CN111431425B - 基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器 - Google Patents

基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器 Download PDF

Info

Publication number
CN111431425B
CN111431425B CN202010367300.9A CN202010367300A CN111431425B CN 111431425 B CN111431425 B CN 111431425B CN 202010367300 A CN202010367300 A CN 202010367300A CN 111431425 B CN111431425 B CN 111431425B
Authority
CN
China
Prior art keywords
switching tube
capacitor
tube
lithium battery
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010367300.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111431425A (zh
Inventor
刘俊峰
高鹏举
廖武兵
曾君
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN202010367300.9A priority Critical patent/CN111431425B/zh
Publication of CN111431425A publication Critical patent/CN111431425A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111431425B publication Critical patent/CN111431425B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器，包括储能单元，开关电容电路和全桥电路；储能单元包括n个锂电池，记作B 1 、…、B i 、…、B n‑1 、B n ，电池的总电压记作V in ；开关电容电路由开关管、二极管和电容组成；其中，开关管包括开关管S a1 ~S a(n‑1) 、开关管S b1 ~S bn 、开关管S B1a ~S Bna 、开关管S B1b ~S Bnb ；二极管包括D c1 ~D c(n‑1) ；电容包括C 1 ~C n ；全桥单路包括开关管S 1 ~S 4 和负载。本发明实现多电平输出，降低了输出交流电的谐波畸变，提高逆变器效率；本发明对开关电容电路分时复用，实现电池单体间的电压均衡，提高了能量利用率，丰富了***功能。

Description

基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器
技术领域
本发明涉及电动汽车供电***领域，尤其涉及基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器。
背景技术
随着环境污染和能源短缺问题的日益突出，电动汽车替代传统汽车成为了一种趋势，而储能***作为电动汽车的核心一直备受各方关注，众多研究机构和企业倾力研发具有高可靠性、高功率密度和高能量密度的储能***。其中，锂电池具有能量密度高、循环寿命长、充放电速率快、绿色环保等优点，已经广泛应用于电动汽车的储能***中。但是，锂电池单体间由于内阻、自放电率、使用环境的差异，导致单体间出现电压不一致，危害锂电池的安全使用。因此，电池均衡技术是储能***安全可靠运行的有力保证。针对锂电池电压不一致问题，近年来国内外学者提出一系列均衡方案，根据均衡所用器件可以划分为电阻型耗能均衡，以及利用变压器、电感、电容进行能量转移型的主动均衡。其中，开关电容结构的均衡电路采用电容实现能量转移，无需磁性元件，具有电路结构简单、体积小、成本低和能量利用率高等优点，因此在均衡领域得到广泛的应用（Y. Ye, K. W. E. Cheng, Y. C.Fong, X. Xue and J. Lin, "Topology, Modeling, and Design of Switched-Capacitor-Based Cell Balancing Systems and Their Balancing Exploration," inIEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 6, pp. 4444-4454, June2017.）。
