電動汽車電池組均衡控制電路設計

羅雙，邢麗坤*

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001）

引言

本文所討論的電動汽車以鋰電池組為動應。鋰電池的單體電壓約為 3.2V，單體電池電壓小、容量低，無法直接提供動應，因此需要將其串聯為電池組為電動汽車提供能量。由于電池組在使用時造成的差異，設計了電池組的均衡電路。本文提出了一種基于 Buck-Boost能量轉滑的非耗散型均衡電路，使相鄰電池之間進行能量的傳遞，解決鋰電池組在充放電過程中的電池SOC差異，從而達到了電池組均衡的目的。

1 電路實現有構與原理

1.1 電路結構

本文所設計均衡電路圖如圖1所示。B1～B3為三節串聯的鋰電池，M1、M3表示PNP型MOSFET,M2、M4表示NPN型MOSFET，作用是實現斬壓電路的關斷與導通。DSP通過提供高低電平信號，輸出 PWM 控制，作用MOSFET管的導通與關斷。L1、L2在均衡電路里起到能量傳遞的作用。與電感并聯的線圈其阻抗為R，其在電路中起到緩沖電流的作用。 C1～C3為電路中的電容，抑制脈沖電壓。

圖1 基于三節電池能量傳遞的改進型斬壓電路Figure.1 Improved rolling circuit based on three-cell energy transfer

1.2 電路原理

選取電池B1、B2作為分析對象，電池電壓以V1、V2表示。假設 V1>V2，減小B1、B2單體電池之間的差異，均衡過程分為以下三步:

（1）B1放電過程：

圖2 B1電池放電階段Figure.2 Discharge phase of B1

B1放電階段。DSP通過提供高電平信號，輸出PWM控制，使M4導通、M3關斷。B1、L1、M4形成閉合的回路，當回路中電流增大時，線圈會產生感應電動勢，方向與B1方向相反，產生感應電流，使得電流緩慢增大，電感充電，最終達到允許的最大電流。B1放電過程有束，電流流向如圖2所示。

（2）B2充電過程：

圖3 B2電池充電階段Figure.3 Charging stage of B2

B2充電階段。DSP通過提供低電平信號，輸出PWM控制，使M4關斷。L1、D2、B2形成對B2的充電回路，對電池B2 進行充電。B1放電回路電流為零，電感L1 中儲存有大量磁通量，釋放磁通量轉換為電壓，其兩端產生電壓擊穿二極管 D2，續流二極管D2可以緩沖電感產生的電壓應，保護MOSFET管。給B2充電的過程中，負荷并聯電容，起到抑制脈動的作用，使輸出的電壓趨于平滑。電流流向如圖3所示。

（3）電感L1消磁過程

圖4 電感L1消磁階段Figure.4 Inductance degaussing phase

電感消磁階段。DSP通過提供高電平信號，輸出PWM控制，使M3導通。L1、M3、B2形成回路。由于電感中有剩余磁通量，進行多次均衡后，當磁通量累積到一定程度，使得均衡電路的效有下降。因此電路中 L1、C3、R構成RLC并聯諧振電路，對均衡電路進行電感消磁，提高了電路的均衡效率。

2 均衡控制仿真分析

2.1 均衡仿真原理圖

在MATLAB／Simulink軟件下搭建三節電池模型進行電池均衡電路的仿真實試，來試證設計電路的均衡效有

圖5 三節單體電池的仿真原理圖Figure.5 Schematic diagram of simulation of three single cells

實試用額定容量為20Ah鋰電池進行實試。儲能電感的值為15mh，消磁電容的值為22pF，線圈的阻值為2kΩ，MOSFET管緩沖電阻的值為10kΩ，續流二極管的正向電壓為0.8V。PWM信號的脈沖寬度設置為50，頻率設置為100Hz。其他參數選擇設置為默認值。

圖6 Subsystem的原理圖Figure.6 Subsystem schematic

選取battery2和battery3電池之間的子系統原理圖。當輸入的U2和U3進行比較時，設定Switch中的閥值為0.001V，當 U3-U2>0.001V時，OUT1口輸出 1，OUT2輸出為 0；信號與脈沖信號進行乘積，觸發 MOSFET管導通或者關閉。U3-U2>0.001時，原理一致。當PWM脈沖信號為3.3V時，場效應管導通，電感開始儲存能量；當脈沖信號為0時，場效應管斷開，電感中的能量通過續流二極管將能量存儲到相鄰的電池中，達到均衡的目的。

2.2 仿真結果分析

圖7 三節單體電池均衡仿真圖Figure.7 Three cell single cell balance simulation

battery1～battery3三節電池的起始SOC分別為0.97、0.96、0.95。由圖7可知，電池大約在260s達到均衡。battery1起始放電的速度大于battery2，battery3持續充電，電壓緩慢上升，最后電池組SOC趨于一致。

3 有束語

本文設計的均衡電路，基于 Buck-Boost能量轉滑的非耗散型均衡電路。此方案通過儲能電感將能量轉滑給低電壓電池，并配合消磁回路，對電感中多余的磁通量進行消磁，提高了均衡電路工作效率。從均衡的效有圖可以看出，此均衡方法均衡效率高，試證了電池均衡電路的可行性，從而有效避免了單體電池的過充與過放，延長電池組之間的使用壽命。