CN113629994B - 一种控制电池储能系统的双向多电平变换器拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种控制电池储能系统的双向多电平变换器，其基础单元为三个开关管与一个电容组成的开关电容模块，以三电平基础拓扑为例具体分析，还提出了四电平、m电平扩展拓扑。该拓扑结构具有高电压增益且输出电压纹波小，其通过开关电容部分与滤波部分实现电池与直流母线之间的电压转换。电路主要通过开关电容部分实现升压功能，各功率开关工作在不同状态组合得到多电平输出，并通过调控相邻工作状态的占空比实现一定范围内的精确输出。

Description

一种控制电池储能系统的双向多电平变换器拓扑结构
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器领域，特别涉及到一种控制电池储能系统的双向多电平变换器。
背景技术
在电池储能系统中，DC-DC变换器是直流母线从电池接收电能或电池向直流母线输送电能的桥梁，而直流母线与电池之间的电压并不匹配。因此，需要拥有高电压增益的变换器来解决这个问题。在传统的变换器中，只有两个输出电平，并且高电压增益也带来了输出电压纹波的增加，我们则可以通过增加输出电压电平来抑制输出电压纹波。基于此，本专利提出一种控制电池储能系统的双向多电平变换器拓扑结构。
发明内容
为了实现以上要求，本发明提出一种控制电池储能系统的双向多电平变换器。以三电平基础拓扑为例具体分析，还提出了四电平、m电平扩展拓扑。该拓扑结构具有高电压增益且输出电压纹波小，电路工作时开关电容电路中电容两端的电压自动稳定，以实现电路稳定输出，各功率开关工作在不同状态组合得到多电平输出，通过对相邻工作状态调控其占空比来精确调节输出电压。
多电平变换器的基础单元(图2)为三个开关管与一个电容组成的开关电容模块。电池通过与开关电容模块中的电容串联实现升压功能。拓扑结构中每多一个基础单元，变换器的电压增益上限提高Ub。变换器通过开关电容部分滤波部分实现电池与直流母线间的电压转换，各开关管工作在不同的状态组合得到多电平输出。
采用所述基础单元的三电平基础拓扑(图3)由五个开关管，两个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由一个基础单元组成，包括S1、S3、S4和C1。开关电容部分的左边与电池相连，并通过S2形成电池对开关电容模块中电容C1的充电回路，右边经S5、滤波部分与直流母线相连。当S1关断，S2、S3导通时，电池对电容C1充电；当S1导通，S2、S3、S4关断，此时C1两端的电压为Ub，电池与C1串联实现升压功能。S5为高电平通路，S2为低电平通路。滤波部分由L和C2构成，以滤除高频电压。
将“1”定义为开关的高电平驱动信号，“0”表示低电平驱动信号，则可用五位数字来表示电路的工作状态。不同的驱动信号作用于拓扑电路，使开关管S1～S5工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有三种状态。状态1：开关S2、S3、S4导通，S1、S5截止；状态2：开关S2、S3、S5导通，S1、S4截止；状态3：开关S1、S5导通，S2、S3、S4截止。从而得到三个输出电平。
表1驱动信号表(三电平基础拓扑)
Figure BDA0003149764040000021
状态1：
此时电路驱动信号为01110，开关S2、S3、S4导通，S1、S5截止，直流母线输出电压为0V。电池放电时(放电回路如图4实线)，电池经S2、S3对C1充电，此时没有电流流向直流母线。电池充电时(充电回路如图4虚线)，C1经S2、S3对电池充电，，此时没有电流从直流母线流向电池。
状态2：
此时电路驱动信号为01101，开关S2、S3、S5导通，S1、S4截止，直流母线输出电压为Ub。电池放电时(放电回路如图5实线)，电池经S2、S3对C1充电，并发出电流经S3、S5和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图5虚线)，C1经S2、S3对电池充电，直流母线流出电流经S3、S5和滤波电路向电池充电。
