【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于利用电力电子，具体涉及一种三端口变换器及控制方法。
技术介绍
1、汽车是人们生活中不可或缺的一种代步工具。面对国家经济和人民利益可持续发展的需求，燃料电池汽车以其行驶里程长、能量效率高、清洁无污染的优势，正在逐渐成为各大汽车制造商的青睐。虽然燃料电池有以上这些优点，但是也存在一些不可忽视的缺点。一方面，汽车在行驶过程中的工况往往是复杂的，包含有启动、加速等大量负载功率突变的情况，而燃料电池本身动态响应速度较慢，无法快速实现对功率的匹配。传统纯燃料电池汽车为解决上述问题，通常采用大功率的燃料电池堆，虽然能够满足这些动力需求，但是也使得成本大幅提高。另一方面，燃料电池的反应是不可逆的，无法回收刹车制动能量，就会导致能量的浪费。
2、因此，目前越来越多的燃料电池汽车开始通过引入辅助电源，例如蓄电池、超级电容等，构成燃料电池混合动力系统，来实现快速的动态响应，并吸收回馈能量。但是随着系统复杂度的提升，对应的混合动力系统拓扑结构和控制方法也会更加复杂，如何高效地实现各个能量源之间的能量流动成为了混合动力系的研究新挑战。传统的混合动力系统一般采用多个单向或双向的两端口变换器实现能量源之间的能量传递，多个变换器通过公共直流母线相互连接。由于变换器数目多，各个变换器分时工作，系统功率密度低，体积重量大，成本高。更重要的是，燃料电池、储能器件和负载之间的功率传输都需要经过公共母线，使得系统中存在多级功率变换而降低系统能效，为了解决上述问题，研究工作者提出采用三端口变换器代替上述多个独立的变换器来实现系统的功率管理。>
3、按照各功率端口之间是否隔离来分类，三端口变换器可以分为完全隔离型、部分隔离型和非隔离型三种。完全隔离型三端口变换器具有较宽的输入电压范围和较高的电压增益，但是使用的功率器件多，系统可靠性低，体积较大，同时多绕组变压器会造成功率环流，降低系统效率。部分隔离型三端口变换器的两输入端口与输出端口同样由变压器实现隔离，而两输入端口之间则无电气隔离。因其两输入端口间存在元器件复用，故所需器件较少，成本也更低，并且保留了完全隔离型三端口变换器的宽电压范围和高电压增益的优点，但集成度仍然较低，不适用于系统体积和功率密度要求较高的应用场景。相比隔离型三端口变换器，非隔离型三端口变换器不再使用高频变压器和桥式单元，而是由buck、boost和cuk等基本变换器通过各种方式组合而成，故三个端口之间的元器件复用率高，所需要器件大大减少，整体成本也相应的降低。例如：林国庆等人在申请号为202011513504.5，名称为“一种非隔离型高增益三端口变换器”的中国专利申请中，提出了一种非隔离型高增益型三端口dc-dc变换器，具有成本低、增益高、变换效率高，工作方式灵活和可靠性高等优点，但是该变换器的控制较为简单，仅实现了不同工作模式下不同能量源的充放电切换，没有考虑对负载功率的变化进行匹配，一旦负载功率发生突变会对能量源产生冲击，影响电池使用寿命；此外，没有考虑汽车制动能量的回收问题，造成了能量的浪费。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种非隔离型三端口变换器及其控制方法，以解决在一个变换器中完成多个单输入单输出变换器的功能，提高燃料电池混合动力系统的稳定性，实现动态功率分配，增加燃料电池和锂电池的使用寿命，提高系统的能量利用率等技术问题。
2、本专利技术非隔离型三端口变换器包括燃料电池输入端口、锂电池输入端口、负载端口、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和第三电容；
3、燃料电池端口的正极、第一电容的正极和第一电感的第一端相互连接；
4、燃料电池端口的负极、第一电容的负极、第一开关管的源极、锂电池端口的负极、第二电容的负极、第三开关管的源极、第三电容的负极和负载端口的负极相互连接；
5、第一电感的第二端、第一开关管的漏极、第二开关管的漏极和第一二极管的阳极相互连接；
6、第二开关管的源极和第二二极管的阳极相互连接；
7、锂电池端口的正极、第二电容的负极、第二二极管的阴极和第二电感的第一端相互连接；
8、第二电感的第二端、第三开关管的漏极和第四开关管的源极相互连接；
9、第一二极管的阴极、第四开关管的漏极、第三电容的正极和负载端口的正极相互连接。
