專利名稱：用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置和方法，屬儲(chǔ)能器電 壓均衡裝置及方法，尤其是諸如串聯(lián)連接的超級(jí)電容器、蓄電池進(jìn)行電壓均衡的裝置和方法。
背景技術(shù)：
超級(jí)電容器也被稱為雙電層電容器或者電化學(xué)電容器，其具有優(yōu)良的脈沖充放電性能和 大容量?jī)?chǔ)能性能，因其存儲(chǔ)的能量大、質(zhì)量輕、可多次充放電，在電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)、電力 機(jī)車再生制動(dòng)系統(tǒng)等應(yīng)用中受到科學(xué)研究人員的廣泛關(guān)注。超級(jí)電容器單體電壓低，實(shí)際應(yīng) 用中需要將多個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)組合使用。由于材料和制造水平的限制，超級(jí)電容器的參數(shù) 有一定的分散性，在充放電過(guò)程中導(dǎo)致電容器的工作電壓不平衡，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全性、 使用壽命和穩(wěn)定性。因此，串聯(lián)超級(jí)電容器組應(yīng)用時(shí)應(yīng)采取電壓均衡措施。近年來(lái)許多學(xué)者 都對(duì)串聯(lián)儲(chǔ)能器的電壓均衡方法進(jìn)行了深入的研究，目前已有的電壓均衡方法可以分為兩大 類 一類是能量消耗的方法，諸如并聯(lián)電阻法、穩(wěn)壓管法和開(kāi)關(guān)電阻法；另一類是能量轉(zhuǎn)移 的方法，如飛渡電容法、DC/DC變換器法。能量消耗型均壓電路雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低 廉，但是造成能量浪費(fèi)、發(fā)熱嚴(yán)重。能量轉(zhuǎn)移型均壓電路均壓速度快、在電壓均衡的過(guò)程中 只消耗很少的能量，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。下面列舉兩個(gè)具有代表性的能量轉(zhuǎn)移型均壓方案。
圖1所示為一種用于電動(dòng)或者混合動(dòng)力汽車由充電電源、均衡電源組成的電壓均衡裝置。 其中充電電源為非車載式電源，可以輸出大電流對(duì)串聯(lián)的超級(jí)電容器組進(jìn)行充電以滿足充電 快速性的要求；均衡電源為車載式電源，它以整組超級(jí)電容器為輸入，通過(guò)投切網(wǎng)絡(luò)在組內(nèi) 的各單體之間切換，對(duì)單體進(jìn)行充電。在用充電電源充電的同時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)組內(nèi)各超級(jí)電容 單體的電壓，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一單體的電壓比其他單體低且差值超過(guò)一定范圍，就把均衡電源切換 到該單體上，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充充電，該單體的充電電流增大，電壓得以提高。均衡電源實(shí)質(zhì)上 是不斷把整組超級(jí)電容器發(fā)出的能量補(bǔ)充給組中電壓最低的單體，從而促進(jìn)組內(nèi)各單體的能 量均衡。
上述電壓均衡裝置的不足之處在于，該裝置工作時(shí)必須實(shí)時(shí)監(jiān)控各單體的電壓，控制切 換網(wǎng)絡(luò)把均衡電源投切至相應(yīng)單體上。當(dāng)儲(chǔ)能器的單體個(gè)數(shù)增加時(shí)，監(jiān)控電路和切換網(wǎng)絡(luò)的 規(guī)模也隨之增加，導(dǎo)致整個(gè)裝置的體積增大、成本增加、可靠性降低。
圖2所示為中華人民共和國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)第CN1977439A號(hào)中所述之一種對(duì)具有
DC/DC變換器的儲(chǔ)能器的串聯(lián)連接單體進(jìn)行電荷補(bǔ)償?shù)碾妷壕庋b置。當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)(16)閉合 時(shí)，該裝置通過(guò)第一變換器(DC/DC變換器)(10)自蓄電池產(chǎn)生直流電壓，該直流電壓通過(guò)第 二變換器(DC/AC變換器)(ll)被逆變，經(jīng)逆變的交流電壓通過(guò)耦合變壓器(12)傳遞至整流器 (13)，該整流器(13)將交流電壓整流成直流電壓并且將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流，借此向端 電壓最低的儲(chǔ)能器單體充電。