[发明专利]电容‑二极管网络多路电压均衡器拓扑及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池均压技术领域，尤其是电容-二极管网络多路电压均衡器拓扑及其控制方法。

背景技术

目前，能源危机与环境污染日益成为人们关注的热点问题。在能源危机和环境保护的双重压力下，世界各国都在积极进行绿色能源技术开发。在各种绿色能源的开发应用中，锂电池以其比能量高、无记忆效应、循环寿命长等优点，广泛应用于各种储能系统中。但锂电池单体电压较低，需要将数十个甚至上百个电池单体串联成组以实现高压输出。由于在制造和使用过程中各单体电池内阻、漏电流、温度等特性的差异性，易造成电池组的不均衡现象，具体表现为使用过程中出现单体电池的过充和过放现象，并最终导致电池组性能急剧下降、循环寿命缩短。为延长电池组使用寿命，需在电池组中加入电压均衡电路。

现有的电池均压技术基本可分为三类，即基于高频开关电源技术均压、基于多绕组变压器均压和基于电压倍增器拓扑结构均压。基于高频开关电源原理的均压技术可实现各电池单体的高精度、独立电压调节。但其存在电路元器件多、控制复杂和成本高等缺点。而传统的基于多绕组变压器的均压技术，虽然控制简单，但受变压器体积、副边漏感及加工工艺影响，较难实现高精度均压、不易维护且扩展能力差。现有基于电压倍增器拓扑结构的均压技术，其利用电容及二极管网络进行均压，电路结构及控制相对简单，但该均压技术无法实现各电池单体独立均压、交叉影响严重。

发明内容

本发明提供的电路拓扑，克服了现有均压技术的以上缺点。

本发明采用的技术方案是：

电容-二极管多路电池电压均衡器拓扑，由前级DC-AC变换器、交流电压母线、后级电容-二极管均衡网络和电池组构成，前级DC-AC变换器输出端直接与交流电压母线相连接；交流电压母线上同时并联有N个电压均衡模块，每个电压均衡模块由两个电容及一个由二极管组成的整流桥构成，所有N个电压均衡模块构成后级电容-二极管均衡网络，各电压均衡模块输出端独立连接一个电池单体，所有电池单体串联连接构成电池组；交流电压母线上连接有母线控制器。

母线控制器通过调节交流电压母线的电压幅值和频率实现各电池单体的电压均衡，后级电容-二极管均衡网络中二极管整流桥的电流导向性，使得无论母线电压为正或为负，后级电容-二极管均衡网络中的电压均衡模块均可正常工作。

进一步地，后级电容-二极管均衡网络中的电压均衡模块由电容、二极管组成，无需开关器件及多绕组变压器，减小了均衡器体积及控制复杂度。同时后级电容-二极管均衡网络中的均衡模块以并联方式连接与交流电压母线，各电池单体均衡过程相互独立，无交叉影响，可同时实现N路电池电压均衡，扩展能力强。

此外，前级DC-AC变换器可为任意拓扑的DC-AC变换器。

本发明的目的还在于，提供一种电容-二极管网络多路电池电压均衡器拓扑的控制方法：前级DC-AC变换器将直流电压变为交流电压，后级电容-二极管均衡网络中的电压均衡模块通过电容充放电实现电池均衡，母线控制器通过调节交流电压母线的电压幅值和频率控制各电池单体的均衡电压，后级电容-二极管均衡网络中二极管整流桥的电流导向性，使得无论母线电压为正或为负，均衡模块均可正常工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、与现有的主动均衡技术相比，本发明所需开关管数量与串联电池数量无关，且均衡电路中无多绕组变压器，具有电路结构简单、体积小、成本低、电路控制简单等优点。

二、与现有的主动均衡技术相比，本发明交流电压母线上同时并联有N个电池电压均衡模块，各均衡模块均衡过程相互独立，无交叉影响。通过调节母线电压的幅值和频率即可实现各电池单体的电压均衡。

三、与现有的主动均衡技术相比，本发明仅使用一个前级DC-AC变换器即可实现多路电池均衡。

附图说明

图1a为本发明的电路结构图；

图1b为本发明的电压均衡模块电路图结构；

图2为本发明的等效电路图；

图3a为图2所示等效电路在一个均衡周期的工作模态一电路图；

图3b为图2所示等效电路在一个均衡周期的工作模态二电路图；

图4为本发明的电路拓扑对应的交流电压均衡等效模型；

图5为本发明的电路拓扑对应的直流电压均衡等效模型；

图6为本发明以半桥式DC-AC变换器为前级变换器，半桥式DC-AC变换器输入为外部直流电源的三电池电压均衡实施例；

图7为图6实施例的母线电压波形及其他主要实验波形；