基于CUK雙向變換器的串聯(lián)電池均壓法

何俊儒，王洪誠，方余丞，王海唐（. 西南石油大學機電工程學院，四川 成都 60500；. 西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 60500）

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基于CUK雙向變換器的串聯(lián)電池均壓法

何俊儒1，王洪誠2，方余丞1，王海唐2
（1. 西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500；2. 西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 610500）

摘要：本文研究了一種采用 CUK 變換器拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相鄰兩串聯(lián)電池間能量轉(zhuǎn)移的非隔離型分布式變換器均衡電壓法。文章介紹了均壓電路的工作原理，進行了理論分析，同時采用電壓反饋和電流反饋雙閉環(huán)控制的均衡方案，在 MATLAB/Simulink 中建立了該均壓電路的仿真模型，給出了仿真結(jié)果和實驗結(jié)果。結(jié)果驗證了該種方法的可行性。

關(guān)鍵詞：CUK變換器；能量轉(zhuǎn)移；均壓電路；動力電池；雙閉環(huán)控制；電流紋波；電壓脈動

0 引言

動力電池組作為電動汽車的重要組成部分，對電動汽車的安全運行起著至關(guān)重要的作用。目前，大部分的動力電池組一般采用串聯(lián)的方式。而在串聯(lián)組合應(yīng)用中，各單體電池由于在內(nèi)阻、初始容量以及自放電率等方面往往存在差異，使得電池間也表現(xiàn)出不同的充放電特性，并且這種不一致現(xiàn)象還會因多次的充放電循環(huán)而不斷擴大，進而導致整組電池容量、輸出功率減小，電池利用率下降[1]。針對這一問題，如果不及時采取有效的措施，將導致電池發(fā)生過充電和過放電現(xiàn)象，不僅會對電池本身造成損壞，而且還會導致電池因產(chǎn)生熱量過度而引起燃燒甚至于爆炸，嚴重威脅著電動汽車的安全運行。因此，運用適當?shù)木夥椒▉硌a償電池間的不一致性從而杜絕這一安全隱患是相當必要的。

本文以蓄電池作為主要研究對象，研究了一種非隔離型的分布式變換器均衡電壓法。在串聯(lián)電池間加入一個 CUK 雙向變換器[2]，利用電壓反饋和電流反饋的雙閉環(huán)控制方案，控制 CUK 變換器將高電壓電池的能量轉(zhuǎn)移到低電壓電池中。這種方法的優(yōu)點在于能量損耗低，電壓均衡速度快，并且在均衡電路的輸入和輸出端均有電感，能有效地緩解輸入輸出電流紋波和電池間的干擾。仿真和實驗結(jié)果表明，該均壓方法能快速有效地均衡電池電壓，使電池間的電壓差收斂至零。

1 電池模型

目前，雖然電池種類多種多樣，但是所有電池都可以用通用模型來表示[3]。本文采用的電池模型為 Thevenin 等效電路模型，如圖 1 所示。該模型由歐姆電阻 R0、極化電阻 R1和極化電容 C1組成，其中，VSOC(t) 和 V0(t) 分別表示不同時間下電池的開路電壓和端電壓。該模型考慮了電池電壓在充放電流激勵下的突變性和漸變性特點，由 R0來等效模擬電壓突變的電阻特性，由 R1和 C1組成慣性 RC環(huán)節(jié)對應(yīng)電壓的漸變特性[4]。此外，為了使建模簡化，將不考慮溫度和電流內(nèi)阻等的影響。

