CN102570571A - 一种汽车的混合能量存储装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽车的混合能量存储装置，属于汽车能量技术领域。它解决了现有技术中的混合能量存储装置控制难度高，不便集中管理，多个储能单元和负载之间的有效结合具有难度的问题。本汽车混合能量存储装置包括用于存储或产生汽车内各种能量的若干个储能单元、具有若干个端口的多端口双向DC/DC变换器和用于把直流电转换成交流电的逆变器，若干个储能单元和逆变器分别依次连接于多端口双向DC/DC变换器，多端口双向DC/DC变换器用于实现若干个储能单元之间、储能单元和负载之间的连接和通讯。本能量存储装置能够通过单个DC/DC变换器实现多个能量存储单元之间的有效结合，便于储能装置和负载之间的能量控制。

Description

一种汽车的混合能量存储装置

技术领域

本发明属于汽车能量技术领域，涉及一种汽车混合能量存储装置。

背景技术

近年来，由于能源危机和环境污染，世界各地均在投入巨资开发新能源，并应用于汽车上发展形成多种能源共生的混合动力汽车。多种能量相互作用的车随着行驶状态的改变，频繁的切换储能装置的工作状态，储能装置的动态转变性能的好坏，直接决定汽车动力***的响应速度。现有的储能单元很多有超级电容、动力电池、太阳能电池、沼气电池等等，在控制储能单元的相互转换和应用上就需要混合能量储存装置，混合能量储存装置是将两个或多个能量储存装置组合在一起，使每一个能量储存装置都能显示其优点，并使其缺点可由其他的能量储存装置予以补偿。通常，对电动车而言，很难做到高比能量，高比功率的电池，但是通过两种或多种能量储存装置组合在一起，可以组合成高比能量，高比功率的混合能量储存装置，满足车辆的使用环境。但是如何实现混合储能装置与负载之间的有效结合，方便可靠的实现二者能量的高效传输还处于研究阶段。

所谓的DC/DC交换器的输入、输出端口调换后仍可完成电压变换功能，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输出端，从基本的变换器拓扑来看，用双向开关替换了单向开关，从而可实现能量的双向流动。

且中国专利文献公开了申请号为201120052511.X的一种直流高压双向DC/DC变换器储能装置，该装置包括燃料电池、DC/DC变换器、三相逆变器；燃料电池、DC/DC变换器、三相逆变器、电动机依次串联连接，在DC/DC变换器和三相逆变器之间并联连接双向DC/DC变换器，所述双向DC/DC变换器与能量存储单元串联连接。该装置结构简单，弥补了汽车启动、加速时电池所提供的瞬时功率不足。但该装置还存在在以下不足：1、该装置在多个储能单元时，仍然需要并联多个DC/DC变换器进行储能，结构不够简单，占用汽车空间大，且能量转变动态性能不高；2、该装置在多个储能单元时，需要多个通讯装置，成本较高；3、该装置需要多个装置进行控制，增加控制难度，不便于集中管理，增加了多个储能装置和负载之间的有效结合的难度。

发明内容

本发明针对现有的技术存在上述问题，提出了一种汽车混合能量存储装置，该能量存储装置能够通过单个DC/DC变换器实现多个能量存储单元之间的有效结合，便于储能装置和负载之间的能量控制。

本发明通过下列技术方案来实现：一种汽车混合能量存储装置，包括用于存储或产生汽车内各种能量的若干个储能单元、具有若干个端口的多端口双向DC/DC变换器和用于把直流电转换成交流电的逆变器，所述的若干个储能单元和逆变器分别依次连接于多端口双向DC/DC变换器，所述的多端口双向DC/DC变换器用于实现若干个储能单元之间、储能单元和负载之间的连接和通讯。

在汽车行驶的不同路况下，若干个储能单元之间的能量通过多端口双向DC/DC变换器进行调整，能实现多干个储能单元之间、储能单元和负载之间的连接和通讯，有效的控制对负载的能量最佳供给和存储方案。节约能源，同时单个多端口双向DC/DC变换器同步实现多个能量的传递，提高能量的控制效率。

在上述的汽车混合能量存储装置中，所述的多端口双向DC/DC变换器包括若干个输入级组合式电路和输出级电路，所述的输入级组合式电路和输出级电路通过多绕组的高频变压器进行连接。选用具有若干个输入级组合式电路可根据实际车辆中的储能单元的不同形式，如动力电池、超级电容、太阳能电池、燃料电池等多种能量在车辆的混合应用。实现了一个多端口双向DC/DC变换器就能控制多个能量的输出。

