專利名稱：電能轉換系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電能轉換系統。這樣的系統的示例可以在文獻US 2009/(^60668中找到，該文獻描述了根據權利要求1的前序所述的系統。更具體地，根據本發(fā)明的系統可以應用在從交流(AC)或直流(DC)初級電力網絡到DC輸出或中級網絡的能量轉換的范圍內。這種類型的系統例如被稱為網絡調節(jié)器。
背景技術：
這種類型的轉換系統應用在例如尤其是飛機上的機載供電網絡中。當然，可以預期其他應用。在此類型的應用中，尋求獲得一定數量的特殊特性。實際上，這樣的系統應當在一定程度上不受初級電力網絡的瞬變電力線干擾的影響。在這種情況下，實現此特性的能量存儲在用于存儲能量的電容性裝置中，例如存儲在鋁電化學電容器類型的電容性裝置中。當然，為實現此功能，也可以使用其他類型的能量存儲裝置，比如，電池。尋求的另一特性是例如借助于用于存儲能量的同一電容性裝置對最終負載產生的電流請求進行低通濾波，即取平均值。此濾波于是防止頻率過高的電流請求對初級電力網絡造成污染。這樣的特性尤其是在航電網絡中特別重要，因為應用新的電氣標準?，F有技術中已提出了提供解決這些問題的不同方案。因此，例如，在現有技術中，已提出了將用于存儲能量的電容性裝置直接放置在中級網絡上。于是中級網絡的電壓受初級轉換器控制。最終轉換器(即連接在初級轉換器的輸出處的那些轉換器)的電流請求借助于能量存儲裝置的電流/電壓特性(即電容器的阻抗)而被濾波。為了受益于存儲在能量儲備中的最大能量，最終轉換器在擴展電壓范圍下工作， 例如在中級網絡的額定電壓和該額定電壓的一半之間工作。因此，在瞬變電力線干擾期間，初級轉換器不再提供任何電源。然后能量由電容性能量存儲裝置傳送。根據最終轉換器所請求的電流，中級網絡的電壓根據時間且依據電容而自然地減然而，這樣的結構具有一定數量的缺點。實際上，不可能以其最大能量密度使用用于存儲能量的電容性裝置。用于鋁電解電容器的最佳電壓約為100伏。將此電壓用作中級網絡的額定電壓會導致最終轉換器尺寸過大、最終轉換器上的非最佳收益以及絕緣限制。而且，為了在電容性能量存儲裝置上獲得良好的能量密度，中級網絡的電壓不應當過低。通常，選擇接近35伏的電壓。對最終低電壓轉換器的收益而言，這樣的電壓是一項缺點。最后，為了能夠在電力線干擾結束時提供有用電源的同時對能量儲備再充電，初級轉換器應當在整個輸出電壓范圍內具有恒定的電壓輸出特性。如果為了避免此轉換器尺寸過大，則積累拓撲(在現有技術中也稱為“馳返”)是唯一的可能?，F有技術中也已提出了將能量儲備用在中級網絡和擴展轉換器上。這樣的結構例如在帶有本申請人名稱的文獻FR 2895167中所述。因此，為了解決前面提到的第一個問題，即不可能以其最佳能量密度使用能量存儲裝置，添加了雙向轉換器(也稱為充電器)，利用該雙向轉換器，可能在中級網絡和能量存儲網絡之間進行鏈接。該充電器于是控制能量存儲網絡的電壓，使得其與中級網絡的電壓成比例。因此可能在能量存儲網絡上以100伏使用鋁電解電容器，而對該設計的其他部件沒有任何影響。然而，此方案不是最佳的，因為其向已很復雜的組件中添加轉換器并且沒有解決最終轉換器的輸入動態(tài)范圍的問題。另一方案包括將能量儲備放置在中級階段上以及借助于稱為校準器的附加的雙向轉換器來控制網絡。在現有技術中，此架構經常用于具有功率因數校正器的電源，功率因數校正器也稱為PFC并具有兩個階段，即增壓階段和絕緣階段。