一种基于单体电池电能变换的拓扑电路及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于单体电池电能变换的拓扑电路，该电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，多个双管半桥模块级联连接形成所述拓扑电路；所述双管半桥模块包括两个开关器件和两个单体电池接口。本发明进一步公开了包括上述拓扑电路的电能变换系统，该系统包括用于将单体电池电能变换为交流电的电能变换拓扑电路，用于实时监控电池状态的电池管理模块和用于监控系统运行状态的控制单元。采用本发明所述方案可以实现单体电池的独立控制，提高系统的效率，可实现单体电池的均衡性。本发明采用双管半桥拓扑电路可以实现灵活性拓展，容易实现提高输出电压等级。本发明的改进型电平逼近调制策略可以实现低频开关特性，大大减少开关损耗。
【专利说明】—种基于单体电池电能变换的拓扑电路及系统【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电能变换系统，特别是涉及一种基于单体电池电能变换的拓扑电路及系统。
【背景技术】
[0002]在目前多种多样的电能变换电路中，储能部分或者直流侧通常使用蓄电池组。然而蓄电池组的使用存在很多问题，其充放电方式通都是以成组形式进行的。同一电池组中的蓄电池在充放电过程中，由于制造工艺、检验手段和装卸运输等因素的影响，每块电池的端电压、内阻及自放电电流均存在一定的差异，在长期的运行中会出现不均衡、不一致状况，这显然增加了电池管理模块的工作难度，而且成组工作对于每一个单体电池来说都不是一个最佳的应用模式，并且电池组最大的问题就是其短板效应导致单体电池间互相制约,一旦某个单体电池发生故障,将会导致整个电池组无法工作,严重影响到整个系统的工作效率。另外针对目前大功率级联变换拓扑电路管子开关频率很高、管子数量较多、开关损耗较大、输出波形质量不高等问题。
[0003]因此，需要提供一种以单体电池为基础，能够用更低的开关频率、更小的开关损耗就可以实现电能变换要求，输出高质量的波形，实现电能变换要求。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种基于单体电池电能变换的拓扑电路及系统，以解决现有技术中单体电池相互制约，针对大功率级联电路开关频率高，管数使用量较多，开关损耗过大，输出波形质量低的问题，在实现了电能变换的同时也实现了单体电池的电量状态(SOC)的均衡使用。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案
[0006]—种基于单体电池电能变换的拓扑电路，该电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，
[0007]多个双管半桥模块级联连接形成所述拓扑电路；
[0008]所述双管半桥模块包括两个开关器件和两个单体电池接口。
[0009]优选的，所述开关器件为碳化硅功率管、晶闸管、场效应管或绝缘栅双极性晶体管。
[0010]优选的，所述拓扑电路进一步包括连接在级联双管半桥模块和电压输出端之间的滤波模块。
[0011]一种用于调制上述拓扑电路的调制方法，该方法包括
[0012]S1、判断电路中所有单体电池电量状态是否一致，如所有单体电池的电量状态一致，则执行步骤S2和S3，如至少有一个单体电池的电量状态不一致，则执行步骤S4和S5 ；
[0013]S2、利用循环脉冲激励的方式调整载波幅值，从而控制每个开关器件闭合时间，经η次循环后，每个单体电池达到电量状态均衡使用，η为双管半桥模块的数量；[0014]S3、对调制波和载波进行比较，当调制波大于载波时，输出信号1，开关Sn2导通，当调制波小于载波时，输出信号0，开关Snl导通；
[0015]S4、通过查表确定当前工作状态下单体电池的电量状态；
[0016]S5、根据电能变换拓扑电路输出的电平量，计算可充电的单体电池个数，同时选取相应个数的电量状态最低的单体电池作为充电对象，其余工作状态下的单体电池既给负载供电，同时也给待充电的单体电池充电；
[0017]S6、重复步骤SI至S5。
[0018]优选的，所述步骤S2中循环脉冲激励为将载波Sn幅值大小在经过一个周期后改变为载波SI的幅值，SI的变为S2的，S2的变为S3的，以此类推进行载波幅值传递；所述一个周期为双管半桥模块的数量η乘以交流电的周期。
[0019]—种电能变换系统,该系统包括
[0020]用于将单体电池电能变换为交流电的电能变换拓扑电路，
[0021]所述拓扑电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，