状态3：
此时电路驱动信号为10001，开关S1、S5导通，S2、S3、S4截止，直流母线的输出电压为2Ub。电池放电时(放电回路如图6实线)，电池串联C1发出电流经S1、S5和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图6虚线)，直流母线流出电流经S1、S5和滤波电路对C1与电池充电。
在得到的0、Ub、2Ub三个输出电平的基础上，对于其他所需0～2Ub内的输出电压，可以对相邻两个工作状态调节其各自作用时间，即调控占空比来实现各个区间内的精确输出。由0～Ub、Ub～2Ub两个区间，分成两种组合模式：
模式一：所需电压于0～Ub时，电路工作于状态1与2，两种驱动信号各作用一段时间。当状态1的作用时间为T1，开关周期为TS时，则状态1的占空比D1＝T1/TS，此时输出电压U0为：
U0＝(1-D1)Ub (2-1)
若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2-1得到状态1的占空比D1：
D1＝1-U0/Ub (2-2)
由D1可知，状态1作用的时间T1＝D1TS，状态2作用的时间T2＝TS-T1。
模式二：所需电压于Ub～2Ub时，电路工作于状态2与3，两种驱动信号各作用一段时间。当状态2的作用时间为T2，开关周期为TS时，则状态2的占空比D2＝T2/TS，此时输出电压U0为：
U0＝D2Ub+(1-D2)2Ub (2-3)
若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2-3得到状态2的占空比D2：
D2＝2-U0/Ub (2-4)
由D2可知，状态2作用的时间T2＝D2TS，状态3作用的时间T3＝TS-T2。
采用所述基础单元的四电平扩展拓扑(图7)由八个开关管，三个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由两个基础单元组成，包括S1、S3、S4、S5、S6、S8、C1、C2。开关电容部分的左边与电池相连，并通过S2形成电池对开关电容模块中电容C1、C2的充电回路，其右边经S7、滤波部分与直流母线相连。当电池对开关电容模块中的电容C1、C2充电完毕后，各开关管的不同导通关断组合，使电池与C1、C2串联，实现升压功能。S7为高电平通路，S2为低电平通路。滤波部分由L和C3构成，以滤除高频电压。
不同的驱动信号作用于拓扑电路，使开关管S1～S8工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有四种状态。状态1：开关S2、S3、S4、S6、S8导通，S1、S5、S7截止；状态2：开关S2、S3、S4、S6、S7导通，S1、S5、S8截止；状态3：电路有两种驱动信号，前半周期内开关S2、S3、S5、S7导通，S1、S4、S6、S8截止；后半周期内开关S1、S4、S6、S7导通，S2、S3、S5、S8截止。状态4：开关S1、S5、S7导通，S2、S3、S4、S6、S8截止。从而得到四个输出电平。
表2驱动信号表(四电平扩展拓扑)
Figure BDA0003149764040000031
状态1：
此时电路驱动信号为01110101，开关S2、S3、S4、S6、S8导通，S1、S5、S7截止，直流母线输出电压为0V。电池放电时(放电回路如图8实线)，电池经S2、S3对C1充电，经S2、S3、S4、S6对C2充电，此时没有电流流向直流母线。电池充电时(充电回路如图8虚线)，C1经S2、S3对电池充电，C2经S2、S3、S4、S6对电池充电，此时没有电流流向电池。
状态2：
此时电路驱动信号为01110110，开关S2、S3、S4、S6、S7导通，S1、S5、S8截止，直流母线输出电压为Ub。电池放电时(放电回路如图9实线)，电池经S2、S3对C1充电，经S2、S3、S4、S6对C2充电，电池发出电流经S3、S6、S7和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图9虚线)，C1经S2、S3对电池充电，C2经S2、S3、S4、S6对电池充电，直流母线流出电流经S3、S6、S7和滤波电路向电池充电。
