電容?二極管網(wǎng)絡(luò)多路電壓均衡器拓?fù)浼捌淇刂品椒ㄅc流程

本發(fā)明涉及鋰電池均壓技術(shù)領(lǐng)域，尤其是電容-二極管網(wǎng)絡(luò)多路電壓均衡器拓?fù)浼捌淇刂品椒ā?/p>

背景技術(shù)：

目前，能源危機(jī)與環(huán)境污染日益成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。在能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，世界各國(guó)都在積極進(jìn)行綠色能源技術(shù)開(kāi)發(fā)。在各種綠色能源的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，鋰電池以其比能量高、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種儲(chǔ)能系統(tǒng)中。但鋰電池單體電壓較低，需要將數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)電池單體串聯(lián)成組以實(shí)現(xiàn)高壓輸出。由于在制造和使用過(guò)程中各單體電池內(nèi)阻、漏電流、溫度等特性的差異性，易造成電池組的不均衡現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為使用過(guò)程中出現(xiàn)單體電池的過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象，并最終導(dǎo)致電池組性能急劇下降、循環(huán)壽命縮短。為延長(zhǎng)電池組使用壽命，需在電池組中加入電壓均衡電路。

現(xiàn)有的電池均壓技術(shù)基本可分為三類(lèi)，即基于高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)均壓、基于多繞組變壓器均壓和基于電壓倍增器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均壓?；诟哳l開(kāi)關(guān)電源原理的均壓技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各電池單體的高精度、獨(dú)立電壓調(diào)節(jié)。但其存在電路元器件多、控制復(fù)雜和成本高等缺點(diǎn)。而傳統(tǒng)的基于多繞組變壓器的均壓技術(shù)，雖然控制簡(jiǎn)單，但受變壓器體積、副邊漏感及加工工藝影響，較難實(shí)現(xiàn)高精度均壓、不易維護(hù)且擴(kuò)展能力差?，F(xiàn)有基于電壓倍增器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均壓技術(shù)，其利用電容及二極管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行均壓，電路結(jié)構(gòu)及控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但該均壓技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)各電池單體獨(dú)立均壓、交叉影響嚴(yán)重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的電路拓?fù)?，克服了現(xiàn)有均壓技術(shù)的以上缺點(diǎn)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

電容-二極管多路電池電壓均衡器拓?fù)?，由前?jí)dc-ac變換器、交流電壓母線、后級(jí)電容-二極管均衡網(wǎng)絡(luò)和電池組構(gòu)成，前級(jí)dc-ac變換器輸出端直接與交流電壓母線相連接；交流電壓母線上同時(shí)并聯(lián)有n個(gè)電壓均衡模塊，每個(gè)電壓均衡模塊由兩個(gè)電容及一個(gè)由二極管組成的整流橋構(gòu)成，所有n個(gè)電壓均衡模塊構(gòu)成后級(jí)電容-二極管均衡網(wǎng)絡(luò)，各電壓均衡模塊輸出端獨(dú)立連接一個(gè)電池單體，所有電池單體串聯(lián)連接構(gòu)成電池組；交流電壓母線上連接有母線控制器。

母線控制器通過(guò)調(diào)節(jié)交流電壓母線的電壓幅值和頻率實(shí)現(xiàn)各電池單體的電壓均衡，后級(jí)電容-二極管均衡網(wǎng)絡(luò)中二極管整流橋的電流導(dǎo)向性，使得無(wú)論母線電壓為正或?yàn)樨?fù)，后級(jí)電容-二極管均衡網(wǎng)絡(luò)中的電壓均衡模塊均可正常工作。

進(jìn)一步地，后級(jí)電容-二極管均衡網(wǎng)絡(luò)中的電壓均衡模塊由電容、二極管組成，無(wú)需開(kāi)關(guān)器件及多繞組變壓器，減小了均衡器體積及控制復(fù)雜度。同時(shí)后級(jí)電容-二極管均衡網(wǎng)絡(luò)中的均衡模塊以并聯(lián)方式連接與交流電壓母線，各電池單體均衡過(guò)程相互獨(dú)立，無(wú)交叉影響，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)n路電池電壓均衡，擴(kuò)展能力強(qiáng)。

此外，前級(jí)dc-ac變換器可為任意拓?fù)涞膁c-ac變換器。

本發(fā)明的目的還在于，提供一種電容-二極管網(wǎng)絡(luò)多路電池電壓均衡器拓?fù)涞目刂品椒ǎ呵凹?jí)dc-ac變換器將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷海蠹?jí)電容-二極管均衡網(wǎng)絡(luò)中的電壓均衡模塊通過(guò)電容充放電實(shí)現(xiàn)電池均衡，母線控制器通過(guò)調(diào)節(jié)交流電壓母線的電壓幅值和頻率控制各電池單體的均衡電壓，后級(jí)電容-二極管均衡網(wǎng)絡(luò)中二極管整流橋的電流導(dǎo)向性，使得無(wú)論母線電壓為正或?yàn)樨?fù)，均衡模塊均可正常工作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

一、與現(xiàn)有的主動(dòng)均衡技術(shù)相比，本發(fā)明所需開(kāi)關(guān)管數(shù)量與串聯(lián)電池?cái)?shù)量無(wú)關(guān)，且均衡電路中無(wú)多繞組變壓器，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、電路控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

