串联储能电源多路径均衡装置及方法与流程

本发明涉及一种串联储能电源多路径均衡装置及方法，属于电力电子技术领域。

背景技术：

铅酸电池、锂离子电池、超级电容器等储能体在电动汽车、储能系统、新能源发电等领域中应用广泛。在很多应用场合，多采用串联形式构成串联储能体，以提高输出电压。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，极易出现某个或某些单体过充或过放，导致实际容量下降、使用寿命减少。因此能量均衡技术是串联储能实际应用中的必备技术之一。

一般而言，储能体的能量与其电压相关度较高，因此往往对电压较高单体进行能量释放，对电压较低单体进行能量补充来实现能量均衡。目前多采用有源均衡方式，即利用DC/DC变换器在各单体间建立能量传递通道，完成能量均衡，主要的均衡方法有如下几种类型。

一是基于BuckBoost变换器的均衡方法，以两个相邻单体、两个开关管和作为中间储能环节的电感组成BuckBoost变换器，可实现相邻单体间的能量均衡。在每两个相邻单体间设置BuckBoost变换器，通过能量在相邻单体间的依次传递，可实现多单体的能量均衡。对于n个串联储能单体，需要n-1个电感，2n-2个开关管。该方法控制简单，但不相邻单体不能直接进行能量均衡，因此均衡速度较慢。

二是在Buck-Boost变换器基础上，将多个BuckBoost变换器中原本独立的电感耦合起来，可以使编号奇、偶不同的不相邻的单体建立能量传递通道，提高了均衡速度，但奇、偶相同的单体还不能直接传递能量，需要其他单体作为中间过渡环节。耦合电感引入后，需要采用双向开关来阻断耦合电感中不参与能量传递的绕组中的电流通路，共需要n个双向开关即2n个开关管，耦合绕组需要n/2个。如要实现所有单体直接均衡，需要3n个开关管，n个耦合绕组。上述双向开关中的开关管都需要单独的驱动信号。

三是基于反激变换器的均衡方法，将多输出绕组变压器的原边绕组连接串联储能组，各副边绕组分别连接各单体，其本质也是使用耦合电感建立能量传递路径，和第二类方法的区别在于各单体间不能直接进行能量传递，只能是电压较高单体向整组传递能量，电压较低的单体从整组获得能量，即将整个串联储能组作为中间过渡环节，因此均衡效率不高。所需双向开关数量为n+1，即开关管数量为2n+2，需要单独的驱动信号，耦合绕组数量为n+1。

四是使用一个电感作为中间储能元件，电感两端和每个单体的正、负极都通过双向开关相连，这样每个单体都可以通过和电感交换能量，达到任意单体之间进行直接均衡的目的。这种方法需要大量的双向开关，所需开关管数量为4n，双向开关中的两个开关管也需要不同的驱动信号，此外由于开关切换动作时需要留有死区时间，电感电流没有续流路径会形成较大的电压尖峰。如果采用两个电感耦合，开关管数量可以减为2n+6，但每个双向开关仍需要两个驱动信号，虽然可以避免开关管出现过高电压尖峰，但电感只能工作在电流断续状态。

上述几类方法都采用电感或耦合电感作为能量传递的中间储能元件，使用多个分立电感，均衡效率不够理想；使用耦合电感时，构成双向开关的两个开关管需要使用不同的驱动信号，控制上较为复杂，同时不易实现单体间的直接均衡；第四类方法只使用一个电感，任意单体间能直接均衡，但也面临着开关管及驱动信号数量多的问题，同时开关管电压尖峰较高。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述第四类方法中，开关管及驱动信号数量多、电感无法续流的问题，同时为了提高其使用灵活性，本发明提供了一种多路径均衡装置及方法。

本发明的串联储能电源多路径均衡装置及方法，适用于各种类型电池和超级电容器。

本发明涉及的串联储能电源多路径均衡装置，适用于任意数量单体组成的串联储能组，对于n个单体，共需1个电感L，6个开关管S_A1、S_A2、S_B1、S_B2、S_B3、S_B4和n+2个双向开关Q_A、Q₀、Q₁……Q_n，双向开关由采用相同驱动信号的2个开关管构成，开关管可以采用MOSFET、IGBT等开关器件。

