集中式變壓器電池組均衡電路的仿真研究

鐘志賢+顧紅燦+趙安東

摘 要： 針對電池組單體電池性能不一致會導(dǎo)致電池性能下降和壽命縮短的問題，提出一種基于均衡方法的集中式變壓器電池組均衡電路。采用Buck?Boost電路均衡法與集中式變壓器均衡法相結(jié)合，通過分層均衡策略實(shí)現(xiàn)單體電池間能量轉(zhuǎn)移的雙向均衡目標(biāo)，采用RCD保護(hù)電路降低集中式變壓器均衡電路中開關(guān)管兩端的電壓，以減緩開關(guān)管的損耗和保護(hù)開關(guān)管，進(jìn)一步建立了電池均衡電路的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了仿真分析。研究結(jié)果表明，集中式變壓器電池組均衡電路在能效率方面優(yōu)于傳統(tǒng)的Buck?Boost均衡電路。

關(guān)鍵詞： 鋰離子電池； 電池組； 分層均衡； 集中式變壓器； Buck?Boost電路均衡法； RCD保護(hù)電路

中圖分類號： TN431.1?34； TN7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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

隨著全球環(huán)境污染和能源緊缺的加劇，電動汽車已經(jīng)成為當(dāng)今社會研究熱點(diǎn)方向[1]。電動汽車單體電池串、并聯(lián)成電池組，單體電池性能不一致很大程度影響電池組的性能。單體電池的性能差異主要是電池生產(chǎn)的差異和電池使用的差異。針對差異要采取相應(yīng)的措施：一種是出廠電池要進(jìn)行嚴(yán)格篩選，保證電池的差異最小，這種方法在復(fù)雜的環(huán)境下不能保證差異足夠小；第二種就是通過對電池的均衡，使電池縮小差異，從而保證性能[2]。

電池的均衡方法主要有兩種：化學(xué)方法和物理方法。化學(xué)均衡法是在電池電解液中添加氧化?還原電對添加劑來實(shí)現(xiàn)均衡，這種方法對添加劑的要求較高，所以不是目前常用的方法；物理均衡法（電路均衡）通過設(shè)計(jì)均衡電路進(jìn)行電池均衡[3]。物理方法又可分為耗散型均衡和非耗散型均衡。耗散型均衡（放電均衡）指利用并聯(lián)放電電阻等方式，把電量高的電池能量消耗掉，使整組電池電量一致達(dá)到均衡，該方案控制簡單、易實(shí)現(xiàn)、成本低；但電阻耗能的同時(shí)發(fā)熱，存在電池組過熱的安全問題。非耗散型均衡指通過中間儲能原件暫時(shí)儲能，把電量高的電池能量轉(zhuǎn)移到電量低的電池，達(dá)到電池均衡。這類方案能量幾乎沒有損耗，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。根據(jù)所用原件類型不同，非耗散型均衡可分為電容均衡、電感均衡、變壓器均衡以及這三大類的組合優(yōu)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變壓器均衡法和升降壓（Buck?Boost）電路均衡法的原理，然后結(jié)合這兩種均衡方案，提出一種新的分層均衡法[4]，并通過仿真實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證此方法的合理性。

1 Buck?Boost電路均衡法

Buck?Boost電路均衡法是利用電感元件儲能，控制開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)，讓能量在電感上存儲和釋放，在相鄰兩個(gè)單體電池之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到電池均衡[5?6]。Buck?Boost電路均衡法的均衡電路圖如圖1所示。

其工作原理為：當(dāng)電池B1的能量多于電池B2時(shí)，均衡過程分為兩個(gè)過程。當(dāng)Q1導(dǎo)通，電池B1放電，電感L1儲存能量；當(dāng)Q1關(guān)斷，電感L1釋放能量，通過續(xù)流二極管D2給電池B2充電。均衡過程通過控制Q1的開關(guān)就能把B1的能量轉(zhuǎn)移到B2上從而達(dá)到均衡。當(dāng)B2的能量多于B1時(shí)，這時(shí)控制Q2的開關(guān)，均衡過程與上面類似，就把B2的能量轉(zhuǎn)移到B1上。這種均衡方法能夠快速地實(shí)現(xiàn)相鄰電池之間的能量轉(zhuǎn)移，這樣就能使電池達(dá)到均衡的目的。在充電和放電過程都可以實(shí)現(xiàn)。endprint

2 集中式變壓器均衡法

集中式變壓器均衡法是基于雙向反激式變壓器的均衡方法[7]。雙向反激式變壓器是基本反激式變壓器的優(yōu)化[8?9]。

2.1 雙向反激式變壓器均衡法

雙向反激式變壓器均衡法是在基本反激式的電路基礎(chǔ)上用雙向開關(guān)代替原先的二極管，實(shí)現(xiàn)雙向均衡[7]。雙向反激式變壓器均均衡電路圖如圖2所示。

其工作原理為：正向轉(zhuǎn)移是電池B1能量向電池B2轉(zhuǎn)移，用PWM的方式控制Q1開關(guān)，B1的能量轉(zhuǎn)移到變壓器中，通過磁能的方式儲存，開關(guān)管Q2處于不控狀態(tài)，通過續(xù)流二極管D2，磁能轉(zhuǎn)移到B2上；反向轉(zhuǎn)移是電池B2能量向電池B1轉(zhuǎn)移，用PWM的方式控制Q2開關(guān)，B2的能量轉(zhuǎn)移到變壓器中，通過磁能的方式儲存，開關(guān)管Q1處于不控狀態(tài)，通過續(xù)流二極管D1，磁能轉(zhuǎn)移到B1上。

