CN106961140A - 基于互感变压器的梯形结构储能电源均衡系统 - Google Patents

基于互感变压器的梯形结构储能电源均衡系统 Download PDF

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Abstract

基于互感变压器的梯形结构储能电源均衡系统，属于电力电子技术领域。本发明是为了解决串联储能电源组任意两个储能单体间不能直接传递能量，均衡路经长，均衡效率低的问题。互感变压器通过与每个储能电源连接的绕组，经过合理的开关管导通控制实现多节串联电池组任意两单体间点对点能量的直接双向传递，无论是待均衡单体位置相邻或是不相邻，都能够一次性将能量传递完毕，因而均衡过程的能量传递路径短，均衡速度快，无能量的中间传递过程，因此均衡过程损耗小，均衡效率得以提高。本发明适用于多单体串联储能系统的能量均衡。

Description

基于互感变压器的梯形结构储能电源均衡系统
技术领域
本发明涉及一种串联储能电源组单体均衡电路，特别是设计一种能够实现多单体串联电池组单体对单体的双向能量直接传递的开关变换电路。
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。动力电池或超级电容器为主的电压型储能电源组件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，储能单体的电压等级都比较低，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电源组。由于各储能单体的参数难以保证完全一致，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，导致串联储能电源组容量和安全性能降低，循环寿命减少。因此储能单体间的能量均衡成为串联储能电源组实际应用的关键技术之一。
目前，国内外已经有很多种基于开关变换技术的均衡拓扑结构，大致可以分为以下三类：
第一类是可以实现单体对单体能量直接传递的飞渡电容式均衡拓扑机构；
第二类是可以实现相邻两个单体间能量的双向传递或多个相邻单体单一方向能量的依次传递的均衡拓扑结构；
第三类是可以实现单体与串联储能电源组间的能量传递，即局部到整体或整体到局部的能量传递的均衡拓扑结构。
第一类飞渡电容式均衡拓扑结构对可实现点对点能量的直接传递，但由于使用了大量的开关器件，电路复杂程度增加，电路可靠性难以保证；而另外两类均衡拓扑结构在进行非相邻单体间能量的传递时，均无法实现能量的跨越式传递，均衡过程中，均衡路径长、均衡速度慢、均衡效率低。
发明内容
本发明是为了解决串联储能电源组任意两个储能单体间不能直接传递能量，均衡路经长，均衡效率低的问题。
本发明以六单体串联电池组为例进行说明，本发明同样适用于任何数量单体串联电池组，但考虑到互感变压器的复杂程度，一般不建议超过十单体串联电池组直接采用本电路。将六单体串联电池组，包括第一储能单体B1、第二储能单体B2、第三储能单体B3、第四储能单体B4、第五储能单体B5、第六储能单体B6、第一绕组L12、第二绕组L23、第三绕组L34、第四绕组L45、第五绕组L56、第一开关管Q11、第二开关管Q12、第三开关管Q21、第四开关管Q22、第五开关管Q23、第六开关管Q24、第七开关管Q31、第八开关管Q32、第九开关管Q33、第十开关管Q34、第十一开关管Q41、第十二开关管Q42、第十三开关管 Q43、第十四开关管Q44、第十五开关管Q51、第十六开关管Q52、第十七开关管Q53、第十八开关管Q54、第十九开关管Q61和第二十开关管Q62。