當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)(17)閉合時(shí)，該裝置通過(guò)第一變換器(DC/DC變換 器)(IO)自串聯(lián)超級(jí)電容器組(14)產(chǎn)生直流電壓，該直流電壓通過(guò)第二變換器(DC/AC變換 器)(ll)被逆變，經(jīng)逆變的交流電壓通過(guò)耦合變壓器(12)傳遞至整流器(13)，該整流器(13) 將交流電壓整流成直流電壓并且將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流，借此向端電壓最低的超級(jí)電容 器充電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種更為簡(jiǎn)單、快速、高效的電壓均衡裝置，借助該裝置可以對(duì) 串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單體進(jìn)行電壓均衡。
本發(fā)明的目的也在于提供一種用于對(duì)儲(chǔ)能器單體進(jìn)行電壓均衡的方法，借助該方法可以 使該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)連接儲(chǔ)能器單體電壓的自動(dòng)、民主均衡。
一種用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置，包括一個(gè)DC/AC變換器、 一個(gè) 限流電感、N個(gè)均壓支路，其特征在于，所述DC/AC變換器由第一分壓電容、第二分壓電容 和第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管組成，第一分壓電容和第二分壓電容串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第 一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成半橋變換器；該半橋變換器的一端 連于由N個(gè)儲(chǔ)能電容串聯(lián)組成的儲(chǔ)能器的一端，該半橋變換器的另一端連于上述儲(chǔ)能器的另 一端且接"地"；所述N個(gè)均壓支路的每一個(gè)均壓支路，由一個(gè)變壓器和一個(gè)AC/DC整流器組 成，AC/DC整流器由第一整流二極管和第二整流二極管串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第三整流二 極管和第四整流二極管串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成，第一整流二極管和第二整流二極 管的串聯(lián)點(diǎn)與變壓器副邊繞組的同名端相連，第三整流二極管和第四整流二極管的串聯(lián)點(diǎn)與 變壓器副邊繞組的異名端相連，AC/DC整流器的正輸出端與對(duì)應(yīng)的一個(gè)儲(chǔ)能電容的正極相連， AC/DC整流器的負(fù)輸出端與對(duì)應(yīng)的一個(gè)儲(chǔ)能電容的負(fù)極相連；第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管的串 聯(lián)連接點(diǎn)引線連接限流電感的正端，限流電感的負(fù)端連接每個(gè)均壓支路的變壓器原邊繞組同 名端，第一分壓電容和第二分壓電容的串聯(lián)連接點(diǎn)引線連接每個(gè)均壓支路的變壓器原邊繞組 異名端；第一體二極管并聯(lián)在第一開(kāi)關(guān)管兩端，第二體二極管并聯(lián)在第二開(kāi)關(guān)管兩端；所述 的"N"為自然數(shù)。
一種用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置，其特征在于，包括一個(gè)DC/AC 變換器和N個(gè)均壓支路，所述DC/AC變換器由第一分壓電容、第二分壓電容和第一開(kāi)關(guān)管、 第二開(kāi)關(guān)管組成，第一分壓電容和第二分壓電容串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第一開(kāi)關(guān)管和第二 開(kāi)關(guān)管串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成半橋變換器；該半橋變換器的一端連于由N個(gè)儲(chǔ)能 電容串聯(lián)組成的儲(chǔ)能器的一端，該半橋變換器的另一端連于上述儲(chǔ)能器的另一端旦接"地"； 所述N個(gè)均壓支路的每個(gè)均壓支路，包括一個(gè)漏感、 一個(gè)變壓器和一個(gè)AC/DC整流器，漏感 的正端連于第一開(kāi)關(guān)管與第二開(kāi)關(guān)管的串聯(lián)連接點(diǎn)，漏感的負(fù)端連于變壓器原邊繞組的同名 端，變壓器原邊繞組異名端連于第一分壓電容與第二分壓電容的串聯(lián)連接點(diǎn);AC/DC整流器 