在上述的汽车混合能量存储装置中，所述的输入级组合式电路包括若干个相同的低压半桥电路，所述的低压半桥电路的输出端与高频变压器初级线圈串联连接。每个输入级储能单元通过低压半桥电路进行整流成直流电，直流电通过高频变压器升压。半桥整流电路产生具有半波的间断脉动的直流电，作为混合能量存储装置的输入端使用半桥整流对储能单元之间的充放电效果更好。

在上述的汽车混合能量存储装置中，所述的输出级电路为高压半桥电路，所述的高压半桥电路输入端与高频变压器的次级线圈串联连接。储能单元的能量通过高频变压器升压后通过高压半桥电路整流输出。

在上述的汽车混合能量存储装置中，所述的每一个低压半桥电路包括上部IGBT和下部IGBT，所述的上部IGBT的源极与下部IGBT的漏极串联连接，所述的下部IGBT的漏极和源极通过电感连接于储能单元；所述的上部IGBT的漏极与下部IGBT的源极之间串联连接有两个电容，上部IGBT的源极串联电感和上部IGBT的漏极串联电容与高频变压器初级线圈连接形成低压半桥电路的输出回路。每一个低压半桥电路通过与控制单元连接IGBT的门极的通断来控制储能单元的能量输出或输入。这个就可以多个低压半桥电路控制多个储能单元，同时半桥整流电路产生具有半波的间断脉动的直流电，作为混合能量存储装置的输入端使用半桥整流对储能单元之间的充放电效果更好。

在上述的汽车混合能量存储装置中，所述的每一个高压半桥电路包括上部IGBT和下部IGBT，所述的上部IGBT的源极与下部IGBT的漏极串联连接，所述的上部IGBT的漏极与下部IGBT的源极之端并联连接有两个串联连接的电容，上部IGBT的源极和上部IGBT的漏极串联电容与高频变压器次级线圈连接形成高压半桥电路的输入回路，所述的上部IGBT的漏极与下部IGBT的源极还并联连接有第三电容，所述第三电容为退耦电容，第三电容的两端用于连接负载的输出端。通过高频变压器变压后产生的高压电流进行再次半波整流，使高压电更加平滑稳定，适用负载用电。第三电容为退耦电容并接于输出电路的正负极之间，可防止电路通过电源内阻形成的正反馈通路而引起的寄生振荡。

在上述的汽车混合能量存储装置中，所述的每一个IGBT的漏极和源极之间还并联连接有二极管和电容，所述的二极管在每一个IGBT的漏极和源极为反向连接。当电流流过IGBT的漏极和源极并联的二级管和电容实现整流。

在上述的汽车混合能量存储装置中，所述的多端口双向DC/DC变换器包含具有2-4输入级低压半桥电路与相匹配的高频变压器初级线圈串联组合。

在上述的汽车混合能量存储装置中，所述的多端口双向DC/DC变换器通过直流母线与逆变器的输入端连接，逆变器通过交流母线输出。通过直流母线和交流母线进行连接减少了车辆内的电线束。

现有技术相比，本汽车混合能量存储装置供电装置具有以下优点：

1、本汽车混合能量存储装置通过一个多端口双向DC/DC变换器实现多个不同储能单元与负载之间的能量转换。使不同的储能单元的优点得到充分的发挥，且不同的储能单元不足可以相互弥补，从而延长了各储能单元的循环寿命。

2、本汽车混合能量存储装置通过控制多个输入级的半桥电路的整流和变压再半桥整流输出，具有相同的桥式电路，实现了多个储能单元和负载之间电能的双向流动。

3、本汽车混合能量存储装置通过一个多端口双向DC/DC变换器就能实现多个不同的能量变换和传输，使多个储能单元有效结合，便于汽车内能量的集中管理和控制

4、本汽车混合能量存储装置充分利用半桥电路的特性，不仅使整个能量存储装置更加简单易实现，减少占用汽车空间，同时能量之间的传输效率更高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是基于多端口双向DC/DC变换器的结构示意图；

图3是二端口双向DC/DC变换器的结构示意图。

图中1、多端口双向DC/DC变换器；2、逆变器；A、直流母线；B、交流母线；TR、高频变压器。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1，图2所示，本汽车混合能量存储装置包括用于存储或产生汽车内各种能量的若干个储能单元、具有若干个端口的多端口双向DC/DC变换器1和用于把直流电转换成交流电的逆变器2，若干个储能单元和逆变器分别依次连接于多端口双向DC/DC变换器，多端口双向DC/DC变换器用于实现若干个储能单元之间、储能单元和负载之间的连接和通讯。多端口双向DC/DC变换器1通过直流母线A与逆变器2的输入端连接，逆变器2通过交流母线B输出。