[0022]多个双管半桥模块级联形成所述拓扑电路，
[0023]所述双管半桥电路包括两个电力电子开关器件和两个单体电池接口 ；
[0024]用于实时监控单体电池状态的电池管理模块；和
[0025]用于监控电能变换系统运行状态的控制单元。
[0026]优选的，所述控制单元包括
[0027]用于根据上述调制方法产生驱动信号的驱动信号发生模块；
[0028]用于对驱动信号发生模块发出的每个开关驱动信号进行功率放大和隔离的驱动信号隔离模块；
[0029]用于根据所述电能变换拓扑电路输出的电压波形，产生调制信号，从而对输出电压进行调制的波形调制模块；
[0030]用于根据外部负载需求控制系统启用状态的状态开关模块；
[0031]用于根据电池管理模块获取的电池故障信息，对电池故障进行相应处理的电池故障处理模块。
[0032]优选的，该系统还包括用于给单体电池充电的充电模块。
[0033]优选的，该系统还包括连接在备用电池和工作电池之间的切换模块，根据来自控制单元的指令，将备用电池接入系统。
[0034]优选的，该系统还包括用于将输出电压的波形信息反馈给控制单元的波形反馈模块。
[0035]本发明的有益效果如下:
[0036]采用本发明所述方案可以实现单体电池的独立控制，提高系统的效率，可实现单体电池的均衡性。本发明采用双管半桥拓扑电路可以实现灵活性拓展，容易实现提高输出电压等级。本发明的改进型电平逼近调制策略可以实现低频开关特性，大大减少开关损耗。本发明的双管半桥拓扑电路可以实现直交电能变换的双向可逆性。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明；[0038]图1示出一种基于单体电池的电能变换系统的示意图；
[0039]图2示出本发明所述电能变换系统电池管理模块的示意图；
[0040]图3示出本发明所述电能变换拓扑电路的示意图；
[0041]图4-1示出本发明所述电能变换拓扑电路以4个模块为例的工作模式实施例1的示意图；
[0042]图4-2示出本发明所述电能变换拓扑电路以4个模块为例的工作模式实施例2的示意图；
[0043]图4-3示出本发明所述电能变换拓扑电路以4个模块为例的工作模式实施例3的示意图；
[0044]图4-4示出本发明所述电能变换拓扑电路以4个模块为例的工作模式实施例4的示意图；
[0045]图4-5示出本发明所述电能变换拓扑电路以4个模块为例的工作模式实施例5的示意图；
[0046]图5-1示出本发明所述电能变换拓扑调制策略工作原理流程图；
[0047]图5-2示出本发明所述电能变换拓扑调制策略工作原理实施的示意图；
[0048]图6示出本发明所述电能变换系统控制单元及电池切换模块的示意图；
[0049]图7示出本发明所述电能变换系统工作原理流程图。
【具体实施方式】
[0050]本发明公开了一种基于单体电池电能变换的拓扑电路，该电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，多个双管半桥模块级联形成所述拓扑电路；所述双管半桥电路包括两个电力电子开关器件和两个单体电池接口。本发明所述拓扑电路中的多个双管半桥模块可根据负载需要的实际电压灵活配置实际所述的多管板桥模块的数量。所述电力电子开关器件包括碳化硅功率管、晶闸管、场效应管和绝缘栅双极性晶体管等可控开关器件。为了使本发明所述拓扑电路抗噪能力更强，输出电压质量更高，在级联双管半桥模块和电压输出端之间进一步设有一滤波模块。本发明进一步公开了一种包括上述拓扑电路的电能变换系统，该系统包括用于将单体电池电能变换为交流电的电能变换拓扑电路，所述拓扑电路包括多个双管半桥模块和电压输出端，多个双管半桥模块级联形成所述拓扑电路，所述双管半桥电路包括两个电力电子开关器件和两个单体电池接口 ；用于实时监控电池状态的电池管理模块，所述电池管理模块可以实时检测电池状态，对每个电池的电压、电量、温度等参数进行监测，判断电池是否需要进行充电，如需要充电则通过充放电控制模将例如充电机的充电模块与单体电池相连接根据电池参数给单体电池充电，该模块还可以直接与例如手机或电脑灯外部设备相连接，对电池状态进行监控及管理；用于监控系统运行状态的控制单元，所述控制单元包括用于根据上述调制方法产生驱动信号的驱动信号发生模块、用于对驱动信号发生模块发出的每个开关驱动信号进行功率放大和隔离的驱动信号隔离模块、用于根据外部负载需求控制系统启用状态的状态开关模块、用于根据电池管理模块获取的电池故障信息，对电池故障进行相应处理的电池故障处理模块、用于控制电能变换拓扑电路输出电压波形的波形调制模块和用于驱动电能变换拓扑电路的开关驱动信号隔离模块。
[0051]电能变换拓扑电路的工作过程:$Si的数值代表其本身的开关状态:1为导通，O为截止。则每一个模块的输出电压Vi (t)可表不为:
