CN106532802B - 串联储能体四单体直接均衡装置及方法 - Google Patents

串联储能体四单体直接均衡装置及方法 Download PDF

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Abstract

串联储能体四单体直接均衡装置及方法，涉及串联储能组均衡电路。本发明解决了现有均衡装置无法解决任意两个储能单体点对点直接能量传递、能量均衡路径长和能量均衡效率低的问题。本发明所述串联储能体由4个储能单体串联组成，每2个为一组，所述四单体直接均衡装置包括4个耦合电感和6个双向开关；通过控制双向开关，可实现任意单体间的能量直接传递，组内能量均衡时，为Buck‑Boost工作方式；组间能量均衡时，为反激工作方式。本发明实现方式简单，均衡过程的能量传递路径短，均衡速度较快，均衡效率较高。

Description

串联储能体四单体直接均衡装置及方法
技术领域
本发明涉及一种串联储能体四单体直接均衡电路。
背景技术
能源与环境问题已经成为全球关注的焦点，各种新能源技术层出不穷，随之而来也对能量存储技术提出更高要求。以动力电池或超级电容器为主的电压型储能体通常具有较高的功率密度、安全清洁等优点，已经广泛应用于电动汽车、空间电源、功率脉冲装置等需要能量存储的技术领域。无论动力电池还是超级电容器，其单体的电压与容量都有限制，在很多实际应用中，通常会将几个甚至几百个单体串联构成电压合适的储能组。由于储能单体内部的化学性质差异，在串联充放电过程中极易出现某个或某些单体的过充或过放现象，导致串联储能组容量和安全性能降低，循环寿命减少。因此储能体间的能量均衡成为串联储能组实际应用的关键技术之一。
一般而言，储能体的能量与其电压相关度高，因此往往通过释放电压较高单体的能量、补充电压较低单体的能量来实现能量均衡，国内外主要有以下几类均衡方法。
第一类是电阻耗能均衡，即通过电阻消耗电压较高单体的能量以达到各单体的均衡，该方法均衡效率低，而且不能实现对电压较低单体的能量进行补充。
第二类是飞渡电容式均衡方法，以电容作为中间储能环节，通过开关网络可以将其投切到任意的单体上，可以实现任意单体间的能量直接传递，均衡效率较高，但该方法需要大量的开关器件，导通瞬间冲击电流很大，容易出现电弧或电磁干扰。
第三类是基于Buck-Boost变换器的均衡方法，以两个相邻单体、两个开关管和作为中间储能环节的电感组成Buck-Boost变换器，可以实现相邻单体间的能量直接传递，通过在每两个相邻单体间设置Buck-Boost变换器，可以实现多单体的能量均衡，但当不均衡的单体不相邻时，能量就需要经过中间的单体，传输路径长，均衡速度变慢，效率降低。
第四类是基于反激变换器的均衡方法，将多输出绕组变压器的原边连接串联储能组，各副边分别连接各单体，可以将整体能量传递给各单体，由于电压较低的单体会得到更多的能量从而促进均衡。该方法不能实现对电压较高单体的能量释放，而且均衡误差较大。
综合以上四类方法可见，如果能实现任意单体间的能量直接传递，使各单体都可储能或释能，则能提高均衡速度和均衡效率。
专利《串联储能电源三单体直接均衡器》实现了串联三单体中任意两个单体间能量的双向传递，缩短了传输路径，但是能实现能量直接传递的单体数较少。
专利《串联电池组多单体直接均衡装置及方法》可以实现多个单体间能量的双向传递，但是工作模态较多，组内能量均衡时，采用正激工作方式，之后需要采用反激工作方式来进行磁复位；组间能量均衡时，采用反激工作方式。其中，在单体间电压差较小的情况下，正激工作方式的均衡效率较低。
虽然现有技术可以实现任意单体间的能量直接传递，但还存在可均衡单体数量较少、工作方式复杂且个别方式均衡效率不高的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有均衡装置无法解决任意两个储能单体点对点直接能量传递、能量均衡路径长和能量均衡效率低的问题，本发明提供了一种串联储能体四单体直接均衡装置及方法。
本发明的一种串联储能体四单体直接均衡装置及方法，所述串联储能体由4个储能单体串联组成，串联储能体中的第1储能单体B1和第2储能单体B2为第一组，第3储能单体B3和第4储能单体B4为第二组；所述四单体直接均衡装置包括上述4个储能单体、4个耦合电感和6个双向开关，第1个耦合电感L1与第1个双向开关M1中的开关管S11、开关管S12、第1个储能单体B1串联连接，第2个耦合电感L2与第2个双向开关M2中的开关管S21、开关管S22、第2个储能单体B2串联连接，第3个耦合电感L3与第3个双向开关M3中的开关管S31、开关管S32、第3个储能单体B3串联连接，第4个耦合电感L4与第4个双向开关M4中的开关管S41、开关管S42、第4个储能单体B4串联连接；第5个双向开关M5一端与第1个双向开关M1相连，另一端与第2个储能单体B2的负极相连，第6个双向开关M6一端与第3个双向开关M3相连，另一端与第4个储能单体B4的负极相连；所述的4个耦合电感的匝数均相同，L1，L2为一组，与第一组储能体相对应，L3，L4为一组，与第二组储能体相对应，同组耦合电感的同名端方向一致，不同组耦合电感的同名端方向相反。以上所述开关管为MOSFET，所述双向开关为两个共源极的MOSFET串联。
本发明的一种串联储能体四单体直接均衡装置及方法，所述方法为通过控制6个双向开关，实现任意单体间点对点的能量直接传递，其具体方式为：组内能量均衡时，采用Buck-Boost工作方式；组间能量均衡时，采用反激工作方式。
本发明的有益效果在于，本发明实现方式简单，均衡过程的能量传递路径短，均衡速度较快，均衡效率较高；本发明只有反激和Buck-Boost两种工作方式，工作模式简单，既解决了储能单体点对点直接均衡的问题，同时也避免了使用正激均衡工作方式需要再进入反激工作方式进行磁复位的繁琐。
附图说明
图1为串联储能体四单体直接均衡装置的原理示意图；
图2为具体实施方式一中所述串联储能体四单体直接均衡装置在组内单体能量均衡时，采用的Buck-Boost工作方式示意图(以第1个储能单体B1向第2个储能单体B2馈能为例)；
图3为具体实施方式二中所述串联储能体四单体直接均衡装置在组间单体能量均衡时，采用的反激工作方式示意图(以第1个储能单体B1向第3个储能单体B3馈能为例)；
具体实施方式
本发明具体的均衡方法为：组内能量均衡时，采用Buck-Boost工作方式，即具体实施方式一；组间能量均衡时，采用反激工作方式，即具体实施方式二。
具体实施方式一：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的串联储能体四单体直接均衡装置实现组内单体能量均衡时，工作在Buck-Boost模式。以第一组第1储能单体B1能量最高，第2储能单体B2能量最低为例说明，此时将B1能量馈至B2。
如图2所示，此种状态下仅允许第1双向开关M1、第5双向开关M5动作，则第1储能单体B1、第2储能单体B2、第1双向开关M1、第1耦合电感L1、第5双向开关M5构成Buck-Boost变换器。
当第1双向开关M1导通，第5双向开关M5关断时，第1储能单体B1经第1双向开关M1对第1耦合电感L1储能，具体参见图2中实线箭头；当第1双向开关M1关断，第5双向开关M5开通时，第1耦合电感L1经第5双向开关M5向第2储能单体B2释放能量，具体参见图2中虚线箭头。这样就实现了将第1储能单体B1的能量馈至第2储能单体B2。
具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述的串联储能体四单体直接均衡装置实现组间单体能量均衡时，工作在反激模式。以第一组第1储能单体B1能量最高，第二组第3储能单体B3能量最低为例说明，此时将B1能量馈至B2。
如图3所示，此种状态下仅允许第1双向开关M1、第3双向开关M3动作，则第1储能单体B1、第3储能单体B3、第1双向开关M1、第1耦合电感L1、第3耦合电感L3、第3双向开关M3构成反激变换器。
当第1双向开关M1导通，第3双向开关M3关断时，第1储能单体B1经第1双向开关M1对第1耦合电感L1储能，具体参见图3中实线箭头；当第1双向开关M1关断，第3双向开关M3开通时，第1耦合电感L1的能量由于反激作用转移到第3耦合电感L3中，同时第3耦合电感L3的能量经第3双向开关M3向第3储能单体B3释放能量，具体参见图3中虚线箭头。这样就实现了将第1储能单体B1的能量馈至第3储能单体B3。