同时，高频交流配电***具有更高的可靠性、效率和功率密度，能满足电动汽车对供电***的高要求。因此，对于高频逆变器的研究也获得了越来越广泛的关注。为了保证高频逆变器输出波形谐波含量低，通常利用增加输出电平数，来减小输出波形的谐波含量。文献（E. Babaei, "A Cascade Multilevel Converter Topology With Reduced Number ofSwitches," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 6, pp.2657-2664, Nov. 2008.）（M. F. Kangarlu and E. Babaei, "A Generalized CascadedMultilevel Inverter Using Series Connection of Submultilevel Inverters," inIEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 2, pp. 625-636, Feb.2013.）（E. Babaei, S. Laali and Z. Bayat, "A Single-Phase Cascaded MultilevelInverter Based on a New Basic Unit With Reduced Number of Power Switches," inIEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 2, pp. 922-929,Feb. 2015.）提出的逆变器通过增加输入电源的数量来增加逆变器输出电平的数量，更多电平输出的情况下，无需多载波调制方式便可实现较低的谐波畸变，但多输入源的特点限制了此类逆变器的应用范围，尤其在电动汽车等电源数量相当有限的场合，此类逆变器的优点将无法实现。为克服上述提及的逆变器运用于高频***时所呈现出的不足，本发明结合开关电容的原理，提出一种新型电压自均衡多电平高频逆变器。本发明对开关电容电路进行分时复用，一方面利用电容储能性质，增加了输出的电平数量，有效降低了输出交流电的谐波畸变，提高了逆变器的效率。同时，二次利用开关电容电路，为任意两个锂电池之间提供均衡路径，保证了锂电池间的电压均衡，减少了电路元件的使用，简化了电路结构。
发明内容
本发明基于开关电容原理，对开关电容电路进行分时复用，提出一种新型的电压自均衡多电平高频逆变器。本发明利用电容储能性质，增加了输出的电平数量，有效降低了输出交流电的谐波畸变，提高了逆变器的效率。同时，二次利用开关电容电路，为任意两个锂电池之间提供均衡路径，极大的提高了均衡效率，缩短了均衡时间。本发明对开关电容电路分时复用，既保证了输出波形的高质量，又保证了锂电池间的电压均衡，并且减少了电路元件的使用，简化了电路结构。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器，包括储能单元、开关电容电路和全桥电路，所述储能单元包括n个锂电池，记作B 1 、…、B i 、…、B n-1 、B n ，电池的总电压记作V in ；所述开关电容电路包括开关管S a1 ~S a(n-1) 、开关管S b1 ~S bn 、开关管S B1a ~S Bna 、开关管S B1b ~S Bnb ，二极管D c1 ~D c(n-1) 和电容C 1 ~C n ；所述全桥单路包括第一开关管S 1 、第二开关管S 2 、第三开关管S 3 、第四开关管S 4 和负载；
所述锂电池B 1 的阳极与开关管S B1a 的漏极相连，所述锂电池B 1 的阴极与开关管S B1b 的漏极、锂电池B 2 的阳极相连；所述锂电池B i 的阳极与开关管S Bia 的漏极、锂电池B i-1 的阴极相连，所述锂电池B i 的阴极与开关管S Bib 的漏极、锂电池B i+1 的阳极相连；所述锂电池B n-1 的阳极与开关管S B(n-1)a 的漏极、锂电池B n-2 的阴极相连，所述锂电池B n-1 的阴极与开关管S B(n-1)b 的漏极、锂电池B n 的阳极相连；所述锂电池B n 的阳极与开关管S Bna 的漏极、锂电池B n-1 的阴极相连，所述锂电池B n 的阴极与开关管S Bnb 的漏极、开关管S bn 的源极相连，其中i=2，3，…n；
