CN106532827A - 具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法，属于电力电子技术领域。串联储能单体数量为2n时，包含2n个匝数相同的耦合电感，6n个MOSFET开关管；单体数量为2n+1时，包含2n+2个耦合电感，6n+4个开关管，也可使用2n+1个耦合电感，6n+2个开关管。通过控制开关管的通断，能量较高单体向耦合电感释放能量，之后耦合电感中的能量再释放到能量较低单体中，实现单体间直接均衡。有Buck‑Boost和反激两种工作方式，在反激工作方式下，可实现一个单体对多个单体的能量传递。本发明通过构造任意单体间的能量传递路径，实现了任意单体间的直接均衡，具有能量传递路径短、均衡速度较快、效率较高的优点。

Description

具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法
技术领域
本发明涉及一种具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法，属于电力电子技术领域。
背景技术
储能技术在生产生活中应用广泛，一般的储能体包括铅酸电池、锂离子电池、燃料电池、超级电容器、超高速飞轮等，其中电池和超级电容器应用更多，尤其在电动汽车和新能源发电等领域。由于电池、超级电容器单体电压较低，常采用串联形式构成串联储能体。因为单体间存在不可避免的差异，在使用过程中端电压、容量等参数会出现不一致的情况，极易出现某个或某些储能单体的过充或过放现象，随着充放电次数的增多，会导致串联储能体实际容量下降、使用寿命减少。因此储能体间的能量均衡成为串联储能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，本发明提供了一种具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法。
本发明的具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法，适用于各种类型电池和超级电容器。
本发明涉及的具有点对点路径的串联储能均衡装置，根据串联储能单体的数量，有两种不同的形式。当储能单体数量为2n时，n为正整数，即数量为偶数时，其包含2n个匝数相同的耦合电感，6n个MOSFET开关管；储能单体B2n-1和B2n，耦合电感L2n-1和L2n，MOSFET开关管S2n-1、SL2n-1、SD2n-1、S2n、SL2n、SD2n构成一个组，共有n个组串联；组内具体连接为：B2n-1的正极与S2n-1的漏极相连，S2n-1的源极与SL2n-1的源极、SD2n的源极、S2n的漏极相连，S2n的源极与B2n的负极相连，B2n的正极与SL2n的源极、SD2n-1的源极、B2n-1的负极相连，SL2n-1的漏极与L2n-1的同名端相连，L2n-1的异名端与SD2n-1的漏极相连，SD2n的漏极与L2n的异名端相连，L2n的同名端与SL2n的漏极相连。
当储能单体数量为2n+1时，n为正整数，即数量为奇数时，其包含2n+2个匝数相同的耦合电感，6n+4个MOSFET开关管；其前n个组与储能单体数量为2n时的连接相同；储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1、L2n+2，MOSFET开关管Sa、Sb、Sc、Sd组成第n+1个组。第n+1个组具体连接为：B2n+1的正极与Sa的源极、Sc的源极相连，Sa的漏极与L2n+1的同名端相连，L2n+1的异名端与Sb的漏极相连，Sb的源极与B2n+1的负极、Sd的源极相连，Sc的漏极与L2n+2的异名端相连，L2n+2的同名端与Sd的漏极相连。
当储能单体数量为2n+1时，第n+1个组仅保留储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1，MOSFET开关管Sa、Sb，也可实现点对点直接均衡。
