CN217904042U - 一种用于储能管理系统的主动均衡电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于储能管理系统的主动均衡电路，属于主动均衡电路技术领域，主动均衡电路分为单元级均衡器和系统级均衡器，单元级均衡器用于储能单元之间的均衡，系统级均衡器用于储能模块之间的均衡，储能单元Bi可以是电池或超级电容，可以是一个单体或几个单体的串并联组合，驱动单元均衡储能模块之间的能量自动均衡，同时驱动单元对每一个储能单元Bi提供均衡能量，无需闭环控制，储能单体变换器的开关都自动实现软开关，通过以上控制电路实现多组串接的储能单元间的能量均衡和并接储能模块间的系统能量自动均衡，大大缩减了可控开关的使用，同时提高了系统能量均衡的效率，系统控制便捷。

Description

一种用于储能管理系统的主动均衡电路

技术领域

本实用新型涉及主动均衡电路技术领域，具体涉及一种用于储能管理系统的主动均衡电路。

背景技术

随着储能技术及其应用的飞速发展，以锂离子电池和超级电容为代表的储能单体在小型便携式设备、电动汽车和可再生能源等系统中得到了越来越广泛的应用。由于储能单体电压一般都较低，例如：锂离子电池最小单体电压通常不超过4.2V，超级电容最小单体电压通常不超过3.0V。因此，为了满足负载对电压和功率等级的要求，通常将电压等级较低的储能单体串联组成一个模块以提高电压等级，并通过多个小模块串并联的形式以满足电压等级和功率等级的需求。

当储能单体反复充电或放电时，由于在容量、内阻、自放电率等方面存在差异，会造成串联储能单体之间的电压逐渐趋于不平衡。随着储能单体的增多，单体之间的温度差异难以避免，使得储能单体电压不平衡的情况更加严重。此外，串联储能单体的充/放电过程是同时进行的，这使得系统中容量较低的单体反复出现过充/过放的恶性循环现象。系统中某些储能单体的过充/过放现象不仅对这些单体的使用寿命有影响，还会使整个系统的可用容量降低，更恶劣的情况下还会引发火灾或爆炸等危险事故。

为了充分利用系统容量，确保储能单体在最佳性能状态下工作，延长其使用寿命，采用均衡技术来缓解各个储能单体参数的不一致性对整个串联储能系统的性能提高是非常关键的。

目前，已经提出了多种电压均衡技术来解决电压不平衡的问题。相比于被动型均衡电路，主动型均衡电路具有均衡速度快和均衡效率高等优势。典型的主动均衡技术包括基于双向DC/DC变换器、基于电感或电容以及基于变压器的均衡方案等。基于双向DC/DC变换器的电压均衡器需要大量的可控开关，也就需要对应数量的驱动电路，系统复杂性较，且均衡效率较低。基于变压器的均衡方案具有较少的变换器和可以自动直接的对单体均衡等优点，但二次绕组间参数匹配要求严格，给设计带来困难，扩展性降低，采用开关电容用于单体间均衡，这类均衡器具有良好的扩展性，而所需的均衡器数量与串联的单体数量成正比，同时也需要大量的开关驱动和控制电路，增加了系统的复杂度和成本。

基于以上问题，本实用新型提出一种用于储能管理系统的主动均衡电路。

实用新型内容

针对上述技术背景中的问题，本实用新型目的是提供一种用于储能管理系统的主动均衡电路，一方面提供了单元级均衡器和系统级均衡器，单元级均衡器用来均衡多组串接的储能单体变换器间的能量，系统级均衡器用于均衡多组串接的单元级均衡器间的能量，通过驱动单元分别完成单元级均衡器和系统级均衡器能量控制均衡；另一方面提供了主动均衡电路控制参数，用来提高能量均衡效率，解决了背景技术中所提出现有的主动均衡电路结构设计复杂、成本较高和均衡效率较低的问题。

