[发明专利]一种储能装置的双向变换器结构及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及双向直流变换器，尤其涉及一种储能装置的双向变换器结构及控制方法。

背景技术

双向变换器是能量可以在变换器的两侧双向流动的。由于在一套拓扑结构上，实现了相当于2个单向变换器的功能，所以在需要能量双向流动的应用中，如直流微网、电动汽车、微并网控制器等场合，可以大幅减小系统的体积和成本。典型的双向变换电路的控制方式，研究比较多的是传统移相控制和双重移相控制，且使用的都是全桥拓扑结构，但是随着电压调节比的增大，回流功率也在增大，由于使用的开关管较多，降低了工作效率。没有从根本上消除功率回流现象，使得功率器件、磁性元件的损耗增大，降低了变换器工作效率，关键是功率回流现象的存在，严重影响了变换器的工作效率。

为了改进上述控制方法的缺点，减小双向变换器的功率回流和电流应力，本发明提出一种电感电流过零PWM控制方法，及全桥拓扑和推挽拓扑的结合拓扑，由于U2侧使用了推挽结构，所以U2可以工作在大电流状态。U2侧可以接蓄电池或锂电池等可大电流工作的储能装置。相比移相控制，它完全消除了功率回流现象，且具有更小的电流应力，同时简化了全桥两侧的开关管的驱动信号的关系，使得实现灵活性增强。尤其适用于电动汽车、潜水艇、光伏电站和水电站等需要储能装置的应用场合。

发明内容

本发明提出了一种电感电流过零PWM控制方法，及全桥拓扑和推挽拓扑的结合，以解决现有技术中的不足，完全消除了功率回流现象。同时使得U2侧可以更好的配合蓄电池或锂电池等可大电流工作的储能装置，提高了工作效率。

本发明提出的电感电流过零控制，可以完全消除上述功率回流现象，从而提高功率的传输效率。同时由于U2侧使用了推挽结构，使得U2在大电流状态工作时的效率更高。通过检测电感电流过零时刻，切断全桥一侧的电流传输路径，来阻止功率回流现象的发生。下面具体从两个方面来分析电感电流过零控制的工作原理和工作状态。讨论过程中都有条件U1>nU2满足，变压器T1的变比n:1指的是，原边对副边c和e两端的匝比，其中c和e两端的线圈匝数和e和d两端的线圈匝数相等。

正向U1侧到U2侧，变换器工作状态分析。假设变换器已工作于稳定状态，根据图2所示的电感电流过零控制的工作原理波形，将变换器正向功率传输的工作状态分为4种状态，由于对称的关系，此处只说明前2种状态，后2种状态同理可知。

状态1：t0-t1阶段。如图1和图2所示，在t0时刻，Q1和Q4导通，Q5也导通，此时的电感电流iL为0，电感的端电压为U1-nU2，那么导致电感中的电流iL从0开始逐渐增加。在此状态下，U1侧向U2侧正向传输功率，同时U1侧向电感L1中储能。

状态2：t1-t2阶段。如图1和图2所示，在t1时刻，Q1关断，Q3和Q4导通，Q5也导通，此时电感电流iL为(U1-nU2)Ton/L。电感的端电压为-nU2，那么由于Q3和Q4导通，给电感电流的续流提供了通路，使得电感中存储的能量继续正向送入U2侧。在t1-t2阶段中检测电感电流是否过零，若过零则说明，储存在电感中的能量以完全送入U2侧，此刻Q4和Q5关断，以防止U2向L1储能，即阻止功率回流现象的发生。上述2种状态，描述了前半个工作周期内，功率从U1传送到U2侧的情况。在后半个工作周期内，且在t3-t4阶段中检测电感电流是否过零，若过零则说明，储存在电感中的能量以完全送入U2侧，此刻Q3和Q6关断，以防止U2向L1储能，即阻止功率回流现象的发生。其他只是相应的电压和电流的极性相反，工作原理和前半个工作周期是一样的。

假设变换器已工作于稳定状态，根据图2所示的电感电流过零控制的工作原理波形，将变换器反向功率传输的工作状态分为4种状态，由于对称的关系，此处只说明前2种状态，后2种状态同理可知。

状态1：t0-t1阶段。如图1和图3所示，在t0时刻，Q3和Q4导通，Q5也导通，此时的电感电流iL为0，电感的端电压为-nU2，那么导致电感中的电流iL从0开始逐渐向负方向增加。在此状态下，U2侧向电感L1中储能。