本發明涉及電力電子，具體涉及一種基于寬增益dc/dc變換器的電動汽車混合儲能系統。

背景技術：

1、電動汽車具有噪聲小、結構簡單、維修方便、能量轉換效率高等眾多優點，成為汽車市場快速發展的新興力量。然而，動力電池模塊充電時間長、壽命短、續航能力差，制約了電動汽車的進一步推廣。此外，電動汽車啟動、停止、加速、減速均會造成動力電池模塊高頻功率波動，電動汽車不僅能耗增加，而且續航里程也顯著下降，大電流頻繁充放電還會降低電池的壽命和可靠性。

2、混合儲能系統綜合了動力電池模塊高能量密度與超級電容sc高功率密度的優點，可減少對電池組的損壞，提高電動汽車的瞬態性能，是動力電池模塊技術根本突破前解決上述問題的有效措施。然而，超級電容單體電壓低，必須多級串聯才能匹配電動汽車的高壓直流母線，這增大了等效串聯電阻，降低了混合儲能系統的效率。此外，超級電容最高工作溫度僅有70℃，并不適用工作環境惡劣的電動汽車。薄膜電容fc的額定電壓可達1200v，額定溫度為120℃，有效規避了超級電容用于混合儲能系統存在的缺點。此外，薄膜電容fc的功率密度是超級電容的50-100倍，可以顯著提高電動汽車的動力性能。然而，受成本和體積的制約，混合儲能系統所用薄膜電容fc容值僅為超級電容的幾百分之一。為有效利用電動汽車的制動能量，可充分利用薄膜電容承受脈動電流大這一特點，通過擴大薄膜電容工作電壓范圍提高薄膜電容的能量密度和功率密度。為此，連接薄膜電容fc與高壓側直流母線的寬增益dc/dc變換器模塊成為薄膜混合儲能系統的關鍵部件。

3、研究人員已經提出了多種寬增益dc/dc變換器模塊結構。四開關buck/boost雙向變換器結構簡單、易于控制，但其電壓增益范圍有限，無法滿足薄膜電容混合儲能系統的工作要求。引入耦合電感后雖然可以提高變換器的電壓增益，但固有的漏感問題不僅增加了功率器件關斷尖峰電壓，而且降低了電動汽車混合儲能系統的工作效率。z源和準z源結構不僅可以獲取高電壓增益，而且可以提高變換器的可靠性，但是此類寬增益dc/dc變換器模塊功率器件電壓應力較高。多電平dc/dc變換器模塊可以解決功率器件高電壓應力的問題，但存在功率器件數量大幅增加、控制策略復雜等缺點。開關電容模塊結構簡單，易于控制，基于其構建的dc/dc變換器模塊容易實現電壓增益擴充。但是變換器的低壓側和高壓側地需通過功率開關連接，功率器件通斷引起的周期性電平變化會造成嚴重的電磁干擾。基于開關電感結構雙向dc/dc雖然能解決低壓側與高壓側公用功率開關的問題，然而該結構中的電感參數精度要求嚴格，極易造成大電流尖峰，增加了控制難度、降低了變換器的可靠性。

4、上述分析表明，已有的dc/dc變換器模塊雖然能夠實現高增益的要求，但是用于電動汽車薄膜電容混合儲能系統仍存在各種問題。為高效利用電動汽車制動能量，進一步提升電動汽車行駛里程和駕駛體驗，亟需研發一種適應薄膜電容混合儲能系統要求的結構簡單、高效率、高功率密度、寬電壓增益的雙向dc/dc轉換器。

技術實現思路

1、本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，本發明提供了一種基于寬增益dc/dc變換器的電動汽車混合儲能系統，采用了一種基于中間電容的新型寬增益dc/dc變換器，通過改進buck/boost模塊1、改進buck-boost模塊2以及中間電容c以簡化寬增益dc/dc變換器模塊的結構，拓寬升降壓增益范圍，提升轉換器的效率和功率密度。