状态3：
此时直流母线的输出电压为2Ub，电路工作状态分为前后各半个周期。前半周期电路驱动信号为01101010，开关S2、S3、S5、S7导通，S1、S4、S6、S8截止。电池放电时(放电回路如图10实线)，电池经S2、S3给C1充电，同时串联C2发出电流经S3、S5、S7和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图10虚线)，C1经S2、S3对电池充电，直流母线流出电流经S3、S5、S7和滤波电路向C2与电池充电。后半周期电路驱动信号为10010110，开关S1、S4、S6、S7导通，S2、S3、S5、S8截止。电池放电时(放电回路如图11实线)，电池串联C1发出电流经S1、S6、S7和滤波电路流向直流母线，C1经S4、S6对C2充电。电池充电时(充电回路如图11虚线)，C2经S4、S6对C1充电，直流母线流出电流经S1、S6、S7和滤波电路向C1与电池充电。
状态4：
此时电路驱动信号为10001010，开关S1、S5、S7导通，S2、S3、S4、S6、S8截止，直流母线的输出电压为3Ub。电池放电时(放电回路如图12实线)，电池串联C1与C2发出电流经S1、S5、S7和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图12虚线)，直流母线流出电流经S1、S5、S7和滤波电路对C1、C2与电池充电。
在得到的0、Ub、2Ub、3Ub四个输出电平的基础上，对于其他所需0～3Ub内的输出电压，可以对相邻两个工作状态调节其各自作用时间，即调控占空比来实现各个区间内的精确输出。由0～Ub、Ub～2Ub、2Ub～3Ub三个区间，分成三种组合模式：
模式一：所需电压于0～Ub时，电路工作于状态1与2，两种驱动信号各作用一段时间。当状态1的作用时间为T1，开关周期为TS时，则状态1的占空比D1＝T1/TS，此时输出电压U0为：
U0＝(1-D1)Ub (2-5)
若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2-1得到状态1的占空比D1：
D1＝1-U0/Ub (2-6)
由D1可知，状态1作用的时间T1＝D1TS，状态2作用的时间T2＝TS-T1。
模式二：所需电压于Ub～2Ub时，电路工作于状态2与3，两种驱动信号各作用一段时间。当状态2的作用时间为T2，开关周期为TS时，则状态2的占空比D2＝T2/TS，此时输出电压U0为：
U0＝D2Ub+(1-D2)2Ub (2-7)
若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2-3得到状态2的占空比D2：
D2＝2-U0/Ub (2-8)
由D2可知，状态2作用的时间T2＝D2TS，状态3作用的时间T3＝TS-T2。
模式三：所需电压于2Ub～3Ub时，电路工作于状态3与4，两种驱动信号各作用一段时间。当状态3的作用时间为T3，开关周期为TS时，则状态3的占空比D3＝T3/TS，此时输出电压U0为：
U0＝2D3Ub+(1-D3)3Ub (2-9)
若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2-5得到状态3的占空比D3：
D3＝3-U0/Ub (2-10)
由D3可知，状态3作用的时间T3＝D3TS，状态4作用的时间T4＝TS-T3。
采用所述基础单元的m电平扩展拓扑(图13)由3m-4个开关管，m-1个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由m-2个基础单元组成，其左边与电池相连，通过S2形成电池对开关电容模块中各个电容的充电回路，右边经S3m-4、滤波部分与直流母线相连。当电池对开关电容模块中的各个电容充电完毕后，各开关管经过不同的状态组合，使电池与各开关电容串联实现升压功能。S3m-4为高电平通路，S2为低电平通路。滤波部分由L和Cm-1构成，以滤除高频电压。
