基于CUK双向变换器的串联电池均压法

何俊儒，王洪诚，方余丞，王海唐（. 西南石油大学机电工程学院，四川 成都 60500；. 西南石油大学电气信息学院，四川 成都 60500）



基于CUK双向变换器的串联电池均压法

何俊儒1，王洪诚2，方余丞1，王海唐2
（1. 西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500；2. 西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500）

摘要：本文研究了一种采用 CUK 变换器拓扑结构实现相邻两串联电池间能量转移的非隔离型分布式变换器均衡电压法。文章介绍了均压电路的工作原理，进行了理论分析，同时采用电压反馈和电流反馈双闭环控制的均衡方案，在 MATLAB/Simulink 中建立了该均压电路的仿真模型，给出了仿真结果和实验结果。结果验证了该种方法的可行性。

关键词：CUK变换器；能量转移；均压电路；动力电池；双闭环控制；电流纹波；电压脉动

0 引言

动力电池组作为电动汽车的重要组成部分，对电动汽车的安全运行起着至关重要的作用。目前，大部分的动力电池组一般采用串联的方式。而在串联组合应用中，各单体电池由于在内阻、初始容量以及自放电率等方面往往存在差异，使得电池间也表现出不同的充放电特性，并且这种不一致现象还会因多次的充放电循环而不断扩大，进而导致整组电池容量、输出功率减小，电池利用率下降[1]。针对这一问题，如果不及时采取有效的措施，将导致电池发生过充电和过放电现象，不仅会对电池本身造成损坏，而且还会导致电池因产生热量过度而引起燃烧甚至于爆炸，严重威胁着电动汽车的安全运行。因此，运用适当的均衡方法来补偿电池间的不一致性从而杜绝这一安全隐患是相当必要的。

本文以蓄电池作为主要研究对象，研究了一种非隔离型的分布式变换器均衡电压法。在串联电池间加入一个 CUK 双向变换器[2]，利用电压反馈和电流反馈的双闭环控制方案，控制 CUK 变换器将高电压电池的能量转移到低电压电池中。这种方法的优点在于能量损耗低，电压均衡速度快，并且在均衡电路的输入和输出端均有电感，能有效地缓解输入输出电流纹波和电池间的干扰。仿真和实验结果表明，该均压方法能快速有效地均衡电池电压，使电池间的电压差收敛至零。

1 电池模型

目前，虽然电池种类多种多样，但是所有电池都可以用通用模型来表示[3]。本文采用的电池模型为 Thevenin 等效电路模型，如图 1 所示。该模型由欧姆电阻 R0、极化电阻 R1和极化电容 C1组成，其中，VSOC(t) 和 V0(t) 分别表示不同时间下电池的开路电压和端电压。该模型考虑了电池电压在充放电流激励下的突变性和渐变性特点，由 R0来等效模拟电压突变的电阻特性，由 R1和 C1组成惯性 RC环节对应电压的渐变特性[4]。此外，为了使建模简化，将不考虑温度和电流内阻等的影响。

图 1 电池的 Thevenin 模型

2 CUK变换器[5]

CUK 变换器又称 Boost-Buck 串联变换器，是一种升降压变换器，可以提供一个反极性、不隔离的输出电压。输出电压可高于或低于输入电压，并且其大小主要决定于开关 T 的占空比。基本设计思想是：电路的第一级是 Buck，第二级是 Boost，Buck 的输出为 Boost 的输入，原理如图 2 所示。该电路只有一个开关，控制简单，导通比可大于也可小于 0.5，在输入和输出之间由一个电容传送能量，有利于减少体积，提高功率密度。在输入和输出端均有电感，从而有效地减少了输入和输出电流的脉动，输入和输出电流连续，开关电流被限制在变换器内部，因此产生的输出纹波和电磁干扰比较小。这里采用 CUK 变换器，通过控制开关管的导通截止，由中间电容传递能量，将电池电压高的一端的能量向电压低的一端传递，直至两电池电压均达到某特定值，实现电池均压的目的。

图 2 CUK 变换器原理图

3 CUK 变换器均压电路工作原理

CUK 双向变换器均压电路原理如图 3 所示，其中，B1、B2为蓄电池，L1、L2为储能电感，T1、T2为开关功率管，D1、D2为续流二极管，C 为传输能量的耦合电容。

图 3 CUK 双向变换器均压电路原理图

图 3 中，电路的均压过程主要分为两个状态，即电池两端电压值 VB1>VB2和 VB1VB2状态为例分析如下[5]。

设开关管 T1、T2和二极管 D1、D2都是理想元件，导通时压降为 0，截止时漏电流为 0。电感和电容都为理想元件，其值足够大，使得电压的脉动很小，电压输出为线性。

在状态 VB1>VB2下，开关管 T1和二极管 D2处于工作状态，其等效电路如图 4 所示。其中，电池B1、B2的内阻分别为 r1、r2。

图 4 VB1>VB2状态下的等效电路

当开关管 T1导通时，等效电路如图 5 所示。电池 B1与电感 L2形成回路，电池 B1对电感 L1进行充电，电容 C 与电池 B2、电感 L2形成回路；电容 C 对电池 B2、电感 L2放电。当电池 B1对电感L1充电时，流过电感 L1的电流 IL1线性上升，因此得到：

