CN107517001A - 一种可重构的dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可重构的DC/DC变换器，属于电力电子技术和新能源技术领域。本发明包含一个拥有三个外部端口的DC/DC变换器，三个端口分别连接直流负载或电源，内部的DC/DC变换器用于实现两个内部端口间的功率变换。本发明还包含第一切换开关和第二切换开关，第一切换开关将外部端口Ⅰ或外部端口Ⅲ连接到内部端口Ⅰ，第二切换开关将外部端口Ⅱ或外部端口Ⅲ连接到内部端口Ⅱ。本发明可实现内部的两端口DC/DC变换器的分时复用，以实现三个外部端口所连接的直流负载或电源中的任两个之间的功率变换，从而减少了功率器件的数量。本发明实施例，电网对储能电池的充电和储能电池对电动汽车的充电都只通过一个基本的两端口DC/DC变换器，显著提高了充电效率与设备利用率。

Description

一种可重构的DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域和新能源技术领域，尤其涉及一种可重构的DC/DC变换器。
背景技术
直流微电网通过公共直流母线将直流的电源和负载不通过交流变换的中间过程而直接进行功率交换。多数直流电源如储能电池和有源整流的直流侧亦可运行在直流负载模式下，其功率是双向的。储能电池和大多数可再生能源的输出电压类型均是直流，且众多民用和商用负载内部均是直流。即使是变频驱动这样的大功率工业应用领域，同样需要直流电压。目前迅速发展的电动汽车直流快速充电桩也是一个日益庞大的直流负载，直接将连接在公共直流母线上的储能电池向直流充电桩提供能量，可以有效的解决直流快充桩对电网的冲击问题，而且比起共交流母线的储能式直流快充桩来说，省去了两个交直流功率变换环节，效率更高。
当前应用于直流微电网中的功率变换的架构，普遍存在着设备利用率不高，额外能量转换环节过多和效率低下的情况。其主要问题在于每一个直流电源或负载都需要一个DC/DC变换器连接到公共直流母线上。比如说将储能电池的能量传递给直流快充桩的输出母线就仍需要经过两个DC/DC变换器，其中一个DC/DC变换器连接储能电池与公共直流母线，另一个DC/DC变换器连接公共直流母线和直流快充桩的输出母线，这样一方面造成了功率变换效率的降低；另一方面由于峰电时段不宜储能，而谷电时段则无车快充，两个DCDC变换器各有相当的闲置时间，设备利用率低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可重构的DC/DC变换器，通过在原有的变换器结构上，通过切换开关的使用增加变换器的外部端口数，实现原有变换器的分时复用，提升***的整体效率与利用率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可重构的DC/DC变换器，所述的可重构的DC/DC变换器的内部包含一个两端口的DC/DC变换器，用于实现内部端口Ⅰ和内部端口Ⅱ之间的功率变换；该可重构的DC/DC变换器***的外部还设置有外部端口Ⅰ、外部端口Ⅱ和外部端口Ⅲ，每个外部端口各连接一个直流设备；所述的可重构的DC/DC变换器还包含第一切换开关和第二切换开关，所述第一切换开关将所述外部端口Ⅰ或所述外部端口Ⅲ与所述内部端口Ⅰ相连；所述第二切换开关将所述外部端口Ⅱ或所述外部端口Ⅲ与所述内部端口Ⅱ相连，当所述的可重构的DC/DC变换器工作时，有两个直流设备分别接入所述内部端口Ⅰ和所述内部端口Ⅱ。
进一步，所述的两端口的DC/DC变换器为所述内部端口Ⅰ到所述内部端口Ⅱ的升压型或降压型DC/DC变换器。
进一步，所述的两端口的DC/DC变换器在所述内部端口Ⅰ与所述内部端口Ⅱ之间具有单向或双向的功率流动。
进一步，所述的两端口的DC/DC变换器为隔离型DC/DC变换器或非隔离型DC/DC变换器；
当所述的两端口的DC/DC变换器为非隔离型DC/DC变换器时，所述第一切换开关和第二切换开关实现单刀双掷的功能，其中所述第一切换开关的公共点连接至所述内部端口Ⅰ的正极，所述第一切换开关的二选一触点之一连接至所述外部端口Ⅰ的正极，所述第一切换开关的另一个触点连接至所述外部端口Ⅲ的正极，所述第二切换开关的公共点连接至所述内部端口Ⅱ的正极，所述第二切换开关的二选一触点之一连接至所述外部端口Ⅱ的正极，所述第二切换开关的另一个触点连接至所述外部端口Ⅲ的正极；
