集中式變壓器電池組均衡電路的仿真研究

鐘志賢+顧紅燦+趙安東

摘 要： 針對電池組單體電池性能不一致會導致電池性能下降和壽命縮短的問題，提出一種基于均衡方法的集中式變壓器電池組均衡電路。采用Buck?Boost電路均衡法與集中式變壓器均衡法相結合，通過分層均衡策略實現單體電池間能量轉移的雙向均衡目標，采用RCD保護電路降低集中式變壓器均衡電路中開關管兩端的電壓，以減緩開關管的損耗和保護開關管，進一步建立了電池均衡電路的數學模型并進行了仿真分析。研究結果表明，集中式變壓器電池組均衡電路在能效率方面優于傳統的Buck?Boost均衡電路。

關鍵詞： 鋰離子電池； 電池組； 分層均衡； 集中式變壓器； Buck?Boost電路均衡法； RCD保護電路

中圖分類號： TN431.1?34； TN7 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0139?04

Abstract： To resolve the problem of battery performance degradation and life shortening caused by the inconsistency of the performance of single cell in battery pack， a battery pack equalization circuit for centralized transformer is proposed based on equilibrium method. The Buck?Boost circuit equilibrium method and centralized transformer equilibrium method are combined to realize the two?way balanced target of energy transfer between single cells via the stratified equilibrium strategy. The voltage at both ends of the switch tube in the centralized transformer balanced circuit is decreased by means of RCD protection circuit to reduce the switch tube loss and protect the switch tube. The mathematical model of the battery equalization circuit was further established and the simulation analysis was carried out. The research results show that the battery pack equalization circuit for centralized transformer is superior to the traditional Buck?Boost equalization circuit in terms of energy efficiency.

Keywords： lithium?ion battery； battery pack； stratified equilibrium； centralized transformer； Buck?Boost circuit equilibrium method； RCD protection circuit

0 引 言

隨著全球環境污染和能源緊缺的加劇，電動汽車已經成為當今社會研究熱點方向[1]。電動汽車單體電池串、并聯成電池組，單體電池性能不一致很大程度影響電池組的性能。單體電池的性能差異主要是電池生產的差異和電池使用的差異。針對差異要采取相應的措施：一種是出廠電池要進行嚴格篩選，保證電池的差異最小，這種方法在復雜的環境下不能保證差異足夠小；第二種就是通過對電池的均衡，使電池縮小差異，從而保證性能[2]。

電池的均衡方法主要有兩種：化學方法和物理方法。化學均衡法是在電池電解液中添加氧化?還原電對添加劑來實現均衡，這種方法對添加劑的要求較高，所以不是目前常用的方法；物理均衡法（電路均衡）通過設計均衡電路進行電池均衡[3]。物理方法又可分為耗散型均衡和非耗散型均衡。耗散型均衡（放電均衡）指利用并聯放電電阻等方式，把電量高的電池能量消耗掉，使整組電池電量一致達到均衡，該方案控制簡單、易實現、成本低；但電阻耗能的同時發熱，存在電池組過熱的安全問題。非耗散型均衡指通過中間儲能原件暫時儲能，把電量高的電池能量轉移到電量低的電池，達到電池均衡。這類方案能量幾乎沒有損耗，但結構復雜、成本高。根據所用原件類型不同，非耗散型均衡可分為電容均衡、電感均衡、變壓器均衡以及這三大類的組合優化得等均衡方法[2]。非耗散型均衡是目前主要的均衡方法。

本文首先分析集中式變壓器均衡法和升降壓（Buck?Boost）電路均衡法的原理，然后結合這兩種均衡方案，提出一種新的分層均衡法[4]，并通過仿真實驗分析，驗證此方法的合理性。

1 Buck?Boost電路均衡法

Buck?Boost電路均衡法是利用電感元件儲能，控制開關管導通狀態，讓能量在電感上存儲和釋放，在相鄰兩個單體電池之間進行能量轉移，從而達到電池均衡[5?6]。Buck?Boost電路均衡法的均衡電路圖如圖1所示。

其工作原理為：當電池B1的能量多于電池B2時，均衡過程分為兩個過程。當Q1導通，電池B1放電，電感L1儲存能量；當Q1關斷，電感L1釋放能量，通過續流二極管D2給電池B2充電。均衡過程通過控制Q1的開關就能把B1的能量轉移到B2上從而達到均衡。當B2的能量多于B1時，這時控制Q2的開關，均衡過程與上面類似，就把B2的能量轉移到B1上。這種均衡方法能夠快速地實現相鄰電池之間的能量轉移，這樣就能使電池達到均衡的目的。在充電和放電過程都可以實現。endprint

