本發(fā)明涉及一種串聯(lián)儲能電源組單體均衡電路，特別是設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)多單體串聯(lián)電池組單體對單體的雙向能量直接傳遞的開關(guān)變換電路。

背景技術(shù)：

能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點，各種新能源技術(shù)層出不窮，隨之而來也對能量存儲技術(shù)提出更高要求。動力電池或超級電容器為主的電壓型儲能電源組件通常具有較高的功率密度、安全清潔等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車、空間電源、功率脈沖裝置等需要能量存儲的技術(shù)領(lǐng)域。無論動力電池還是超級電容器，儲能單體的電壓等級都比較低，實際應(yīng)用中通常會將幾個甚至幾百個單體串聯(lián)構(gòu)成電壓合適的儲能電源組。由于各儲能單體的參數(shù)難以保證完全一致，在串聯(lián)充放電過程中極易出現(xiàn)某個或某些單體的過充或過放現(xiàn)象，導(dǎo)致串聯(lián)儲能電源組容量和安全性能降低，循環(huán)壽命減少。因此儲能單體間的能量均衡成為串聯(lián)儲能電源組實際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多種基于開關(guān)變換技術(shù)的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大致可以分為以下三類：

第一類是可以實現(xiàn)單體對單體能量直接傳遞的飛渡電容式均衡拓?fù)錂C(jī)構(gòu)；

第二類是可以實現(xiàn)相鄰兩個單體間能量的雙向傳遞或多個相鄰單體單一方向能量的依次傳遞的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

第三類是可以實現(xiàn)單體與串聯(lián)儲能電源組間的能量傳遞，即局部到整體或整體到局部的能量傳遞的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

第一類飛渡電容式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對可實現(xiàn)點對點能量的直接傳遞，但由于使用了大量的開關(guān)器件，電路復(fù)雜程度增加，電路可靠性難以保證；而另外兩類均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在進(jìn)行非相鄰單體間能量的傳遞時，均無法實現(xiàn)能量的跨越式傳遞，均衡過程中，均衡路徑長、均衡速度慢、均衡效率低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決串聯(lián)儲能電源組任意兩個儲能單體間不能直接傳遞能量，均衡路經(jīng)長，均衡效率低的問題。

本發(fā)明以六單體串聯(lián)電池組為例進(jìn)行說明，本發(fā)明同樣適用于任何數(shù)量單體串聯(lián)電池組，但考慮到互感變壓器的復(fù)雜程度，一般不建議超過十單體串聯(lián)電池組直接采用本電路。將六單體串聯(lián)電池組，包括第一儲能單體b1、第二儲能單體b2、第三儲能單體b3、第四儲能單體b4、第五儲能單體b5、第六儲能單體b6、第一繞組l12、第二繞組l23、第三繞組l34、第四繞組l45、第五繞組l56、第一開關(guān)管q11、第二開關(guān)管q12、第三開關(guān)管q21、第四開關(guān)管q22、第五開關(guān)管q23、第六開關(guān)管q24、第七開關(guān)管q31、第八開關(guān)管q32、第九開關(guān)管q33、第十開關(guān)管q34、第十一開關(guān)管q41、第十二開關(guān)管q42、第十三開關(guān)管q43、第十四開關(guān)管q44、第十五開關(guān)管q51、第十六開關(guān)管q52、第十七開關(guān)管q53、第十八開關(guān)管q54、第十九開關(guān)管q61和第二十開關(guān)管q62。每兩個開關(guān)管的漏極相連，實現(xiàn)雙向開關(guān)，第二開關(guān)管q12的源極與第一繞組l12的同名端、第六開關(guān)管q24的漏極與第二繞組l23的同名端、第八開關(guān)管q32的漏極與第三繞組l34的同名端、第十四開關(guān)管q44的漏極與第四繞組l45的同名端、第十六開關(guān)管q52的漏極與第五繞組l56的同名端相連，第一繞組l12、第二繞組l23、第三繞組l34、第四繞組l45、第五繞組l56纏繞在同一個鐵芯上，且匝數(shù)相同。

