CN103972963A - 一种基于单体电池电能变换的拓扑电路及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单体电池电能变换的拓扑电路，该电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，多个双管半桥模块级联连接形成所述拓扑电路；所述双管半桥模块包括两个开关器件和两个单体电池接口。本发明进一步公开了包括上述拓扑电路的电能变换系统，该系统包括用于将单体电池电能变换为交流电的电能变换拓扑电路，用于实时监控电池状态的电池管理模块和用于监控系统运行状态的控制单元。采用本发明所述方案可以实现单体电池的独立控制，提高系统的效率，可实现单体电池的均衡性。本发明采用双管半桥拓扑电路可以实现灵活性拓展，容易实现提高输出电压等级。本发明的改进型电平逼近调制策略可以实现低频开关特性，大大减少开关损耗。

Description

一种基于单体电池电能变换的拓扑电路及系统

技术领域

本发明涉及一种电能变换系统，特别是涉及一种基于单体电池电能变换的拓扑电路及系统。

背景技术

在目前多种多样的电能变换电路中，储能部分或者直流侧通常使用蓄电池组。然而蓄电池组的使用存在很多问题，其充放电方式通都是以成组形式进行的。同一电池组中的蓄电池在充放电过程中，由于制造工艺、检验手段和装卸运输等因素的影响，每块电池的端电压、内阻及自放电电流均存在一定的差异，在长期的运行中会出现不均衡、不一致状况，这显然增加了电池管理模块的工作难度，而且成组工作对于每一个单体电池来说都不是一个最佳的应用模式，并且电池组最大的问题就是其短板效应导致单体电池间互相制约，一旦某个单体电池发生故障，将会导致整个电池组无法工作，严重影响到整个系统的工作效率。另外针对目前大功率级联变换拓扑电路管子开关频率很高、管子数量较多、开关损耗较大、输出波形质量不高等问题。

因此，需要提供一种以单体电池为基础，能够用更低的开关频率、更小的开关损耗就可以实现电能变换要求，输出高质量的波形，实现电能变换要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于单体电池电能变换的拓扑电路及系统，以解决现有技术中单体电池相互制约，针对大功率级联电路开关频率高，管数使用量较多，开关损耗过大，输出波形质量低的问题，在实现了电能变换的同时也实现了单体电池的电量状态(SOC)的均衡使用。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案

一种基于单体电池电能变换的拓扑电路，该电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，

多个双管半桥模块级联连接形成所述拓扑电路；

所述双管半桥模块包括两个开关器件和两个单体电池接口。

优选的，所述开关器件为碳化硅功率管、晶闸管、场效应管或绝缘栅双极性晶体管。

优选的，所述拓扑电路进一步包括连接在级联双管半桥模块和电压输出端之间的滤波模块。

一种用于调制上述拓扑电路的调制方法，该方法包括

S1、判断电路中所有单体电池电量状态是否一致，如所有单体电池的电量状态一致，则执行步骤S2和S3，如至少有一个单体电池的电量状态不一致，则执行步骤S4和S5；

S2、利用循环脉冲激励的方式调整载波幅值，从而控制每个开关器件闭合时间，经n次循环后，每个单体电池达到电量状态均衡使用，n为双管半桥模块的数量；

S3、对调制波和载波进行比较，当调制波大于载波时，输出信号1，开关Sn2导通，当调制波小于载波时，输出信号0，开关Sn1导通；

S4、通过查表确定当前工作状态下单体电池的电量状态；

S5、根据电能变换拓扑电路输出的电平量，计算可充电的单体电池个数，同时选取相应个数的电量状态最低的单体电池作为充电对象，其余工作状态下的单体电池既给负载供电，同时也给待充电的单体电池充电；

S6、重复步骤S1至S5。

优选的，所述步骤S2中循环脉冲激励为将载波Sn幅值大小在经过一个周期后改变为载波S1的幅值，S1的变为S2的，S2的变为S3的，以此类推进行载波幅值传递；所述一个周期为双管半桥模块的数量n乘以交流电的周期。

