三电平电池充放电变换器的电容平衡控制系统及方法与流程

本发明涉及电池充放电变换设备，更具体地，涉及一种三电平电池充放电变换器的电容平衡控制系统及方法。

背景技术：

在当今社会节能减排、绿色环保的主题下，新能源领域如风电、光伏、新能源汽车等越来越受到重视。风电与光伏需要配套电池储能来调节电能的潮汐问题，新能源汽车更是需要电池完成驱动运行。随着材料和工艺的发展，电池成本越来越低，容量越来越高，因此近几年电池的市场迅速扩大。

电池需要配套的变换器才能完成可控的充放电过程，通常是能量双向流动电池充放电变换器。电池充放电变换器能将输入的直流电变为可控的直流电传递到电池侧，完成电池充电；也可以反向将电池侧的电能放电到变换器输入侧，实现电能调节。电池充放电变换器也分为隔离型变换器与非隔离型变换器，在大功率、固定安置的场景，通常采用非隔离的电池充放电变换器，以实现降低成本、简化控制的目的。非隔离型电池充放电变换器又分为两电平变换器与三电平变换器。

三电平变换器具有提高等效开关频率、提高耐压等级、降低器件应力等优点，因而被广泛使用。然而，现有的三电平双向直流变换器仍然具有电容电压不平衡以及控制复杂等诸多问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于解决现有的三电平双向直流变换器电容电压不平衡以及控制复杂的问题。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种三电平电池充放电变换器的电容平衡控制方法，在所述变换器中：依次首尾串联的4个开关器件分别为s1、s2、s3和s4，并联在s1和s2所连接成桥臂两端的是第一输入电容，并联在s3和s4所连接成桥臂两端的是第二输入电容，电感的第一端连接至s1和s2之间的线路，第二端连接至电池；所述电容平衡控制方法包括以下步骤：获取第一载波、第一调制波、第二载波和第二调制波，其中，第一载波和第一调制波分别为s1和s2所连接成桥臂上的载波和调制波，第二载波和第二调制波分别为s3和s4所连接成桥臂上的载波和调制波，第一载波和第二载波相位差为180º；判断电路是否处于0电平状态，其中，0电平状态为：第一调制波和第二调制波均小于或等于第一载波和第二载波；或第一调制波、第二调制波均大于第一载波和第二载波；在电路处于0电平状态的情况下，采集电感上的电流，取电流从电感的第一端流向第二端的方向为正，在电流小于0的情况下，电路处于第一状态，在电流大于或等于0的情况下，电路处于第二状态；比较第一输入电容的电压与第二输入电容的电压；在电路处于第一状态的情况下，若第一输入电容的电压大于第二输入电容的电压，则控制s2与s4开通且s1与s3关断；若第一输入电容的电压小于第二输入电容的电压，则控制s1与s3开通且s2与s4关断；在电路处于第二状态的情况下，若第一输入电容的电压大于第二输入电容的电压，则控制s1与s3开通且s2与s4关断；若第一输入电容的电压小于第二输入电容的电压，则控制s2与s4开通且s1与s3关断。

在本发明的一个示例性实施例中，所述第一载波和第二载波可均为三角波。

在本发明的一个示例性实施例中，在所述变换器中，所述开关器件s1、s2、s3和s4连接成的桥臂的顶端和底端可构成输入电压的接入端口；所述变换器具有第一输出端口和第二输出端口，其中，第一输出端口位于所述s3和s4之间，第二输出端口与电感的所述第二端连接，第一输出端口和第二输出端口还都与外部的电池连接。

在本发明的一个示例性实施例中，所述开关器件可包括igbt场效应管和mosfet中的至少一种。

在本发明的一个示例性实施例中，获取所述电感上的电流的方向可通过配置电流传感器和ad采样电路来实现。

在本发明的一个示例性实施例中，所述比较第一输入电容的电压与第二输入电容的电压可包括：在电路中配置电压传感器和ad采样电路，以采集所述第一输入电容的电压和所述第二输入电容的电压；将采集到的电压数据进行大小比较。

在本发明的一个示例性实施例中，所述的4个开关器件s1、s2、s3和s4的开通与关断可通过控制驱动脉冲来实现。

在本发明的一个示例性实施例中，在所述电路并非处于0电平状态的情况下，可进行正常调制。

本发明的另一方面提供了一种三电平电池充放电变换器的电容平衡控制系统，三电平电池充放电变换器包括：依次首尾串联的开关器件s1、s2、s3和s4，并联在s1和s2所连接成的第一桥臂两端的第一输入电容，并联在s3和s4所连接成的第二桥臂两端的第二输入电容，第一端连接至s1和s2之间线路、第二端连接至电池的电感；