10、本专利技术公开了一种上述非隔离型三端口变换器的控制方法，其包括根据负载功率和锂电池的soc值控制非隔离型三端口变换器在以下四种工作模式间切换：
11、a)工作模式1：当负载功率为正时，若锂电池soc大于20％且小于80％，控制第二开关管始终处于关断状态，通过控制第一开关管实现燃料电池为负载供电，通过控制第三开关管和第四开关管实现锂电池为负载供电；
12、b)工作模式2：当负载功率为正时，若锂电池soc小于20％，四个开关管均处于工作状态，通过控制第一开关管和第二开关管实现燃料电池为负载和锂电池供电，通过控制第三开关管和第四开关管实现锂电池为负载供电；
13、c)工作模式3：当负载功率为正时，若锂电池soc大于80％，控制第一开关管和第二开关管始终处于关断状态，通过控制第三开关管和第四开关管实现锂电池单独为负载供电；
14、d)工作模式4：当负载功率为负时，若锂电池soc小于80％，控制第一开关管和第二开关管始终处于关断状态，通过控制第三开关管和第四开关管实现锂电池吸收负载回馈能量。
15、进一步，所述非隔离型三端口变换器的控制方法还包括在不同工作模式下，采用pi控制器控制三端口变换器中的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管：
16、a)当三端口变换器处于工作模式1时，第一开关管控制负载端电压稳定，采用双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环，外环pi控制器以负载端电压的参考值uoref和负载端电压的测量值uo为输入，外环pi控制器的输出与第一电感的电流测量值il1作为内环pi控制器的输入，内环pi控制器的输出作为第一开关管的驱动信号；第三开关管和第四开关管互补导通，控制锂电池输出电流，采用单电流环控制，pi控制器以锂电池输出电流参考值il2_ref和第二电感的电流测量值il2为输入，pi控制器的输出作为第二开关管的驱动信号；
17、b)当三端口变换器处于工作模式2时，第一开关管控制负载端电压稳定，采用双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环，外环pi控制器以负载端电压的参考值uoref和负载端电压的测量值uo为输入，外环pi控制器的输出与第一电感的电流测量值il1作为内环pi控制器的输入，内环pi控制器的输出作为第一开关管的驱动信号；第二开关管控制锂电池的充电电流，采用单电流环控制，pi控制器以锂电池充电电流参考值id2_ref和锂电池充电电流id2为输入，第一开关管的驱动信号经过一个非门，再与pi控制器的输出信号一起经过一个与门，得到第二开关管的驱动信号；第三开关管和第四开关管互本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.非隔离型三端口变换器，其特征在于：包括燃料电池输入端口、锂电池输入端口、负载端口、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和第三电容；
2.权利要求1中所述非隔离型三端口变换器的控制方法，其特征在于：包括根据负载功率和锂电池的SOC值控制非隔离型三端口变换器在以下四种工作模式间切换：
3.根据权利要求2中所述非隔离型三端口变换器的控制方法，其特征在于：还包括在不同工作模式下，采用PI控制器控制三端口变换器中的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管：
4.根据权利要求3中所述非隔离型三端口变换器的控制方法，其特征在于：在三端口变换器处于工作模式1和2时，燃料电池和锂电池共同承担负载功率，采用频率分离的方法，引入高频滤波器，实现负载功率的动态功率分配，高频的脉动功率由锂电池提供，低频的缓变功率由燃料电池提供；
【技术特征摘要】
1.非隔离型三端口变换器，其特征在于：包括燃料电池输入端口、锂电池输入端口、负载端口、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和第三电容；
2.权利要求1中所述非隔离型三端口变换器的控制方法，其特征在于：包括根据负载功率和锂电池的soc值控制非隔离型三端口变换器在以下四种工作模式间切换：
3.根据权利要求2中所述非隔离型...
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