双向dc-dc升降压系统及储能系统的制作方法
双向dc-dc升降压系统及储能系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力领域，具体而言，涉及一种双向DC-DC升降压系统及储能系统。
【背景技术】
[0002]低地板车辆储能系统中，在有接触网的区段，对储能系统进行充电，在无接触网区段，将储能系统存储的电能升压，为列车的牵引辅助系统供电，保证列车的正常运行。在传统升降压电路中，由于开关管为硬开通关断，在高电压大电流工况下损耗大，限制了开关频率，导致电感体积很大，产品的功率密度低。续流二极管也为硬关断，在关断瞬间，由于电流存在反向恢复电流的现象，且关断的反向电流斜率很大，和反向关断电压产生交叠，造成较大的二极管关断损耗。以上两点限制了产品的效率、工作电压、工作电流及开关管的工作频率，从而降低了产品的功率密度。由于对整车的质量和体积有严格要求，要求整个储能系统质量和体积都比较小。
[0003]针对现有技术中储能系统质量、体积较大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于提供一种双向DC-DC升降压系统及储能系统，以解决现有技术中储能系统质量、体积较大的问题。
[0005]为了实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种双向DC-DC升降压系统。根据本发明的双向DC-DC升降压系统包括升压工作模式和降压工作模式，该系统包括:第一输入/输出单元，用于作为降压工作模式时系统的输入端，或升压工作模式时系统的输出端；第二输入/输出单元，用于作为降压工作模式时系统的输出端，或升压工作模式时系统的输入端；第一双向半桥电路，连接于第一输入/输出单元和第二输入/输出单元之间，用于作为降压工作模式时系统的主电路；第二双向半桥电路，连接于第一输入/输出单元和第二输入/输出单元之间，并与第一双向半桥电路交错并联，用于作为升压工作模式时系统的主电路；控制单元，与第一双向半桥电路和第二双向半桥电路电连接，用于控制第一双向半桥电路或第二双向半桥电路的开通或关断。
[0006]进一步地，第一双向半桥电路包括第一开关管Tl、第三开关管T3、第一二极管D1、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3 ;第二双向半桥电路包括第二开关管T2、第四开关管T4、第二二极管D2、第四二极管D4、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3 ;第一开关管Tl的集电极与第一输入/输出单元正极连接，第一开关管Tl的发射极第二输入/输出单元正极连接，第一开关管Tl的基极与控制单元电连接；第一二极管Dl的正极与第一开关管Tl的发射极连接，第一二极管Dl的负极与第一开关管Tl的集电极连接；第三开关管T3的集电极与第一输入/输出单元正极连接，第三开关管T3的发射极第二输入/输出单元正极连接，第三开关管T3的基极与控制单元电连接；第三二极管D3的正极与第三开关管T3的发射极连接，第三二极管D3的负极与第三开关管T3的集电极连接；第一电感LI以及第三电感L3顺序串联于第一开关管Tl的发射极以及第二输入/输出单元正极之间；第二电感L2以及第三电感L3顺序串联于第三开关管T3的发射极以及第二输入/输出单元正极之间；第二开关管T2的集电极与第一开关管Tl的发射极连接，第二开关管T2的发射极第一输入/输出单元负极连接，第二开关管T2的基极与控制单元电连接；第二二极管D2的正极与第二开关管T2的发射极连接，第二二极管D2的负极与第二开关管T2的集电极连接；第四开关管T4的集电极与第二开关管T2的发射极连接，第四开关管T4的发射极第一输入/输出单元负极连接，第四开关管T4的基极与控制单元电连接；第四二极管D4的正极与第四开关管T4的发射极连接，第四二极管D4的负极与第四开关管T4的集电极连接。
[0007]进一步地，在控制单元控制第一双向半桥电路的第一开关管Tl导通，第三开关管T3关断，控制第二双向半桥电路的第二开关管T2和第四开关管T4都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入降压工作模式，电流通过第一输入/输出单元经由第一开关管Tl传输至第二输入/输出单元，使得第一双向半桥电路作为降压工作模式时系统的主电路；在控制单元控制第一双向半桥电路的第三开关管T3导通，第一开关管Tl关断，控制第二双向半桥电路的第二开关管T2和第四开关管T4都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于降压工作模式，电流通过第一输入/输出单元经由第三开关管T3传输至第二输入/输出单元，第一双向半桥电路作为降压工作模式时系统的主电路；在控制单元控制第二双向半桥电路的第二开关管T2导通，第四开关管T4关断，控制第一双向半桥电路的第一开关管Tl和第三开关管T3都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入升压工作模式，电流通过第二输入/输出单元经由第二开关管T2传输至第一输入/输出单元，使得第二双向半桥电路作为升压工作模式时系统的主电路；在控制单元控制第二双向半桥电路的第四开关管T4导通，第二开关管T2关断，控制第一双向半桥电路的第一开关管Tl和第三开关管T3都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于升压工作模式，电流通过第二输入/输出单元经由第四开关管T4传输至第一输入/输出单元，第二双向半桥电路作为升压工作模式时系统的主电路。
[0008]进一步地，在控制单元控制第一双向半桥电路的第一开关管Tl导通之后，如果控制单元控制第一双向半桥电路的第一开关管Tl关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流经由续流电路返回至第二输入/输出单元，续流电路包括:第二二极管D2、第一电感LI和第三电感L3 ;在控制单元控制第一双向半桥电路的第三开关管T3导通之后，如果控制单元控制第一双向半桥电路的第三开关管T3关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流经由续流电路返回至第二输入/输出单元，续流电路包括:第四二极管D4、第二电感L2和第三电感L3。
[0009]进一步地，第一双向半桥电路包括第一电容Cl ;其中，第一电容Cl连接于第一开关管Tl的集电极与第一输入/输出单元负极之间，用于第一输入/输出单元电压发生变化时进行补偿。
[0010]进一步地，第二双向半桥电路包括第二电容C2 ;其中，第二电容C2连接于第二开关管T2的集电极与第二输入/输出单元负极之间，用于第二输入/输出单元电压发生变化时进行补偿。
[0011]进一步地，控制单元发出控制信号控制第一开关管Tl以及第三开关管T3占空比工作时，系统为降压系统。
[0012]进一步地，控制单元发出控制信号控制第二开关管T2以及第四开关管Τ4占空比工作时，系统为升压系统。
[0013]进一步地，第一电感LI与第二电感L2的电感值相等。
[0014]为了实现上述目的，根据本发明实施例的另一方面，提供了一种储能系统。根据本发明的系统包括:上述双向DC-DC升降压系统。
[0015]根据发明实施例，通过第一双向半桥电路与第二双向半桥电路的交错并联节约了元器件，主电感通过前级电路的交错实现了倍频，从而减小电感体积，解决了现有技术中储能系统质量、体积较大的问题，达到了减小系统质量以及体积的效果。
【附图说明】