每两个开关管的漏极相连，实现双向开关，第二开关管Q12的源极与第一绕组L12的同名端、第六开关管Q24的漏极与第二绕组L23的同名端、第八开关管Q32的漏极与第三绕组L34的同名端、第十四开关管Q44的漏极与第四绕组L45的同名端、第十六开关管Q52的漏极与第五绕组L56的同名端相连，第一绕组L12、第二绕组L23、第三绕组L34、第四绕组L45、第五绕组L56缠绕在同一个铁芯上，且匝数相同。
本发明为在具体实施电路中便于驱动各开关管，简化驱动电路对均衡电路开关管位置进行调整，设计了串联储能电源组多单体直接均衡改进电路。电路包括第一储能单体B1、第二储能单体B2、第三储能单体B3、……第n-1储能单体Bn-1、第n储能单体Bn、第一绕组L1、第二绕组L2、第三绕组L3、……第n-2绕组Ln-2、第n-1绕组Ln-1、开关管Q1、开关管Q2、开关管QL11、开关管QL12、开关管Q′2、开关管Q′3、开关管Q3、……开关管 QLn-22、开关管QLn-21、开关管Q′n-1、开关管Qn-1、开关管Qn、开关管QLn-11、开关管QLn-12。绕组L1、绕组L2、绕组L3、……绕组Ln-2、绕组Ln-1缠绕在同一个铁芯上，且匝数相同。
本发明的优点是，电路结构相对简单，能够实现多节串联电池组任意两单体间点对点能量的直接双向传递，无论是待均衡单体位置相邻或是不相邻，都能够一次性将能量传递完毕，因而均衡过程的能量传递路径短，均衡速度快，无能量的中间传递过程，因此均衡过程损耗小，均衡效率得以提高。
附图说明
图1为串联储能电源组六单体直接均衡器电路连接结构示意图。
图2为串联储能电源组多单体直接均衡器电路连接结构示意图。
图3为串联储能电源组多单体直接均衡改进电路连接结构示意图。
图4为具体实施方式二的第一种工作方式示意图。
图5为具体实施方式二的第二种工作方式示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图2六单体直接均衡器说明本实施方式，本实施方式由第一绕组L12、第二绕组L23、第三绕组L34、第四绕组L45、第五绕组L56、第一开关管Q11、第二开关管Q12、第三开关管Q21、第四开关管Q22、第五开关管Q23、第六开关管Q24、第七开关管Q31、第八开关管Q32、第九开关管Q33、第十开关管Q34、第十一开关管Q41、第十二开关管Q42、第十三开关管Q43、第十四开关管Q44、第十五开关管Q51、第十六开关管Q52、第十七开关管Q53、第十八开关管Q54、第十九开关管Q61和第二十开关管Q62。每两个开关管的漏极相连，实现双向开关，第二开关管Q12的源极与第一绕组L12的同名端、第六开关管Q24的漏极与第二绕组L23的同名端、第八开关管Q32的漏极与第三绕组 L34的同名端、第十四开关管Q44的漏极与第四绕组L45的同名端、第十六开关管Q52的漏极与第五绕组L56的同名端相连，第一绕组L12、第二绕组L23、第三绕组L34、第四绕组 L45、第五绕组L56缠绕在同一个铁芯上，且匝数相同。
