[發明專利]一種用于輕混動力系統的雙向直流變換器及其控制方法

在審

• 申請號: 202211191576.1
• 申請日: 2022-09-28
• 公開（公告）號: CN115580143A
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 秦楊;丁世宏
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M3/04;H02M1/08;H02M1/088
• 代理公司: 蘇州和氏璧知識產權代理事務所(普通合伙) 32390
• 代理人: 王小蓓

本發明屬于雙向直流變換器技術領域，具體涉及一種用于輕混動力系統的雙向直流變換器及其控制方法。與傳統Buck/Boost雙向變換器相比，該變換器具有更強的升/降壓能力，可避免工作在極端占空比情況下，具有更高的變換效率；開關管具有更低的電壓應力，可以選用低額定電壓的器件，減小了通態損耗。低壓側和高壓側電流紋波均較小、且等效開關頻率變為兩倍，可以減小濾波電容的容量、體積，并改善系統可靠性；低壓側和高壓側共地，可以簡化控制和采樣電路；可以采用解耦磁集成技術，將兩相輸入電感集成在一起在一個磁芯，將兩相輸出電感集成在另一個磁芯，從而減少磁性元件的個數和體積。

技術領域

本發明屬于雙向直流變換器技術領域，具體涉及一種用于輕混動力系統的雙向直流變換器及其控制方法。

背景技術

48V輕度混合(簡稱輕混)動力方案是在傳統燃油汽車原有12V電氣系統的基礎上，增加了48V網絡，使汽車能夠帶動更大功率的車載系統，可以驅動更大功率的啟停電機，更輕松地帶動發動機曲軸以喚醒發動機，減少系統工作延時及頓挫感，并實現更多的功能。有研究表明，48V輕混動力系統可以降低大概15-20％左右的能耗和排放。可見，48V輕混動力系統具有容量大、減排及節油效果明顯、技術承接性好、安全性高、結構簡單、易組裝、成本低等諸多優點，因此已成為主流的燃油車減排技術路線之一。

雙向直流變換器是輕混動力系統的核心部件，其高、低壓側分別連接48V鋰電池和12V鉛酸電池，負責實現現有12V網絡和新48V網絡的電壓匹配和能量雙向流動控制。目前，輕混動力系統中的雙向直流變換器普遍采用Buck/Boost雙向變換器。這是因為其具有器件數量少、結構簡單、體積小、成本較低等優點。12V鉛酸電池的放電截止電壓約為10V，而48V鋰電池的滿充保護電壓約為56V，即雙向變換器需要具有5.6倍以上的升/降壓能力。當傳統Buck/Boost雙向變換器運行在極端工況下時，其占空比在Boost模式下將超過0.8，而在Buck模式下將低于0.2。這種極端運行條件，會使變換器的電感和功率管的電流應力和通態損耗急劇上升，變換效率明顯下降。此外，較大的電池電流紋波會導致鋰電池電芯發熱，進而影響使用壽命和安全性，因此需要雙向變換器嚴格控制高壓側電流紋波率。然而，Buck/Boost雙向變換器的高壓側電流斷續，且蓄電池的內阻較小，因此需要在高壓側并聯多個大容量電解電容，才能滿足電池電流紋波要求。高溫暴曬環境下電解電容將因電解液揮發而快速失效，故系統可靠性受到了嚴重影響。遺憾的是，由于輕混動力系統是新生事物，因此到目前為止也鮮有學者或企業關注上述問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種用于輕混動力系統的雙向直流變換器及其控制方法，其低壓側和高壓側共地，低壓側和高壓側的電流紋波均較小且脈動頻率為開關頻率的兩倍，與傳統Buck/Boost雙向變換器相比，具有更強的升/降壓能力和更低的開關管電壓應力。

為了實現上述目的，現提出的方案如下：

一種用于輕混動力系統的雙向直流變換器，其特征在于，所述雙向直流變換器包括：第一電容C₁、第二電容C₂、第三電容C₃、第四電容C₄、第一輸入電感L_in1、第二輸入電感L_in2、第一輸出電感L_o1、第二輸出電感L_o2、第一開關管S₁、第二開關管S₂、第三開關管S₃、第四開關管S₄、第五開關管S₅、第六開關管S₆；