圖 1 電池的 Thevenin 模型

2 CUK變換器[5]

CUK 變換器又稱 Boost-Buck 串聯(lián)變換器，是一種升降壓變換器，可以提供一個反極性、不隔離的輸出電壓。輸出電壓可高于或低于輸入電壓，并且其大小主要決定于開關(guān) T 的占空比?；驹O(shè)計思想是：電路的第一級是 Buck，第二級是 Boost，Buck 的輸出為 Boost 的輸入，原理如圖 2 所示。該電路只有一個開關(guān)，控制簡單，導通比可大于也可小于 0.5，在輸入和輸出之間由一個電容傳送能量，有利于減少體積，提高功率密度。在輸入和輸出端均有電感，從而有效地減少了輸入和輸出電流的脈動，輸入和輸出電流連續(xù)，開關(guān)電流被限制在變換器內(nèi)部，因此產(chǎn)生的輸出紋波和電磁干擾比較小。這里采用 CUK 變換器，通過控制開關(guān)管的導通截止，由中間電容傳遞能量，將電池電壓高的一端的能量向電壓低的一端傳遞，直至兩電池電壓均達到某特定值，實現(xiàn)電池均壓的目的。

圖 2 CUK 變換器原理圖

3 CUK 變換器均壓電路工作原理

CUK 雙向變換器均壓電路原理如圖 3 所示，其中，B1、B2為蓄電池，L1、L2為儲能電感，T1、T2為開關(guān)功率管，D1、D2為續(xù)流二極管，C 為傳輸能量的耦合電容。

圖 3 CUK 雙向變換器均壓電路原理圖

圖 3 中，電路的均壓過程主要分為兩個狀態(tài)，即電池兩端電壓值 VB1>VB2和 VB1VB2狀態(tài)為例分析如下[5]。

設(shè)開關(guān)管 T1、T2和二極管 D1、D2都是理想元件，導通時壓降為 0，截止時漏電流為 0。電感和電容都為理想元件，其值足夠大，使得電壓的脈動很小，電壓輸出為線性。

在狀態(tài) VB1>VB2下，開關(guān)管 T1和二極管 D2處于工作狀態(tài)，其等效電路如圖 4 所示。其中，電池B1、B2的內(nèi)阻分別為 r1、r2。

圖 4 VB1>VB2狀態(tài)下的等效電路

當開關(guān)管 T1導通時，等效電路如圖 5 所示。電池 B1與電感 L2形成回路，電池 B1對電感 L1進行充電，電容 C 與電池 B2、電感 L2形成回路；電容 C 對電池 B2、電感 L2放電。當電池 B1對電感L1充電時，流過電感 L1的電流 IL1線性上升，因此得到：

當電容 C 對電池 B2、電感 L2放電時，流過電感 L2的電流 IL2線性上升，因此得到：

圖 5 T1導通的等效電路

當開關(guān)管 T1截止時，其等效電路如圖 6 所示，二極管 D2正向?qū)?。電?B1與電感 L1、電容C 形成閉合回路，電感 L1經(jīng)二極管 D2續(xù)流對電容C 充電；電感 L2與電池 B2形成閉合回路，電感 L2經(jīng)二極管 D2續(xù)流向電池 B2充電。當電感 L1對電容 C 充電時，經(jīng)電感 L1的電流 IL1線性減少，因此得到：

電流 IL1的減少量為：

當電感 L2對電池 B2充電時，流過電感的電流IL2線性減少，因此得到：

電流 IL2的減少量為：

圖 6 T1截止的等效電路

設(shè)開關(guān)管 T1導通時間為 ton1，關(guān)斷時間為toff1，通斷周期為 ts1=ton1+toff1，其中 D=ton1/ts1。穩(wěn)態(tài)運行時，在一個通斷周期 ts1中，IL1的增量 △IL1+等于其減少量 △IL1-，IL2的增量 △IL2+等于其減少量 △IL2-，聯(lián)立式（2）和（4）、式（6）和（8）可得：

消去 VC可得到電池 B1和電池 B2的能量轉(zhuǎn)移關(guān)系：

由以上推導過程可知：兩電池的電壓在達到均衡過程中，電池 B1放電，能量減少；相應(yīng)地電池B2充電，能量增加。而在一個開關(guān)周期 ts1中，電感 L1、L2的電流增量為 0，磁鏈增量為 0，電感兩端電壓的平均值為 0，所以在整個能量的轉(zhuǎn)移過程中，電池 B1減少的能量等于電池 B2增加的能量。同理分析可推導出 VB1