对于m电平扩展拓扑，每多一个基础单元使变换器的电压增益上限提高Ub，m电平扩展拓扑中有m-2个基础单元，则可以得到0、Ub、2Ub、……、(m-1)Ub共m个输出电平，通过调制相邻工作状态的占空比可以精确调节0～(m-1)Ub内的输出电压。该拓扑结构具有高电压增益且输出电压纹波小。
本申请与现有技术相比，具有以下优势：
1.本申请为非隔离型DC-DC变换器，功耗低，结构比较简单，易于集成。
2.本申请提出的变换器拓扑模块化程度高，扩展性能好，可以降低维护和安装的成本。
3.本申请中输出电压调节范围从0～Ub增加到0～2Ub、0～3Ub和0～(m-1)Ub，具有高电压增益。
4.本申请中通过增加输出电压电平抑制了输出电压纹波。
5.本申请中电路工作时开关电容电路中电容两端的电压自动稳定，以实现电路稳定输出。
附图说明
图1一种控制电池储能系统的双向多电平变换器拓扑；
图2基础单元；
图3三电平基础拓扑；
图4输出为0时充放电回路(三电平基础拓扑)；
图5输出为Ub时充放电回路(三电平基础拓扑)；
图6输出为2Ub时充放电回路(三电平基础拓扑)；
图7四电平扩展拓扑；
图8输出为0时充放电回路(四电平扩展拓扑)；
图9输出为Ub时充放电回路(四电平扩展拓扑)；
图10输出为2Ub时前半周期充放电回路(四电平扩展拓扑)；
图11输出为2Ub时后半周期充放电回路(四电平扩展拓扑)；
图12输出为3Ub时充放电回路(四电平扩展拓扑)；
图13 m电平扩展拓扑；
具体实施方式
本申请提出一种控制电池储能系统的双向多电平变换器拓扑，该拓扑结构的特点是具有高电压增益且输出电压纹波小。
其基础单元(图2)为三个开关管与一个电容组成的开关电容模块。S1的集电极与S2的发射极相连，S2的集电极与开关电容C1的阳极相连，C1的阴极与S1的发射极和S3的发射极相连。基础单元的左边与电池相连，右边继续与基础单元相连或者通过高电平通路、滤波部分与直流母线相连。当S2导通，S1关断时，电池对电容C1充电；当S1导通，S2、S3关断时，此时开关电容C1两端的电压为Ub，电池与开关电容C1串联以实现升压功能。电池先对开关电容模块中的电容充电，然后与其串联实现升压功能。拓扑结构中每多一个基础单元，变换器的电压增益上限提高Ub。
采用所述基础单元的三电平基础拓扑(图3)由五个开关管，两个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由一个基础单元组成，包括S1、S3、S4和C1。开关电容部分的左边与电池相连，并通过S2形成电池对开关电容模块中电容C1的充电回路，右边经S5、滤波部分与直流母线相连。当S1关断，S2、S3导通时，电池对电容C1充电；当S1导通，S2、S3、S4关断，此时C1两端的电压为Ub，电池与C1串联实现升压功能。S5为高电平通路，S2为低电平通路。滤波部分由L和C2构成，以滤除高频电压。
三电平基础拓扑中，电池的正极与S1的集电极和S3的发射极相连，S3的集电极与C1的阳极和S5的集电极与相连，S5的发射极与S4的集电极和L的前端相连，L的后端与C2的阳极和直流母线的正极相连，电池的负极与S2的发射极、C2的阴极和直流母线的负极相连，S1的发射极与S2的集电极、C1的阴极和S4的发射极与相连。
不同的驱动信号作用于拓扑电路，使开关管S1～S5工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有三种状态。状态1：开关S2、S3、S4导通，S1、S5截止，此时输出电压为0；状态2：开关S2、S3、S5导通，S1、S4截止，此时输出电压为Ub；状态3：开关S1、S5导通，S2、S3、S4截止，此时输出电压为2Ub。对于其他所需0～2Ub内的输出电压，可以对相邻两个工作状态调控占空比来实现各个区间内的精确输出。由0～Ub、Ub～2Ub两个区间，分成两种组合模式。
