CN115589042A - 一种自动实现储能单体均衡的dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种自动实现储能单体均衡的DC‑DC变换器，实现了均衡器与DC‑DC变换器的集成，所述自动实现储能单体均衡的DC‑DC变换器包含前级电路和后级电路两部分,所述后级电路包含n个储能单体Bi，n个开关器件Ki，一个多绕组变压器T，多绕组变压器T含有n个绕组；所述后级电路中储能单体Bi的正极连接多绕组变压器T的第i个绕组wi的一端，绕组wi的另外一端连接开关器件Ki的正极，开关器件Ki的负极与储能单体Bi的负极相连接；所有绕组wi与储能单体Bi的正极相连的端点互为同名端；各个开关器件Ki相互串联，开关器件K1的正极为后级电路的端点3a，开关器件Kn的负极为后级电路的端点3b。自动实现储能单体均衡的DC‑DC变换器在充/或放电的同时自动完成电压均衡。

Description

一种自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及储能领域，尤其涉及一种自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器。
背景技术
串联储能单体如今被广泛应用在便携式电子设备、家用电器以及电动汽车等领域。储能单体之间不可避免的会存在公差，加上温度分布不均匀和老化的差异，串联的储能单体会逐渐变得不平衡。当一个储能单体到达允许的工作范围边界时，会使整体的串联储能单体充电或放电终止，使得串联储能单体的容量不能够充分利用。随着循环使用，单体不一致性将加剧，进一步恶化储能单体的成组特性，极易发生少数单体过充过放情况，从而导致串联储能单体性能大幅衰减，极端情况下甚至可能导致燃烧、爆炸等恶性事故，给串联储能单体的应用推广造成极大的阻碍。
因此在串联储能系统中，通常需要引入均衡系统来降低储能单体间的不一致性，均衡系统的引入可以延长系统运行的时间，提高储能单体的利用率，防止单体在工作过程中过充过放，延长储能单体的循环寿命，保障串联储能单体使用安全。此外，为了实现储能系统中的能量流动，通常采用DC-DC变换器来连接串联储能单体。
基于上述原因，通常储能系统中都要配置储能单体均衡电路和DC-DC变换器。典型的储能系统如图1A所示，其中，串联储能单体B1-Bn通过DC-DC变换器充电或放电。
亚楠，梁志华，罗欣儿等作者在文章《基于双向反激变换器的电池组主动均衡系统》中采用双向反激变换器对串联储能单体进行均衡，每个储能单体都需要一个磁性元件，并且需要电压检测闭环控制才能进行均衡。专利《串联能量存储装置的均压电路及含有该电路的均压系统》(CN107800292B)中提出的均衡电路需要传输大于储能单体之间差值的能量，造成了不必要的损耗。论文"A Low-Cost Multiwinding Transformer BalancingTopology for Retired Series-Connected Battery String,"(IEEE Transactions onPower Electronics,vol.36,no.5,pp.4931-4936)中提出的充电均衡器，通过使用多绕组变压器，降低了系统成本的同时，与使用大量二极管结构的均衡器相比，提高了系统的效率。但当其使用在串联储能单体数目较多的应用时，在同一个磁芯上制作数目众多的高精度绕组是非常困难的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供了一种自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，实现了均衡器与DC-DC变换器的集成，该变换器在完成DC-DC变换功能的前提下能够实现自动均衡。针对现有的基于多绕组变压器的充电均衡器，无法在同一个磁芯上制作数目众多的高精度绕组的问题，提出了模块化的解决方案，每个模块只需要一个磁性元件，降低了系统的体积，具有扩展性强的优点。本发明的控制方法至多只需要两个互补的PWM信号便可以实现恒流恒压控制，控制方式简单。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，其特征在于，实现了均衡器与DC-DC变换器的集成，所述自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器包含前级电路和后级电路两部分,所述后级电路包含n个储能单体Bi，n个开关器件Ki，一个多绕组变压器T，多绕组变压器T含有n个绕组，i＝1,2,…n；所述后级电路中储能单体Bi的正极连接多绕组变压器T的第i个绕组wi的一端，绕组wi的另外一端连接开关器件Ki的正极，开关器件Ki的负极与储能单体Bi的负极相连接；所有绕组wi与储能单体Bi的正极相连的端点互为同名端；各个开关器件Ki相互串联，开关器件Kx的负极与Kx+1的正极相连，x＝1,2,…n-1，开关器件K1的正极为后级电路的端点3a，开关器件Kn的负极为后级电路的端点3b；