所述电容平衡控制系统包括：信号采集机构、电流采集机构、电压采集机构、电平判断机构、电流流向判断机构、电压判断机构和开关控制机构，其中，

信号采集机构分别与第一桥臂和第二桥臂连接，以用于采集第一桥臂和第二桥臂上的信号波，信号波包括载波和调制波；

电流采集机构与电感连接，以用于采集电感上的电流数据；

电压采集机构分别与第一输入电容与第二输入电容连接，以用于采集第一输入电容上的电压和第二输入电容上的电压；

电平判断机构与信号采集机构连接，并能够根据信号采集机构采集的信号波来判断电路是否处于0电平状态，其中，在信号采集机构采集到的第一桥臂和第二桥臂的调制波均小于等于第一桥臂和第二桥臂的载波，或者第一桥臂和第二桥臂的调制波均大于第一桥臂和第二桥臂的载波时，电平判断机构判断电路处于0电平状态；

电流流向判断机构分别与电平判断机构和电流采集机构连接，在电平判断机构判断电路处于0电平状态的情况下，电流流向判断机构用于判断电流采集机构所采集的电流的流向，其中，取电流从电感的第一端流向第二端的方向为正向；

电压判断机构分别与电平判断机构和电压采集机构连接，在电平判断机构判断电路处于0电平状态的情况下，电压判断机构用于判断电压采集机构采集的第一、第二电压大小关系；

开关控制机构分别与电流流向判断机构和电压判断机构连接，开关控制机构还分别与开关器件s1、s2、s3和s4分别连接，并且在电流流向判断机构判断电感上的电流为正向的情况下：若电压判断机构判断出第一电压大于第二电压，开关控制机构控制s2与s4开通且s1与s3关断；若电压判断机构判断出第一电压小于第二电压，开关控制机构控制s1与s3开通且s2与s4关断；在电流流向判断机构判断电感上的电流为非正向的情况下：若电压判断机构判断出第一电压大于第二电压，开关控制机构控制s1与s3开通且s2与s4关断；若电压判断机构判断出第一电压小于第二电压，开关控制机构控制s2与s4开通且s1与s3关断。此外，所述电流采集机构包括电流传感器和ad采样电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明通过控制四个开关器件的开通和关断，使得输出侧电池合理充放电，控制流程简单，并解决了第一输入电容和第二输入电容的电压不平衡的问题。

附图说明

图1示出了i型三电平双向直流变换器的电路原理图；

图2示出了本发明的一个示例性实施例中三电平电池充放电变换器的电容平衡控制方法的流程图；

图3a示出了本发明的一个示例性实施例中的载波ucarr1、ucarr2与调制波ud1、ud2的第一种情况示意图；

图3b示出了本发明的一个示例性实施例中的载波ucarr1、ucarr2与调制波ud1、ud2的第二种情况示意图；

图4示出了本发明的一个示例性实施例中状态1情况下uc1﹥uc2的电路情况示意图；

图5示出了本发明的一个示例性实施例中状态1情况下uc1﹤uc2的电路情况示意图；

图6示出了本发明的一个示例性实施例中状态2情况下uc1﹥uc2的电路情况示意图；

图7示出了本发明的一个示例性实施例中状态2情况下uc1﹤uc2的电路情况示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例及附图来详细说明本发明的三电平电池充放电变换器的电容平衡控制系统及方法。

示例性实施例1

在本示例性实施例中，涉及一种变换器，在该变换器中：依次首尾串联的4个开关器件分别为s1、s2、s3和s4，并联在s1和s2所连接成桥臂两端的是第一输入电容，并联在s3和s4所连接成桥臂两端的是第二输入电容，电感的第一端连接至s1和s2之间的线路，第二端连接至电池。例如，在该变换器中，开关器件s1、s2、s3和s4连接成的桥臂的顶端和底端可构成输入电压的接入端口；变换器具有第一输出端口和第二输出端口，其中，第一输出端口位于s3和s4之间，第二输出端口与该电感的第二端连接，第一输出端口和第二输出端口还都与外部的电池连接。例如，开关器件可包括igbt场效应管和mosfet（即场效晶体管）中的至少一种。

涉及该变换器的三电平电池充放电变换器的电容平衡控制方法包括以下步骤：

获取第一载波、第一调制波、第二载波和第二调制波，其中，第一载波和第一调制波分别为s1和s2所连接成桥臂上的载波和调制波，第二载波和第二调制波分别为s3和s4所连接成桥臂上的载波和调制波，第一载波和第二载波相位差为180º。例如，获取开关器件的控制信号可通过控制器获得，其中，控制器是对开关器件产生控制信号的设备。例如，第一载波和第二载波可均为三角波，然而，本发明不限于此。

判断电路是否处于0电平状态，其中，0电平状态为：第一调制波和第二调制波均小于或等于第一载波和第二载波；或第一调制波、第二调制波均大于第一载波和第二载波。例如，在电路并非处于0电平状态的情况下，可进行正常调制。

