集中式变压器电池组均衡电路的仿真研究

钟志贤+顾红灿+赵安东

摘 要： 针对电池组单体电池性能不一致会导致电池性能下降和寿命缩短的问题，提出一种基于均衡方法的集中式变压器电池组均衡电路。采用Buck?Boost电路均衡法与集中式变压器均衡法相结合，通过分层均衡策略实现单体电池间能量转移的双向均衡目标，采用RCD保护电路降低集中式变压器均衡电路中开关管两端的电压，以减缓开关管的损耗和保护开关管，进一步建立了电池均衡电路的数学模型并进行了仿真分析。研究结果表明，集中式变压器电池组均衡电路在能效率方面优于传统的Buck?Boost均衡电路。

关键词： 锂离子电池； 电池组； 分层均衡； 集中式变压器； Buck?Boost电路均衡法； RCD保护电路

中图分类号： TN431.1?34； TN7 文献标识码： A 文章编号： 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

随着全球环境污染和能源紧缺的加剧，电动汽车已经成为当今社会研究热点方向[1]。电动汽车单体电池串、并联成电池组，单体电池性能不一致很大程度影响电池组的性能。单体电池的性能差异主要是电池生产的差异和电池使用的差异。针对差异要采取相应的措施：一种是出厂电池要进行严格筛选，保证电池的差异最小，这种方法在复杂的环境下不能保证差异足够小；第二种就是通过对电池的均衡，使电池缩小差异，从而保证性能[2]。

电池的均衡方法主要有两种：化学方法和物理方法。化学均衡法是在电池电解液中添加氧化?还原电对添加剂来实现均衡，这种方法对添加剂的要求较高，所以不是目前常用的方法；物理均衡法（电路均衡）通过设计均衡电路进行电池均衡[3]。物理方法又可分为耗散型均衡和非耗散型均衡。耗散型均衡（放电均衡）指利用并联放电电阻等方式，把电量高的电池能量消耗掉，使整组电池电量一致达到均衡，该方案控制简单、易实现、成本低；但电阻耗能的同时发热，存在电池组过热的安全问题。非耗散型均衡指通过中间储能原件暂时储能，把电量高的电池能量转移到电量低的电池，达到电池均衡。这类方案能量几乎没有损耗，但结构复杂、成本高。根据所用原件类型不同，非耗散型均衡可分为电容均衡、电感均衡、变压器均衡以及这三大类的组合优化得等均衡方法[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变压器均衡法和升降压（Buck?Boost）电路均衡法的原理，然后结合这两种均衡方案，提出一种新的分层均衡法[4]，并通过仿真实验分析，验证此方法的合理性。

1 Buck?Boost电路均衡法

Buck?Boost电路均衡法是利用电感元件储能，控制开关管导通状态，让能量在电感上存储和释放，在相邻两个单体电池之间进行能量转移，从而达到电池均衡[5?6]。Buck?Boost电路均衡法的均衡电路图如图1所示。

其工作原理为：当电池B1的能量多于电池B2时，均衡过程分为两个过程。当Q1导通，电池B1放电，电感L1储存能量；当Q1关断，电感L1释放能量，通过续流二极管D2给电池B2充电。均衡过程通过控制Q1的开关就能把B1的能量转移到B2上从而达到均衡。当B2的能量多于B1时，这时控制Q2的开关，均衡过程与上面类似，就把B2的能量转移到B1上。这种均衡方法能够快速地实现相邻电池之间的能量转移，这样就能使电池达到均衡的目的。在充电和放电过程都可以实现。endprint

2 集中式变压器均衡法

集中式变压器均衡法是基于双向反激式变压器的均衡方法[7]。双向反激式变压器是基本反激式变压器的优化[8?9]。

2.1 双向反激式变压器均衡法

双向反激式变压器均衡法是在基本反激式的电路基础上用双向开关代替原先的二极管，实现双向均衡[7]。双向反激式变压器均均衡电路图如图2所示。

其工作原理为：正向转移是电池B1能量向电池B2转移，用PWM的方式控制Q1开关，B1的能量转移到变压器中，通过磁能的方式储存，开关管Q2处于不控状态，通过续流二极管D2，磁能转移到B2上；反向转移是电池B2能量向电池B1转移，用PWM的方式控制Q2开关，B2的能量转移到变压器中，通过磁能的方式储存，开关管Q1处于不控状态，通过续流二极管D1，磁能转移到B1上。