所述前级电路至少包含一个开关器件K0，具有四个端点，分别记为端点1a、1b、2a、2b，对应的四个端点的作用分别是：端点1a用于与外部负载或电源的正极相连，端点1b用于与外部负载或电源的负极相连，端点2a用于与后级电路中的开关器件K1的正极引出端点3a相连，端点2b用于与后级电路中的开关器件Kn的负极引出端点3b连接。
第二方面，本发明提供一种自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，其特征在于，实现了均衡器与DC-DC变换器的集成，所述自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器包含前级电路和后级电路两部分,所述后级电路具有m个模块，任意模块j包含n个储能单体Bj,i，n个开关器件Kj,i，一个多绕组变压器Tj，多绕组变压器Tj含有n+1个绕组，j＝1,2,…m，i＝1,2,…n；
所述的模块j中储能单体Bj,i的正极连接多绕组变压器Tj的第i个绕组wj,i的一端，绕组wj,i的另外一端连接开关器件Kj,i的正极，开关器件Kj,i的负极与储能单体Bj,i的负极相连接；多绕组变压器Tj的绕组wj,i与各个储能单体Bj,i的正极相连的端点互为同名端；各个多绕组变压器Tj的绕组wj,n+1相互并联，多绕组变压器Tj的绕组wj,n+1两个端点分别为ej和fj；多绕组变压器Tj的绕组wj,n+1的端点fj同储能单体Bj,i的正极相连的端点互为同名端；
各个开关器件Kj,i相互串联：器件Kj,x的负极与Kj,x+1的正极相连，x＝1,2,…n-1；器件Kj,1的正极为端点bj，器件Kj,n的负极为端点dj；
m个模块之间的连接方式为：模块y的端点by与模块y-1的端点dy-1相连，y＝2,3,…m；端点b1为后级电路的端点3a，端点dm为后级电路的端点3b；
所述前级电路至少包含一个开关器件K0，具有四个端点，分别记为端点1a、1b、2a、2b，对应的四个端点的作用分别是：端点1a用于与外部负载或电源的正极相连，端点1b用于与外部负载或电源的负极相连，端点2a用于与后级电路的端点3a相连，端点2b用于与后级电路的端点3b连接；
后级电路的端点3a与前级电路的端点2a相连、后级电路的端点3b与前级电路的端点2b相连。
所述的前级电路包含一个开关器件K0，开关器件K0的正极与端点1a相连，开关器件K0的负极与端点2a相连，端点1b与端点2b直接通过导线相连。
所述的前级电路包含一个开关器件K0，一个电感L和一个电容C；开关器件K0的负极与前级电路的端点1b相连，前级电路的端点1b与前级电路的端点2a直接通过导线相连，电感L的一端与前级电路的端点1a相连，电感L的另一端与开关器件K0的正极相连，电容C的一端与前级电路的端点2b相连，电容C的另一端与开关器件K0的正极相连；
或者开关器件K0的正极与前级电路的端点1a相连，前级电路的端点1b与前级电路的端点2b相连，电感L的一端与前级电路的端点1b相连，电感L的另一端与开关器件K0的负极和电容C的一端相连，电容C的另一端与前级电路的端点2a相连。
所述储能单体为电池或超级电容，为一个单体或多个单体的串并联的组合；所述前级电路中的开关器件K0为MOSFET、IGBT或二极管中的至少一种，所述后级电路中开关器件Ki/Kj,i为MOSFET、IGBT或二极管中的一种；前级电路中的开关器件K0若选择二极管，则后级电路中的所有开关器件不能选择二极管，若后级电路中的开关器件Ki/Kj,i选择二极管，则前级电路中的所有开关器件不能选择二极管。
当前级电路中的开关器件K0为二极管，后级电路中的开关器件为MOSFET或IGBT时，MOSFET的漏极为后级电路中的开关器件的正极，MOSFET的源极为后级电路中的开关器件的负极；IGBT的集电极为后级电路中的开关器件的正极，IGBT的发射极为后级电路中的开关器件的负极；二极管的负极为前级电路中的开关器件的正极，二极管的正极为前级电路中的开关器件的负极；
当前级电路中的开关器件为MOSFET或IGBT，后级电路中的开关器件为二极管时，MOSFET的漏极为前级电路中开关器件的正极，MOSFET的源极为前级电路中开关器件的负极；IGBT的集电极为前级电路中开关器件的正极，IGBT的发射极为前级电路中开关器件的负极；二极管的负极为后级电路中的开关器件的正极，二极管的正极为后级电路中的开关器件的负极；
当前级电路与后级电路中的开关器件均为MOSFET或IGBT时，MOSFET的漏极为开关器件的正极，MOSFET的源极为开关器件的负极；IGBT的集电极为开关器件的正极，IGBT的发射极为开关器件的负极。
当前级电路中的开关器件为二极管、后级电路中的开关器件为IGBT或MOSFET时，只能给储能单体放电不能对储能单体充电，控制储能单体放电的具体过程是：
(1)后级电路中的开关器件同时导通，通过控制后级电路中开关器件的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流；
(2)后级电路中的开关器件关断，前级电路中的开关器件导通；
当前级电路中的开关器件为IGBT或MOSFET、后级电路中的开关器件为二极管时，只能对储能单体充电不能给储能单体放电，控制储能单体充电的具体过程是：
