CN116247925B - 一种电池均衡双向dc-dc变换器 - Google Patents

一种电池均衡双向dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池均衡双向DC‑DC变换器，所述电池均衡双向DC‑DC变换器的电路拓扑结构能够重新构造，实现多种不同的工作模式。在不同模式下储能电感和部分功率开关管是共享的，主要包括两个电压源，十四个功率开关管，一个输出电容，一个储能电感，三个电池组。相比于传统的电池均衡变换器，本发明的电池均衡双向DC‑DC变换器能够实现多种不同的工作模式，既能够实现能量的双向流动，也能够实现升压和降压功能，且供能方式有多种不同的组合方式，提升容错能力；电池组通过双向DC‑DC变换器的储能电感和功率开关管实现电压均衡，提升器件的利用率。在此电路拓扑结构的基础上，可叠加多层电池组支路实现更多电池组的组合。

Description

一种电池均衡双向DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及电池均衡技术以及电压变换技术领域，具体涉及一种电池均衡双向DC-DC变换器。
背景技术
锂电池由于其能量密度高、循环寿命长、自放电低以及对环境友好等特点被广泛运用于储能领域中。
在充放电的过程中，电池系统的容量取决于容量最小的单体电池，由于电池容量不一致问题的存在，制约着电池系统内其他单体电池的充放电能力，导致电池系统的可用容量和使用效率下降。如果不采用有效的电池均衡手段会加剧单体电池容量下降，导致电池系统的可用容量进一步下降。
同时，在新能源车辆领域中，由于锂电池出众的性能受到厂商的青睐，受制于新能源车辆中装载的空间有限，实现电池均衡的电力电子变换器的集成度成为关键。传统电力电子变换器的拓扑结构和能量传输路径相对固定，往往只能实现一种工作模式。
因此，如何实现电池的电压均衡的同时能够提升电力电子变换器的集成度，能够实现电池的电压均衡，且集成多种工作模式，是本领域技术人员亟需解决的关键问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种电池均衡双向DC-DC变换器，所述电池均衡的双向DC-DC变换器能够重新构造电路拓扑结构从而改变工作模式，集成了5种不同的工作模式，其中包括：充电模式，外部电源供能模式，电池组供能模式，电池组电压均衡模式，能量回收模式。既能够实现能量的双向流动，也能够实现升压和降压功能，解决传统变换器因拓扑结构和能量传输路径固定导致工作模式单一的问题，包括：第一直流电源V1、第二直流电源V2、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第七功率开关管S7、第八功率开关管S8、第九功率开关管S9、第十功率开关管S10、第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12、第十三功率开关管S13、第十四功率开关管S14、第一电池组BAT1、第二电池组BAT2、第三电池组BAT3、中间储能电感L及输出电容C；
所述第一直流电源V1的正极与第一功率开关管S1的第二端连接；
所述第一直流电源V1的负极与第三功率开关管S3的第二端、第六功率开关管S6的第二端、第九功率开关管S9的第二端、第十二功率开关管S12的第二端、第十三功率开关管S13的第二端、输出电容C的第二端、第二直流电源V2的负极连接；
所述第一功率开关管S1的第一端与第二功率开关管S2的第一端、第五功率开关管S5的第一端、第八功率开关管S8的第一端、第十功率开关管S10的第一端、第十一功率开关管S11的第一端连接；
所述第一电池组BAT1的第一端与第二功率开关管S2的第二端连接；
所述第一电池组BAT1的第二端与第三功率开关管S3的第一端及第四功率开关管S4的第一端连接；
所述第二电池组BAT2的第一端与第四功率开关管S4的第二端及第五功率开关管S5的第二端连接；
所述第二电池组BAT2的第二端与第六功率开关管S6的第一端及第七功率开关管S7的第一端连接；
所述第三电池组BAT3的第一端与第七功率开关管S7的第二端及第八功率开关管S8的第二端连接；
所述第三电池组BAT3的第二端与第九功率开关管S9的第一端连接；
所述第十一功率开关管S11的第二端连接与第十二功率开关管S12的第一端及中间储能电感L的第一端连接；
所述第十功率开关管S10的第二端与第十三功率开关管S13的第一端、第十四功率开关管S14的第一端及中间储能电感L的第二端连接；
所述第十四功率开关管S14的第二端与输出电容C的第一端及第二直流电源V2的正极连接；
从上述技术方案可以看出，本发明实施例具有以下效益：
与传统的工作模式单一的电力电子变换器相比，本发明变换器通过重新构造电路拓扑结构从而改变能量传输路径，集成了5种不同的工作模式，既能够实现能量的双向流动，也能够实现升压和降压功能，且供能方式有多种不同的组合方式增加备份，提升容错能力；电池组的通过双向DC-DC变换器的储能电感和功率开关管实现电压均衡，从而提升器件的利用率。在此电路拓扑结构的基础上，可叠加多层电池组支路实现更多电池组的组合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例中提供的一种电池均衡双向DC-DC变换器的电路结构及拓扑示意图；
图2～图8为本发明一个实施例中提供的一种电池均衡双向DC-DC变换器的主要工作模式，其中：
图2为本发明一个实施例中提供的一种电池均衡双向DC-DC变换器在工作模式1情况下的拓扑结构示意图；
图3、图4为本发明一个实施例中提供的一种电池均衡双向DC-DC变换器在工作模式2情况下的拓扑结构示意图；
图5为本发明一个实施例中提供的一种电池均衡双向DC-DC变换器在工作模式3情况下的拓扑结构示意图；
图6、图7为本发明一个实施例中提供的一种电池均衡双向DC-DC变换器在工作模式4情况下的拓扑结构示意图；
图8为本发明一个实施例中提供的一种电池均衡双向DC-DC变换器在工作模式5情况下的拓扑结构示意图。
