CN101222149B

CN101222149B - 串联储能电源三单体直接均衡器

Info

Publication number: CN101222149B
Application number: CN2008100639151A
Authority: CN
Inventors: 杨世彦; 王雄飞; 盖晓东; 杨威
Original assignee: Harbin Institute of Technology Shenzhen
Current assignee: Harbin Institute of Technology Shenzhen
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: CN101222149A

Abstract

串联储能电源三单体直接均衡器：它涉及一种串联储能电源单体均衡电路。它解决了不相邻的两个储能单体不能直接均衡能量，工作效率低的问题。本发明包括第一绕组，第二绕组、第三绕组、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管。四个二极管与四个开关管分别反向并联，均是二极管阳极与开关管源极连接，二极管阴极与开关管漏极连接，第一开关管源极与第一绕组同名端、第二开关管漏极相连，第二开关管源极与第三开关管漏极、第四开关管漏极相连，第三开关管源极与第二绕组异名端相连，第四开关管源极与第三绕组同名端连接，第二绕组同名端与第三绕组异名端相连。三个绕组缠绕在同一个铁芯上，且匝数相同。

Description

串联储能电源三单体直接均衡器

技术领域

本发明涉及一种串联储能电源单体均衡电路，特别是涉及一种能够实现相邻三个串联储能单体中的任意两个单体间直接双向传递能量的开关变换电路。

背景技术

各类蓄电池和超级电容器作为电能存储元件，已广泛应用于电动车辆、不间断电源、分布式发电等电能存储技术相关领域。无论蓄电池还是超级电容器，储能单体的电压都比较低，实际应用中通常会将几个至几十个单体串联构成电压合适的储能电源组。由于难以保证各储能单体的参数完全一致，在串联充电和放电过程中极易出现某些单体的过充和过放现象，导致串联储能电源组荷电容量和安全性能降低，循环寿命减少。因此，储能单体间的能量均衡成为串联储能电源组实际应用的关键技术之一。

目前，国内外已有多种基于电能开关变换技术的均衡器电路拓扑。其中一类拓扑可实现相邻两个储能单体之间的双向能量传递或多个相邻单体单一方向的能量依次传递；另一类拓扑可实现单体与串联储能电源组之间的双向能量传递，即实现储能系统局部与整体能量的交换。但是都只是两个相邻体之间进行，再依次传递，不相邻的两个单体之间无法实现直接均衡，这种均衡系统结构烦琐、均衡过程损耗大、均衡速度低，工作效率低。

发明内容

本发明的目的是为了解决不相邻的两个储能单体不能直接均衡能量，工作效率低的问题。

本发明包括第一绕组L1、第二绕组L2、第三绕组L3、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，四个二极管与四个开关管分别反向并联，均是二极管的阳极与开关管的源极连接，二极管的阴极与开关管的漏极连接，第一开关管S1的源极与第一绕组L1的同名端、第二开关管S2的漏极相连，第二开关管S2的源极与第三开关管S3的漏极、第四开关管S4的漏极相连，第三开关管S3的源极与第二绕组L2的异名端相连，第四开关管S4的源极与第三绕组L3的同名端连接，第二绕组L2的同名端与第三绕组L3的异名端相连。第一绕组L1、第二绕组L2和第三绕组L3缠绕在同一个铁芯上，且匝数相同，

串联储能电源三单体由第一储能单体B1、第二储能单体B2和第三储能单体B3依次串联组成，第一开关管S1漏极与第一储能单体B1正极相连；第一绕组L1异名端与第一储能单体B1负极和第二储能单体B2正极相连；第二开关管S2源极、第三开关管S3漏极与第二储能单体B2负极和第三储能单体B3正极相连；第二绕组L2同名端和第三绕组L3异名端与第三储能单体B3负极相连。

本发明的优点是，能够实现相邻三个串联储能单体中的任意两个单体间直接双向传递能量，非相邻储能单体(或电源模块)不均衡时，可直接进行均衡变换，无须借助于中间单体进行二次均衡变换，因而均衡过程的能量传递路径更短，损耗更小，速度更快，提高了工作效率。

