专利名称：基于同步整流Buck-Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电动车辆的车载电源领域，涉及一种电动汽车用复合电源控制系统，尤其涉及一种基于同步整流Buck — Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统。
背景技术：
随着汽车工业的快速发展，能源危机和环境危机已成为当今社会最突出的两大主题。据调查显示，目前全世界拥有各类车辆年消耗燃油约7亿吨，按这种比例推算目前世界所蕴藏的石油资源仅可维持50 70年；而且城市大气污染量有63%都来自燃油汽车的废气排放。因此，在这两大危机的压力下，电动汽车应运而生。然而，电动车用蓄电池性能差所导致的车辆一次充电续驶里程短、起动加速爬坡性能差以及初始化成本高等问题，已成为限制电动汽车快速发展的最根本因素。研究开发高比能量、高比功率、充放电速度快、循环寿命长的车载电源成为时代发展的必然要求。但是，在现有技术条件下，任何一种单一能源都不能同时满足高比能量和高比功率的要求。于是国外就有专家提出了复合电源的概念，即将高比能量的能源与高比功率的能源组合在一起共同成为车载电源，其中超级电容+蓄电池复合电源系统是未来研究热门之一。在现有理论和技术方面，专利号为200810018098. 8的“一种电动摩托车超级电容与蓄电池复合电源控制系统”和专利申请号为20102068944. 8的“一种基于超级电容的电动汽车混合动力控制系统”给出了一种复合电源控制系统的拓扑结构，二者均是将超级电容与双向DC/DC变换器串联后再与蓄电池并联，为电机驱动控制装置提供动力源。其中，双向DC/DC变换器在系统中对蓄电池和超级电容两者间的电压进行合理的匹配，以满足电机的驱动与制动要求。但是该双向DC/DC变换器只能对超级电容进行升压充电和降压放电，这时超级电容工作在高压模式，使得当超级电容端电压较低时的那部分能量得不到充分利用，从而削弱了超级电容的驱动能力。另外一种较为常见的控制方法和上述两篇专利具有同样的拓扑结构，即将超级电容与双向DC/DC变换器串联后再与蓄电池并联，为电机驱动控制装置提供动力源。但是这里所用的双向DC/DC变换器只能对超级电容进行降压充电和升压放电，超级电容工作在低压模式，使得当电机反电动势较低时，无法给超级电容充电，其能量回收效率低，削弱了超级电容的再生制动能力。
实用新型内容本实用新型目的在于提供一种基于同步整流Buck—Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，本实用新型不仅能够进行大功率放电，改善电动汽车起动、加速、爬坡性能，延长蓄电池使用寿命；还能够进行大功率充电，快速回收车辆再生制动时的能量，提高电动汽车的一次充电续驶里程。为了解决现有技术中的这些问题，本实用新型提供的技术方案是[0008]一种基于同步整流Buck — Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，包括电机、与电机相连的电机控制器以及与电机控制器分别相连的蓄电池、超级电容，蓄电池在与功率开关相连后接入电机控制器，超级电容与双向DC/DC变换器相连后接入电机控制器，所述功率开关包括并联的两个P沟道MOS管，双向DC/DC变换器包括四个N沟道MOS管以及一个储能电感，四个N沟道MOS管两两组成半桥结构，储能电感的两端分别接于两半桥结构的中间，其中第一半桥与功率开关的一端相连，功率开关的另一端与蓄电池的一极相连，第一半桥的另一端与蓄电池的另一极相连，蓄电池的另一极与超级电容的一极相连，第二半桥与超级电容并联，PWM脉冲加在变换器N沟道MOS管的栅极。详细的技术方案是一种基于同步整流Buck — Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，包括电机、与电机相连的电机控制器以及与电机控制器分别相连的蓄电池、超级电容，蓄电池在与功率开关相连后接入电机控制器，超级电容与双向DC/DC变换器相连 后接入电机控制器，所述功率开关包括并联的两个P沟道MOS管，双向DC/DC变换器包括四个N沟道MOS管以及一个储能电感，四个N沟道MOS管两两组成半桥结构，储能电感的两端分别接于两半桥结构的中间，其中第一半桥与功率开关的一端相连，功率开关的另一端与蓄电池的一极相连，第一半桥的另一端与蓄电池的另一极相连，蓄电池的另一极与超级电容的一极相连，第二半桥与超级电容并联，PWM脉冲加在变换器N沟道MOS管的栅极，所述电机控制器为三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路的一端经与功率开关连接后与蓄电池的一极相连，三相全桥逆变电路的一端还与第一半桥的一端相连，三相全桥逆变电路的另一端与第一半桥的另一端、蓄电池的另一极相连。