所述电容C 1 的一端与开关管S B1a 的源极、开关管S B1b 的源极、二极管D c1 的阴极、开关管S 1 的漏极相连，所述电容C 1 的另一端与开关管S a1 的源极、开关管S b1 的漏极相连；所述电容C i 的一端与开关管S Bia 的源极、开关管S Bib 的源极、二极管D ci 的阴极、二极管D c(i-1) 的阳极相连，所述电容C 1 的另一端与开关管S ai 的源极、开关管S bi 的漏极相连；所述电容C n-1 的一端与开关管S B(n-1)a 的源极、开关管S B(n-1)b 的源极、二极管D c(n-1) 的阴极、二极管D c(n-2) 的阳极相连，所述电容C n-1 的另一端与开关管S a(n-1) 的源极、开关管S b(n-1) 的漏极相连；所述电容C n 的一端与开关管S Bna 的源极、开关管S Bnb 的源极、二极管D c(n-1) 的阳极相连，所述电容C n 的另一端与开关管S a(n-1) 的源极、开关管S bn 的漏极相连，其中i=2，3，…n；
所述负载的一端与第一开关管S 1 的源极、第二开关管S 2 的漏极相连，所述负载的另一端与第三开关管S 3 的源极、第四开关管S 4 的漏极相连；所述第一开关管S 1 、第三开关管S 3 的漏极与电容C 1 相连；所述第二开关管S 2 、第四开关管S 4 的源极均匀与开关管S b1 的源极相连。
进一步地，所述储能单元中的锂电池均为容量相等的锂电池单体。
进一步地，所述电容C 1 ~C n 电容值相等。
进一步地，所述新型电压自均衡多电平高频逆变器包括逆变模态和均衡模态。
进一步地，逆变模态的工作状态为：开关电容电路中的开关管S B1a 、开关管S bn 、开关管S a1 ~S a(n-1) 闭合，开关管S B2a ~S Bna 、开关管S B1b ~S Bnb 、开关管S b1 ~S b(n-1) 断开时，电容C 1 ~C n 相串联然后与锂电池B 1 ~B n 并联，此时每个电容的预充电压为V in /n；
开关管S a1 ~S ai 、开关管S b(i+1) ~S b(n-1) 闭合，开关管S B1a ~S Bna 、开关管S B1b ~S Bnb 、开关管S a(i+1) ~S a(n-1) 、开关管S bn 断开，电容C 1 ~C i 与开关管S a1 ~S a(i-1) 构成串联模块，电容C i+1 ~C n 与导通的二极管D c(i+1) ~D c(n-1) 组成并联模块，串联模块和并联模块通过开关管S ai 相串联，此时输出电压为(i+1)V in /n，此处i=2，3，…n-1；
当全桥电路中第一开关管S 1 和第四开关管S 4 闭合、第二开关管S 2 和第三开关管S 3 断开时，逆变器输出电平为（i+1）V in /n；当第二开关管S 2 和第三开关管S 3 闭合、第一开关管S 1 和第四开关管S 4 断开时，逆变器输出电平为-(i+1)V in /n，其中i=2，3，…n；
当开关管S a1 ~S a(n-1) 闭合，开关管S b1 ~S b(n-1) 断开时，二极管D c1 ~D c(n-1) 截止，电容C 1 ~ C n 相串联输出电平±V in ；
当开关管S b1 ~S b(n-1) 闭合，开关管S a1 ~S a(n-1) 断开时，二极管D c1 ~D c(n-1) 导通，电容C 1 ~ C n 相并联，输出电平为±V in /n。
进一步地，均衡模态包括模态A和模态B；
模态A：开关管S b1 ~S b(n-1) 、开关管S B1a ~S Bna 闭合，开关管S a1 ~S a(n-1) 、S B1b ~S Bnb 断开，电容单体C i 与电容单体C i+1 相串联后与锂电池单体B i 并联；
模态B：开关管S b1 ~S b(n-1) 、开关管S B1b ~S Bnb 闭合，开关管S a1 ~S a(n-1) 、开关管S B1a ~S Bna 断开，电容单体C i 与电容单体C i+1 相串联后与锂电池单体B i+1 并联；
模态A和模态B在高频状态下交替工作，通过电容C i 与电容C i+1 作为载体，将锂电池B i 的能量转移到电池B i+1 中，若电池B i 电压高于电池B i+1 ，最终实现电池间的电压均衡。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明对开关电容电路分时复用，既能实现多电平输出，又能解决电池间的电压均衡，极大简化了电路结构，提高了器件利用率，降低实际成本，使其能广泛适用于电动汽车领域；
2)与现有的多电平逆变器相比，本发明利用电容实现了更多的电平输出，从而有效地减少了输出波形的谐波含量；
3)本发明能够构建任意电池单体到任意电池单体的均衡路径，极大提高了均衡效率和均衡速度；
4)本发明提出的均衡方法具有很强的鲁棒性，可以在任何不均衡条件下实现电池间的电压均衡，而且无需电压检测电路，减小了电路体积，降低使用成本。
附图说明
图1为本实施例所述的基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器的结构示意图；
图2a为本实施例处于逆变模态下电容充电的原理图；
图2b为本实施例处于逆变模态下电容放电的原理图；
图3a为本实施例处于均衡模态下模态A的原理图；