图9为本发明一个实施例中提供的一种电池均衡双向DC-DC变换器在工作模式4情况下的电池组电压及电感电流的波形图；
其中：UB2为第二电池组BAT2两端的电压、UB3为第三电池组BAT3两端的电压、IL为中间储能电感L上流过的电流、t1为第二电池组BAT2向中间储能电感L传输能量的时间段、t2为中间储能电感L向第三电池组BAT3传输能量的时间段。
由于变换器的工作模式1、工作模式2、工作模式4及工作模式5中电池组有多种选择方式，工作原理与上述的相同，故在说明书附图部分不重复出现。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递。则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
在本发明提供的一个实施例中，如图1所示，提供了一种电池均衡双向DC-DC变换器，包括：第一直流电源V1、第二直流电源V2、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第七功率开关管S7、第八功率开关管S8、第九功率开关管S9、第十功率开关管S10、第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12、第十三功率开关管S13、第十四功率开关管S14、第一电池组BAT1、第二电池组BAT2、第三电池组BAT3、中间储能电感L及输出电容C；
所述第一直流电源V1的正极与第一功率开关管S1的第二端连接；
所述第一直流电源V1的负极与第三功率开关管S3的第二端、第六功率开关管S6的第二端、第九功率开关管S9的第二端、第十二功率开关管S12的第二端、第十三功率开关管S13的第二端、输出电容C的第二端、第二直流电源V2的负极连接；
所述第一功率开关管S1的第一端与第二功率开关管S2的第一端、第五功率开关管S5的第一端、第八功率开关管S8的第一端、第十功率开关管S10的第一端、第十一功率开关管S11的第一端连接；
所述第一电池组BAT1的第一端与第二功率开关管S2的第二端连接；
所述第一电池组BAT1的第二端与第三功率开关管S3的第一端及第四功率开关管S4的第一端连接；
所述第二电池组BAT2的第一端与第四功率开关管S4的第二端及第五功率开关管S5的第二端连接；
所述第二电池组BAT2的第二端与第六功率开关管S6的第一端及第七功率开关管S7的第一端连接；
所述第三电池组BAT3的第一端与第七功率开关管S7的第二端及第八功率开关管S8的第二端连接；
所述第三电池组BAT3的第二端与第九功率开关管S9的第一端连接；
所述第十一功率开关管S11的第二端连接与第十二功率开关管S12的第一端及中间储能电感L的第一端连接；
所述第十功率开关管S10的第二端与第十三功率开关管S13的第一端、第十四功率开关管S14的第一端及中间储能电感L的第二端连接；
所述第十四功率开关管S14的第二端与输出电容C的第一端及第二直流电源V2的正极连接。
需要说明的是，本发明实施例中的一种电池均衡双向DC-DC变换器根据电路的工作模式分为5种工作模式，具体请参照图2～图8。本发明实施例中的一种电池均衡双向DC-DC变换器的工作原理可以描述为：
工作模式1的示意图如图2所示：
第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第四功率开关管S4、第七功率开关管S7及第九功率开关管S9导通，第一电池组BAT1、第二电池组BAT2及第三电池组BAT3串联，第一直流电源V1向第一电池组BAT1、二电池组BAT2及第三电池组BAT3提供能量，即充电模式。同时，可控制功率开关管的导通或关断，选择性的对电池组进行充电，工作原理与上述的相同，故在此不重复叙述。
工作模式2的示意图分别如图3、图4所示：
其中图3中，第二功率开关管S2、第四功率开关管S4、第七功率开关管S7、第九功率开关管S9、第十一功率开关管S11、第十三功率开关管S13及第十四功率开关管S14导通，第一电池组BAT1、第二电池组BAT2及第三电池组BAT3串联，此时变换器能够实现升压功能，第二直流电源V2可被看作负载侧，第一电池组BAT1、第二电池组BAT2及第三电池组BAT3通过变换器升压向负载侧提供能量，即电池组供能模式。同时，可控制功率开关管的导通或关断，选择性的对电池组进行串联以及单独供能，工作原理与上述的相同，故在此不重复叙述。
工作模式3的示意图如图5所示：
第一功率开关管S1、第十一功率开关管S11、第十三功率开关管S13及第十四功率开关管S14导通，此时变换器能够实现升压功能，第二直流电源V2可被看作负载侧，第一直流电源V1通过变换器向负载侧提供能量，即外部电源供能模式。
工作模式4的示意图分别如图6、图7所示：
其中图6中，第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第十一功率开关管S11及第十三功率开关管S13导通，此时第二电池组BAT2向中间储能电感L传输能量，中间储能电感L储存能量；其中图7中，第八功率开关管S8、第九功率开关管S9、第十功率开关管S10及第十二功率开关管S12导通，此时中间储能电感L将储存的能量传输给第三电池组BAT3。上述两个阶段，即电池组电压均衡模式。同时，可控制功率开关管的导通或关断，选择性的对电池组进行电压均衡，工作原理与上述的相同，故在此不重复叙述。
工作模式5的示意图如图8所示：
第八功率开关管S8、第九功率开关管S9、第十一功率开关管S11、第十三功率开关管S13及第十四功率开关管S14导通，此时变换器能够实现降压功能，第二直流电源V2通过变换器向第三电池组BAT3传输能量，即能量回收模式。同时，可控制功率开关管的导通或关断，选择性的对电池组回收能量，工作原理与上述的相同，故在此不重复叙述。
由图9所示，所述的电池组电压均衡模式通过中间储能电感L储存能量在第二电池组BAT2和第三电池组BAT3电池组之间的传输能量的电池组电压及电感电流的波形图。