(1)前级电路中的开关器件导通，通过控制前级电路中开关器件的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流；
(2)前级电路中的开关器件关断，后级电路中的开关器件导通。
当前级电路与后级电路中的开关器件均为IGBT或MOSFET时，既能对储能单体充电，也能对储能单体放电，控制储能单体充电的具体过程是：
(1)后级电路中的开关器件关断，经过死区时间后，前级电路中的开关器件导通，通过控制前级电路中开关器件的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流；
(2)前级电路中的开关器件关断，经过死区时间后，后级电路中的开关器件导通；
控制储能单体放电的具体过程是：
(1)前级电路中的开关器件关断，经过死区时间后，后级电路中的开关器件导通，通过控制后级电路中开关器件的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流；
(2)后级电路中的开关器件关断，经过死区时间后，前级电路中的开关器件导通。
当串联储能串中的各个储能单体电压不同时，充电或放电状态下，流过各个储能单体的电流平均值不同，电压较高的储能单体与电压较低的储能单体相比，在放电时会流过更多的电流，在充电时会流入更少的电流；当串联储能串中的各个储能单体电压相同时，其流过的电流便会相同；所述自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器在充/或放电的同时自动完成电压均衡。
与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：
(1)本发明将均衡器与DC-DC变换器进行了集成，通过复用磁性元件与开关，降低了储能系统的复杂度与成本，减小了系统所需要的体积，提高了系统的效率，集成后的储能系统示意图如图1B所示。
(2)实现了自动均衡，与需要通过电压检测闭环控制才能进行均衡的传统均衡器相比，简化了储能系统，均衡电流取决于储能单体之间的电压差值，没有额外的能量传输，减少了均衡系统的损耗。
(3)针对现有的基于多绕组变压器的充电均衡器，无法在同一个磁芯上制作数目众多的高精度绕组的问题，提出了模块化的解决方案，提高了系统的可扩展性。
(4)本发明的控制方式最多只需要两个互补的PWM信号便可以实现恒流恒压控制，控制方式简单。
附图说明
图1A为典型储能系统的结构示意图。
图1B本发明集成后的储能系统的结构示意图。
图2为本发明自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器一种实施例的电路连接示意图。
图3为本发明自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器一种模块化实施例的电路连接示意图。
图4前级电路的三种类型的电路连接图；(1)类型一；(2)类型二；(3)类型三。
图5A实施例1的电路连接图。
图5B实施例1的充电过程示意图。
图5C实施例1的放电过程示意图。
图6A实施例2的电路连接图。
图6B实施例2的充电过程示意图。
图7A实施例3的电路连接图。
图7B实施例3的放电过程示意图。
图8A实施例4的电路连接图。
图8B实施例4的充电状态示意图。
图8C实施例4的放电状态示意图。
图9A实施例5的电路连接图。
图9B实施例5的充电过程示意图。
图9C实施例5的放电过程示意图。
图10A实施例6的电路连接图。
图10B实施例6的充电过程示意图。
图10C实施例6的放电过程示意图。
图11为本发明自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器实施例中可能的组合形式。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器的电路连接图如图2所示，包括前级电路和后级电路，后级电路的具体电路连接方式：储能单体Bi的正极连接多绕组变压器T的第i个绕组wi(i＝1,2,…n)的一端，绕组wi的另外一端连接开关器件Ki的正极，开关器件Ki的负极与储能单体Bi的负极相连接；所有绕组wi与储能单体Bi的正极相连的端点互为同名端；各个开关器件Ki相互串联，开关器件Kx的负极与Kx+1的正极相连(x＝1,2,…n-1)，开关器件K1的正极为后级电路的端点3a，后级电路的端点3a与前级电路的端点2a相连，开关器件Kn的负极为后级电路的端点3b，后级电路的端点3b与前级电路的端点2b相连。上述的开关器件Ki(i＝1,2,…n)为MOSFET、IGBT或二极管中的一种，当Ki为MOSFET时，MOSFET的漏极为器件Ki的正极，MOSFET的源极为器件Ki的负极；当Ki为IGBT时，IGBT的集电极为器件Ki的正极，IGBT的发射极为器件Ki的负极；当Ki为二极管时，二极管的负极为器件Ki的正极，二极管的正极为器件Ki的负极。
所述前级电路至少包含一个开关器件K0，可以直接或间接的向后级电路传递能量，具有四个端点，分别记为端点1a、1b、2a、2b，对应的四个端点的作用分别是：端点1a用于与外部负载或电源的正极相连，端点1b用于与外部负载或电源的负极相连，端点2a用于与后级电路中的开关器件K1的正极引出端点3a相连，端点2b用于与后级电路中的开关器件Kn的负极引出端点3b连接。
