CN112054688B - 一种模块化具有双向电流能力的储能***均衡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化具有双向电流能力的储能***均衡电路，储能模组包括串联的储能单体和多绕组变压器，多绕组变压器包括与储能单体数量相等的一次侧绕组、二次侧绕组；储能单体并联一个一次侧绕组，二次侧绕组一通过二极管与储能单体串联成闭合回路；储能单体与一次侧绕组之间通过一个双向开关管控制均衡电流双向流动；二次侧绕组二通过开关管与输出电容串联成闭合回路，输出电容与半桥变换器形成闭合回路；均衡电路针对储能模组进行电流均衡；储能模组的输出电容通过半桥变换器级联连接；级联变换器通过双向DC/DC变换器连接至储能***；本发明可在任意单体电压情况下实现大电流均衡、模组间均衡电流双向流动，模组间均衡速度快。

Description

一种模块化具有双向电流能力的储能***均衡电路
技术领域
本发明涉及一种模块化具有双向电流能力的储能***均衡电路，属于储能***均衡领域。
背景技术
功率型储能***在微电网、储能电站、混合动力船舶等***中发挥着至关重要的作用。储能***一般由大量的锂电池或者超级电容等储能单体串并联组成，由于制造工艺差异以及使用过程中的衰减差异，导致储能***中单体容量不一致。在经常动作的大功率储能***中，单体容量差异将导致电压差异，并最终触发截止电压，导致储能***容量无法得到充分利用，且存在安全隐患。有必要采用均衡装置对储能***单体进行均衡。
多绕组变压器均衡拓扑均衡速度快，结构简单是一种较为理想的均衡拓扑，但需要储能单体通过开关管并联在共磁芯变压器绕组。随着储能单体数量的增加，无法将对应数量的变压器绕组集成到同一磁芯上。采用模块化均衡方法可解决大规模储能***均衡问题。将串联储能单体分成若干模组，模组内采用多绕组变压器均衡方法，模组间采用组间均衡方法。Z.Zhang,H.Gui,D.J.Gu等作者在文章《A Hierarchical Active BalancingArchitecture for Lithium-Ion Batteries》中采用两级式多绕组变压器均衡拓扑，组内均衡与组间均衡均采用多绕组变压器均衡拓扑。该均衡方法均衡速度快，但随着变压器级数的增加，开关管及变压器绕组电压应力增加。且同一级开关管采用同一个PWM信号驱动，给工程实现带来不便。C.S.Lim,K,J.Lee,N.J.Ku等作者在文章《A ModularizedEqualization Method Based on Magnetizing Energy for a Series-ConnectedLithium-Ion Battery String》中采用激磁电流组间均衡方法。激磁能量在两个相邻模组间通过控制占空比传递。高电压模组的PWM占空比较大，激磁能量较大，转移至相邻模组的能量较大。低电压模组的PWM占空比较小，激磁能量较小，转移至相邻模组的能量较小。当相邻模组间电压相等时，两个模组的PWM占空比相等，传递给彼此的能量也相等。低电压模组接收的能量大于转移出的，带来低电压模组的电压上升，模组间电压逐渐均衡。该组间均衡方法速度慢，且当占空比较小时会影响组内均衡速度。Y.Shang,B.Xia,C.Zhang等作者在文章《An Automatic Equalizer Based on Forward–Flyback Converter for Series-Connected Battery Strings》中采用分组式激磁电流组间均衡方法。将变压器二次侧绕组并联，激磁能量可以在任意变压器间传递。模组内的单体被均分为两组，一组采用PWM+驱动，另一次采用PWM-驱动，PWM+与PWM-信号互补。