[0016]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0017]图1是根据本发明实施例的双向DC-DC升降压系统结构示意图；
[0018]图2是根据本发明实施例 的双向DC-DC升降压系统电路结构的示意图；
[0019]图3是根据本发明实施例的系统降压工作模式下一种电流流向的示意图；
[0020]图4是根据本发明实施例的系统降压工作模式下又一种电流流向的示意图；
[0021]图5是根据本发明实施例的系统降压工作模式下一种续流电流流向的示意图；以及
[0022]图6是根据本发明实施例的系统降压工作模式下又一种续流电流流向的示意图。
【具体实施方式】
[0023]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0024]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0025]需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0026]实施例1
[0027]本发明实施例提供了一种双向DC-DC升降压系统。
[0028]图1是根据本发明实施例的双向DC-DC升降压系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括第一输入/输出单元12、第一双向半桥电路14、第二双向半桥电路16、第二输入输出单元18以及控制单元20。
[0029]系统包括升压工作模式或降压工作模式，包括:
[0030]第一输入/输出单元12，用于作为降压工作模式时系统的输入端，或升压工作模式时系统的输出端。
[0031]第二输入/输出单元18，用于作为降压工作模式时系统的输出端，或升压工作模式时系统的输入端。
[0032]具体地，在降压工作模式下，第一输入/输出单元12作为输入端，第二输入/输出单元18作为输出端。在升压工作模式下，第二输入/输出单元18作为输入端，第一输入/输出单元12作为输出端。
[0033]第一双向半桥电路14，连接于第一输入/输出单元12和第二输入/输出单元18之间，用于作为降压工作模式时系统的主电路。
[0034]第二双向半桥电路16，连接于第一输入/输出单元12和第二输入/输出单元18之间，并与第一双向半桥电路14交错并联，用于作为升压工作模式时系统的主电路。
[0035]具体地，交错并联的双向DC/DC升降压系统结构简单紧凑，成本低廉，可以提高开关频率，从而达到了减少整个系统的质量和体积的目的。相对于传统的单向DC-DC电路节约了一半的元器件。
[0036]控制单元20，与第一双向半桥电路14和第二双向半桥电路16电连接，用于控制第一双向半桥电路14或第二双向半桥电路16的开通或关断。
[0037]具体地，交错并联的双向DC/DC升降压系统在不同的开关状态下可工作在降压BUCK和升压BOOST两种工作模式。该系统工作在BUCK模式，此时系统的电路等效于交错并联的BUCK电路；该系统工作在BOOST模式，此时系统的电路等效于交错并联的BOOST电路。
[0038]图2是根据本发明实施例的双向DC-DC升降压系统电路结构的示意图，结合图1和图2，该第一双向半桥电路14与第二双向半桥电路16的结构包括:
[0039]第一双向半桥电路14包括第一开关管Tl、第三开关管T3、第一二极管D1、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3 ;第二双向半桥电路16包括第二开关管T2、第四开关管T4、第二二极管D2、第四二极管D4、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3。
[0040]第一开关管Tl的集电极与第一输入/输出单元12正极连接，第一开关管Tl的发射极第二输入/输出单元18正极连接，第一开关管Tl的基极与控制单元20电连接。
[0041]第一二极管Dl的正极与第一开关管Tl的发射极连接，第一二极管Dl的负极与第一开关管Tl的集电极连接。
[0042]第三开关管T3的集电极与第一输入/输出单元12正极连接，第三开关管T3的发射极第二输入/输出单元18正极连接，第三开关管T3的基极与控制单元20电连接。
[0043]第三二极管D3的正极与第三开关管T3的发射极连接，第三二极管D3的负极与第三开关管T3的集电极连接。
[0044]第一电感LI以及第三电感L3顺序串联于第一开关管Tl的发射极以及第二输入/输出单元18正极之间。
[0045]第二电感L2以及第三电感L3顺序串联于第三开关管T3的发射极以及第二输入/输出单元18正极之间；
[0046]第二开关管T2的集电极与第一开关管Tl的发射极连接，第二开关管T2的发射极与第一输入/输出单元12负极连接，第二开关管T2的基极与控制单元20电连接；
[0047]第二二极管D2的正极与第二开关管T2的发射极连接，第二二极管D2的负极与第二开关管T2的集电极连接；
[0048]第四开关管T4的集电极与第二开关管T2的发射极连接，第四开关管T4的发射极第一输入/输出单元12负极连接，第四开关管T4的基极与控制单元20电连接；
[0049]第四二极管D4的正极与第四开关管T4的发射极连接，第四二极管D4的负极与第四开关管T4的集电极连接。
[0050]具体地，第三电感L3通过前级电路的交错，实现了倍频，从而减小了电感的体积。第四开关管T4的发射极还与第二输入/输出单兀18负极连接。
[0051]在一种优选的实施例中，本实施例还提供了一种控制方法。该方法包括步骤如下:
[0052]步骤S12，在控制单元20控制第一双向半桥电路14的第一开关管Tl导通，第三开关管T3关断，控制第二双向半桥电路16的第二开关管T2和第四开关管T4都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入降压工作模式，电流通过第一输入/输出单元12经由第一开关管Tl传输至第二输入/输出单元18，使得第一双向半桥电路14作为降压工作模式时系统的主电路。电流流向如图3所示。
[0053]具体地，当第一开关管Tl以及第三开关管T3交替导通，第二开关管T2以及第四开关管T4封锁驱动时，该系统进入降压工作模式。第一开关管Tl导通时，电流通过第一输入/输出单元12，经过第一开关管Tl、第一电感L1、第三电感L3传输至第二输入/输出单元18ο
[0054]步骤S14，在控制单元20控制第一双向半桥电路14的第三开关管Τ3导通，第一开关管Tl关断，控制第二双向半桥电路16的第二开关管Τ2和第四开关管Τ4都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于降压工作模式，电流通过第一输入/输出单元12经由第三开关管Τ3传输至第二输入/输出单元18，第一双向半桥电路14作为降压工作模式时系统的主电路。
[0055]具体地，第三开关管Τ3导通时，电流经通 过第一输入/输出单元12，经过第三开关管Τ3、第二电感L2、第三电感L3传输至第二输入/输出单元18。电流流向如图4所示。
[0056]步骤S22，在控制单元20控制第二双向半桥电路16的第二开关管Τ2导通，第四开关管Τ4关断，控制第一双向半桥电路14的第一开关管Tl和第三开关管Τ3都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入升压工作模式，电流通过第二输入/输出单元18经由第二开关管Τ2传输至第一输入/输出单元12，使得第二双向半桥电路16作为升压工作模式时系统的主电路。