当外部电源对串联储能单体充电时，端点1a、端点1b为前级电路的输入侧，电流由端点1a流入，由端点1b流出。端点2a、端点2b为前级电路的输出侧，电流由端点2a流出，由2b端点流入。端点3a、端点3b为后级电路的输入侧，电流由端点3a流入，由端点3b流出。
当串联储能单体对外部负载放电时，端点2a、端点2b为前级电路的输入侧，电流由端点2a流入，由端点2b流出。端点1a、端点1b为前级电路的输出侧，电流由端点1a流出，由1b端点流入。端点3a、端点3b为后级电路的输出侧，电流由端点3a流出，由端点3b流入。
图2中，Bi(i＝1,2,…n)表示储能单体，其中n表示后级电路中串联储能单体的数目，储能单体可以是电池或超级电容，可以是一个单体，也可以是多个单体的串并联的组合，下文简称储能单体；所述前级电路有三种类型；所述后级电路中的多绕组变压器T有n个绕组，各个绕组之间的变比为1，Ki(i＝1,2,…n)表示具有开关作用的器件，可以是MOSFET、IGBT或二极管中的一种。
进一步的，当串联的储能单体数目较多时，在同一个磁芯上制作数目众多的高精度绕组是十分困难的，后级电路可以扩展为m个模块，提高了系统的可扩展性。此时后级电路采用模块化的组合方式，应用于储能单体充电或放电且具有自动均衡功能的DC-DC变换器，将后级电路扩展为m个模块的连接图如图3所示：任意模块j(j＝1,2,…m)包含n个储能单体Bj,i(i＝1,2,…n)，n个开关器件Kj,i，一个多绕组变压器Tj，多绕组变压器Tj含有n+1个绕组；所述的模块j中储能单体Bj,i的正极连接多绕组变压器Tj的第i个绕组wj,i的一端，绕组wj,i的另外一端连接开关器件Kj,i的正极，开关器件Kj,i的负极与储能单体Bj,i的负极相连接；多绕组变压器Tj的绕组wj,i(i＝1,2,…n)与各个储能单体Bj,i的正极相连的端点互为同名端；各个多绕组变压器Tj的绕组wj,n+1相互并联，多绕组变压器Tj的绕组wj,n+1两个端点分别为ej和fj；多绕组变压器Tj的绕组wj,n+1的端点fj同储能单体Bj,i的正极相连的端点互为同名端，多绕组变压器Tj的绕组wj,n+1的端点ej同储能单体Bj,i的正极相连的端点互为异名端；
模块y的端点ey与模块y-1的端点ey-1相连，模块y的端点fy与模块y-1的端点fy-1相连(其中y＝2,3,…m)；各个开关器件Kj,i相互串联；开关器件Kj,x的负极与Kj,x+1的正极相连(其中x＝1,2,…n-1)；开关器件Kj,1的正极为端点bj，开关器件Kj,n的负极为端点dj。
模块y的端点by与模块y-1的端点dy-1相连，其中y＝2,3,…m，端点b1为后级电路的端点3a，后级电路的端点3a与前级电路的端点2a相连、端点dm为后级电路的端点3b，后级电路的端点3b与前级电路的端点2b相连；前级电路的端点1a与外部负载或电源的正极相连，前级电路的端点1b与外部负载或电源的负极相连。
前级电路具体有三种类型如图4所示。类型一(参见图4中的(1))包括一个开关器件K0，开关器件K0的正极与端点1a相连，开关器件K0的负极与端点2a相连，端点1b与端点2b直接通过导线相连。
类型二(参见图4中的(2))包括开关器件K0、电感L、电容C，所述开关器件K0的负极分别引出端点1b与端点2a相连，端点1b用于与外部负载或电源的负极相连，端点2a用于与变换单元中第一个模块中的开关器件K1,1的正极引出端点b1相连；电感L的一端与端点1a相连，通过端点1a与外部负载或电源的正极相连，电感L的另一端分别与开关器件K0的正极、电容C的一端相连，所述电容C的另一端与端点2b相连，端点2b用于与变换单元2中第m个模块中的开关器件Km,n的负极端点dm连接。
类型三(参见图4中的(3))包括开关器件K0、电感L、电容C，所述开关器件K0的正极与端点1a相连，端点1b与端点2b直接相连，同时电感L的一端与端点1b相连，电感L的另一端与开关器件K0的负极相连，电容C的一端与端点2a相连，电容C的另一端与开关器件K0的负极相连。上述的开关器件K0可以是MOSFET、IGBT或二极管中的一种，当K0为MOSFET时，MOSFET的漏极为开关器件K0的正极，MOSFET的源极为开关器件K0的负极；当K0为IGBT时，IGBT的集电极为器件K0的正极，IGBT的发射极为开关器件K0的负极；当K0为二极管时，二极管的负极为开关器件K0的正极，二极管的正极为开关器件K0的负极。
当前级电路使用类型一的连接方式时，变换器只可以用于降压充电或升压放电，即电源/负载侧电压必须高于各个电池电压之和，电源/负载侧的电流断续、滤波难度较大，电池侧的电流连续、滤波难度较小。当前级电路使用类型二的连接方式时，变换器可以用于升压充电和用于降压充电，同时还可以用于升压放电和用于降压放电；电源/负载侧与电池侧的电流均连续、滤波难度较小。当前级电路使用类型三的连接方式时，变换器可以用于升压充电、用于降压充电、用于升压放电和用于降压放电；电源/负载侧的电流断续、滤波难度较大，电池侧的电流连续、滤波难度较小。
实施例1