为了实现以上目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种用于储能管理系统的主动均衡电路，主动均衡电路分为用于均衡多组储能单元B_i能量的单元级均衡器和用于均衡多组储能模块能量的系统级均衡器，

所述单元级均衡器包括向储能单元B_i提供均衡能量的驱动单元、多组并联的储能单体变换器；

所述驱动单元包括电感Lm、电容Cm、电容Cr、变压器T和两个有源开关管 S1和有源开关管S2，驱动单元中的电感Lm的一端电性连接电容Cm的一端，电容Cm的另一端电性连接电容Cr的一端和有源开关管S1的S极以及有源开关管 S2的D极，电容Cr的另一端电性连接变压器T的输入一端，变压器T的输入另一端电性连接有源开关管S2的S极；

所述储能单体变换器包括桥式整流单元、电容C1a和电容C1b；

所述变压器T的两输出端通过所述电容C1a和所述电容C1b电性接入所述桥式整流单元，所述桥式整流单元与所述储能单元B_i电性连接；

所述驱动单元通过有源开关管S1的D极和有源开关管S2的S极接入外部电源或串接的储能单元B_i进行供电；

所述系统级均衡器由多组所述单元级均衡器并联组成，其中，所述驱动单元负责储能模块间的均衡能量传输。

进一步的，所述驱动单元中的变压器T的一输出端电性连接每组所述储能单体变换器所包含的电容C1a的一端，所述变压器T的另一输出端电性连接每组所述储能单体变换器所包含的电容C1b的一端，所述电容C1a的另一端和所述电容C1b的另一端接入所述桥式整流单元。

更进一步的，所述桥式整流单元包括四只金氧半场效晶体管包括2组P管和2组N管，2组P管分别标记为金氧半场效晶体管Sp_1a、金氧半场效晶体管 Sp_1b，2组N管分别标记为金氧半场效晶体管SN_1a和金氧半场效晶体管SN_1b，所述金氧半场效晶体管Sp_1a的S极电性连接电容C1a的另一端以及金氧半场效晶体管Sp_1b的G极，金氧半场效晶体管Sp_1a的D极电性连接金氧半场效晶体管Sp_1b的D极同时均电性连接储能单元B1，金氧半场效晶体管SN_1a的 D极电性连接电性连接电容C1a的另一端,金氧半场效晶体管SN_1b的D极电性连接电容C1b的另一端。

进一步的，所述储能单元B_i可以是电池或超级电容，可以是一个储能单体或多个储能单体的串并联组合。

进一步的，在所述单元级均衡器中，所述驱动单元所包含的有源开关管S1 的D极电性连接单元级均衡器中第N组储能单元Bn的阳极，有源开关管S2的S 极电性连接第一组储能单元B1的阴极。

更进一步的，所述驱动单元所包含的变压器T漏感作为谐振电感器(L_r)，与附加电容器C_r形成串联谐振回路，其谐振周期T_r1(1/f_r1)，所述有源开关管S1 的开关周期用Ts(1/fs)表示，所述有源开关管S1与所述有源开关管S2互补导通，并限定开关频率为