当PWM为高时，激磁能量增加，当PWM为低时，激磁能量被转移至各模组中的低电压单体。低电压单体接收到更多的能量，模组间电压逐渐均衡。但组间均衡电流不易控制，且各模组的PWM驱动互相耦合，为拓扑的工程实现带来困难。专利《串联能量存储装置的均压电路及含有该电路的均压***》(ZL201711140551.8)中采用模块化多电平变换器实现模组间的均衡，该方法具有模块化程度高，均衡速度快的特点。但该均衡拓扑的组间均衡电流与储能***单向传递，即由模组传递至储能***，降低了组间均衡的速度。当模组内各单体电压接近时(如磷酸铁锂电池即使在容量不均衡情况下，单体电压仍比较接近)，传统多绕组变压器均衡拓扑的均衡电流较小，导致均衡速度较慢。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可在任意单体电压情况下实现大电流均衡、模组间均衡电流双向流动，模组间均衡速度快的模块化具有双向电流能力的储能***均衡电路。
为解决上述技术问题，本发明的一种模块化具有双向电流能力的储能***均衡电路，储能模组包括若干串联的储能单体和多绕组变压器，多绕组变压器包括与储能单体数量相等的一次侧绕组、一个二次侧绕组一和一个二次侧绕组二；
每个储能单体的两端并联有一个一次侧绕组，二次侧绕组一通过二极管与储能单体串联成闭合回路，一次侧绕组的匝数均相同；
每个储能单体与一次侧绕组之间通过一个双向开关管控制均衡电流的双向流动；
二次侧绕组二通过开关管与输出电容串联成闭合回路，输出电容与半桥变换器形成闭合回路；
均衡电路针对n组储能模组进行电流均衡，n组储能模组串联，n为大于1的整数；
n组储能模组的输出电容通过连接的半桥变换器级联连接；
级联半桥变换器通过双向DC/DC变换器连接至储能***；
储能模组内部电流均衡具体为：当储能单体之间电压差产生的均衡电流达到给定阈值时，则储能模组内部的双向开关管的驱动信号相同，二次侧绕组二连接的开关管闭合，高电压储能单体的能量传递至低电压储能单体；当储能单体之间电压差产生的均衡电流未达到给定阈值时，需要充电或者放电的储能单体对应双向开关管和二次侧绕组二连接的开关管共用一个PWM信号驱动，需要充电或者放电的储能单体和输出电容间进行能量传递；
储能模组之间电流均衡具体为：双向DC/DC变换器工作在充放电交替状态下，当双向DC/DC变换器处于充电时间段内，需要充电的储能模组对应的半桥变换器上桥臂导通，其余储能模组对应的半桥变换器下桥臂导通；当双向DC/DC变换器处于放电时间段内，需要放电的储能模组对应的半桥变换器上桥臂导通，其余储能模组对应的半桥变换器下桥臂导通。
本发明还包括：
1.开关管为MOSFET开关管。
2.半桥变换器包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂的驱动信号相反。
3.双向DC/DC变换器包括电感L，相互串联的开关管S1和开关管S2。
本发明的有益效果：为解决模块化均衡***模组间单向均衡电流导致的组间均衡速度慢以及组内单体电压接近时均衡电流变小，导致组内均衡速度慢的问题，本发明提出一种基于多绕组变压器的模块化具有双向电流能力的均衡拓扑，和现有技术相比：
1.模组内单体在任意电压下均保持较大的双向均衡电流，均衡速度快。
2.模组间均衡时，均衡电流在模组与储能***间双向流动，提高了模组间均衡速度。
3.储能单体的均衡控制自由度高，即使模组内仅有一个单体需要均衡，该电路拓扑也能够实现该单体的充放电。
附图说明
图1为模块化具有双向电流能力的均衡拓扑；
图2(a)为单体之间电压差较大时开关管开通电流图；
图2(b)为单体之间电压差较大时开关管关闭后电流图；
图3(a)为单体之间电压差较小时单体充电；
图3(b)为单体之间电压差较小时单体放电；
