CN104113091A - 可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑 - Google Patents

Abstract

升压电路广泛应用于电动汽车、电压、直流电机驱动等领域。如电动汽车行业：目前普遍采用蓄电池供电，通过升压电路将电压提升后，在连接车载逆变器实现对直流电机或交流电机的控制。因此升压电路的设计和性能直接影响了***的特性。然而，传统拓扑依然存在大量的电池串联。大量的电池单体串联会导致长期使用后，由于电池特性的不一致难以避免，会导致各单体电池电压不均衡，充放电深度不同，从而影响***效率，降低使用寿命。本发明是一种可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑。采用本发明，以某一组电池作为电能控制单元，通过层叠式升压电路控制各层级之间的电压，从而帮助低压电池组实现恒压控制。本发明的采用，能够显著提高升压***中各电池单体或低压电池组之间的电压均衡性，从而提升***稳定性和可靠性，进而提升车辆***的续航里程。

Description

可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑

技术领域

本发明是一种采用功率开关器件和电感、电容等无源器件组成的可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑。可以作为供电电源使用，或直接驱动负载电机。采用层叠式结构可独立控制各层的电压，能够控制能量双向流动，用于电动汽车领域可实现低压电池组的分段电压管理，有利于稳定各级电池组电压，提升电池利用率和使用寿命，延长续航里程。

背景技术

随着电力电子技术的迅猛发展，在新能源发电、轨道交通、电动汽车伺服控制、调速***等各个领域，电力电子***都得到了广泛的应用。如电动汽车行业：目前普遍采用蓄电池供电，通过升压电路将电压提升后，在连接车载逆变器实现对直流电机或交流电机的控制。因此升压电路的设计和性能直接影响了***的特性。然而，传统拓扑依然存在大量的电池串联。大量的电池单体串联会导致长期使用后，由于电池特性的不一致难以避免，会导致各单体电池电压不均衡，充放电深度不同，从而影响***效率，降低使用寿命。本发明是一种采用功率开关器件和电感、电容等无源器件组成的可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑。采用本发明，以某一组电池作为电能控制单元，通过层叠式升压电路控制各层级之间的电压，从而帮助低压电池组实现恒压控制。本发明的采用，能够显著提高升压***中各电池单体或低压电池组之间的电压均衡性，从而提升***稳定性和可靠性，进而提升车辆***的续航里程。

发明内容：

首先，作为输入，U₀、L₀、S₀与S_n、U_n可独立的组成多组升压电路。当U₁电压低于设定的基准电压时，可控制S₀和S₁₁，使得U₀为U₁充电。当U₁电压高于基准电压时，可控制S₀和S₁₂，使得U₁向U₀放电。当U₂电压低于设定的基准电压时，可控制S₀和S₂₁，使得U₀为U₁和U₂整体充电；随后再控制S₀和S₁₂，使得U₁向U₀放电，从而实现了只提高U₂电压而不改变U₁电压的功能。当U₂电压高于设定的基准电压时，可控制S₀和S₂₂，使得U₁和U₂整体向U₀放电；随后再控制S₀和S₁₁，使得U₀向U₁充电，从而实现了只降低U₂电压而不改变U₁电压的功能。其它电池组的控制过程依次类推。

附图说明：

图1 为可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑结构图

图2 为控制***的结构图；

图3 双向开关的形式构成图；

 [0005]具体实施方式：

为实现上述目的，本发明采用以下方案：

本发明为可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑，其实现一般基于全数字控制器，包括DSP、各类单片机、CPLD或FPGA。由权利要求1可知，升压电路的稳态电压与开关器件的占空比成比例关系。通过传感器或分压电路采样各级当前电压，在控制器中进行电压排序，并与基准电压进行比较。如电压均高于基准电压，则依据电压值依次对电压最高、次高……的单元放电。如电压均低于基准电压，则依据电压值依次对电压最低、次低……的单元充电。如部分单元电压高于基准电压，部分低于基准电压，则依据电压差值进行排序，分别对电压较高的进行放电，电压较低的进行充电。最终，实现各级电压均衡。

Claims (8)

1.一种由功率开关器件组成的可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑，如图1所示；其特征在于：包括由电源、电容、电感、电阻、电力电子器件组成的硬件***；该结构具有能量双向控制，可扩展性，层叠数量可依据不同应用场合递增或递减的特点。

2. 由权利要求1可推知，采用DSP、单片机、CPLD或FPGA的控制器控制功率开关器件的***结构，如图2所示；其特征在于：控制***由DSP或单片机，电力电子器件的驱动电路，电流、电压、转速传感器及其AD采样电路，其它辅助电路组成；其功能包括：监控并计算电机的转速、电流、电压等信息计算，计算开关器件导通和关断占空比，门控信号输出，实现负载电机控制或作为电源输出给负载供电等。

3. 由权利要求1可推知，开关S₁至S_n为双向开关，以S₁为例，包括S₁₁，S₁₂，以次类推；此外，以IGBT为例，双向开关结构既可以共发射极连接，也可以共集电极连接，或采用二极管桥与单个开关器件组成双向开关均在保护范围内；如图3所示；图3中，以IGBT为例自左至右分别为共发射极连接、共集电极连接和采用二极管桥与单个开关器件组成的三种双向开关。

4. 该拓扑结构连接如下所示：输入电源U₀的正极接电感一端；电感另一端与开关器件（如果是IGBT则为集电极，如果是MOSFET则为D极）上端和S₁至S_n的一侧连接；S₁至S_n的另一侧与电源U₁至U_n的正极连接；电源U₁至U_n的负极依次连接到下一级电源的正极，U₁的负极与U₀的负极、S₀的下端（如果是IGBT则为发射极，如果是MOSFET则为S极）连接；电容C₁至C_n与电源U₁至U_n并联；电阻R₁至R_n与电源U₁至U_n并联。

5.由权利要求1可推知，电源可以是直流电源，电池，超级电容，电容器等各类直流供电与储能***。

6. 由权利要求以可推知，电力电子器件包括二极管、MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、晶闸管、三极管等各类半导体器件。

7. 由权利要求1、2可推知，控制方法与普通升压电路类似，每层升压部分可独立控制，能量可以双向流动。

8. 有权利要求1、4可推知，C1至Cn起到了稳定电源，消除谐波的作用；R1至Rn起到了均压电阻的作用；当电源为超级电容、电池、电容器时，C₁至C_n，R₁至R_n可以去掉，去掉C₁至C_n和R₁至R_n后的电路也在本专利保护范围内。