具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法，属于电力电子技术领域。串联储能单体数量为2n时，包含2n个匝数相同的耦合电感，6n个MOSFET开关管；单体数量为2n+1时，包含2n+2个耦合电感，6n+4个开关管，也可使用2n+1个耦合电感，6n+2个开关管。通过控制开关管的通断，能量较高单体向耦合电感释放能量，之后耦合电感中的能量再释放到能量较低单体中，实现单体间直接均衡。有Buck‑Boost和反激两种工作方式，在反激工作方式下，可实现一个单体对多个单体的能量传递。本发明专利技术通过构造任意单体间的能量传递路径，实现了任意单体间的直接均衡，具有能量传递路径短、均衡速度较快、效率较高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法，属于电力电子

技术介绍
储能技术在生产生活中应用广泛，一般的储能体包括铅酸电池、锂离子电池、燃料电池、超级电容器、超高速飞轮等，其中电池和超级电容器应用更多，尤其在电动汽车和新能源发电等领域。由于电池、超级电容器单体电压较低，常采用串联形式构成串联储能体。因为单体间存在不可避免的差异，在使用过程中端电压、容量等参数会出现不一致的情况，极易出现某个或某些储能单体的过充或过放现象，随着充放电次数的增多，会导致串联储能体实际容量下降、使用寿命减少。因此储能体间的能量均衡成为串联储能实际应用的关键技术之一。一般而言，储能体的能量与其电压相关度高，因此往往通过释放电压较高单体的能量，补充电压较低单体的能量来实现能量均衡，国内外主要有以下几类均衡方法。第一类是电阻耗能均衡，即通过电阻消耗电压较高单体的能量以达到各单体的均衡，该方法均衡效率低，而且不能实现对电压较低单体的能量进行补充。第二类是飞渡电容式均衡方法，以电容作为中间储能环节，通过开关网络可以将其投切到任意的单体上，可以实现任意单体间的能量直接传递，均衡效率较高，但该方法需要大量的开关器件，导通瞬间冲击电流很大，容易出现电弧或电磁干扰。第三类是基于Buck-Boost变换器的均衡方法，以两个相邻单体、两个开关管和作为中间储能环节的电感组成Buck-Boost变换器，可以实现相邻单体间的能量直接传递，通过在每两个相邻单体间设置Buck-Boost变换器，可以实现多单体的能量均衡，但当不均衡的单体不相邻时，能量就需要经过中间的单体，传输路径长，均衡速度变慢，效率降低。第四类是基于反激变换器的均衡方法，将多输出绕组变压器的原边连接串联储能组，各副边分别连接各单体，可以将整体能量传递给各单体，由于电压较低的单体会得到更多的能量从而促进均衡。该方法不能实现对电压较高单体的能量释放，而且均衡误差较大。综合以上四类方法可见，如果能实现任意单体间的能量直接传递，使各单体都可储能或释能，则能提高均衡速度和均衡效率。专利《串联储能电源三单体直接均衡器》实现了串联三单体中任意两个单体间能量的双向传递，缩短了传输路径，但是能实现能量直接传递的单体数较少。专利《串联电池组多单体直接均衡装置及方法》可以实现多个单体间能量的双向传递，但是工作模态较多，组内能量均衡时，采用正激工作方式，之后需要采用反激工作方式来进行磁复位；组间能量均衡时，采用反激工作方式。其中，在单体间电压差较小的情况下，正激工作方式的均衡效率较低。虽然现有技术可以实现任意单体间的能量直接传递，但还存在可均衡单体数量较少、工作方式复杂且个别方式均衡效率不高的问题。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有均衡装置无法解决任意两个储能单体点对点直接能量传递、能量均衡路径长和能量均衡效率低的问题，本专利技术提供了一种具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法。本专利技术的具有点对点路径的串联储能均衡装置及方法，适用于各种类型电池和超级电容器。本专利技术涉及的具有点对点路径的串联储能均衡装置，根据串联储能单体的数量，有两种不同的形式。