一种电能变换系统，该系统包括

用于将单体电池电能变换为交流电的电能变换拓扑电路，

所述拓扑电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，

多个双管半桥模块级联形成所述拓扑电路，

所述双管半桥电路包括两个电力电子开关器件和两个单体电池接口；

用于实时监控单体电池状态的电池管理模块；和

用于监控电能变换系统运行状态的控制单元。

优选的，所述控制单元包括

用于根据上述调制方法产生驱动信号的驱动信号发生模块；

用于对驱动信号发生模块发出的每个开关驱动信号进行功率放大和隔离的驱动信号隔离模块；

用于根据所述电能变换拓扑电路输出的电压波形，产生调制信号，从而对输出电压进行调制的波形调制模块；

用于根据外部负载需求控制系统启用状态的状态开关模块；

用于根据电池管理模块获取的电池故障信息，对电池故障进行相应处理的电池故障处理模块。

优选的，该系统还包括用于给单体电池充电的充电模块。

优选的，该系统还包括连接在备用电池和工作电池之间的切换模块，根据来自控制单元的指令，将备用电池接入系统。

优选的，该系统还包括用于将输出电压的波形信息反馈给控制单元的波形反馈模块。

本发明的有益效果如下：

采用本发明所述方案可以实现单体电池的独立控制，提高系统的效率，可实现单体电池的均衡性。本发明采用双管半桥拓扑电路可以实现灵活性拓展，容易实现提高输出电压等级。本发明的改进型电平逼近调制策略可以实现低频开关特性，大大减少开关损耗。本发明的双管半桥拓扑电路可以实现直交电能变换的双向可逆性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出一种基于单体电池的电能变换系统的示意图；

图2示出本发明所述电能变换系统电池管理模块的示意图；

图3示出本发明所述电能变换拓扑电路的示意图；

图4-1示出本发明所述电能变换拓扑电路以4个模块为例的工作模式实施例1的示意图；

图4-2示出本发明所述电能变换拓扑电路以4个模块为例的工作模式实施例2的示意图；

图4-3示出本发明所述电能变换拓扑电路以4个模块为例的工作模式实施例3的示意图；

图4-4示出本发明所述电能变换拓扑电路以4个模块为例的工作模式实施例4的示意图；

图4-5示出本发明所述电能变换拓扑电路以4个模块为例的工作模式实施例5的示意图；

图5-1示出本发明所述电能变换拓扑调制策略工作原理流程图；

图5-2示出本发明所述电能变换拓扑调制策略工作原理实施的示意图；

图6示出本发明所述电能变换系统控制单元及电池切换模块的示意图；

图7示出本发明所述电能变换系统工作原理流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于单体电池电能变换的拓扑电路，该电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，多个双管半桥模块级联形成所述拓扑电路；所述双管半桥电路包括两个电力电子开关器件和两个单体电池接口。本发明所述拓扑电路中的多个双管半桥模块可根据负载需要的实际电压灵活配置实际所述的多管板桥模块的数量。所述电力电子开关器件包括碳化硅功率管、晶闸管、场效应管和绝缘栅双极性晶体管等可控开关器件。为了使本发明所述拓扑电路抗噪能力更强，输出电压质量更高，在级联双管半桥模块和电压输出端之间进一步设有一滤波模块。本发明进一步公开了一种包括上述拓扑电路的电能变换系统，该系统包括用于将单体电池电能变换为交流电的电能变换拓扑电路，所述拓扑电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，多个双管半桥模块级联形成所述拓扑电路，所述双管半桥电路包括两个电力电子开关器件和两个单体电池接口；用于实时监控电池状态的电池管理模块，所述电池管理模块可以实时检测电池状态，对每个电池的电压、电量、温度等参数进行监测，判断电池是否需要进行充电，如需要充电则通过充放电控制模将例如充电机的充电模块与单体电池相连接根据电池参数给单体电池充电，该模块还可以直接与例如手机或电脑灯外部设备相连接，对电池状态进行监控及管理；用于监控系统运行状态的控制单元，所述控制单元包括用于根据上述调制方法产生驱动信号的驱动信号发生模块、用于对驱动信号发生模块发出的每个开关驱动信号进行功率放大和隔离的驱动信号隔离模块、用于根据外部负载需求控制系统启用状态的状态开关模块、用于根据电池管理模块获取的电池故障信息，对电池故障进行相应处理的电池故障处理模块、用于控制电能变换拓扑电路输出电压波形的波形调制模块和用于驱动电能变换拓扑电路的开关驱动信号隔离模块。

