基于耦合電感型雙層Cuk斬波電路的電池均衡系統(tǒng)*

司少康, 胡治國, 張磊沖

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院,河南 焦作 454000)

0 引 言

近些年來，環(huán)境問題污染日益嚴(yán)重。因此，國家逐漸向新能源汽車方面進(jìn)行政策傾斜，新能源汽車是未來汽車的主要發(fā)展方向。電動汽車的電池通常由許多單體電池串并聯(lián)成組使用[1]。受電池材料和制造工藝影響，單體電池之間因其內(nèi)阻、容量、自放電率等差異，導(dǎo)致各單體電池之間出現(xiàn)不一致的問題[2-3]，從而影響電池組的整體性能。

為解決電池不一致的問題，國內(nèi)許多學(xué)者提出了很多均衡拓?fù)浞椒ǎ墨I(xiàn)[4]提出以Buck-Boost變換器為基礎(chǔ)的電壓均衡的復(fù)合式電路拓?fù)洹Ｆ湓陟o態(tài)和充放電狀態(tài)下均衡速度明顯提升，但只適用于相鄰電池間。文獻(xiàn)[5]提出集中式變壓器均衡拓?fù)洌總€單體電池間都有一個變壓器，均衡效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要元器件多且體積大不易控制。文獻(xiàn)[6]提出Cuk斬波電路均衡拓?fù)洹＞饽芰吭谙噜弳误w間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，在串聯(lián)電池數(shù)目較少時均衡效果好。但在單體電池數(shù)目多時，均衡能量需經(jīng)過多次轉(zhuǎn)移才能抵達(dá)低能量電池，均衡效率低。

對上述學(xué)者研究內(nèi)容進(jìn)行分析及總結(jié)，本文提出了基于耦合電感型雙層Cuk斬波電路的電池組均衡系統(tǒng)，其只需n個MOSFET管控制n節(jié)電池，耦合電感代替非耦合電感，電感與電容使用數(shù)量比傳統(tǒng)Cuk斬波電路減少了一半。傳統(tǒng)Cuk均衡電路在兩個相鄰電池間傳輸能量需要較長均衡時間，特別是在大規(guī)模串聯(lián)電池組中，但本文提出的均衡電路克服了這個問題，所有的電感共用一個磁芯，降低了電路的復(fù)雜度，使電路更具成本效益，易于實現(xiàn)。

1 均衡系統(tǒng)及工作方式

1.1 均衡系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示是來自文獻(xiàn)[7]的傳統(tǒng)Cuk斬波電路，其由n節(jié)電池、2n-2個MOSFET管、n個電感L、電容C組成。圖2是本文提出的基于耦合電感的Cuk斬波電路電池均衡系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為n節(jié)電池配n個MOSFET管、2節(jié)單體電池共用一個耦合電感L和一個電容C，所有的耦合電感共用一個磁芯。由于采用了電感間互有耦合，電路在換路時，還能提供瞬時感性能量的傳遞。

圖1 傳統(tǒng)Cuk斬波均衡電路

圖2 耦合電感的Cuk斬波均衡電路

1.2 均衡系統(tǒng)工作方式

以4節(jié)電池為例，第一層均衡電路的工作過程可分為兩種模式。

第一種工作模式，如圖3(a)所示，MOSFET管VT1、VT3導(dǎo)通時，電容C1、C3中的能量通過VT1、VT3轉(zhuǎn)移至電池B2、B4上，單體電池B1、B3與耦合電感L1、L3形成回路將能量轉(zhuǎn)移至耦合電感L1、L3中。當(dāng)MOSFET管VT1、VT3關(guān)斷時，二極管VD2、VD4正向?qū)ǎ潆娏骰芈啡鐖D3(b)所示，單體電池B1與耦合電感L1、電容C1，單體電池B3與耦合電感L3、電容C3形成回路，單體電池B1、B3和耦合電感L1、L3對電容C1、C3進(jìn)行充電；單體電池B2、B4與耦合電感L2、L4、二極管VD2、VD4形成回路，單體電池B2、B4給耦合電感L2、L4充電。電路中的電感L1的電流變化如圖3(c)所示，在此周期內(nèi)電池電壓uB1、uB3可表示為

圖3 奇數(shù)電池能量大于偶數(shù)電池

(2)

M12是L1與L2間的互感，M13是L1與L3間的互感。同樣，電池電壓uB2、uB4可表示為

(4)

uC1、uC2、uC3可表示為

uC1=uB1+uB2

(5)

uC2=uB2+uB3

(6)

uC3=uB3+uB4

(7)

將式(1)～式(4)代入式(5)～式(7)可得：

(10)

圖4 偶數(shù)電池能量大于奇數(shù)電池

第二種工作模式，如圖4(a)所示，VT2、VT4導(dǎo)通時，單體電池B1、B3與耦合電感L1、L3電容C1、C3組成閉環(huán)回路，電容C1、C3的能量通過閉環(huán)回路給單體電池B1、B3、耦合電感L1、L3充電。單體電池B2、B4給耦合電感L2、L4充電。當(dāng)VT2、VT4關(guān)斷時，二極管VD1、VD3正向?qū)ǎ潆娏骰芈啡鐖D4(b)所示，單體電池B1、B3與耦合電感L1、L3、二極管VD1、VD3形成回路，單體電池B1、B3給耦合電感L2、L4充電；單體電池B2與耦合電感L2、電容C1，單體電池B4與耦合電感L4、電容C3形成回路，單體電池B2、B4和耦合電感L2、L4對電容C1、C3進(jìn)行充電。電路中的電感L2的電流變化如圖4(c)所示，在此周期內(nèi)電池電壓uB2、uB4可表示為