附图说明

图1是串联储能电源三单体直接均衡器与三个储能单体的电路连接结构示意图，图2是第一储能单体B1向第二储能单体B2传递能量的均衡工作模式图，图3是第一储能单体B1向第三储能单体B3传递能量的均衡工作模式图，图4是第二储能单体B2向第一储能单体B1传递能量的均衡工作模式图，图5是第二储能单体B2向第三储能单体B3传递能量的均衡工作模式图，图6是第三储能单体B3向第一储能单体B1传递能量的均衡工作模式图，图7是第三储能单体B3向第二储能单体B2传递能量的均衡工作模式图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式由第一绕组L1、第二绕组L2、第三绕组L3、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4组成，四个二极管与四个开关管分别反向并联，均是二极管的阳极与开关管的源极连接，二极管的阴极与开关管的漏极连接，第一开关管S1的源极与第一绕组L1的同名端、第二开关管S2的漏极相连，第二开关管 S2的源极与第三开关管S3的漏极、第四开关管S4的漏极相连，第三开关管S3的源极与第二绕组L2的异名端相连，第四开关管S4的源极与第三绕组L3的同名端连接，第二绕组L2的同名端与第三绕组L3的异名端相连。第一绕组L1、第二绕组L2和第三绕组L3缠绕在同一个铁芯上，且匝数相同。

本发明引出四根线，分别与串联的三个电源储能单体正负极相连：第一开关管S1漏极与第一储能单体B1正极相连；第一绕组L1异名端与第一储能单体B1负极和第二储能单体B2正极相连；第二开关管S2源极、第三开关管S3漏极与第二储能单体B2负极和第三储能单体B3正极相连；第二绕组L2同名端和第三绕组异名端L3异名端与第三储能单体B3负极相连。本发明选用MOSFET开关管，其自带体二极管，这样，每对二极管和开关管分别都由一个自带体二极管的MOSFET开关管代替。

无论是蓄电池还是超级电容器构成的串联储能电源组，在相同工作条件下，储能单体能量大小与其端电压成正比。按照由电压最高单体直接向电压最低单体传递能量的控制原则，在任意两个单体间的电压差超过限定阈值时，通过均衡器中某一开关管进行的相应均衡调节，使单体间的电压趋于一致，从而实现单体间能量的均衡。

所述的均衡器变换电路中包含有多种基本开关变换拓扑，共有六种不同的均衡工作模式。无论串联储能电源组处于充电或放电的工作过程，还是处于非工作状态，均衡器变换电路均可以独立运行。当三个储能电源单体出现各种不均衡状态组合时，单独控制某一个开关管的开关动作，均可实现电压最高单体直接向电压最低单体的能量转移，六种工作模式如下：

第一种工作模式：下面结合图2说明，第一储能单体B1能量最高，第二储能单体B2能量最低。第一开关管S1单独工作，与第一绕组L1和第二体二极管D2构成boost电路。第一开关管S1开通时，第一储能单体B1、第一开关管S1和第一绕组L1构成回路，第一储能单体B1多余能量通过第一开关管S1存储到第一绕组L1中；第一开关管S1关断时，第一绕组L1、第二储能单体B2和第二体二极管D2回路导通，第一绕组L1的能量通过第二体二极管D2转移到第二储能单体B2中。

第二种工作模式：下面结合图3说明，第一储能单体B1能量最高，第三储能单体B3能量最低。第一开关管S1单独工作，第一绕组L1、第二绕组L2和第三体二极管D3构成单端反激电路。第一开关管S1开通时，第一储能单体B1、第一开关管S1和第一绕组L1构成回路，第一储能单体B1将多余能量通过第一开关管S1存储到第一绕组L1中；第一开关管S1关断时，第三储能单体B3、第二绕组L2和第三体二极管D3回路导通，第一绕组L1中的能量通过磁路耦合经第二绕组L2转移到第三储能单体B3中。

第三种工作模式：下面结合图4说明，第二储能单体B2能量最高，第一储能单体B1能量最低。第二开关管S2单独工作，与第一绕组L1和第一体二极管D1构成boost电路。第二开关管S2开通时，第二储能单体B2、第一绕组L1和第二开关管S2构成回路，第二储能单体B2将多余能量通过第二开关管S2存储到第一绕组L1中；第二开关管S2关断时，第一绕组L1、第一体二极管D1和第一储能单体B1回路导通，第一绕组L1中的能量通过第一体二极管D1转移到第一储能单体B1中。