图4为双向DC/DC变换器对电容Con充放电。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
本发明的目的是为了实现大规模储能***的快速模块化均衡，提出一种基于多绕组变压器的模块化具有双向电流能力的均衡拓扑，该均衡拓扑可在任意单体电压情况下实现较大均衡电流，提高模组内单体均衡速度，且模组间均衡电流双向流动，提高了模组间均衡速度。
本发明提出的基于多绕组变压器的模块化具有双向电流能力的均衡拓扑如图1所示。图中Cni(下标n为模组编号，i为模组内单体编号，下同)为储能单体，ini为单体均衡电流，Reni为一次侧等效内阻，Lsni为多绕组变压器漏感，Sni为双向电子开关(由两个MOSFET共漏极组成)，Tn为多绕组变压器，nsn1为第n个多绕组变压器二次侧绕组一，nsn2为第n个多绕组变压器二次侧绕组二，Lmn为第n个多绕组变压器的激磁电感，Lpn为二次侧绕组漏感，Con为输出电容或者称其为虚拟储能单体，SMn、S1、S2、SHn与SLn为开关管，L为滤波电感。
储能***的储能单体被分成n个模组，每个模组中有i个单体(模组内单体数量可以不一致)。模组内i个单体通过双向开关管Sni连接至共磁芯的一次侧绕组，所有一次侧绕组匝比相同。多绕组变压器的二次侧有两个绕组，绕组nsn1通过二极管Dn连接至储能模组，绕组nsn2通过开关管SMn连接至输出电容Con。模组的输出电容Con，通过半桥变换器级联连接，级联变换器通过双向DC/DC变换器连接至储能***。半桥变换器由上开关管SHn与下开关管SLn组成。双向DC/DC变换器由电感L，开关管S1和S2组成。
如图1所示，本拓扑中储能单体与变压器绕组采用双向开关管连接，可实现均衡电流的双向流动与储能单体的单独均衡控制，即使模组内仅有一个单体需要均衡，该电路拓扑也能够实现单体均衡。为解决模组内各单体电压接近时，单体均衡电流较小的问题，在本拓扑中采用“虚拟单体”方法，通过双向DC/DC变换器可控制“虚拟单体”的电压。通过调节“虚拟单体”与待均衡单体之间的电压差，可调节待均衡单体的均衡电流大小及方向。
首先分析模组内部均衡拓扑的控制。当单体之间电压差较大时，可利用单体间电压差产生较大的均衡电流。高电压单体与低电压单体对应的开关管被开通，高电压单体的能量直接转移至低电压单体。假设一个模组有三个储能单体Cn1，Cn2以及Cn3，单体电压分别为VCn1，VCn2，VCn3，满足VCn1>VCn3>(VCn1+VCn2+VCn3)/3>VCn2，且单体之间电压差较大。开关管Sn1，Sn2，Sn3采用同一PWM信号驱动，开关管SMn关闭。如图2(a)所示，开关管开通时高电压单体放电，低电压单体充电，且单体之间电压差越大，充放电电流越大。如图2(b)所示，开关管关闭后，激磁电流通过二次侧绕组nsn1复位。
当单体间电压差较小时，无法利用单体间电压差产生均衡电流。通过调节输出电容Con(“虚拟单体”)的电压uon可以调节单体之间电压差|VCni-Vpn|(Vpn为模组内单体包括“虚拟单体”的平均电压)，从而达到控制电流的目的。将输出电容Con当作一个储能单体，其端电压uon可动态调整。假设模组有三个储能单体Cn1，Cn2以及Cn3，单体电压分别为VCn1，VCn2，VCn3，满足VCn1>VCn3>(VCn1+VCn2+VCn3)/3>VCn2，且单体之间电压差较小。需要充电或者放电的单体对应的开关管Sni与SMn共用一个PWM信号驱动。如图3(a)所示，单体Cn2需要充电，则Sn2与SMn的驱动共用PWM信号，开关开启时，电容Con对Cn2充电。如图3(b)所示，单体Cn1、Cn3需要放电，则Sn1、Sn3与SMn的驱动共用PWM信号，开关开启时，电容Cn1和Cn3对Con放电。由于输出电容Con电压可通过双向DC/DC变换器的电感电流iL调整，模组内的各单体均可对Con充放电，在任意单体之间电压差情况下都能保持较大的双向均衡电流且单体电压可控。
下面分析模组之间的均衡电流控制。储能单体与输出滤波电容Con交换能量，Con通过双向DC/DC变换器与储能***交换能量，最终实现储能单体对储能***的能量交换。各模组均衡模块的半桥变换器串联级联连接，组成级联变换器，双向DC/DC变换器对级联变换器充放电，实现储能***与输出电容Con的能量交换。双向DC/DC变换器的电流双向控制，当电流iL为正时(正方向如图1所示)，对级联变换器放电，当电流iL为负时，对级联变换器充电。双向DC/DC变换器采用电流控制策略，工作在正负电流低频交替工作模式，以三个储能模组为例(假设模组1需要充电，模组3需要放电)，模组的充放电工作模式如图4所示。一个模组的充放电周期为TDC，TDC＝tD+tC。在tD时间段，电流iL为正，对模组3放电，模组1和2半桥变换器的下桥臂导通，相当于导线；在tC时间段，电流iL为负，对模组1充电，模组2和3半桥变换器的下桥臂导通，相当于导线。根据模组内单体的充放电情况来确定tD、tC的时间分配，实现模组的充放电电流分配，当tD＝0时，模组处于仅充电模式；当tC＝0时，模组处于仅放电模式。通过检测电流iL的正负并结合电容Con的充放电需求，即可判断模组半桥变换器开关管的开关情况，半桥变换器开关管工作在低频状态。通过控制双向DC/DC变换器的电流幅值及方向即可控制模组的充放电电流。

Claims (4)

1.一种模块化具有双向电流能力的储能***均衡电路，其特征在于：
储能模组包括若干串联的储能单体和多绕组变压器，多绕组变压器包括与储能单体数量相等的一次侧绕组、一个二次侧绕组一和一个二次侧绕组二；
每个储能单体的两端并联有一个一次侧绕组，二次侧绕组一通过二极管与储能单体串联成闭合回路，一次侧绕组的匝数均相同；
每个储能单体与一次侧绕组之间通过一个双向开关管控制均衡电流的双向流动；
二次侧绕组二通过开关管与输出电容串联成闭合回路，输出电容与半桥变换器形成闭合回路；
均衡电路针对n组储能模组进行电流均衡，n组储能模组串联，n为大于1的整数；
n组储能模组的输出电容通过连接的半桥变换器级联连接；
级联半桥变换器通过双向DC/DC变换器连接至储能***；
储能模组内部电流均衡具体为：当储能单体之间电压差产生的均衡电流达到给定阈值时，则储能模组内部的双向开关管的驱动信号相同，二次侧绕组二连接的开关管闭合，高电压储能单体的能量传递至低电压储能单体；当储能单体之间电压差产生的均衡电流未达到给定阈值时，需要充电或者放电的储能单体对应双向开关管和二次侧绕组二连接的开关管共用一个PWM信号驱动，需要充电或者放电的储能单体和输出电容间进行能量传递；
储能模组之间电流均衡具体为：双向DC/DC变换器工作在充放电交替状态下，当双向DC/DC变换器处于充电时间段内，需要充电的储能模组对应的半桥变换器上桥臂导通，其余储能模组对应的半桥变换器下桥臂导通；当双向DC/DC变换器处于放电时间段内，需要放电的储能模组对应的半桥变换器上桥臂导通，其余储能模组对应的半桥变换器下桥臂导通。
2.根据权利要求1所述的一种模块化具有双向电流能力的储能***均衡电路，其特征在于：开关管为MOSFET开关管。
3.根据权利要求1所述的一种模块化具有双向电流能力的储能***均衡电路，其特征在于：半桥变换器包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂的驱动信号相反。
4.根据权利要求1所述的一种模块化具有双向电流能力的储能***均衡电路，其特征在于：所述双向DC/DC变换器包括电感L，相互串联的开关管S1和开关管S2。
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