本发明实施例1的自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器的电路连接如图5A所示：
实施例1中，前级电路选择类型一，后级电路不使用模块化的组合方式。Bi(i＝1,2,…n)表示储能单体，n为串联储能单体的个数，可以是电池或超级电容，可以是一个单体，也可以是多个单体的串并联的组合，下文简称储能单体；各个Bi串联组成串，下文简称串联储能串；器件K0和器件Ki均为MOSFET；外部电源可通过变换器对储能串进行充电，储能串也可通过变换器对外部负载进行放电；多绕组变压器T的绕组i之间的变比为1。
上述电路的控制方法是，当外加电源对储能单体串充电时，充电过程的电流示意图如图5B中(1)和(2)所示，图5B中(1)的过程是：开关器件Ki(i＝1,2,…n)关断，经过死区时间后，开关器件K0闭合，通过控制开关器件K0的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流，对串联储能单元进行充电。图5B中(2)的过程是：开关器件K0关断，经过死区时间后，开关器件Ki(i＝1,2,…n)闭合，由于变压器作用，使得在此过程中，电压低的储能单体较电压高的储能单体相比，将流入更多的电流。
当储能单体串对外部负载放电时，放电过程的电流示意图如图5C中(1)和(2)所示，图5C中(1)的过程是：开关器件K0关断，经过死区时间后，开关器件Ki闭合，通过控制开关器件Ki的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流，使得储能单体串直接放电。图5C中(2)的过程是：开关器件Ki关断，经过死区时间后，开关器件K0闭合，使得储能单体串经开关器件K0对外部负载放电。
当串联储能串中的各个储能单体电压不同时，充电或放电状态下，流过各个储能单体的电流平均值不同，电压较高的储能单体与电压较低的储能单体相比，在放电时会流过更多的电流，在充电时会流入更少的电流。当串联储能串中的各个储能单体电压相同时，其流过的电流便会相同。本实施例在充放电的同时自动完成电压均衡控制。
实施例2
本发明实施例2的电路连接如图6A所示：
实施例2中，前级电路选择类型一，后级电路不使用模块化的组合方式。Bi(i＝1,2,…n)表示储能单体，n为串联储能单体的个数，可以是电池或超级电容，可以是一个单体，也可以是多个单体的串并联的组合，下文简称储能单体；各个Bi串联组成串，下文简称串联储能串；开关器件K0为MOSFET，开关器件Ki为二极管；外部电源可通过变换器对储能串进行充电；多绕组变压器T的绕组i之间的变比为1。
上述电路的控制方法是，当外加电源对储能单体串充电时，充电过程的电流示意图如图6B中(1)和(2)所示，图6B中(1)的过程是：开关器件K0闭合，器件Ki反向截止，通过控制开关器件K0的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流，为储能单体充电。图6B中(2)的过程是：开关器件K0关断，二极管Ki导通，变压器的电感续流为储能单体充电。
当串联储能串中的各个储能单体电压不同时，充电状态下，流过各个储能单体的电流平均值不同，电压较高的储能单体与电压较低的储能单体相比，在充电时会流入更少的电流。当串联储能串中的各个储能单体电压相同时，其流过的电流便会相同。
实施例3
本发明实施例3的电路连接如图7A所示：
实施例3中，前级电路选择类型一，后级电路不使用模块化的组合方式。Bi(i＝1,2,…n)表示储能单体，n为串联储能单体的个数，可以是电池或超级电容，可以是一个单体，也可以是多个单体的串并联的组合，下文简称储能单体；各个Bi串联组成串，下文简称串联储能串；开关器件K0为二极管，开关器件Ki为MOSFET；外部电源可通过变换器对储能串进行充电，储能串也可通过变换器对外部负载进行放电；多绕组变压器T的绕组i之间的变比为1。
当储能单体串对外部负载放电时，放电过程的电流示意图如图7B中(1)和(2)所示，图5C中(1)的过程是：开关器件Ki闭合，二极管K0反向截止，通过控制开关器件Ki的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流，使得储能单体串直接放电。图7B中(2)的过程是：开关器件Ki关断，二极管K0导通，使得储能单体串经开关器件K0对外部负载放电。
当串联储能串中的各个储能单体电压不同时，放电状态下，流过各个储能单体的电流平均值不同，电压较高的储能单体与电压较低的储能单体相比，在放电时会流过更多的电流。当串联储能串中的各个储能单体电压相同时，其流过的电流便会相同。
实施例4
本发明实施例4的电路连接如图8A所示：
实施例4中，前级电路选择类型一，后级电路使用模块化的组合方式。Bj,i(j＝1,2,…m、i＝1,2,…n)表示储能单体，其中n表示每个模块中串联储能单体的数目，储能单体可以是电池或超级电容，可以是一个单体，也可以是多个单体的串并联的组合，下文简称储能单体，m表示模块数目。各个Bj,i串联组成串，下文简称串联储能串；外部电源可通过变换器对储能串进行充电，储能串也可通过变换器对外部负载进行放电；多绕组变压器Tj有n+1个绕组，各个绕组之间的变比为1，K0、Kj,i(j＝1,2,…m、i＝1,2,…n)均为MOSFET。
