所需電動勢，則超級電容對電機進行升壓驅(qū)動。此時，Tl處于PWM調(diào)制狀態(tài)，T9和TlO處于同步整流狀態(tài)，T4和17導通，S閉合，其它功率管截止。通過調(diào)制Tl，蓄電池通過三相全橋逆變電路對電機進行降壓驅(qū)動；通過同步整流T9和T10，超級電容對電機進行升壓驅(qū)動當T9為0時，TlO為1，超級電容所儲存的能量經(jīng)過電感L及TlO形成了閉合回路，此時電感L儲存一部分能量；當T9為I時，TlO為0，超級電容的能量連同電感L所儲存的能量一起向外放電驅(qū)動電機。在車輛減速或制動時，電動機處于發(fā)電機工作狀態(tài)，控制系統(tǒng)將車輛再生制動時能量通過功率變換器優(yōu)先反饋給超級電容，當超級電容充滿后，剩余部分再對蓄電池進行充電。
電機在為超級電容充電情況下的控制系統(tǒng)原理如圖6所示，但系統(tǒng)主回路是升壓制動還是降壓制動取決于超級電容端電壓與電機反電動勢的比較。當超級電容端電壓大于電機產(chǎn)生的反電動勢的情況時其主回路電路工作原理如圖12所示，超級電容端電壓大于電機產(chǎn)生的反電動勢，則電機反電動勢升壓后對超級電容進行充電。此時，17和T8處于同步整流狀態(tài)，T9導通，S斷開，其它功率管全部截止。通過同步整流17和T8，電機再生制動的能量對超級電容進行升壓充電當17為0時，T8為1，電機產(chǎn)生的反電動勢經(jīng)線圈A、B，續(xù)流二極管D1，電感L及T8組成閉合回路，此時電感L儲存一部分能量；當T7為I時，T8為0，電機反電動勢連同電感L上所儲存的能量經(jīng)過T7給超級電容充電。當超級電容端電壓小于電機產(chǎn)生的反電動勢的情況時其主回路電路工作原理如圖13所示。超級電容端電壓小于電機產(chǎn)生的反電動勢，則電機反電動勢降壓后對超級電容進行充電。此時，T9和TlO處于同步整流狀態(tài)，17導通，S斷開，其它功率管全部截止。通過同步整流T9和T10，電機再生制動的能量對超級電容進行降壓充電當T9為I時，TlO為0，電機反電動勢經(jīng)過續(xù)流二極管Dl、T9及電感L對超級電容進行充電，此時電感L儲存一部分能量；當T9為0時，TlO為1，電感L所儲存的能量經(jīng)過TlO給超級電容充電。電機在為蓄電池充電情況下的控制系統(tǒng)原理如圖7所示，其主回路工作原理如圖14所示，超級電容已充滿至額定電壓，則再生制動產(chǎn)生的能量利用自身線圈電感對蓄電池進行升壓充電。T2處于PWM調(diào)制狀態(tài)，S閉合，其它MOS管關(guān)斷。通過調(diào)制T2，電機反電動勢利用自身電感對蓄電池進行升壓充電當T2為I時，電機反電動勢經(jīng)過線圈A、B，T2及續(xù)流二極管D4形成閉合回路，此時線圈電感儲能；當T2為0時，電機反電動勢連同線圈A、B所儲存的能量經(jīng)過續(xù)流二極管D1、D4形成閉合回路給蓄電池充電。
上述實例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于同步整流Buck-Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，包括電機、與電機相連的電機控制器以及與電機控制器分別相連的蓄電池、超級電容，其特征在于，蓄電池在與功率開關(guān)相連后接入電機控制器，超級電容與雙向DC/DC變換器相連后接入電機控制器，所述功率開關(guān)包括并聯(lián)的兩個P溝道MOS管，雙向DC/DC變換器包括四個N溝道MOS管以及一個儲能電感，四個N溝道MOS管兩兩組成半橋結(jié)構(gòu)，儲能電感的兩端分別接于兩半橋結(jié)構(gòu)的中間，其中第一半橋與功率開關(guān)的一端相連，功率開關(guān)的另一端與蓄電池的一極相連，第一半橋的另一端與蓄電池的另一極相連，蓄電池的另一極與超級電容的一極相連，第二半橋與超級電容并聯(lián)，PWM脈沖加在變換器N溝道MOS管的柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于同步整流Buck-Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，其特征在于，所述雙向DC/DC變換器中的四個N溝道MOS管可用功率晶體管替代，PWM脈沖加在功率晶體管基極。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于同步整流Buck-Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，其特征在于，所述雙向DC/DC變換器中的四個N溝道MOS管可用絕緣柵雙極性晶體管替代，PWM脈沖加在絕緣柵雙極性晶體管的柵極。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于同步整流Buck-Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，其特征在于，所述雙向DC/DC變換器中的四個N溝道MOS管可用智能功率模塊替代，PWM脈沖加在功智能功率模塊的驅(qū)動控制輸入引腳。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于同步整流Buck-Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電機控制器為三相全橋逆變電路，三相全橋逆變電路的一端經(jīng)與功率開關(guān)連接后與蓄電池的一極相連，三相全橋逆變電路的一端還與第一半橋的一端相連，三相全橋逆變電路的另一端與第一半橋的另一端、蓄電池的另一極相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于同步整流Buck-Boost雙向DC/DC變換器的復合電源控制系統(tǒng)，包括電機、與電機相連的電機控制器以及與電機控制器分別相連的蓄電池、超級電容，蓄電池在與功率開關(guān)相連后接入電機控制器，超級電容與雙向DC/DC變換器相連后接入電機控制器，所述功率開關(guān)包括并聯(lián)的兩個P溝道MOS管，雙向DC/DC變換器包括四個N溝道MOS管以及一個儲能電感，四個N溝道MOS管兩兩組成半橋結(jié)構(gòu)，儲能電感的兩端分別接于兩半橋結(jié)構(gòu)的中間，其中第一半橋與功率開關(guān)的一端相連，功率開關(guān)的另一端與蓄電池的一極相連，第一半橋的另一端與蓄電池的另一極相連，蓄電池的另一極與超級電容的的一極相連，第二半橋與超級電容并聯(lián)，PWM脈沖加在變換器N溝道MOS管的柵極。本發(fā)明不僅能夠進行大功率放電，改善電動汽車起動、加速、爬坡性能，延長蓄電池使用壽命；還能夠進行大功率充電，快速回收車輛再生制動時的能量，提高電動汽車的一次充電續(xù)駛里程。
文檔編號H02P27/06GK102647150SQ20121011615
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者尹小梅, 曹秉剛, 李進, 王麗平, 王 鋒, 陳林, 陳鋼 申請人:西安交通大學蘇州研究院