电能变换拓扑电路的工作过程：令S_i的数值代表其本身的开关状态：1为导通，0为截止。则每一个模块的输出电压v_i(t)可表示为：

v_i(t)＝S_i1(-E_i1)+(1-S_i1)E_i2，

由于各模块级联，输出电压等于各模块电压之和。

图4-1至4-5为本发明所述电能变换拓扑电路以四模块五电平输出的开关器件工作状态及电流通路情况的实施例。实施例中电平有4E、2E、0、-2E、-4E共5种电平，一种电平对应一种开关工作模式，共5中工作模式。每个模块开关由控制系统发出脉冲独立控制，其开关状态决定了模块电压的输出为-E或E，如图4-1至4-5所示，在每种工作模式下，电能变换拓扑电路都能输出对应的电平(图中加粗黑线为电流参考方向)，把输出的电平进行叠加得到阶梯波，阶梯波最后拟合出正弦波，即实现DC-AC变换。图4-1实施例1：V0＝E12+E22+E32+E42＝4E，图4-2实施例2：V0＝E12-E21+E32+E42＝2E，图4-3实施例3：V0＝-E11-E21+E32+E42＝0，图4-4实施例4：V0＝-E11-E21-E31+E42＝-2E，图4-5实施例5：V0＝-E11-E21-E31-E41＝-4E，表1示出本发明所述电能变换拓扑电路开关工作模式与电平数的关系如表1所示

表1电能变换拓扑电路开关工作模式与电平数的关系

本发明所述电能变换系统还包括用于给单体电池充电的例如电池充电机的充电模块。该模块工作过程：通过电池管理模块检测单体电池的电量状态，如需充电则电池管理模块向充电模块发出充电指令，充电模块接收到指令后对单体电池进行充电。电池充电完毕时，电池管理模块向充电模块发出停止指令，充电模块停止充电。

本发明所述电能变换系统还包括带有多个备用电池接口、用于更换故障电池的切换模块，所述备用电池接口可根据实际需要确定该接口的数量。通过电池管理模块对电池进行监控，如电池状态出现异常，电池管理模块将故障信息发送给控制单元中的电池故障处理模块，电池故障处理模块将向切换模块发出指令，将异常状态的电池切换下来，将备用电池替换到工作状态。

本发明所述电能变换系统还包括用于将输出电压的波形信息反馈给控制单元进行分析处理的波形反馈模块，利用该模块可实时调节控制脉冲占空比，保证输出波形有很好的跟随特性，通过控制单元中的波形调制模块对系统输出电压的波形进行调制，从而获得高质量的电压波形。