在所有操作時期中，中級網絡的電壓是恒定的DC電壓，在一定范圍內其由校準器控制。寬廣的輸入動態(tài)范圍的限制被轉移到校準器，而最終轉換器在恒定的輸入電壓下工作。此架構的主要缺點在于初級網絡和穩(wěn)態(tài)條件下的不同輸出電壓之間的電能傳送是通過校準器完成的。這對總能量轉換鏈的收益有嚴重影響，因為這樣就有三個轉換器階段。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是解決這些問題。為此，本發(fā)明的目的是一種電能轉換系統，此類型的電能轉換系統包括主轉換器， 所述主轉換器在輸入端連接到在輸入電壓下工作的至少一個輸入網絡并且在輸出端連接到在輸出電壓下工作其與用于存儲電能的裝置關聯的輸出網絡，所述用于存儲電能的裝置在存儲電壓下工作，包括雙向充電器，所述雙向充電器的一端連接到所述輸出網絡并且另一端連接到用于存儲電能的電容性部件，所述雙向充電器的操作由用于基于第一設定值控制輸出電壓的控制部件驅動，其中，所述主轉換器的操作由用于基于第二設定值控制所述存儲電壓的控制部件驅動。根據本發(fā)明的其他方面，所述電能轉換系統包括以下特征中的一個或多個-所述雙向充電器包括在峰值電流模式下以及在正電流和負電流的限制下被控制并在設定頻率下工作的同步整流器，-用于控制所述主轉換器的操作的部件包括比例校準器，
-用于控制所述雙向充電器的部件的控制速率大于用于控制所述主轉換器的部件的控制速率，-所述電能轉換系統在初級網絡和中級網絡之間包括電絕緣部件，-所述電絕緣部件被集成到所述主轉換器中，-所述電絕緣部件被集成到網絡調節(jié)器中，所述網絡調節(jié)器被集成到所述輸出網絡中，-所述輸出網絡包括由形成開關的部件分開的兩個部分，所述兩個部分連接有不同的負載，-所述輸入網絡是直流網絡，以及-所述輸入網絡是交流網絡。


借助于以下僅作為示例給出且參照附圖的描述能夠更好地理解本發(fā)明，附圖中圖1為示出根據現有技術的轉換系統的第一示例性實施方式的結構的框圖；圖2和圖3示出這樣的系統不受初級電源網絡的瞬變電力線干擾的影響；圖4和圖5示出這樣的系統的低通濾波功能；圖6為示出現有技術的轉換系統的另一結構的框圖；圖7又示出現有技術的轉換系統的另一實施方式；圖8示出現有技術的轉換系統的再一實施方式的框圖；圖9為示出根據本發(fā)明的轉換系統的框圖；圖10以更詳細的方式示出根據本發(fā)明的該轉換系統；圖11至圖14示出這樣的系統的能量儲備的充電；圖15至圖18示出該能量儲備的放電；圖19至圖23示出這樣的轉換器在電流請求的情況下的操作；以及圖24、圖25和圖沈示出根據本發(fā)明的轉換系統的不同的可替選實施方式。
具體實施例方式實際上，現有技術的能量轉換系統的第一示例性實施方式在圖1中示出。所述能量轉換系統傳統上包括由附圖標記1標示的初級轉換器，初級轉換器1在輸入端連接到由附圖標記2標示的初級供電或輸入網絡、且在輸出端連接到由附圖標記3 標示的中級網絡或輸出網絡，中級網絡或輸出網絡3分別連接到最終轉換器4和5。然后最終轉換器4和5傳遞相應的輸出電壓。關于初級轉換器1，其與由附圖標記6標示的能量存儲部件關聯。利用這樣的結構，可能獲得不受初級電源網絡的瞬變電力線干擾的影響，這如在圖2和圖3中所示。實現此特性的能量被存儲在用于存儲電能的電容性裝置6中。而且，利用這樣的結構，可能獲得借助于同一電容性能量存儲裝置對由最終轉換器4和5產生的電流請求進行低通濾波，即取平均值，這如在圖4和圖5中所示。如前所述，這防止頻率過高的電流請求對初級電源網絡造成污染。在圖6中，示出了現有技術的轉換系統的另一示例性實施方式。