(12)

同理，電池電壓uB1、uB3也可表示為

(14)

將單體電池B1、B2放在一起均衡的狀態(tài)稱為雙層均衡電路，同理，將上文分析的4節(jié)單體電池兩兩一組進(jìn)行均衡時，可把電池B1、B2視為一組，電池B3、B4視為另一組，這兩組可通過Cuk斬波電路實現(xiàn)雙單元均衡，其均衡電路如圖5(a)所示。在第一層均衡結(jié)束后，若電池B1、B2組能量高于另一組電池B3、B4時，MOSFET管VTS1導(dǎo)通,電池組B1、B2與MOSFET管VTS1、耦合電感LS1組成閉合回路，電池組B1、B2給耦合電感LS1充電。電容CS1對耦合電感LS2與電池組B1、B2放電。當(dāng)MOSFET管VTS1關(guān)斷時，二極管VDS2正向?qū)ǎ潆娏骰芈啡鐖D5(b)所示，電池組B1、B2與耦合電感LS1、電容CS1、二極管VDS2組成回路，這時電池組B1、B2給耦合電感LS1、電容CS1充電。耦合電感LS2給電池組B3、B4充電。最終，實現(xiàn)電池組B1、B2和電池組B3、B4這兩組間的能量平衡。

圖5 電池組與電池組間的均衡過程

2 均衡控制策略

(16)

均衡電路中任何一個單體電池荷電狀態(tài)SOC滿足式(16)時，均衡電路開始工作。

本文MOSFET管采用N溝道金屬氧化物場效應(yīng)晶閘管，與傳統(tǒng)的P溝道相比，其優(yōu)點是在相同的狀態(tài)下N溝道MOSFET管能實現(xiàn)更低的漏源導(dǎo)通電阻和更低的電壓降，減小了能量損耗。其控制信號波形圖如圖6所示，奇數(shù)編號的MOSFET管采用正相控制信號，偶數(shù)編號的MOSFET管采用反相控制信號。當(dāng)奇數(shù)編號MOSFET管導(dǎo)通時，能量儲存在電感中。在下一個階段，偶數(shù)編號的MOSFET管導(dǎo)通時，儲存在電感中的能量循環(huán)通過各個電池單體，給電壓低的電池充電直到能量平衡時均衡結(jié)束。控制器產(chǎn)生的開關(guān)頻率為30 kHz，考慮死區(qū)區(qū)間的存在，占空比為45%。為保險起見，控制信號經(jīng)過放大后采用光耦與MOSFET管進(jìn)行隔離。

圖6 控制信號波形圖

3 均衡系統(tǒng)仿真驗證

為驗證提出的均衡系統(tǒng)與均衡控制策略，選擇4節(jié)電池在MATLAB/Simulink搭建如圖7所示的均衡電路進(jìn)行仿真。

圖7 均衡電路仿真

電池的標(biāo)稱電壓為3.7 V，額定容量為20 Ah，磁化電感為20 μH，內(nèi)阻為1 mΩ，電容為100 μF。脈沖發(fā)生器采用同步觸發(fā)模式，頻率為30 kHz，占空比為45%。

4節(jié)電池初始SOC值分別為99%、98%、97%、96%。本文設(shè)置的仿真時間為1 200 s。圖8是耦合電感Cuk均衡電路的SOC仿真波形，其SOC值在1 000 s左右趨于一致，SOC最大誤差值從原來的3%下降至0.15%。圖9是傳統(tǒng)Cuk均衡電路的SOC仿真波形,在相同的仿真條件下SOC值在1 000 s左右時，最大誤差值從3%減小至1.9%。通過與傳統(tǒng)Cuk均衡電路的SOC仿真結(jié)果對比可知，耦合電感的Cuk均衡電路的均衡效率高且速度更快。

圖8 耦合電感的Cuk電路的SOC仿真波形

圖9 傳統(tǒng)Cuk電路的SOC仿真波形

4節(jié)電池初始電壓值分別為3.62、3.54、3.52、3.48 V。本文設(shè)置仿真時間為1 200 s。其中圖10為本文提出的耦合電感Cuk均衡電路的電壓仿真波形，電池的初始電壓在1 000 s左右時趨于一致，電壓最大誤差值從0.13 V下降至0.012 V。圖11是傳統(tǒng)Cuk均衡電路的電壓仿真波形，在相同的仿真條件下，電池初始電壓在1 000 s左右時，電壓最大誤差值從0.13 V降至 0.05 V,電壓最大誤差值比本文提出的均衡電路大。

圖10 耦合電感Cuk電路的電壓仿真波形

圖11 傳統(tǒng)Cuk電路的電壓仿真波形

4 結(jié) 語

本文提出了基于耦合電感型雙層Cuk斬波電路電池均衡系統(tǒng)，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型進(jìn)行仿真驗證，通過與傳統(tǒng)的Cuk均衡系統(tǒng)對比分析可知，與傳統(tǒng)均衡系統(tǒng)相比，本文提出的均衡系統(tǒng)在減小誤差，提高均衡速度方面更具有效性。