本發(fā)明為在具體實施電路中便于驅(qū)動各開關(guān)管，簡化驅(qū)動電路對均衡電路開關(guān)管位置進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計了串聯(lián)儲能電源組多單體直接均衡改進(jìn)電路。電路包括第一儲能單體b1、第二儲能單體b2、第三儲能單體b3、……第n-1儲能單體bn-1、第n儲能單體bn、第一繞組l1、第二繞組l2、第三繞組l3、……第n-2繞組ln-2、第n-1繞組ln-1、開關(guān)管q1、開關(guān)管q2、開關(guān)管ql11、開關(guān)管ql12、開關(guān)管q′2、開關(guān)管q′3、開關(guān)管q3、……開關(guān)管qln-22、開關(guān)管qln-21、開關(guān)管q′n-1、開關(guān)管qn-1、開關(guān)管qn、開關(guān)管qln-11、開關(guān)管qln-12。繞組l1、繞組l2、繞組l3、……繞組ln-2、繞組ln-1纏繞在同一個鐵芯上，且匝數(shù)相同。

本發(fā)明的優(yōu)點是，電路結(jié)構(gòu)相對簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)串聯(lián)電池組任意兩單體間點對點能量的直接雙向傳遞，無論是待均衡單體位置相鄰或是不相鄰，都能夠一次性將能量傳遞完畢，因而均衡過程的能量傳遞路徑短，均衡速度快，無能量的中間傳遞過程，因此均衡過程損耗小，均衡效率得以提高。

附圖說明

圖1為串聯(lián)儲能電源組六單體直接均衡器電路連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為串聯(lián)儲能電源組多單體直接均衡器電路連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為串聯(lián)儲能電源組多單體直接均衡改進(jìn)電路連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為具體實施方式二的第一種工作方式示意圖。

圖5為具體實施方式二的第二種工作方式示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖2六單體直接均衡器說明本實施方式，本實施方式由第一繞組l12、第二繞組l23、第三繞組l34、第四繞組l45、第五繞組l56、第一開關(guān)管q11、第二開關(guān)管q12、第三開關(guān)管q21、第四開關(guān)管q22、第五開關(guān)管q23、第六開關(guān)管q24、第七開關(guān)管q31、第八開關(guān)管q32、第九開關(guān)管q33、第十開關(guān)管q34、第十一開關(guān)管q41、第十二開關(guān)管q42、第十三開關(guān)管q43、第十四開關(guān)管q44、第十五開關(guān)管q51、第十六開關(guān)管q52、第十七開關(guān)管q53、第十八開關(guān)管q54、第十九開關(guān)管q61和第二十開關(guān)管q62。每兩個開關(guān)管的漏極相連，實現(xiàn)雙向開關(guān)，第二開關(guān)管q12的源極與第一繞組l12的同名端、第六開關(guān)管q24的漏極與第二繞組l23的同名端、第八開關(guān)管q32的漏極與第三繞組l34的同名端、第十四開關(guān)管q44的漏極與第四繞組l45的同名端、第十六開關(guān)管q52的漏極與第五繞組l56的同名端相連，第一繞組l12、第二繞組l23、第三繞組l34、第四繞組l45、第五繞組l56纏繞在同一個鐵芯上，且匝數(shù)相同。

對于六單體串聯(lián)電池組，本發(fā)明引出七根線，分別與串聯(lián)的六個儲能單體正負(fù)極相連：第一開關(guān)管q11的漏極與第一儲能單體b11的正極相連；第一開關(guān)管q11的源極與第二開關(guān)管q12的源極相連；第二開關(guān)管q12的漏極與第一繞組l11的同名端相連；第一繞組l11的異名端與第一儲能單體b11的負(fù)極相連；第三開關(guān)管q13的漏極與第二儲能單體b12的正極相連；第三開關(guān)管q13的源極與第四開關(guān)管q14的源極相連；第四開關(guān)管q14的漏極與第二繞組l12的同名端相連；第二繞組l12的異名端與第二儲能單體b12的負(fù)極相連；第五開關(guān)管q15的漏極與第三儲能單體b13的正極相連；第五開關(guān)q15的源極與第六開關(guān)管q16的源極相連；第六開關(guān)管q16的漏極與第三繞組l13的同名端相連；第三繞組l13的異名端與第三儲能單體b13的負(fù)極相連；第三儲能單體b13的負(fù)極與第四儲能單體b21的正極相連；第八開關(guān)管q22的漏極與第四儲能單體b21的正極相連；第八開關(guān)管q22的源極與第七開關(guān)管q21的源極相連；第七開關(guān)管q21的漏極與第四繞組的l21的異名端相連；第四繞組l21的同名端與第四儲能單體b21的負(fù)極相連；第十開關(guān)管q24的漏極與第五儲能單體b22的正極相連；第十開關(guān)管q24的源極與第九開關(guān)管q23的源極相連；第九開關(guān)管q23的漏極與第五繞組l22的異名端相連；第五繞組l22的同名端與第五儲能單體b22的負(fù)極相連；第十二開關(guān)管q26的漏極與第六儲能單體b23的正極相連；第十二開關(guān)管q26的源極與第十一開關(guān)管q25的源極相連；第十一開關(guān)管q25的漏極與第六繞組l23的異名端相連；第六繞組l23的同名端與第六儲能單體b23的負(fù)極相連。本發(fā)明選用低通態(tài)損耗mosfet開關(guān)管，其自帶體二極管，這樣，每對二極管和開關(guān)管分別都由一個自帶體二極管的mosfet開關(guān)管代替。