2.2 集中式变压器

集中式变压器法均衡是双向反激式变压器的集中均衡，通过控制变压器原副边的开关管，让电能与磁能进行转换，能量在单体电池与整体电池组间相互转移，从而使电池组达到均衡。图3是集中式变压器均衡电路。

其工作原理为：当B1能量最多时，用PWM方式控制Q1开关状态，B1的能量转移到变压器中，通过磁能的方式储存，开关管Q4不控制，通过续流二极管D4，磁能转移到整个电池组上；当B1能量最少时，用PWM方式控制Q4开关状态，整组电池的能量转移到变压器中，通过磁能的方式储存，开关管Q1不控制，通过续流二极管D1，磁能转移到B1上。

在反激变压器中，因为原、副边的电感和漏感的存在，开关管两端的电压应力迅速升高，严重影响开关元器件的使用寿命和均衡电路的可靠性，所以必须要加入RCD缓冲电路，保证变压器正常工作[10?12]。如图4所示，R，C3，D3构成缓冲网络，Vb1=Vc1+Vc2，Vb1是原边总电压，Vc1是开关管Q1两端的电压，Vc2是R，C3并聯模块两端的电压。当Q1导通时，D3反向偏置，没有电流通过RCD缓冲模块，Vc2的值为0。当Q1关断时，由于反激作用，使开关管Q1两端电压Vc1的值很快增加，D3导通，使开关管Q1电流被RCD缓冲电路分流，Vc2电压逐渐上升，Vc1电压也是逐渐上升，并且限制在两倍的原边总电压的数值上。这样开关管Q1电压Vc1的尖峰电压的顶部被“削”去，保护开关管及整个电路。图4中，添加RCD缓冲电路的反激式变压器电路图。

根据反激变换器的工作状态频率和电器参数要求，选用快恢复二极管FR107，选用的无极性电容为100 nF，电阻为100 Ω。

本文设计了一种新型分层式主动均衡电路，利用脉宽调制（PWM）信号控制电路中的开关管的通断状态，实现电池之间的能量从双向传递，从而达到均衡的目的。该均衡电路包括内层和外层两部分，内层用Buck?Boost电路均衡法，外层用集中式变压器均衡法。本文提出的新型分层式均衡电路结构如图5所示。

3 均衡控制仿真分析

3.1 电池模型

锂离子电池在使用过程中，其内部参数非常复杂，很难找到准确的变化规律。在仿真之前，必须要确定电池的模型。目前电池模型主要有三种：数学模型、电化学模型、等效电路模型。前两种模型的精确度相当高，几乎能够完全模拟电池的特性[13]。本文中电池模型简化成大电容和小电阻的串联[14]，设计方法简单，也能满足仿真的要求。本文用的简化电池模型如图6所示，参数R=0.005 Ω，C=10 F。

3.2 仿真参数的设置

仿真参数：内层PWM信号的频率设置为10 kHz；电感为250 μH；占空比为48%；外层PWM信号的频率设置为3 kHz；变压器的额定功率设置为72 W；工作频率3 kHz；初级和次级的绕组的额定电压值设置为50.4 V和16.8 V，电感值均设为50 μH，其他参数选择设置为默认值；占空比为50%；MOSFET和二极管的参数设置为默认值。

3.3 仿真结果分析

3.3.1 分层均衡电路的仿真

采用 Matlab/Simulink 对分层均衡电路进行建模仿真。用PWM控制开关管导通和关断，实现单体电池间能量转移。为了检测电池均衡方法的能量利用效率，本文建立一个能效率参数[C]，以两个电池为例，设定如下：[V1]与[V2]分别为电池初始电压，[Vlast]为均衡后的电压。能效率为：

由图7可知，电池大约在10 s时达到均衡，此时的电压趋于一致，说明此均衡方法是有效的。图8列出均衡前后的电压，均衡后的电压值为3.343 4 V，能效率C=99.31%，说明此均衡方案均衡效果好并且能效率较高。图8为分层均衡前后电压对比图。

3.3.2 传统电感均衡电路的仿真

由图9可知，电池大约在9 s时达到均衡，此时的电压趋于一致，图10列出均衡前后的电压，均衡后的电压值为3.339 1 V，能效率C=99.18%。图10为传统电感均衡前后电压对比图。

4 结 论

本文设计的新型分层均衡电路，它是Buck?Boost电路均衡法和集中式变压器均衡法的结合。从均衡的效果图可以看出，此均衡方法与传统的Buck?Boost电路均衡法相比较，均衡效率较慢，但均衡能效率高，因此综合效果好。

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