图3b为本实施例处于均衡模态下模态B的原理图；
图4为本实施例处于逆变模态下输出的电压波形图；
图5为本实施例处于均衡模态下的各个锂电池单体电压波形图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的内容和特点，下面结合具体实施例对本发明进一步进行说明。
如图1所示，本实施例所述的基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器，包括储能单元、开关电容电路和全桥电路。储能单元包括n个锂电池，记作B 1 、…、B i 、…、B n-1 、B n ；所述储能单元中B 1 、…、B i 、…、B n-1 、B n 均为容量相等的锂电池单体，电池总电压记作V in ；
所述开关电容电路包括开关管S a1 ~S a(n-1) 、开关管S b1 ~S bn 、开关管S B1a ~S Bna 、开关管S B1b ~S Bnb ，二极管D c1 ~D c(n-1) 和电容C 1 ~C n ；所述电容C 1 ~C n 电容值相等；
所述全桥单路包括第一开关管S 1 、第二开关管S 2 、第三开关管S 3 、第四开关管S 4 和负载；
所述锂电池B 1 的阳极与开关管S B1a 的漏极相连；所述锂电池B 1 的阴极与开关管S B1b 的漏极、锂电池B 2 的阳极相连；所述锂电池B i 的阳极与开关管S Bia 的漏极、锂电池B i-1 的阴极相连，所述锂电池B i 的阴极与开关管S Bib 的漏极、锂电池B i+1 的阳极相连；所述锂电池B n-1 的阳极与开关管S B(n-1)a 的漏极、锂电池B n-2 的阴极相连，所述锂电池B n-1 的阴极与开关管S B(n-1)b 的漏极、锂电池B n 的阳极相连；所述锂电池B n 的阳极与开关管S Bna 的漏极、锂电池B n-1 的阴极相连，所述锂电池B n 的阴极与开关管S Bnb 的漏极、开关管S bn 的源极相连。
所述电容C 1 的一端与开关管S B1a 的源极、开关管S B1b 的源极、二极管D c1 的阴极、开关管S 1 的漏极相连，所述电容C 1 的另一端与开关管S a1 的源极、开关管S b1 的漏极相连；
所述电容C i 的一端与开关管S Bia 的源极、开关管S Bib 的源极、二极管D ci 的阴极、二极管D c(i-1) 的阳极相连，所述电容C i 的另一端与开关管S ai 的源极、开关管S bi 的漏极相连，其中i =2，3，…n。
所述电容C n-1 的一端与开关管S B(n-1)a 的源极、开关管S B(n-1)b 的源极、二极管D c(n-1) 的阴极、二极管D c(n-2) 的阳极相连，所述电容C n-1 的另一端与开关管S a(n-1) 的源极、开关管S b(n-1) 的漏极相连；
所述电容C n 的一端与开关管S Bna 的源极、开关管S Bnb 的源极、二极管D c(n-1) 的阳极相连，所述电容C n 的另一端与开关管S a(n-1) 的源极、开关管S bn 的漏极相连。
所述负载的一端与第一开关管S 1 的源极、第二开关管S 2 的漏极相连，所述负载的另一端与第三开关管S 3 的源极、第四开关管S 4 的漏极相连；所述第一开关管S 1 、第三开关管S 3 的漏极与电容C 1 相连；所述第二开关管S 2 、第四开关管S 4 的源极与开关管S b1 的源极相连。
按照开关电容电路分时复用的原则，所提的新型电压自均衡多电平高频逆变器有两种工作状态：
逆变模态：开关电容电路中的开关管S B1a 、开关管S bn 、开关管S a1 ~S a(n-1) 闭合，开关管S B2a ~S Bna 、开关管S B1b ~S Bnb 、开关管S b1 ~S b(n-1) 断开时，电容C 1 ~C n 相串联然后与锂电池B 1 ~B n 并联，理想情况下每个电容的预充电压为V in /n，如图2a所示。然后开关管S a1 ~S ai 、开关管S b(i+1) ~S b(n-1) 闭合，开关管S B1a ~S Bna 、开关管S B1b ~S Bnb 、 开关管S a(i+1) ~S a(n-1) 、开关管S bn 断开，电容C 1 ~C i 与开关管S a1 ~S a(i-1) 构成串联模块，电容C i+1 ~C n 与导通的二极管D c(i+1) ~D c(n-1) 组成并联模块，串联模块和并联模块通过开关管S ai 相串联，输出电压为(i+1)V in /n（i=2，3，…n- 1）。当全桥电路中第一开关管S 1 和第四开关管S 4 闭合、第二开关管S 2 和第三开关管S 3 断开时，逆变器输出电平为（i+1）V in /n；当第二开关管S 2 和第三开关管S 3 闭合、第一开关管S 1 和第四开关管S 4 断开时，逆变器输出电平为-(i+1)V in /n，如图2b所示。特别地，当开关管S a1 ~ S a(n-1) 闭合，开关管S b1 ~S b(n-1) 断开时，二极管D c1 ~D c(n-1) 截止，电容C 1 ~C n 相串联输出电平±V in ；当开关管S b1 ~S b(n-1) 闭合，开关管S a1 ~S a(n-1) 断开时，二极管D c1 ~D c(n-1) 导通，电容C 1 ~C n 相并联，输出电平为±V in /n。
