基于多端口变压器的谐振型串联电池均压电路及实现方法

本发明属于电池均压领域，具体涉及一种基于多端口变压器的谐振型串联电池均压电路及实现方法。

背景技术：

随着电动汽车以及各种新能源技术的普及，各种储能装置被大量应用于各种系统之中，而单体电池电压较低，需要对电池进行串并联，以提供足够的电压等级和功率。受限于当前科技和生产技术水平，不同电池在细节参数诸如内阻、漏电流和温度等特性上均存在差异，这种个体性能差异，即电池单体的不均衡，直接影响电池组的整体容量，使用寿命和使用效率。若不采用任何电池电压均衡措施，电池组的性能、寿命和安全性将由于电池电压不均而大大降低。实验数据表明，若能成功解决串联电池均压问题，电池可用容量能提升10%-20%。

传统均压电路包括使用电阻消耗多余电池能量的能量耗散型电路，以及使用储能器件进行能量中转的能量转移型电路。耗散型均压电路结构简单但效率低下，而能量转移型电路不仅可以减少均压过程中的损耗，还可以大大加快电路均压速度。但传统能量转移电路仅采用单电感或电容作为能量传输路径中的核心部件，因此难以实现开关管的软开关，最终导致电路在高频工作时效率较低，无法实现均压电路的高频化及小型化。而本发明提出的一种基于多端口变压器的谐振型串联锂电池均压电路作为能量转移型电路，不仅可以同时对大量电池进行均压，还利用谐振电路实现软开关的同时，进一步提高了电路的频率及效率。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明提供的基于多端口变压器的谐振型串联电池均压电路及实现方法除解决了现有串联电池组中电压不均衡的问题外，还大大提高了均压的速度、效率以及电路的功率密度。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为基于多端口变压器的谐振型串联电池均压电路，包括一次侧电路、多端口变压器T和M个二次侧电路模块；

所述一次侧电路包括电容C1、电容C2、开关管SA、开关管SB、谐振电感LP及谐振电容CP；

所述开关管SA的漏极分别与第1个二次侧电路模块中的串联电池组的正极和电容C1的一端连接，开关管SA的源极分别与谐振电感LP和开关管SB的漏极连接，所述开关管SB的源极分别与第M个二次侧电路模块中的串联电池组的负极和电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与电容C1的另一端以及谐振电容CP的一端连接，所述谐振电感LP的另一端与多端口变压器T的一次侧线圈TP的一端连接，所述谐振电容CP的另一端与多端口变压器T的一次侧线圈TP的另一端连接；

每个所述二次侧电路模块包括开关管Sm1、开关管Sm2、电池Bm1和电池Bm2，所述开关管Sm1的漏极与电池Bm1的正极连接，所述开关管Sm1的源极分别与开关管Sm2的漏极、多端口变压器T1的第m个二次侧线圈Tsm的一端连接，第m个二次侧线圈Tsm的另一端分别与电池Bm2的正极和电池Bm1的负极连接，所述开关管Sm2的源极与电池Sm2的负极连接；

相邻两个所述二次侧电路模块中的电池B(m+1)2和电池Bm1之间串联；

其中，m=1,2,...,M。

进一步地，第1个所述二次侧电路模块中的串联电池组的正极通过HV+与电容C1的一端连接，第M个所述二次侧电路模块中的串联电池组的负极通过HV+与电容C2的一端连接。

