CN108598604A - 反激模式串联储能均衡电路 - Google Patents

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韩基业
杨威
王延龙
刘晓芳
杨世彦
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Abstract

本发明涉及一种反激模式串联储能均衡电路，属于电力电子技术领域。串联储能单体数量为n时，包含n个匝数相同的耦合电感，5n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，之后通过电感的耦合作用再将能量释放到能量较低单体中。均衡电路采用反激工作模式，可实现任意单体间的能量均衡，利用反激多路输出的特点，也可实现一个单体同时对多个单体的能量均衡。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、均衡速度快的优点。

Description

反激模式串联储能均衡电路
技术领域
本发明涉及一种反激模式串联储能均衡电路，属于电力电子技术领域。
背景技术
以各种电池或超级电容器等储能单体构成的串联储能组在电动汽车、新能源发电等领域应用广泛。由于储能单体间存在不可避免的差异，在串联使用过程中，极易出现某个或某些单体过充或过放，如果不对储能组进行能量均衡，则会导致实际容量下降、使用寿命减少等诸多问题，因此储能体间的能量均衡一直是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。和通过电阻消耗电压较高单体能量的无源均衡方式相比，利用变换器传递能量的有源均衡方式更受欢迎。在有源均衡方式中，绝大部分都是利用电感或耦合电感作为中间储能环节，在单体间传递能量，可以分为以下几种基本方式。
一是飞渡电感方式，电感两端和每个单体的正、负极都通过双向开关相连，这样每个单体都可以通过和电感交换能量，达到任意单体之间进行直接均衡的目的。这种方法需要大量的双向开关，双向开关中的两个开关管也需要不同的驱动信号，此外由于开关切换动作时需要留有死区时间，电感电流没有续流路径会形成较大的电压尖峰。
二是Buck-Boost变换器方式，以两个相邻单体、两个开关管和一个电感组成Buck-Boost变换器，可实现相邻单体间的能量均衡。在每两个相邻单体间设置Buck-Boost变换器，通过能量在相邻单体间的依次传递，可实现整组的能量均衡。该方法控制简单，但不相邻单体不能直接进行能量均衡，因此均衡速度较慢。
三是反激变换器方式，将多输出绕组变压器的原边绕组经双向开关连接串联储能组，各副边绕组分别经双向开关连接各单体，虽然各单体间不能直接进行能量传递，但可使电压较高单体向整组传递能量，而电压较低的单体可从整组获得能量，由于整个串联储能组作为中间过渡环节，因此均衡效率不高。
为了使反激变换器方式能实现任意单体间的能量直接传递，专利《串联电池组多单体直接均衡装置及方法》将与串联储能组相连的绕组去掉，令各单体以及其对应的绕组分为两组，两组的绕组同名端相反。这样不在同一组的两个单体进行能量均衡时，采用反激工作方式；在同一组内的两个单体进行能量均衡时，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。该专利改进了均衡效果，但仍然存在一些问题，主要是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。
发明内容
本发明实现了任意两个储能单体点对点能量直接传递，解决了现有反激变换器方式均衡电路中，只能在单体和整个储能组之间进行均衡，或者单体之间能均衡时均衡效率较低的问题，本发明提供了一种反激模式串联储能均衡电路。
本发明涉及的反激模式串联储能均衡电路，适用于各种类型电池和超级电容器。
本发明涉及的反激模式串联储能均衡电路，对于n个串联储能单体B1、B2……Bn，其由n个匝数相同的耦合电感，5n个开关管组成；储能单体B1，耦合电感L1，开关管S1a、S1b、S1c、SD1a、SD1b构成一个组，依次类推，储能单体Bn，耦合电感Ln，开关管Sna、Snb、Snc、SDna、SDnb构成一个组，共有n个组串联；组内的具体连接为，Bn的正极与Sna的源极相连，Sna的漏极与Snb的漏极、SDna的漏极相连，Snb的源极与Ln的同名端、SDnb的漏极相连，SDna的源极与Ln的异名端、Snc的漏极相连，SDnb的源极与Snc的源极、Bn的负极相连。
本发明涉及的反激模式串联储能均衡电路，通过控制5n个开关管，使两个单体和对应的耦合电感、开关管构成反激变换器，能量高的储能单体向耦合电感释放能量，储能后的耦合电感向能量低的储能单体释放能量，实现能量在两个单体间传递。通过任意单体间的能量直接传递，达到各单体的均衡。此外，一个储能单体向耦合电感储能后，耦合电感可以同时向多个储能单体释放能量，可实现一个单体对多个单体的直接均衡。
有益效果
本发明的有益效果在于，串联储能组内任意单体间都有能量传递的路径，可以实现任意两单体间的直接均衡，也可以实现一个单体对多个单体的均衡。单体均衡时均采用反激工作方式，不存在正激工作方式，工作模式简单。
附图说明
图1为反激模式串联储能均衡电路的原理示意图；
图2为具体实施方式一和具体实施方式二中，单体对电感进行储能的示意图；
图3为具体实施方式一中，电感向单个单体进行释放能量的示意图。
图4为具体实施方式二中，电感向多个单体进行释放能量的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：
任意单体之间进行均衡，结合图2和图3，以储能单体B1向储能单体B2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。
储能单体B1、B2，开关管S1a、S1b、S1c、S2a、SD2a、SD2b和耦合电感L1、L2构成反激变换器。当开关管S1a、S1b、S1c导通时，B1对L1储存能量，具体如图2所示，当开关管S1a、S1b、S1c断开，S2a、SD2a、SD2b导通时，L1中存储的能量经反激作用转移到L2中，L2向B2释放能量，具体如图3所示。
具体实施方式二：
一个单体同时对多个单体进行均衡，结合图2和图4，以储能单体B1向储能单体B2、Bn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。
储能单体B1、B2、Bn，开关管S1a、S1b、S1c、S2a、SD2a、SD2b、Sna、SDna、SDnb和耦合电感L1、L2、Ln构成一个多路输出的反激变换电路。当开关管S1a、S1b、S1c导通时，B1对L1储存能量，具体如图2所示；当开关管S1a、S1b、S1c断开，S2a、SD2a、SD2b、Sna、SDna、SDnb导通时，L1中存储的能量经反激作用转移到L2、Ln中，L2向B2释放能量，Ln向Bn释放能量，具体如图4所示。