如图1所示，以n为偶数为例，双向开关Q₀的一端与B₁的负极相连，双向开关Q₁、Q₂……Q_n的一端分别与B₁、B₂……B_n的正极相连，标号为偶数的双向开关Q₀、Q₂……Q_n的另一端共同连接于结点A，标号为奇数的双向开关Q₁、Q₃……Q_n-1的另一端共同连接于结点B，双向开关Q_A的一端与结点A相连，另一端与电感L、开关管S_B3的漏极共同连接于结点C，开关管S_B3的源极与开关管S_B4的源极相连，开关管S_B4的漏极与结点B相连，开关管S_A1的漏极与结点A相连，开关管S_A1的源极与开关管S_A2的源极相连，开关管S_A2的漏极与电感L的另一端以及开关管S_B1的漏极共同连接于结点D，开关管S_B1的源极与开关管S_B2的源极相连，开关管S_B2的漏极与结点B相连。

对于储能组输出正极附近的双向开关，如Q_n-1、Q_n可以用P沟道MOSFET代替，方便驱动电路设计。双向开关Q_A，开关管S_A1、S_A2组成的部件，开关管S_B1、S_B2组成的部件，开关管S_B3、S_B4组成的部件构成了全桥式结构，上述四个部件在全桥式结构中可以互换位置。开关管S_A1、S_A2的位置可以互换，开关管S_B1、S_B2的位置可以互换，开关管S_B3、S_B4的位置可以互换。

本发明涉及的串联储能电源多路径均衡方法，将奇数个相邻单体作为释放能量和接收能量的单元，单体数量等于1的单元为单体，单体数量大于等于3(3，5，7……)的单元为小组。通过控制双向开关Q₀、Q₁……Q_n的开通和关断，将任意一个单元连接到A、B结点间；通过控制双向开关Q_A、开关管S_A1、S_A2、S_B1、S_B2、S_B3、S_B4的开通和关断，可将电感连接到A、B结点间，也可构成通路使电感工作在短路状态。需要释放能量的高能量单元和电感都接入A、B结点时，高能量单元向电感释放能量；电感储存能量完毕后，在将高能量单元从A、B结点间切除、将低能量单元接入A、B结点间的过程中，令电感工作在短路状态；切换完成后，再将电感接入A、B结点，电感将能量释放给低能量单元。在传递能量的过程中，电感可以工作在电流断续状态，也可以工作在电流连续状态。

本发明涉及的串联储能电源多路径均衡方法，可以在任意单元间实现能量的直接传递，即可以在任意单体和单体、单体和小组、小组和小组之间实现能量的直接传递。

对于小组，取其电位最高的单体的编号作为小组编号。参与能量传递的单体或小组的编号有奇、偶之分，可以归结为两种情况：参与能量传递的单体或小组的编号奇、偶不同，即奇对偶或偶对奇；参与能量传递的单体或小组的编号奇、偶相同，即奇对奇或偶对偶。

在参与能量传递的单体或小组的编号奇、偶不同的情况下，双向开关Q_A一直导通，开关管S_B3、S_B4一直关断。电感储能或释能时，开关管S_B1、S_B2导通，开关管S_A1、S_A2关断；电感短路时，开关管S_A1、S_A2导通，开关管S_B1、S_B2关断。奇对偶或偶对奇时，仅电感电流方向不同。

在参与能量传递的单体或小组的编号奇、偶相同的情况下，电感储能时，双向开关Q_A和开关管S_B1、S_B2导通，开关管S_A1、S_A2、S_B3、S_B4关断；电感短路时，开关管S_B1、S_B2、S_B3、S_B4导通，双向开关Q_A和开关管S_A1、S_A2关断；电感释能时，开关管S_A1、S_A2、S_B3、S_B4导通，双向开关Q_A和开关管S_B1、S_B2关断。奇对奇或偶对偶时，仅电感电流方向不同。

有益效果

本发明的有益效果在于，与其他利用电感作为储能元件的均衡方式相比，其兼具以下优点：(1)电感数量只有一个，开关管数量相对较少，器件的综合利用率较高；(2)开关管中大部分是驱动信号相同的双向开关，而且双向开关Q₀、Q₁……Q_n每次只有2个导通，可以共用PWM驱动信号，因此所需PWM驱动信号较少，控制简单；(3)电感电流有续流通路，不会产生电压尖峰；(4)奇数个相邻单体组成小组，单体和小组、小组和小组间可实现直接均衡，具有更多的均衡路径。