均衡模态：为了避免锂电池单体电压的不一致性，利用开关电容电路对锂电池进行电压均衡。开关管由两组互补的驱动信号控制，该过程可以分为两个模态。模态A：开关管S b1 ~S b(n-1) 、开关管S B1a ~S Bna 闭合，开关管S a1 ~S a(n-1) 、开关管S B1b ~S Bnb 断开，电容单体C i 与C i+1 相串联后与锂电池单体B i 并联，如图3a所示；模态B：开关管S b1 ~S b(n-1) 、开关管S B1b ~S Bnb 闭合，开关管S a1 ~S a(n-1) 、开关管S B1a ~S Bna 断开，电容单体C i 与电容单体C i+1 相串联后与锂电池单体B i+1 并联，如图3b所示。模态A和模态B在高频状态下交替工作，通过电容C i 与电容单体C i+1 作为载体，将锂电池B i 的能量转移到锂电池B i+1 中（假定电池B i 电压高于锂电池B i+1 ），最终实现电池间的电压均衡。
设定n=4，构建本发明所提出的新型电压自均衡多电平高频逆变器，得到逆变模态下输出的电压波形,记作Vout，如图4所示，从图中可以看出：逆变器可以实现九电平输出，减小了输出波形的谐波畸变，并且逆变器输出阶梯波的各个阶梯电平稳定，说明了电容电压稳定，进而验证了均衡功能的有效性。
设定n=4，构建所提出的新型电压自均衡多电平高频逆变器，得到均衡模态下输出的电压波形，分别记作VB1、VB2、VB3、VB4，如图5所示，从图中可以看出：锂电池B 1 ~B 4 的初始电压各不相同，电压分别为47V、48V、44V、46V，当开关电容电路工作在均衡模态下，锂电池B 1 ~B 4 最终实现电压均衡，约为46V。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依照本发明之结构、原理所作出的改变，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器，包括储能单元、开关电容电路和全桥电路，其特征在于，所述储能单元包括n个锂电池，记作B1、…、Bi、…、Bn-1、Bn，电池的总电压记作Vin；所述开关电容电路包括开关管Sa1～Sa(n-1)、开关管Sb1～Sbn、开关管SB1a～SBna、开关管SB1b～SBnb，二极管Dc1～Dc(n-1)和电容C1～Cn；所述全桥电路包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和负载；
所述锂电池B1的阳极与开关管SB1a的漏极相连，所述锂电池B1的阴极与开关管SB1b的漏极、锂电池B2的阳极相连；所述锂电池Bi的阳极与开关管SBia的漏极、锂电池Bi-1的阴极相连，所述锂电池Bi的阴极与开关管SBib的漏极、锂电池Bi+1的阳极相连；所述锂电池Bn-1的阳极与开关管SB(n-1)a的漏极、锂电池Bn-2的阴极相连，所述锂电池Bn-1的阴极与开关管SB(n-1)b的漏极、锂电池Bn的阳极相连；所述锂电池Bn的阳极与开关管SBna的漏极、锂电池Bn-1的阴极相连，所述锂电池Bn的阴极与开关管SBnb的漏极、开关管Sbn的源极相连，其中i＝2，3，…n；
所述电容C1的一端与开关管SB1a的源极、开关管SB1b的源极、二极管Dc1的阴极、开关管S1的漏极相连，所述电容C1的另一端与开关管Sa1的源极、开关管Sb1的漏极相连；所述电容Ci的一端与开关管SBia的源极、开关管SBib的源极、二极管Dci的阴极、二极管Dc(i-1)的阳极相连，所述电容C1的另一端与开关管Sai的源极、开关管Sbi的漏极相连；所述电容Cn-1的一端与开关管SB(n-1)a的源极、开关管SB(n-1)b的源极、二极管Dc(n-1)的阴极、二极管Dc(n-2)的阳极相连，所述电容Cn-1的另一端与开关管Sa(n-1)的源极、开关管Sb(n-1)的漏极相连；所述电容Cn的一端与开关管SBna的源极、开关管SBnb的源极、二极管Dc(n-1)的阳极相连，所述电容Cn的另一端与开关管Sa(n-1)的源极、开关管Sbn的漏极相连，其中i＝2，3，…n；
所述负载的一端与第一开关管S1的源极、第二开关管S2的漏极相连，所述负载的另一端与第三开关管S3的源极、第四开关管S4的漏极相连；所述第一开关管S1、第三开关管S3的漏极与电容C1相连；所述第二开关管S2、第四开关管S4的源极均匀与开关管Sb1的源极相连。
