CN108521156A - 基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路，属于电力电子技术领域。串联储能单体数量为n时，包含n‑1个电感，n个开关管，2n‑2个双向开关。利用2n‑2个双向开关，可以控制n‑1个电感处于断路、短路、接入三种状态之一，再配合使用n个开关管，可以使单体或相邻单体构成的小组和其他与之相邻的单体或小组，以及处于接入状态电感构成BuckBoost变换器，实现均衡能量的传递。在电感数量不变、高频开关管数量减少、仅增加一些低频双向开关的情况下，实现比传统BuckBoost均衡电路更为灵活、多样化的均衡功能，可以提高均衡速度和均衡效率。

Description

基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路

技术领域

本发明涉及一种基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路，属于电力电子技术领域。

背景技术

以各种电池或超级电容器等储能单体构成的串联储能组在电动汽车、新能源发电等领域应用广泛。由于储能单体间存在不可避免的差异，在串联使用过程中，极易出现某个或某些单体过充或过放，如果不对储能组进行能量均衡，则会导致实际容量下降、使用寿命减少等诸多问题，因此储能体间的能量均衡一直是串联储能实际应用的关键技术之一。

一般而言，储能体的能量与其电压相关度高，因此往往通过释放电压较高单体的能量，补充电压较低单体的能量来实现能量均衡。和通过电阻消耗电压较高单体能量的无源均衡方式相比，利用变换器传递能量的有源均衡方式更受欢迎。在有源均衡方式中，绝大部分都是利用电感或耦合电感作为中间储能环节，在单体间传递能量，可以分为以下几种基本方式。

一是飞渡电感方式，电感两端和每个单体的正、负极都通过双向开关相连，这样每个单体都可以通过和电感交换能量，达到任意单体之间进行直接均衡的目的。这种方法需要大量的双向开关，双向开关中的两个开关管也需要不同的驱动信号，此外由于开关切换动作时需要留有死区时间，电感电流没有续流路径会形成较大的电压尖峰。

二是BuckBoost变换器方式，以两个相邻单体、两个开关管和一个电感组成BuckBoost变换器，可实现相邻单体间的能量均衡。在每两个相邻单体间设置BuckBoost变换器，通过能量在相邻单体间的依次传递，可实现整组的能量均衡。该方法控制简单，但不相邻单体不能直接进行能量均衡，因此均衡速度较慢。

三是反激变换器方式，将多输出绕组变压器的原边绕组经双向开关连接串联储能组，各副边绕组分别经双向开关连接各单体，虽然各单体间不能直接进行能量传递，但可使电压较高单体向整组传递能量，而电压较低的单体可从整组获得能量，由于整个串联储能组作为中间过渡环节，因此均衡效率不高。

以上述三种方式为基础，人们提出了很多均衡方法，例如在飞渡电感方式中，利用耦合电感代替电感，使开关管数量大大降低；在BuckBoost变换器方式中，将各变换器中的电感耦合在一起，可以跨单体传递能量；反激变换器方式中，改变一部分耦合电感的同名端，实现了部分单体间的直接均衡。上述方法改进了均衡效果，但仍然存在一些共性问题，一是付出的代价较大，开关管及其驱动数量的增多，导致结构和控制复杂；二是均衡路径不够灵活，基本上还局限于单体间或单体与整组间的能量传递。

发明内容

本发明克服了现有均衡电路在实现单体能量均衡时工作方式不灵活的缺点，并且可以实现多个均衡过程同时进行工作，具有均衡方式灵活多变、均衡速度快的特点，本发明提供了一种基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路。

本发明涉及的基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路，适用于各种类型电池和超级电容器。

本发明涉及的基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路，对于n个串联储能单体B₁、B₂……B_n，其由n-1个电感L₁、L₂……L_n-1，n个开关管S₁、S₂……S_n，2n-2个双向开关Q₁、Q_1a、Q₂、Q_2a……Q_n-1、Q_(n-1)a组成；B₁、B₂……B_n依次串联，B₁的负极与B₂的正极相连，依次类推，B_n-1的负极与B_n的正极相连，S₁、S₂……S_n依次串联，S₁的漏极与B₁的正极相连，S₁的源极与S₂的漏极相连，依次类推，S_n-1的源极与S_n的漏极相连，S_n的源极与B_n的负极相连，电感L₁和双向开关Q₁串联而组成的支路连接于B₁的负极与S₁的源极之间，双向开关Q_1a连接于B₁的负极与S₁的源极之间，依次类推，电感L_n-1和双向开关Q_n-1串联而组成的支路连接于B_n-1的负极与S_n-1的源极之间，双向开关Q_(n-1)a连接于B_n-1的负极与S_n-1的源极之间。

