本發(fā)明涉及一種串聯(lián)儲能體四單體直接均衡電路。

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(diǎn)，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。以動力電池或超級電容器為主的電壓型儲能體通常具有較高的功率密度、安全清潔等優(yōu)點(diǎn)，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，其單體的電壓與容量都有限制，在很多實(shí)際應(yīng)用中，通常會將幾個(gè)甚至幾百個(gè)單體串聯(lián)構(gòu)成電壓合適的儲能組。由于儲能單體內(nèi)部的化學(xué)性質(zhì)差異，在串聯(lián)充放電過程中極易出現(xiàn)某個(gè)或某些單體的過充或過放現(xiàn)象，導(dǎo)致串聯(lián)儲能組容量和安全性能降低，循環(huán)壽命減少。因此儲能體間的能量均衡成為串聯(lián)儲能組實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

一般而言，儲能體的能量與其電壓相關(guān)度高，因此往往通過釋放電壓較高單體的能量、補(bǔ)充電壓較低單體的能量來實(shí)現(xiàn)能量均衡，國內(nèi)外主要有以下幾類均衡方法。

第一類是電阻耗能均衡，即通過電阻消耗電壓較高單體的能量以達(dá)到各單體的均衡，該方法均衡效率低，而且不能實(shí)現(xiàn)對電壓較低單體的能量進(jìn)行補(bǔ)充。

第二類是飛渡電容式均衡方法，以電容作為中間儲能環(huán)節(jié)，通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以將其投切到任意的單體上，可以實(shí)現(xiàn)任意單體間的能量直接傳遞，均衡效率較高，但該方法需要大量的開關(guān)器件，導(dǎo)通瞬間沖擊電流很大，容易出現(xiàn)電弧或電磁干擾。

第三類是基于Buck-Boost變換器的均衡方法，以兩個(gè)相鄰單體、兩個(gè)開關(guān)管和作為中間儲能環(huán)節(jié)的電感組成Buck-Boost變換器，可以實(shí)現(xiàn)相鄰單體間的能量直接傳遞，通過在每兩個(gè)相鄰單體間設(shè)置Buck-Boost變換器，可以實(shí)現(xiàn)多單體的能量均衡，但當(dāng)不均衡的單體不相鄰時(shí)，能量就需要經(jīng)過中間的單體，傳輸路徑長，均衡速度變慢，效率降低。

第四類是基于反激變換器的均衡方法，將多輸出繞組變壓器的原邊連接串聯(lián)儲能組，各副邊分別連接各單體，可以將整體能量傳遞給各單體，由于電壓較低的單體會得到更多的能量從而促進(jìn)均衡。該方法不能實(shí)現(xiàn)對電壓較高單體的能量釋放，而且均衡誤差較大。

綜合以上四類方法可見，如果能實(shí)現(xiàn)任意單體間的能量直接傳遞，使各單體都可儲能或釋能，則能提高均衡速度和均衡效率。

專利《串聯(lián)儲能電源三單體直接均衡器》實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)三單體中任意兩個(gè)單體間能量的雙向傳遞，縮短了傳輸路徑，但是能實(shí)現(xiàn)能量直接傳遞的單體數(shù)較少。

專利《串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置及方法》可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)單體間能量的雙向傳遞，但是工作模態(tài)較多，組內(nèi)能量均衡時(shí)，采用正激工作方式，之后需要采用反激工作方式來進(jìn)行磁復(fù)位；組間能量均衡時(shí)，采用反激工作方式。其中，在單體間電壓差較小的情況下，正激工作方式的均衡效率較低。

雖然現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)任意單體間的能量直接傳遞，但還存在可均衡單體數(shù)量較少、工作方式復(fù)雜且個(gè)別方式均衡效率不高的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有均衡裝置無法解決任意兩個(gè)儲能單體點(diǎn)對點(diǎn)直接能量傳遞、能量均衡路徑長和能量均衡效率低的問題，本發(fā)明提供了一種串聯(lián)儲能體四單體直接均衡裝置及方法。

本發(fā)明的一種串聯(lián)儲能體四單體直接均衡裝置及方法，所述串聯(lián)儲能體由4個(gè)儲能單體串聯(lián)組成，串聯(lián)儲能體中的第1儲能單體B₁和第2儲能單體B₂為第一組，第3儲能單體B₃和第4儲能單體B₄為第二組；所述四單體直接均衡裝置包括上述4個(gè)儲能單體、4個(gè)耦合電感和6個(gè)雙向開關(guān)，第1個(gè)耦合電感L₁與第1個(gè)雙向開關(guān)M₁中的開關(guān)管S₁₁、開關(guān)管S₁₂、第1個(gè)儲能單體B₁串聯(lián)連接，第2個(gè)耦合電感L₂與第2個(gè)雙向開關(guān)M₂中的開關(guān)管S₂₁、開關(guān)管S₂₂、第2個(gè)儲能單體B₂串聯(lián)連接，第3個(gè)耦合電感L₃與第3個(gè)雙向開關(guān)M₃中的開關(guān)管S₃₁、開關(guān)管S₃₂、第3個(gè)儲能單體B₃串聯(lián)連接，第4個(gè)耦合電感L₄與第4個(gè)雙向開關(guān)M₄中的開關(guān)管S₄₁、開關(guān)管S₄₂、第4個(gè)儲能單體B₄串聯(lián)連接；第5個(gè)雙向開關(guān)M₅一端與第1個(gè)雙向開關(guān)M₁相連，另一端與第2個(gè)儲能單體B₂的負(fù)極相連，第6個(gè)雙向開關(guān)M₆一端與第3個(gè)雙向開關(guān)M₃相連，另一端與第4個(gè)儲能單體B₄的負(fù)極相連；所述的4個(gè)耦合電感的匝數(shù)均相同，L₁，L₂為一組，與第一組儲能體相對應(yīng)，L₃，L₄為一組，與第二組儲能體相對應(yīng)，同組耦合電感的同名端方向一致，不同組耦合電感的同名端方向相反。以上所述開關(guān)管為MOSFET，所述雙向開關(guān)為兩個(gè)共源極的MOSFET串聯(lián)。