当储能单体数量为2n时，n为正整数，即数量为偶数时，其包含2n个匝数相同的耦合电感，6n个MOSFET开关管；储能单体B2n-1和B2n，耦合电感L2n-1和L2n，MOSFET开关管S2n-1、SL2n-1、SD2n-1、S2n、SL2n、SD2n构成一个组，共有n个组串联；组内具体连接为：B2n-1的正极与S2n-1的漏极相连，S2n-1的源极与SL2n-1的源极、SD2n的源极、S2n的漏极相连，S2n的源极与B2n的负极相连，B2n的正极与SL2n的源极、SD2n-1的源极、B2n-1的负极相连，SL2n-1的漏极与L2n-1的同名端相连，L2n-1的异名端与SD2n-1的漏极相连，SD2n的漏极与L2n的异名端相连，L2n的同名端与SL2n的漏极相连。当储能单体数量为2n+1时，n为正整数，即数量为奇数时，其包含2n+2个匝数相同的耦合电感，6n+4个MOSFET开关管；其前n个组与储能单体数量为2n时的连接相同；储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1、L2n+2，MOSFET开关管Sa、Sb、Sc、Sd组成第n+1个组。第n+1个组具体连接为：B2n+1的正极与Sa的源极、Sc的源极相连，Sa的漏极与L2n+1的同名端相连，L2n+1的异名端与Sb的漏极相连，Sb的源极与B2n+1的负极、Sd的源极相连，Sc的漏极与L2n+2的异名端相连，L2n+2的同名端与Sd的漏极相连。当储能单体数量为2n+1时，第n+1个组仅保留储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1，MOSFET开关管Sa、Sb，也可实现点对点直接均衡。前n个组中，开关管SL2n-1、耦合电感L2n-1、开关管SD2n-1串联而组成的支路中，三者的位置可以互换；前n个组中，开关管SD2n、耦合电感L2n、开关管SL2n串联而组成的支路中，三者的位置可以互换；第n+1组中，开关管Sa、耦合电感L2n+1、开关管Sb的位置可以互换，开关管Sc、耦合电感L2n+2、开关管Sd的位置可以互换。前n个组中，开关管SD2n-1、SD2n可以用二极管代替，二极管的阳极对应原开关管源极，二极管的阴极对应原开关管漏极。本专利技术涉及的具有点对点路径的串联储能均衡方法，是通过控制上述串联储能均衡装置中的6n或6n+2或6n+4个MOSFET开关管，实现任意单体间点对点的能量直接传递，从而达到各单体的均衡。组内两个单体均衡时，利用组内耦合电感和开关管构成Buck-Boost电路拓扑，实现能量在两个单体间传递；不同组的两个单体均衡时，利用相应的开关管、耦合电感构成反激变换电路拓扑，实现能量在两个单体间传递，也可以利用反激变换器可以多路输出的特点，让多个耦合电感参与工作，实现能量从一个单体到其他不在同一组中的多个单体的传递。各个耦合电感中的电流方向总是由同名端流出；能量高的储能单体向本组内与自身标号不同的耦合电感释放能量，储能后的耦合电感向与自身标号相同的储能单体释放能量。当储能单体数量为2n+1，且第n+1个组仅保留储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1，MOSFET开关管Sa、Sb时，如果前2n个储能单体中的某一个作为释放能量单体，向其他任意单体馈能，耦合电感中的电流仍由同名端流出，工作方式与上述相同；如果第2n+1个储能单体作为释放能量单体，则耦合电感中的电流由异名端流出，前n组中，耦合电感向与自身标号不同的储能单体释放能量。源极与储能单体阴极相连的开关管，即前n组中的SD2n-1、SL2n、S2n，第n+1组中的Sb、Sd，使用所连接的储能单体作为驱动电源；源极与S2n漏极相连的开关管，即S2n-1、SL2n-1、SD2n采用自举方式提供驱动电源。有益效果本专利技术的有益效果在于，串联储能组的任意单体间都有能量传递的路径，能实现任意两单体间的直接均衡，均衡过程中能量传递路径短、速度较快、效率较高，同时也能实现一个单体对其他组的多个单体的均衡；组内单体均衡时采用Buck-Boost工作方式，组间单体均衡时采用反激工作方式，不存在正激工作方式，工作模式简单。