本发明涉及的基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路，在传统的BuckBoost均衡电路基础上，在不增加电感数量的情况下，不仅可以实现原方法相邻单体均衡功能，还可以实现以数个相邻单体构成的小组之间的均衡功能。利用2n-2个双向开关Q₁、Q_1a、Q₂、Q_2a……Q_n-1、Q_(n-1)a，控制n-1个电感L₁、L₂……L_n-1，使之处于断路、短路、接入三种状态中的一种状态，配合使用n个开关管S₁、S₂……S_n，使单体或相邻单体构成的小组和其他与之相邻的单体或小组，以及处于接入状态的电感构成BuckBoost变换器，实现均衡能量的传递。

和传统的BuckBoost均衡电路一样，当构成多个互不影响的BuckBoost变换器时，这些BuckBoost变换器可同时工作，即同时进行能量均衡。当单体或小组两端的电感都为接入状态时，该单体或小组的能量可同时向其两侧与之相邻的单体或小组释放。n个开关管S₁、S₂……S_n的开关频率与BuckBoost变换器频率相同，工作于高频状态。2n-2个双向开关Q₁、Q_1a、Q₂、Q_2a……Q_n-1、Q_(n-1)a仅控制相对应电感的状态，在BuckBoost变换器工作期间，其驱动信号不变，即工作于低频状态，因此双向开关除可以采用MOSFET或IGBT外，也可以使用继电器。

有益效果

本发明的有益效果在于，在电感数量不变、高频开关管数量减少、仅增加一些低频双向开关的情况下，不仅实现了传统的BuckBoost均衡电路的相邻单体均衡功能，更实现了单体和数个相邻单体构成的小组，以及小组与小组之间的能量均衡，这种更为灵活的均衡方式可以提高均衡速度和均衡效率。

附图说明

图1为基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路的原理示意图；

图2为具体实施方式一，单体和单体进行能量均衡的示意图，以5个储能单体为例；

图3为具体实施方式二，单体和小组进行能量均衡的示意图，以5个储能单体为例；

图4为具体实施方式三，小组和小组进行能量均衡的示意图，以5个储能单体为例；

图5为具体实施方式四，单体或小组同时对其两侧相邻单体或小组进行均衡的示意图，以5个储能单体为例；

具体实施方式

具体实施方式一：

相邻储能单体进行能量均衡，结合图2，以储能单体为5个时，单体B₁与B₂进行均衡、单体B₄和B₅进行均衡的情况为例来说明，未提及的开关管和双向开关均处于关断状态。

储能单体B₁、B₂，开关管S₁、S₂，电感L₁和双向开关Q₁、Q_2a构成BuckBoost变换器，双向开关Q₁、Q_2a一直处于导通状态。当S₁导通、S₂关断时，B₁对电感L₁进行储能，S₁关断时，L₁的能量通过S₂传递给B₂，同理，控制开关管S₂的导通和关断可以将B₂的能量传递给B₁，即实现了单体B₁与B₂间能量均衡。类似地，储能单体B₄、B₅，开关管S₄、S₅，电感L₄和双向开关Q_3a、Q₄构成BuckBoost变换器，可实现单体B₄、B₅的能量均衡。而且，由于上述两个BuckBoost变换器互不影响，两个均衡过程可同时进行。

具体实施方式二：

储能单体与相邻小组进行能量均衡，结合图3，以储能单体为5个时，单体B₁与单体B₂、B₃、B₄、B₅组成的小组进行均衡的情况为例来说明，未提及的开关管和双向开关均处于关断状态。

储能单体B₁、B₂、B₃、B₄、B₅，开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅，电感L₁和双向开关Q₁构成BuckBoost变换器，双向开关Q₁一直处于导通状态。当S₁导通，S₂、S₃、S₄、S₅关断时，B₁对电感L₁进行储能，S₁关断时，L₁的能量通过S₂、S₃、S₄、S₅传递给由B₂、B₃、B₄、B₅组成的储能小组，同理，同时控制开关管S₂、S₃、S₄、S₅的导通和关断可以将B₂、B₃、B₄、B₅组成的储能小组的能量传递给B₁，即实现了单体B₁与单体B₂、B₃、B₄、B₅组成的储能小组的能量均衡。

具体实施方式三：

相邻储能小组进行能量均衡，结合图4，以储能单体为5个时，单体B₂、B₃组成的储能小组与单体B₄、B₅组成的储能小组进行均衡的情况为例来说明，未提及的开关管和双向开关均处于关断状态。