前n个组中，开关管SL2n-1、耦合电感L2n-1、开关管SD2n-1串联而组成的支路中，三者的位置可以互换；前n个组中，开关管SD2n、耦合电感L2n、开关管SL2n串联而组成的支路中，三者的位置可以互换；第n+1组中，开关管Sa、耦合电感L2n+1、开关管Sb的位置可以互换，开关管Sc、耦合电感L2n+2、开关管Sd的位置可以互换。
前n个组中，开关管SD2n-1、SD2n可以用二极管代替，二极管的阳极对应原开关管源极，二极管的阴极对应原开关管漏极。
本发明涉及的具有点对点路径的串联储能均衡方法，是通过控制上述串联储能均衡装置中的6n或6n+2或6n+4个MOSFET开关管，实现任意单体间点对点的能量直接传递，从而达到各单体的均衡。
组内两个单体均衡时，利用组内耦合电感和开关管构成Buck-Boost电路拓扑，实现能量在两个单体间传递；不同组的两个单体均衡时，利用相应的开关管、耦合电感构成反激变换电路拓扑，实现能量在两个单体间传递，也可以利用反激变换器可以多路输出的特点，让多个耦合电感参与工作，实现能量从一个单体到其他不在同一组中的多个单体的传递。
各个耦合电感中的电流方向总是由同名端流出；能量高的储能单体向本组内与自身标号不同的耦合电感释放能量，储能后的耦合电感向与自身标号相同的储能单体释放能量。当储能单体数量为2n+1，且第n+1个组仅保留储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1，MOSFET开关管Sa、Sb时，如果前2n个储能单体中的某一个作为释放能量单体，向其他任意单体馈能，耦合电感中的电流仍由同名端流出，工作方式与上述相同；如果第2n+1个储能单体作为释放能量单体，则耦合电感中的电流由异名端流出，前n组中，耦合电感向与自身标号不同的储能单体释放能量。
源极与储能单体阴极相连的开关管，即前n组中的SD2n-1、SL2n、S2n，第n+1组中的Sb、Sd，使用所连接的储能单体作为驱动电源；源极与S2n漏极相连的开关管，即S2n-1、SL2n-1、SD2n采用自举方式提供驱动电源。
有益效果
本发明的有益效果在于，串联储能组的任意单体间都有能量传递的路径，能实现任意两单体间的直接均衡，均衡过程中能量传递路径短、速度较快、效率较高，同时也能实现一个单体对其他组的多个单体的均衡；组内单体均衡时采用Buck-Boost工作方式，组间单体均衡时采用反激工作方式，不存在正激工作方式，工作模式简单。
附图说明
图1为当储能单体数量为2n时，具有点对点路径的串联储能均衡装置的原理示意图；
图2为当储能单体数量为2n+1时，具有点对点路径的串联储能均衡装置的第一种方式的原理示意图；
图3为当储能单体数量为2n+1时，具有点对点路径的串联储能均衡装置的第二种方式的原理示意图；
图4为具体实施方式一，储能单体的数量为2n或2n+1，组内两单体进行均衡的示意图；
图5为具体实施方式二，储能单体的数量为2n或2n+1，组间两单体进行均衡的示意图；
图6为具体实施方式三，储能单体的数量为2n或2n+1，组间一单体对多单体进行均衡的示意图；
图7为具体实施方式四，储能单体的数量为2n+1，采用第二种方式时，最后1组单体对其他组单体进行均衡时的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：无论储能单体的数量为2n还是2n+1，对于前2n个储能单体，同组的储能单体B2n-1和B2n进行均衡时，采用Buck-Boost工作方式，即两个储能单体和相应的开关管、耦合电感构成Buck-Boost变换电路。
结合图4，以储能单体的数量为2n时，第二组中储能单体B3向储能单体B4传递能量的情况为例来说明，未提及的开关管均处于关断状态。这里储能单体B3、B4，开关管S3、S4、SD4、SL4和耦合电感L4构成一个Buck-Boost变换电路。开关管SD4、SL4一直处于开通状态，当开关管S3开通、S4断开时，B3向L4释放能量，具体电流方向参见图4中实线；当开关管S3断开、S4开通时，L4中存储的能量向B4释放，具体电流方向参见图4中虚线。