4 建模仿真與實驗結(jié)果

在 MATLAB/Simulink 中建立上述 CUK 雙向變換器均壓電路的仿真模型[6-7]，如圖 7 所示。該均壓電路仿真模型主要由電池模型 B1和 B2、開關(guān)管MOSFET、電感、電容、電力二極管以及閉環(huán)控制組成[8]。

圖 7 均壓電路仿真模型

該仿真模型中閉環(huán)控制如圖 8 所示。閉環(huán)控制采用電壓反饋和電流反饋雙閉環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)的作用是實現(xiàn)電荷的移動，電壓外環(huán)則以電池的電壓差作為變量加以控制，通過電壓控制器產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的雙向電流參考值。電流控制器輸出產(chǎn)生開關(guān)管的占空比。

圖 8 閉環(huán)控制框圖

圖 9 為 CUK 雙向變換器均壓電路的仿真波形。其中仿真參數(shù)為：電池 B1、B2的初始電壓分別為 13 V 和 12.1 V；中間電容 C=10-4F，電感L1=L2=0.01 H。

圖 9 CUK 雙向變換器均壓電路的仿真波形

圖 9（a）是電池 B1和電池 B2的均壓仿真波形，由圖可知，當電池電壓 VB1>VB2時，電池 B1和電池 B2在 CUK 變換器的作用下，電池 B1一直處于放電狀態(tài)，而電池 B2則一直處于充電狀態(tài)，直至兩電池電壓均達到某一特定值后，兩電池電壓維持穩(wěn)定，可見該均壓電路實現(xiàn)電池均壓是可行且有效的。圖 9 (b) 是中間電容 C 的電壓波形，電壓的升降反映了中間電容 C 吸收和釋放能量的過程，也驗證了中間電容 C 在整個電路中起傳遞能量作用的重要性質(zhì)。圖 9 (c) 和 (e)、(d) 和 (f) 分別表示電感 L1和 L2的電壓、電流波形，反映了電感在電路工作狀態(tài)下的變化過程及其儲能特性。

圖10 為 CUK 雙向變換器均壓電路的測試實驗結(jié)果。實驗蓄電池的初始電壓值分別為VB1=12.4 V，VB2=12.3 V 和 VB3=11.5 V；電感值L1=L2=L3=L4=10-4H；電容值 C1=C2=4.7×10-4F；開關(guān)管型號：IRF530；開關(guān)頻率：20 kHz；控制芯片：UC3842 電流控制型控制芯片，該芯片具有電流反饋和電壓反饋雙環(huán)控制的特點，用于生成一定占空比的 PWM。實驗表明該電路能達到預(yù)期效果。

圖 10 (a) 電感 L1的電流波形；(b) 電感 L2的電流波形；(c) 電池均壓波形

5 結(jié)語

在現(xiàn)有的串聯(lián)電池均壓方法的基礎(chǔ)上，對CUK 雙向變換器均壓電路進行了研究和分析。該均壓電路通過 CUK 變換器實現(xiàn)電池間的能量轉(zhuǎn)移，在兩端各加入一個電感保證了輸入輸出電流紋波足夠小，降低了對電池的干擾，提高了效率，通過電壓反饋和電流反饋的雙閉環(huán)控制能有效地調(diào)節(jié)電池端電壓，使得整個回路趨于穩(wěn)定。并且在不同的應(yīng)用場合也可以根據(jù)實際需求改變電路參數(shù)以及適當?shù)卣{(diào)整均壓策略來實現(xiàn)串聯(lián)電池均壓的目的。

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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

中圖分類號：TM 912.9

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0847(2016)01-26-05