由第一整流二極管和第二整流二極管串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第三整流二極管和第四整流二 極管串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成，第一整流二極管和第二整流二極管的串聯(lián)點(diǎn)與變壓 器副邊繞組的同名端相連，第三整流二極管和第四整流二極管的串聯(lián)點(diǎn)與變壓器副邊繞組的 異名端相連，AC/DC整流器的正輸出端與對(duì)應(yīng)的一個(gè)儲(chǔ)能電容的正極相連，AC/DC整流器的負(fù) 輸出端與對(duì)應(yīng)的一個(gè)儲(chǔ)能電容的負(fù)極相連；第一體二極管并聯(lián)在第一開(kāi)關(guān)管兩端，第二體二 極管并聯(lián)在第二開(kāi)關(guān)管兩端；所述的"N"為自然數(shù)。
一種用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置的方法，其特征在于，電壓均衡 裝置先給端電壓最低的一個(gè)儲(chǔ)能器單元充電，直到其端電壓上升至端電壓第二低的儲(chǔ)能器單 元的端電壓，然后電壓均衡裝置給這兩個(gè)儲(chǔ)能器單元同時(shí)充電，直到兩者的端電壓上升至端 電壓第三低的儲(chǔ)能器單元的端電壓，然后電壓均衡裝置給這三個(gè)儲(chǔ)能器單元同時(shí)充電，以此 類推，直到所有儲(chǔ)能器單元的端電壓相等。
一種用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置的另一種方法，其特征在于，電 壓均衡裝置給端電壓低于均壓支路變壓器副邊電壓大小的一個(gè)或者多個(gè)儲(chǔ)能器單元充電，直 到所有儲(chǔ)能器單元的端電壓都達(dá)到儲(chǔ)能器總的端電壓的N分之一，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器單元的端電壓 均衡，N為自然數(shù)。


圖1為一種已知的能量轉(zhuǎn)移型電壓均衡電路的示意圖2為另一種已知的能量轉(zhuǎn)移型電壓均衡電路的示意圖3為本發(fā)明的電壓均衡裝置的原理方框圖4為本發(fā)明的電壓均衡裝置的一個(gè)實(shí)施例的電路原理示意圖5為本發(fā)明的電壓均衡裝置的另一個(gè)實(shí)施例的電路原理示意圖6為本發(fā)明的電壓均衡的裝置的工作模態(tài)圖。 五具體實(shí)施例方式
圖3所示為根據(jù)本發(fā)明用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器進(jìn)行電壓均衡的裝置的原理方框圖。該 電壓均衡裝置包括一個(gè)DC/AC變換器31和多個(gè)均壓支路32，均壓支路32的個(gè)數(shù)與儲(chǔ)能器單 元的個(gè)數(shù)相等。儲(chǔ)能器的端電壓在DC/AC變換器31中逆變，并將經(jīng)逆變的交流電壓通過(guò)多個(gè) 變壓器傳遞至AC/DC整流器，該AC/DC整流器將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓并施加至各儲(chǔ)能器 單元，借此從所述儲(chǔ)能器中吸取能量并將其傳遞至端電壓較低的儲(chǔ)能器單元。
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器進(jìn)行電壓均衡的裝置的一個(gè)實(shí)施例。該 裝置包括 一個(gè)DC/AC變換器31，由第一分壓電容Ca、第二分壓電容Cb和第一開(kāi)關(guān)管Sa、第 二開(kāi)關(guān)管Sb構(gòu)成； 一個(gè)限流電感L33;及N個(gè)均壓支路32，每一個(gè)均壓支路E,(Fl，2,…，N) 由一個(gè)變壓器T,和一個(gè)具有第一整流二極管D吣第二整流二極管Dxb、第三整流二極管D^ 第四整流二極管Dw的AC/DC整流器構(gòu)成。第一體二極管a、第二體二極管Db分別為第一開(kāi)關(guān) 管Sa、第二開(kāi)關(guān)管Sb的體二極管。儲(chǔ)能器由N個(gè)儲(chǔ)能器單元C, (Fl,2,…,N)串聯(lián)連接構(gòu)成， N為自然數(shù)。
第一分壓電容Ca和第二分壓電容Cb串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第一開(kāi)關(guān)管Sa和第二開(kāi)關(guān)管
Sb串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成半橋變換器，該并聯(lián)電路的一端與儲(chǔ)能器的一端連接，
該并聯(lián)電路的另一端與儲(chǔ)能器的另一端連接并且接地。自第一開(kāi)關(guān)管Sa和第二開(kāi)關(guān)管Sh的連
