一种应用于储能系统的DC-DC变换器

本发明提出的电路拓扑可用于实现储能系统的充电均衡、放电均衡和静置均衡，并可实现任一储能单元的旁路。本发明涉及储能领域，尤其涉及实现储能系统充电均衡、放电均衡、静置均衡以及旁路的dc-dc变换器。

背景技术：

1、电池储能单元广泛应用于小型便携式设备、电动汽车和储能电站等系统中。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。

2、由于在容量、内阻、自放电率等方面存在差异，储能单元反复充电或放电会造成串联储能单体之间逐渐不平衡。随着储能单体的增多，储能单体之间的温度差异难以避免，这会使得储能单体不平衡的情况更加严重。

3、为了充分利用储能系统的容量，确保每个储能单体在最佳性能状态下工作，通常需要采用电压均衡技术。电压均衡技术本质上是通过电力电子器件对串联储能系统的能量进行耗散、转移，以达到整个串联系统的平衡。比如：1)被动均衡技术在电压较高储能单体两端并联放电电阻将能量消耗掉；2)主动均衡技术对电压较高的储能单体借助电容、电感、变压器等构成的回路向电压较低的储能单体进行能量转移；上述的两种方法可实现整个储能系统的电压均衡，提高整个储能系统的能量利用率，延长储能系统的使用寿命。

4、目前，国内外已经提出了多种电压均衡技术来解决电压不平衡的问题。根据电压均衡过程中电路对能量的消耗情况，均衡电路可分为被动型均衡电路和主动型均衡电路两种。相比于被动型均衡，主动型均衡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dc-dc变换器、基于电感或电容、基于变压器等均衡方案等。较之被动均衡技术，传统主动均衡技术的显著缺点是复杂度高，成本高，其应用受到了限制。

5、传统的储能系统中，充放电电路和均衡电路相对独立，存在集成度低的问题。传统储能系统中的另一个问题是：串联储能串中若一个单体出现问题，整个串就不能工作，而大型储能系统中往往几百个储能单体串联。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种应用于储能系统的dc-dc变换器，该变换器能够实现储能系统的充电均衡、放电均衡和静置均衡，提高了系统的集成度；并且能够实现旁路功能，增加了系统的可靠性。另外，针对磁性元件数量较多、体积较大的问题，本发明提供了多个磁性元件集成的解决方案，降低了成本和体积。本发明可以使储能系统在充电、放电与静置状态下都能够进行储能单体之间的均衡，提高了系统均衡特性；还可以在多个单元情况下使储能系统同时旁路任一储能单元所对应的储能串，提高了系统的可靠性。

2、本发明的技术方案是：

3、一种应用于储能系统的dc-dc变换器，其特征在于，包含两个电路模块1和2、两个开关器件ka和kb、一个多输出均衡电路；

4、所述电路模块1具有5个端子，分别是2a、2b、1c、1d、e，端子2a和2b用来连接电源或负载，端子2a连接电源的正极1a，端子2b连接电源的负极1b；当电路模块1与电源连接时，端子2a和2b是电路模块1的输入侧，端子1c和e是电路模块1的一路输出，端子1d和e是电路模块1的另一路输出；当电路模块1与负载连接时，端子2a和2b是电路模块1的输出侧，端子1c和e是电路模块1的一路输入，端子1d和e是电路模块1的另一路输入；

5、端子1c和1d用来连接电路模块2，端子1c连接电路模块2的端子2c，端子1d连接电路模块2的端子2d；

6、端子e用来连接开关器件kb和多输出均衡电路；端子e连接多输出均衡电路的端子y和开关器件kb的正极，端子2b和e是等电位；

7、所述电路模块2具有5个端子，分别是2c、2d、1f、1g、x，端子2c和2d用来连接电路模块1，端子2c连接电路模块1的端子1c，端子2d连接电路模块1的端子1d；当电路模块1与电源连接时，端子2c和2d是电路模块2的输入侧，端子1f和1g是电路模块2的输出侧；当电路模块1与负载连接时，端子2c和2d是电路模块2的输出侧，端子1f和1g是电路模块2的输入侧；端子1f和1g用来连接多输出均衡电路，端子1f连接多输出均衡电路的端子2f，端子1g连接多输出均衡电路的端子2g，端子x同时连接开关器件ka的正极和开关器件kb的负极；