附图说明

图1为串联储能电源多路径均衡装置及方法的原理示意图，以n为偶数为例；

图2为具体实施方式一，参与能量传递的单体和单体的编号奇、偶不同时的示意图；

图3为具体实施方式二，参与能量传递的小组和小组的编号奇、偶不同时的示意图；

图4为具体实施方式三，参与能量传递的小组和单体的编号奇、偶相同时的示意图；

具体实施方式

具体实施方式一：

参与能量传递的单体和单体的编号奇、偶不同，结合图2，以编号为奇数的单体B_n-1向编号为偶数的单体B₂传递能量的情况为例来说明，未提及的开关管或双向开关均处于关断状态，双向开关Q_A一直处于导通状态。

双向开关Q_n-2、Q_n-1和开关管S_B1、S_B2开通，电感L开始储能；储能结束前，先开通开关管S_A1，再关断开关管S_B1、S_B2和双向开关Q_n-2、Q_n-1，则电感L通过开关管S_A2的体二极管续流，处于短路状态，可令开关管S_A2工作于同步整流状态以减小导通压降；在电感短路状态下，双向开关Q₁、Q₂开通，将B₂接入A、B结点间；在电感L向B₂释放能量前，先开通开关管S_B2，再关断开关管S_A1、S_A2，则电感通过开关管S_B1的体二极管续流，开始向B₂释放能量，可令开关管S_B1工作于同步整流状态以减小导通压降。

如电感工作在连续状态，需要将B₂切除再接入B_n-1，切除B₂时，先关断开关管S_B1，由其体二极管续流，之后开通开关管S_A1、S_A2，关断双向开关Q₁、Q₂，则电感L通过开关管S_A2的体二极管续流，处于短路状态；接入B_n-1时，先关断开关管S_A2，由其体二极管续流，之后开通开关管S_B1、S_B2和双向开关Q_n-2、Q_n-1。

具体实施方式二：

参与能量传递的小组和小组的编号奇、偶不同，结合图3，以编号为偶数的小组B_n-2、B_n-1、B_n向编号为奇数的小组B₁、B₂、B₃传递能量的情况为例来说明，未提及的开关管或双向开关均处于关断状态，双向开关Q_A一直处于导通状态。

双向开关Q_n、Q_n-3和开关管S_B1、S_B2开通，电感L开始储能；储能结束前，先开通开关管S_A2，再关断开关管S_B1、S_B2和双向开关Q_n-3、Q_n，则电感L通过开关管S_A1的体二极管续流，处于短路状态，可令开关管S_A1工作于同步整流状态以减小导通压降；在电感短路状态下，双向开关Q₀、Q₃开通，将B₁、B₂、B₃接入A、B结点间；在电感L向B₁、B₂、B₃释放能量前，先开通开关管S_B1，再关断开关管S_A1、S_A2，则电感通过开关管S_B2的体二极管续流，开始向B₁、B₂、B₃释放能量，可令开关管S_B2工作于同步整流状态以减小导通压降。

如电感工作在连续状态，需要将B₁、B₂、B₃切除再接入B_n-2、B_n-1、B_n，切除B₁、B₂、B₃时，先关断开关管S_B2，由其体二极管续流，之后开通开关管S_A1、S_A2，关断双向开关Q₀、Q₃，则电感L处于短路状态；接入B_n-2、B_n-1、B_n时，先关断开关管S_A1，由其体二极管续流，之后开通开关管S_B1、S_B2和双向开关Q_n-3、Q_n。

具体实施方式三：

参与能量传递的小组和单体的编号奇、偶相同，结合图4，以编号为偶数的小组B_n-2、B_n-1、B_n向编号为偶数的单体B₂传递能量的情况为例来说明，未提及的开关管或双向开关均处于关断状态。

双向开关Q_A、Q_n-3、Q_n和开关管S_B1、S_B2开通，电感L开始储能；储能结束前，先开通开关管S_B4，再关断双向开关Q_A、Q_n-3、Q_n，则电感L通过开关管S_B3的体二极管续流，处于短路状态，可令开关管S_B3工作于同步整流状态以减小导通压降；在电感短路状态下，双向开关Q₁、Q₂开通，将B₂接入A、B结点间；在电感L向B₂释放能量前，先开通开关管S_A2，再关断开关管S_B1、S_B2，则电感通过开关管S_A1的体二极管续流，开始向B₂释放能量，可令开关管S_A1工作于同步整流状态以减小导通压降。

如电感工作在连续状态，需要将B₂切除再接入B_n-2、B_n-1、B_n，切除B₂时，先关断开关管S_A1，由其体二极管续流，之后开通开关管S_B1、S_B2，关断双向开关Q₁、Q₂，则电感L处于短路状态；接入B_n-2、B_n-1、B_n时，先关断开关管S_B3，由其体二极管续流，之后开通双向开关Q_A、Q_n-3、Q_n。