在电路处于0电平状态的情况下，采集电感上的电流，取电流从电感的第一端流向电感的第二端的方向为正，在电流小于0的情况下，电路处于第一状态，在电流大于或等于0的情况下，电路处于第二状态；比较第一输入电容的电压与第二输入电容的电压。这里，也就是说，电感与开关器件s1、s2的连接处为一个节点，电感所处线路上的电流流出该节点为正。例如，获取电感上的电流的方向可通过配置电流传感器和ad采样电路来实现。然而，本发明不限于此。这里，第一输入电容的电压与第二输入电容的电压的比较均指电压的绝对值的比较，并不考虑电压的方向。

在电路处于第一状态的情况下，若第一输入电容的电压大于第二输入电容的电压，则控制s2与s4开通且s1与s3关断；若第一输入电容的电压小于第二输入电容的电压，则控制s1与s3开通且s2与s4关断。例如，比较第一输入电容的电压与第二输入电容的电压包括：在电路中配置电压传感器和ad采样电路，以采集所述第一输入电容的电压和所述第二输入电容的电压；将采集到的电压数据进行大小比较。例如，4个开关器件s1、s2、s3和s4的开通与关断可通过控制驱动脉动来实现。

在电路处于第二状态的情况下，若第一输入电容的电压大于第二输入电容的电压，则控制s1与s3开通且s2与s4关断；若第一输入电容的电压小于第二输入电容的电压，则控制s2与s4开通且s1与s3关断。

在本实施例中，当电路处于第一状态或第二状态且第一输入电容的电压等于第二输入电容的电压时，开关器件s1、s2、s3、s4均无开合要求，例如可正常调制，也可全部开通或关闭，还可以不作处理。

示例性实施例2

本示例性实施例的三电平电池充放电变换器的电容平衡控制系统中，三电平电池充放电变换器包括：依次首尾串联的开关器件s1、s2、s3和s4，并联在s1和s2所连接成的第一桥臂两端的第一输入电容，并联在s3和s4所连接成的第二桥臂两端的第二输入电容，第一端连接至s1和s2之间线路、第二端连接至电池的电感。

该电容平衡控制系统包括：信号采集机构、电流采集机构、电压采集机构、电平判断机构、电流流向判断机构、电压判断机构和开关控制机构。

信号采集机构分别与第一桥臂和第二桥臂连接，以用于采集第一桥臂和第二桥臂上的信号波，信号波包括载波和调制波。例如，第一桥臂的调制波和第二桥臂的调制波可以为相位差180º的三角波。

电流采集机构与电感连接，以用于采集电感上的电流数据。这里的电流数据可以是直接获取电感的电流的方向。然而，本发明不限于此，只要能够通过该数据计算出电感的电流的方向都包含在内。例如，电流采集机构可包括电流传感器和ad采样电路。

电压采集机构分别与第一输入电容与第二输入电容连接，以用于采集第一输入电容上的电压和第二输入电容上的电压。

电平判断机构与信号采集机构连接，并能够根据信号采集机构采集的信号波来判断电路是否处于0电平状态，其中，在信号采集机构采集到的第一桥臂和第二桥臂的调制波均小于等于第一桥臂和第二桥臂的载波，或者第一桥臂和第二桥臂的调制波均大于第一桥臂和第二桥臂的载波时，电平判断机构判断电路处于0电平状态。

电流流向判断机构分别与电平判断机构和电流采集机构连接，在电平判断机构判断电路处于0电平状态的情况下，电流流向判断机构用于判断电流采集机构所采集的电流的流向，其中，取电流从上述电感的第一端流向电感的第二端的方向为正向。

电压判断机构分别与电平判断机构和电压采集机构连接，在电平判断机构判断电路处于0电平状态的情况下，电压判断机构用于判断电压采集机构采集的第一、第二电压大小关系。这里，电压大小的比较均指电压的绝对值间的比较，并不考虑电压的方向。

开关控制机构分别与电流流向判断机构和电压判断机构连接，开关控制机构还分别与开关器件s1、s2、s3和s4分别连接，并且在电流流向判断机构判断电感上的电流为正向的情况下：若电压判断机构判断出第一电压大于第二电压，开关控制机构控制s2与s4开通且s1与s3关断；若电压判断机构判断出第一电压小于第二电压，开关控制机构控制s1与s3开通且s2与s4关断；在电流流向判断机构判断电感上的电流为非正向的情况下：若电压判断机构判断出第一电压大于第二电压，开关控制机构控制s1与s3开通且s2与s4关断；若电压判断机构判断出第一电压小于第二电压，开关控制机构控制s2与s4开通且s1与s3关断。