2.根据权利要求1所述的基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器，其特征在于，所述储能单元中的锂电池均为容量相等的锂电池单体。
3.根据权利要求1所述的基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器，其特征在于，所述电容C1～Cn电容值相等。
4.根据权利要求1所述的基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器，其特征在于，所述新型电压自均衡多电平高频逆变器包括逆变模态和均衡模态。
5.根据权利要求4所述的基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器，其特征在于，逆变模态的工作状态为：开关电容电路中的开关管SB1a、开关管Sbn、开关管Sa1～Sa(n-1)闭合，开关管SB2a～SBna、开关管SB1b～SBnb、开关管Sb1～Sb(n-1)断开时，电容C1～Cn相串联然后与锂电池B1～Bn并联，此时每个电容的预充电压为Vin/n；
开关管Sa1～Sai、开关管Sb(i+1)～Sb(n-1)闭合，开关管SB1a～SBna、开关管SB1b～SBnb、开关管Sa(i+1)～Sa(n-1)、开关管Sbn断开，电容C1～Ci与开关管Sa1～Sa(i-1)构成串联模块，电容Ci+1～Cn与导通的二极管Dc(i+1)～Dc(n-1)组成并联模块，串联模块和并联模块通过开关管Sai相串联，此时输出电压为(i+1)Vin/n，此处i＝2，3，…n-1；
当全桥电路中第一开关管S1和第四开关管S4闭合、第二开关管S2和第三开关管S3断开时，逆变器输出电平为(i+1)Vin/n；当第二开关管S2和第三开关管S3闭合、第一开关管S1和第四开关管S4断开时，逆变器输出电平为-(i+1)Vin/n，其中i＝2，3，…n；
当开关管Sa1～Sa(n-1)闭合，开关管Sb1～Sb(n-1)断开时，二极管Dc1～Dc(n-1)截止，电容C1～Cn相串联输出电平±Vin；
当开关管Sb1～Sb(n-1)闭合，开关管Sa1～Sa(n-1)断开时，二极管Dc1～Dc(n-1)导通，电容C1～Cn相并联，输出电平为±Vin/n。
6.根据权利要求4所述的基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器，其特征在于，均衡模态包括模态A和模态B；
模态A：开关管Sb1～Sb(n-1)、开关管SB1a～SBna闭合，开关管Sa1～Sa(n-1)、SB1b～SBnb断开，电容单体Ci与电容单体Ci+1相串联后与锂电池单体Bi并联；
模态B：开关管Sb1～Sb(n-1)、开关管SB1b～SBnb闭合，开关管Sa1～Sa(n-1)、开关管SB1a～SBna断开，电容单体Ci与电容单体Ci+1相串联后与锂电池单体Bi+1并联；
模态A和模态B在高频状态下交替工作，通过电容Ci与电容Ci+1作为载体，将锂电池Bi的能量转移到电池Bi+1中，若电池Bi电压高于电池Bi+1，最终实现电池间的电压均衡。
CN202010367300.9A 2020-04-30 2020-04-30 基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器 Active CN111431425B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010367300.9A CN111431425B (zh) 2020-04-30 2020-04-30 基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010367300.9A CN111431425B (zh) 2020-04-30 2020-04-30 基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111431425A CN111431425A (zh) 2020-07-17
CN111431425B true CN111431425B (zh) 2024-07-05

Family

ID=71552105

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010367300.9A Active CN111431425B (zh) 2020-04-30 2020-04-30 基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111431425B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN212850314U (zh) * 2020-04-30 2021-03-30 华南理工大学 基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103762693B (zh) * 2014-02-07 2016-11-09 清华大学 一种用于钒电池充放电的电路结构及其控制方法