本发明所述电能变换系统还包括用于检测电网供电需求的电网检测模块，该模块可实施检测电网，如需供电，立刻启动本发明所述电能变换系统。

如图3所示，为本发明所述电能变换拓扑电路，本发明所述拓扑电路包括多个双管半桥模块和滤波模块。该双管半桥模块由电力电子开关器件和单体电池接口组成，所述电力电子开关器件可以为碳化硅功率管、晶闸管(GTO)、场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等可控开关器件。如图3所示，单体电池经过电力电子开关器件级联输出，每两个单体电池加上直连的电力电子开关器件组成一个模块，每个模块成为一个独立单元，各模块间级联方便拓展，且控制方法简便易行。单体电池充当电能变换的直流源，根据电能变换的需求进行模块化连接组成主拓扑电路。无论何种变换形式，单体电池都只起到是直流源的作用。本发明通过双管半桥将单体电池级联起来组成逆变电路，大大的减少了电力电子开关器件的数量，有效地改善H桥级联电路开关管数量多的缺点，提高了输出波形的质量。根据电能变换输出电压等级的要求可以直接将各个电池单元级联起来，电路拓展非常方便。该拓扑单元中的LC滤波电路用于对输出波形进行整形，根据负载阻抗的大小设定特征阻抗范围，进而设计巴特沃斯滤波器参数，该滤波器通带内的频率响应曲线非常平坦，没有起伏，而在阻带逐渐下降为零。

本发明进一步公开了一种用于调制上述拓扑电路的调制方法，该方法包括

步骤S1、判断电路中所有单体电池电量状态是否一致，如所有单体电池的电量状态一致，则执行步骤S2和S3，如至少有一个单体电池的电量状态不一致，则执行步骤S4和S5；

步骤S2、利用循环脉冲激励的方式调整载波幅值，从而控制每个开关器件闭合时间，经n次循环后，每个单体电池达到电量状态均衡使用，n为双管半桥模块的数量，其中循环脉冲激励为在经过一个周期后将载波Sn幅值大小改变为载波S1的幅值，S1的变为S2的，S2的变为S3的，以此类推进行载波幅值传递；所述一个周期为双管半桥模块的数量n乘以交流电的周期；

步骤S3、对调制波和载波进行比较，当调制波大于载波时，输出信号1，开关Sn2导通，当调制波小于载波时，输出信号0，开关Sn1导通；

步骤S4、通过查表确定当前工作状态下单体电池的电量状态；

步骤S5、根据电能变换拓扑电路输出的电平量，计算可充电的单体电池个数，同时选取相应个数的电量状态最低的单体电池作为充电对象，其余工作状态下的单体电池既给负载供电，同时也给待充电的单体电池充电。

步骤S6、重复步骤S1至S5。

本发明的改进型电平逼近调制策略工作原理流程如图5-1和图5-2所示，首先判断所有电池的SOC是否一致，如果一致，将采用循环打脉冲的工作模式，载波Sn幅值大小在经过一个周期后改变为载波S1的幅值，S1的变为S2的，S2的变为S3的，以此类推进行载波幅值传递，其中一个周期为n乘以交流电的周期(0.02s)，n双管半桥模块数量；经过n次传递后，载波幅值传递结束，每一个单体电池在n的整数倍的时间即可达到单体电池电量状态(SOC)均衡使用；然后在比较模式里，当调制波大于载波输出开关信号1，开关管Sn2导通，反之Sn1导通；另外如果第一步判断单体电池SOC不一致，则通过查表确定单签工作状态下单体电池的电量状态，根据电能变换拓扑电路输出的电平量，计算可充电的单体电池个数，计算可充电的单体电池个数的具体过程为：现假设电能变换系统中有双管半桥模块的数量为n，输出电平数为mE(m为偶数，可正可负，且m<n)，x为接入的正极性电池数，y为接入的负极性电池数。则满足下面的方程组： $\left\{\begin{array}{c}x+y=n\\ x-y=m\end{array}\right.$