在本实施例中，电路处于0电平状态且第一电压等于第二电压时，开关器件s1、s2、s3、s4均无开合要求，例如可正常调制，也可全部开通或关闭，还可以不作处理。

示例性实施例3

图1示出了i型三电平双向直流变换器的电路原理图；图2示出了本发明的一个示例性实施例中三电平电池充放电变换器的电容平衡控制方法的流程图；图3a示出了本发明的一个示例性实施例中的载波ucarr1、ucarr2与调制波ud1、ud2的第一种情况示意图，第一种情况为ud1≦ucarr1且ud2≦ucarr1且ud1≦ucarr2且ud2≦ucarr2时的情况；图3b示出了本发明的一个示例性实施例中的载波ucarr1、ucarr2与调制波ud1、ud2的第二种情况示意图，第二种情况为ud1﹥ucarr1且ud2﹥ucarr1且ud1﹥ucarr2且ud2﹥ucarr2时的情况；图4示出了本发明的一个示例性实施例中状态1情况下uc1﹥uc2的电路情况示意图；图5示出了本发明的一个示例性实施例中状态1情况下uc1﹤uc2的电路情况示意图；图6示出了本发明的一个示例性实施例中状态2情况下uc1﹥uc2的电路情况示意图；图7示出了本发明的一个示例性实施例中状态2情况下uc1﹤uc2的电路情况示意图。

如图1所示，在本示例性实施例中，i型三电平双向直流变换器包含4个开关器件s1、s2、s3、s4，2个输入电容c1、c2，1个电感l。四个开关器件s1、s2、s3、s4依次按照首尾串联的方式连接成为桥臂，p1、q1为桥臂顶端与底端，m1、m2、m3为桥臂的三个中间端，p1、q1同时也是输入电压uin的接入端口。输入电容c1并联在s1和s2所连接成桥臂的两端，输入电容c2并联在s3和s4所连接成桥臂的两端，即c1的两端与p1和m2相连，即c2的两端与m2和q1相连。电感l的第一端与s1和s2中点端m1连接，第二端连接i型三电平电池充放电变换器的输出m4。与m4对应的另一个输出端口为m3，m3、m4分别与外部电池bat的两端相连，u0为外部电池bat两端的电压。

如图2、图3a和图3b所示，i型三电平双向直流变换器正常启动后，从控制器中获取s1和s2桥臂的载波ucarr1和调制波ud1，从控制器中获取s3和s4桥臂的载波ucarr2和调制波ud2。ucarr1和ucarr2均为对称三角波，且相位互差180º，调制波ud1和调制波ud2与载波比较后得到控制输出脉冲。当ud1﹥ucarr1且ud2﹥ucarr1且ud1﹥ucarr2且ud2﹥ucarr2时，或者当ud1≦ucarr1且ud2≦ucarr1且ud1≦ucarr2且ud2≦ucarr2时，电路同样处于“0”电平状态。在“0”电平状态下，采集电感电流il并判断方向，当il﹤0时，电路处于状态1；当i≧0时，电路处于状态2。电路处于状态1时，采集输入电容c1与c2上的电压，分别为uc1与uc2，并比较两电压大小，当uc1﹥uc2时，s2与s4开通，s1与s3关断；当uc1﹤uc2时，s1与s3开关，s2与s4关断。电路处于状态2时，采集输入电容c1与c2上的电压，分别为uc1与uc2，并比较两电压大小，当uc1﹥uc2时，s1与s3开通，s2与s4关断；当uc1﹤uc2时，s2与s4开关，s1与s3关断。按照该策略，明显可以实现输入电容c1与c2的电压平衡。这里，不论是状态1还是状态2，当uc1=uc2时，开关器件s1、s2、s3、s4均无开合要求，例如可正常调制，也可全部开通或关闭，还可以不作处理。

如图4所示，当il﹤0且uc1﹥uc2，按照电容平衡控制方法，此时s2与s4开通，s1与s3关断；电流流经电池、电感l、开关器件s2、电容c2和开关器件s4，电流给电容c2充电，实现输入电容c1与c2的电压平衡。

如图5所示，当il﹤0且uc1﹤uc2，按照电容平衡控制方法，此时s1与s3开通，s2与s4关断；电流流经电池、电感l、开关器件s1、电容c1和开关器件s3，电流给电容c1充电，实现输入电容c1与c2的电压平衡。

如图6所示，当il≧0且uc1﹥uc2，按照电容平衡控制方法，此时s1与s3开通，s2与s4关断；电流流经电池、电感l、开关器件s3、电容c1和开关器件s1，电流给电容c1放电，实现输入电容c1与c2的电压平衡。

如图7所示，当il≧0且uc1﹤uc2，按照电容平衡控制方法，此时s2与s4开通，s1与s3关断；电流流经电池、电感l、开关器件s4、电容c2和开关器件s2，电流给电容c2放电，实现输入电容c1与c2的电压平衡。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。