对于六单体串联电池组，本发明引出七根线，分别与串联的六个储能单体正负极相连：第一开关管Q11的漏极与第一储能单体B11的正极相连；第一开关管Q11的源极与第二开关管Q12的源极相连；第二开关管Q12的漏极与第一绕组L11的同名端相连；第一绕组L11的异名端与第一储能单体B11的负极相连；第三开关管Q13的漏极与第二储能单体B12的正极相连；第三开关管Q13的源极与第四开关管Q14的源极相连；第四开关管Q14的漏极与第二绕组L12的同名端相连；第二绕组L12的异名端与第二储能单体B12的负极相连；第五开关管Q15的漏极与第三储能单体B13的正极相连；第五开关Q15的源极与第六开关管Q16的源极相连；第六开关管Q16的漏极与第三绕组L13的同名端相连；第三绕组L13的异名端与第三储能单体B13的负极相连；第三储能单体B13的负极与第四储能单体B21的正极相连；第八开关管Q22的漏极与第四储能单体B21的正极相连；第八开关管Q22的源极与第七开关管Q21的源极相连；第七开关管Q21的漏极与第四绕组的L21的异名端相连；第四绕组L21的同名端与第四储能单体B21的负极相连；第十开关管Q24的漏极与第五储能单体B22的正极相连；第十开关管Q24的源极与第九开关管Q23的源极相连；第九开关管Q23的漏极与第五绕组L22的异名端相连；第五绕组L22的同名端与第五储能单体 B22的负极相连；第十二开关管Q26的漏极与第六储能单体B23的正极相连；第十二开关管Q26的源极与第十一开关管Q25的源极相连；第十一开关管Q25的漏极与第六绕组L23的异名端相连；第六绕组L23的同名端与第六储能单体B23的负极相连。本发明选用低通态损耗MOSFET开关管，其自带体二极管，这样，每对二极管和开关管分别都由一个自带体二极管的MOSFET开关管代替。
具体实施方式二：对于串联动力电池组或超级电容器组，工作条件相同，储能单体能量与单体电压成正比。本发明的控制原则为电压最高单体向电压最低单体传递能量，当任意两个储能单体的电压差超过限定阈值时，通过控制均衡器的某对开关管进行调节，使单体间电压趋于一致，从而实现单体间的能量均衡。
所述均衡器变换电路实施方式结合图1进行说明，串联储能电源组无论处于充电或是放电状态，均衡变换电路均可以独立运行。当六个储能单体出现各种不均衡状态组合时，单独控制某对开关管的开关动作，均可以实现电压最高单体向电压最低单体的能量转移。本均衡器具有两种工作模式，两种工作模式如下：
第一种工作模式：即相邻电池组Buck-boost工作模式，下面结合图4说明，第一储能单体B1能量最高，第二储能单体B2能量最低。第一开关管Q11与第二开关管Q12同时工作，与第一绕组L12、第三开关管Q21和第四开关管Q22构成Buck-boost变换电路。第一开关管Q11与第二开关管Q12同时工作，第一储能单体B1、第一开关管Q11、第二开关管Q12与第一绕组L12构成回路，将第一储能单体B1中多余的能量存储到第一绕组L12中；第一开关管Q11与第二开关管Q12同时关断，第三开关管Q21和第四开关管Q22同时开通，此时第二储能单体B2、第一绕组L12、第三开关管Q21和第四开关管Q22回路导通，第一绕组L12中的能量转移到第二储能单体B2中。
第二种工作模式：即非相邻电池组反激均衡模式，下面结合图5说明，第一储能单体 B1能量最高，第五储能单体B5最低。第一开关管Q11与第二开关管Q12同时工作，与第一绕组L12、第四绕组L45、第十七开关管Q53和第十八开关管Q54构成反激变换电路。第一开关管Q11与第二开关管Q12同时工作，第一储能单体B1、第一开关管Q11、第二开关管Q12与第一绕组L12构成回路，将第一储能单体B1中多余的能量存储到第一绕组L12中；第一开关管Q11与第二开关管Q12同时关断，第十七开关管Q53和第十八开关管Q54同时开通，此时第五储能单体B5、第四绕组L45、第十七开关管Q53和第十八开关管Q54回路导通，第一绕组L12中的能量通过磁路耦合经第四绕组L45转移到第五储能单体B5中。