2、一種基于寬增益dc/dc變換器的電動汽車混合儲能系統，包括薄膜電容fc、動力電池模塊、寬增益dc/dc變換器模塊、dc/dc變換器模塊、逆變器模塊和驅動電機；

3、所述寬增益dc/dc變換器模塊采用基于中間電容的新型寬增益dc/dc變換器，所述基于中間電容的新型寬增益dc/dc變換器由改進buck/boost模塊1、改進buck-boost模塊2、中間電容c與高壓側直流母線電容ch組成；所述寬增益dc/dc變換器模塊的輸入側為寬增益dc/dc變換器模塊的低壓側，寬增益dc/dc變換器模塊的輸出側為寬增益dc/dc變換器模塊的高壓側，所述低壓側和高壓側絕對共地。

4、進一步的，所述動力電池模塊和薄膜電容fc分別作為dc/dc變換器模塊和寬增益dc/dc變換器模塊的輸入，經過dc/dc變換器模塊和寬增益dc/dc變換器模塊輸出后并聯接入基于高壓側直流母線電容ch的直流母線，再經逆變器模塊為驅動電機提供電能；所述薄膜電容fc并聯在寬增益dc/dc變換器模塊的低電壓側，逆變器模塊的輸出端與寬增益dc/dc變換器模塊的高壓側直流母線電容ch并聯；當電動汽車工作在減速或制動狀態時，所述寬增益dc/dc變換器模塊將高壓直流母線側的制動能量降壓存儲在薄膜電容fc中；當電動汽車工作在爬坡或加速狀態時，所述寬增益dc/dc變換器模塊將薄膜電容fc能量升壓后送至高壓側直流母線電容ch，與動力電池模塊并聯供驅動電機使用。

5、進一步的，所述的改進buck/boost模塊1由第一電感l1、第一開關管s1和第二開關管s2組成；所述第一電感l1一端、第三開關管s3的漏極同時與薄膜電容fc的正極連接；所述第一電感l1另一端與第一開關管s1的漏極、第二開關管s2的源極連接；第二開關管s2的漏極與高壓側直流母線電容ch的正極及直流母線的正極連接。

6、進一步的，所述改進buck-boost模塊2由第二電感l2、第三開關管s3和第四開關管s4組成。所述第一電感l1一端、第三開關管s3的漏極同時與薄膜電容fc的正極連接；所述第二電感l2一端、中間電容c的正極、高壓側直流母線電容ch的負極及薄膜電容fc的負極連接；第三開關管s3的源極與第四開關管s4的漏極、第二電感l2另一端連接；第四開關管s4的源極與第一開關管s1的源極、中間電容c的負極連接。

7、進一步的，當電動汽車制動或減速時，車輛狀態控制信號k輸出為-1，驅動電機產生的制動能量使得直流母線電容電壓uh升高，檢測薄膜電容電壓ufc及動力電池模塊的荷電狀態soc；當薄膜電容電壓ufc低于設定上限值u*fc1時，控制寬增益dc/dc變換器模塊工作在降壓模式，實現直流母線電容電壓uh向薄膜電容fc釋放能量，直至薄膜電容電壓ufc高于設定上限值u*fc1；當薄膜電容電壓ufc超過設定上限值u*fc1時，控制寬增益dc/dc變換器模塊實現直流母線電容電壓uh，停止向薄膜電容fc釋放能量，轉而向動力電池模塊釋放能量，直至動力電池模塊的荷電狀態soc達到動力電池模塊的荷電狀態設定值soc*s；上述控制寬增益dc/dc變換器模塊工作在降壓模式的過程中，寬增益dc/dc變換器模塊根據高壓側直流母線電壓設定值控制釋放能量，避免直流母線欠壓工作；當動力電池模塊的荷電狀態soc與薄膜電容電壓ufc均達到設定值時，由能耗電阻消耗制動能量，避免直流母線電壓uh過高導致變換器損壞。