上述电路的充电控制方法是，当外加电源对储能单体串充电时，充电过程的电流示意图如图8B中(1)和(2)所示，图8B中(1)的过程是：断开开关器件Kj,i(j＝1,2,…m、i＝1,2,…n)，经过死区时间，闭合开关器件K0，通过控制开关器件K0的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流。图8B中(2)的过程是：断开开关器件K0，经过死区时间，闭合开关器件Kj,i(j＝1,2,…m、i＝1,2,…n)。
本发明通过外加负载对串联储能串放电时，放电过程的电流示意图如图8C所示，图8C中(1)的过程是：断开开关器件K0，经过死区时间，闭合开关器件Kj,i(j＝1,2,…m、i＝1,2,…n)，通过控制开关器件Kj,i的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流，储能单体放电，为负载充电。图8C中(2)的过程是：断开开关器件Kj,i，经过死区时间，闭合开关器件K0，使得储能单体串经开关器件K0对外部负载放电。
当串联储能串中的各个储能单体电压相同时，充电或放电状态下，流过各个储能单体的电流相同。当串联储能串中的各个储能单体电压不同时，充电或放电状态下，流过各个储能单体的电流不同，电压较高的储能单体与电压较低的储能单体相比，在放电时会流过更多的电流，在充电时会流入更少的电流。当串联储能串中的各个储能单体电压相同时，其流过的电流便会相同。
实施例4同实施例1-3一样，可以将器件Kj,i或K0替换为二极管，共有三种组合方式。
实施例5
本发明实施例5的电路连接如图9A所示：
实施例5中，前级电路选择类型二，后级电路不使用模块化的组合方式。Bi(i＝1,2,…n)表示储能单体，n为串联储能单体的个数，可以是电池或超级电容，可以是一个单体，也可以是多个单体的串并联的组合，下文简称储能单体；各个Bi串联组成串，下文简称串联储能串；器件K0和器件Ki均为MOSFET；外部电源可通过变换器对储能串进行充电，储能串也可通过变换器对外部负载进行放电；多绕组变压器T的绕组i之间的变比为1。
上述电路的控制方法是，当外加电源对储能单体串充电时，充电过程的电流示意图如图9B中(1)和(2)所示，图9B中(1)的过程是：开关器件Ki(i＝1,2,…n)关断，经过死区时间后，开关器件K0闭合，通过控制开关器件K0的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流。图9B中(2)的过程是：开关器件K0关断，经过死区时间后，开关器件Ki闭合。
当储能单体串对外部负载放电时，放充电过程的电流示意图如图9C中(1)和(2)所示，图9C中(1)的过程是：开关器件K0关断，经过死区时间后，开关器件Ki闭合，通过控制开关器件Ki的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流。图9C中(2)的过程是：开关器件Ki关断，经过死区时间后，开关器件K0闭合。
当串联储能串中的各个储能单体电压不同时，充电或放电状态下，流过各个储能单体的电流平均值不同，电压较高的储能单体与电压较低的储能单体相比，在放电时会流过更多的电流，在充电时会流入更少的电流。当串联储能串中的各个储能单体电压相同时，其流过的电流便会相同。
同实例1-4一样，实例5可以选择模块化的组合方式或非模块的组合方式，模块化的组合方式中的器件K0和器件Kj,i可以为MOSFET或IGBT，也可以将器件K0或器件Kj,i替换为二极管；非模块化的组合方式中的器件K0和器件Ki可以为MOSFET或IGBT，也可以将器件K0或器件Ki替换为二极管；所以实例5中共有六种组合方式。
实施例6
本发明实施例1的电路连接如图10A所示：
实施例6中，前级电路选择类型三，变换电压2不使用模块化的组合方式。Bi(i＝1,2,…n)表示储能单体，n为串联储能单体的个数，可以是电池或超级电容，可以是一个单体，也可以是多个单体的串并联的组合，下文简称储能单体；各个Bi串联组成串，下文简称串联储能串；器件K0和器件Ki均为MOSFET；外部电源可通过变换器对储能串进行充电，储能串也可通过变换器对外部负载进行放电；多绕组变压器T的绕组i之间的变比为1。
上述电路的控制方法是，当外加电源对储能单体串充电时，充电过程的电流示意图如图10B中(1)和(2)所示，图10B中(1)的过程是：开关器件Ki(i＝1,2,…n)关断，开关器件K0闭合，通过控制开关器件K0的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流。图10B中(2)的过程是：开关器件K0关断，经过死区时间后，开关器件Ki闭合。
当储能单体串对外部负载放电时，放充电过程的电流示意图如图10C中(1)和(2)所示，图10C中(1)的过程是：开关器件K0关断，开关器件Ki闭合，通过控制开关器件Ki的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流。图10C中(2)的过程是：开关器件Ki关断，经过死区时间后，开关器件K0闭合。
