一种串联储能电源直接均衡器组合结构的制作方法

本发明涉及一种电源均衡器结构，具体地，涉及一种串联储能电源直接均衡器组合结构。

背景技术：

动力电池或超级电容器为主的电压型储能体广泛应用于电动汽车、空间电源、功率脉冲装置等需要能量存储的领域。无论动力电池还是超级电容器，其单体的电压与容量都有限制，在很多应用中，需将几个甚至几百个单体串联构成储能组，以满足电压和能量的要求。尽管随着技术进步，储能单体的一致性逐步提高，但长时间使用后，单体参数仍有可能出现较大差异，使电池组的容量出现“瓶颈”，极易发生某个或某些单体的过充或过放现象，导致串联储能组容量和安全性能降低，循环寿命减少。进行储能体间的能量均衡是解决单体不一致引起串联电池组工作性能降低问题的一种有效途径，因此单体均衡技术成为串联储能组实际应用的关键技术之一。

目前，国内外已经有很多种基于开关变换技术的均衡拓扑结构，大致可以分为以下三类：

第一类是可以实现单体对单体能量直接传递的飞渡电容式均衡拓扑结构；

第二类是可以实现相邻两个单体间能量的双向传递或多个相邻单体单一方向能量的依次传递的均衡拓扑结构；

第三类是可以实现单体与串联储能电源组间的能量传递，即局部到整体或整体到局部的能量传递的均衡拓扑结构。

第一类飞渡电容式均衡拓扑结构可实现点对点能量的直接传递，但开关开启瞬间电流很大，容易对电池造成损害，此外该结构不易实现模块化扩展；而第二类均衡拓扑结构在进行非相邻单体间能量的传递时，均衡过程中，均衡路径长、均衡速度慢、系统扩展性差；第三类均衡结构均无法实现能量的单体对单体跨越式传递，均衡过程中存在均衡能量重叠，均衡效率低。

专利cn201710695385.1《一种串联储能电源多路径均衡装置及方法》介绍了一种串联储能均衡装置，其中描述到“对于n个串联储能单体b1、b2……bn，由1个电感l，6个开关管sa1、sa2、sb1、sb2、sb3、sb4和n+2个双向开关qa、q0、q1、q2……qn组成，双向开关q0的一端与b1的负极相连，双向开关q1、q2……qn的一端分别与b1、b2……bn的正极相连，标号为偶数的双向开关q0、q2、q4……的另一端共同连接于结点a，标号为奇数的双向开关q1、q3、q5……的另一端共同连接于结点b，双向开关qa的一端与结点a相连，另一端与电感l、开关管sb3的漏极相连，开关管sb3的源极与开关管sb4的源极相连，开关管sb4的漏极与结点b相连，开关管sa1的漏极与结点a相连，开关管sa1的源极与开关管sa2的源极相连，开关管sa2的漏极与电感l的另一端以及开关管sb1的漏极连接，开关管sb1的源极与开关管sb2的源极相连，开关管sb2的漏极与结点b相连。”本发明的均衡装置是基于单独电感实现的。

专利cn201611048419.x《具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法》中介绍了一种串联储能均衡装置，其中描述到“当储能单体数量为2n时，n为正整数，即数量为偶数时，其包含2n个匝数相同的耦合电感，6n个mosfet开关管；储能单体b2n-1和b2n，耦合电感l2n-1和l2n，mosfet开关管s2n-1、sl2n-1、sd2n-1、s2n、sl2n、sd2n构成一个组，共有n个组串联；组内具体连接为：b2n-1的正极与s2n-1的漏极相连，s2n-1的源极与sl2n-1的源极、sd2n的源极、s2n的漏极相连，s2n的源极与b2n的负极相连，b2n的正极与sl2n的源极、sd2n-1的源极、b2n-1的负极相连，sl2n-1的漏极与l2n-1的同名端相连，l2n-1的异名端与sd2n-1的漏极相连，sd2n的漏极与l2n的异名端相连，l2n的同名端与sl2n的漏极相连；当储能单体数量为2n+1时，n为正整数，即数量为奇数时，其包含2n+2个匝数相同的耦合电感，6n+4个mosfet开关管；其前n个组与储能单体数量为2n时的连接相同；储能单体b2n+1，耦合电感l2n+1、l2n+2，mosfet开关管sa、sb、sc、sd组成第n+1个组；第n+1个组具体连接为：b2n+1的正极与sa的源极、sc的源极相连，sa的漏极与l2n+1的同名端相连，l2n+1的异名端与sb的漏极相连，sb的源极与b2n+1的负极、sd的源极相连，sc的漏极与l2n+2的异名端相连，l2n+2的同名端与sd的漏极相连。”本发明的均衡装置是基于耦合电感实现的。