附图说明图1为当储能单体数量为2n时，具有点本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有点对点路径的串联储能均衡装置，其特征在于，当储能单体数量为2n时，n为正整数，即数量为偶数时，其包含2n个匝数相同的耦合电感，6n个MOSFET开关管；储能单体B2n‑1和B2n，耦合电感L2n‑1和L2n，MOSFET开关管S2n‑1、SL2n‑1、SD2n‑1、S2n、SL2n、SD2n构成一个组，共有n个组串联；组内具体连接为：B2n‑1的正极与S2n‑1的漏极相连，S2n‑1的源极与SL2n‑1的源极、SD2n的源极、S2n的漏极相连，S2n的源极与B2n的负极相连，B2n的正极与SL2n的源极、SD2n‑1的源极、B2n‑1的负极相连，SL2n‑1的漏极与L2n‑1的同名端相连，L2n‑1的异名端与SD2n‑1的漏极相连，SD2n的漏极与L2n的异名端相连，L2n的同名端与SL2n的漏极相连；当储能单体数量为2n+1时，n为正整数，即数量为奇数时，其包含2n+2个匝数相同的耦合电感，6n+4个MOSFET开关管；其前n个组与储能单体数量为2n时的连接相同；储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1、L2n+2，MOSFET开关管Sa、Sb、Sc、Sd组成第n+1个组；第n+1个组具体连接为：B2n+1的正极与Sa的源极、Sc的源极相连，Sa的漏极与L2n+1的同名端相连，L2n+1的异名端与Sb的漏极相连，Sb的源极与B2n+1的负极、Sd的源极相连，Sc的漏极与L2n+2的异名端相连，L2n+2的同名端与Sd的漏极相连。...

【技术特征摘要】
1.具有点对点路径的串联储能均衡装置，其特征在于，当储能单体数量为2n时，n为正整数，即数量为偶数时，其包含2n个匝数相同的耦合电感，6n个MOSFET开关管；储能单体B2n-1和B2n，耦合电感L2n-1和L2n，MOSFET开关管S2n-1、SL2n-1、SD2n-1、S2n、SL2n、SD2n构成一个组，共有n个组串联；组内具体连接为：B2n-1的正极与S2n-1的漏极相连，S2n-1的源极与SL2n-1的源极、SD2n的源极、S2n的漏极相连，S2n的源极与B2n的负极相连，B2n的正极与SL2n的源极、SD2n-1的源极、B2n-1的负极相连，SL2n-1的漏极与L2n-1的同名端相连，L2n-1的异名端与SD2n-1的漏极相连，SD2n的漏极与L2n的异名端相连，L2n的同名端与SL2n的漏极相连；当储能单体数量为2n+1时，n为正整数，即数量为奇数时，其包含2n+2个匝数相同的耦合电感，6n+4个MOSFET开关管；其前n个组与储能单体数量为2n时的连接相同；储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1、L2n+2，MOSFET开关管Sa、Sb、Sc、Sd组成第n+1个组；第n+1个组具体连接为：B2n+1的正极与Sa的源极、Sc的源极相连，Sa的漏极与L2n+1的同名端相连，L2n+1的异名端与Sb的漏极相连，Sb的源极与B2n+1的负极、Sd的源极相连，Sc的漏极与L2n+2的异名端相连，L2n+2的同名端与Sd的漏极相连。2.根据权利要求1所述的具有点对点路径的串联储能均衡装置，其特征在于，当储能单体数量为2n+1时，第n+1个组仅保留储能单体B2n+1，耦合电感L2n+1，MOSFET开关管Sa、Sb，也可实现点对点直接均衡。3.根据权利要求1所述的具有点对点路径的串联储能均衡装置，其特征在于，前n个组中，开关管SL2n-1、耦合电感L2n-1、开关管SD2n-1串联而组成的支路中，三者的位置可以互换；前n个组中，开关管SD2n、耦合电感L2n、开关管SL2n串联而组成的支路中，三者的位置可以互换；第n+1组中，开关管Sa、耦合电感L2n+1、开关管Sb的位置可以互换，开关管...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨威，杨世彦，韩基业，谭宇，董青山，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23