該轉換系統通常包括初級轉換器10，初級轉換器10的輸入端連接到輸入網絡11 且其輸出端連接到由附圖標記12標示的輸出網絡。最終轉換器13和14分別連接到該輸出網絡并傳遞相應的輸出電壓。電容性能量存儲裝置被直接放置在輸出網絡12上，該存儲裝置由附圖標記15標
7J\ ο輸出網絡電壓由用附圖標記16標示的控制部件基于初級轉換器10控制的參考電壓而控制。如前所述，這樣的結構也具有一定數量的缺點，尤其是涉及以電容性能量存儲裝置的最佳能量密度使用該電容性能量存儲裝置，為了獲得電容性能量存儲裝置的良好能量密度且最終因為為了能夠在電力線干擾結束時提供有用的電源的同時對能量儲備再充電而使得初級轉換器應當在其整個輸出電壓范圍內具有恒定的功率輸出特性，因此輸出網絡電壓不能過低。在圖7中，示出了現有技術的轉換系統的另一實施方式的框圖，例如，先前提到的文獻FR 2895167中描述的轉換系統。該轉換系統仍包括由附圖標記20標示的初級轉換器，該初級轉換器的輸入端連接到由附圖標記21標示的輸入網絡且其輸出端連接到輸出網絡22。最終轉換器23和M分別連接到該輸出網絡22且傳遞相應的輸出。由附圖標記25標示的用于存儲電能的第一部件連接到該輸出網絡22。該輸出網絡22還連接到用附圖標記沈標示的雙向充電器，該雙向充電器與由附圖標記27標示的第二電能存儲部件關聯。插入輸出網絡22和初級轉換器20之間、充電器沈和能量存儲網絡之間的控制部件能夠使整個系統得到校準和控制。這些控制部件分別由附圖標記28和四標示。如前所述，該方案不是最佳的，因為其向已經很復雜的組件中添加了轉換器，而且未解決最終轉換器的輸入動態(tài)范圍的問題?，F有技術中提出的并且在圖8中示出的另一方案包括將能量儲備放置在中級階段上以及借助于單向或雙向轉換器控制輸出網絡，所述單向或雙向轉換器也稱為校準器。以此方式，圖8中示出了由附圖標記30標示的初級轉換器，該初級轉換器30在輸入端連接到輸入網絡31，且在輸出端與能量存儲網絡32關聯，能量存儲網絡32連接到電能存儲部件33。轉換器30與用附圖標記34標示的部件關聯，部件34用于基于參考電壓校準該能量存儲網絡的電壓。該能量存儲網絡還與校準器35連接，校準器35的輸出端連接到用附圖標記36標示的輸出網絡，輸出網絡36分別連接到最終轉換器37和38，最終轉換器37和38傳遞相應的輸出。由附圖標記39標示的控制部件能夠控制校準器35，以基于參考電壓校準輸出網絡的電壓。然而，如前所述，此方案仍具有一定數量的缺點。根據本發(fā)明的電能轉換系統的示例性實施方式在圖9和圖10中示出。
在這兩個圖中，相同的附圖標記標示相同的構件。以此方式，圖9和圖10中示出了轉換系統，所述轉換系統包括由附圖標記40標示的主轉換器，該主轉換器的輸入端與在輸入電壓下工作的輸入網絡41關聯。該主轉換器40的輸出端與電源輸出網絡關聯，該電源輸出網絡也稱為IPB (中級電源總線)網絡，該網絡由附圖標記42標示且在輸出電壓下工作。該網絡連接到例如傳遞相應輸出的最終轉換器43和44，或者還連接到開關，例如，用附圖標記45標示的開關。輸出網絡IPB 42還與用附圖標記46標示的雙向充電器關聯，該雙向充電器連接到用附圖標記47標示的電能存儲網絡，該電能存儲網絡連接到電容性電能存儲裝置48且在存儲電壓下工作。