当串联储能串中的各个储能单体电压不同时，充电或放电状态下，流过各个储能单体的电流平均值不同，电压较高的储能单体与电压较低的储能单体相比，在放电时会流过更多的电流，在充电时会流入更少的电流。当串联储能串中的各个储能单体电压相同时，其流过的电流便会相同。
同实例1-4一样，实例6可以选择模块化的组合方式或非模块的组合方式，模块化的组合方式中的器件K0和器件Kj,i可以为MOSFET或IGBT，也可以将器件K0或器件Kj,i替换为二极管；非模块化的组合方式中的器件K0和器件Ki可以为MOSFET或IGBT，也可以将器件K0或器件Ki替换为二极管；所以实例5中共有六种组合方式。
前级电路和后级电路的多种组合方式，后级电路可以和三种前级电路随意组合；前级电路可以和后级电路的单个模块进行组合也可以和多个模块进行组合；前级电路和后级电路中开关器件K0与开关器件Ki不能同时为二极管；因为使用IGBT和MOSFET并不会对变换器的特性产生影响，因此在组合方式中不对IGBT和MOSFET做区别；因此本发明共有18种组合方式(参见图11)。
前级电路与后级电路中的开关器件均为IGBT或MOSFET时，变换器可以实现均衡充电和均衡放电；前级电路中的开关器件为二极管，后级电路中的开关器件为IGBT或MOSFET时，变换器只能实现均衡放电；后级电路中的开关器件为二极管，前级电路中的开关器件为IGBT或MOSFET时，变换器只能实现均衡充电；变换器能否对电池充电或放电仅与前级电路与后级电路中的开关器件的类型有关，与前级电路中的三种连接方式的选择和后级电路是否采用模块化的方式没有关系。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，其特征在于，实现了均衡器与DC-DC变换器的集成，所述自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器包含前级电路和后级电路两部分,所述后级电路包含n个储能单体Bi，n个开关器件Ki，一个多绕组变压器T，多绕组变压器T含有n个绕组，i＝1,2,…n；所述后级电路中储能单体Bi的正极连接多绕组变压器T的第i个绕组wi的一端，绕组wi的另外一端连接开关器件Ki的正极，开关器件Ki的负极与储能单体Bi的负极相连接；所有绕组wi与储能单体Bi的正极相连的端点互为同名端；各个开关器件Ki相互串联，开关器件Kx的负极与Kx+1的正极相连，x＝1,2,…n-1，开关器件K1的正极为后级电路的端点3a，开关器件Kn的负极为后级电路的端点3b；
所述前级电路至少包含一个开关器件K0，具有四个端点，分别记为端点1a、1b、2a、2b，对应的四个端点的作用分别是：端点1a用于与外部负载或电源的正极相连，端点1b用于与外部负载或电源的负极相连，端点2a用于与后级电路中的开关器件K1的正极引出端点3a相连，端点2b用于与后级电路中的开关器件Kn的负极引出端点3b连接。
2.一种自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，其特征在于，实现了均衡器与DC-DC变换器的集成，所述自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器包含前级电路和后级电路两部分,所述后级电路具有m个模块，任意模块j包含n个储能单体Bj,i，n个开关器件Kj,i，一个多绕组变压器Tj，多绕组变压器Tj含有n+1个绕组，j＝1,2,…m，i＝1,2,…n；
所述的模块j中储能单体Bj,i的正极连接多绕组变压器Tj的第i个绕组wj,i的一端，绕组wj,i的另外一端连接开关器件Kj,i的正极，开关器件Kj,i的负极与储能单体Bj,i的负极相连接；多绕组变压器Tj的绕组wj,i与各个储能单体Bj,i的正极相连的端点互为同名端；各个多绕组变压器Tj的绕组wj,n+1相互并联，多绕组变压器Tj的绕组wj,n+1两个端点分别为ej和fj；多绕组变压器Tj的绕组wj,n+1的端点fj同储能单体Bj,i的正极相连的端点互为同名端；
各个开关器件Kj,i相互串联：器件Kj,x的负极与Kj,x+1的正极相连，x＝1,2,…n-1；器件Kj,1的正极为端点bj，器件Kj,n的负极为端点dj；
m个模块之间的连接方式为：模块y的端点by与模块y-1的端点dy-1相连，y＝2,3,…m；端点b1为后级电路的端点3a，端点dm为后级电路的端点3b；
所述前级电路至少包含一个开关器件K0，具有四个端点，分别记为端点1a、1b、2a、2b，对应的四个端点的作用分别是：端点1a用于与外部负载或电源的正极相连，端点1b用于与外部负载或电源的负极相连，端点2a用于与后级电路的端点3a相连，端点2b用于与后级电路的端点3b连接；
后级电路的端点3a与前级电路的端点2a相连、后级电路的端点3b与前级电路的端点2b相连。
3.根据权利要求1或2所述的自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，其特征在于，所述的前级电路包含一个开关器件K0，开关器件K0的正极与端点1a相连，开关器件K0的负极与端点2a相连，端点1b与端点2b直接通过导线相连。