二、與現(xiàn)有的主動(dòng)均衡技術(shù)相比，本發(fā)明交流電壓母線上同時(shí)并聯(lián)有n個(gè)電池電壓均衡模塊，各均衡模塊均衡過(guò)程相互獨(dú)立，無(wú)交叉影響。通過(guò)調(diào)節(jié)母線電壓的幅值和頻率即可實(shí)現(xiàn)各電池單體的電壓均衡。

三、與現(xiàn)有的主動(dòng)均衡技術(shù)相比，本發(fā)明僅使用一個(gè)前級(jí)dc-ac變換器即可實(shí)現(xiàn)多路電池均衡。

附圖說(shuō)明

圖1a為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖1b為本發(fā)明的電壓均衡模塊電路圖結(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明的等效電路圖；

圖3a為圖2所示等效電路在一個(gè)均衡周期的工作模態(tài)一電路圖；

圖3b為圖2所示等效電路在一個(gè)均衡周期的工作模態(tài)二電路圖；

圖4為本發(fā)明的電路拓?fù)鋵?duì)應(yīng)的交流電壓均衡等效模型；

圖5為本發(fā)明的電路拓?fù)鋵?duì)應(yīng)的直流電壓均衡等效模型；

圖6為本發(fā)明以半橋式dc-ac變換器為前級(jí)變換器，半橋式dc-ac變換器輸入為外部直流電源的三電池電壓均衡實(shí)施例；

圖7為圖6實(shí)施例的母線電壓波形及其他主要實(shí)驗(yàn)波形；

圖8為圖6實(shí)施例的電池充電狀態(tài)下電壓波形圖；

圖9為本發(fā)明以半橋式dc-ac變換器為前級(jí)變換器，半橋式dc-ac變換器輸入為電池組自身的三電池電壓均衡實(shí)施例；

圖10為圖9實(shí)施例的電池靜置狀態(tài)下電壓波形圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體的實(shí)例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

圖1a為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示，該發(fā)明利用前級(jí)dc-ac變換器將直流電壓變換為交流電壓，如圖1b所示后級(jí)電容-二極管網(wǎng)絡(luò)中的電壓均衡模塊由電容、二極管組成，后級(jí)電容-二極管均衡網(wǎng)絡(luò)中的電壓均衡模塊通過(guò)電容充放電實(shí)現(xiàn)電池均衡，電容的通交隔直作用，及二極管構(gòu)成的整流橋具有電流導(dǎo)向性，其可有效防止電壓均衡模塊所對(duì)應(yīng)電池單體短路，同時(shí)后級(jí)電容-二極管均衡網(wǎng)絡(luò)中二極管整流橋的電流導(dǎo)向性，使得無(wú)論母線電壓為正或?yàn)樨?fù)，均衡模塊均可正常工作。

如圖3所示，當(dāng)前級(jí)dc-ac變換器輸入端接外部電源時(shí)，電路均衡過(guò)程有兩個(gè)模態(tài)。

modei:圖3a中的模態(tài)一，此時(shí)前級(jí)dc-ac變換器控制vbus＝ea>0，對(duì)電池bi，均衡電流經(jīng)電容ci1、ci2，二極管di1、di2流入電池bi(i＝1,2,…,n)，此時(shí)二極管di3、di4反向截止。

modeii:圖3b中的模態(tài)二，此時(shí)前級(jí)dc-ac變換器控制vbus＝eb<0，對(duì)電池bi,均衡電流經(jīng)電容ci2、ci1，二極管di3、di4流入電池bi(i＝1,2,…,n)，此時(shí)二極管di1、di2反向截止。

由上述模態(tài)知，母線電壓vbus不斷在ea、eb兩個(gè)電壓之間交替變換，vbus可等效為一個(gè)帶有直流偏置vdc的對(duì)稱(chēng)交流電壓源vac。其中vdc＝(ea+eb)/2，vac＝(ea—eb)/2。由于電容的通交隔直作用，直流偏置電壓vdc只影響均衡模塊中電容電壓，只有對(duì)稱(chēng)交流電壓源vac影響均衡過(guò)程。故圖1所示電容二極管網(wǎng)絡(luò)多路電池電壓均衡拓?fù)淇傻刃閳D4所示交流均衡模型，同時(shí)其可等效為圖5所示直流均衡模型。由圖4、圖5可知，電池組中所有電池單體bi(i＝1,2,…,n)最終都將均衡至電壓(ea—eb)/2。

圖7和圖8為圖6實(shí)施例對(duì)應(yīng)的均衡波形，電池初始電壓vb1＝3.22v,vb2＝3.32v,vb3＝3.56v,vb4＝3.60v，交流母線電壓vbus為交流方波電壓，其幅值為3.65v。由圖7和圖8知，盡管電池初始電壓不同，但隨著充電過(guò)程的持續(xù)，該均衡器實(shí)現(xiàn)了電池組的電池電壓均衡，且始終保持電壓越電池單體充電電流越大。

圖10為圖9實(shí)施例對(duì)應(yīng)的均衡波形，前級(jí)dc-ac變換器輸入端能量由電池組自身提供，由圖10知，在電池靜置狀態(tài)下，圖9實(shí)施例無(wú)需外部提供電源，可自行實(shí)現(xiàn)電壓均衡，故其可實(shí)現(xiàn)電池組充電、放電和靜置狀態(tài)下均衡。

綜上，本發(fā)明所提出的一種電容二極管網(wǎng)絡(luò)多路電池電壓均衡拓?fù)洌Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，且不論電池組在充電、放電還是靜置狀態(tài)，均衡器均能快速實(shí)現(xiàn)電池單體電壓均衡。