[0057]步骤S24，在控制单元20控制第二双向半桥电路16的第四开关管Τ4导通，第二开关管Τ2关断，控制第一双向半桥电路14的第一开关管Tl和第三开关管Τ3都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于升压工作模式，电流通过第二输入/输出单元18经由第四开关管Τ4传输至第一输入/输出单元12，第二双向半桥电路16作为升压工作模式时系统的主电路。
[0058]具体地，当第二开关管Τ2以及第四开关管Τ4交替导通，第一开关管Tl以及第三开关管Τ3封锁驱动时，该系统进入升压工作模式。第二开关管Τ2导通时，电流经通过第二输入/输出单元18，经过第二开关管T2、第三电感L3、第一电感LI传输至第一输入/输出单元12。第四开关管T4导通时，电流经通过第二输入/输出单元18，经过第四开关管T4、第三电感L3、第二电感L2传输至第一输入/输出单元12。
[0059]在上述步骤S12之后，可以包括步骤S13，在控制单元20控制第一双向半桥电路14的第一开关管Tl导通之后，如果控制单元20控制第一双向半桥电路14的第一开关管Tl关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流通过经由续流电路返回至第二输入/输出单元18，续流电路包括:第二二极管D2、第一电感LI和第三电感L3。
[0060]具体地，控制单元20控制第一开关管Tl开通至关断时，第一电感LI以及第三电感L3提供续流，电流经由第二开关管D2与第一电感LI以及第三电感L3形成续流回路。电流流向如图5所示。
[0061]在上述步骤S14之后，可以包括步骤S15，在控制单元20控制第一双向半桥电路14的第三开关管T3导通之后，如果控制单元20控制第一双向半桥电路14的第三开关管T3关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流通过经由续流电路返回至第二输入/输出单元18，续流电路包括:第四二极管D4、第二电感L2和第三电感L3。
[0062]具体地，控制单元20控制第三开关管T3开通至关断时，第二电感L2以及第三电感L3提供续流，电流经由第四开关管D4与第二电感L2以及第三电感L3形成续流回路。电流流向如图6所示。
[0063]第一双向半桥电路14还包括第一电容Cl，第一电容Cl连接于第一开关管Tl的集电极与第一输入/输出单元12负极之间，用于第一输入/输出单元12电压发生变化时进行补偿。
[0064]第二双向半桥电路16还包括第二电容C2，第二电容C2连接于第二开关管T2的集电极与第二输入/输出单元18负极之间，用于第二输入/输出单元18电压发生变化时进行补偿。
[0065]具体地，电容作为储能元件，在电路开通时存储能量，在电路关断时释放能量，第一电容Cl以及第二电容C2作为支撑电容用于稳压。通过前级电路的交错实现了倍频，从而减小了输出端电容的电流应力。
[0066]控制单元20发出控制信号控制第一开关管Tl以及第三开关管T3占空比工作时，系统为降压系统。
[0067]具体地，在降压工作模式下的系统，第一开关管Tl以及第三开关管T3是交替工作的，在工作过程中，第一开关管Tl以及第三开关管T3占空比限制在0.5以内，第一电感LI以及第二电感L2交替工作。
[0068]控制单元20发出控制信号控制第二开关管T2以及第四开关管T4占空比工作时，系统为升压系统。
[0069]具体地，在升压工作模式下的系统，第二开关管T2以及第四开关管T4是交替工作的，在工作过程中，第二开关管T2以及第四开关管T4占空比限制在0.5以内，第一电感LI以及第二电感L2交替工作。
[0070]第一电感LI与第二电感L2的电感值相等。
[0071]具体地，第一电感LI与第二电感L2在电路中的作用相同，其参数可以相同也可以不同。在第一电感LI与第二电感L2电感值相等的情况下可以使电路中电流更平稳。
[0072]结合上述实施例一，下面，就以如下具体实例对本申请实施例一提供的方案进行详细描述:
[0073]本实施例还可以提供一种交错并联双向DC/DC升降压系统，在不同的开关状态下可工作在降压Buck和升压Boost两种工作模式。该实施例中的开关管可以是功率开关管。当功率开关管Tl、T3占空比工作，功率开关管T2、T4封锁驱动时，变换器工作在Buck模式，此时变换器等效于交错并联Buck电路。当功率开关T2、T4占空比工作，功率开关管Τ1、Τ3封锁驱动时，变换器工作在Boost模式，此时变换器等效于交错并联Boost电路。两个电感相等即有LI = L2 = L，两路开关管导通占空比相等且相位相差180°，电路进入稳态各个开关周期内电流相等。
[0074]本实施例中功率开关管Tl和T3是交替工作的，在工作过程中，Tl和T3占空比限制在0.5以内。结合图2，该降压电路工作原理如下:
[0075]在Ttl时刻，Tl开通时，电流经过Tl、L1、L3实现对续流二极管D4的软关断，将经过二极管D4的电流缓慢换到L2上，直至二极管完全关断。同时经过功率开关管Tl的电流时缓慢上升，实现零电流开通，功率开关管Tl开通过程中流过的电流也是从续流二极管D4上经过换流电感L2、L3缓慢换过来，从而实现了零电流开通。功率开关管Tl关断，此时Tl、T3处于关断状态，D2开始导通续流。直至Irff时刻结束。这段时间为反并联二极管续流时间。二极管续流时间结束后，功率开关管T3开通，输入电压首先经过换流电感L1、L3将正在续流的D2进行软关断，将经过二极管D2的电流缓慢换到LI上，直至二极管完全关断。功率开关管T3开通过程中流过的电流也是从续流二极管D2上经过换流电感L1、L2缓慢换至T3，从而也实现了零电流开通。
[0076]功率开关管Tl和T3是交替工作的，在工作过程中，Tl和T3占空比限制在0.5以内，同样L1、L2也交替工作。在前期的设计过程中将L1、L2的参数设置成一样，参数有差异也不影响整个电路的工作。
[0077]以降压工作模式为例，交错的双向DC-DC升降压系统采用交错的升降压电路主电感L3通过前级电路的交错实现了倍频，从而减小了主电感L3体积、输出电容C2的电流应力。功率开关管Tl、T3实现了零电流开通，降低了开关管损耗，提高了开关管频率。
[0078]实施例2
[0079]本发明实施例还提供了一种储能系统。该储能系统包括上述实施例1中任一种双向DC-DC升降压系统。
[0080]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种双向DC-DC升降压系统，包括升压工作模式或降压工作模式，其特征在于，包括: 第一输入/输出单元，用于作为所述降压工作 模式时所述系统的输入端，或所述升压工作模式时所述系统的输出端； 第二输入/输出单元，用于作为所述降压工作模式时所述系统的输出端，或所述升压工作模式时所述系统的输入端； 第一双向半桥电路，连接于所述第一输入/输出单元和所述第二输入/输出单元之间，用于作为所述降压工作模式时所述系统的主电路； 第二双向半桥电路，连接于所述第一输入/输出单元和所述第二输入/输出单元之间，并与所述第一双向半桥电路交错并联，用于作为所述升压工作模式时所述系统的主电路；控制单元，与所述第一双向半桥电路和所述第二双向半桥电路电连接，用于控制所述第一双向半桥电路或所述第二双向半桥电路的开通或关断。