解出x＝(n+m)/2，y＝(n-m)/2；

当输出电平为+mE时(m为偶数)，则有(n+m)/2个正极性电池、(n-m)/2个负极性电池接入电路，首先对所有模块的第一块单体电池进行电量状态(SOC)判断并比较，找出(n-m)/2个单体电池电量状态(SOC)最小的单体电池作为负极性电池连入电路，将其余(n+m)/2模块的第二块单体电池充当正极性电池连入电路。这样((n+m)/2个正极性电池给负载和(n-m)/2个负极性电池供电，因此负极性电池的电量得到补充。同理，当输出电平为-mE时(m，为偶数)，则有(n+m)/2个负极性电池、(n-m)/2个正极性电池接入电路，首先对所有模块的第二块电池进行单体电池电量状态(SOC)判断并比较，找出其中单体电池电量状态(SOC)最小的(n-m)/2个电池作为正极性电池连入电路，将其余模块中的(n+m)/2个第一块电池充当负极性电池连入电路。这样(n+m)/2个负极性电池给负载和(n-m)/2个单体电池电量状态(SOC)最低的正极性电池供电，因此正极性电池的电量得到补充。这样SOC较低的电池能够由其他单体电池充电，从而减缓其SOC下降速度，实现单体间互相均衡。

另外，若比较过程中发现，部分电池SOC已经一致，因为在选取电池的时候是按照具有高SOC的电池给低SOC的电池充电均衡的原则，当检测到电路中有一部分电池已经达到SOC一致时，则选取部分已经达到SOC一致的电池和SOC高的电池给SOC低的电池和剩余达到SOC一致的电池充电，这样在经过不断的比较均衡之后可以实现把高的SOC降下来，把低的SOC升上去，最终可以实现所有电池的SOC均衡。

从表1和图4中可以看到，+2E和-2E时单体电池极性都是3同1异，本发明就是利用这样的一个使用特征进行单体电池互相均衡，通过比较，把4E之中SOC最小的电池作为“1异”，其余3个电池作为“3同”，如此就实现了“3同”给负载供电，给“1异”充电的工作模式，随着时间的变长电池给负载供电和电池间的相互充电使得它们之间的SOC差越来越小，最终可以实现SOC均衡。所以本发明的改进型电平逼近调制策略在实现电能变换的同时也实现了单体电池的SOC均衡，这对于电池的使用来说意义十分重大。

在调制策略的比较模式中最关键在于找到合理的触发点，要使阶梯波很好地逼近正弦波，必须设法跟踪正弦波的变化，而考虑到每次电平阶跃幅值都是一个单位电平，且最近电平逼近法的目标是将阶梯波和正弦调制波之差控制在以内，因此在一定角度范围内将正弦波线性化处理。当正弦波大小在(0,U_d)范围内时，正弦波由0开始变化，而阶梯波只能在其间某一点进行跳变，在这段期间内，将正弦波线性化处理，认为波形大小在这段区间内线性上升。若要实现在此区间将正弦波与阶梯波之差控制在以内，则取正弦波大小等于时使第一个台阶上去最合理，同理，在其他区间内，依次取(k为阶梯波等级)为台阶跳跃点，这种控制方法仅需将有限数量的直流电平对调制波进行斩波，确定触发点，控制开关导通与截止。

在此种调制策略下， $C_n=\frac{-2j}{\mathrm{\&pi;}}\&CenterDot;U_d\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\cos n{\mathrm{\&theta;}}_i{|}_{{\mathrm{\&theta;}}_i=\arcsin \frac{2i-1}{2k}};$

因此， $f\left(t\right)=-j\frac{{4U}_d}{\mathrm{n\&pi;}}\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\cos n{\mathrm{\&theta;}}_i{|}_{{\mathrm{\&theta;}}_i=\arcsin \frac{2i-1}{2k}}\right)e^{\mathrm{jn}{w}_{0}t}$ (n为奇数)；

但是由傅里叶分析可以看出，3、5、7、9、11等低频奇次谐波都存在，3及3的倍数次谐波可三相系统中抵消，因此5、7、11、13、17等谐波需要滤除，根据式，

$C_n=\frac{-2j}{\mathrm{\&pi;}}\&CenterDot;U_d(\cos n{\mathrm{\&theta;}}_1+{\cos \mathrm{n\&theta;}}_2+{\cos \mathrm{n\&theta;}}_3+......+{\cos \mathrm{n\&theta;}}_k)$

