基于反激同步整流技術的電池均衡裝置研究

于文斌，王聰慧，曹亞，單棟梁，孟凡提

(許繼電源有限公司，河南許昌461000)

基于反激同步整流技術的電池均衡裝置研究

于文斌，王聰慧，曹亞，單棟梁，孟凡提

(許繼電源有限公司，河南許昌461000)

電動汽車動力電池組單體電壓不一致會導致電池性能下降，壽命縮短。應用同步整流技術，研制了一款動力電池均衡充電裝置，通過均衡裝置的快速充電，消除了單體性能差異對電池組的可靠性影響，降低了電動汽車的運營及維護成本。實驗及實際應用情況表明，該設計運行可靠、各項指標滿足要求，且成本較低，具有很強的市場競爭力。

電動汽車；同步整流；均衡裝置；動力電池

電動汽車以電代油，能夠實現“零排放”與“低噪音”的效果，是解決能源和環境問題的重要手段。隨著石油資源的緊張和電池技術的發展，電動汽車在性能和經濟性方面已經接近甚至優于傳統燃油汽車，并開始在世界范圍內逐漸推廣應用。以電動汽車為代表的新一代節能與環保汽車是汽車工業發展的必然趨勢，這已經成為普遍共識。

在電動汽車充電站應用中，整組的鋰離子是由電池單體串并聯連接實現，因此必須考慮充電過程中各電池單體的失衡現象，而且隨著時間的推移，這種失衡現象會愈加嚴重，嚴重影響電池壽命和可靠性，因此均衡充電也是鋰離子充電的關鍵技術。均衡充電的意義就是使鋰離子電池單體電壓偏差保持在預期的范圍內，從而保證每個單體電池在使用期間不受到過充或者過放導致電池組發生損壞。若不進行均衡充電控制，隨著充放電循環的增加，各單電池電壓逐漸分化[1]。由于鋰電池自身價格昂貴，單體電壓較低，因此對充電電壓的穩壓及紋波要求就比較高，尤其是穩壓精度要求極高，要求空載到10 A時穩壓精度0.2%以內，也就是mV級的變化。

針對以上情況，利用反激同步整流技術，設計了一款模塊化的均衡裝置，單體模塊輸出為5 V，10 A，單體模塊可以任意組合以滿足不同系列動力電池組的均衡充電。

1 反激同步整流技術[2-4]

一般反激電源與反激同步整流技術原理框圖如圖1所示。兩者原理類似，在此不再詳細陳述，兩者不同之處在于如圖1(a)中副邊的肖特基二極管整流改為圖1(b)中的MOSFET，由于MOSFET通態損耗，因此采用同步整流技術是低電壓輸出電源模塊提高效率的最好方法，同步整流技術在正激電路中應用較多，反激電路中應用較少。本文運用反激同步整流技術來實現系統要求。

反激同步整流技術中最關鍵的是同步整流管的驅動，反激電路中同步整流管的驅動方式分為自驅動和他驅動。自驅動直接由變壓器副邊繞組驅動或在主變壓器上加獨立驅動繞組使得電路簡單，自適應能力強，但調試困難，在較寬輸入電壓范圍內，波形需要附加限幅整形電路才能滿足驅動要求。他驅動方式有兩種：一種是采用專用副邊同步整流管驅動器；另一種采用原邊控制器輸出的驅動波形，經邏輯轉換后驅動同步整流管。為減小原副邊的干擾，提高輸出精度，本方案采用前一種驅動方式。

圖1 反激同步整流原理圖

2 同步整流驅動

該設計中選用NIKO-SEM公司的同步整流控制器N3701V，具有集成度高，外圍輔助電路簡單，體積小等諸多方面的優點。具有以下特性：適合于各種拓撲電路的同步整流；CCM和DCM自動檢測，不會產生任何的切換問題。更不會像其他IC在輕載突然進入重載時會有燒MOSFET的問題，或者在空載出現不穩定的情形；采用特殊的供電方式，不會對空載功耗起到任何的副作用；采用自有專利技術的檢測方式，不需要檢測波形的上升或下降沿，有效避免了波形異常時損壞MOS管的風險；外圍線路簡潔，調試非常容易，成本也很平民化，調試量不大。