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一双向半桥电路包括第一开关管Tl、第三开关管T3、第一二极管D1、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3 ;所述第二双向半桥电路包括第二开关管T2、第四开关管T4、第二二极管D2、第四二极管D4、所述第一电感L1、所述第二电感L2以及所述第三电感L3 ； 所述第一开关管Tl的集电极与所述第一输入/输出单元正极连接，所述第一开关管Tl的发射极与所述第二输入/输出单元正极连接，所述第一开关管Tl的基极与所述控制单元电连接； 所述第一二极管Dl的正极与所述第一开关管Tl的发射极连接，所述第一二极管Dl的负极与所述第一开关管Tl的集电极连接； 所述第三开关管T3的集电极与所述第一输入/输出单元正极连接，所述第三开关管T3的发射极与所述第二输入/输出单元正极连接，所述第三开关管T3的基极与所述控制单元电连接； 所述第三二极管D3的正极与所述第三开关管T3的发射极连接，所述第三二极管D3的负极与所述第三开关管T3的集电极连接； 所述第一电感LI以及所述第三电感L3顺序串联于所述第一开关管Tl的发射极以及所述第二输入/输出单元正极之间； 所述第二电感L2以及所述第三电感L3顺序串联于所述第三开关管T3的发射极以及所述第二输入/输出单元正极之间； 所述第二开关管T2的集电极与所述第一开关管Tl的发射极连接，所述第二开关管T2的发射极与所述第一输入/输出单元负极连接，所述第二开关管T2的基极与所述控制单元电连接； 所述第二二极管D2的正极与所述第二开关管T2的发射极连接，所述第二二极管D2的负极与所述第二开关管T2的集电极连接； 所述第四开关管T4的集电极与所述第二开关管T2的发射极连接，所述第四开关管T4的发射极与所述第一输入/输出单元负极连接，所述第四开关管T4的基极与所述控制单元电连接； 所述第四二极管D4的正极与所述第四开关管T4的发射极连接，所述第四二极管D4的负极与所述第四开关管T4的集电极连接。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于， 在所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第一开关管Tl导通，所述第三开关管T3关断，控制所述第二双向半桥电路的所述第二开关管T2和所述第四开关管T4都关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统进入所述降压工作模式，电流通过所述第一输入/输出单元经由所述第一开关管TI传输至所述第二输入/输出单元，使得所述第一双向半桥电路作为所述降压工作模式时所述系统的主电路； 在所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第三开关管T3导通，所述第一开关管Tl关断、控制所述第二双向半桥电路的所述第二开关管T2和所述第四开关管T4都关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于所述降压工作模式，所述电流通过所述第一输入/输出单元经由所述第三开关管T3传输至所述第二输入/输出单元，所述第一双向半桥电路作为所述降压工作模式时所述系统的主电路； 在所述控制单元控制所述第二双向半桥电路的所述第二开关管T2导通，所述第四开关管T4关断，控制所述第一双向半桥电路的所述第一开关管Tl和所述第三开关管T3都关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统进入所述升压工作模式，所述电流通过所述第二输入/输出单元经由所述第二开关管T2传输至所述第一输入/输出单元，使得所述第二双向半桥电路作为所述升压工作模式时所述系统的主电路； 在所述控制单元控制所述第二双向半桥电路的所述第四开关管T4导通，所述第二开关管T2关断，控制所述第一双向半桥电路的所述第一开关管Tl和所述第三开关管T3都关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于所述升压工作模式，所述电流通过所述第二输入/输出单元经由所述第四开关管T4传输至所述第一输入/输出单元，所述第二双向半桥电路作为所述升压工作模式时所述系统的主电路。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于， 在所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第一开关管Tl导通之后，如果所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第一开关管Tl关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流经由续流电路返回至所述第二输入/输出单元，所述续流电路包括:所述第二二极管D2、所述第一电感LI和所述第三电感L3 ; 在所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第三开关管T3导通之后，如果所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第三开关管T3关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流经由续流电路返回至所述第二输入/输出单元，所述续流电路包括:所述第四二极管D4、所述第二电感L2和所述第三电感L3。5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一双向半桥电路包括第一电容Cl ； 其中，所述第一电容Cl连接于所述第一开关管Tl的集电极与所述第一输入/输出单元负极之间，用于所述第一输入/输出单元电压发生变化时进行补偿。6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二双向半桥电路包括第二电容C2 ； 其中，所述第二电容C2连接于所述第二开关管T2的集电极与所述第二输入/输出单元负极之间，用于所述第二输入/输出单元电压发生变化时进行补偿。7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制单元发出控制信号控制所述第一开关管Tl以及所述第三开关管T3占空比工作时，所述系统为降压系统。8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述控制单元发出控制信号控制所述第二开关管T2以及所述第四开关管T4占空比工作时，所述系统为升压系统。9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一电感LI与所述第二电感L2的电感值相等。10.一种储能系统，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的双向DC-DC升降压系统。
【专利摘要】本发明公开了一种双向DC-DC升降压系统及储能系统。其中，该双向DC-DC升降压系统包括：第一输入/输出单元，用于作为降压工作模式时系统的输入端，或升压工作模式时系统的输出端；第二输入/输出单元，用于作为降压工作模式时系统的输出端，或升压工作模式时系统的输入端；第一双向半桥电路，连接于第一输入/输出单元和第二输入/输出单元之间；第二双向半桥电路，连接于第一输入/输出单元和第二输入/输出单元之间，并与第一双向半桥电路交错并联；控制单元，与第一双向半桥电路和第二双向半桥电路电连接，用于控制第一双向半桥电路或第二双向半桥电路的开通或关断。本发明解决了现有技术中储能系统质量、体积较大的问题。
【IPC分类】H02M3/155
【公开号】CN104901536
【申请号】CN201510309692
【发明人】刘玉文, 张会青, 韩庆军, 姚正斌, 于晓杰, 隋燕, 吴冬华
【申请人】南车青岛四方机车车辆股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月8日
