CN112072914A - 一种用于混合储能的三端口直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于混合储能的三端口直流变换器。变换器具有完全对称的结构，三个端口之间的能量可以任意流动，控制方式简单易实现。变换器可用于由电池、超级电容等典型储能元件构成的混合储能***，其中两个端口用于连接储能元件，第三个端口用于连接公共直流母线，实现在储能元件之间，或储能元件与公共直流母线之间的能量交换功能。

Description

一种用于混合储能的三端口直流变换器
技术领域
本发明涉及一种三端口直流变换器，具体涉及一种用于混合储能的三端口直流变换器。
背景技术
多端口直流变换器可以同时对多个输入和输出源进行功率管理和控制，具有高集成度、高效率和低成本等优点，从而在新能源发电、混合储能***等领域受到了关注。三端口变换器是一种典型的多端口变换器，其在混合储能、光伏发电、混合动力汽车供电、航天卫星供电等***中都有广泛的应用前景。
三端口变换器拓扑可分为隔离型和非隔离型两大类。隔离型拓扑可以实现电气隔离和高压比电压变换，但是存在体积大、效率低、电磁干扰严重等缺点。非隔离型具有拓扑简单和效率高的优势，但电压变化范围比较小。一种由三个双向buck-boost开关单元级联组合而成的三端口变换器，消除了中间母线电容，可减小变换器的体积、重量和成本，实现各个端口之间单级升降压功率变换，大大提高了变换器的变换效率和功率密度。但是，这种拓扑中三个端口的电感采用星型连接方式，在单输入双输出或双输入单输出的情况下，其中一个电感电流为其他两个电感的电流之和，因为采用对称结构，会导致其他两个的电感有较大的裕量；其次，由于在开关管处没有反向并联二极管，单桥臂上的两个开关管采用互补导通的脉冲驱动，存在死区问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于混合储能的三端口直流变换器，本发明的三端口拓扑可用于混合储能、电动汽车分布式充电等场合。该变换器采用完全对称的非隔离型结构，能量可以在三个端口之间任意流动，具有结构简单、控制灵活、体积较小、效率较高、电压变化范围较大等优点。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于混合储能的三端口直流变换器，采用完全对称的结构，包括：三个非隔离的端口，具体为端口1、端口2和端口3，每个端口均采用半桥结构，三个端口两两之间通过独立电感连接，每个端口均可作为输入或输出端口，但应至少有一个输入端口和一个输出端口。
在上述方案的基础上，所述端口1包括：电容C1、开关管Q11、开关管Qa和开关管Q12；
所述开关管Q11的发射极与开关管Qa的发射极连接，开关管Qa的集电极与开关管Q12的集电极连接，所述开关管Q11的集电极与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与开关管Q12的发射极连接。
在上述方案的基础上，所述端口2包括：电容C2、开关管Q21、开关管Qb和开关管Q22；
所述开关管Q21的发射极与开关管Qb的发射极连接，开关管Qb的集电极与开关管Q22的集电极连接，所述开关管Q21的集电极与电容C2一端连接，电容C2的另一端与开关管Q22的发射极连接。
在上述方案的基础上，所述端口3包括：电容C3、开关管Q31、开关管Qc和开关管Q32；
所述开关管Q31的发射极与开关管Qc的发射极连接，开关管Qc的集电极与开关管Q32的集电极连接，所述开关管Q31的集电极与电容C3的一端连接，电容C3的另一端与开关管Q32的发射极连接。
在上述方案的基础上，所述独立电感包括：独立电感L1、独立电感L2和独立电感L3。
在上述方案的基础上，所述开关管Qa的集电极还分别与独立电感L2的正极、独立电感L1的正极连接，独立电感L1的负极分别与独立电感L3的负极、开关管Qb的集电极连接，独立电感L2的负极分别与独立电感L3的正极、开关管Qc的集电极连接，开关管Q12的发射极还分别与开关管Q22的发射极、开关管Q32的发射极连接。
在上述方案的基础上，所述用于混合储能的三端口直流变换器包括三种工作模式，第一种工作模式为单输入单输出模式，其中有一个端口不工作；第二种工作模式为单输入双输出模块式，其中有一个端口的能量大于0，另外两个端口的能量小于0；第三种工作模式为双输入单输出模式，其中有两个端口的能量大于0，另外一个端口的能量小于0。
附图说明
本发明有如下附图：
图1三端口直流变换器。
图2能量流动示意图。
图3三种工作模式下的功率流向图。
图4SIDO模式工作波形。
图5SIDO模式各工作模态等效电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的三端口直流变换器拓扑如图1所示。
变换器的三个端口均采用半桥结构，上桥臂采用开关管发射极串联的形式，以保证反向阻断能力。当作为输出端口工作时，该端口上桥臂的反向串联开关管(Qa、Qb或Qc)保持导通，其他情况下该开关管保持关断。
如图1所示，变换器包含3个非隔离的端口，V1～V3分别为端口1～3的电压。三个端口两两之间通过独立电感进行能量传输，因为电路拓扑结构完全对称，所以端口1、2、3可以任意作为输入或输出端口，但应至少有一个输入端口和一个输出端口。变换器能量流动示意图如图2，根据开关管的工作状态和占空比大小，可以改变能量的传输方向和大小。