第四种工作模式：下面结合图5说明，第二储能单体B2能量最高，第三储能单体B3能量最低。第二开关管S2单独工作，与第一绕组L1、第三绕组L3和第四体二极管D4构成单端反激电路。第二开关管S2开通时，第二储能单体B2、第一绕组L1和第二开关管S2构成回路，第二储能单体B2将多余能量通过第二开关管S2存储到第一绕组L1中；第二开关管S2关断时，第三绕组L3、第四体二极管D4和第三储能单体B3构成回路，第一绕组L1中的能量通过磁路耦合经第三绕组L3转移到第三储能单体B3中。

第五种工作模式：下面结合图6说明，第三储能单体B3能量最高，第一储能单体B1能量最低。第三开关管S3单独工作，与第二绕组L2、第一绕组L1和第一体二极管D1构成单端反激电路。第三开关管S3开通时，第三储能单体B3、第二绕组L2和第三开关管S3构成回路，第三储能单体B3将多余能量通过第三开关管S3存储到第二绕组L2中；第三开关管S3关断时，第一绕组L1、第一体二极管D1和第一储能单体B1回路导通，第二绕组L2中的能量通过磁路耦合经第一绕组L1转移到第一储能单体B1中。

第六种工作模式：下面结合图7说明，第三储能单体B3能量最高，第二储能单体B2能量最低。第四开关管S4单独工作，与第三绕组L3、第一绕组 L1和第二体二极管D2构成单端反激电路。第四开关管S4开通时，第三储能单体B3、第三绕组L3和第四开关管S4构成回路，第三储能单体B3将多余能量通过第四开关管S4存储到第三绕组L3中；第三开关管S3关断时，第一绕组L1、第二体二极管D2和第二储能单体B2回路导通，第三绕组L3中的能量通过磁路耦合经第一绕组L1转移到第二储能单体B2中。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于：它还包括第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，第一电容C1的一端与第一开关管S1的漏极相连，第一电容C1的另一端与第一绕组L1的异名端和第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与第二开关管S2的源极、第三开关管S3的漏极和第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端与第二绕组L2的同名端和第三绕组L3的异名端相连。这样连接，起到滤波作用，使电路波形更平稳。其它组成及连接方式与实施方式一相同。

Claims

1.一种串联储能电源三单体直接均衡器，其特征在于它包括第一绕组(L1)、第二绕组(L2)、第三绕组(L3)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，四个二极管与四个开关管分别反向并联，均是二极管的阳极与开关管的源极连接，二极管的阴极与开关管的漏极连接，第一开关管(S1)的源极与第一绕组(L1)的同名端、第二开关管(S2)的漏极相连，第二开关管(S2)的源极与第三开关管(S3)的漏极、第四开关管(S4)的漏极相连，第三开关管(S3)的源极与第二绕组(L2)的异名端相连，第四开关管(S4)的源极与第三绕组(L3)的同名端连接，第二绕组(L2)的同名端与第三绕组(L3)的异名端相连，第一绕组(L1)、第二绕组(L2)和第三绕组(L3)缠绕在同一个铁芯上，且匝数相同，

串联储能电源三单体由第一储能单体(B1)、第二储能单体(B2)和第三储能单体(B3)依次串联组成，第一开关管(S1)漏极与第一储能单体(B1)正极相连；第一绕组(L1)异名端与第一储能单体(B1)负极和第二储能单体(B2)正极相连；第二开关管(S2)源极、第三开关管(S3)漏极与第二储能单体(B2)负极和第三储能单体(B3)正极相连；第二绕组(L2)同名端和第三绕组(L3)异名端与第三储能单体(B3)负极相连。

2.根据权利要求1所述的串联储能电源三单体直接均衡器，其特征在于：每对二极管、开关管分别都由一个自带体二极管的MOSFET开关管代替。

3.根据权利要求1所述的串联储能电源三单体直接均衡器，其特征在于：它还包括第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，第一电容C1的一端与第一开关管(S1)的漏极相连，第一电容C1的另一端与第一绕组(L1)的异名端和第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与第二开关管(S2)的源极、第三开关管(S3)的漏极和第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端与第二绕组(L2)的同名端和第三绕组(L3)的异名端相连。