对于上述技术方案，本实用新型对其还具有补充的可替代方案。作为补充，所述双向DC/DC变换器中的四个N沟道MOS管可用功率晶体管替代，PWM脉冲加在功率晶体管基极。作为补充，所述双向DC/DC变换器中的四个N沟道MOS管可用绝缘栅双极性晶体管替代，PWM脉冲加在绝缘栅双极性晶体管的栅极。作为补充所述双向DC/DC变换器中的四个N沟道MOS管可用智能功率模块替代，PWM脉冲加在功智能功率模块的驱动控制输入引脚。相对于现有技术中的方案，本实用新型的优点是本实用新型所描述的基于同步整流Buck—Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，一方面使得超级电容根据实际需求进行升降压充放电，而非单一的升压充电、降压放电或降压充电、升压放电，保证超级电容不管是在高端电压状态还是低端电压状态下都能正常工作，提高了超级电容的能量利用率，有助于改善电动车辆的动力性能，延长其一次充电续驶里程；另一方面，由于该双向DC/DC变换器采用了同步整流的工作方式，能够有效减少MOS管的发热程度，改善控制器发热问题；再一方面，该双向DC/DC变换器利用低导通电阻的MOS管代替了原有的Buck降压斩波电路和Boost升压斩波电路中的续流二极管，有效地减小了控制器的功耗，提高了控制系统的工作效率。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述图I为本实用新型实施例中复合电源控制系统的总体结构图；[0018]图2为本实用新型实施例中复合电源控制系统主回路的电路图；图3为本实用新型实施例中蓄电池单独供能驱动情况下控制系统的原理示意图；图4为本实用新型实施例中蓄电池单独供能驱动并给超级电容充电情况下控制系统的原理不意图；图5为本实用新型实施例中蓄电池和超级电容同时供能驱动情况下控制系统的原理示意图；图6为本实用新型实施例中电机优先为超级电容充电情况下控制系统的原理示意图；图7为本实用新型实施例中电机为蓄电池充电情况下控制系统的原理示意图；图8为本实用新型实施例中蓄电池单独供能驱动情况下电路工作原理图；图9为本实用新型实施例中蓄电池单独供能驱动并给超级电容充电情况下电路工作原理图；
图10为本实用新型实施例中蓄电池和超级电容同时供能驱动并且超级电容端电压大于电机所需电动势的情况下电路工作原理图；图11为本实用新型实施例中蓄电池和超级电容同时供能驱动并且超级电容端电压小于电机所需电动势的情况下电路工作原理图；图12为本实用新型实施例中电机优先为超级电容充电并且超级电容端电压大于电机产生的反电动势的情况下电路工作原理图；图13为本实用新型实施例中电机优先为超级电容充电并且超级电容端电压小于电机产生的反电动势的情况下电路工作原理图；图14为本实用新型实施例中电机为蓄电池充电的情况下电路工作原理图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本实用新型而不限于限制本实用新型的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。实施例本实施例描述了一种基于同步整流Buck—Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，其整体结构如图I所示，包括电机、与电机相连的电机控制器以及与电机控制器分别相连的蓄电池、超级电容，蓄电池在与功率开关相连后接入电机控制器，超级电容与双向DC/DC变换器相连后接入电机控制器。本实施例的复合电源控制系统的主回路的电路原理图如图2所示，所述功率开关包括并联的两个P沟道MOS管Tll以及T12，双向DC/DC变换器包括四个N沟道MOS管T7、T8、T9、TlO以及一个储能电感L，T7与T8、T9与TlO分别两两组成半桥结构，储能电感L的两端分别接于两半桥结构的中间，其中T9与TlO组成的第一半桥与功率开关S的一端相连，功率开关S的另一端与蓄电池的正极相连，第一半桥的另一端与蓄电池的负极相连，蓄电池的负极与超级电容的一极相连，T7与T8组成的第二半桥与超级电容CM并联，PWM脉冲加在双向DC/DC变换器的N沟道MOS管的栅极。