当所需输出电压U0于0～Ub时，电路工作于状态1与2，两个状态各作用一段时间，即模式1，对状态1与2的占空比进行调制。由公式1-3可得到状态1的占空比D1，若开关周期为TS，则状态1作用的时间T1＝D1TS，状态2作用的时间T2＝TS-T1。
当所需输出电压U0于Ub～2Ub时，电路工作于状态2与3，两个状态各作用一段时间，即模式2，对状态2与3的占空比进行调制.由公式1-4得到状态2的占空比D2，若开关周期为TS，则状态2作用的时间T2＝D2TS，状态3作用的时间T3＝TS-T2。
采用所述基础单元的四电平扩展拓扑(图7)，由八个开关管，三个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由两个基础单元组成，包括S1、S3、S4、S5、S6、S8、C1、C2。开关电容部分的左边与电池相连，并通过S2形成电池对开关电容模块中电容C1、C2的充电回路，右边经S7、滤波部分与直流母线相连。当电池对开关电容模块中的电容C1、C2充电完毕后，各开关管经过不同的状态组合，使电池与C1、C2串联实现升压功能。S7为高电平通路，S2为低电平通路。滤波部分由L和C3构成，以滤除高频电压。
四电平扩展拓扑中，电池的正极与S1的集电极和S3的发射极相连，S3的集电极与开关电容C1的阳极、S5的集电极和S6的发射极相连，S6的集电极与开关电容C2的阳极和S7的集电极相连；S1的发射极与S2的集电极、C1的阴极和S4的发射极相连，S4的集电极与S5的发射极、C2的阴极和S8的发射极相连；L的前端与S7的发射极和S8的集电极相连，后端与C3的阳极和直流母线的正极相连；电池的负极与S2的发射极、C3的阴极和直流母线的负极相连。
不同的驱动信号作用于拓扑电路，使开关管S1～S8工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有四种状态。状态1：开关S2、S3、S4、S6、S8导通，S1、S5、S7截止，此时输出电压为0；状态2：开关S2、S3、S4、S6、S7导通，S1、S5、S8截止，此时输出电压为Ub；状态3：电路有两种驱动信号，前半周期内开关S2、S3、S5、S7导通，S1、S4、S6、S8截止；后半周期内开关S1、S4、S6、S7导通，S2、S3、S5、S8截止，输出电压均为2Ub。状态4：开关S1、S5、S7导通，S2、S3、S4、S6、S8截止，此时输出电压为3Ub。对于其他所需0～3Ub内的输出电压，对相邻工作状态调控占空比来实现各个区间内的精确输出。由0～Ub、Ub～2Ub、2Ub～3Ub三个区间，分成三种组合模式。
当所需输出电压U0于0～Ub时，电路工作于状态1与2，两个状态各作用一段时间，即模式1，对状态1与2的占空比进行调制。由公式1-5可得到状态1的占空比D1，若开关周期为TS，则状态1作用的时间T1＝D1TS，状态2作用的时间T2＝TS-T1。
当所需输出电压U0于Ub～2Ub时，电路工作于状态2与3，两个状态各作用一段时间，即模式2，对状态2与3的占空比进行调制。由公式1-6可得到状态2的占空比D2，若开关周期为TS，则状态2作用的时间T2＝D2TS，状态3作用的时间T3＝TS-T2。
当所需输出电压U0于2Ub～3Ub时，电路工作于状态3与4，两个状态各作用一段时间，即模式3，对状态3与4的占空比进行调制。由公式1-7可得到状态3的占空比D3，若开关周期为TS，则状态3作用的时间T3＝D3TS，状态4作用的时间T4＝TS-T3。
采用所述基础单元的m电平扩展拓扑(图13)，由3m-4个开关管，m-1个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由m-2个基础单元组成，其左边与电池相连，并通过S2形成电池对开关电容模块中各个电容的充电回路，右边经S3m-4、滤波部分与直流母线相连。当电池对开关电容模块中的各个电容充电完毕后，各开关管经过不同的状态组合，使电池与各个开关电容串联实现升压功能。S3m-4为高电平通路，S2为低电平通路。滤波部分由L和Cm-1构成，以滤除高频电压。