进一步地，所述谐振电感Lp和谐振电容Cp形成谐振型串联电池均压电路的谐振腔。

基于多端口变压器的谐振型串联电池均压实现方法，包括以下步骤：

S1、确定均压控制目标ε、控制参数、二次侧电路模块个数M、以及充电的模块数上限mlimit和电压控制阈值δ；

S2、预设开关管SA和开关管SB的PWM信号的占空比互补；

S3、启动谐振型串联电池均压电路，采集目标二次侧电路模块中的两个电池的电压VBi1和VBi2，并计算平均电压Vave和实际电压标准差σ；

S4、判断实际电压标准差σ是否小于均压控制目标ε；

若是，则进入步骤S5；

若否，则进入步骤S6；

S5、封闭电路中所有开关管的信号，均压结束；

S6、对二次侧电路模块中的开关管的信号进行调整，并返回步骤S3。

进一步地，所述步骤S6具体为：

S61、对所有二次侧电路模块中的电池进行分组，即将所有电池Bm1分为A组，所有电池Bm2分为B组；

S62、在A组和B组中，对各电池按照电压进行升序排序，得到电池对应的电压序号；

S63、将A组和B组中的最低电压值赋值给寄存器；

其中，A的最低电压值为Vmin1，B组的最低电压值为Vmin2；

S64、在A组和B组中，判断各电池的电压序号pxi是否小于最低电压值对应的电压序号mlimit；

若是，则进入步骤S65；

若否，则进入步骤S66；

S65、在A组和B组中，依次判断所有满足条件的电池对应的电压与对应组内的最低电压值的差值是否小于δ；

若是，则进入步骤S67；

若否，则进入步骤S66；

S66、将该电压序号对应的开关管关断，返回步骤S3；

S67、将该电池对应的开关管赋予PWM方波驱动信号，返回步骤S3。

进一步地，所述步骤S67中，对开关管赋予的PWM方波驱动信号的幅值大于开关管门级电压阈值。

本发明的有益效果为：

（1）本发明提供的一种基于多端口变压器的谐振型串联电池均压电路，相比于传统基于变压器的均压电路而言，本发明通过引入串联谐振电路，从而在较高频率下，依然保持高效率，从而实现能量在任意位置、任意数量电池间的高效传递的同时，还可以保证均压电路的高功率密度。并且，本发明通过采用多端口变压器提升了本均压装置的均压电池数量上限，进一步缩小了电路的成本和体积。同时，本发明还可以根据不同应用场合，通过调整部分结构，改进为其它谐振型充放电变换器。

（2）本发明中均压实现方法是通过逐步提高充电电池模块数至上限mlimit，在均压初期保持整体电池放电电流较小的同时，获得较高的电池充电平均电流。在随着参与充电的电池模块数逐渐增长并达到充电组数上限mlimit后，大部分需要充电的电池电压增长至电池电压平均值，而此时的放电平均电流增长至最大，需要放电的电池电压开始快速降低。通过此控制方法，在提高均压过程的平均均压电流同时，减少了大量损耗，提高了均压效率，且均压实现时的控制策略的相关参数可以随时修改，具有较好的拓展性。

附图说明

图1为本发明提供的基于多端口变压器的谐振型串联电池均压电路结构图。

图2为本发明提供的基于多端口变压器的谐振型串联电池均压实现流程图。

图3为本发明提供的二次侧电路模块中的开关管的信号调整流程图。

图4为本发明提供的工作波形图。

图5为本发明提供的工作模态1的示意图。

图6为本发明提供的工作模态2的示意图。

图7为本发明提供的工作模态3的示意图。

图8为本发明提供的工作模态4的示意图。

图9为本发明提供的电池均压时域仿真波形图。

图10为本发明提供的串联电池谐振型均压充放电机的结构图。

图11为本发明提供的作为分布式储能系统中双向谐振变换器的结构图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

如图1所示，基于多端口变压器的谐振型串联电池均压电路，包括一次侧电路、多端口变压器T和M个二次侧电路模块；

所述一次侧电路包括电容C1、电容C2、开关管SA、开关管SB、谐振电感LP及谐振电容CP；

所述开关管SA的漏极分别与第1个二次侧电路模块中的串联电池组的正极和电容C1的一端连接，开关管SA的源极分别与谐振电感LP和开关管SB的漏极连接，所述开关管SB的源极分别与第M个二次侧电路模块中的串联电池组的负极和电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与电容C1的另一端以及谐振电容CP的一端连接，所述谐振电感LP的另一端与多端口变压器T的一次侧线圈TP的一端连接，所述谐振电容CP的另一端与多端口变压器T的一次侧线圈TP的另一端连接；

每个所述二次侧电路模块包括开关管Sm1、开关管Sm2、电池Bm1和电池Bm2，所述开关管Sm1的漏极与电池Bm1的正极连接，所述开关管Sm1的源极分别与开关管Sm2的漏极、多端口变压器T1的第m个二次侧线圈Tsm的一端连接，第m个二次侧线圈Tsm的另一端分别与电池Bm2的正极和电池Bm1的负极连接，所述开关管Sm2的源极与电池Sm2的负极连接；

相邻两个所述二次侧电路模块中的电池B(m+1)2和电池Bm1之间串联；

其中，m=1,2,...,M。

上述谐振电感Lp和谐振电容Cp形成谐振型串联电池均压电路的谐振腔。第1个所述二次侧电路模块中的串联电池组的正极通过HV+与电容C1的一端连接，第M个所述二次侧电路模块中的串联电池组的负极通过HV+与电容C2的一端连接。