本实施例中所采用的电机为永磁无刷直流电机，所述电机控制器为三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路有六个功率器件MOS管组成，其中MOS管Tl和T2、MOS管T3和T4、MOS管T5和T6分别组成驱动半桥，构成三相逆变桥，MOS管Tl和T2、MOS管T3和T4、MOS管T5和T6的中间分别于电动机的三相绕组A、B、C连接。三相全桥逆变电路的一端经与功率开关连接后与蓄电池的一极相连，三相全桥逆变电路的一端还与第一半桥的一端相连，三相全桥逆变电路的另一端与第一半桥的另一端、蓄电池的另一极相连。车辆在正常行驶工况下，蓄电池单独供电以驱动电机正常工作，此时的控制系统的工作原理如图3所示，此时的电路工作原理图如图8所示。此时，Tl处于PWM调制状态，T4导通，S闭合，其它功率管截止。系统主回路工作于典型的无刷直流电机的降压驱动模式当Tl为I时，蓄电池的能量经过Tl及电机的电枢绕组A、B驱动电机，并且线圈A、B利用自身电感储存一部分能量；当Tl为O时，线圈A、B所储存的能量经过续流二极管D2组成闭合回路，释放能量。在超级电容电量不足时，蓄电池在单独供电驱动电机的同时还要给超级电容充一部分能量，以便保持超级电容具备一定的输出能力，则蓄电池在单独供电驱动电机的同时也对超级电容进行降压驱动。此时的控制系统的工作原理如图4所示，此时的电路工作原 理图如图9所示。此时，Tl处于PWM调制状态，T9和TlO处于同步整流状态，T4和T7导通，S闭合，其它功率管截止。通过调制Tl，蓄电池通过三相全桥逆变电路对电机进行降压驱动；通过同步整流T9和T10，蓄电池对超级电容进行降压充电当T9为I时，TlO为0，蓄电池所储存的能量经过T9、电感L给超级电容充电，并且电感L储存一部分能量；当T9为O时，TlO为1，电感L储存的能量经过TlO对超级电容充电。车辆在起动加速或爬坡工况下，系统所需的驱动电流比较大，此时超级电容经双向DC/DC变换器和蓄电池并联驱动电机，其控制系统的工作原理如图3所示，但此时双向DC/DC变换器是工作于升压模式还是降压模式取决于超级电容端电压与电机所需电动势的比较。本实施例中蓄电池和超级电容同时供能驱动并且超级电容端电压大于电机所需电动势的情况下电路工作原理如图10所示。超级电容端电压大于电机所需电动势，则超级电容对电机进行降压驱动。此时，Tl处于PWM调制状态，T7和T8处于同步整流状态，T4和T9导通，S闭合，其它功率管截止。通过调制Tl，蓄电池通过三相全桥逆变电路对电机进行降压驱动；通过同步整流T7和T8，超级电容对电机进行降压驱动当T7为I时，T8为0，超级电容所储存的能量经过T7及电感L向外释放，此时电感L储存一部分能量；当T7为O时，T8为1，电感L储存的能量经过Tl、线圈A、B及T8组成闭合回路放电。本实施例中蓄电池和超级电容同时供能驱动并且超级电容端电压小于电机所需电动势的情况下电路工作原理如图11所示。超级电容端电压小于电机所需电动势，则超级电容对电机进行升压驱动。此时，Tl处于PWM调制状态，T9和TlO处于同步整流状态，T4和T7导通，S闭合，其它功率管截止。通过调制Tl，蓄电池通过三相全桥逆变电路对电机进行降压驱动；通过同步整流T9和T10，超级电容对电机进行升压驱动当T9为O时，TlO为1，超级电容所储存的能量经过电感L及TlO形成了闭合回路，此时电感L储存一部分能量；当T9为I时，TlO为0，超级电容的能量连同电感L所储存的能量一起向外放电驱动电机。在车辆减速或制动时，电动机处于发电机工作状态，控制系统将车辆再生制动时能量通过功率变换器优先反馈给超级电容，当超级电容充满后，剩余部分再对蓄电池进行充电。电机在为超级电容充电情况下的控制系统原理如图6所示，但系统主回路是升压制动还是降压制动取决于超级电容端电压与电机反电动势的比较。当超级电容端电压大于电机产生的反电动势的情况时其主回路电路工作原理如图12所示，超级电容端电压大于电机产生的反电动势，则电机反电动势升压后对超级电容进行充电。此时，T7和T8处于同步整流状态，T9导通，S断开，其它功率管全部截止。通过同步整流T7和T8，电机再生制动的能量对超级电容进行升压充电当T7为O时，T8为1，电机产生的反电动势经线圈A、B，续流二极管D1，电感L及T8组成闭合回路，此时电感L储存一部分能量；当T7为I时，T8为0，电机反电动势连同电感L上所储存的能量经过T7给超级电容充电。当超级电容端电压小于电机产生的反电动势的情况时其主回路电路工作原理如图13所示。超级电容端电压小于电机产生的反电动势，则电机反电动势降压后对超级电容进行充电。