2 集中式變壓器均衡法

集中式變壓器均衡法是基于雙向反激式變壓器的均衡方法[7]。雙向反激式變壓器是基本反激式變壓器的優化[8?9]。

2.1 雙向反激式變壓器均衡法

雙向反激式變壓器均衡法是在基本反激式的電路基礎上用雙向開關代替原先的二極管，實現雙向均衡[7]。雙向反激式變壓器均均衡電路圖如圖2所示。

其工作原理為：正向轉移是電池B1能量向電池B2轉移，用PWM的方式控制Q1開關，B1的能量轉移到變壓器中，通過磁能的方式儲存，開關管Q2處于不控狀態，通過續流二極管D2，磁能轉移到B2上；反向轉移是電池B2能量向電池B1轉移，用PWM的方式控制Q2開關，B2的能量轉移到變壓器中，通過磁能的方式儲存，開關管Q1處于不控狀態，通過續流二極管D1，磁能轉移到B1上。

2.2 集中式變壓器

集中式變壓器法均衡是雙向反激式變壓器的集中均衡，通過控制變壓器原副邊的開關管，讓電能與磁能進行轉換，能量在單體電池與整體電池組間相互轉移，從而使電池組達到均衡。圖3是集中式變壓器均衡電路。

其工作原理為：當B1能量最多時，用PWM方式控制Q1開關狀態，B1的能量轉移到變壓器中，通過磁能的方式儲存，開關管Q4不控制，通過續流二極管D4，磁能轉移到整個電池組上；當B1能量最少時，用PWM方式控制Q4開關狀態，整組電池的能量轉移到變壓器中，通過磁能的方式儲存，開關管Q1不控制，通過續流二極管D1，磁能轉移到B1上。

在反激變壓器中，因為原、副邊的電感和漏感的存在，開關管兩端的電壓應力迅速升高，嚴重影響開關元器件的使用壽命和均衡電路的可靠性，所以必須要加入RCD緩沖電路，保證變壓器正常工作[10?12]。如圖4所示，R，C3，D3構成緩沖網絡，Vb1=Vc1+Vc2，Vb1是原邊總電壓，Vc1是開關管Q1兩端的電壓，Vc2是R，C3并聯模塊兩端的電壓。當Q1導通時，D3反向偏置，沒有電流通過RCD緩沖模塊，Vc2的值為0。當Q1關斷時，由于反激作用，使開關管Q1兩端電壓Vc1的值很快增加，D3導通，使開關管Q1電流被RCD緩沖電路分流，Vc2電壓逐漸上升，Vc1電壓也是逐漸上升，并且限制在兩倍的原邊總電壓的數值上。這樣開關管Q1電壓Vc1的尖峰電壓的頂部被“削”去，保護開關管及整個電路。圖4中，添加RCD緩沖電路的反激式變壓器電路圖。

根據反激變換器的工作狀態頻率和電器參數要求，選用快恢復二極管FR107，選用的無極性電容為100 nF，電阻為100 Ω。

本文設計了一種新型分層式主動均衡電路，利用脈寬調制（PWM）信號控制電路中的開關管的通斷狀態，實現電池之間的能量從雙向傳遞，從而達到均衡的目的。該均衡電路包括內層和外層兩部分，內層用Buck?Boost電路均衡法，外層用集中式變壓器均衡法。本文提出的新型分層式均衡電路結構如圖5所示。

3 均衡控制仿真分析

3.1 電池模型

鋰離子電池在使用過程中，其內部參數非常復雜，很難找到準確的變化規律。在仿真之前，必須要確定電池的模型。目前電池模型主要有三種：數學模型、電化學模型、等效電路模型。前兩種模型的精確度相當高，幾乎能夠完全模擬電池的特性[13]。本文中電池模型簡化成大電容和小電阻的串聯[14]，設計方法簡單，也能滿足仿真的要求。本文用的簡化電池模型如圖6所示，參數R=0.005 Ω，C=10 F。

3.2 仿真參數的設置

仿真參數：內層PWM信號的頻率設置為10 kHz；電感為250 μH；占空比為48%；外層PWM信號的頻率設置為3 kHz；變壓器的額定功率設置為72 W；工作頻率3 kHz；初級和次級的繞組的額定電壓值設置為50.4 V和16.8 V，電感值均設為50 μH，其他參數選擇設置為默認值；占空比為50%；MOSFET和二極管的參數設置為默認值。

3.3 仿真結果分析

3.3.1 分層均衡電路的仿真

采用 Matlab/Simulink 對分層均衡電路進行建模仿真。用PWM控制開關管導通和關斷，實現單體電池間能量轉移。為了檢測電池均衡方法的能量利用效率，本文建立一個能效率參數[C]，以兩個電池為例，設定如下：[V1]與[V2]分別為電池初始電壓，[Vlast]為均衡后的電壓。能效率為：