本发明中的m单体直接均衡模块均可采用上述串联储能均衡装置或其他串联储能均衡装置，所述m单体直接均衡模块是带有耦合第一电感或单独第一电感的单体对单体直接均衡器，m单体直接均衡模块为现有技术，因此本发明中不再详细介绍其具体结构及原理。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种串联储能电源直接均衡器组合结构，用于解决现有储能单体均衡装置单体对单体能量均衡路径长和能量均衡效率低的问题，本发明能够实现长串联电池组分组均衡时任意两个储能单体间直接能量传递，缩短均衡路径，提高均衡效率，且便于均衡系统的产品化。

本发明提供了一种串联储能电源直接均衡器组合结构，包括：n个单体直接均衡模块、n个跨组均衡模块和一个储能元件，所述n个单体直接均衡模块依次串联，所述n个跨组均衡模块彼此并联且分别接入一个储能元件两端，所述n个单体直接均衡模块和所述n个跨组均衡模块一一对应设置，

每个跨组均衡模块包括第二电感和双向开关，所述第二电感、所述双向开关和所述一个储能元件依次串联，所述n个单体直接均衡模块中的n个第一电感和所述n个跨组均衡模块中的n个第二电感一一对应耦合设置，

n>1，且为正整数。

进一步的，n个第一电感为多绕组耦合电感或独立绕组电感。

进一步的，每个第二电感与每个第一电感的匝数比为k:1，其中k＝1,2,…t,t为大于等于1的正整数。

进一步的，每个双向开关中设有两个开关管。

进一步的，所述开关管为mos管。

进一步的，在每个跨组均衡模块中，所述两个开关管的漏极分别与所述第二电感的两端连接，所述两个开关管的源极分别与所述一个储能元件的两端连接。

进一步的，在每个跨组均衡模块中，所述两个开关管位于所述第二电感的同侧，所述两个开关管的源极彼此相连，其中一个开关管的漏极与所述第二电感的一端连接，另一个开关管的漏极与所述一个储能元件的一端连接，所述一个储能元件的另一端与所述第二电感的另一端连接。

进一步的，所述一个储能元件为电容。

进一步的，所述一个储能元件为单体电池。

进一步的，所述一个储能元件为串联电池组。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提出的一种串联储能电源直接均衡器组合结构中，各单体直接均衡模块能够实现模块内单体对单体的直接均衡，也能够经由一个储能元件实现两个分属于不同的单体直接均衡模块的储能单体间的单体对单体的双向均衡；

(2)本发明提出的一种串联储能电源直接均衡器组合结构中，跨模块均衡过程进行的同时，除跨模块均衡的两个单体直接均衡模块之外的其他单体直接均衡模块可进行组内均衡；

(3)本发明提出的一种串联储能电源直接均衡器组合结构中，串联电池数量对均衡电路复杂度影响很小，均衡电路扩展灵活；

(4)本发明提出的一种串联储能电源直接均衡器组合结构中，双向开关的电压应力低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构的一实施例的结构示意图；

图2为本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构的另一实施例的结构示意图；

图3为本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构中，多个单体直接均衡模块同时工作状态示意图；

图4为b1电池释能时，本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构的工作状态示意图；

图5为第二电感l1储能时，本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构的工作状态示意图；

图6为一个储能元件储能时，本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构的工作状态示意图；

图7为一个储能元件向第二电感l3释能时，本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构的工作状态示意图；

图8为电池b1释能且单体直接均衡模块2内单体对单体均衡时，本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构的工作状态示意图；

图9为第二电感l1储能且单体直接均衡模块2内单体对单体均衡时，本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构的工作状态示意图；

图10为一个储能元件储能且单体直接均衡模块2内单体对单体均衡时，本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构的工作状态示意图；

图11为一个储能元件向第二电感l3释能且单体直接均衡模块2内单体对单体均衡时，本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构的工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱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。

参照图1-图11所示，提供了一种串联储能电源直接均衡器组合结构，包括：n个单体直接均衡模块、n个跨组均衡模块和一个储能元件，n个单体直接均衡模块依次串联，n个跨组均衡模块彼此并联且分别接入一个储能元件的两端，n个单体直接均衡模块和n个跨组均衡模块一一对应设置，