接點(diǎn)引線并連接至限流電感L的一端。限流電感L的另一端連接至每一個(gè)均壓支路E,的變壓 器Tx原邊的一端。自第一分壓電容a和第二分壓電容Cb的連接點(diǎn)引線并連接至每一個(gè)均壓支 路E,的變壓器Tz原邊的另一端。第一整流二極管Dw和第二整流二極管Dxb串聯(lián)連接后的串聯(lián) 支路與第三整流二極管Dx。和第四整流二極管D^串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成AC/DC整 流器，該并聯(lián)電路的一端與對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能器單元"的一端連接，該并聯(lián)電路的另一端與對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能 器單元(；的另一端連接。自第一整流二極管k和第二整流二極管Dxb的連接點(diǎn)引線并連接至 對(duì)應(yīng)均壓支路E,的變壓器"L副邊的一端，自第三整流二極管D，。和第四整流二極管Dw的連接 點(diǎn)引線并連接至對(duì)應(yīng)均壓支路E，的變壓器T,副邊的另一端。第一體二極管Da并聯(lián)在第一開(kāi)關(guān) 管Sa兩端，第二體二極管I^并聯(lián)在第二開(kāi)關(guān)管Sb兩端。上述符號(hào)的下標(biāo)Fl,2，…,N， N為自 然數(shù)。
半橋變換器的第一開(kāi)關(guān)管Sa、第二開(kāi)關(guān)管Sb以例如100kHz的頻率、接近50%的固定占 空比(一個(gè)完整工作周期的一半)開(kāi)關(guān)。所有變壓器的變比均為K=n1: n2。
為了便于描述電壓均衡裝置的工作過(guò)程，假定儲(chǔ)能器總的端電壓為仏皿r，各儲(chǔ)能器單元電
壓為Ucx(x4，2,…，N， N為自然數(shù))，DC/AC變換器的輸出電壓為Ucd，所有均壓支路的變壓器 原邊電壓為化，限流電感兩端的電壓為Ut，流過(guò)限流電感的電流為iL。
DC/AC變換器將儲(chǔ)能器總的端電壓逆變成交流電壓該交流電壓通過(guò)均壓支路的變壓 器傳遞至整流器的輸入端，由于變壓器的變比均為K，所以傳遞至整流器輸入端的電壓大小 相等，此時(shí)端電壓^最低的儲(chǔ)能器單元Cx對(duì)應(yīng)的整流器工作，將交流電壓整流成直流電壓 并且將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流，借此向端電壓^最低的儲(chǔ)能器單元Cx充電。同時(shí)，該整 流器二極管的導(dǎo)通將所有均壓支路變壓器的原邊電壓^箝位于較低值，使其它儲(chǔ)能器單元沒(méi) 有電流流入或者僅流入極小的電流(視其他儲(chǔ)能器單元的端電壓而定)。
如上文所述，電壓均衡裝置給端電壓&最低的儲(chǔ)能器單元Cx充電，直到其端電壓&上 升至端電壓第二低的儲(chǔ)能器單元的，電壓，然后電壓均衡裝置給這兩個(gè)儲(chǔ)能器單元同時(shí)充電， 直到兩者的端電壓上升至端電壓第三低的儲(chǔ)能器單元的端電壓，然后電壓均衡裝置給這三個(gè) 儲(chǔ)能器單元同時(shí)充電等等，直到所有儲(chǔ)能器單元的端電壓相等。
在該實(shí)施例的均壓支路中，漏感較小的變壓器和導(dǎo)通壓降較小的二極管組成的整流器對(duì) 于本發(fā)明的電壓均衡裝置是極其有利的。
此外，在該實(shí)施例中應(yīng)選取適當(dāng)?shù)木鶋褐纷儔浩髯儽菿，使變壓器副邊輸出電壓的大 小稍高于儲(chǔ)能器總的端電壓的N分之一，N為自然數(shù)。
在該實(shí)施例中，還應(yīng)選取合適的限流電感的電感值L，使本發(fā)明的電壓均衡裝置具有需 要的均壓速度。
圖5所示為根據(jù)本發(fā)明用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器進(jìn)行電壓均衡的裝置的另一個(gè)實(shí)施例。 該裝置包括 一個(gè)DC/AC變換器31，其由第一分壓電容Ca、第二分壓電容Cb和第一開(kāi)關(guān)管Sa、 第二開(kāi)關(guān)管Sb構(gòu)成；及N個(gè)均壓支路42,每一個(gè)均壓支路E'由一個(gè)變壓器T,和一個(gè)具有第一 整流二極管D,a、第二整流二極管Dxb、第三整流二極管D,e、第四整流二極管Dxd的AC/DC整流 器構(gòu)成。第一體二極管Da、第二體二極管Db分別為第一開(kāi)關(guān)管S"第二開(kāi)關(guān)管Sb的體二極管； 電感Ln為變壓器L的漏感。儲(chǔ)能器由N個(gè)儲(chǔ)能器單元Ci串聯(lián)連接構(gòu)成。上述符號(hào)中的下標(biāo)x 均為1,2,…，N， N為自然數(shù)。
第一分壓電容Ca和第二分壓電容Cb串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第一開(kāi)關(guān)管Sa和第二開(kāi)關(guān)管
sb串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成半橋變換器，該并聯(lián)電路的一端與儲(chǔ)能器的一端連接，