Claims (2)

1.一种电池均衡双向DC-DC变换器，其特征在于，包括：第一直流电源V1、第二直流电源V2、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第七功率开关管S7、第八功率开关管S8、第九功率开关管S9、第十功率开关管S10、第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12、第十三功率开关管S13、第十四功率开关管S14、第一电池组BAT1、第二电池组BAT2、第三电池组BAT3、中间储能电感L及输出电容C；
所述的一种电池均衡双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第一直流电源V1的正极与第一功率开关管S1的第二端连接；
所述第一直流电源V1的负极与第三功率开关管S3的第二端、第六功率开关管S6的第二端、第九功率开关管S9的第二端、第十二功率开关管S12的第二端、第十三功率开关管S13的第二端、输出电容C的第二端、第二直流电源V2的负极连接；
所述第一功率开关管S1的第一端与第二功率开关管S2的第一端、第五功率开关管S5的第一端、第八功率开关管S8的第一端、第十功率开关管S10的第一端、第十一功率开关管S11的第一端连接；
所述第一电池组BAT1的第一端与第二功率开关管S2的第二端连接；
所述第一电池组BAT1的第二端与第三功率开关管S3的第一端及第四功率开关管S4的第一端连接；
所述第二电池组BAT2的第一端与第四功率开关管S4的第二端及第五功率开关管S5的第二端连接；
所述第二电池组BAT2的第二端与第六功率开关管S6的第一端及第七功率开关管S7的第一端连接；
所述第三电池组BAT3的第一端与第七功率开关管S7的第二端及第八功率开关管S8的第二端连接；
所述第三电池组BAT3的第二端与第九功率开关管S9的第一端连接；
所述第十一功率开关管S11的第二端与第十二功率开关管S12的第一端及中间储能电感L的第一端连接；
所述第十功率开关管S10的第二端与第十三功率开关管S13的第一端、第十四功率开关管S14的第一端及中间储能电感L的第二端连接；
所述第十四功率开关管S14的第二端与输出电容C的第一端及第二直流电源V2的正极连接。
2.根据权利要求1所述的一种电池均衡双向DC-DC变换器，其特征在于，所述输出电容C为电解电容；
所述输出电容C的第一端为正端，第二端为负端。
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