多端口双向DC/DC变换器1包括若干个输入级组合式电路和输出级电路，输入级组合式电路和输出级电路通过多绕组的高频变压器TR进行连接。输入级组合式电路包括若干个相同的低压半桥电路，低压半桥电路的输出端与高频变压器初级线圈串联连接；输出级电路为高压半桥电路，高压半桥电路输入端与高频变压器TR的次级线圈串联连接。多端口双向DC/DC变换器1的最优选包含具有2-4输入级低压半桥电路与相匹配的高频变压器TR初级线圈串联组合。

如图3所示，详细阐述具有两个端口的双向口DC/DC变换器的结构原理和连接方式，一个低压半桥电路包括上部IGBT Q₁和下部IGBT Q₃，上部IGBT Q₁的源极与下部IGBT Q₃的漏极串联连接，下部IGBT Q₃的漏极和源极通过电感L₁连接于储能单元V_in1；上部IGBT Q₁的漏极与下部IGBT Q₃的源极之间串联连接有两个电容C₁、C₆，上部IGBT Q₁的源极串联电感L₂和上部IGBT Q₁的漏极串联电容C₁与高频变压器TR初级线圈连接形成低压半桥电路的输出回路，作为下一个电路的电源V_S，或下部IGBTQ₃的漏极串联电感L₂和下部IGBT Q₃的源极串联电容C₆与高频变压器TR初级线圈连接形成低压半桥电路的输出回路。第二个低压半桥电路与上述的低压半桥电路元器件和连接电路相同，包括上部IGBT Q₄和下部IGBTQ₆，上部IGBT Q₄的源极与下部IGBT Q₆的漏极串联连接，下部IGBT Q₆的漏极和源极通过电感L₃连接于储能单元V_in2；上部IGBT Q₄的漏极与下部IGBT Q₆的源极之间串联连接有两个电容C₈、C₁₃，上部IGBT Q₄的源极串联电感L₄和上部IGBT Q₄的漏极串联电容C₈与高频变压器TR另一初级线圈连接形成低压半桥电路的输出回路，或下部IGBT Q₆的漏极串联电感L₄和下部IGBT Q₆的源极串联电容C₁₃与高频变压器TR初级线圈连接形成低压半桥电路的输出回路。在上述的每一个IGBT Q₁、Q₃、Q₄、Q₆的漏极和源极之间还分别并联连接有二极管D₁、D₃、D₄、D₆和电容C₂、C₅、C₉、C₁₂，二极管D₁、D₃、D₄、D₆在每一个IGBT的漏极和源极为反向连接，储能单元V_in1和储能单元V_in2为不相同的储能单元。

每一个高压半桥电路包括上部IGBT Q₂和下部IGBT Q₅，上部IGBTQ₂的源极与下部IGBT Q₅的漏极串联连接，上部IGBT Q₂的漏极与下部IGBT Q₅的源极之端并联连接有两个串联连接的电容C₄、C10，上部IGBT Q₂的源极和上部IGBT Q₂的漏极串联电容与高频变压器TR次级线圈连接形成高压半桥电路的输入回路，上部IGBT Q₂的漏极与下部IGBT Q₅的源极还并联连接有第三电容C₇，第三电容C₇为退耦电容，第三电容C₇的两端为用于连接负载的输出端。在上述的IGBT Q₂、Q₅的漏极和源极之间还并联连接有二极管D₂、D₅和电容C₃、C₁₁，二极管D₂、D₅在每一个IGBT的漏极和源极为反向连接。上述并联于IGBT发射极和漏极并联连接的电容C₁、C₆ C₈、C₁₃、C₄、C₁₀为中和电容，用于克服IGBT极间电容而引起的自激振荡。

本装置采用多端口双向的DC/DC变换器1实现了每个输入端与输出端之间的双向功率流动，可以适用二种或多种不同的储能单元，如动力电池和超级电容器之间的有效结合，或者动力电池、超级电容器和太阳能电池之间能量的有效结合，甚至采用燃料电池等，根据可以多端口双向的DC/DC变换器1的相应个数的输入级可以实现多个不同储能单元之间的有效结合。储能单元的能量通过多端口双向的DC/DC变换器1控制输出有效电能，再通过逆变器2进行转换成交流电源，提供给车辆的负载。本装置只需一个多端口双向DC/DC变换器1对不同的储能装置进行集中控制和管理，结构简单，方便通讯，并且可以弥补各储能装置的不足，发挥其优点，延长各储能装置的使用寿命。同时，可以实现多个储能装置之间的不同的组合。