当电容 C 对电池 B2、电感 L2放电时，流过电感 L2的电流 IL2线性上升，因此得到：

图 5 T1导通的等效电路

当开关管 T1截止时，其等效电路如图 6 所示，二极管 D2正向导通。电池 B1与电感 L1、电容C 形成闭合回路，电感 L1经二极管 D2续流对电容C 充电；电感 L2与电池 B2形成闭合回路，电感 L2经二极管 D2续流向电池 B2充电。当电感 L1对电容 C 充电时，经电感 L1的电流 IL1线性减少，因此得到：

电流 IL1的减少量为：

当电感 L2对电池 B2充电时，流过电感的电流IL2线性减少，因此得到：

电流 IL2的减少量为：

图 6 T1截止的等效电路

设开关管 T1导通时间为 ton1，关断时间为toff1，通断周期为 ts1=ton1+toff1，其中 D=ton1/ts1。稳态运行时，在一个通断周期 ts1中，IL1的增量 △IL1+等于其减少量 △IL1-，IL2的增量 △IL2+等于其减少量 △IL2-，联立式（2）和（4）、式（6）和（8）可得：

消去 VC可得到电池 B1和电池 B2的能量转移关系：

由以上推导过程可知：两电池的电压在达到均衡过程中，电池 B1放电，能量减少；相应地电池B2充电，能量增加。而在一个开关周期 ts1中，电感 L1、L2的电流增量为 0，磁链增量为 0，电感两端电压的平均值为 0，所以在整个能量的转移过程中，电池 B1减少的能量等于电池 B2增加的能量。同理分析可推导出 VB1

4 建模仿真与实验结果

在 MATLAB/Simulink 中建立上述 CUK 双向变换器均压电路的仿真模型[6-7]，如图 7 所示。该均压电路仿真模型主要由电池模型 B1和 B2、开关管MOSFET、电感、电容、电力二极管以及闭环控制组成[8]。

图 7 均压电路仿真模型

该仿真模型中闭环控制如图 8 所示。闭环控制采用电压反馈和电流反馈双闭环控制，电流内环的作用是实现电荷的移动，电压外环则以电池的电压差作为变量加以控制，通过电压控制器产生电流内环的双向电流参考值。电流控制器输出产生开关管的占空比。

图 8 闭环控制框图

图 9 为 CUK 双向变换器均压电路的仿真波形。其中仿真参数为：电池 B1、B2的初始电压分别为 13 V 和 12.1 V；中间电容 C=10-4F，电感L1=L2=0.01 H。

图 9 CUK 双向变换器均压电路的仿真波形

图 9（a）是电池 B1和电池 B2的均压仿真波形，由图可知，当电池电压 VB1>VB2时，电池 B1和电池 B2在 CUK 变换器的作用下，电池 B1一直处于放电状态，而电池 B2则一直处于充电状态，直至两电池电压均达到某一特定值后，两电池电压维持稳定，可见该均压电路实现电池均压是可行且有效的。图 9 (b) 是中间电容 C 的电压波形，电压的升降反映了中间电容 C 吸收和释放能量的过程，也验证了中间电容 C 在整个电路中起传递能量作用的重要性质。图 9 (c) 和 (e)、(d) 和 (f) 分别表示电感 L1和 L2的电压、电流波形，反映了电感在电路工作状态下的变化过程及其储能特性。

图10 为 CUK 双向变换器均压电路的测试实验结果。实验蓄电池的初始电压值分别为VB1=12.4 V，VB2=12.3 V 和 VB3=11.5 V；电感值L1=L2=L3=L4=10-4H；电容值 C1=C2=4.7×10-4F；开关管型号：IRF530；开关频率：20 kHz；控制芯片：UC3842 电流控制型控制芯片，该芯片具有电流反馈和电压反馈双环控制的特点，用于生成一定占空比的 PWM。实验表明该电路能达到预期效果。

图 10 (a) 电感 L1的电流波形；(b) 电感 L2的电流波形；(c) 电池均压波形

5 结语

在现有的串联电池均压方法的基础上，对CUK 双向变换器均压电路进行了研究和分析。该均压电路通过 CUK 变换器实现电池间的能量转移，在两端各加入一个电感保证了输入输出电流纹波足够小，降低了对电池的干扰，提高了效率，通过电压反馈和电流反馈的双闭环控制能有效地调节电池端电压，使得整个回路趋于稳定。并且在不同的应用场合也可以根据实际需求改变电路参数以及适当地调整均压策略来实现串联电池均压的目的。

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Equalizing method for series-connected battery based on CUK bidirectional converter

HE Junru1, WANG Hongcheng2, FANG Yucheng1, WANG Haitang2
(1. School of Mechatronics Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500; 2. School of Electrical Information, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500, China)

Abstract:This paper explored a distributed non-isolated converter equalizing method based on CUK converter topology structure to realize the energy exchange between two series-connected batteries. The working principle of the equalizing circuit was introduced, and the theoretical analysis was carried on. In the meantime, by using a balanced scheme of double closed-loop control with voltage feedback and current feedback, the simulation model of the equalizing circuit is established in MATLAB/Simulink. The simulation results and experimental results demonstrated the feasibility of this approach.

Key words:CUK converter; energy transfer; equalizing circuit; power battery; double closed-loop control; current ripple; voltage pulsation

收稿日期：2015–06–24

中图分类号：TM 912.9

文献标识码：A

文章编号：1006-0847(2016)01-26-05