基于單端反激式電路的單向非耗散性均衡系統研究

歐陽家俊+王海明+周衛成+王偉

（株洲中車時代電氣股份有限公司 湖南株洲）

摘 要： 電動汽車等動態工況下，對均衡速度有一定要求。鋰電池非耗散性均衡中，將電壓高的單體電池中能量轉移到電池模組是一種均衡速度較快的均衡方法。單端反激式電路采用變壓器作為儲能元件，可隔離原邊和副邊，可利用較少的繞組輸出較高的電壓。適合電池均衡中在低壓單體和高壓電池模組之間傳遞能量。本文基于單端反激式電路，設計了單向非耗散性均衡系統，將電能從單體電池轉移到電池模組，減小了電能耗散，加快了均衡速度。

關鍵詞： 鋰電池；非耗散性均衡；單端反激式電路；電動汽車

引言

鋰電池是高效、環保的儲能裝置，它將儲存在其中的化學能轉化為電能。近年來，鋰電池在各個領域得到廣泛應用，其制造工藝和應用技術的提高也受到廣泛關注。

由于材料和工藝等方面的原因，單體電池會存在電壓、容量、內阻等的差異，使得電池組在使用過程中受到容量最低的電池限制，從而降低了電能是使用效率，影響電池組的性能[1]。

本文基于單端反激式電路，設計了單向非耗散性均衡系統，將電能從單體電池轉移到電池組，減小了電能耗散，加快了均衡速度。

1 單體鋰電池電池差異

鋰電池的差異主要表現為電池容量、荷電狀態、內阻、自放電的不一致。充電過程中單體電池之間的電壓差異在充電前期和末期比較明顯，而中間差異較小，幾乎重合。說明鋰電池工作在平臺期特性明顯時，電壓一致性較好，在充電首端和末端需要較大的均衡電流[2]。

即使是同一批生產的單體電池也存在容量、電壓等性能的差異。在惡劣的工況下，電池組如果不加均衡，其差異性會增加，從而影響電池組的容量、壽命、安全性[3]。

2 單端反激式電路

如圖1所示為單端反激式電路基本原理圖，工作原理如下：當0

由單端反激式電路輸入側并聯電池單體，輸出側并聯電池模組，組成均衡系統，實時監測每一節單體電池的電壓，當電池組中某一節電壓高于電壓平均值10mV，則導通與該電池的并聯的反激式電路中開關管SW，將一部分能量轉移到電池模組中。反激式電路工作在電流連續模式的臨界狀態。當0

將反激變換器配置在電流連續模式的臨界狀態，可以將單體電池轉移給變壓器的能量全部轉移到電池模組和電容C，有利于提高均衡速度和能量轉移效率；減小變壓器勵磁電感小，增加電流響應速度；減小開關導通時輸出電壓尖峰。

3. 均衡測試

本文采用16個10Ah的單體電池分為兩組，每組8個電池，串聯構成電池組A、電池組B，來驗證均衡系統的效果。因為鋰電池具有很強的電壓平臺特性，為使均衡效果更加明顯，實驗將單體電池設置為不同的初始SOC，每組中V1～V4電池的SOC設置為1，V5～V8電池的SOC設置為0.8。其中A組無均衡，B組有均衡。經過三次完全充放電實驗，靜置12個小時后，各單體電池UOC如圖2所示。從圖中可以看出，B組電池電壓V1～V4電壓比A組低，而V5～V8電壓比A組高。即在有均衡時，電壓較高的V1～V4電池，其電壓相對于無均衡條件下減小；電壓較低的電池相對無均衡條件下，其電壓增加。說明B組在均衡條件下，將V1～V4中的能量轉移到V5～V8。

4. 結論

均衡系統是電池模組非常重要的組成部分，能延長電池組的使用壽命，提高使用效率、增加安全性。本文從電池差異特性出發，基于單端反激式電路的優點，設計了將單體電池能量轉移到高壓電池模組的非耗散性均衡系統。實驗結果表明，均衡系統能夠有效的將能量從單體電池轉移到電池模組。因此，基于單端反激式電路的單向非耗散性電池均衡電路對減小電池組單體不一致性、提高電池組性能具有重要作用。

參考文獻

[1] 黃可龍， 王兆翔， 劉素琴. 鋰離子電池原理與關鍵技術[M]. 北京： 化學工業出版社， 2008.

[2] 戴海峰， 王楠， 魏學哲， 等. 車用動力鋰離子電池單體不一致性問題研究綜述[J]. 汽車工程. 2014（02）： 181-188.

[3] 張賓， 林成濤， 陳全世. 電動汽車用LiFePO4/C鋰離子蓄電池性能[J]. 電源技術. 2008（02）： 95-98.