实施例2：

在上述均压电路中，若不采用控制策略，例如仅通过互补的方法驱动同一模块内上下两个开关管，则电路中整体的平均充放电电流较低，且损耗较高，因此本发明实施例提供了一种均压实现方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、确定均压控制目标ε、控制参数、二次侧电路模块个数M、以及及充电的模块数上限mlimit和电压控制阈值δ；

S2、预设开关管SA和开关管SB的PWM信号的占空比互补；

S3、启动谐振型串联电池均压电路，采集目标二次侧电路模块中的两个电池的电压VBi1和VBi2，并计算平均电压Vave和实际电压标准差σ；

S4、判断实际电压标准差σ是否小于均压控制目标ε；

若是，则进入步骤S5；

若否，则进入步骤S6；

S5、封闭电路中所有开关管的信号，均压结束；

S6、对二次侧电路模块中的开关管的信号进行调整，并返回步骤S3。

具体地，如图3所示，上述步骤S6具体为：

S61、对所有二次侧电路模块中的电池进行分组，即将所有电池Bm1分为A组，所有电池Bm2分为B组；

S62、在A组和B组中，对各电池按照电压进行升序排序，得到电池对应的电压序号；

S63、将A组和B组中的最低电压值赋值给寄存器；

其中，A的最低电压值为Vmin1，B组的最低电压值为Vmin2；

S64、在A组和B组中，判断各电池的电压序号pxi是否小于最低电压值对应的电压序号mlimit；

以A组为例，如果pxi< mlimit，则进行下一步判断，否则赋予对应开关管零电平信号，偶数电池组B同理；

若是，则进入步骤S65；

若否，则进入步骤S66；

S65、在A组和B组中，依次判断所有满足条件的电池对应的电压与对应组内的最低电压值的差值是否小于δ；

若是，则进入步骤S67；

若否，则进入步骤S66；

S66、将该电压序号对应的开关管关断，返回步骤S3；

S67、将该电池对应的开关管赋予PWM方波驱动信号，返回步骤S3。

其中，对开关管赋予的PWM方波驱动信号的幅值大于开关管门级电压阈值。

下面以不投入上述控制策略下的电路为例说明本电路的主要工作模态及特点，细节波形图如图4所示：

阶段1（t0 ~t1）：如图5所示，t0时刻励磁电流线性反向减小，同时分别向一次侧和二次侧电路提供电流。在一次侧模块内，该电流通过SA的反向二极管续流，将原边开关管SA的VDS电压钳位到零电平，为下一个阶段的ZVS提供条件。在二次侧模块内，电流通过上位置开关管的体二极管续流，二次侧模块实现不控整流。由于此阶段电感器件上的电压和电流反向，所以电流的趋势均表现为减小，并向零靠近。

阶段2（t1 ~t2）：如图6所示，t1时刻开关管SA零电压导通，谐振腔电流以正弦波的形式正向增大，达到最大值以后减小，t2时刻谐振电流减至与励磁电流相等。副边开关管不控整流，电流值为原边谐振电流与励磁电流的差值，到t2时刻二次侧模块内电流降为零，阶段2结束。

阶段3（t2 ~t3）：如图7所示，t2时刻开始，励磁电感，谐振电感，谐振电容三个器件共同参与谐振，励磁电流和谐振电流保持一致。此阶段仅出现在次谐振状态下。

阶段4（t3 ~t4）：如图8所示，t3时刻，开关管SA关断，励磁电流不能突变，继续流过开关管的寄生电容，为SA的电容充电，给SB的电容放电。端口电压Vab从+0.5Vstr变为-0.5Vstr。

上述四个阶段合起来组成上半个周期工作原理，下半周期的工作原理同上半周期基本一致，此处不再详述。电池均压细节波形如图9所示。

此外，对于本谐振型均压电路，在具体实施方式上还可以根据应用场合采用以下两种改型，一种如图10所示，通过取消HV+及HV-的连接，再从电容侧添加输入源，即可将本发明作为面向多电池串联电池串的谐振型均压充电机。

另一种如图11所示，通过取消HV+及HV-以及电池串间的连接，再从电容侧添加输入源，可以利用本发明为分布式储能系统中的多个储能单元同时充放电。

两种应用实例的工作模态同上述基本一致，在此不做赘述。