一种模块化均衡电路及其控制方法

本发明涉及储能，尤其涉及一种模块化均衡电路及其控制方法，用于储能系统均衡储能。

背景技术：

1、串联的锂离子电池如今被广泛应用在便携式电子设备、家用电器以及其他商用电池供电应用。一般情况下，电池之间不可避免的会存在公差，加上温度分布不均匀和老化的差异，串联的电池会逐渐变得不平衡。当一个电池到达允许的工作范围边界时，会使整体的电池组充电或放电终止，使得电池组的容量不能够充分利用。随着电池组的循环使用，单体不一致性将加剧，进一步恶化锂离子电池的成组特性，极易发生少数单体过充过放情况，从而导致电池组性能大幅衰减，极端情况下甚至可能导致燃烧、爆炸等恶性事故，给锂离子电池的应用推广造成极大的阻碍。

2、因此在串联储能系统中，通常需要引入均衡系统来降低储能单体间的不一致性，均衡系统的引入可以延长系统运行的时间，提高储能单体的利用率，防止单体在工作过程中过充过放，延长电池组的循环寿命，保障电池组使用安全。

3、模块化均衡技术由于其均衡速度快、效率高、拓展性强等优点广泛应用于大规模电池串联储能系统应用中。由单元级均衡电路与模组级均衡电路组成：单元级均衡电路均衡模组内部电池，模组级均衡电路实现不同模组间的均衡。

4、高电压等级的储能系统需要选择拓展性强的均衡结构，但拓展性强会由于均衡路径过长导致均衡速度和均衡效率的降低；当追求均衡速度和均衡效率时又会增加有源开关管的数量导致成本较高；当模组均衡电路使用一个多绕组变压器时，随着电压等级提高，即模组数目的增多，多绕组变压器的绕制难度增大，这又会极大限制了拓扑的拓展性，或者在电压等级提高时模组级均衡器承受的电压应力过高而限制拓扑的拓展性。

5、因此，一种拓展性能强，同时均衡速度和均衡效率高、成本低的模块化均衡电路亟待被提出。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供了一种新型模块化均衡电路及其控制方法。该模块化均衡电路成本低、拓展性强、均衡速度和均衡效率高，结构简单，易于推广使用。

2、本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种模块化均衡电路，包括单元级均衡电路与模组级均衡电路，单元级均衡电路和模组级均衡电路分别实现组内和组间储能单体电压均衡；所述模块化均衡电路包括电源、变换器、选择开关、变压器、整流电路、滤波器、组内均衡电路和n*m个串联储能单体，模组数量为n，每个模组内的储能单体的数量为m，整流电路的数量、变压器的数量和滤波器的数量、组内均衡电路的数量与模组数量相同；选择开关的数量为n+1，记为s1～sn+1；

4、其中，电源、变换器、选择开关s1-sn+1、变压器t1-变压器tn、整流电路1-整流电路n、滤波器1-滤波器n构成模组级均衡电路；组内均衡电路1-组内均衡电路n为单元级均衡电路；

5、电源直接与变换器连接，所述变换器的两个输出端分别记为a和b，i表示第i个模组，当i为奇数时，开关si一端与变换器的输出端a连接，开关si另一端与变压器ti的一次侧同名端wi1相连；开关si+1一端与变换器的输出端b连接，开关si+1另一端与变压器ti的一次侧异名端wi2相连；

6、当i为偶数时，开关si一端与变换器的输出端b连接，开关si另一端与变压器ti一次侧同名端wi1相连；开关si+1一端与变换器的输出端a连接，开关si+1另一端与变压器ti一次侧异名端wi2相连；

7、所述变压器ti的二次侧依次连接整流电路i、滤波器i、模组i和组内均衡电路i。

8、所述电源为恒压源、电池、超级电容中的至少一种；所述变换器为dc-ac变换器，输出脉冲宽度可调交变方波，优选为半桥逆变电路、全桥逆变电路或推挽逆变电路中的至少一种，变换器中用到的开关器件为mosfet或igbt中的至少一种；

9、所述储能单体包含电池或超级电容，一个储能单体可以为一个单池，也可以为多个电池串并联构成；

10、选择开关s1-sn+1为由mosfet或继电器中的至少一种构成；

11、所述整流电路1-整流电路n为全桥整流电路或全波整流电路，整流电路中的开关器件为二极管、mosfet或igbt实现；

12、所述滤波器1-滤波器n为电容滤波、电感滤波、复式滤波或有源rc滤波中的至少一种；

13、组内均衡电路1-组内均衡电路n为被动型均衡电路或主动型均衡电路，被动型均衡电路包括恒定电阻型均衡电路或开关电阻型均衡电路，主动型均衡电路包括buck-boost型均衡电路、开关电容型均衡电路或多绕组变压器均衡电路。