本發(fā)明的一種串聯(lián)儲能體四單體直接均衡裝置及方法，所述方法為通過控制6個(gè)雙向開關(guān)，實(shí)現(xiàn)任意單體間點(diǎn)對點(diǎn)的能量直接傳遞，其具體方式為：組內(nèi)能量均衡時(shí)，采用Buck-Boost工作方式；組間能量均衡時(shí)，采用反激工作方式。

本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方式簡單，均衡過程的能量傳遞路徑短，均衡速度較快，均衡效率較高；本發(fā)明只有反激和Buck-Boost兩種工作方式，工作模式簡單，既解決了儲能單體點(diǎn)對點(diǎn)直接均衡的問題，同時(shí)也避免了使用正激均衡工作方式需要再進(jìn)入反激工作方式進(jìn)行磁復(fù)位的繁瑣。

附圖說明

圖1為串聯(lián)儲能體四單體直接均衡裝置的原理示意圖；

圖2為具體實(shí)施方式一中所述串聯(lián)儲能體四單體直接均衡裝置在組內(nèi)單體能量均衡時(shí)，采用的Buck-Boost工作方式示意圖(以第1個(gè)儲能單體B₁向第2個(gè)儲能單體B₂饋能為例)；

圖3為具體實(shí)施方式二中所述串聯(lián)儲能體四單體直接均衡裝置在組間單體能量均衡時(shí)，采用的反激工作方式示意圖(以第1個(gè)儲能單體B₁向第3個(gè)儲能單體B₃饋能為例)；

具體實(shí)施方式

本發(fā)明具體的均衡方法為：組內(nèi)能量均衡時(shí)，采用Buck-Boost工作方式，即具體實(shí)施方式一；組間能量均衡時(shí)，采用反激工作方式，即具體實(shí)施方式二。

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的串聯(lián)儲能體四單體直接均衡裝置實(shí)現(xiàn)組內(nèi)單體能量均衡時(shí)，工作在Buck-Boost模式。以第一組第1儲能單體B₁能量最高，第2儲能單體B₂能量最低為例說明，此時(shí)將B₁能量饋至B₂。

如圖2所示，此種狀態(tài)下僅允許第1雙向開關(guān)M₁、第5雙向開關(guān)M₅動作，則第1儲能單體B₁、第2儲能單體B₂、第1雙向開關(guān)M₁、第1耦合電感L₁、第5雙向開關(guān)M₅構(gòu)成Buck-Boost變換器。

當(dāng)?shù)?雙向開關(guān)M₁導(dǎo)通，第5雙向開關(guān)M₅關(guān)斷時(shí)，第1儲能單體B₁經(jīng)第1雙向開關(guān)M₁對第1耦合電感L₁儲能，具體參見圖2中實(shí)線箭頭；當(dāng)?shù)?雙向開關(guān)M₁關(guān)斷，第5雙向開關(guān)M₅開通時(shí)，第1耦合電感L₁經(jīng)第5雙向開關(guān)M₅向第2儲能單體B₂釋放能量，具體參見圖2中虛線箭頭。這樣就實(shí)現(xiàn)了將第1儲能單體B₁的能量饋至第2儲能單體B₂。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的串聯(lián)儲能體四單體直接均衡裝置實(shí)現(xiàn)組間單體能量均衡時(shí)，工作在反激模式。以第一組第1儲能單體B₁能量最高，第二組第3儲能單體B₃能量最低為例說明，此時(shí)將B₁能量饋至B₂。

如圖3所示，此種狀態(tài)下僅允許第1雙向開關(guān)M₁、第3雙向開關(guān)M₃動作，則第1儲能單體B₁、第3儲能單體B₃、第1雙向開關(guān)M₁、第1耦合電感L₁、第3耦合電感L₃、第3雙向開關(guān)M₃構(gòu)成反激變換器。

當(dāng)?shù)?雙向開關(guān)M₁導(dǎo)通，第3雙向開關(guān)M₃關(guān)斷時(shí)，第1儲能單體B₁經(jīng)第1雙向開關(guān)M₁對第1耦合電感L₁儲能，具體參見圖3中實(shí)線箭頭；當(dāng)?shù)?雙向開關(guān)M₁關(guān)斷，第3雙向開關(guān)M₃開通時(shí)，第1耦合電感L₁的能量由于反激作用轉(zhuǎn)移到第3耦合電感L₃中，同時(shí)第3耦合電感L₃的能量經(jīng)第3雙向開關(guān)M₃向第3儲能單體B₃釋放能量，具體參見圖3中虛線箭頭。這樣就實(shí)現(xiàn)了將第1儲能單體B₁的能量饋至第3儲能單體B₃。