m电平扩展拓扑中，每多一个基础单元使变换器的电压增益上限提高Ub，m电平扩展拓扑中有m-2个基础单元，则可以得到0、Ub、2Ub、……、(m-1)Ub共m个输出电平，通过调制相邻工作状态的占空比可以精确调节0～(m-1)Ub内的输出电压。m电平扩展拓扑的调制策略与上述分析的三电平基础拓扑、四电平扩展拓扑的调制策略类似。
上述方法为本发明较佳的实施方式，但其实施方式并不唯一，不以任何方式限制本发明，在未背离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种控制电池储能系统的双向三电平变换器，由五个开关管S1～S5，两个电容C1、C2和一个电感L构成，包括开关电容部分与滤波部分；其中，S1的集电极与S3的发射极、电池的正极相连，S1的发射极与C1的阴极、S4的发射极、S2的集电极相连，S3的集电极与C1的阳极、S5的集电极相连，S5的发射极与S4的集电极、L的前端相连，L的后端与C2的阳极、直流母线的正极相连，直流母线的负极与C2的阴极、S2的发射极、电池的负极相连；S1、S3、S4和C1构成基础单元，开关电容部分由该基础单元组成；当S1关断，S2、S3导通时，电池对电容C1充电；当S1导通，S2、S3、S4关断，此时C1两端的电压为电池电压Ub，电池与C1串联实现升压功能；S5为高电平通路，S2为低电平通路；滤波部分由L和C2构成，以滤除高频电压。
2.根据权利要求1所述的控制电池储能系统的双向三电平变换器，其特征在于，不同的驱动信号作用于双向三电平变换器，使开关管S1～S5工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有三种状态；状态1：开关S2、S3、S4导通，S1、S5截止；电池经S2和S3给C1充电，直流母线输出为0V；状态2：开关S2、S3、S5导通，S1、S4截止；电池经S2和S3给C1充电，同时经S3、S5、滤波电路与直流母线相连，直流母线输出为电池电压Ub；状态3：开关S1、S5导通，S2、S3、S4截止；电池经S1、C1、S5、滤波电路与直流母线相连，直流母线输出为2Ub；共得到三个输出电平；
在得到的0、Ub、2Ub三个输出电平的基础上，对于其它所需0～2Ub内的输出电压，可以对相邻两个工作状态调节其各自作用时间，即调控占空比来实现各个区间内的精确输出；由0～Ub、Ub～2Ub两个区间，分成两种组合模式：
所需电压于0～Ub时，电路工作于状态1与2，两个状态各作用一段时间，即模式1；状态1的作用时间为T1，开关周期为TS，则状态1的占空比D1＝T1/TS，输出电压U0为：
U0＝(1-D1)Ub (1-1)
所需电压于Ub～2Ub时，电路工作于状态2与3，两个工作状态各作用一段时间，即模式2；状态2的作用时间为T2，开关周期为TS，则状态2的占空比D2＝T2/TS，U0为：
U0＝D2Ub+(1-D2)2Ub (1-2)。
3.一种控制电池储能系统的双向四电平变换器，由八个开关管S1～S8，三个电容C1～C3和一个电感L构成，包括开关电容部分与滤波部分；其中，S1的集电极与S3的发射极、电池的正极相连，S1的发射极与C1的阴极、S4的发射极、S2的集电极相连，S3的集电极与C1的阳极、S5的集电极、S6的发射极相连，S5的发射极与S4的集电极、C2的阴极、S8的发射极相连，S6的集电极与C2的阳极、S7的集电极相连，S7的发射极与S8的集电极、L的前端相连，L的后端与C3的阳极、直流母线的正极相连，直流母线的负极与C3的阴极、S2的发射极、电池的负极相连；S1、S3、S4和C1构成第一基础单元，S5、S6、S8和C2构成第二基础单元，开关电容部分由第一基础单元和第二基础单元组成；当电池对开关电容部分中的电容C1、C2充电完毕后，各开关管经过不同的状态组合，使电池与C1、C2串联实现升压功能；S7为高电平通路，S2为低电平通路；滤波部分由L和C3构成，以滤除高频电压。