更进一步的，在系统级均衡器中，每组所述驱动单元之间均通过所述电感 Lm电性连接，同时Lm和Cm谐振周期用f_r2表示，且fs＞f_r2。

更进一步的，为进一步提高能量均衡效率，控制开关频率满足：f_s≥5f_r2。

进一步的，在系统级均衡器中，所述驱动单元间的高、低压移相比用dφ表示，0＜dφ≤0.25。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型中通过在储能单元上安装桥式整流单元，桥式整流单元外接电容C1a和电容C1b，桥式整流单元与储能单元电性连接，多组储能单元B_i串接，再通过设置驱动单元，驱动单元包括电感Lm、电容Cm、电容Cr、变压器 T和两个有源开关管S1和有源开关S2，驱动单元中的电感Lm的一端电性连接电容Cm的一端，电容Cm的另一端电性连接电容Cr的一端和有源开关管S1的S 极以及有源开关管S2的D极，电容Cr的另一端电性连接变压器T的输入一端，变压器T的输入另一端电性连接有源开关管S2的S极，变压器T的两输出端并接多组储能单元上安装的两只电容，最终实现通过控制一组驱动单元所包含的有源开关管S1和有源开关S2对多组串接的储能单元B_i进行自动均衡能量，驱动单元可以由外部电源或串接的储能单元B_i进行供电，当进行系统级电路均衡时，通过将多组单元级均衡器并接，驱动单元负责储能模块间的均衡能量传输后，驱动单元将获得能量传至多组储能单元B_i进行能量均衡，通过以上控制电路实现多组串接的储能单元间的能量均衡和串接多组储能单元所组成储能模块间的系统能量自动均衡，大大缩减了可控开关的使用，系统控制简单。

(2)本实用新型中通过采用变压器T漏感作为谐振电感器Lr，无需单独提供串联电感器，与附加电容器Cr形成串联谐振回路，减少了串联电感器使用，降低了系统制造的成本。

(3)本实用新型中变压器T漏感作为谐振电感器(L_r)，与附加电容器C_r形成串联谐振回路，其谐振周期T_r1(1/f_r1)，通过设置有源开关管S1和有源开关管S2，开关周期用Ts(1/fs)表示，有源开关管S1与有源开关管S2互补导通，并限定开关频率为

这种控制方式的优点为一方面保证储能单体变换器中的所有开关工作在软开关状态下，以减小开关损耗，降低EMI，降低纹波；另一方面能够为储能单体提供恒定的均衡电流而无需闭环控制，提高了能量均衡效率。

(4)本实用新型中通过控制各个储能模块之间高低压移相比0＜dφ≤ 0.25，增加均衡电流，实现通过驱动单元所包含的L_m和C_m对储能模块间的能量进行高效率的均衡。

附图说明

图1为按照本实用新型的一种用于储能管理系统的主动均衡电路的一优选实施例的储能单体变换器负载状态电路图；

图2为按照本实用新型的一种用于储能管理系统的主动均衡电路的一优选实施例的单元级均衡器包含仅有一组储能单体变换器负载状态展开电路图；

图3为按照本实用新型的一种用于储能管理系统的主动均衡电路的一优选实施例的系统级均衡器局部展开负载状态电路图；

图4为按照本实用新型的一种用于储能管理系统的主动均衡电路的一优选实施例的单元级均衡器的关键波形图；

图5为按照本实用新型的一种用于储能管理系统的主动均衡电路的一优选实施例的系统级均衡器负载拓扑图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

如图1-5所示，一种用于储能管理系统的主动均衡电路，主动均衡电路分为用于均衡多组储能单元B_i能量的单元级均衡器和用于均衡多组储能模块能量的系统级均衡器，根据储能单元B_i的数量及安装方式选择不同的主动均衡控制电路，当储能单元B_i为多组串接安装方式时，采用单元级均衡器设计安装控制方式，实现自动对多组储能单元B_i间的能量自动均衡，当采用多组储能模块并联安装时，其中储能模块为多组储能单元B_i串接组成，此时通过系统级均衡器设计安装储能模块，实现储能模块间的能量均衡；单元级均衡器包括向储能单元B_i提供均衡能量的驱动单元、多组并联的储能单体变换器，通过驱动单元对能量较低储能单元B_i进行均衡充电；驱动单元包括电感Lm、电容Cm、电容Cr、变压器T和两个有源开关管S1和有源开关管S2，驱动单元中的电感Lm的一端电性连接电容Cm的一端，电容Cm的另一端电性连接电容Cr的一端和有源开关管S1的S极以及有源开关管S2的D极，电容Cr的的另一端电性连接变压器T 的输入一端，变压器T的输入另一端电性连接有源开关管S2的S极；储能单体变换器包括桥式整流单元、电容C1a和电容C1b；变压器T的两输出端通过电容C1a和电容C1b电性接入桥式整流单元，桥式整流单元与储能单元B_i电性连接；驱动单元通过有源开关管S1的D极和有源开关管S2的S极接入外部电源或串接的储能单元B_i进行供电，为降低系统安装成本宜采用串接的储能单元B_i进行供电；系统级均衡器由多组单元级均衡器并联组成，其中，驱动单元负责单元级均衡器间的均衡能量传输，驱动单元同时负责对多组储能单元B_i进行均衡充电。