具體實施方式二：對于串聯(lián)動力電池組或超級電容器組，工作條件相同，儲能單體能量與單體電壓成正比。本發(fā)明的控制原則為電壓最高單體向電壓最低單體傳遞能量，當(dāng)任意兩個儲能單體的電壓差超過限定閾值時，通過控制均衡器的某對開關(guān)管進(jìn)行調(diào)節(jié)，使單體間電壓趨于一致，從而實現(xiàn)單體間的能量均衡。

所述均衡器變換電路實施方式結(jié)合圖1進(jìn)行說明，串聯(lián)儲能電源組無論處于充電或是放電狀態(tài)，均衡變換電路均可以獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)六個儲能單體出現(xiàn)各種不均衡狀態(tài)組合時，單獨(dú)控制某對開關(guān)管的開關(guān)動作，均可以實現(xiàn)電壓最高單體向電壓最低單體的能量轉(zhuǎn)移。本均衡器具有兩種工作模式，兩種工作模式如下：

第一種工作模式：即相鄰電池組buck-boost工作模式，下面結(jié)合圖4說明，第一儲能單體b1能量最高，第二儲能單體b2能量最低。第一開關(guān)管q11與第二開關(guān)管q12同時工作，與第一繞組l12、第三開關(guān)管q21和第四開關(guān)管q22構(gòu)成buck-boost變換電路。第一開關(guān)管q11與第二開關(guān)管q12同時工作，第一儲能單體b1、第一開關(guān)管q11、第二開關(guān)管q12與第一繞組l12構(gòu)成回路，將第一儲能單體b1中多余的能量存儲到第一繞組l12中；第一開關(guān)管q11與第二開關(guān)管q12同時關(guān)斷，第三開關(guān)管q21和第四開關(guān)管q22同時開通，此時第二儲能單體b2、第一繞組l12、第三開關(guān)管q21和第四開關(guān)管q22回路導(dǎo)通，第一繞組l12中的能量轉(zhuǎn)移到第二儲能單體b2中。

第二種工作模式：即非相鄰電池組反激均衡模式，下面結(jié)合圖5說明，第一儲能單體b1能量最高，第五儲能單體b5最低。第一開關(guān)管q11與第二開關(guān)管q12同時工作，與第一繞組l12、第四繞組l45、第十七開關(guān)管q53和第十八開關(guān)管q54構(gòu)成反激變換電路。第一開關(guān)管q11與第二開關(guān)管q12同時工作，第一儲能單體b1、第一開關(guān)管q11、第二開關(guān)管q12與第一繞組l12構(gòu)成回路，將第一儲能單體b1中多余的能量存儲到第一繞組l12中；第一開關(guān)管q11與第二開關(guān)管q12同時關(guān)斷，第十七開關(guān)管q53和第十八開關(guān)管q54同時開通，此時第五儲能單體b5、第四繞組l45、第十七開關(guān)管q53和第十八開關(guān)管q54回路導(dǎo)通，第一繞組l12中的能量通過磁路耦合經(jīng)第四繞組l45轉(zhuǎn)移到第五儲能單體b5中。