由圖7可知，電池大約在10 s時達到均衡，此時的電壓趨于一致，說明此均衡方法是有效的。圖8列出均衡前后的電壓，均衡后的電壓值為3.343 4 V，能效率C=99.31%，說明此均衡方案均衡效果好并且能效率較高。圖8為分層均衡前后電壓對比圖。

3.3.2 傳統電感均衡電路的仿真

由圖9可知，電池大約在9 s時達到均衡，此時的電壓趨于一致，圖10列出均衡前后的電壓，均衡后的電壓值為3.339 1 V，能效率C=99.18%。圖10為傳統電感均衡前后電壓對比圖。

4 結 論

本文設計的新型分層均衡電路，它是Buck?Boost電路均衡法和集中式變壓器均衡法的結合。從均衡的效果圖可以看出，此均衡方法與傳統的Buck?Boost電路均衡法相比較，均衡效率較慢，但均衡能效率高，因此綜合效果好。

參考文獻

[1] 劉紅銳，夏超英.一種新型的電動車用電池均衡方法探討[J].汽車工程，2013，35（10）：934?938.

LIU Hongrui， XIA Chaoying. An investigation into a new battery balancing solution for electric vehicles [J]. Automotive engineering， 2013， 35（10）： 934?938.endprint

[2] 戴海峰，魏學哲，孫澤昌，等.電動汽車用鋰離子動力電池電感主動均衡系統[J].同濟大學學報，2013，41（10）：1547?1553.

DAI Haifeng， WEI Xuezhe， SUN Zechang， et al. Inductance?based active balancing of lithium?ion batteries for EV applications [J]. Journal of Tongji University， 2013， 41（10）： 1547?1553.

[3] 吳友宇，梁紅.電動汽車動力電池均衡方法研究[J].汽車工程，2004，26（4）：382?385.

WU Youyu， LIANG Hong. A study on equalization charging for EV traction battery [J]. Automotive engineering， 2004， 26（4）： 382?385.

[4] 張彥會，孟祥虎，肖婷，等.串聯鋰電池組分層均衡設計[J].河南科技大學學報，2015，36（6）：35?39.

ZHANG Yanhui， MENG Xianghu， XIAO Ting， et al. Design of lithium?ion batteries hierarchical balance [J]. Journal of Henan University of Science & Technology， 2015， 36（6）： 35?39.

[5] 謝莉，蔣偉.電壓控制Buck?Boost電池充電均衡器[J].蓄電池，2015（1）：10?13.

XIE Li， JIANG Wei. Active battery charge equalization with voltage controlled vertical buck?boost switching cells [J]. Chinese labat man， 2015（1）： 10?13.

[6] SANG H P， KI B P， HYOUNG S K， et al. Single?magnetic cell?to?cell charge equalization converter with reduced number of transformer windings [J]. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（6）： 2900?2911.

[7] 武笛.基于雙向反激直流變換器的鋰離子電池均衡系統仿真研究[D].上海：上海交通大學，2012.

WU Di. Lithium?ion battery equalization system simulation study on bidirectional flyback DC?DC converter [D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2012.

[8] BAEK I K， KIM T H， LIM C S， et al. Modularized battery cell voltage equalization circuit using extended multi?winding transformer [C]// Proceedings of IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Seoul： IEEE， 2012 （10）： 349?353.

[9] HWU K I， YAU Y T. Voltage?boosting converter based on charge pump and coupling inductor with passive voltage clamping [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2010， 57（5）： 1719?1727.

[10] 成晶晶.雙向反激變換器的研究[D].杭州：浙江大學，2010.

CHENG Jingjing. Research on bi?directional flyback converters [D]. Hangzhou： Zhejiang University， 2010.

[11] 石晶，李運杰，程浩.動力電池組均衡充電的研究[J].遼寧工業大學學報，2013，33（2）：96?99.

SHI Jing， LI Yunjie， CHENG Hao. Research on the equalizing charge of the power battery pack [J]. Journal of Liaoning University of Technology， 2013， 33（2）： 96?99.

[12] STALA R. Application of balancing circuit for DC?link voltages balance in a single?phase diode?clamped inverter with two three?level legs [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2011， 58（9）： 4185?4195.

[13] 謝旺.基于Thevenin等效電路模型的鋰離子電池組SOC估算研究[D].上海：上海交通大學，2013.

XIE Wang. Study on SOC estimation of lithium?ion battery module based on Thevenin equivalent circuit model [D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2013.

[14] 竇汝振，翟世歡，趙鋼.動力電池組電壓采集及均衡控制策略研究[J].電測與儀表，2015，52（2）：90?94.

DOU Ruzhen， ZHAI Shihuan， ZHAO Gang. The study of power battery pack voltage acquisition and balancing control strategy [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2015， 52（2）： 90?94.endprint