設計的驅動電路如圖2所示，圖2中N3701V的供電由變壓器的一路繞組提供，D14，Q8，R34，R35，Z3組成了驅動電路部分。

圖2 同步整流驅動電路

3 單板實驗結果及分析

反激同步整流單模塊設計要求：

輸入電壓：220 V±20%AC；

輸出電壓：0～5 V；

輸出電流：0～10 A；

開關頻率：65 kHz；

測試儀器使用為：數字示波器MSO4034；功率測試儀PM 3000A；數字萬用表Agilent34401A。實驗波形如圖3所示，其中CH1：VCC；CH2：Vds；CH3：Vgs。

圖3(a)中為同步整流管的驅動波形，開關頻率66 kHz；圖3(b)中為無負載斷續模式時的測試波形；圖3(c)為滿載模式下的測試波形，從圖3可見，關斷時刻，驅動波形CH3在關斷一段時間后，管子兩端才有應力波形，很好的實現了軟關斷，對效率的提升有很大的幫助；圖3(d)中可見在MOS開通時刻也是零電壓開通。

4 均衡裝置及實驗結果

均衡裝置的系統框圖如圖4所示，單相交流電經過AC/DC器整流變換輸出穩定的直流電壓，母線電壓經24路單獨的反激同步整流變換后，得到所需的直流輸出電壓，每一個小模塊對應一個電池單體，在整體充電結束后，進行電池均衡充電，直到各個單體電壓達到設定充電電壓。

圖3 實驗波形

圖4 均衡裝置的系統框圖

均衡充電控制策略如圖5所示，上位機每隔一定周期收

圖5 均衡控制流程

集一次單體電池的信息，均衡過程中可以根據電池不同規格及電池容量不同，選擇均衡電流的大小。

選取現在公交大巴應用較多的磷酸鐵鋰電池。容量為電池為300 Ah，單體最高充電電壓3.65 V進行測試，測試結果如圖6所示。

圖6 均衡前后單體電壓比較

從圖6中可見使用均衡裝置后的單體電壓基本一致，效果明顯。未使用均衡充電前，充電策略是在整體電池中，任何一單體電壓達到上限電壓3.65 V即停止整個充電，導致各個單體的電壓偏差過大，出現上述出現的單體電壓嚴重不一致，而在放電過程中就會出現個別單體的過放，導致電池性能的下降及壽命的縮短。而均衡后的電壓就相差很小，單體間的差異小，整組電池的一致性好，大大提升了電池組性能。

5 結語

該款均衡裝置模塊化設計，體積小，均流精度高，均流時間短，無相互影響等優點，且實現了同步整流管的軟開關。該系列產品在青島薛家島充換電站、天津海泰充換電站及南京醫科大學充換電站運行兩年多來，運行穩定，事故率較低，得到了用戶廣泛好評，具有很強的市場競爭力。

[1]田銳，秦大同.電池均衡控制策略研究王[J]．重慶大學學報，2005，28(7)：1-4.

[2]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，1998.

[3]張方華，嚴仰光.帶隔離變壓器的DC/DC變換器零電流轉換方案[J].中國電機工程學報，2003(6)：5-6.

[4]徐順剛，鐘其水.動力電池均衡充電控制策略研究[J]．電機與控制學報，2012，16(2)：62-65.

Research of battery equalizing device based on flyback synchronous rectification technology

YUWen-bin，WANG Cong-hui，CAO Ya，SHAN Dong-liang，MENG Fan-ti
(XJPowerCo.，Ltd.，Xuchang Henan 461000，China)

The voltage difference of electric vehicle power battery can cause the decline of battery performance and shorten service life.A power battery equalization charging device was developed by using synchronous rectification technology.The quick charge balancing device elim inates the im pact ofmonomer performance difference on the reliability of the battery pack and reduces the operation and maintenance cost of electric vehicles.Experiments and practicalapplication show that the design operates reliably，the indicators meet the requirements，the cost is low，and the design has very strongmarket competitiveness.

electric vehicle;synchronous rectification;balancing device;power battery

TM 912

A

1002-087 X(2016)07-1424-02

2015-12-02

于文斌(1967—)，男，河南省人，高級工程師，總經理，主要研究方向為電動汽車充放電設備研究開發、充放電站設計工作。

單棟梁，lyzdh825@126.com