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力领域，具体而言，涉及一种双向DC-DC升降压系统及储能系统。
【背景技术】
[0002]低地板车辆储能系统中，在有接触网的区段，对储能系统进行充电，在无接触网区段，将储能系统存储的电能升压，为列车的牵引辅助系统供电，保证列车的正常运行。在传统升降压电路中，由于开关管为硬开通关断，在高电压大电流工况下损耗大，限制了开关频率，导致电感体积很大，产品的功率密度低。续流二极管也为硬关断，在关断瞬间，由于电流存在反向恢复电流的现象，且关断的反向电流斜率很大，和反向关断电压产生交叠，造成较大的二极管关断损耗。以上两点限制了产品的效率、工作电压、工作电流及开关管的工作频率，从而降低了产品的功率密度。由于对整车的质量和体积有严格要求，要求整个储能系统质量和体积都比较小。
[0003]针对现有技术中储能系统质量、体积较大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于提供一种双向DC-DC升降压系统及储能系统，以解决现有技术中储能系统质量、体积较大的问题。
[0005]为了实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种双向DC-DC升降压系统。根据本发明的双向DC-DC升降压系统包括升压工作模式和降压工作模式，该系统包括:第一输入/输出单元，用于作为降压工作模式时系统的输入端，或升压工作模式时系统的输出端；第二输入/输出单元，用于作为降压工作模式时系统的输出端，或升压工作模式时系统的输入端；第一双向半桥电路，连接于第一输入/输出单元和第二输入/输出单元之间，用于作为降压工作模式时系统的主电路；第二双向半桥电路，连接于第一输入/输出单元和第二输入/输出单元之间，并与第一双向半桥电路交错并联，用于作为升压工作模式时系统的主电路；控制单元，与第一双向半桥电路和第二双向半桥电路电连接，用于控制第一双向半桥电路或第二双向半桥电路的开通或关断。
[0006]进一步地，第一双向半桥电路包括第一开关管Tl、第三开关管T3、第一二极管D1、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3 ;第二双向半桥电路包括第二开关管T2、第四开关管T4、第二二极管D2、第四二极管D4、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3 ;第一开关管Tl的集电极与第一输入/输出单元正极连接，第一开关管Tl的发射极第二输入/输出单元正极连接，第一开关管Tl的基极与控制单元电连接；第一二极管Dl的正极与第一开关管Tl的发射极连接，第一二极管Dl的负极与第一开关管Tl的集电极连接；第三开关管T3的集电极与第一输入/输出单元正极连接，第三开关管T3的发射极第二输入/输出单元正极连接，第三开关管T3的基极与控制单元电连接；第三二极管D3的正极与第三开关管T3的发射极连接，第三二极管D3的负极与第三开关管T3的集电极连接；第一电感LI以及第三电感L3顺序串联于第一开关管Tl的发射极以及第二输入/输出单元正极之间；第二电感L2以及第三电感L3顺序串联于第三开关管T3的发射极以及第二输入/输出单元正极之间；第二开关管T2的集电极与第一开关管Tl的发射极连接，第二开关管T2的发射极第一输入/输出单元负极连接，第二开关管T2的基极与控制单元电连接；第二二极管D2的正极与第二开关管T2的发射极连接，第二二极管D2的负极与第二开关管T2的集电极连接；第四开关管T4的集电极与第二开关管T2的发射极连接，第四开关管T4的发射极第一输入/输出单元负极连接，第四开关管T4的基极与控制单元电连接；第四二极管D4的正极与第四开关管T4的发射极连接，第四二极管D4的负极与第四开关管T4的集电极连接。
[0007]进一步地，在控制单元控制第一双向半桥电路的第一开关管Tl导通，第三开关管T3关断，控制第二双向半桥电路的第二开关管T2和第四开关管T4都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入降压工作模式，电流通过第一输入/输出单元经由第一开关管Tl传输至第二输入/输出单元，使得第一双向半桥电路作为降压工作模式时系统的主电路；在控制单元控制第一双向半桥电路的第三开关管T3导通，第一开关管Tl关断，控制第二双向半桥电路的第二开关管T2和第四开关管T4都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于降压工作模式，电流通过第一输入/输出单元经由第三开关管T3传输至第二输入/输出单元，第一双向半桥电路作为降压工作模式时系统的主电路；在控制单元控制第二双向半桥电路的第二开关管T2导通，第四开关管T4关断，控制第一双向半桥电路的第一开关管Tl和第三开关管T3都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入升压工作模式，电流通过第二输入/输出单元经由第二开关管T2传输至第一输入/输出单元，使得第二双向半桥电路作为升压工作模式时系统的主电路；在控制单元控制第二双向半桥电路的第四开关管T4导通，第二开关管T2关断，控制第一双向半桥电路的第一开关管Tl和第三开关管T3都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于升压工作模式，电流通过第二输入/输出单元经由第四开关管T4传输至第一输入/输出单元，第二双向半桥电路作为升压工作模式时系统的主电路。
[0008]进一步地，在控制单元控制第一双向半桥电路的第一开关管Tl导通之后，如果控制单元控制第一双向半桥电路的第一开关管Tl关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流经由续流电路返回至第二输入/输出单元，续流电路包括:第二二极管D2、第一电感LI和第三电感L3 ;在控制单元控制第一双向半桥电路的第三开关管T3导通之后，如果控制单元控制第一双向半桥电路的第三开关管T3关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流经由续流电路返回至第二输入/输出单元，续流电路包括:第四二极管D4、第二电感L2和第三电感L3。
[0009]进一步地，第一双向半桥电路包括第一电容Cl ;其中，第一电容Cl连接于第一开关管Tl的集电极与第一输入/输出单元负极之间，用于第一输入/输出单元电压发生变化时进行补偿。
[0010]进一步地，第二双向半桥电路包括第二电容C2 ;其中，第二电容C2连接于第二开关管T2的集电极与第二输入/输出单元负极之间，用于第二输入/输出单元电压发生变化时进行补偿。
[0011]进一步地，控制单元发出控制信号控制第一开关管Tl以及第三开关管T3占空比工作时，系统为降压系统。
[0012]进一步地，控制单元发出控制信号控制第二开关管T2以及第四开关管Τ4占空比工作时，系统为升压系统。
[0013]进一步地，第一电感LI与第二电感L2的电感值相等。
[0014]为了实现上述目的，根据本发明实施例的另一方面，提供了一种储能系统。根据本发明的系统包括:上述双向DC-DC升降压系统。
[0015]根据发明实施例，通过第一双向半桥电路与第二双向半桥电路的交错并联节约了元器件，主电感通过前级电路的交错实现了倍频，从而减小电感体积，解决了现有技术中储能系统质量、体积较大的问题，达到了减小系统质量以及体积的效果。
【附图说明】