[0052]Vi (t) = Sil (-Eil)+ (1-Sil) Ei2,
[0053]由于各模块级联，输出电压等于各模块电压之和。
[0054]图4-1至4-5为本发明所述电能变换拓扑电路以四模块五电平输出的开关器件工作状态及电流通路情况的实施例。实施例中电平有4E、2E、0、-2E、-4E共5种电平，一种电平对应一种开关工作模式，共5中工作模式。每个模块开关由控制系统发出脉冲独立控制，其开关状态决定了模块电压的输出为-E或E，如图4-1至4-5所示，在每种工作模式下，电能变换拓扑电路都能输出对应的电平(图中加粗黑线为电流参考方向)，把输出的电平进行叠加得到阶梯波，阶梯波最后拟合出正弦波，即实现DC-AC变换。图4-1实施例1:V0 =E12+E22+E32+E42 = 4E,图 4-2 实施例 2:V0 = E12-E21+E32+E42 = 2E,图 4-3 实施例 3:V0=-E11-E21+E32+E42 = 0，图 4-4 实施例 4:V0 = -E11-E21-E31+E42 = -2E,图 4-5 实施例5:V0 = -E11-E21-E31-E41 = -4E，表1示出本发明所述电能变换拓扑电路开关工作模式与电平数的关系如表1所示
[0055]表1电能变换拓扑电路开关工作模式与电平数的关系
[0056]
【权利要求】
1.一种基于单体电池电能变换的拓扑电路，其特征在于:该电路包括多个双管半桥模块和电压输出端， 多个双管半桥模块级联连接形成所述拓扑电路； 所述双管半桥模块包括两个开关器件和两个单体电池接口。
2.根据权利要求1所述的拓扑电路，其特征在于:所述开关器件为碳化硅功率管、晶闸管、场效应管或绝缘栅双极性晶体管。
3.根据权利要求1所述的拓扑电路，其特征在于:所述拓扑电路进一步包括连接在级联双管半桥模块和电压输出端之间的滤波模块。
4.一种用于调制权利要求1所述拓扑电路的调制方法，其特征在于:该方法包括 51、判断电路中所有单体电池电量状态是否一致，如所有单体电池的电量状态一致，则执行步骤S2和S3，如至少有一个单体电池的电量状态不一致，则执行步骤S4和S5 ； 52、利用循环脉冲激励的方式调整载波幅值，从而控制每个开关器件闭合时间，经η次循环后，每个单体电池达到电量状态均衡使用，η为双管半桥模块的数量； 53、对调制波和载波进行比较，当调制波大于载波时，输出信号1，开关Sn2导通，当调制波小于载波时，输出信号O,开关Snl导通； 54、通过查表确定当前工作状态下单体电池的电量状态； 55、根据电能变换拓扑电路输出的电平量，计算可充电的单体电池个数，同时选取相应个数的电量状态最低的单体电池作为充电对象，其余工作状态下的单体电池既给负载供电，同时也给待充电的单体电池充电； 56、重复步骤SI至S5。
5.根据权利要求4所述的调制方法，其特征在于: 所述步骤S2中循环脉冲激励为将载波Sn幅值大小在经过一个周期后改变为载波SI的幅值，SI的变为S2的，S2的变为S3的，以此类推进行载波幅值传递；所述一个周期为双管半桥模块的数量η乘以交流电的周期。
6.—种电能变换系统,其特征在于:该系统包括 用于将单体电池电能变换为交流电的电能变换拓扑电路， 所述拓扑电路包括多个双管半桥模块和电压输出端， 多个双管半桥模块级联形成所述拓扑电路， 所述双管半桥电路包括两个电力电子开关器件和两个单体电池接口； 用于实时监控单体电池状态的电池管理模块；和 用于监控电能变换系统运行状态的控制单元。
7.根据权利要求6所述的电能变换系统，其特征在于:所述控制单元包括 用于根据上述调制方法产生驱动信号的驱动信号发生模块； 用于对驱动信号发生模块发出的每个开关驱动信号进行功率放大和隔离的驱动信号隔离模块； 用于根据所述电能变换拓扑电路输出的电压波形，产生调制信号，从而对输出电压进行调制的波形调制模块； 用于根据外部负载需求控制系统启用状态的状态开关模块； 用于根据电池管理模块获取的电池故障信息，对电池故障进行相应处理的电池故障处理模块。
8.根据权利要求7所述的电能变换系统，其特征在于:该系统还包括用于给单体电池充电的充电模块。
9.根据权利要求7所述的电能变换系统，其特征在于:该系统还包括连接在备用电池和工作电池之间的切换模块，根据来自控制单元的指令，将备用电池接入系统。
10.根据权利要求7所述的电能变换系统，其特征在于:该系统还包括用于将输出电压的波形信息反馈给 控制单元的波形反馈模块。
【文档编号】H02J7/00GK103972963SQ201410200474
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】刁伟萍, 韦绍远, 姜久春 申请人:北京交通大学