Claims (2)

1.一种串联储能体四单体直接均衡装置，其特征在于：它包括4个储能单体串联组成的串联储能体，4个耦合电感和6个双向开关；串联储能体中的第1储能单体B1和第2储能单体B2为第一组，第3储能单体B3和第4储能单体B4为第二组；4个耦合电感的匝数均相同，L1，L2为一组，与第一组储能体相对应，L3，L4为一组，与第二组储能体相对应，同组耦合电感的同名端方向一致，不同组耦合电感的同名端方向相反；双向开关由2个源极相连的开关管串联组成；储能单体B1的正极与第1个双向开关M1中开关管S11的漏极相连，M1中开关管S12的漏极与电感L1同名端、第5个双向开关M5中开关管SL1的漏极相连，电感L1异名端与储能单体B1的负极相连，第5个双向开关M5中开关管SL2的漏极与储能单体B2的负极、电感L2异名端相连，储能单体B2的正极与第2个双向开关M2中开关管S21的漏极相连，M2中开关管S22的漏极与电感L2同名端相连，储能单体B3的正极与第3个双向开关M3中开关管S31的漏极相连，M3中开关管S32的漏极与电感L3异名端、第6个双向开关M6中开关管SL3的漏极相连，电感L3同名端与储能单体B3的负极相连，第6个双向开关M6中开关管SL4的漏极与储能单体B4的负极、电感L4同名端相连，储能单体B4的正极与第4个双向开关M4中开关管S41的漏极相连，M4中开关管S42的漏极与电感L4异名端相连；
通过控制6个双向开关，实现任意单体间点对点的能量直接传递，其具体方式为：组内能量均衡时，采用Buck-Boost工作方式；组间能量均衡时，采用反激工作方式。
2.根据权利要求1所述的串联储能体四单体直接均衡装置，其特征在于，所述开关管为MOSFET，所述双向开关为两个共源极的MOSFET串联。
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