当所述的两端口的DC/DC变换器为隔离型DC/DC变换器时，所述第一切换开关和第二切换开关实现双刀双掷的功能，所述第一切换开关的公共触点组连接至所述内部端口Ⅰ的正负极，所述第一切换开关的二选一触点组之一连接至所述外部端口Ⅰ的正负极，所述第一切换开关的另一组触点连接至所述外部端口Ⅲ的正负极，所述第二切换开关的公共触点组连接至所述内部端口Ⅱ的正负极，所述第二切换开关的二选一触点组之一连接至所述外部端口Ⅱ的正负极，所述第二切换开关的另一组触点连接至所述外部端口Ⅲ的正负极。
进一步，所述第一切换开关与所述第二切换开关有如下三种工作方式，
Ⅰ当所述第一切换开关将与所述外部端口Ⅰ相连的直流设备与所述内部端口Ⅰ相连，所述第二切换开关将与所述外部端口Ⅱ相连的直流设备与所述内部端口Ⅱ相连时，此时连接在所述外部端口Ⅰ的直流设备通过所述两端口的DC/DC变换器与连接在所述外部端口Ⅱ的直流设备进行单向或双向的功率交换；
II当所述第一切换开关将与所述外部端口Ⅰ相连的直流设备与所述内部端口Ⅰ相连，所述第二切换开关将与所述外部端口Ⅲ相连的直流设备与所述内部端口Ⅱ相连时，此时连接在所述外部端口Ⅰ的直流设备通过所述两端口的DC/DC变换器与连接在所述外部端口Ⅲ的直流设备进行单向或双向的功率交换；
ⅡI当所述第一切换开关将与所述外部端口Ⅲ相连的直流设备与所述内部端口Ⅰ相连，所述第二切换开关将与所述外部端口Ⅱ相连的直流设备与所述内部端口Ⅱ相连时，此时连接在所述外部端口Ⅲ处的直流设备通过所述两端口的DC/DC变换器与连接在所述外部端口Ⅱ处的直流设备进行单向或双向的功率交换。
进一步，所述第一切换开关和第二切换开关的实现方式可以是单刀双掷开关、双刀双掷开关、两个分立的单刀单掷开关的组合中的一种，而其具体采用的器件可以是继电器、接触器、固态开关、电力电子开关中的一种。
与现有技术相比，本发明的突出优点在于：
本发明通过切换开关的加入，拓展了DC/DC变换器的端口数，可以在单个变换器拓扑上实现更多直流设备之间的两两互联，实现了变换器的分时复用，从而毋须为每两个直流设备间配备一个专用的变换器，节省了变换器的投入量，降低了整个***的构建成本，此外，直流设备间互联时的能量转换环节减少，提升了***的效率。
同时本发明的结构简单，本发明提出的可重构的DC/DC变换器仅在原有的变换器结构上做出简单的改动，便实现了端口数量的拓展，功能增加的同时保留了***的简洁度，使其易于实现并应用到工程实际当中。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明结构示意图；
图2为以非隔离型DC/DC变换器作为基本的两端口DC/DC变换器的结构图；
图3为以隔离型DC/DC变换器作为基本的两端口DC/DC变换器的结构图；
图4本发明第一种实施例模式一电路图；
图5本发明第一种实施例模式二电路图；
图6本发明第一种实施例模式三电路图；
图7本发明第二种实施例电路图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合具体实施例对本发明进行详细说明。显而易见地，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但其并不构成对本发明的限制，对本领域的技术人员来说，可以在本发明的总体构思下创造出类似的附图。这些都属于本发明的保护范围。
图2是以非隔离型DC/DC变换器作为基本的两端口DC/DC变换器的结构图，该结构包括一个非隔离型DC/DC变换器和两个切换开关K1和K2。在基于非隔离型DC/DC的结构当中，两个切换开关需要实现单刀双掷的功能。对于切换开关K1，其公共触点连接到D端口的正极，另外两个触点分别连接到A端口和B端口的正极。对于切换开关K2，其公共触点连接到E端口的正极，另外两个触点分别连接到B端口和C端口的正极。此处的切换开关在实际应用中可以使用继电器、接触器及其他类型的开关。切换开关使用单刀双掷开关只是为了简化结构表达，实际应用中，可以根据需求对切换开关的实现形式进行调整。