以下列举具有两个和三个不同储能单元的汽车混合能量存储装置的工作原理如下：

(1)以多端口双向的DC/DC变换器1实现动力锂电池和超级电容器的两者有效结合。当车辆加速、爬坡时，超级电容器和动力电池分别通过多端口双向的DC/DC变换器1的相应半桥电路的控制输出统一的直流高压电，直流高压电经直流母线传输给逆变器进行逆变转换成高压交流电，再通过交流母线向负载传送电能，控制两个储能单元同时给负载供电，实现高功率状态下的高效率和高性能；当车辆需求功率低时如巡航状态时，只需动力电池向负载提供电能，且动力电池多余的能量可对超级电容器充电，通过多端口双向的DC/DC变换器的特定结构，可双向传输能量，实现低功率时的最优能量供应模式，恢复超级电容器在高功率状态时失去的电荷量；当再生制动时，峰值功率将主要由超级电容器进行吸收，而仅有限部分为动力锂电池吸收。该装置利用了动力锂电池高比能量、超级电容器高比功率的特点，发挥了两者的优点，弥补其不足，具有高比能量，高比功率，长使用寿命等优点。

(2)利用多端口双向的DC/DC变换器1实现为动力锂电池、超级电容器和太阳能电池三者组成混合能量储存装置。当车辆加速、爬坡时，超级电容器、动力电池、太阳能同时向负载传送功率；当车辆需求功率低时如巡航状态时，动力电池和太阳能电池将向负载传送功率，并对超级电容器充电，恢复其在高功率状态时失去的电荷量；当再生制动时，峰值功率将主要由超级电容器进行吸收，而仅有限部分为动力锂电池吸收。另外，此结构中太阳能电池受光照影响较大，当在光照条件好的时候，太阳能电池可以对动力锂电池进行充电，补充能量的损失。在正常情况下，通过动力锂电池来提供较低的连续功率，出现大电流的负荷脉动时，通过超级电容器来提供瞬时峰值功率，从而大幅度提高该储能***的性能，通过各个***之间的互补，延长储能***的使用寿命。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了多端口双向DC/DC变换器1、逆变器2、直流母线A、交流母线B、高频变压器TR等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种汽车混合能量存储装置，其特征在于，包括用于存储或产生汽车内各种能量的若干个储能单元、具有若干个端口的多端口双向DC/DC变换器(1)和用于把直流电转换成交流电的逆变器(2)，所述的若干个储能单元和逆变器(2)分别依次连接于多端口双向DC/DC变换器(1)，所述的多端口双向DC/DC变换器(1)用于实现若干个储能单元之间、储能单元和负载之间的连接和通讯。

2.根据权利要求1所述的汽车混合能量存储装置，其特征在于，所述的多端口双向DC/DC变换器(1)包括若干个输入级组合式电路和输出级电路，所述的输入级组合式电路和输出级电路通过多绕组的高频变压器(TR)进行连接。

3.根据权利要求2所述的汽车混合能量存储装置，其特征在于，所述的输入级组合式电路包括若干个相同的低压半桥电路，所述的低压半桥电路的输出端与高频变压器(TR)初级线圈串联连接。

4.根据权利要求2或3所述的汽车混合能量存储装置，其特征在于，所述的输出级电路为高压半桥电路，所述的高压半桥电路输入端与高频变压器(TR)的次级线圈串联连接。

5.根据权利要求4所述的汽车混合能量存储装置，其特征在于，所述的每一个低压半桥电路包括上部IGBT和下部IGBT，所述的上部IGBT的源极与下部IGBT的漏极串联连接，所述的下部IGBT的漏极和源极通过电感连接于储能单元；所述的上部IGBT的漏极与下部IGBT的源极之间串联连接有两个电容，上部IGBT的源极串联电感和上部IGBT的漏极串联电容与高频变压器(TR)初级线圈连接形成低压半桥电路的输出回路。

6.根据权利要求5所述的汽车混合能量存储装置，其特征在于，所述的每一个高压半桥电路包括上部IGBT和下部IGBT，所述的上部IGBT的源极与下部IGBT的漏极串联连接，所述的上部IGBT的漏极与下部IGBT的源极之端并联连接有两个串联连接的电容，上部IGBT的源极和上部IGBT的漏极串联电容与高频变压器(TR)次级线圈连接形成高压半桥电路的输入回路，所述的上部IGBT的漏极与下部IGBT的源极还并联连接有第三电容，所述第三电容为退耦电容，第三电容的两端用于连接负载的输出端。

7.根据权利要求6所述的汽车混合能量存储装置，其特征在于，所述的每一个IGBT的漏极和源极之间还并联连接有二极管和电容，所述的二极管在每一个IGBT的漏极和源极为反向连接。

8.根据权利要求7所述的汽车混合能量存储装置，其特征在于，所述的多端口双向DC/DC变换器(1)包含具有2-4输入级低压半桥电路与相匹配的高频变压器(TR)初级线圈串联组合。

9.根据权利要求1所述的汽车混合能量存储装置，其特征在于，所述的多端口双向DC/DC变换器(1)通过直流母线(A)与逆变器(2)的输入端连接，逆变器(2)通过交流母线(B)输出。

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