施加不同的控制，這在圖10中更清楚地示出。因此，充電器46與用于控制IPB輸出網絡的電壓的部件關聯，這些部件由附圖標記49標示。這樣，則可基于第一設定值例如VMf2控制IPB輸出網絡的輸出電壓，即輸出網絡的電壓。另一控制環(huán)與主轉換器40有關，通過由附圖標記50標示的相應部件，主轉換器40 在能量存儲網絡47的電壓下被控制。主轉換器40然后由用于基于第二設定值(例如，由Vrefl標示)控制存儲電壓的控制部件驅動。于是可以想象，這樣的轉換系統的大體結構包括在恒定DC電壓下校準的稱為IPB 的輸出網絡。在該網絡上連接有最終轉換器，所述最終轉換器用于將該網絡的電壓轉化為以標準方式分配給電子部件的輸出。能量存儲網絡的電壓可以根據操作階段變化。在該網絡上連接有電容性能量存儲組件。根據本發(fā)明的系統還包括主轉換器和雙向充電器，該主轉換器將來自輸入網絡的能量傳輸到輸出網絡，該雙向充電器在對能量儲備充電期間將能量從輸出網絡傳輸到能量存儲網絡并且在對能量儲備放電期間以相反方向傳輸能量。該充電器可以例如由下轉換器類型的(也稱為可逆“降壓”轉換器)且具有同步整流的轉換器形成，例如，其在對正電流和負電流有限制的峰值電流模式下以及在設定頻率下被控制?？梢酝ㄟ^研究該充電器的不同操作階段來說明這樣的配置的操作。因此，例如在圖11、圖12、圖13和圖14中，示出了與能量儲備的充電對應的操作階段。該階段例如與該網絡的啟動或者在瞬變電力線干擾之后該網絡的恢復對應。電壓V(ESB)即能量存儲網絡的電壓小于相應的設定值即Vrefl，誤差校正器50命令主轉換器40向IPB輸出網絡42傳輸能量。當過多的能量被傳輸給該輸出網絡時，其電壓將趨向于增大。該增大由校正器49 檢測到，校正器49命令充電器將來自輸出網絡42的能量傳輸到能量存儲網絡47 (圖13和圖 14)。
以此方式，通過轉換器40和充電器46，能量從輸入網絡41傳輸到能量存儲網絡 47。關于圖15、圖16、圖17和圖18，它們對應于能量儲備的放電。該放電例如對應于輸入網絡41的瞬變電力線干擾。在此情況下，由于主轉換器40不再向輸出網絡42提供能量，因此輸出網絡42的電壓趨向于減小。該減小由校正器49檢測到，校正器49命令充電器46將能量從能量存儲網絡47 傳輸到輸出網絡42。于是取決于提供給輸出網絡42的電流、充電器46的收益以及連接到充電器46的電容性組件48的能量存儲能力，能量存儲網絡47的電壓自然減小。在電流請求的情況下，如圖19、圖20、圖21、圖22和圖23所示，例如，當一個最終轉換器在輸出網絡42上執(zhí)行突發(fā)電流請求或高頻率的周期性電流請求時，該網絡上的電流請求導致輸出網絡42的電壓減小。該減小由校正器49檢測到，校正器49命令充電器46將能量從能量存儲網絡47 傳輸到輸出網絡42。由于此能量傳輸，能量存儲網絡47的電壓減小。該減小由誤差校正器50檢測到，誤差校正器50命令主轉換器40將能量從輸入網絡41傳輸到輸出網絡42。于是輸出網絡電壓42趨向于增大，該趨勢由校正器49檢測到， 校正器49命令充電器46將能量從輸入網絡42傳輸到能量存儲網絡47，由此對能量儲備 48再充電。可以想象，集成有校準器的環(huán)控制由充電器46自輸出網絡42的電壓提供的電源并確保電流請求下的高頻響應。這些電流請求然后由電容性能量存儲48的阻抗濾波以及取平均值。