具体实施方式二：无论储能单体的数量为2n还是2n+1，组间两单体进行均衡时，采用反激工作方式，即两个储能单体和相应的开关管、耦合电感构成反激变换电路。释放能量的储能单体向本组内与自身标号不同的耦合电感释放能量，储能后的耦合电感向与自身标号相同的储能单体释放能量。
结合图5，储能单体的数量为2n+1的第一种工作方式中，以第一组中储能单体B2向第n+1组中储能单体B2n+1传递能量的情况为例来说明，未提及的开关管均处于关断状态。这里储能单体B2、B2n+1，开关管SD1、SL1、S2、Sa、Sb和耦合电感L1、L2n+1构成一个反激变换电路。开关管SD1、S2、Sa一直处于开通状态，当开关管SL1开通、Sb断开时，B2向L1释放能量，具体电流方向参见图5中实线；当开关管SL1断开、Sb开通时，L1中存储的能量经反激作用转移到L2n+1，并向B2n+1释放，具体电流方向参见图5中虚线。
具体实施方式三：无论储能单体的数量为2n还是2n+1，组间一单体向多单体进行均衡时，采用反激工作方式，即多个储能单体和相应的开关管、耦合电感构成反激变换电路。释放能量的储能单体向本组内与自身标号不同的耦合电感释放能量，储能后的耦合电感向与自身标号相同的储能单体释放能量。
结合图6，储能单体的数量为2n+1的第一种工作方式中，以第n+1组中储能单体B2n+1向第1组中储能单体B1和第n组中储能单体B2n传递能量的情况为例来说明，未提及的开关管均处于关断状态。这里储能单体B1、B2n、B2n+1，开关管S1、SL1、SD1、S2n、SL2n、SD2n、Sc、Sd和耦合电感L1、L2n、L2n+2构成一个多输出绕组反激变换电路。开关管S1、SL1、SL2n、S2n、Sc一直处于开通状态，当开关管Sd开通、SD1和SD2n断开时，B2n+1向L2n+2释放能量，具体电流方向参见图6中实线；当开关管Sd断开、SD1和SD2n开通时，L2n+2中存储的能量经反激作用转移到L1和L2n中，并向B1和B2n释放，具体电流方向参见图6中虚线。
具体实施方式四：储能单体的数量为2n+1的第二种工作方式，单体B2n+1向其他单体进行均衡时，采用反激工作方式，即两个储能单体和相应的开关管、耦合电感构成反激变换电路。单体B2n+1向本组耦合电感L2n+1释放能量，储能后的耦合电感向与自身标号不同的储能单体释放能量。
结合图7，储能单体的数量为2n+1的第二种工作方式中，以储能单体B2n+1向第n组中储能单体B2n-1传递能量的情况为例来说明，未提及的开关管均处于关断状态。这里储能单体B2n-1、B2n+1，开关管S2n-1、SL2n、SD2n、Sa、Sb和耦合电感L2n-1、L2n+1构成反激变换电路。开关管S2n-1、SD2n、Sa一直处于开通状态，当开关管Sb开通、SL2n断开时，B2n+1向L2n+1释放能量，具体电流方向参见图7中实线；当开关管Sb断开、SL2n开通时，L2n+1中存储的能量经反激作用L2n中，并向B2n-1释放，具体电流方向参见图6中虚线。

Claims (9)

1.具有点对点路径的串联储能均衡装置，其特征在于，当储能单体数量为2n时，n为正整数，即数量为偶数时，其包含2n个匝数相同的耦合电感，6n个MOSFET开关管；储能单体B2n-1和B2n，耦合电感L2n-1和L2n，MOSFET开关管S2n-1、SL2n-1、SD2n-1、S2n、SL2n、SD2n构成一个组，共有n个组串联；
组内具体连接为：B2n-1的正极与S2n-1的漏极相连，S2n-1的源极与SL2n-1的源极、SD2n的源极、S2n的漏极相连，S2n的源极与B2n的负极相连，B2n的正极与SL2n的源极、SD2n-1的源极、B2n-1的负极相连，SL2n-1的漏极与L2n-1的同名端相连，L2n-1的异名端与SD2n-1的漏极相连，SD2n的漏极与L2n的异名端相连，L2n的同名端与SL2n的漏极相连；