該并聯(lián)電路的另一端與儲(chǔ)能器的另一端連接并且接地b自第一分壓電容Ca和第二分壓電容Cb
的連接點(diǎn)弓I線并連接至每一個(gè)均壓支路Ex的變壓器原邊的一端。自第一開(kāi)關(guān)管Sa和第二開(kāi) 關(guān)管Sb的連接點(diǎn)引線并連接至每一個(gè)均壓支路E,的變壓器L原邊的另一端。第一整流二極管 Dm和第二整流二板管D,b串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第三整流二極管Dw和第四整流二極管Dxd串
聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成ac/dc整流器，該并聯(lián)電路的一端與對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能器單元c;的一
端連接，該并聯(lián)電路的另一端與對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能器單元C,的另一端連接。自第一整流二極管D^和第 二整流二極管^的連接點(diǎn)引線并連接至對(duì)應(yīng)均壓支路E,的變壓器T,副邊的一端，自第三整流 二極管d,。和第四整流二極管^的連接點(diǎn)引線并連接至對(duì)應(yīng)均壓支路E，的變壓器l副邊的另 一端。第一體二極管Da并聯(lián)在第一開(kāi)關(guān)管Sa兩端，第二體二極管Db并聯(lián)在第二開(kāi)關(guān)管Sb兩端。 變壓器T,的漏感串聯(lián)在變壓器L的原邊。上述符號(hào)中的下標(biāo)x均為1， 2,…,N，N為自然數(shù)。
半橋變換器的第一開(kāi)關(guān)管Sa、第二開(kāi)關(guān)管Sb以例如100 kHz的頻率、接近50%的固定占 空比(一個(gè)完整工作周期的一半)開(kāi)關(guān)。所有變壓器的變比均為K-nn2。
為了便于描述電壓均衡裝置的工作過(guò)程，假定儲(chǔ)能器總的端電壓為各儲(chǔ)能器單元電 壓為& (x=l,2，…，N)， DC/AC變換器的輸出電壓為《 ，即均壓支路變壓器的原邊電壓為w朋。
DC/AC變換器將儲(chǔ)能器總的端電壓逆變成交流電壓該交流電壓通過(guò)均壓支路的變壓 器傳遞至整流器的輸入端，此時(shí)端電壓^低于變壓器副邊電壓大小的一個(gè)或者多個(gè)儲(chǔ)能器單 元Cx對(duì)應(yīng)的整流器工作，將交流電壓整流成直流電壓并且將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流，借此 向端電壓^低于變壓器副邊電壓大小的一個(gè)或者多個(gè)儲(chǔ)能器單元Cx充電，直到所有儲(chǔ)能器 單元的端電壓都達(dá)到儲(chǔ)能器總的端電壓的N分之一，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器單元的電壓均衡。
在該實(shí)施例的均壓支路中，要求變壓器具有一定的漏感，漏感的大小決定著均壓的速度， 并且限制了流過(guò)功率管的電流。 一般情況下，要求各變壓器的漏感相等或者近似相等。因此 具有一定漏感的變壓器和導(dǎo)通壓降較小的二極管組成的整流器對(duì)于本發(fā)明的電壓均衡裝置是 極其有利的。
此外，在該實(shí)施例中應(yīng)選取適當(dāng)?shù)木鶋褐纷儔浩髯儽菿，使變壓器副邊輸出電壓的大 小稍高于儲(chǔ)能器總的端電壓的N分之一。
圖6所示為根據(jù)本發(fā)明用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器進(jìn)行電壓均衡的裝置的工作模態(tài)圖。下 面參考圖6分別對(duì)圖4和圖5所示電壓均衡裝置的工作模態(tài)進(jìn)行分析。
圖4所示的電壓均衡裝置的工作模態(tài)如下
第一開(kāi)關(guān)管Sa導(dǎo)通，"站為正值，電壓化為正值，電流厶從零上升，電流經(jīng)開(kāi)關(guān)管Sa、限 流電感L、變壓器T,的原邊以及第二分壓電容Cb流動(dòng)，均壓支路的變壓器原邊電壓ite為正值，
因此對(duì)應(yīng)的均壓支路整流器的第一整流二極管Dw和第四整流二極管D^導(dǎo)通，變壓器副邊電 流經(jīng)第一整流二極管D,a、儲(chǔ)能器單元C,以及第四整流二極管Dw流動(dòng)，借此向儲(chǔ)能器單元C, 充電。
第一開(kāi)關(guān)管Sa關(guān)斷時(shí)，第二體二極管IX導(dǎo)通，w必為負(fù)值，電壓邊為負(fù)值，電流A下降， 電流經(jīng)變壓器T,的原邊、第二分壓電容Cb以及第二體二極管Db續(xù)流，對(duì)應(yīng)整流器的第一整流 二極管D^和第四整流二極管D^繼續(xù)導(dǎo)通，變壓器副邊電流繼續(xù)向儲(chǔ)能器單元Cx充電。最終， 限流電感電流人下降至零，第二體二極管Db關(guān)斷，第一整流二極管D,a和第四整流二極管D，d
關(guān)斷o