8、進一步的，當電動汽車爬坡或加速時，車輛狀態控制信號k輸出為1，直流母線電容電壓uh下降，檢測薄膜電容電壓ufc與動力電池模塊的荷電狀態soc；當薄膜電容電壓ufc高于最低允許工作電壓u*fc2時，控制寬增益dc/dc變換器模塊工作在升壓模式，寬增益dc/dc變換器模塊實現薄膜電容fc聯合動力電池模塊向高壓側直流母線電容ch釋放能量；上述控制寬增益dc/dc變換器模塊工作在升壓模式的過程中，薄膜電容fc釋放的能量值應滿足直流母線電容電壓uh穩定，直至薄膜電容電壓ufc低于最低允許工作電壓u*fc2停止；當薄膜電容電壓ufc低于最低允許工作電壓u*fc2時，驅動電機需要的能量僅由動力電池模塊單獨提供。

9、進一步的，實現所述變換器雙向控制策略的方法為：通過傳感器進行采樣，得到直流母線電容電壓uh,薄膜電容電壓ufc以及低壓側電流ifc，實現變換器的正常工作，同時保證混合儲能系統的高效率和穩定性；具體方法如下：

10、步驟s1、計算出功率流控制信號k，所提出的變換器在升壓和降壓模式之間切換；

11、步驟s2、直流母線電容電壓uh以參考電壓uref為控制目標，經過電壓控制器進行控制，產生參考電流iref；

12、步驟s3、電流控制器利用電流環中的參考電流iref來控制反饋電流ifc,結果輸出到pwm發生器從而產生功率開關的門信號s1～s4。

13、進一步的，降壓模式下，所述寬增益dc/dc變換器模塊交替工作在狀態一和狀態二；寬增益dc/dc變換器模塊工作在狀態一時，高壓側部分能量傳輸至第一電感l1，其余能量流向低壓側薄膜電容fc，改進buck-boost模塊2中的第二電感l2能量完全由中間儲能電容c提供；寬增益dc/dc變換器模塊工作在狀態二時，第一電感l1將能量分別傳輸至中間電容c和低壓側薄膜電容fc中，同時第二電感l2傳輸能量給低壓側薄膜電容fc；寬增益dc/dc變換器模塊工作在狀態二時薄膜電容fc兩端電壓等于第二電感l2兩端電壓，遠小于高壓側直流母線電壓，達到寬范圍降壓的目的。

14、進一步的，升壓模式下，所述寬增益dc/dc變換器模塊交替工作在狀態三與狀態四；寬增益dc/dc變換器模塊工作在狀態三時，低壓側薄膜電容fc聯合中間電容c同時給第一電感l1傳輸能量，同時低壓側薄膜電容fc給第二電感l2傳輸能量，流過第二電感l2的電流上升；寬增益dc/dc變換器模塊工作在狀態四時，第二電感l2將能量傳輸至中間電容c，第一電感l1聯合低壓側薄膜電容fc同時給高壓側直流母線傳輸能量，達到寬范圍升壓的目的。

15、與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

16、1.本發明提出的寬增益dc/dc變換器模塊在占空比為0.2-0.8時，最大電壓增益為21，最小電壓增益為0.047，有效拓寬薄膜電容的工作電壓范圍，顯著提高所述寬增益dc/dc變換器模塊的功率密度。

17、2.相較于同等增益能力的寬增益dc/dc變換器模塊，本發明提出的寬增益dc/dc變換器模塊功率開關管與無源器件的個數明顯減少，在減少成本的同時具有更高的功率密度和更低的成本。

18、3.本發明提出的雙向dc/dc變換電路輸入地和輸出地直接連接，有效規避現有高增益寬增益dc/dc變換器模塊高、低壓側分離地導致的電磁干擾問題，進一步提高電路的可靠性。

19、4.本發明提出的寬增益dc/dc變換器模塊有效降低中間電容的電壓應力，提高dc/dc變換可靠性和工作效率。