[0016]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0017]图1是根据本发明实施例的双向DC-DC升降压系统结构示意图；
[0018]图2是根据本发明实施例 的双向DC-DC升降压系统电路结构的示意图；
[0019]图3是根据本发明实施例的系统降压工作模式下一种电流流向的示意图；
[0020]图4是根据本发明实施例的系统降压工作模式下又一种电流流向的示意图；
[0021]图5是根据本发明实施例的系统降压工作模式下一种续流电流流向的示意图；以及
[0022]图6是根据本发明实施例的系统降压工作模式下又一种续流电流流向的示意图。
【具体实施方式】
[0023]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0024]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0025]需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0026]实施例1
[0027]本发明实施例提供了一种双向DC-DC升降压系统。
[0028]图1是根据本发明实施例的双向DC-DC升降压系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括第一输入/输出单元12、第一双向半桥电路14、第二双向半桥电路16、第二输入输出单元18以及控制单元20。
[0029]系统包括升压工作模式或降压工作模式，包括:
[0030]第一输入/输出单元12，用于作为降压工作模式时系统的输入端，或升压工作模式时系统的输出端。
[0031]第二输入/输出单元18，用于作为降压工作模式时系统的输出端，或升压工作模式时系统的输入端。
[0032]具体地，在降压工作模式下，第一输入/输出单元12作为输入端，第二输入/输出单元18作为输出端。在升压工作模式下，第二输入/输出单元18作为输入端，第一输入/输出单元12作为输出端。
[0033]第一双向半桥电路14，连接于第一输入/输出单元12和第二输入/输出单元18之间，用于作为降压工作模式时系统的主电路。
[0034]第二双向半桥电路16，连接于第一输入/输出单元12和第二输入/输出单元18之间，并与第一双向半桥电路14交错并联，用于作为升压工作模式时系统的主电路。
[0035]具体地，交错并联的双向DC/DC升降压系统结构简单紧凑，成本低廉，可以提高开关频率，从而达到了减少整个系统的质量和体积的目的。相对于传统的单向DC-DC电路节约了一半的元器件。
[0036]控制单元20，与第一双向半桥电路14和第二双向半桥电路16电连接，用于控制第一双向半桥电路14或第二双向半桥电路16的开通或关断。
[0037]具体地，交错并联的双向DC/DC升降压系统在不同的开关状态下可工作在降压BUCK和升压BOOST两种工作模式。该系统工作在BUCK模式，此时系统的电路等效于交错并联的BUCK电路；该系统工作在BOOST模式，此时系统的电路等效于交错并联的BOOST电路。
[0038]图2是根据本发明实施例的双向DC-DC升降压系统电路结构的示意图，结合图1和图2，该第一双向半桥电路14与第二双向半桥电路16的结构包括:
[0039]第一双向半桥电路14包括第一开关管Tl、第三开关管T3、第一二极管D1、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3 ;第二双向半桥电路16包括第二开关管T2、第四开关管T4、第二二极管D2、第四二极管D4、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3。
[0040]第一开关管Tl的集电极与第一输入/输出单元12正极连接，第一开关管Tl的发射极第二输入/输出单元18正极连接，第一开关管Tl的基极与控制单元20电连接。
[0041]第一二极管Dl的正极与第一开关管Tl的发射极连接，第一二极管Dl的负极与第一开关管Tl的集电极连接。
[0042]第三开关管T3的集电极与第一输入/输出单元12正极连接，第三开关管T3的发射极第二输入/输出单元18正极连接，第三开关管T3的基极与控制单元20电连接。
[0043]第三二极管D3的正极与第三开关管T3的发射极连接，第三二极管D3的负极与第三开关管T3的集电极连接。
[0044]第一电感LI以及第三电感L3顺序串联于第一开关管Tl的发射极以及第二输入/输出单元18正极之间。
[0045]第二电感L2以及第三电感L3顺序串联于第三开关管T3的发射极以及第二输入/输出单元18正极之间；
[0046]第二开关管T2的集电极与第一开关管Tl的发射极连接，第二开关管T2的发射极与第一输入/输出单元12负极连接，第二开关管T2的基极与控制单元20电连接；
[0047]第二二极管D2的正极与第二开关管T2的发射极连接，第二二极管D2的负极与第二开关管T2的集电极连接；
[0048]第四开关管T4的集电极与第二开关管T2的发射极连接，第四开关管T4的发射极第一输入/输出单元12负极连接，第四开关管T4的基极与控制单元20电连接；
[0049]第四二极管D4的正极与第四开关管T4的发射极连接，第四二极管D4的负极与第四开关管T4的集电极连接。
[0050]具体地，第三电感L3通过前级电路的交错，实现了倍频，从而减小了电感的体积。第四开关管T4的发射极还与第二输入/输出单兀18负极连接。
[0051]在一种优选的实施例中，本实施例还提供了一种控制方法。该方法包括步骤如下:
[0052]步骤S12，在控制单元20控制第一双向半桥电路14的第一开关管Tl导通，第三开关管T3关断，控制第二双向半桥电路16的第二开关管T2和第四开关管T4都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入降压工作模式，电流通过第一输入/输出单元12经由第一开关管Tl传输至第二输入/输出单元18，使得第一双向半桥电路14作为降压工作模式时系统的主电路。电流流向如图3所示。
[0053]具体地，当第一开关管Tl以及第三开关管T3交替导通，第二开关管T2以及第四开关管T4封锁驱动时，该系统进入降压工作模式。第一开关管Tl导通时，电流通过第一输入/输出单元12，经过第一开关管Tl、第一电感L1、第三电感L3传输至第二输入/输出单元18ο
[0054]步骤S14，在控制单元20控制第一双向半桥电路14的第三开关管Τ3导通，第一开关管Tl关断，控制第二双向半桥电路16的第二开关管Τ2和第四开关管Τ4都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于降压工作模式，电流通过第一输入/输出单元12经由第三开关管Τ3传输至第二输入/输出单元18，第一双向半桥电路14作为降压工作模式时系统的主电路。
[0055]具体地，第三开关管Τ3导通时，电流经通 过第一输入/输出单元12，经过第三开关管Τ3、第二电感L2、第三电感L3传输至第二输入/输出单元18。电流流向如图4所示。
[0056]步骤S22，在控制单元20控制第二双向半桥电路16的第二开关管Τ2导通，第四开关管Τ4关断，控制第一双向半桥电路14的第一开关管Tl和第三开关管Τ3都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入升压工作模式，电流通过第二输入/输出单元18经由第二开关管Τ2传输至第一输入/输出单元12，使得第二双向半桥电路16作为升压工作模式时系统的主电路。