如图2所示，驱动单元中的变压器T的一输出端电性连接每组储能单体变换器所包含的电容C1a的另一端，变压器T的另一输出端电性连接每组储能单体变换器所包含的电容C1b的另一端，通过变压器T输出端将输出补偿电压转至各低压储能单元B_i上安装的电容C1a、电容C1b，电容C1a、电容C1b将交流电进行耦合，为对储能单元充电做准备。

如图1所示，桥式整流单元包括四只金氧半场效晶体管包括2组P管和2 组N管，采用MOS管相较于二极管具备稳定性高和节能的优点，同时也可以采用二极管替换，实现整流和开关的目的，2组P管分别标记为金氧半场效晶体管 Sp_1a、金氧半场效晶体管Sp_1b，2组N管分别标记为金氧半场效晶体管SN_1a 和金氧半场效晶体管SN_1b，两只电容分别标记为C1a和C1b，金氧半场效晶体管Sp_1a的S极电性连接电容C1a的一端以及金氧半场效晶体管Sp_1b的G极，金氧半场效晶体管Sp_1a的D极电性连接金氧半场效晶体管Sp_1b的D极同时均电性连接储能单元B1，金氧半场效晶体管SN_1a的D极电性连接电性连接电容C1a,金氧半场效晶体管SN_1b的D极电性连接电容C1b的一端，变压器T输出端将输出补偿电压转至电容C1a、电容C1b，并由电容C1a、电容C1b进行滤波并通过2组P管和2组N管对储能单元进行充电，实现对低压储能单元进行充电的作用。

如图2所示，储能单元B_i可以是电池或超级电容，可以是一个储能单体或多个储能单体的串并联组合，提高主动均衡电路安装控制的涵盖范围，增加了适配性。

如图2、3所示，在单元级均衡器中，有源开关管S1的D极电性连接单元级均衡器中第N组储能单元Bn的阳极，有源开关管S2的S极电性连接第一组储能单元B1的阴极，通过串接的储能单元B_i对驱动单元进行供电，节省了外部电源接入所消耗的用材成本。

如图2、3、4所示，所述驱动单元所包含的变压器T漏感作为谐振电感器(L_r)，与附加电容器C_r形成串联谐振回路，其谐振周期T_r1(1/f_r1)，所述有源开关管 S1的开关周期用Ts(1/fs)表示，所述有源开关管S1与所述有源开关管S2互补导通，并限定开关频率为

这种控制方式的优点是：一方面保证储能单体变换器中的所有开关工作在软开关状态下，以减小开关损耗，降低EMI，降低纹波；另一方面能够为储能单体提供恒定的均衡电流而无需闭环控制，提高能量均衡效率。

如图3所示，在系统级均衡器中，每组驱动单元之间均通过所述电感Lm电性连接，用于通过驱动单元传输储能模块之间的能量。

如图4所示，同时Lm和Cm谐振周期用f_r2表示，控制开关频率满足：fs＞f_r2，同时通过控制fs＞5f_r2进一步提高能量均衡效率。

如图2、3所示，在系统级均衡器中，驱动单元间的高、低压移相比用dφ表示，0＜dφ≤0.25，通过控制控制移相比dφ>0，以实现模块间的均衡。此时，通过控制移相比dφ，可以调节模块间的均衡电流，若需要增大均衡电流，就需要增加移相比dφ，移相比的取值范围为0＜dφ≤0.25，以保证变换器的效率。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种用于储能管理系统的主动均衡电路，主动均衡电路分为用于均衡多组储能单元B_i能量的单元级均衡器和用于均衡多组储能模块能量的系统级均衡器，其特征在于：