如果将变换器输入端口的能量标定为正，输出端口的能量标定为负，则在不考虑损耗的情况下，由能量守恒原理可知：
P1+P2+P3＝0 (1)
其中P1为端口1的能量，P2为端口2的能量，P3为端口3的能量。
根据各端口的能量流动方向的不同，该变换器存在如下的三种工作模式：
(1)其中一个端口不工作，即P1或P2或P3等于0，此时定义为单输入单输出模式(single input single output，SISO)，图3(a)为一种SISO模式的功率流向图。
(2)当P1、P2、P3都不等于0时，其中一个大于0，另外两个小于0，定义为单输入双输出模式(single input dual output，SIDO)，图3(b)为一种SIDO模式的功率流向图。
当P1、P2、P3都不等于0时，其中两个大于0，另外一个小于0，定义为双输入单输出模式(dual input single output，DISO)，图3(c)为一种DISO模式的功率流向图。
因变换器的电路拓扑结构对称，所以进行单向工作模态分析，所得结论仍然具有一般性。
(1)SISO模式
在图3(a)所示的SISO模式中，端口1为输入、端口2为输出，端口3不工作。此时Qa、Qc关断，Qb直通，电感值等效为单个电感的2/3，电路等效为级联型升降压电路。
(2)SIDO或DISO模式
在图3(b)所示的SIDO模式中，端口1为输入，端口2、3为输出。Qa关断，Qb、Qc导通，变换器的工作波形如图4所示，其中UGS11、UGS22、UGS32分别为Q11、Q22、Q32的驱动电压，占空比分别为D11、D22、D32；iL1、iL2、iL3分别为电感L1、L2、L3的电流。在一个开关周期内，共有4个工作模态，简化的模态等效电路图如图5。
变换器工作于稳态时，电压关系为：
Figure BDA0002595806930000051
V1in指的是图1中开关管Qa的集电极与开关管Q12的集电极连接处的电压，V1in＝D11*V1。
在图3(c)所示的DISO模式中，设端口1、2为输入，端口3为输出。Qa、Qb关断，Qc导通，Q11、Q21、Q32的占空比分别为D11、D21、D32，有
Figure BDA0002595806930000052
或
Figure BDA0002595806930000053
V2in指的是开关管Qb的集电极与开关管Q22的集电极连接处的电压，V2in＝D21*V2。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种用于混合储能的三端口直流变换器，其特征在于，采用完全对称的结构，包括：三个非隔离的端口，具体为端口1、端口2和端口3，每个端口均采用半桥结构，三个端口两两之间通过独立电感连接，每个端口均可作为输入或输出端口，但应至少有一个输入端口和一个输出端口。
2.如权利要求1所述的用于混合储能的三端口直流变换器，其特征在于，所述端口1包括：电容C1、开关管Q11、开关管Qa和开关管Q12；
所述开关管Q11的发射极与开关管Qa的发射极连接，开关管Qa的集电极与开关管Q12的集电极连接，所述开关管Q11的集电极与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与开关管Q12的发射极连接。
3.如权利要求2所述的用于混合储能的三端口直流变换器，其特征在于，所述端口2包括：电容C2、开关管Q21、开关管Qb和开关管Q22；
所述开关管Q21的发射极与开关管Qb的发射极连接，开关管Qb的集电极与开关管Q22的集电极连接，所述开关管Q21的集电极与电容C2一端连接，电容C2的另一端与开关管Q22的发射极连接。
4.如权利要求3所述的用于混合储能的三端口直流变换器，其特征在于，所述端口3包括：电容C3、开关管Q31、开关管Qc和开关管Q32；
所述开关管Q31的发射极与开关管Qc的发射极连接，开关管Qc的集电极与开关管Q32的集电极连接，所述开关管Q31的集电极与电容C3的一端连接，电容C3的另一端与开关管Q32的发射极连接。
5.如权利要求4所述的用于混合储能的三端口直流变换器，其特征在于，所述独立电感包括：独立电感L1、独立电感L2和独立电感L3。
6.如权利要求5所述的用于混合储能的三端口直流变换器，其特征在于，所述开关管Qa的集电极还分别与独立电感L2的正极、独立电感L1的正极连接，独立电感L1的负极分别与独立电感L3的负极、开关管Qb的集电极连接，独立电感L2的负极分别与独立电感L3的正极、开关管Qc的集电极连接，开关管Q12的发射极还分别与开关管Q22的发射极、开关管Q32的发射极连接。
7.如权利要求1所述的用于混合储能的三端口直流变换器，其特征在于，所述用于混合储能的三端口直流变换器包括三种工作模式，第一种工作模式为单输入单输出模式，其中有一个端口不工作；第二种工作模式为单输入双输出模块式，其中有一个端口的能量大于0，另外两个端口的能量小于0；第三种工作模式为双输入单输出模式，其中有两个端口的能量大于0，另外一个端口的能量小于0。
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