4.根据权利要求1或2所述的自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，其特征在于，所述的前级电路包含一个开关器件K0，一个电感L和一个电容C；开关器件K0的负极与前级电路的端点1b相连，前级电路的端点1b与前级电路的端点2a直接通过导线相连，电感L的一端与前级电路的端点1a相连，电感L的另一端与开关器件K0的正极相连，电容C的一端与前级电路的端点2b相连，电容C的另一端与开关器件K0的正极相连；
或者开关器件K0的正极与前级电路的端点1a相连，前级电路的端点1b与前级电路的端点2b相连，电感L的一端与前级电路的端点1b相连，电感L的另一端与开关器件K0的负极和电容C的一端相连，电容C的另一端与前级电路的端点2a相连。
5.根据权利要求1或2所述的自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，其特征在于，所述储能单体为电池或超级电容，为一个单体或多个单体的串并联的组合；所述前级电路中的开关器件K0为MOSFET、IGBT或二极管中的至少一种，所述后级电路中开关器件Ki/Kj,i为MOSFET、IGBT或二极管中的一种；前级电路中的开关器件K0若选择二极管，则后级电路中的所有开关器件不能选择二极管，若后级电路中的开关器件Ki/Kj,i选择二极管，则前级电路中的所有开关器件不能选择二极管。
6.根据权利要求5所述的自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，其特征在于，当前级电路中的开关器件K0为二极管，后级电路中的开关器件为MOSFET或IGBT时，MOSFET的漏极为后级电路中的开关器件的正极，MOSFET的源极为后级电路中的开关器件的负极；IGBT的集电极为后级电路中的开关器件的正极，IGBT的发射极为后级电路中的开关器件的负极；二极管的负极为前级电路中的开关器件的正极，二极管的正极为前级电路中的开关器件的负极；
当前级电路中的开关器件为MOSFET或IGBT，后级电路中的开关器件为二极管时，MOSFET的漏极为前级电路中开关器件的正极，MOSFET的源极为前级电路中开关器件的负极；IGBT的集电极为前级电路中开关器件的正极，IGBT的发射极为前级电路中开关器件的负极；二极管的负极为后级电路中的开关器件的正极，二极管的正极为后级电路中的开关器件的负极；
当前级电路与后级电路中的开关器件均为MOSFET或IGBT时，MOSFET的漏极为开关器件的正极，MOSFET的源极为开关器件的负极；IGBT的集电极为开关器件的正极，IGBT的发射极为开关器件的负极。
7.根据权利要求5所述的自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，其特征在于，当前级电路中的开关器件为二极管、后级电路中的开关器件为IGBT或MOSFET时，只能给储能单体放电不能对储能单体充电，控制储能单体放电的具体过程是：
(1)后级电路中的开关器件同时导通，通过控制后级电路中开关器件的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流；
(2)后级电路中的开关器件关断，前级电路中的开关器件导通；
当前级电路中的开关器件为IGBT或MOSFET、后级电路中的开关器件为二极管时，只能对储能单体充电不能给储能单体放电，控制储能单体充电的具体过程是：
(1)前级电路中的开关器件导通，通过控制前级电路中开关器件的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流；
(2)前级电路中的开关器件关断，后级电路中的开关器件导通。
当前级电路与后级电路中的开关器件均为IGBT或MOSFET时，既能对储能单体充电，也能对储能单体放电，控制储能单体充电的具体过程是：
(1)后级电路中的开关器件关断，经过死区时间后，前级电路中的开关器件导通，通过控制前级电路中开关器件的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流；
(2)前级电路中的开关器件关断，经过死区时间后，后级电路中的开关器件导通；
控制储能单体放电的具体过程是：
(1)前级电路中的开关器件关断，经过死区时间后，后级电路中的开关器件导通，通过控制后级电路中开关器件的导通占空比控制变换器的输出电压/输出电流；
(2)后级电路中的开关器件关断，经过死区时间后，前级电路中的开关器件导通。
8.根据权利要求7所述的自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器，其特征在于，当串联储能串中的各个储能单体电压不同时，充电或放电状态下，流过各个储能单体的电流平均值不同，电压较高的储能单体与电压较低的储能单体相比，在放电时会流过更多的电流，在充电时会流入更少的电流；当串联储能串中的各个储能单体电压相同时，其流过的电流便会相同；所述自动实现储能单体均衡的DC-DC变换器在充/或放电的同时自动完成电压均衡。
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