所述单元级均衡器包括向储能单元B_i提供均衡能量的驱动单元、多组并联的储能单体变换器；

所述驱动单元包括电感Lm、电容Cm、电容Cr、变压器T和两个有源开关管S1和有源开关管S2，驱动单元中的电感Lm的一端电性连接电容Cm的一端，电容Cm的另一端电性连接电容Cr的一端和有源开关管S1的S极以及有源开关管S2的D极，电容Cr的另一端电性连接变压器T的输入一端，变压器T的输入另一端电性连接有源开关管S2的S极；

所述储能单体变换器包括桥式整流单元、电容C1a和电容C1b；

所述变压器T的两输出端通过所述电容C1a和所述电容C1b电性接入所述桥式整流单元，所述桥式整流单元与所述储能单元B_i电性连接；

所述驱动单元通过有源开关管S1的D极和有源开关管S2的S极接入外部电源或串接的储能单元B_i进行供电；

所述系统级均衡器由多组所述单元级均衡器并联组成，其中，所述驱动单元负责储能模块间的均衡能量传输。

2.根据权利要求1所述的一种用于储能管理系统的主动均衡电路，其特征在于：所述驱动单元中的变压器T的一输出端电性连接每组所述储能单体变换器所包含的电容C1a的一端，所述变压器T的另一输出端电性连接每组所述储能单体变换器所包含的电容C1b的一端，所述电容C1a的另一端和所述电容C1b的另一端接入所述桥式整流单元。

3.根据权利要求2所述的一种用于储能管理系统的主动均衡电路，其特征在于：所述桥式整流单元包括四只金氧半场效晶体管包括2组P管和2组N管，2组P管分别标记为金氧半场效晶体管Sp_1a、金氧半场效晶体管Sp_1b，2组N管分别标记为金氧半场效晶体管SN_1a和金氧半场效晶体管SN_1b，所述金氧半场效晶体管Sp_1a的S极电性连接电容C1a的另一端以及金氧半场效晶体管Sp_1b的G极，金氧半场效晶体管Sp_1a的D极电性连接金氧半场效晶体管Sp_1b的D极同时均电性连接储能单元B1，金氧半场效晶体管SN_1a的D极电性连接电性连接电容C1a的另一端,金氧半场效晶体管SN_1b的D极电性连接电容C1b的另一端。

4.根据权利要求1所述的一种用于储能管理系统的主动均衡电路，其特征在于：所述储能单元B_i可以是电池或超级电容，可以是一个储能单体或多个储能单体的串并联组合。

5.根据权利要求1所述的一种用于储能管理系统的主动均衡电路，其特征在于，在所述单元级均衡器中，所述驱动单元所包含的有源开关管S1的D极电性连接单元级均衡器中第N组储能单元Bn的阳极，有源开关管S2的S极电性连接第一组储能单元B1的阴极。

6.根据权利要求5所述的一种用于储能管理系统的主动均衡电路，其特征在于，所述驱动单元所包含的变压器T漏感作为谐振电感器(L_r)，与附加电容器C_r形成串联谐振回路，其谐振周期T_r1(1/f_r1)，所述有源开关管S1的开关周期用Ts(1/fs)表示，所述有源开关管S1与所述有源开关管S2互补导通，并限定开关频率为

7.根据权利要求6所述的一种用于储能管理系统的主动均衡电路，其特征在于，在系统级均衡器中，每组所述驱动单元之间均通过所述电感Lm电性连接，同时Lm和Cm谐振周期用f_r2表示，且fs＞f_r2。

8.根据权利要求7所述的一种用于储能管理系统的主动均衡电路，其特征在于，为提高能量均衡效率，控制开关频率满足：fs＞5f_r2。

9.根据权利要求1所述的一种用于储能管理系统的主动均衡电路，其特征在于，在系统级均衡器中，所述驱动单元间的高、低压移相比用

表示，0＜dφ≤0.25。

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