8、多输出均衡电路有4个端子，分别是2f、2g、y、z，端子2f和2g用来连接电路模块2，端子2f连接电路模块2的端子1f，端子2g连接电路模块2的端子1g；当电路模块1与电源连接时，端子2f和2g是多输出均衡电路的输入侧，当电路模块1与负载连接时，端子2f和2g是多输出均衡电路的输出侧；端子y连接开关器件kb的正极和电路模块1的端子e，端子y和电路模块1的端子e是等电位，端子z连接开关器件ka的负极；

9、外部电源或负载的端子1a与电路模块1的端子2a相连；外部电源或负载的端子1b与电路模块1的端子2b相连；电路模块1的端子1c与电路模块2的端子2c相连，电路模块1的端子1d与电路模块2的端子2d相连；电路模块1的端子e与开关器件kb的正极相连；电路模块1的端子e与多输出均衡电路的端子y相连；电路模块2的端子1f与多输出均衡电路的端子2f相连，电路模块2的端子1g与多输出均衡电路的端子2g相连；电路模块2的端子x与开关器件ka的正极相连；电路模块2的端子x与开关器件kb的负极相连；开关器件ka的负极与多输出均衡电路的端子z相连；开关器件kb的正极与多输出均衡电路的端子y相连；开关器件ka的正极与开关器件kb的负极相连；所述的开关器件ka和kb是mosfet或igbt中的一种；开关器件ka和kb为mosfet时，mosfet的源极为器件ka和kb的正极，mosfet的漏极为器件ka和kb的负极；开关器件ka和kb为igbt时，igbt的发射极为器件ka和kb的正极，igbt的集电极为器件ka和kb的负极。

10、电路模块2包含三个绕组和一个磁芯构成的集成磁件，该集成磁件有六个端子m1-m6，绕组1的两个端子为m1与m2，绕组2的两个端子为m3与m4，绕组3的两个端子为m5与m6；集成磁件的端子m1与端子2c相连，端子m2与端子x相连，端子m3与端子1g相连，端子m4与端子1f相连，端子m5与端子2d相连，端子m6与端子x相连；绕组1和绕组3用于连接电路模块1和两个开关器件ka、开关器件kb；绕组2用于连接多输出均衡电路；

11、绕组的缠绕方式为：绕组1绕在磁芯的侧柱，绕组2绕在磁芯的中柱，绕组3绕在另一个侧柱；

12、或者绕组的缠绕方式为：绕组1绕在磁芯的两个侧柱，绕组2和绕组3绕在中柱。

13、电路模块2包含两个绕组、一个磁芯和一个单独的电感器构成的集成磁件，两个绕组和一个磁芯集成在一起，电感器l的两个端子分别记为m1与m2，绕组1的两个端子为m3与m4，绕组2的两个端子为m5与m6；绕组1的端子m4与绕组2的端子m6互为同名端；电感器l和绕组2用于连接电路模块1和两个开关器件ka、开关器件kb；绕组1用于连接多输出均衡电路；

14、绕组1的端子m4与绕组2的端子m6互为同名端；电感器l的端子m1与端子2c相连，端子m2与端子x相连；绕组1的端子m3与端子1g相连，端子m4与端子1f相连，端子m5与端子2d相连，端子m6与端子x相连。

15、所述绕组1和绕组2的匝比为1：3；电感器l和绕组2所对应的激磁电感的电感值相同。

16、电路模块1包含四个开关器件kj，j＝1,2,3,4；一个电容cb；开关器件k1的负极与端子a相连，开关器件k1的正极与开关器件k2的负极相连，并且开关器件k1的正极与电容cb的一端相连，电容cb的另一端与开关器件k3的负极相连，开关器件k3的负极与端子1d相连，开关器件k3的正极与端子b相连，并且开关器件k3的正极与开关器件k4的正极相连，开关器件k4的正极与端子e相连，开关器件k4的负极与开关器件k2的正极相连，开关器件k2的正极与端子1c相连；

17、开关器件kj的选择包含以下配置：(1)当k1和k2选择二极管时，k3和k4选择mosfet或者igbt；(2)当k1和k2选择mosfet或者igbt时，k3和k4选择mosfet、igbt或二极管；开关器件kj为mosfet时，mosfet的源极为器件kj的正极，mosfet的漏极为器件kj的负极；开关器件kj为igbt时，igbt的发射极为器件kj的正极，igbt的集电极为器件kj的负极；开关器件kj为二极管时，二极管的阳极为器件kj的正极，二极管的阴极为器件kj的负极；

18、所述储能系统有两种均衡工作模式；(1)开关器件k1和k2为mosfet或igbt时，储能系统有充电均衡和静置均衡两种工作模式；(2)开关器件k1和k2为二极管，开关器件k3和k4为mosfet或igbt时，储能系统有放电均衡和静置均衡两种工作模式。