[0057]步骤S24，在控制单元20控制第二双向半桥电路16的第四开关管Τ4导通，第二开关管Τ2关断，控制第一双向半桥电路14的第一开关管Tl和第三开关管Τ3都关断的情况下，双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于升压工作模式，电流通过第二输入/输出单元18经由第四开关管Τ4传输至第一输入/输出单元12，第二双向半桥电路16作为升压工作模式时系统的主电路。
[0058]具体地，当第二开关管Τ2以及第四开关管Τ4交替导通，第一开关管Tl以及第三开关管Τ3封锁驱动时，该系统进入升压工作模式。第二开关管Τ2导通时，电流经通过第二输入/输出单元18，经过第二开关管T2、第三电感L3、第一电感LI传输至第一输入/输出单元12。第四开关管T4导通时，电流经通过第二输入/输出单元18，经过第四开关管T4、第三电感L3、第二电感L2传输至第一输入/输出单元12。
[0059]在上述步骤S12之后，可以包括步骤S13，在控制单元20控制第一双向半桥电路14的第一开关管Tl导通之后，如果控制单元20控制第一双向半桥电路14的第一开关管Tl关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流通过经由续流电路返回至第二输入/输出单元18，续流电路包括:第二二极管D2、第一电感LI和第三电感L3。
[0060]具体地，控制单元20控制第一开关管Tl开通至关断时，第一电感LI以及第三电感L3提供续流，电流经由第二开关管D2与第一电感LI以及第三电感L3形成续流回路。电流流向如图5所示。
[0061]在上述步骤S14之后，可以包括步骤S15，在控制单元20控制第一双向半桥电路14的第三开关管T3导通之后，如果控制单元20控制第一双向半桥电路14的第三开关管T3关断的情况下，双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流通过经由续流电路返回至第二输入/输出单元18，续流电路包括:第四二极管D4、第二电感L2和第三电感L3。
[0062]具体地，控制单元20控制第三开关管T3开通至关断时，第二电感L2以及第三电感L3提供续流，电流经由第四开关管D4与第二电感L2以及第三电感L3形成续流回路。电流流向如图6所示。
[0063]第一双向半桥电路14还包括第一电容Cl，第一电容Cl连接于第一开关管Tl的集电极与第一输入/输出单元12负极之间，用于第一输入/输出单元12电压发生变化时进行补偿。
[0064]第二双向半桥电路16还包括第二电容C2，第二电容C2连接于第二开关管T2的集电极与第二输入/输出单元18负极之间，用于第二输入/输出单元18电压发生变化时进行补偿。
[0065]具体地，电容作为储能元件，在电路开通时存储能量，在电路关断时释放能量，第一电容Cl以及第二电容C2作为支撑电容用于稳压。通过前级电路的交错实现了倍频，从而减小了输出端电容的电流应力。
[0066]控制单元20发出控制信号控制第一开关管Tl以及第三开关管T3占空比工作时，系统为降压系统。
[0067]具体地，在降压工作模式下的系统，第一开关管Tl以及第三开关管T3是交替工作的，在工作过程中，第一开关管Tl以及第三开关管T3占空比限制在0.5以内，第一电感LI以及第二电感L2交替工作。
[0068]控制单元20发出控制信号控制第二开关管T2以及第四开关管T4占空比工作时，系统为升压系统。
[0069]具体地，在升压工作模式下的系统，第二开关管T2以及第四开关管T4是交替工作的，在工作过程中，第二开关管T2以及第四开关管T4占空比限制在0.5以内，第一电感LI以及第二电感L2交替工作。
[0070]第一电感LI与第二电感L2的电感值相等。
[0071]具体地，第一电感LI与第二电感L2在电路中的作用相同，其参数可以相同也可以不同。在第一电感LI与第二电感L2电感值相等的情况下可以使电路中电流更平稳。
[0072]结合上述实施例一，下面，就以如下具体实例对本申请实施例一提供的方案进行详细描述:
[0073]本实施例还可以提供一种交错并联双向DC/DC升降压系统，在不同的开关状态下可工作在降压Buck和升压Boost两种工作模式。该实施例中的开关管可以是功率开关管。当功率开关管Tl、T3占空比工作，功率开关管T2、T4封锁驱动时，变换器工作在Buck模式，此时变换器等效于交错并联Buck电路。当功率开关T2、T4占空比工作，功率开关管Τ1、Τ3封锁驱动时，变换器工作在Boost模式，此时变换器等效于交错并联Boost电路。两个电感相等即有LI = L2 = L，两路开关管导通占空比相等且相位相差180°，电路进入稳态各个开关周期内电流相等。
[0074]本实施例中功率开关管Tl和T3是交替工作的，在工作过程中，Tl和T3占空比限制在0.5以内。结合图2，该降压电路工作原理如下:
[0075]在Ttl时刻，Tl开通时，电流经过Tl、L1、L3实现对续流二极管D4的软关断，将经过二极管D4的电流缓慢换到L2上，直至二极管完全关断。同时经过功率开关管Tl的电流时缓慢上升，实现零电流开通，功率开关管Tl开通过程中流过的电流也是从续流二极管D4上经过换流电感L2、L3缓慢换过来，从而实现了零电流开通。功率开关管Tl关断，此时Tl、T3处于关断状态，D2开始导通续流。直至Irff时刻结束。这段时间为反并联二极管续流时间。二极管续流时间结束后，功率开关管T3开通，输入电压首先经过换流电感L1、L3将正在续流的D2进行软关断，将经过二极管D2的电流缓慢换到LI上，直至二极管完全关断。功率开关管T3开通过程中流过的电流也是从续流二极管D2上经过换流电感L1、L2缓慢换至T3，从而也实现了零电流开通。
[0076]功率开关管Tl和T3是交替工作的，在工作过程中，Tl和T3占空比限制在0.5以内，同样L1、L2也交替工作。在前期的设计过程中将L1、L2的参数设置成一样，参数有差异也不影响整个电路的工作。
[0077]以降压工作模式为例，交错的双向DC-DC升降压系统采用交错的升降压电路主电感L3通过前级电路的交错实现了倍频，从而减小了主电感L3体积、输出电容C2的电流应力。功率开关管Tl、T3实现了零电流开通，降低了开关管损耗，提高了开关管频率。
[0078]实施例2
[0079]本发明实施例还提供了一种储能系统。该储能系统包括上述实施例1中任一种双向DC-DC升降压系统。
[0080]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种双向DC-DC升降压系统，包括升压工作模式或降压工作模式，其特征在于，包括: 第一输入/输出单元，用于作为所述降压工作 模式时所述系统的输入端，或所述升压工作模式时所述系统的输出端； 第二输入/输出单元，用于作为所述降压工作模式时所述系统的输出端，或所述升压工作模式时所述系统的输入端； 第一双向半桥电路，连接于所述第一输入/输出单元和所述第二输入/输出单元之间，用于作为所述降压工作模式时所述系统的主电路； 第二双向半桥电路，连接于所述第一输入/输出单元和所述第二输入/输出单元之间，并与所述第一双向半桥电路交错并联，用于作为所述升压工作模式时所述系统的主电路；控制单元，与所述第一双向半桥电路和所述第二双向半桥电路电连接，用于控制所述第一双向半桥电路或所述第二双向半桥电路的开通或关断。