Claims (6)

1.反激模式串联储能均衡电路，其特征在于，对于n个串联储能单体B1、B2……Bn，其由n个匝数相同的耦合电感，5n个开关管组成；储能单体B1，耦合电感L1，开关管S1a、S1b、S1c、SD1a、SD1b构成一个组，依次类推，储能单体Bn，耦合电感Ln，开关管Sna、Snb、Snc、SDna、SDnb构成一个组，共有n个组串联；组内的具体连接为，Bn的正极与Sna的源极相连，Sna的漏极与Snb的漏极、SDna的漏极相连，Snb的源极与Ln的同名端、SDnb的漏极相连，SDna的源极与Ln的异名端、Snc的漏极相连，SDnb的源极与Snc的源极、Bn的负极相连。
2.根据权利要求1所述的反激模式串联储能均衡电路，其特征在于，串联储能单体为各种类型电池或超级电容器。
3.根据权利要求1所述的反激模式串联储能均衡电路，其特征在于，双向开关由采用相同驱动信号的2个共源极开关管构成，开关管采用MOSFET或IGBT。
4.根据权利要求1所述的反激模式串联储能均衡电路，其特征在于，开关管中的2n个，具体为SD1a、SD1b、SD2a、SD2b……SDna、SDnb，可替换为二极管。
5.基于权利要求1所述的均衡电路实现串联储能能量均衡的方法，其特征在于，通过控制5n个开关管，使两个单体和对应的耦合电感、开关管构成反激器，实现能量在两个单体间传递，通过任意单体间的能量直接传递，达到各单体的能量均衡。
6.根据权利要求5所述的串联储能能量均衡方法，其特征在于，一个储能单体向耦合电感储能后，耦合电感可以同时向多个储能单体释放能量，可实现一个单体对多个单体的直接均衡。
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