4.根据权利要求3所述的控制电池储能系统的双向四电平变换器，其特征在于，不同的驱动信号作用于双向四电平变换器，使开关管S1～S8工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有四种状态；状态1：开关S2、S3、S4、S6、S8导通，S1、S5、S7截止；电池经S2和S3给C1充电，同时经S2、S3、S4、S6给C2充电，直流母线输出为0V；状态2：开关S2、S3、S4、S6、S7导通，S1、S5、S8截止；电池经S2和S3给C1充电，同时经S2、S3、S4、S6给C2充电，并经S3、S6、S7、滤波电路与直流母线相连，直流母线输出为电池电压Ub；状态3：电路有两种驱动信号，前半周期内开关S2、S3、S5、S7导通，S1、S4、S6、S8截止；电池经S2和S3对C1充电，并与C2串联经S3、S5、S7、滤波电路与直流母线相连，直流母线输出为2Ub；后半周期内开关S1、S4、S6、S7导通，S2、S3、S5、S8截止；电池与C1串联经S1、S6、S7、滤波电路与直流母线相连，同时C1与C2并联并向C2充电，直流母线输出为2Ub；状态4：开关S1、S5、S7导通，S2、S3、S4、S6、S8截止；电池与C1、C2串联经S1、S5、S7、滤波电路与直流母线相连，直流母线输出为3Ub；共得到四个输出电平；
在得到的0、Ub、2Ub、3Ub四个输出电平的基础上，对于其它所需0～3Ub内的输出电压，可以对相邻两个工作状态调节其各自作用时间，即调控占空比来实现各个区间内的精确输出；由0～Ub、Ub～2Ub、2Ub～3Ub三个区间，分成三种组合模式：
所需电压于0～Ub时，电路工作于状态1与2，两个状态各作用一段时间，即模式1；状态1的作用时间为T1，开关周期为TS，则状态1的占空比D1＝T1/TS，输出电压U0为：
U0＝(1-D1)Ub (1-3)
所需电压于Ub～2Ub时，电路工作于状态2与3，两个工作状态各作用一段时间，即模式2；状态2的作用时间为T2，开关周期为TS，则状态2的占空比D2＝T2/TS，U0为：
U0＝D2Ub+(1-D2)2Ub (1-4)
所需电压于2Ub～3Ub时，电路工作于状态3与4，两个工作状态各作用一段时间，即模式3；状态3的作用时间为T3，开关周期为TS，则状态3的占空比D3＝T3/TS，U0为：
U0＝2D3Ub+(1-D3)3Ub (1-5)。
5.一种控制电池储能系统的双向多电平变换器，由3m-4个开关管，m-1个电容和一个电感L构成，其中m为变换器的输出电平数，包括开关电容部分与滤波部分；三个开关管和一个开关电容构成基础单元，该基础单元中，第一开关管的集电极与第二开关管的发射极相连，第二开关管的集电极与开关电容的阳极相连，开关电容的阴极与第一开关管的发射极、第三开关管的发射极相连；开关电容部分由m-2个基础单元组成，第一个基础单元中的第一开关管的集电极与电池的正极相连，第一开关管的发射极与第3m-5个开关管的集电极相连，后一个基础单元中的第一开关管的集电极与前一个基础单元中的第二开关管的集电极相连，后一个基础单元中的第一开关管的发射极与前一个基础单元中的第三开关管的集电极相连，第3m-4个开关管的集电极与最后一个基础单元中的第二开关管的集电极相连，第3m-4个开关管的发射极与最后一个基础单元中的第三开关管的集电极、电感L的前端相连，电感L的后端与第m-1个电容的阳极、直流母线的正极相连，直流母线的负极与第m-1个电容的阴极、第3m-5个开关管的发射极、电池的负极相连；当电池对开关电容部分中的各个开关电容充电完毕后，各开关管经过不同的状态组合，使电池与各个开关电容串联实现升压功能；第3m-4个开关管为高电平通路，第3m-5个开关管为低电平通路；滤波部分由电感L和第m-1个电容构成，以滤除高频电压。
6.根据权利要求5所述的控制电池储能系统的双向多电平变换器，其特征在于，每多一个基础单元使变换器的电压增益上限提高电池电压Ub，双向多电平变换器中有m-2个基础单元，则可以得到0、Ub、2Ub、……、(m-1)Ub共m个输出电平，通过调制相邻工作状态的占空比可以精确调节0～(m-1)Ub内的输出电压；该双向多电平变换器具有高电压增益且输出电压纹波小。
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