CN107294183A - 电容‑二极管网络多路电压均衡器拓扑及其控制方法 - Google Patents

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徐顺刚
李小龙
许建平
文瑞强
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
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Abstract

本发明公开了一种电容‑二极管网络多路电池电压均衡器拓扑，该拓扑由前级DC‑AC变换器、交流电压母线、后级电容‑二极管均衡网络和电池组构成。通过调节交流电压母线的电压幅值和频率，可实现电池组中各电池单体的电压均衡。相对于传统的电池均压方案，该发明无需大量开关管或多绕组变压器，电路结构简单，具有控制简单、易扩展及体积小等特点，同时该发明可实现各电池单体独立均衡，为需要多路电压均衡的应用提供了一种高性能、低成本的解决方案。

Description

电容-二极管网络多路电压均衡器拓扑及其控制方法
技术领域
本发明涉及锂电池均压技术领域，尤其是电容-二极管网络多路电压均衡器拓扑及其控制方法。
背景技术
目前，能源危机与环境污染日益成为人们关注的热点问题。在能源危机和环境保护的双重压力下，世界各国都在积极进行绿色能源技术开发。在各种绿色能源的开发应用中，锂电池以其比能量高、无记忆效应、循环寿命长等优点，广泛应用于各种储能***中。但锂电池单体电压较低，需要将数十个甚至上百个电池单体串联成组以实现高压输出。由于在制造和使用过程中各单体电池内阻、漏电流、温度等特性的差异性，易造成电池组的不均衡现象，具体表现为使用过程中出现单体电池的过充和过放现象，并最终导致电池组性能急剧下降、循环寿命缩短。为延长电池组使用寿命，需在电池组中加入电压均衡电路。
现有的电池均压技术基本可分为三类，即基于高频开关电源技术均压、基于多绕组变压器均压和基于电压倍增器拓扑结构均压。基于高频开关电源原理的均压技术可实现各电池单体的高精度、独立电压调节。但其存在电路元器件多、控制复杂和成本高等缺点。而传统的基于多绕组变压器的均压技术，虽然控制简单，但受变压器体积、副边漏感及加工工艺影响，较难实现高精度均压、不易维护且扩展能力差。现有基于电压倍增器拓扑结构的均压技术，其利用电容及二极管网络进行均压，电路结构及控制相对简单，但该均压技术无法实现各电池单体独立均压、交叉影响严重。
发明内容
本发明提供的电路拓扑，克服了现有均压技术的以上缺点。
本发明采用的技术方案是：
电容-二极管多路电池电压均衡器拓扑，由前级DC-AC变换器、交流电压母线、后级电容-二极管均衡网络和电池组构成，前级DC-AC变换器输出端直接与交流电压母线相连接；交流电压母线上同时并联有N个电压均衡模块，每个电压均衡模块由两个电容及一个由二极管组成的整流桥构成，所有N个电压均衡模块构成后级电容-二极管均衡网络，各电压均衡模块输出端独立连接一个电池单体，所有电池单体串联连接构成电池组；交流电压母线上连接有母线控制器。
母线控制器通过调节交流电压母线的电压幅值和频率实现各电池单体的电压均衡，后级电容-二极管均衡网络中二极管整流桥的电流导向性，使得无论母线电压为正或为负，后级电容-二极管均衡网络中的电压均衡模块均可正常工作。
进一步地，后级电容-二极管均衡网络中的电压均衡模块由电容、二极管组成，无需开关器件及多绕组变压器，减小了均衡器体积及控制复杂度。同时后级电容-二极管均衡网络中的均衡模块以并联方式连接与交流电压母线，各电池单体均衡过程相互独立，无交叉影响，可同时实现N路电池电压均衡，扩展能力强。
此外，前级DC-AC变换器可为任意拓扑的DC-AC变换器。
本发明的目的还在于，提供一种电容-二极管网络多路电池电压均衡器拓扑的控制方法：前级DC-AC变换器将直流电压变为交流电压，后级电容-二极管均衡网络中的电压均衡模块通过电容充放电实现电池均衡，母线控制器通过调节交流电压母线的电压幅值和频率控制各电池单体的均衡电压，后级电容-二极管均衡网络中二极管整流桥的电流导向性，使得无论母线电压为正或为负，均衡模块均可正常工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、与现有的主动均衡技术相比，本发明所需开关管数量与串联电池数量无关，且均衡电路中无多绕组变压器，具有电路结构简单、体积小、成本低、电路控制简单等优点。
二、与现有的主动均衡技术相比，本发明交流电压母线上同时并联有N个电池电压均衡模块，各均衡模块均衡过程相互独立，无交叉影响。通过调节母线电压的幅值和频率即可实现各电池单体的电压均衡。