關于集成有校準器50的環(huán)，其控制主轉換器40自能量存儲網絡47的電壓提供的電源且由此確保對最終轉換器的平均電流的響應。集成有校準器50的環(huán)可以被自動地調慢，以放大濾波現象。還可以通過增大能量存儲裝置48的電容值來減小濾波頻率。通常，充電器的控制部件的控制速率大于主轉換器的控制部件的控制速率。校準器50可以例如是簡單的低頻比例校準器，其在能量存儲裝置48的電容值可調的情況下能夠更容易地控制環(huán)?？梢栽O想到補充元件，例如，電絕緣部件。例如，圖M中示出主轉換器40、輸入網絡41、輸出網絡42、充電器46、能量存儲網絡47、電容性存儲部件48以及諸如轉換器43、44和開關45的輸出構件。于是電絕緣部件可以集成到主轉換器40中，則輸出網絡42、充電器46、能量存儲網絡47、電容性存儲部件48、輸出構件43至45與輸入網絡41電絕緣。然而，如圖25所示，其中相同的附圖標記標示與上述相同或相似的元件，由附圖標記60標示的絕緣體也可以集成在主轉換器40的輸出端。則該絕緣體在輸出端傳遞輸出網絡42。于是輸入網路41、主轉換器40、能量儲備48、其網絡47、其充電器46與輸出網路42和輸出構件43至45電絕緣。當然，此架構的擴展例如可以包括兩個能量儲備，一個在這樣的電絕緣系統的初級端，另一個在這樣的電絕緣系統的次級端。而且，如圖沈所示，通過使用由附圖標記70標示的開關，輸出網絡可以被一分為二。在此情況下，輸出網絡分別呈現為兩個輸出部分71和72。這些部分中的一個、比如部分71可以例如預留給某些最終轉換器比如轉換器73 和74，而另一輸出網絡部分72預留給其他轉換器。特別地，在待機模式下，轉換器73和74可以是活躍的轉換器。該待機模式通常需要很低的輸出功率，則充電器46可以通過改變其工作模式并通過使其性能適應于這樣的工作模式的限制而實施低功耗模式。因此，例如，在所想到的該類型的應用中，充電器46可以具有給出以下可能性的低功率模式-減小切換頻率且由此減小開關的控制損耗以及切換損耗，-使同步整流無效，使轉換器是單向的并允許不連續(xù)傳導以減小電感器中的損耗以及與不再受控制的開關有關的損耗，-具有從全功率模式到功率降低模式的“即時”過渡，且反之亦然，而對輸出網絡的電壓沒有任何影響，-“即時”改變基于輸出網絡的電壓控制充電器的誤差校正器49，以及-在電壓模式下控制該新控制模式，產生與能量存儲網絡的電壓成比例的斜率，則使來自相應校正器42的設定值不依賴于能量存儲網絡的電壓。則可以想到這樣的能量轉換系統具有一定數量的優(yōu)勢。在未連接輸入網絡的情況下，模式不切換且輸出網絡具有與正常操作相同的特性。在輸出網絡上的電流請求期間，首先，在通過主轉換器反映回輸入網絡之前，它們由充電器傳輸到電容性存儲部件，電容性存儲部件通過它們的電流/電壓特性(電解電容器的阻抗)過濾掉它們。在正常操作中可檢測到故障，所有轉換器正在工作且沒有切換系統。則功能的故障由網絡上的錯誤輸出電壓表示。所述故障可以由傳統的診斷功能檢測到。在此，輸出網絡的校準是最佳的，而與操作階段(包括階段過渡)無關。在所有操作階段中，輸出網絡具有設定的且恒定的電壓，這使最終轉換器的設計簡化。還可在收益方面優(yōu)化最終轉換器的設計。由此提出的分塊關閉還具有后續(xù)的優(yōu)勢-能量存儲網絡的電壓可以根據需要容易地調節(jié)，因為改變集成有校準器50的反饋環(huán)以及充電器的電源元件就足夠。這對輸入轉換器和最終轉換器沒有影響，-該架構可以容易地用于處理電絕緣。能量儲備被放置在這樣的絕緣的次級端，而在主轉換器中實現該絕緣，或者能量儲備被放置在初級端，而通過放置在最終轉換器前的雙向絕緣轉換器來實現該絕緣。此設計還可以僅通過改變主轉換器而變換為用于AC或DC網絡輸入，而對所述轉換器的剩余部件沒有影響。