限流電感的電流力下降到零之前，第二體二極管Db處于導(dǎo)通狀態(tài)，第二開(kāi)關(guān)管Sb兩端的 電壓被箝位于零，在此期間觸發(fā)第二開(kāi)關(guān)管Sb導(dǎo)通可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。第一整流二極管D^ 和第四整流二極管D^在導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)變壓器副邊電流均為零，因此實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通以及零 電流關(guān)斷。
第二開(kāi)關(guān)管Sb導(dǎo)通，^為負(fù)值，電壓仏為負(fù)值，電流厶反向上升，電流經(jīng)第一分壓電容 Ca、變壓器L的原邊、限流電感L以及開(kāi)關(guān)管Sb流動(dòng)，均壓支路的變壓器原邊電壓i^為負(fù)值， 因此對(duì)應(yīng)的均壓支路整流器的第二整流二極管D，b和第三整流二極管"。導(dǎo)通，變壓器副邊電
流經(jīng)第三整流二極管dx。、儲(chǔ)能器單元c;以及第二整流二極管D^流動(dòng)，借此向儲(chǔ)能器單元c;充電。
第二開(kāi)關(guān)管Sb關(guān)斷時(shí)，第一體二極管Da導(dǎo)通，^為正值，電壓仏為正值，電流力從負(fù)的 最大值下降，電流經(jīng)第一體二極管Da、第一分壓電容Ca以及變壓器T,的原邊續(xù)流，對(duì)應(yīng)整流 器的第二整流二極管D^和第三整流二極管D,。繼續(xù)導(dǎo)通，變壓器副邊電流繼續(xù)向儲(chǔ)能器單元 C,充電。最終，限流電感電流^下降至零，第一體二極管Da關(guān)斷，第二整流二極管^和第三 整流二極管D^關(guān)斷。
限流電感的電流厶下降到零之前，第一體二極管Db處于導(dǎo)通狀態(tài)，第一開(kāi)關(guān)管Sa兩端的 電壓被箝位于零，在此期間觸發(fā)第一開(kāi)關(guān)管Sa導(dǎo)通可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。第二整流二極管D，b
和第三整流二極管D,。在導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)變壓器副邊電流均為零，因此實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通以及零
電流關(guān)斷。
圖5所示的電壓均衡裝置的工作模態(tài)如下-
第一開(kāi)關(guān)管Sa導(dǎo)通，0 為正值，即每一個(gè)均壓支路變壓器的原邊電壓為"M，，端電壓^
低于變壓器副邊電壓大小的一個(gè)或者多個(gè)儲(chǔ)能器單元Cr對(duì)應(yīng)的均壓支路整流器的第一整流
二極管DM和第四整流二極管D,d導(dǎo)通，漏感Lrx兩端的電壓為正值，變壓器原邊電流從零上升，
該電流經(jīng)開(kāi)關(guān)管Sa、漏感L、變壓器T，的原邊以及第二分壓電容Cb流動(dòng)，變壓器副邊電流經(jīng)
第一整流二極管Dw儲(chǔ)能器單元Cx以及第四整流二極管ad流動(dòng)，借此向端電壓&低于變壓
器副邊電壓大小的一個(gè)或者多個(gè)儲(chǔ)能器單元6>充電。
第一開(kāi)關(guān)管Sa關(guān)斷時(shí)，第二體二極管Db導(dǎo)通，"朋為負(fù)值，漏感Lr，兩端的電壓為負(fù)值， 變壓器原邊電流下降，端電壓^低于變壓器副邊電壓大小的一個(gè)或者多個(gè)儲(chǔ)能器單元6V對(duì)
應(yīng)的均壓支路變壓器的原邊電流經(jīng)變壓器T,的原邊、第二分壓電容Cb以及第二體二極管Db 續(xù)流，其對(duì)應(yīng)整流器的第一整流二極管D^和第四整流二極管D,d繼續(xù)導(dǎo)通，變壓器副邊電流
繼續(xù)向儲(chǔ)能器單元c,充電。最終，變壓器原邊電流下降至零，第二體二極管a關(guān)斷，同時(shí)變
壓器副邊電流也降為零，第一整流二極管D^和第四整流二極管D^關(guān)斷。
變壓器原邊電流下降到零之前，第二體二極管Db處于導(dǎo)通狀態(tài)，第二開(kāi)關(guān)管Sb兩端的電 壓被箝位于零，在此期間觸發(fā)第二開(kāi)關(guān)管Sb導(dǎo)通可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。第一整流二極管Dxa 和第四整流二極管Dw在導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)變壓器副邊電流均為零，因此實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通以及零 電流關(guān)斷。