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一双向半桥电路包括第一开关管Tl、第三开关管T3、第一二极管D1、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3 ;所述第二双向半桥电路包括第二开关管T2、第四开关管T4、第二二极管D2、第四二极管D4、所述第一电感L1、所述第二电感L2以及所述第三电感L3 ； 所述第一开关管Tl的集电极与所述第一输入/输出单元正极连接，所述第一开关管Tl的发射极与所述第二输入/输出单元正极连接，所述第一开关管Tl的基极与所述控制单元电连接； 所述第一二极管Dl的正极与所述第一开关管Tl的发射极连接，所述第一二极管Dl的负极与所述第一开关管Tl的集电极连接； 所述第三开关管T3的集电极与所述第一输入/输出单元正极连接，所述第三开关管T3的发射极与所述第二输入/输出单元正极连接，所述第三开关管T3的基极与所述控制单元电连接； 所述第三二极管D3的正极与所述第三开关管T3的发射极连接，所述第三二极管D3的负极与所述第三开关管T3的集电极连接； 所述第一电感LI以及所述第三电感L3顺序串联于所述第一开关管Tl的发射极以及所述第二输入/输出单元正极之间； 所述第二电感L2以及所述第三电感L3顺序串联于所述第三开关管T3的发射极以及所述第二输入/输出单元正极之间； 所述第二开关管T2的集电极与所述第一开关管Tl的发射极连接，所述第二开关管T2的发射极与所述第一输入/输出单元负极连接，所述第二开关管T2的基极与所述控制单元电连接； 所述第二二极管D2的正极与所述第二开关管T2的发射极连接，所述第二二极管D2的负极与所述第二开关管T2的集电极连接； 所述第四开关管T4的集电极与所述第二开关管T2的发射极连接，所述第四开关管T4的发射极与所述第一输入/输出单元负极连接，所述第四开关管T4的基极与所述控制单元电连接； 所述第四二极管D4的正极与所述第四开关管T4的发射极连接，所述第四二极管D4的负极与所述第四开关管T4的集电极连接。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于， 在所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第一开关管Tl导通，所述第三开关管T3关断，控制所述第二双向半桥电路的所述第二开关管T2和所述第四开关管T4都关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统进入所述降压工作模式，电流通过所述第一输入/输出单元经由所述第一开关管TI传输至所述第二输入/输出单元，使得所述第一双向半桥电路作为所述降压工作模式时所述系统的主电路； 在所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第三开关管T3导通，所述第一开关管Tl关断、控制所述第二双向半桥电路的所述第二开关管T2和所述第四开关管T4都关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于所述降压工作模式，所述电流通过所述第一输入/输出单元经由所述第三开关管T3传输至所述第二输入/输出单元，所述第一双向半桥电路作为所述降压工作模式时所述系统的主电路； 在所述控制单元控制所述第二双向半桥电路的所述第二开关管T2导通，所述第四开关管T4关断，控制所述第一双向半桥电路的所述第一开关管Tl和所述第三开关管T3都关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统进入所述升压工作模式，所述电流通过所述第二输入/输出单元经由所述第二开关管T2传输至所述第一输入/输出单元，使得所述第二双向半桥电路作为所述升压工作模式时所述系统的主电路； 在所述控制单元控制所述第二双向半桥电路的所述第四开关管T4导通，所述第二开关管T2关断，控制所述第一双向半桥电路的所述第一开关管Tl和所述第三开关管T3都关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统仍旧保持处于所述升压工作模式，所述电流通过所述第二输入/输出单元经由所述第四开关管T4传输至所述第一输入/输出单元，所述第二双向半桥电路作为所述升压工作模式时所述系统的主电路。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于， 在所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第一开关管Tl导通之后，如果所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第一开关管Tl关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流经由续流电路返回至所述第二输入/输出单元，所述续流电路包括:所述第二二极管D2、所述第一电感LI和所述第三电感L3 ; 在所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第三开关管T3导通之后，如果所述控制单元控制所述第一双向半桥电路的所述第三开关管T3关断的情况下，所述双向DC-DC升降压系统进入续流工作模式，电流经由续流电路返回至所述第二输入/输出单元，所述续流电路包括:所述第四二极管D4、所述第二电感L2和所述第三电感L3。5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一双向半桥电路包括第一电容Cl ； 其中，所述第一电容Cl连接于所述第一开关管Tl的集电极与所述第一输入/输出单元负极之间，用于所述第一输入/输出单元电压发生变化时进行补偿。6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二双向半桥电路包括第二电容C2 ； 其中，所述第二电容C2连接于所述第二开关管T2的集电极与所述第二输入/输出单元负极之间，用于所述第二输入/输出单元电压发生变化时进行补偿。7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制单元发出控制信号控制所述第一开关管Tl以及所述第三开关管T3占空比工作时，所述系统为降压系统。8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述控制单元发出控制信号控制所述第二开关管T2以及所述第四开关管T4占空比工作时，所述系统为升压系统。9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一电感LI与所述第二电感L2的电感值相等。10.一种储能系统，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的双向DC-DC升降压系统。
【专利摘要】本发明公开了一种双向DC-DC升降压系统及储能系统。其中，该双向DC-DC升降压系统包括：第一输入/输出单元，用于作为降压工作模式时系统的输入端，或升压工作模式时系统的输出端；第二输入/输出单元，用于作为降压工作模式时系统的输出端，或升压工作模式时系统的输入端；第一双向半桥电路，连接于第一输入/输出单元和第二输入/输出单元之间；第二双向半桥电路，连接于第一输入/输出单元和第二输入/输出单元之间，并与第一双向半桥电路交错并联；控制单元，与第一双向半桥电路和第二双向半桥电路电连接，用于控制第一双向半桥电路或第二双向半桥电路的开通或关断。本发明解决了现有技术中储能系统质量、体积较大的问题。
【IPC分类】H02M3/155
【公开号】CN104901536
【申请号】CN201510309692
【发明人】刘玉文, 张会青, 韩庆军, 姚正斌, 于晓杰, 隋燕, 吴冬华
【申请人】南车青岛四方机车车辆股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月8日
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