14、所述电源选用超级电容，变换器为全桥变换器，整流电路1-整流电路n选用二极管全桥整流，滤波器1-滤波器n选用电感加电容滤波，组内均衡电路1-组内均衡电路n选用buck-boost变换器；全部有源开关器件都选用mosfet；其中q1～q4是全桥变换器的四个开关管，同一桥臂的两个开关管以180°互补导通，q1和q2分别超前于q4和q3；t1-tn是双绕组功率变压器，d11～d14-dn1～dn4是变压器副边四个整流二极管，l1-ln是输出滤波电感，c1-cn是输出滤波电容；q1-1～q1-4-qn-1～qn-4是buck-boost变换器的开关器件mosfet，l1-1～l1-2-ln-1～ln-1是buck-boost变换器的电感；

15、当选择接入第i个模组，模组级均衡电路具体的电气连接方式为：

16、1)当i为奇数时，电源vin与全桥变换器(q1～q4)相连，全桥变换器中超前桥臂(q1、q2)的中点为a，滞后桥臂(q3、q4)中点为b，闭合与变换器超前桥臂中点a连接的开关si，闭合变换器滞后桥臂b连接的开关si+1，断开其他开关，使变压器ti一次侧同名端与a相连，异名端与b相连，变压器ti二次侧与四个整流二极管di1～di4相连，四个整流二极管di1～di4与输出滤波电感li和输出滤波电容ci相连，输出滤波电感li另一端与开关器件qi-1相连，输出滤波电容ci并联在模组i两端；

17、2)当i为偶数时，电源vin与全桥变换器(q1～q4)相连，全桥变换器中超前桥臂(q1、q2)的中点为a，滞后桥臂(q3、q4)中点为b，闭合与变换器超前桥臂中点a连接的开关si+1，闭合变换器滞后桥臂b连接的开关si，断开其他开关，使变压器ti一次侧同名端与b相连，异名端与a相连，变压器ti二次侧与四个整流二极管di1～di4相连，四个整流二极管di1～di4与输出滤波电感li和输出滤波电容ci相连，输出滤波电感li另一端与开关器件qi-1相连，输出滤波电容ci并联在模组i两端。

18、第二方面，本发明提供上述模块化均衡电路的均衡控制方法，主控制芯片为模组级均衡电路提供两对互补的pwm波，为单元级均衡电路提供一对互补pwm波，每个模组配备一个电池测量芯片实时检测模组中每个电池的状态，测得电池电压值，并通过i2c通信方式传递给主控制芯片，主控制芯片得到各个模组电池电压数据，通过比较每个模组电压均值大小，主控制芯片驱动相应模组的选择开关导通，以此控制模组级均衡电流的方向；单元级均衡只需要一对互补的pwm波实现自均衡，不需外加的测量电路；

19、模组级均衡的测量周期为tm，每个测量周期初始时刻测量各电池模组电压，通过比较得到最大电池模组电压vbmmax与最小电池模组电压vbmmin，在测量周期内，当vbmmax与vbmmin的差值大于设定的均衡动作阈值电压δvth时，端电压最低的电池模组对应的选择开关选择导通，该电池模组处于充电状态，并进行下一时刻的测量，直至时间t不小于测量周期tm；当vbmmax与vbmmin的差值小于设定的均衡动作阈值电压δvth时，模组级均衡结束。若时间t不小于测量周期tm则进行下一周期的电压检测。

20、与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：

21、本发明中单元级均衡电路为模组内部电池单体提供均衡电流，模组级均衡电路为不同的模组提供均衡电流，模组级均衡电路的高频开关管设置在辅助电源一侧，降低了高频开关管电压应力，同时使用低电压等级的开关管，降低成本，模组级均衡电路选择开关数目为n+1(n为电池模组数量)，相对现有技术大大减少了选择开关数目，进一步降低了成本。本发明模块化均衡电路显著缩短了均衡路径，提高均衡效率，加快了均衡速度，同时可用于任意单体数目组成任意数目模组的储能应用，拓展性强。

22、当电压等级提高时，也不会影响其电路的拓展性，成本适中，不需要重新设计电路结构，也不会存在电压应力过高的现象，真正实现了模块化，综合性能优异，便于推广使用。