只要某谐波对应的幅值都为0，从理论上就能消除此谐波。将需要消除的谐波次数代入到上面等式中，令输出为0，列出非线性方程组，以5阶梯为例

cos11θ₁+cos11θ₂+cos11θ₃+cos11θ₄+cos11θ₅＝0

cos13θ₁+cos13θ₂+cos13θ₃+cos13θ₄+cos13θ₅＝0

cos17θ₁+cos17θ₂+cos17θ₃+cos17θ₄+cos17θ₅＝0

cos19θ₁+cos19θ₂+cos19θ₃+cos19θ₄+cos19θ₅＝0

该方程组比较复杂，使用数值迭代法或同伦算法进行计算求解开关角的位置。得到的开关角需要与定点触发开关角进行比较，当阶梯等级较低时，开关角难以同时满足消谐波与电平逼近，当阶梯等级有所上升时，可对消谐波开关角进行选择性保留，忽略影响不大的开关角。

本发明的控制单元包括驱动信号隔离模块和微控制器MCU。本发明所述微控制器MCU中包括用于根据上述调制方法产生驱动信号的驱动信号发生模块、用于控制系统启用状态的状态开关模块、用于处理系统电池故障的电池故障处理模块和用于对电能变换拓扑电路输出电压波形进行调制的波形调制模块。控制单元中的驱动信号发生模块负责单体电池半桥级联电路的调制算法运算，发出控制多路脉冲通过驱动信号隔离模块隔离和放大后，控制开关器件的导通与关断。本发明利用波形反馈模块实时采集电能变换电路的输出进行反馈，实时调节控制脉冲占空比，保证输出波形有很好的跟随特性。随着输出电压等级的提高，这就要求级联单元数增多，开关数量也会增多，所以驱动信号隔离模块输出的脉冲数量随之增多，在保证每一路开关信号输出互相隔离的条件下，本发明所述的驱动信号隔离模块包括多个放大隔离芯片，作用主要作用是将驱动信号发生模块发出的多个开关驱动脉冲信号进行功率放大和隔离，之后一一对应的将隔离后的开关驱动脉冲信号输送给开关器件，实现开关器件的连通和断开。本发明所述驱动信号隔离模块采用控制主电分别隔离的策略，为了实现该策略本发明在驱动信号隔离模块中设有具有一个原边线圈和N个副边线圈的DC-DC隔离变压器将一路直流电隔离变压为N路分别供应该所述放大隔离芯片。也可直接采用信号转换板将驱动信号隔离，控制主电路，操作方便灵活。

本发明从单体电池管理模块、单体电池充电模块到驱动信号隔离模块都是单元模块化，这样的电能变换装置灵活性很大，可以根据实际输出功率等级进行电路的级联配置，方便、安全、高效，而且输出的波形质量非常好。

本发明所述电能变换系统工作原理如图7所示，电能变换系统通电初始化软件、硬件，微控制器MCU通过电网检测模块与外电网建立连接检测电网是否需要进行供电，根据检测信号判断是否启用本发明所述电能变换系统。如果电网短时断电需要直流电能变换短时供电，则启动电能变换系统中单体电池管理模块，检测电池状态，电池检测过程：首先通过电池管理模块对电池状态进行监控，判断电池是否出现电压降低、内阻升高、过充和过放等电池异常情况，将该类故障信息发送给为控制单元中的微控制器MCU，微控制器MCU根据获取的电池故障信息向切换模块发出指令，同时发送指令给单体电池管理模块对备用电池状态进行检测，如备用电池无异常，则使用切换模块将备用电池接入系统中，将故障电池断开，如图6所示，通过电池管理模块循环分析检测其他电池状态，保证系统电池的安全性。单体电池管理模块对单体电池检测完毕后，电池管理模块与微控制器MCU通讯，发送指令让微控制器MCU控制系统电源主开关闭合，微控制器MCU在程序中经算法调制输出控制脉冲，经驱动信号隔离模块放大和隔离后，驱动开关器件把每个模块中的一个单体电池连入系统中，整体级联输出阶梯波，利用波形反馈模块对输出电压的波形进行采样，并阶梯波反馈给控制单元经算法调制让阶梯波跟踪正弦波，经调制后的阶梯波经滤波电路为负载供电，保证负载上输出高质量的正弦波。

