可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑.pdf

1、(10)申请公布号 CN 104113091 A (43)申请公布日 2014.10.22 CN 104113091 A (21)申请号 201310132203.1 (22)申请日 2013.04.17 H02J 7/00(2006.01) (71)申请人 邹城市游骑兵汽车电控技术有限公 司 地址 273500 山东省济宁市邹城市西外环路 1888 号 4 楼 201 室 (72)发明人 李萌 (54) 发明名称 可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑 (57) 摘要 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

2、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系统的特 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， 从而影响系统效率， 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， 能够显著提高升压系统中各电 池单体或低压电池组之间的电压均衡性， 从而提 升系统稳定性和可靠

3、性， 进而提升车辆系统的续 航里程。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 2 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书2页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104113091 A CN 104113091 A 1/1 页 2 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系统 ； 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

4、用 DSP、 单片机、 CPLD 或 FPGA 的控制器控制功率开关器件 的系统结构， 如图 2 所示 ； 其特征在于 ： 控制系统由 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 Sn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

5、， 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 Sn的一侧连接 ； S1至 Sn 的另一侧与电源 U1至 Un的正极连接 ； 电源 U1至 Un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

6、为发射极， 如果是 MOSFET 则为 S 极） 连接 ； 电容 C1至 Cn与电源 U1至 Un并联 ； 电阻 R1至 Rn与电源 U1至 Un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 电与储能系统。 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

7、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 Cn， R1至 Rn可以去掉， 去掉 C1 至 Cn和 R1至 Rn后的电路也在本专利保护范围内。 权 利 要 求 书 CN 104113091 A 2 1/2 页 3 可实现能量双向控制的层叠式升压拓扑 0001 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

8、电池组电压， 提升电池利用率和使用寿命， 延长续航里程。 0002 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、 调速系 统等各个领域， 电力电子系统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系统的特性。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， 从而影响系统效率， 降低使用寿命。本发明是一 种采用

9、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， 能够显著提高升压系统中各电池 单体或低压电池组之间的电压均衡性， 从而提升系统稳定性和可靠性， 进而提升车辆系统 的续航里程。 0003 发明内容 ： 首先， 作为输入， U0、 L0、 S0与 Sn、 Un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，

10、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。 0004 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 为控制系统的结构图 ； 图 3 双

11、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 说 明 书 CN 104113091 A 3 2/2 页 4 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。 说 明 书 CN 104113091 A 4 1/2 页 5 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104113091 A 5 2/2 页 6 图 3 说 明 书 附 图 CN 104113091 A 6