權利要求
1.一種電能轉換系統，所述電能轉換系統包括主轉換器(40)，所述主轉換器00)在輸入端連接到在輸入電壓下工作的至少一個輸入網絡并且在輸出端連接到在輸出電壓下工作且與用于存儲電能的裝置關聯的輸出網絡(42)，所述用于存儲電能的裝置在存儲電壓下工作，且包括雙向充電器(46)，所述雙向充電器06)的一端連接到所述輸出網絡G2) 并且另一端連接到電容性電能存儲部件(48)，所述雙向充電器06)的操作由用于基于第一設定值(Vref2)控制所述輸出電壓的控制部件G9)驅動，其特征在于，所述主轉換器GO) 的操作由用于基于第二設定值(VMfl)控制所述存儲電壓的控制部件(50)驅動。
2.如權利要求1所述的電能轉換系統，其特征在于，所述雙向充電器G6)包括在峰值電流模式下以及在正電流和負電流的限制下被控制并在設定頻率下工作的同步整流器。
3.如權利要求2所述的電能轉換系統，其特征在于，用于控制所述主轉換器00)的操作的所述部件(50)包括比例校準器。
4.如前述權利要求中任一項所述的電能轉換系統，其特征在于，用于控制所述雙向充電器G6)的所述部件09)的控制速率大于用于控制所述主轉換器GO)的所述部件(50) 的控制速率。
5.如前述權利要求中任一項所述的電能轉換系統，其特征在于，所述電能轉換系統在所述輸入網絡Gl)和所述輸出網絡0 之間包括電絕緣部件。
6.如權利要求5所述的電能轉換系統，其特征在于，所述電絕緣部件被集成到所述主轉換器(40)中。
7.如權利要求5所述的電能轉換系統，其特征在于，所述電絕緣部件被集成到絕緣體 (60)中，所述絕緣體(60)被集成到所述輸出網絡中。
8.如前述權利要求中任一項所述的電能轉換系統，其特征在于，所述輸出網絡包括由形成開關(70)的部件分開的兩個部分(71、72)，所述兩個部分(71、7幻連接到不同的負載。
9.如前述權利要求中任一項所述的電能轉換系統，其特征在于，所述輸入網絡是直流網絡。
10.如權利要求1至8中任一項所述的電能轉換系統，其特征在于，所述輸入網絡是交流網絡。
全文摘要
一種電能轉換系統，此類型的電能轉換系統包括主轉換器(40)，所述主轉換器(40)在輸入端連接到在輸入電壓下工作的至少一個輸入網絡(41)并且在輸出端連接到在輸出電壓下工作且與電能存儲裝置關聯的輸出網絡(42)，所述電能存儲裝置在存儲電壓下工作，包括雙向充電器(46)，所述雙向充電器(46)的一端連接到所述輸出網絡(42)并且另一端連接到電容性電能存儲部件(48)，所述雙向充電器(46)的操作由用于基于第一設定值(Vref2)控制所述輸出電壓的控制部件(49)驅動，其中，所述主轉換器(40)的操作由用于基于第二設定值(Vref1)控制所述存儲電壓的控制部件(50)驅動。
文檔編號H02M3/00GK102377332SQ20111022885
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權日2010年8月10日
發(fā)明者克里斯托夫·托朗, 弗朗索瓦·克萊因 申請人:泰勒斯公司