图3是以隔离型DC/DC变换器作为基本的两端口DC/DC变换器的结构图，该结构包括一个隔离型DC/DC变换器和两个切换开关K1和K2。在基于隔离型DC/DC的结构当中，两个切换开关需要实现双刀双掷的功能。对于切换开关K1，其公共触点连接到D端口，另外两个触点分别连接到A端口和B端口。对于切换开关K2，其公共触点连接到E端口，另外两个触点分别连接到B端口和C端口。切换开关使用双刀双掷开关只是为了简化结构表达，实际应用中，可以根据需求对切换开关的实现形式进行调整。
本实施例中的应用场景为新型储能式电动汽车直流充电桩，以下介绍的具体设备配置都是以该应用场景为基础的。
本实施例是以半桥非隔离型DC/DC变换器作为基本的两端口DC/DC变换器的具体实施方式，包括：一个功率器件半桥模块(器件如IGBT或MOSFET等)，一个电感器，两个电容器(组)。其中，端口A连接由AC侧整流获得的公共直流母线，端口C直接或通过接触器连接电动汽车充电桩的输出直流母线。而端口B连接储能电池(组)。其中，公共直流母线的电压(如700V上下)高于储能电池的正常工作电压(如600V上下)，而储能电池的正常工作电压范围高于电动汽车的动力电池组的正常工作电压范围(如350V，充电桩的输出直流母线的电压由有充电连接的电动汽车动力电池电压决定)，此时有三种工作模式：
模式1：该工作模式下的结构图，如图4所示，A端口的正极连接D端口的正极，而B端口的正极连接E端口的正极，公共直流母线与储能电池之间进行DC/DC变换，主要是通过电网侧的整流对于储能电池充电，也可以是储能电池的能量回馈电网。
模式2：该工作模式下的结构图如图5所示，A端口的正极连接D端口的正极，而C端口的正极连接E端口的正极，B端口悬空，公共直流母线与电动汽车充电桩的输出直流母线之间进行DC/DC变换，主要是通过电网侧的整流对于电动汽车动力电池充电，也可以是将电动汽车的动力电池的能量回馈电网。
模式3：该工作模式下的结构图如图6所示，B端口连接D端口，而C端口连接E端口，储能电池与充电桩的输出直流母线之间进行DC/DC变换，主要是直接以储能电池对连接在充电桩的输出直流母线上的电动汽车动力电池组进行充电，同时兼具把电动汽车动力电池组的能量回馈给储能电池的功能(此功能并不会常用)。
与现有技术相比，本发明在此具体实施方式应用中的突出优点在于：
将储能电池与直流充电桩用共直流母线的结构较之于过去的共交流母线的储能***与充电机的***结构，避免了两次交直流的功率转换，提升了效率。但是，公共直流母线通过两个独立的DC/DC变换器分别连接储能电池和充电桩输出母线，这样导致储能电池对充电桩提供能量时需要两级直流变换，损失了功率变换效率。而本发明中的模式1、2和3中所涉及的直流直流功率变换只有一个半桥功率模块的转换环节，或者是公共直流母线直接对储能电池充电，或者是储能电池直接对电动汽车的动力电池充电，或者是公共直流母线直接对电动汽车的动力电池充电，这样便有效地提高了功率变换效率。
另一方面，储能式充电桩/站的目标是避免电动汽车快充对电网的冲击与相应的电网增容需求，其基本运行原则是利用谷电时段(深夜)将储能电池充满，在峰电时段(白天与傍晚)以储能电池对电动汽车充电桩提供能量。本发明利用了谷电时段基本没有电动汽车用户的直流快充需求，而峰电时候又不应进行大功率储能的这一现实，通过巧妙复用同一台DC/DC变换器，在谷电时段进行电网对储能电池的充电，而在峰电时段则进行储能电池对电动汽车充电，从而避免了在传统方案中充电桩的功率变换器在谷电时段基本闲置的问题，和连接储能电池的功率变换器在峰电时段几乎闲置的问题，大幅提高了设备利用率并降低了***成本。同时在谷电时段如果有偶发性的电动汽车直流充电需求，也可以采用模式3来直接通过电网来对电动汽车动力电池充电。
本发明的另一种实施方式如图7所示，将多个本发明中所述的可重构DC/DC变换器进行并联运行，可以在实现大功率输入输出的同时，保证储能电池组的小颗粒度，避免多个电池支路的并联形成的环流，而造成电池组整体均衡的困难和巨大的电池管理额外成本。
同时各个与可重构DC/DC变换器所连接的电池组各自悬浮，在并联运行时，不会产生高频环流，因此无需采用隔离型的DC/DC变换器，从而***整体功率变换效率更高。