综上所述，本发明所述方案可以实现单体电池的独立控制，提高系统的效率，可实现单体电池的均衡性。本发明采用双管半桥拓扑电路可以实现灵活性拓展，容易实现提高输出电压等级。本发明的改进型电平逼近调制策略可以实现低频开关特性，大大减少开关损耗。本发明的双管半桥拓扑电路可以实现直交电能变换的双向可逆性

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于单体电池电能变换的拓扑电路，其特征在于：该电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，

多个双管半桥模块级联连接形成所述拓扑电路；

所述双管半桥模块包括两个开关器件和两个单体电池接口。

2.根据权利要求1所述的拓扑电路，其特征在于：所述开关器件为碳化硅功率管、晶闸管、场效应管或绝缘栅双极性晶体管。

3.根据权利要求1所述的拓扑电路，其特征在于：所述拓扑电路进一步包括连接在级联双管半桥模块和电压输出端之间的滤波模块。

4.一种用于调制权利要求1所述拓扑电路的调制方法，其特征在于：该方法包括

S1、判断电路中所有单体电池电量状态是否一致，如所有单体电池的电量状态一致，则执行步骤S2和S3，如至少有一个单体电池的电量状态不一致，则执行步骤S4和S5；

S2、利用循环脉冲激励的方式调整载波幅值，从而控制每个开关器件闭合时间，经n次循环后，每个单体电池达到电量状态均衡使用，n为双管半桥模块的数量；

S3、对调制波和载波进行比较，当调制波大于载波时，输出信号1，开关Sn2导通，当调制波小于载波时，输出信号0，开关Sn1导通；

S4、通过查表确定当前工作状态下单体电池的电量状态；

S5、根据电能变换拓扑电路输出的电平量，计算可充电的单体电池个数，同时选取相应个数的电量状态最低的单体电池作为充电对象，其余工作状态下的单体电池既给负载供电，同时也给待充电的单体电池充电；

S6、重复步骤S1至S5。

5.根据权利要求4所述的调制方法，其特征在于：

所述步骤S2中循环脉冲激励为将载波Sn幅值大小在经过一个周期后改变为载波S1的幅值，S1的变为S2的，S2的变为S3的，以此类推进行载波幅值传递；所述一个周期为双管半桥模块的数量n乘以交流电的周期。

6.一种电能变换系统，其特征在于：该系统包括

用于将单体电池电能变换为交流电的电能变换拓扑电路，

所述拓扑电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，

多个双管半桥模块级联形成所述拓扑电路，

所述双管半桥电路包括两个电力电子开关器件和两个单体电池接口；

用于实时监控单体电池状态的电池管理模块；和

用于监控电能变换系统运行状态的控制单元。

7.根据权利要求6所述的电能变换系统，其特征在于：所述控制单元包括

用于根据上述调制方法产生驱动信号的驱动信号发生模块；

用于对驱动信号发生模块发出的每个开关驱动信号进行功率放大和隔离的驱动信号隔离模块；

用于根据所述电能变换拓扑电路输出的电压波形，产生调制信号，从而对输出电压进行调制的波形调制模块；

用于根据外部负载需求控制系统启用状态的状态开关模块；

用于根据电池管理模块获取的电池故障信息，对电池故障进行相应处理的电池故障处理模块。

8.根据权利要求7所述的电能变换系统，其特征在于：该系统还包括用于给单体电池充电的充电模块。

9.根据权利要求7所述的电能变换系统，其特征在于：该系统还包括连接在备用电池和工作电池之间的切换模块，根据来自控制单元的指令，将备用电池接入系统。

10.根据权利要求7所述的电能变换系统，其特征在于：该系统还包括用于将输出电压的波形信息反馈给控制单元的波形反馈模块。