19、电路模块1包含四个开关器件kj，j＝1,2,3,4；开关器件k1的负极与端子a相连，开关器件k1的负极与开关器件k2的负极相连，开关器件k1的正极与开关器件k3的负极相连，开关器件k3的负极与端子1d相连，开关器件k3的正极与端子b相连，并且开关器件k3的正极与开关器件k4的正极相连，开关器件k4的正极与端子e相连，开关器件k4的负极与开关器件k2的正极相连，开关器件k2的正极与端子1c相连；k2的负极与端子a相连；

20、开关器件kj的选择包含以下配置：(1)当k1和k2选择二极管时，k3和k4选择mosfet或者igbt；(2)当k1和k2选择mosfet或者igbt时，k3和k4选择mosfet、igbt或二极管；开关器件kj为mosfet时，mosfet的源极为器件kj的正极，mosfet的漏极为器件kj的负极；开关器件kj为igbt时，igbt的发射极为器件kj的正极，igbt的集电极为器件kj的负极；开关器件kj为二极管时，二极管的阳极为器件kj的正极，二极管的阴极为器件kj的负极；

21、所述储能系统至少有两种均衡工作模式：(1)所述开关器件k1和k2为mosfet或igbt，开关器件k3和k4为mosfet或igbt时，储能系统有充电均衡、放电均衡和静置均衡三种工作模式；(2)所述开关器件k1和k2为mosfet或igbt，开关器件k3和k4为二极管时，储能系统有放电均衡和静置均衡两种工作模式；(3)所述开关器件k1和k2为二极管，开关器件k3和k4为mosfet或igbt时，储能系统有放电均衡和静置均衡两种工作模式。

22、多输出均衡电路包含一个连接单元、m个整流单元i、m个储能单体bi，i＝1,2,…,m；所述m个整流单元依次串联，且分别连接一个储能单体，所有整流单元的端子qi均与连接单元的同一端连接，连接单元的另一端与端子2g相连；所述的储能单体为电池或超级电容，为一个单体或多个单体的串并联组合；连接单元的类型包含以下三种类型：1)一个电容与一个电感的串联，2)一个电感，3)一根导线；所述整流单元的类型包含以下三种类型：1)倍压型整流单元，2)倍流型整流单元，3)基于耦合电感的倍流型整流单元。

23、应用于储能系统的dc-dc变换器扩展到n个单元；每个单元均包含一个电路模块1、一个电路模块2、两个开关器件ka和kb、一个多输出均衡电路，n个单元的dc-dc变换器连接方式为：将第1个单元的电路模块1与电源正极连接的端子2a1和外部电源或负载的正极端子1a相连，第n个单元的电路模块1与电源负极连接的端子2bn和外部电源或负载的负极端子1b相连，剩余单元内的电路模块1的2a、2b端子依次串联，即第i个单元的端子2ai与第i-1个单元的端子2bi-1相连，i＝2,…,n；

24、扩展到n个单元的dc-dc变换器采用分层主动均衡的方案，第一层用于不同单元的储能单体之间的均衡，第二层用于同一单元中储能单体串之间的均衡，即实现了单元和单元之间储能单体的均衡和单元内部各储能单体之间的均衡。

25、应用于储能系统的dc-dc变换器通过n个单元之间的调节，实现所有单体之间的均衡，并能够实现旁路任意一个单元所对应的储能单体串的功能；旁路第i个单元的控制方法为：

26、控制第i个单元内的开关器件ki1、ki2和ki4导通，ki3、kia和kib关断，将第i个单元内的储能单体串旁路；

27、第i个单元内的储能单体串被旁路，其余单元j内的储能单体串仍进行充电均衡模式或放电均衡模式，j≠i,j＝1,2,…,n。

28、本发明的积极进步意义在于：(1)可以实现储能系统的充放电均衡、静置均衡以及旁路三种功能，复用了开关管，提高了系统的集成度，简化了系统，降低了成本；(2)可以使储能系统旁路任一储能单元所对应的储能串，即使得电压较高的储能串不参与均衡过程，提高了系统的可靠性；(3)储能系统在充电、放电与静置状态下都能够进行储能单体之间的均衡，能够提高系统均衡特性；(4)电路模块2中的集成磁件包含三个绕组和一个磁芯，起到两个电感和一个变压器集成的效果；或者集成磁件包含两个绕组、一个磁芯和一个单独的电感器，其中两个绕组和一个磁芯起到一个电感和一个变压器集成的效果；减小了变换器的体积和重量，降低了成本。