第二開(kāi)關(guān)管Sb導(dǎo)通，i^為負(fù)值，即每一個(gè)均壓支路變壓器的原邊電壓為仏a，，端電壓l 低于變壓器副邊電壓大小的一個(gè)或者多個(gè)儲(chǔ)能器單元Cx對(duì)應(yīng)的均壓支路整流器的第二整流 二極管^和第三整流二極管D,。導(dǎo)通，漏感Lrx兩端的電壓為負(fù)值，變壓器原邊電流反向上升， 該電流經(jīng)第一分壓電容C、變壓器L的原邊、漏感l(wèi)^以及開(kāi)關(guān)管Sb流動(dòng)，變壓器副邊電流經(jīng) 第三整流二極管D,。、儲(chǔ)能器單元Cx以及第二整流二極管Dxb流動(dòng)，借此向端電壓&低于變壓 器副邊電壓大小的一個(gè)或者多個(gè)儲(chǔ)能器單元Cx充電。
第二開(kāi)關(guān)管Sb關(guān)斷時(shí)，第一體二極管Da導(dǎo)通，ite為正值，漏感Lr，兩端的電壓為正值，
變壓器原邊電流從負(fù)的最大值下降，端電壓^低于變壓器副邊電壓大小的一個(gè)或者多個(gè)儲(chǔ)能 器單元Cx對(duì)應(yīng)的均壓支路變壓器的原邊電流經(jīng)變壓器Tx的原邊、第二分壓電容G以及第二 體二極管a續(xù)流，其對(duì)應(yīng)整流器的第二整流二極管D,b和第三整流二極管D!。繼續(xù)導(dǎo)通，變壓 器副邊電流繼續(xù)向儲(chǔ)能器單元C,充電。最終，變壓器原邊電流下降至零，第一體二極管Da關(guān) 斷，同時(shí)變壓器副邊電流也降為零，第二整流二極管D,b和第三整流二極管Dw關(guān)斷。
變壓器原邊電流下降到零之前，第一體二極管Db處于導(dǎo)通狀態(tài)，第一開(kāi)關(guān)管Sa兩端的電 壓被箝位于零，在此期間觸發(fā)第一開(kāi)關(guān)管Sa導(dǎo)通可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。第二整流二極管 和第三整流二極管l在導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)變壓器副邊電流均為零，因此實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通以及零 電流關(guān)斷。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置，包括一個(gè)DC/AC變換器(31)、一個(gè)限流電感(33)、N個(gè)均壓支路(32)，其特征在于，所述DC/AC變換器(31)由第一分壓電容(Ca)、第二分壓電容(Cb)和第一開(kāi)關(guān)管(Sa)、第二開(kāi)關(guān)管(Sb)組成，第一分壓電容(Ca)和第二分壓電容(Cb)串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第一開(kāi)關(guān)管(Sa)和第二開(kāi)關(guān)管(Sb)串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成半橋變換器；該半橋變換器的一端連于由N個(gè)儲(chǔ)能電容(CN)串聯(lián)組成的儲(chǔ)能器的一端，該半橋變換器的另一端連于上述儲(chǔ)能器的另一端且接“地”；所述N個(gè)均壓支路(32)的每一個(gè)均壓支路EN，由一個(gè)變壓器(TN)和一個(gè)AC/DC整流器組成，AC/DC整流器由第一整流二極管(DNa)和第二整流二極管(DNb)串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第三整流二極管(DNc)和第四整流二極管(DNd)串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成，第一整流二極管(DNa)和第二整流二極管(DNb)的串聯(lián)點(diǎn)與變壓器(TN)副邊繞組(n2)的同名端相連，第三整流二極管(DNc)和第四整流二極管(DNd)的串聯(lián)點(diǎn)與變壓器(TN)副邊繞組(n2)的異名端相連，AC/DC整流器的正輸出端與對(duì)應(yīng)的一個(gè)儲(chǔ)能電容(CN)的正極相連，AC/DC整流器的負(fù)輸出端與對(duì)應(yīng)的一個(gè)儲(chǔ)能電容(CN)的負(fù)極相連；第一開(kāi)關(guān)管(Sa)和第二開(kāi)關(guān)管(Sb)的串聯(lián)連接點(diǎn)引線連接限流電感(L)的正端，限流電感(L)的負(fù)端連接每個(gè)均壓支路(EN)的變壓器(TN)原邊繞組(n1)同名端，第一分壓電容(Ca)和第二分壓電容(Cb)的串聯(lián)連接點(diǎn)引線連接每個(gè)均壓支路(EN)的變壓器(TN)原邊繞組(n1)異名端；第一體二極管(Da)并聯(lián)在第一開(kāi)關(guān)管(Sa)兩端，第二體二極管(Db)并聯(lián)在第二開(kāi)關(guān)管(Sb)兩端；所述的“N”為自然數(shù)。