当储能单体数量为2n+1时，n为正整数，即数量为奇数时，其包含2n+2个匝数相同的耦合电感，6n+4个MOSFET开关管；其前n个组与储能单体数量为2n时的连接相同；储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1、L2n+2，MOSFET开关管Sa、Sb、Sc、Sd组成第n+1个组；
第n+1个组具体连接为：B2n+1的正极与Sa的源极、Sc的源极相连，Sa的漏极与L2n+1的同名端相连，L2n+1的异名端与Sb的漏极相连，Sb的源极与B2n+1的负极、Sd的源极相连，Sc的漏极与L2n+2的异名端相连，L2n+2的同名端与Sd的漏极相连。
2.根据权利要求1所述的具有点对点路径的串联储能均衡装置，其特征在于，当储能单体数量为2n+1时，第n+1个组仅保留储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1，MOSFET开关管Sa、Sb，也可实现点对点直接均衡。
3.根据权利要求1所述的具有点对点路径的串联储能均衡装置，其特征在于，前n个组中，开关管SL2n-1、耦合电感L2n-1、开关管SD2n-1串联而组成的支路中，三者的位置可以互换；前n个组中，开关管SD2n、耦合电感L2n、开关管SL2n串联而组成的支路中，三者的位置可以互换；第n+1组中，开关管Sa、耦合电感L2n+1、开关管Sb的位置可以互换，开关管Sc、耦合电感L2n+2、开关管Sd的位置可以互换。
4.根据权利要求1所述的具有点对点路径的串联储能均衡装置，其特征在于，前n个组中，开关管SD2n-1、SD2n可以用二极管代替，二极管的阳极对应原开关管源极，二极管的阴极对应原开关管漏极。
5.根据权利要求1所述的具有点对点路径的串联储能均衡装置，其特征在于，串联储能单体为各种类型电池和超级电容器。
6.基于权利要求1所述的串联储能多单体直接均衡装置实现具有点对点路径的串联储能均衡方法，其特征在于，通过控制6n或6n+2或6n+4个MOSFET开关管，实现任意单体间点对点的能量直接传递，从而达到各单体的均衡；组内两个单体均衡时，利用组内耦合电感和开关管构成Buck-Boost电路拓扑，实现能量在两个单体间传递；不同组的两个单体均衡时，利用相应的开关管、耦合电感构成反激变换电路拓扑，实现能量在两个单体间传递。
7.根据权利要求6所述的具有点对点路径的串联储能均衡方法，其特征在于，各个耦合电感中的电流方向总是由同名端流出；能量高的储能单体向本组内与自身标号不同的耦合电感释放能量，储能后的耦合电感向与自身标号相同的储能单体释放能量；
当储能单体数量为2n+1，且第n+1个组仅保留储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1，MOSFET开关管Sa、Sb时，如果前2n个储能单体中的某一个作为释放能量单体，向其他任意单体馈能，耦合电感中的电流仍由同名端流出，工作方式与上述相同；如果第2n+1个储能单体作为释放能量单体，则耦合电感中的电流由异名端流出，前n组中，耦合电感向与自身标号不同的储能单体释放能量。
8.根据权利要求6所述的具有点对点路径的串联储能均衡方法，其特征在于，一个储能单体向耦合电感储能后，耦合电感可以向不在同一组中多个储能单体释放能量，可实现一对多的直接均衡。
9.根据权利要求6所述的具有点对点路径的串联储能均衡方法，其特征在于，源极与储能单体阴极相连的开关管，即前n组中的SD2n-1、SL2n、S2n，第n+1组中的Sb、Sd，使用所连接的储能单体作为驱动电源；源极与S2n漏极相连的开关管，即S2n-1、SL2n-1、SD2n采用自举方式提供驱动电源。
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