储能单体B₂、B₃、B₄、B₅，开关管S₂、S₃、S₄、S₅，电感L₃和双向开关Q_1a、Q₃构成BuckBoost变换器，双向开关Q_1a、Q₃一直处于导通状态。当S₂、S₃导通，S₄、S₅关断时，B₂、B₃组成的储能小组对电感L₃进行储能，S₂、S₃关断时，L₃的能量通过S₄、S₅传递给由B₄、B₅组成的储能小组，同理，控制开关管S₄、S₅的导通和关断可以将B₄、B₅组成的储能小组的能量传递给B₂、B₃组成的储能小组，即实现了单体B₂、B₃组成的储能小组与单体B₄、B₅组成的储能小组的能量均衡。

具体实施方式四：

单体或小组同时对其两侧相邻单体或小组进行均衡，结合图5，以储能单体为5个时，单体B₂、B₃组成的储能小组同时对其两侧的单体B₁和单体B₄、B₅组成的储能小组进行均衡的情况为例来说明，未提及的开关管和双向开关均处于关断状态。

储能单体B₁、B₂、B₃、B₄、B₅，开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅，电感L₁、L₃和双向开关Q₁、Q₃构成两个类似BuckBoost变换器的组合形式，双向开关Q₁、Q₃一直处于导通状态。当S₂、S₃导通，S₁、S₄、S₅关断时，B₂、B₃组成的储能小组对电感L₁、L₃进行储能，电流方向如图中实线所示，S₂、S₃关断时，L₁的能量通过S₁传递给B₁，L₃的能量通过S₄、S₅传递给由B₄、B₅组成的储能小组，电流方向如图中虚线所示，实现了小组同时对其两侧相邻单体或小组的能量均衡。

Claims (8)

1.基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路，其特征在于，对于n个串联储能单体B₁、B₂……B_n，其由n-1个电感L₁、L₂……L_n-1，n个开关管S₁、S₂……S_n，2n-2个双向开关Q₁、Q_1a、Q₂、Q_2a……Q_n-1、Q_(n-1)a组成；B₁、B₂……B_n依次串联，B₁的负极与B₂的正极相连，依次类推，B_n-1的负极与B_n的正极相连，S₁、S₂……S_n依次串联，S₁的漏极与B₁的正极相连，S₁的源极与S₂的漏极相连，依次类推，S_n-1的源极与S_n的漏极相连，S_n的源极与B_n的负极相连，电感L₁和双向开关Q₁串联而组成的支路连接于B₁的负极与S₁的源极之间，双向开关Q_1a连接于B₁的负极与S₁的源极之间，依次类推，电感L_n-1和双向开关Q_n-1串联而组成的支路连接于B_n-1的负极与S_n-1的源极之间，双向开关Q_(n-1)a连接于B_n-1的负极与S_n-1的源极之间。

2.根据权利要求1所述的基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路，其特征在于，串联储能单体为各种类型电池或超级电容器。

3.根据权利要求1所述的基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路，其特征在于，双向开关由采用相同驱动信号的2个共源极开关管构成，开关管采用MOSFET或IGBT。

4.根据权利要求1所述的基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路，其特征在于，双向开关可以为继电器。

5.基于权利要求1所述的均衡电路实现串联储能能量均衡的方法，其特征在于，利用2n-2个双向开关Q₁、Q_1a、Q₂、Q_2a……Q_n-1、Q_(n-1)a，控制n-1个电感L₁、L₂……L_n-1，使之处于断路、短路、接入三种状态中的一种状态，配合使用n个开关管S₁、S₂……S_n，使单体或相邻单体构成的小组和其他与之相邻的单体或小组，以及处于接入状态的电感构成BuckBoost变换器，实现均衡能量的传递。

6.根据权利要求5所述的串联储能能量均衡方法，其特征在于，当构成多个互不影响的BuckBoost变换器，这些BuckBoost变换器可同时工作。

7.根据权利要求5所述的串联储能能量均衡方法，其特征在于，当单体或小组两端的电感都为接入状态时，该单体或小组的能量可同时向其两侧与之相邻的单体或小组释放。

8.根据权利要求5所述的串联储能能量均衡方法，其特征在于，n个开关管S₁、S₂……S_n的开关频率与BuckBoost变换器频率相同，工作于高频状态，在BuckBoost变换器工作期间，2n-2个双向开关Q₁、Q_1a、Q₂、Q_2a……Q_n-1、Q_(n-1)a的驱动信号不变，即工作于低频状态。