2. —種用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置，其特征在于，包括一個(gè)DC/AC 變換器(31)和N個(gè)均壓支路(42)，所述DC/AC變換器(31)由第一分壓電容(Ca)、第二 分壓電容(Cb)和第一開(kāi)關(guān)管(Sa)、第二開(kāi)關(guān)管(Sb)組成，第一分壓電容(Ca)和第二分壓 電容(Cb)串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第一開(kāi)關(guān)管(Sa)和第二開(kāi)關(guān)管(Sb)串聯(lián)連接后的串聯(lián) 支路相并聯(lián)組成半橋變換器；該半橋變換器的一端連于由N個(gè)儲(chǔ)能電容(CN)串聯(lián)組成的儲(chǔ) 能器的一端，該半橋變換器的另一端連于上述儲(chǔ)能器的另一端且接"地"；所述N個(gè)均壓支路(42)的每個(gè)均壓支路^，包括一個(gè)漏感(U)、 一個(gè)變壓器(TN)和一個(gè)AC/DC整流器，漏 感(U)的正端連于第一開(kāi)關(guān)管(Sa)與第二開(kāi)關(guān)管(Sb)的串聯(lián)連接點(diǎn)，漏感(LrN)的負(fù)端 連于變壓器(TN)原邊繞組(m)的同名端，變壓器(TN)原邊繞組(n,)異名端連于第一分 壓電容(Ca)與第二分壓電容(Cb)的串聯(lián)連接點(diǎn)；AC/DC整流器由第一整流二極管(Dto)和 第二整流二極管(Ik)串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路與第三整流二極管(Ik)和第四整流二極管(DNd)串聯(lián)連接后的串聯(lián)支路相并聯(lián)組成，第一整流二極管(DNa)和第二整流二極管(DJ的串聯(lián) 點(diǎn)與變壓器(TN)副邊繞組(n2)的同名端相連，第三整流二極管(Dfc)和第四整流二極管(DNd) 的串聯(lián)點(diǎn)與變壓器(TN)副邊繞組(n2)的異名端相連，AC/DC整流器的正輸出端與對(duì)應(yīng)的一 個(gè)儲(chǔ)能電容(CN)的正極相連，AC/DC整流器的負(fù)輸出端與對(duì)應(yīng)的一個(gè)儲(chǔ)能電容(CN)的負(fù)極 相連；第一體二極管(Da)并聯(lián)在第一開(kāi)關(guān)管(Sa)兩端，第二體二極管(Db)并聯(lián)在第二開(kāi) 關(guān)管(Sb)兩端；所述的"N"為自然數(shù)。
3. —種基于權(quán)利要求1所述的用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置的方 法，其特征在于，電壓均衡裝置先給端電壓最低的一個(gè)儲(chǔ)能器單元充電，直到其端電壓上升 至端電壓第二低的儲(chǔ)能器單元的端電壓，然后電壓均衡裝置給這兩個(gè)儲(chǔ)能器單元同時(shí)充電， 直到兩者的端電壓上升至端電壓第三低的儲(chǔ)能器單元的端電壓，然后電壓均衡裝置給這三個(gè) 儲(chǔ)能器單元同時(shí)充電，以此類推，直到所有儲(chǔ)能器單元的端電壓相等。
4. 一種基于權(quán)利要求2所述的用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置的方 法，其特征在于，電壓均衡裝置給端電壓低于均壓支路變壓器副邊電壓大小的一個(gè)或者多個(gè) 儲(chǔ)能器單元充電，直到所有儲(chǔ)能器單元的端電壓都達(dá)到儲(chǔ)能器總的端電壓的N分之一，實(shí)現(xiàn) 儲(chǔ)能器單元的端電壓均衡，N為自然數(shù)。
全文摘要
一種用于對(duì)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器單元進(jìn)行電壓均衡的裝置和方法，屬儲(chǔ)能器電壓均衡裝置和方法。該電壓均衡裝置包括一個(gè)DC/AC變換器(31)；一個(gè)限流電感(33)；及N個(gè)均壓支路(32)，N為自然數(shù)。該均衡裝置中的限流電感也可以分布到每個(gè)均壓支路中，由變壓器的等效漏感充任或者在變壓器的原邊串聯(lián)一個(gè)單獨(dú)的電感。該電壓均衡裝置從儲(chǔ)能器中吸取能量并且將這些能量傳遞給儲(chǔ)能器中端電壓較低的儲(chǔ)能器單元，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器各單元端電壓的均衡。本發(fā)明的特點(diǎn)在于電路結(jié)構(gòu)和控制方法簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)、變換器體積小、實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)儲(chǔ)能器的自主民主均壓。
文檔編號(hào)H02J15/00GK101369741SQ20081002233
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者劉小寶, 許愛(ài)國(guó), 謝少軍 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)