此时，T9和TlO处于同步整流状态，T7导通，S断开，其它功率管全部截止。通 过同步整流T9和T10，电机再生制动的能量对超级电容进行降压充电当T9为I时，TlO为O,电机反电动势经过续流二极管Dl、T9及电感L对超级电容进行充电，此时电感L储存一部分能量；当T9为O时，TlO为1，电感L所储存的能量经过TlO给超级电容充电。电机在为蓄电池充电情况下的控制系统原理如图7所示，其主回路工作原理如图14所示，超级电容已充满至额定电压，则再生制动产生的能量利用自身线圈电感对蓄电池进行升压充电。T2处于PWM调制状态，S闭合，其它MOS管关断。通过调制T2，电机反电动势利用自身电感对蓄电池进行升压充电当T2为I时，电机反电动势经过线圈A、B, T2及续流二极管D4形成闭合回路，此时线圈电感储能；当T2为O时，电机反电动势连同线圈A、B所储存的能量经过续流二极管D1、D4形成闭合回路给蓄电池充电。上述实例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种基于同步整流Buck-Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，包括电机、与电机相连的电机控制器以及与电机控制器分别相连的蓄电池、超级电容，其特征在于，蓄电池在与功率开关相连后接入电机控制器，超级电容与双向DC/DC变换器相连后接入电机控制器，所述功率开关包括并联的两个P沟道MOS管，双向DC/DC变换器包括四个N沟道MOS管以及一个储能电感，四个N沟道MOS管两两组成半桥结构，储能电感的两端分别接于两半桥结构的中间，其中第一半桥与功率开关的一端相连，功率开关的另一端与蓄电池的一极相连，第一半桥的另一端与蓄电池的另一极相连，蓄电池的另一极与超级电容的一极相连，第二半桥与超级电容并联，PWM脉冲加在变换器N沟道MOS管的栅极。
2.根据权利要求I所述的基于同步整流Buck-Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器中的四个N沟道MOS管可用功率晶体管替代，PWM脉冲加在功率晶体管基极。
3.根据权利要求I所述的基于同步整流Buck-Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器中的四个N沟道MOS管可用绝缘栅双极性晶体管替代，PWM脉冲加在绝缘栅双极性晶体管的栅极。
4.根据权利要求I所述的基于同步整流Buck-Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器中的四个N沟道MOS管可用智能功率模块替 代，PWM脉冲加在功智能功率模块的驱动控制输入引脚。
5.根据权利要求I所述的基于同步整流Buck-Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，其特征在于，所述电机控制器为三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路的一端经与功率开关连接后与蓄电池的一极相连，三相全桥逆变电路的一端还与第一半桥的一端相连，三相全桥逆变电路的另一端与第一半桥的另一端、蓄电池的另一极相连。
专利摘要本实用新型公开了一种基于同步整流Buck-Boost双向DC/DC变换器的复合电源控制系统，包括电机、与电机相连的电机控制器以及与电机控制器分别相连的蓄电池、超级电容，蓄电池在与功率开关相连后接入电机控制器，超级电容与双向DC/DC变换器相连后接入电机控制器，所述功率开关包括并联的两个P沟道MOS管，双向DC/DC变换器包括四个N沟道MOS管以及一个储能电感，四个N沟道MOS管两两组成半桥结构，储能电感的两端分别接于两半桥结构的中间，其中第一半桥与功率开关的一端相连，功率开关的另一端与蓄电池的一极相连，第一半桥的另一端与蓄电池的另一极相连，蓄电池的另一极与超级电容的的一极相连，第二半桥与超级电容并联，PWM脉冲加在变换器N沟道MOS管的栅极。本实用新型不仅能够进行大功率放电，改善电动汽车起动、加速、爬坡性能，延长蓄电池使用寿命；还能够进行大功率充电，快速回收车辆再生制动时的能量，提高电动汽车的一次充电续驶里程。
文档编号H02M3/155GK202634360SQ201220167949
公开日2012年12月26日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者尹小梅, 王 锋, 陈钢, 曹秉刚, 王丽平, 陈林, 李进 申请人:西安交通大学苏州研究院