每个跨组均衡模块包括第二电感和双向开关，第二电感、双向开关和一个储能元件依次串联，n个单体直接均衡模块中的n个第一电感和n个跨组均衡模块中的n个第二电感一一对应耦合设置，

n>1，且为正整数。

具体的，在本实施例中，本发明的一种串联储能电源直接均衡器组合结构由于采用了模块化，因此非常便于增加和拆减模块，便于调整整个组合结构的大小。其中，本发明中的m单体直接均衡模块均可采用现有的串联储能均衡装置，m单体直接均衡模块是带有耦合第一电感或单独第一电感的单体对单体直接均衡器，其能够实现模块内单体对单体的直接均衡，由于单体直接均衡模块为现有技术，因此在本发明中不再详细介绍其具体结构及原理。本发明中每个单体直接均衡模块具有m个单体，且m>1，且为正整数，共有n个单体直接均衡模块，因此，在具体实施方式中，当定位第n个模块中的第m个单体时，则用bn,m来表示。b1,1到bn,m分别表示第1至第m×n个储能单体，同样地，q1至qn表示第1至第n个双向开关，l1至ln表示第1至第n个组合联接耦合电感。

当参与能量传递的两个单体属于同一个单体直接均衡模块内时，均衡过程由所在的单体直接均衡模块自己完成，此时，本发明的串联储能电源直接均衡器组合结构处于模块内单体均衡模式，且同时地，各单体直接均衡模块可以同时实施均衡。参照图3说明本实施方式，以单体b1,1向单体b1,2传递能量、单体b2,1向单体b2,m传递能量的情况为例来说明，单体直接均衡模块1实施单体b1,1向单体b1,2传递能量，单体直接均衡模块2实施单体b2,1向单体b2,m传递能量，两个模块可以同时独立地实施能量传递；

当参与能量传递的两个单体分别属于不同的单体直接均衡模块时，本发明的串联储能电源直接均衡器组合结构处于模块间单体均衡模式，具体均衡方法为：可经由一个储能元件实现能量的跨越式单体对单体传递，结合图4-图7，以单体b1,1向单体bn,m传递能量的情况为例来说明，本实施例中未提及的双向开关均处于关断状态。单体b1,1通过单体直接均衡模块1将多余能量转移至第二电感l1中，此时开通双向开关q1，第二电感l1中的能量转移至一个储能元件中，而后关断双向开关q1，开通双向开关qn，一个储能元件中的能量转移至第二电感ln中，ln通过单体直接均衡模块n将多余的能量传递至目标单体bn,m中；

当参与能量传递的两个单体分别属于不同的单体直接均衡模块、参与能量传递的两个单体属于同一个单体直接均衡模块内两种情况并存时，本发明的串联储能电源直接均衡器组合结构处于模块间单体均衡模式与组内均衡模式共存的工作模式，方法为：实施模块间均衡的两个单体所处的两个单体直接均衡模块不可同时启动组内均衡过程，其他单体直接均衡模块可同时进行组内均衡，参见图8-图11，以单体b1,1向单体bn,m传递能量、单体b2,1向单体b2,m传递能量的情况为例来说明，未提及的双向开关均处于关断状态。单体b1,1通过单体直接均衡模块1、一个储能元件和单体直接均衡模块n将能量转移至目标单体bm,n中，实现模块间均衡，此时单体直接均衡模块1和单体直接均衡模块n不得同时进行其他单体间的模块内均衡；同时，单体b2,1通过单体直接均衡模块2向单体b2,m传递能量，实现模块内均衡。

本发明在现有的单体直接组内均衡的基础上，拓展出一种兼具模块内均衡和不同模块间单体均衡的均衡组合结构，且两种均衡模式可同时进行，大大增进了均衡效率。

参照图1-图11所示，在本部分优选实施例中，n个第一电感为多绕组耦合电感或独立绕组电感。

在本部分优选实施例中，每个第二电感与每个第一电感的匝数比为k:1，其中k＝1,2,…t,t为大于等于1的正整数。

参照图1-图11所示，在本部分优选实施例中，每个双向开关中设有两个开关管。

在本部分优选实施例中，开关管为mos管。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，在每个跨组均衡模块中，两个开关管的漏极分别与第二电感的两端连接，两个开关管的源极分别与一个储能元件的两端连接。

参照图2所示，在本部分优选实施例中，在每个跨组均衡模块中，两个开关管位于第二电感的同侧，两个开关管的源极彼此相连，其中一个开关管的漏极与第二电感的一端连接，另一个开关管的漏极与一个储能元件的一端连接，一个储能元件的另一端与第二电感的另一端连接。

在本部分优选实施例中，一个储能元件为电容。

在本部分优选实施例中，一个储能元件为单体电池。

在本部分优选实施例中，一个储能元件为串联电池组。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。