CN105356779B (zh) * 2015-12-18 2018-09-21 北京理工大学 一种二极管钳位功率开关串联高压逆变器及其拓扑结构
CN110138250B (zh) * 2019-05-14 2020-10-27 郑州大学 一种开关电容n电平逆变器及其调制方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN212850314U (zh) * 2020-04-30 2021-03-30 华南理工大学 基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器

Also Published As

Publication number Publication date
CN111431425A (zh) 2020-07-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106787021A (zh) 一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化***及方法
CN103532197A (zh) 基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路及实现方法
CN110707783B (zh) 基于LLC和Buck-Boost的复合型层级电池均衡电路
CN112202218B (zh) 基于双极性t型双谐振开关电容变换器的均衡电路及控制方法
CN109066846B (zh) 一种模块化电池间均衡电路结构与方法
CN104868532A (zh) 一种基于Cuk斩波电路双向桥臂的串联蓄电池组双向能量均衡器及其控制方法
CN113725973A (zh) 一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路
CN113162159B (zh) 基于LC谐振电路改进的Cell-to-Cell电池均衡电路及实现方法
Liu et al. Design of zero-current parallel-switched-capacitor voltage equalizer for battery strings
CN109617161B (zh) 一种准谐振交错开关电容电池均衡电路及其控制方法
CN212850314U (zh) 基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器
CN110707780B (zh) 一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构
CN202435081U (zh) 锂电池组主动均衡电路
CN112688391A (zh) 基于对称cllc直流变换器的锂离子电池均衡电路
CN113690988B (zh) 基于lc谐振电路改进的自动电池均衡电路及实现方法
CN111431425B (zh) 基于开关电容原理的新型电压自均衡多电平高频逆变器
CN206517117U (zh) 一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化***
CN115498734A (zh) 基于Buck-Boost变换器与开关电容的锂电池环形均衡器
CN110635538B (zh) 一种均衡电压差可控的谐振均衡电路及控制方法
CN114759636A (zh) 电池组双层主动均衡电路
CN210403957U (zh) 一种具有完备均衡支路的电压均衡电路
Shang et al. A star-structured switched-capacitor equalizer for series-connected battery strings
CN115224765B (zh) 基于双模式的锂离子电池组lc谐振均衡电路及控制方法
CN204651966U (zh) 一种基于Cuk斩波电路双向桥臂的串联蓄电池组双向能量均衡器
Liu et al. A series-parallel switched-capacitor equalizer for the hybrid energy storage system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant