CN114884150A - 基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器 - Google Patents

基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器，包括耦合电感、电感、电容、开关管、n个(n为偶数)变压器，2n个串联锂电池单元。该均衡器按照均衡路径可归为两类，分别为纵向Cuk电路与横向Cuk电路，其均衡路径形如字母“E”。本发明采用纵向Cuk电路与横向Cuk电路相结合的均衡方式，一方面纵向Cuk电路的使用，有效的降低了一组电池单元需要配备的电感、电容和开关管数量，简化了控制；另一方面“E”型均衡方式的引入可以缩短电池单元间均衡路径，达到电池单元之间的快速均衡。

Description

基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器
技术领域
本发明涉及一种基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器，属于电力电子变换器领域。
背景技术
近年来，随着新能源产业的大量推广，锂电池的利用量也在不断的增加，而锂电池单元的电压和容量满足不了实际应用。为获得足够高的电压与足够的容量，需要将锂电池单元串联成为锂电池包后再使用。然而现实中每个锂电池单元之间存在不一致性，导致锂电池单元在串联使用时常常出现某个锂电池单元过充、过放的现象，大大降低了锂电池寿命，严重情况下会引起安全事故。因此，为改善锂电池单元之间的不一致现象，电压均衡功能成为串联使用的锂电池包所具备的功能。
目前，锂电池均衡器可以分为两种形式：被动均衡器、主动均衡器。被动均衡又称能耗型均衡，是指将锂电池单元中多余的能量全部以热量的方式消耗。这种均衡方式能量损耗较大，均衡效率较低，因此实际应用中被动均衡方案不是特别理想。而主动均衡作为一种非能耗型均衡，是指能量通过储能元件进行转移，从而减小电池组不一致性。其基本能够满足均衡效率高、均衡速度快、均衡电流大的要求。因此，主动均衡器得到了广泛的应用。主动均衡器通常可以根据能量均衡传输方式进行分类，可以分为基于电容型均衡电路、基于电感型均衡电路、基于变压器型均衡电路和基于变换器型均衡电路。其中基于变换器型均衡电路因具有性能好且集成度高的优点，逐渐成为主动均衡器重点发展方向之一。
目前常用的变换器型均衡电路主要分为Cuk电路、Boost电路、Buck-Boost电路等。其中典型的双向Cuk斩波电路均衡拓扑结构仅能实现相邻电池间能量转移，当其应用在大规模锂电池组中时，长距离的均衡过程导致锂电池组均衡速度及均衡效率不理想。而且典型的双向Cuk电路使用元器件较多，这使得成本偏高。因此，为进一步提升基于双向Cuk电路均衡器的均衡效果和均衡效率，以及减少元器件的使用数量，本方案由此产生。
发明内容
发明目的：针对传统双向Cuk均衡器效率低、均衡效果差和使用元器件数量较多的缺点，本发明提出一种基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器。
技术方案：一种基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器，包含n(n为偶数)个横向Cuk电路和n/2个纵向Cuk电路。
第i(i＝1,2,3……,n)横向Cuk电路中，锂电池单元Bi的正极与电感Li1的第一端连接，并作为第i横向Cuk电路的第一端子；电感Li1的第二端与电容Ci1的第一端、开关管Si1漏极连接；电容Ci1的第二端与变压器Ti原边绕组同名端相连；变压器Ti原边绕组异名端与Si1源极、Bi的负极连接，并作为第i横向Cuk电路的第二端子；变压器Ti副边绕组异名端与开关管Si2的漏极、锂电池单元Bn+i的正极相连接，并作为第i横向Cuk电路的第三端子；变压器Ti副边绕组同名端与电容Ci2的第一端连接；电容Ci2的第二端与Si2的源极、电感Li2第二端连接；电感Li2第一端与Bn+i的负极相连接，并作为第i横向Cuk电路的第四端子。
第(j+1)/2(j＝1,3……,n-3)纵向Cuk电路中，耦合电感L的第(j+1)/2绕组同名端与电容C(j+1)/2的第一端、开关管Sj漏极连接；耦合电感L的第(j+1)/2绕组异名端作为第(j+1)/2纵向Cuk电路的第一端子；Sj源极与开关管Sj+1漏极连接，并作为第(j+1)/2纵向Cuk电路的第二端子；Sj+1源极与电容C(j+1)/2的第二端连接，并作为第(j+1)/2纵向Cuk电路的第三端子。
当j＝i＝1时，第1纵向Cuk电路的第一端子与第1横向Cuk电路的第一端子连接；第1纵向Cuk电路的第二端子与第1横向Cuk电路的第二端子、第2横向Cuk电路的第一端子连接；第1纵向Cuk电路的第三端子与耦合电感L的第2绕组同名端连接；第1横向Cuk电路的第三端子与锂电池单元Bn负极连接；第1横向Cuk电路的第四端子与第2横向Cuk电路的第三端子连接；当j＝i≠1时，第(j+1)/2纵向Cuk电路的第一端子与第i横向Cuk电路的第一端子、第(i-1)横向Cuk电路的第二端子连接；第(j+1)/2纵向Cuk电路的第二端子与第i横向Cuk电路的第二端子、第(i+1)横向Cuk电路的第一端子连接；第(j+1)/2纵向Cuk电路的第三端子与耦合电感L的第((j+1)/2+1)绕组同名端连接；第i横向Cuk电路的第三端子与第(i-1)横向Cuk电路的第四端子连接；第i横向Cuk电路的第四端子与第(i+1)横向Cuk电路的第三端子连接。
第n/2纵向Cuk电路中，耦合电感L的第n/2绕组同名端与电容Cn/2的第一端、开关管Sn-1漏极连接；耦合电感L的第n/2绕组异名端与第(n-1)横向Cuk电路的第一端子、第(n-2)横向Cuk电路的第二端子连接；Sn-1源极与开关管Sn漏极、第(n-1)横向Cuk电路的第二端子、第n横向Cuk电路的第一端子连接；Sn源极与电容Cn/2的第二端、耦合电感L的第(n/2+1)绕组同名端连接；耦合电感L的第(n/2+1)绕组异名端与第n横向Cuk电路的第二端子连接。
一种基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器，采用纵向Cuk电路与横向Cuk电路相结合的均衡方式；通过如权利要求1所述的纵向Cuk电路的使用，有效降低了一组电池单元需要配备的电感、电容和开关管数量。
一种基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器，按照电池单元之间均衡路径归两类，分别为纵向Cuk电路与横向Cuk电路，其均衡路径形如字母“E”；通过如权利要求1所述的纵向Cuk电路与横向Cuk电路，在串联电池数量较多情况下，可以实现缩短电池单元间均衡路径，达到电池单元之间的快速均衡。
有益效果：本发明所提一种基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器实施以后，同传统双向Cuk均衡电路相比较，有效减少了电感、电容和开关管的使用数量，简化了控制，提升了均衡器的效率；采用纵向Cuk电路与横向Cuk电路相结合的方式，使其均衡路径形如字母“E”，可有效缩短电池单元间均衡路径，达到电池单元之间的快速均衡，提升了均衡效果；上述两个有益效果可大大提升本发明所提电池均衡器的市场竞争力。
附图说明
图1为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器主电路拓扑；
图2为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器在电池单元之间均衡到稳态时横向Cuk电路或纵向Cuk电路的运行波形；
图3为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器在电池单元之间均衡到稳态时第i横向Cuk电路的运行模态1；
图4为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器在电池单元之间均衡到稳态时第i横向Cuk电路的运行模态2；
图5为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器在电池单元之间均衡到稳态时第i横向Cuk电路的运行模态3；
图6为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器在电池单元之间均衡到稳态时第i横向Cuk电路的运行模态4；
图7为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器在电池单元之间均衡到稳态时纵向Cuk电路的运行模态1；
图8为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器在电池单元之间均衡到稳态时纵向Cuk电路的运行模态2；
图9为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器在电池单元之间均衡到稳态时纵向Cuk电路的运行模态3；
图10为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器在电池单元之间均衡到稳态时纵向Cuk电路的运行模态4；
图11为本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器在电池单元之间电压不一致时该电路均衡路径图；
图中符号名称：S1-Sn——纵向Cuk电路的第1开关管-第n开关管；Si1-Si2——第i横向Cuk电路的第1开关管-第2开关管；W1-Wn/2+1——耦合电感L的第1绕组-第(n/2+1)绕组；iW1-iW(n/2+1)——耦合电感L的第1绕组-第(n/2+1)绕组电流；Li1-Li2——第i横向Cuk电路中电感；iLi1-iLi2——第i横向Cuk电路中电感电流；C1-Cn/2——纵向Cuk电路中电容；Ci1-Ci2——第i横向Cuk电路中电容；Ti——第i横向Cuk电路中变压器；Wi1——第i横向Cuk电路中变压器原边绕组；Wi2——第i横向Cuk电路中变压器副边绕组；B1-B2n——锂电池单元；uGS1-uGSn——纵向Cuk电路的第1开关管-第n开关管的驱动信号。uGSi1-uGSi2——第i横向Cuk电路的第1开关管-第2开关管的驱动信号；T——开关管开关周期。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明所公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器主电路拓扑如图1所示。第i(i＝1,2,3……,n)横向Cuk电路中，锂电池单元Bi的正极与电感Li1的第一端连接，并作为第i横向Cuk电路的第一端子；电感Li1的第二端与电容Ci1的第一端、开关管Si1漏极连接；电容Ci1的第二端与变压器Ti原边绕组同名端相连；变压器Ti原边绕组异名端与Si1源极、Bi的负极连接，并作为第i横向Cuk电路的第二端子；变压器Ti副边绕组异名端与开关管Si2的漏极、锂电池单元Bn+i的正极相连接，并作为第i横向Cuk电路的第三端子；变压器Ti副边绕组同名端与电容Ci2的第一端连接；电容Ci2的第二端与Si2的源极、电感Li2第二端连接；电感Li2第一端与Bn+i的负极相连接，并作为第i横向Cuk电路的第四端子。
第(j+1)/2(j＝1,3……,n-3)纵向Cuk电路中，耦合电感L的第(j+1)/2绕组同名端与电容C(j+1)/2的第一端、开关管Sj漏极连接；耦合电感L的第(j+1)/2绕组异名端作为第(j+1)/2纵向Cuk电路的第一端子；Sj源极与开关管Sj+1漏极连接，并作为第(j+1)/2纵向Cuk电路的第二端子；Sj+1源极与电容C(j+1)/2的第二端连接，并作为第(j+1)/2纵向Cuk电路的第三端子。
当j＝i＝1时，第1纵向Cuk电路的第一端子与第1横向Cuk电路的第一端子连接；第1纵向Cuk电路的第二端子与第1横向Cuk电路的第二端子、第2横向Cuk电路的第一端子连接；第1纵向Cuk电路的第三端子与耦合电感L的第2绕组同名端连接；第1横向Cuk电路的第三端子与锂电池单元Bn负极连接；第1横向Cuk电路的第四端子与第2横向Cuk电路的第三端子连接；当j＝i≠1时，第(j+1)/2纵向Cuk电路的第一端子与第i横向Cuk电路的第一端子、第(i-1)横向Cuk电路的第二端子连接；第(j+1)/2纵向Cuk电路的第二端子与第i横向Cuk电路的第二端子、第(i+1)横向Cuk电路的第一端子连接；第(j+1)/2纵向Cuk电路的第三端子与耦合电感L的第((j+1)/2+1)绕组同名端连接；第i横向Cuk电路的第三端子与第(i-1)横向Cuk电路的第四端子连接；第i横向Cuk电路的第四端子与第(i+1)横向Cuk电路的第三端子连接。
第n/2纵向Cuk电路中，耦合电感L的第n/2绕组同名端与电容Cn/2的第一端、开关管Sn-1漏极连接；耦合电感L的第n/2绕组异名端与第(n-1)横向Cuk电路的第一端子、第(n-2)横向Cuk电路的第二端子连接；Sn-1源极与开关管Sn漏极、第(n-1)横向Cuk电路的第二端子、第n横向Cuk电路的第一端子连接；Sn源极与电容Cn/2的第二端、耦合电感L的第(n/2+1)绕组同名端连接；耦合电感L的第(n/2+1)绕组异名端与第n横向Cuk电路的第二端子连接。
图1所示的本发明公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器中，当电池单元之间出现电压不一致时，纵向Cuk电路和横向Cuk电路将会通过控制相应的开关管来实现电池单元之间能量的传递，其中纵向Cuk电路在均衡时开关管S1-Sn的驱动信号为uGS1-uGSn，横向Cuk电路中以第i横向Cuk电路为例，其开关管Si1-Si2的驱动信号为uGSi1-uGSi2，波形如图2所示。当电池单元之间的均衡电路运行到稳态时，第i横向Cuk电路的电感电流iLi1、iLi2波形、第(j+1)/2纵向Cuk电路的耦合电感电流iW((j+1)/2)、iW((j+1)/2+1)波形和第n/2纵向Cuk电路的耦合电感电流iW(n/2)、iW(n/2+1)波形如图2所示。在一个开关周期内，第i横向Cuk电路运行可以分为4个模态分别对应图3至图6，纵向Cuk电路运行也分为4个模态分别对应图7至图10。
横向均衡模态1[图3]：t0-t1时刻，开关管Si1导通，开关管Si2关断。电感Li1、Si1和电池单元Bi构成回路，此时存储在电感Li1的能量通过回路给Bi充电。电感Li2、Bn+i、变压器Ti副边绕组Wi2和电容Ci2构成回路，变压器Ti原边绕组Wi1、Si1和电容Ci1构成回路，此时Bn+i与电感Li2通过回路共同给变压器Ti和电容Ci2提供能量，并通过变压器Ti作用后给电容Ci1充电。
横向均衡模态2[图4]：t1-t2时刻，横向均衡模态2下开关管的状态和横向均衡模态1中一致，不同的是电感Li1、Li2中存储的能量在横向均衡模态2开始时释放完毕。此时，电池单元Bi向电感Li1释放能量，电容Ci1的能量需经变压器Ti作用后与电容Ci2共同给电池单元Bn+i和电感Li2充电。
横向均衡模态3[图5]：t2-t3时刻,开关管Si1关断，开关管Si2导通。电感Li2、Si2和电池单元Bn+i构成回路，此时存储在电感Li1的能量通过回路给Bn+i充电。Bi、电感Li1、电容Ci1和变压器Ti原边绕组Wi1构成回路，变压器Ti副边绕组Wi2、Si2和电容Ci2构成回路，此时Bi与电感Li1通过回路共同给电容Ci1、Ci2充电。
横向均衡模态4[图6]：t3-t4时刻，横向均衡模态4下开关管的状态和横向均衡模态3中一致，不同的是电感Li1、Li2中存储的能量在横向均衡模态4开始时释放完毕。此时，电池单元Bn+i向电感Li2释放能量，电容Ci2的能量需经变压器Ti作用后与电容Ci1共同给电池单元Bi和电感Li1充电。
纵向均衡模态1[图7]：t0-t1时刻，开关管S1、S3……Sn-1同时导通，开关管S2、S4……Sn同时关断。耦合电感L第1绕组、S1和电池单元B1构成回路；耦合电感第2绕组、S3和电池单元B3构成回路……耦合电感L第n/2绕组、Sn-1和电池单元Bn-1构成回路。此时，存储在耦合电感L绕组的能量通过各自回路给相应的电池单元充电。电池单元B2、耦合电感L第2绕组、电容C1和S1构成回路；电池单元B4、耦合电感L第3绕组、电容C2和S3构成回路……电池单元Bn、耦合电感L第(n/2+1)绕组、电容Cn/2和Sn-1构成回路，此时，各自回路中电池单元和耦合电感L绕组共同给相应回路的电容充电。
纵向均衡模态2[图8]：t1-t2时刻，纵向均衡模态2下开关管的状态和纵向均衡模态1中一致，耦合电感L存储的能量在纵向均衡模态2开始时释放完毕。耦合电感L第1绕组、S1和电池单元B1构成回路；耦合电感L第2绕组、S3和电池单元B3构成回路……耦合电感L第n/2绕组、Sn-1和电池单元Bn-1构成回路。此时，各自回路中电池单元给相应耦合电感L绕组充电。电池单元B2、耦合电感L第2绕组、电容C1和S1构成回路；电池单元B4、耦合电感L第3绕组、电容C2和S3构成回路……电池单元Bn、耦合电感L第(n/2+1)绕组、电容Cn/2和Sn-1构成回路，此时，各自回路中电容给相应电池单元和耦合电感L绕组充电。
纵向均衡模态3[图9]：t2-t3时刻，开关管S1、S3……Sn-1同时关断，开关管S2、S4……Sn同时导通。耦合电感L第2绕组、S2和电池单元B2构成回路；耦合电感L第3绕组、S4和电池单元B4构成回路……耦合电感L第(n/2+1)绕组、Sn和电池单元Bn构成回路。此时，存储在耦合电感L绕组的能量通过各自回路给相应的电池单元充电。电池单元B1、耦合电感L第1绕组、电容C1和S2构成回路；电池单元B3、耦合电感L第2绕组、电容C2和S4构成回路……电池单元Bn-1、耦合电感L第n/2绕组、电容Cn/2和Sn构成回路，此时，各自回路中电池单元和耦合电感L绕组共同给相应电容充电。
纵向均衡模态4[图10]：t3-t4时刻，纵向均衡模态4下开关管的状态和纵向均衡模态3中一致，耦合电感L存储的能量在纵向均衡模态4开始时释放完毕。耦合电感L第2绕组、S2和电池单元B2构成回路；耦合电感L第3绕组、S4和电池单元B4构成回路……耦合电感L第(n/2+1)绕组、Sn和电池单元Bn构成回路。此时，各自回路中相应电池单元给耦合电感L绕组充电。电池单元B1、耦合电感L第1绕组、电容C1和S2构成回路；电池单元B3、耦合电感L第2绕组、电容C2和S4构成回路……电池单元Bn-1、耦合电感L第n/2绕组、电容Cn/2和Sn构成回路，此时，各自回路中相应电容给电池单元和耦合电感L绕组充电。
以上分析是横向均衡电路与纵向均衡电路运行到稳态时的各自模态，如果电池单元之间电压存在差异(假设电池单元Bi(i＝1,2……,n)电压大于其他电池单元电压)，则横向均衡电路的工作状态仅为图4和图5，纵向均衡电路的工作状态仅为图8和图9。
通过以上分析，我们可以得出本发明所公开均衡器的均衡路径图如图11所示，图中电池单元用实心圆表示，能量传递元件用空心圆表示，并用字母Ax(x＝1,2……,n-1)和Ayy(y＝1,2……,n)分别表示纵向和横向，箭头表示能量传递方向，从图中可以看出本发明所公开均衡器的均衡路径形如字母“E”。
综上所述，本发明公开的基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器主电路拓扑同传统双向Cuk均衡电路相比较，有效减少了电感、电容和开关管的使用数量，而且通过采用纵向Cuk电路与横向Cuk电路相结合的方式，使其均衡路径形如字母“E”，可有效实现缩短电池单元间均衡路径，达到电池单元之间的快速均衡。

Claims (3)

1.一种基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器，其特征在于，锂电池包中包含n(n为偶数)个横向Cuk电路和n/2个纵向Cuk电路；
第i(i＝1,2,3……,n)横向Cuk电路中，锂电池单元Bi的正极与电感Li1的第一端连接，并作为第i横向Cuk电路的第一端子；电感Li1的第二端与电容Ci1的第一端、开关管Si1漏极连接；电容Ci1的第二端与变压器Ti原边绕组同名端相连；变压器Ti原边绕组异名端与Si1源极、Bi的负极连接，并作为第i横向Cuk电路的第二端子；变压器Ti副边绕组异名端与开关管Si2的漏极、锂电池单元Bn+i的正极相连接，并作为第i横向Cuk电路的第三端子；变压器Ti副边绕组同名端与电容Ci2的第一端连接；电容Ci2的第二端与Si2的源极、电感Li2第二端连接；电感Li2第一端与Bn+i的负极相连接，并作为第i横向Cuk电路的第四端子；
第(j+1)/2(j＝1,3……,n-3)纵向Cuk电路中，耦合电感L的第(j+1)/2绕组同名端与电容C(j+1)/2的第一端、开关管Sj漏极连接；耦合电感L的第(j+1)/2绕组异名端作为第(j+1)/2纵向Cuk电路的第一端子；Sj源极与开关管Sj+1漏极连接，并作为第(j+1)/2纵向Cuk电路的第二端子；Sj+1源极与电容C(j+1)/2的第二端连接，并作为第(j+1)/2纵向Cuk电路的第三端子；
当j＝i＝1时，第1纵向Cuk电路的第一端子与第1横向Cuk电路的第一端子连接；第1纵向Cuk电路的第二端子与第1横向Cuk电路的第二端子、第2横向Cuk电路的第一端子连接；第1纵向Cuk电路的第三端子与耦合电感L的第2绕组同名端连接；第1横向Cuk电路的第三端子与锂电池单元Bn负极连接；第1横向Cuk电路的第四端子与第2横向Cuk电路的第三端子连接；当j＝i≠1时，第(j+1)/2纵向Cuk电路的第一端子与第i横向Cuk电路的第一端子、第(i-1)横向Cuk电路的第二端子连接；第(j+1)/2纵向Cuk电路的第二端子与第i横向Cuk电路的第二端子、第(i+1)横向Cuk电路的第一端子连接；第(j+1)/2纵向Cuk电路的第三端子与耦合电感L的第((j+1)/2+1)绕组同名端连接；第i横向Cuk电路的第三端子与第(i-1)横向Cuk电路的第四端子连接；第i横向Cuk电路的第四端子与第(i+1)横向Cuk电路的第三端子连接；
第n/2纵向Cuk电路中，耦合电感L的第n/2绕组同名端与电容Cn/2的第一端、开关管Sn-1漏极连接；耦合电感L的第n/2绕组异名端与第(n-1)横向Cuk电路的第一端子、第(n-2)横向Cuk电路的第二端子连接；Sn-1源极与开关管Sn漏极、第(n-1)横向Cuk电路的第二端子、第n横向Cuk电路的第一端子连接；Sn源极与电容Cn/2的第二端、耦合电感L的第(n/2+1)绕组同名端连接；耦合电感L的第(n/2+1)绕组异名端与第n横向Cuk电路的第二端子连接。
2.一种基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器，其特征在于，采用纵向Cuk电路与横向Cuk电路相结合的均衡方式；通过如权利要求1所述的纵向Cuk电路的使用，有效降低了一组电池单元需要配备的电感、电容和开关管数量。
3.一种基于双向Cuk斩波电路的“E”型锂电池均衡器，其特征在于，按照电池单元之间均衡路径归两类，分别为纵向Cuk电路与横向Cuk电路，其均衡路径形如字母“E”；通过如权利要求1所述的纵向Cuk电路与横向Cuk电路，在串联电池数量较多情况下，可以实现缩短电池单元间均衡路径，达到电池单元之间的快速均衡。
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