三、与现有的主动均衡技术相比，本发明仅使用一个前级DC-AC变换器即可实现多路电池均衡。
附图说明
图1a为本发明的电路结构图；
图1b为本发明的电压均衡模块电路图结构；
图2为本发明的等效电路图；
图3a为图2所示等效电路在一个均衡周期的工作模态一电路图；
图3b为图2所示等效电路在一个均衡周期的工作模态二电路图；
图4为本发明的电路拓扑对应的交流电压均衡等效模型；
图5为本发明的电路拓扑对应的直流电压均衡等效模型；
图6为本发明以半桥式DC-AC变换器为前级变换器，半桥式DC-AC变换器输入为外部直流电源的三电池电压均衡实施例；
图7为图6实施例的母线电压波形及其他主要实验波形；
图8为图6实施例的电池充电状态下电压波形图；
图9为本发明以半桥式DC-AC变换器为前级变换器，半桥式DC-AC变换器输入为电池组自身的三电池电压均衡实施例；
图10为图9实施例的电池静置状态下电压波形图。
具体实施方式
下面通过具体的实例并结合附图对本发明做进一步详细的描述：
图1a为本发明的***结构框图，如图1所示，该发明利用前级DC-AC变换器将直流电压变换为交流电压，如图1b所示后级电容-二极管网络中的电压均衡模块由电容、二极管组成，后级电容-二极管均衡网络中的电压均衡模块通过电容充放电实现电池均衡，电容的通交隔直作用，及二极管构成的整流桥具有电流导向性，其可有效防止电压均衡模块所对应电池单体短路，同时后级电容-二极管均衡网络中二极管整流桥的电流导向性，使得无论母线电压为正或为负，均衡模块均可正常工作。
如图3所示，当前级DC-AC变换器输入端接外部电源时，电路均衡过程有两个模态。
ModeI:图3a中的模态一，此时前级DC-AC变换器控制Vbus＝EA>0，对电池Bi，均衡电流经电容Ci1、Ci2，二极管Di1、Di2流入电池Bi(i＝1,2,…,n)，此时二极管Di3、Di4反向截止。
ModeII:图3b中的模态二，此时前级DC-AC变换器控制Vbus＝EB<0，对电池Bi,均衡电流经电容Ci2、Ci1，二极管Di3、Di4流入电池Bi(i＝1,2,…,n)，此时二极管Di1、Di2反向截止。
由上述模态知，母线电压Vbus不断在EA、EB两个电压之间交替变换，Vbus可等效为一个带有直流偏置Vdc的对称交流电压源Vac。其中Vdc＝(EA+EB)/2，Vac＝(EA—EB)/2。由于电容的通交隔直作用，直流偏置电压Vdc只影响均衡模块中电容电压，只有对称交流电压源Vac影响均衡过程。故图1所示电容二极管网络多路电池电压均衡拓扑可等效为图4所示交流均衡模型，同时其可等效为图5所示直流均衡模型。由图4、图5可知，电池组中所有电池单体Bi(i＝1,2,…,n)最终都将均衡至电压(EA—EB)/2。
图7和图8为图6实施例对应的均衡波形，电池初始电压VB1＝3.22V,VB2＝3.32V,VB3＝3.56V,VB4＝3.60V，交流母线电压Vbus为交流方波电压，其幅值为3.65V。由图7和图8知，尽管电池初始电压不同，但随着充电过程的持续，该均衡器实现了电池组的电池电压均衡，且始终保持电压越电池单体充电电流越大。
图10为图9实施例对应的均衡波形，前级DC-AC变换器输入端能量由电池组自身提供，由图10知，在电池静置状态下，图9实施例无需外部提供电源，可自行实现电压均衡，故其可实现电池组充电、放电和静置状态下均衡。
综上，本发明所提出的一种电容二极管网络多路电池电压均衡拓扑，结构简单，工作效率高，且不论电池组在充电、放电还是静置状态，均衡器均能快速实现电池单体电压均衡。

Claims (2)

1.电容-二极管网络多路电压均衡器拓扑，其特征在于，包括前级DC-AC变换器、交流电压母线、后级电容-二极管均衡网络和电池组；前级DC-AC变换器的输出端与交流电压母线相连接；交流电压母线上同时并联有N个电压均衡模块，所述的电压均衡模块包括两个电容和一个由二极管组成的整流桥；N个电压均衡模块构成后级电容-二极管均衡网络，各电压均衡模块输出端独立连接一个电池单体，所有电池单体串联连接构成电池组；交流电压母线上连接有母线控制器。
2.根据权利要求1所述的电容-二极管网络多路电池电压均衡器拓扑的控制方法，其特征在于，前级DC-AC变换器将直流电压变为交流电压，后级电容-二极管均衡网络中的电压均衡模块通过电容充放电实现电池均衡，母线控制器通过调节交流电压母线的电压幅值和频率控制各电池单体的均衡电压，后级电容-二极管均衡网络中二极管整流桥的电流导向性，使得无论母线电压为正或为负，均衡模块均可正常工作。
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