同时，可以调度部分可重构DC/DC变换器将储能电池能量输送到充电桩输出直流母线，部分可重构DC/DC变换器将公共直流母线(来自电网的能量)的能量输送到充电桩输出直流母线，从而以储能电池和电网一起提供电动汽车的充电功率。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种可重构的DC/DC变换器，所述的可重构的DC/DC变换器的内部包含一个两端口的DC/DC变换器，用于实现内部端口Ⅰ和内部端口Ⅱ之间的功率变换；其特征在于：该可重构的DC/DC变换器***的外部还设置有外部端口Ⅰ、外部端口Ⅱ和外部端口Ⅲ，每个外部端口各连接一个直流设备；所述的可重构的DC/DC变换器还包含第一切换开关和第二切换开关，所述第一切换开关将所述外部端口Ⅰ或所述外部端口Ⅲ与所述内部端口Ⅰ相连；所述第二切换开关将所述外部端口Ⅱ或所述外部端口Ⅲ与所述内部端口Ⅱ相连，当所述的可重构的DC/DC变换器工作时，有两个直流设备分别接入所述内部端口Ⅰ和所述内部端口Ⅱ。
2.根据权利要求1所述的一种可重构的DC/DC变换器，其特征在于：所述的两端口的DC/DC变换器为所述内部端口Ⅰ到所述内部端口Ⅱ的升压型或降压型DC/DC变换器。
3.根据权利要求1所述的一种可重构的DC/DC变换器，其特征在于：所述的两端口的DC/DC变换器在所述内部端口Ⅰ与所述内部端口Ⅱ之间具有单向或双向的功率流动。
4.根据权利要求1所述的一种可重构的DC/DC变换器，其特征在于：所述的两端口的DC/DC变换器为隔离型DC/DC变换器或非隔离型DC/DC变换器；
当所述的两端口的DC/DC变换器为非隔离型DC/DC变换器时，所述第一切换开关和第二切换开关实现单刀双掷的功能，其中所述第一切换开关的公共点连接至所述内部端口Ⅰ的正极，所述第一切换开关的二选一触点之一连接至所述外部端口Ⅰ的正极，所述第一切换开关的另一个触点连接至所述外部端口Ⅲ的正极，所述第二切换开关的公共点连接至所述内部端口Ⅱ的正极，所述第二切换开关的二选一触点之一连接至所述外部端口Ⅱ的正极，所述第二切换开关的另一个触点连接至所述外部端口Ⅲ的正极；
当所述的两端口的DC/DC变换器为隔离型DC/DC变换器时，所述第一切换开关和第二切换开关实现双刀双掷的功能，所述第一切换开关的公共触点组连接至所述内部端口Ⅰ的正负极，所述第一切换开关的二选一触点组之一连接至所述外部端口Ⅰ的正负极，所述第一切换开关的另一组触点连接至所述外部端口Ⅲ的正负极，所述第二切换开关的公共触点组连接至所述内部端口Ⅱ的正负极，所述第二切换开关的二选一触点组之一连接至所述外部端口Ⅱ的正负极，所述第二切换开关的另一组触点连接至所述外部端口Ⅲ的正负极。
5.根据权利要求4所述的一种可重构的DC/DC变换器，其特征在于：所述第一切换开关与所述第二切换开关有如下三种工作方式，
Ⅰ当所述第一切换开关将与所述外部端口Ⅰ相连的直流设备与所述内部端口Ⅰ相连，所述第二切换开关将与所述外部端口Ⅱ相连的直流设备与所述内部端口Ⅱ相连时，此时连接在所述外部端口Ⅰ的直流设备通过所述两端口的DC/DC变换器与连接在所述外部端口Ⅱ的直流设备进行单向或双向的功率交换；
II当所述第一切换开关将与所述外部端口Ⅰ相连的直流设备与所述内部端口Ⅰ相连，所述第二切换开关将与所述外部端口Ⅲ相连的直流设备与所述内部端口Ⅱ相连时，此时连接在所述外部端口Ⅰ的直流设备通过所述两端口的DC/DC变换器与连接在所述外部端口Ⅲ的直流设备进行单向或双向的功率交换；
ⅡI当所述第一切换开关将与所述外部端口Ⅲ相连的直流设备与所述内部端口Ⅰ相连，所述第二切换开关将与所述外部端口Ⅱ相连的直流设备与所述内部端口Ⅱ相连时，此时连接在所述外部端口Ⅲ处的直流设备通过所述两端口的DC/DC变换器与连接在所述外部端口Ⅱ处的直流设备进行单向或双向的功率交换。
6.根据权利要求1所述的一种可重构的DC/DC变换器，其特征在于：所述第一切换开关和第二切换开关的实现方式可以是单刀双掷开关、双刀双掷开关、两个分立的单刀单掷开关的组合中的一种，而其具体采用的器件可以是继电器、接触器、固态开关、电力电子开关中的一种。
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