Claims (4)

1.基于互感变压器的梯形结构储能电源均衡系统，其特征在于：当储能电源单体数量为n时，n-1个匝数相同的耦合电感构成的互感变压器(1)；通过互感变压器构成的梯形结构能量均衡器(2)；均衡系统工作模式(3)：串联储能电源组多单体直接均衡改进电路(4)
当储能电源单体数量为n时，n-1个匝数相同的耦合电感构成的互感变压器(1)，串联结构储能电源，两相邻单体间通过开关管或直接与匝数相同的电感相连，所有电感都相互耦合，构成互感变压器。
2.根据权利要求1所述的基于互感变压器的梯形结构储能电源均衡系统，其特征在于：通过互感变压器构成的梯形结构能量均衡器(2)
以六单体串联电池组为例，包括第一储能单体B1、第二储能单体B2、第三储能单体B3、第四储能单体B4、第五储能单体B5、第六储能单体B6、第一绕组L12、第二绕组L23、第三绕组L34、第四绕组L45、第五绕组L56、第一开关管Q11、第二开关管Q12、第三开关管Q21、第四开关管Q22、第五开关管Q23、第六开关管Q24、第七开关管Q31、第八开关管Q32、第九开关管Q33、第十开关管Q34、第十一开关管Q41、第十二开关管Q42、第十三开关管Q43、第十四开关管Q44、第十五开关管Q51、第十六开关管Q52、第十七开关管Q53、第十八开关管Q54、第十九开关管Q61和第二十开关管Q62。每两个开关管的漏极相连，实现双向开关，第二开关管Q12的源极与第一绕组L12的同名端、第六开关管Q24的漏极与第二绕组L23的同名端、第八开关管Q32的漏极与第三绕组L34的同名端、第十四开关管Q44的漏极与第四绕组L45的同名端、第十六开关管Q52的漏极与第五绕组L56的同名端相连，第一绕组L12、第二绕组L23、第三绕组L34、第四绕组L45、第五绕组L56缠绕在同一个铁芯上，且匝数相同。
3.根据权利要求1所述的基于互感变压器的梯形结构储能电源均衡系统，其特征在于：均衡系统工作模式(3)
第一种工作模式：即相邻电池组Buck-boost工作模式，第一储能单体B1能量最高，第二储能单体B2能量最低。第一开关管Q11与第二开关管Q12同时工作，与第一绕组L12、第三开关管Q21和第四开关管Q22构成Buck-boost变换电路。第一开关管Q11与第二开关管Q12同时工作，第一储能单体B1、第一开关管Q11、第二开关管Q12与第一绕组L12构成回路，将第一储能单体B1中多余的能量存储到第一绕组L12中；第一开关管Q11与第二开关管Q12同时关断，第三开关管Q21和第四开关管Q22同时开通，此时第二储能单体B2、第一绕组L12、第三开关管Q21和第四开关管Q22回路导通，第一绕组L12中的能量转移到第二储能单体B2中，
第二种工作模式：即非相邻电池组反激均衡模式，以第一储能单体B1能量最高，第五储能单体B5最低为例，第一开关管Q11与第二开关管Q12同时工作，与第一绕组L12、第四绕组L45、第十七开关管Q53和第十八开关管Q54构成反激变换电路。第一开关管Q11与第二开关管Q12同时工作，第一储能单体B1、第一开关管Q11、第二开关管Q12与第一绕组L12构成回路，将第一储能单体B1中多余的能量存储到第一绕组L12中；第一开关管Q11与第二开关管Q12同时关断，第十七开关管Q53和第十八开关管Q54同时开通，此时第五储能单体B5、第四绕组L45、第十七开关管Q53和第十八开关管Q54回路导通，第一绕组L12中的能量通过磁路耦合经第四绕组L45转移到第五储能单体B5中。
4.根据权利要求1所述的基于互感变压器的梯形结构储能电源均衡系统，其特征在于：串联储能电源组多单体直接均衡改进电路(4)
电路包括第一储能单体B1、第二储能单体B2、第三储能单体B3、……第n-1储能单体Bn-1、第n储能单体Bn、第一绕组L1、第二绕组L2、第三绕组L3、……第n-2绕组Ln-2、第n-1绕组Ln-1、开关管Q1、开关管Q2、开关管QL11、开关管QL12、开关管Q′2、开关管Q′3、开关管Q3、……开关管QLn-22、开关管QLn-21、开关管Q′n-1、开关管Qn-1、开关管Qn、开关管QLn-11、开关管QLn-12。绕组L1、绕组L2、绕组L3、……绕组Ln-2、绕组Ln-1缠绕在同一个铁芯上，且匝数相同。
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