2.2 集中式變壓器

集中式變壓器法均衡是雙向反激式變壓器的集中均衡，通過控制變壓器原副邊的開關(guān)管，讓電能與磁能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，能量在單體電池與整體電池組間相互轉(zhuǎn)移，從而使電池組達(dá)到均衡。圖3是集中式變壓器均衡電路。

其工作原理為：當(dāng)B1能量最多時(shí)，用PWM方式控制Q1開關(guān)狀態(tài)，B1的能量轉(zhuǎn)移到變壓器中，通過磁能的方式儲存，開關(guān)管Q4不控制，通過續(xù)流二極管D4，磁能轉(zhuǎn)移到整個(gè)電池組上；當(dāng)B1能量最少時(shí)，用PWM方式控制Q4開關(guān)狀態(tài)，整組電池的能量轉(zhuǎn)移到變壓器中，通過磁能的方式儲存，開關(guān)管Q1不控制，通過續(xù)流二極管D1，磁能轉(zhuǎn)移到B1上。

在反激變壓器中，因?yàn)樵⒏边叺碾姼泻吐└械拇嬖?，開關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力迅速升高，嚴(yán)重影響開關(guān)元器件的使用壽命和均衡電路的可靠性，所以必須要加入RCD緩沖電路，保證變壓器正常工作[10?12]。如圖4所示，R，C3，D3構(gòu)成緩沖網(wǎng)絡(luò)，Vb1=Vc1+Vc2，Vb1是原邊總電壓，Vc1是開關(guān)管Q1兩端的電壓，Vc2是R，C3并聯(lián)模塊兩端的電壓。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，D3反向偏置，沒有電流通過RCD緩沖模塊，Vc2的值為0。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，由于反激作用，使開關(guān)管Q1兩端電壓Vc1的值很快增加，D3導(dǎo)通，使開關(guān)管Q1電流被RCD緩沖電路分流，Vc2電壓逐漸上升，Vc1電壓也是逐漸上升，并且限制在兩倍的原邊總電壓的數(shù)值上。這樣開關(guān)管Q1電壓Vc1的尖峰電壓的頂部被“削”去，保護(hù)開關(guān)管及整個(gè)電路。圖4中，添加RCD緩沖電路的反激式變壓器電路圖。

根據(jù)反激變換器的工作狀態(tài)頻率和電器參數(shù)要求，選用快恢復(fù)二極管FR107，選用的無極性電容為100 nF，電阻為100 Ω。

本文設(shè)計(jì)了一種新型分層式主動均衡電路，利用脈寬調(diào)制（PWM）信號控制電路中的開關(guān)管的通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電池之間的能量從雙向傳遞，從而達(dá)到均衡的目的。該均衡電路包括內(nèi)層和外層兩部分，內(nèi)層用Buck?Boost電路均衡法，外層用集中式變壓器均衡法。本文提出的新型分層式均衡電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 均衡控制仿真分析

3.1 電池模型

鋰離子電池在使用過程中，其內(nèi)部參數(shù)非常復(fù)雜，很難找到準(zhǔn)確的變化規(guī)律。在仿真之前，必須要確定電池的模型。目前電池模型主要有三種：數(shù)學(xué)模型、電化學(xué)模型、等效電路模型。前兩種模型的精確度相當(dāng)高，幾乎能夠完全模擬電池的特性[13]。本文中電池模型簡化成大電容和小電阻的串聯(lián)[14]，設(shè)計(jì)方法簡單，也能滿足仿真的要求。本文用的簡化電池模型如圖6所示，參數(shù)R=0.005 Ω，C=10 F。

3.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

仿真參數(shù)：內(nèi)層PWM信號的頻率設(shè)置為10 kHz；電感為250 μH；占空比為48%；外層PWM信號的頻率設(shè)置為3 kHz；變壓器的額定功率設(shè)置為72 W；工作頻率3 kHz；初級和次級的繞組的額定電壓值設(shè)置為50.4 V和16.8 V，電感值均設(shè)為50 μH，其他參數(shù)選擇設(shè)置為默認(rèn)值；占空比為50%；MOSFET和二極管的參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 分層均衡電路的仿真

采用 Matlab/Simulink 對分層均衡電路進(jìn)行建模仿真。用PWM控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)單體電池間能量轉(zhuǎn)移。為了檢測電池均衡方法的能量利用效率，本文建立一個(gè)能效率參數(shù)[C]，以兩個(gè)電池為例，設(shè)定如下：[V1]與[V2]分別為電池初始電壓，[Vlast]為均衡后的電壓。能效率為：

由圖7可知，電池大約在10 s時(shí)達(dá)到均衡，此時(shí)的電壓趨于一致，說明此均衡方法是有效的。圖8列出均衡前后的電壓，均衡后的電壓值為3.343 4 V，能效率C=99.31%，說明此均衡方案均衡效果好并且能效率較高。圖8為分層均衡前后電壓對比圖。

3.3.2 傳統(tǒng)電感均衡電路的仿真

由圖9可知，電池大約在9 s時(shí)達(dá)到均衡，此時(shí)的電壓趨于一致，圖10列出均衡前后的電壓，均衡后的電壓值為3.339 1 V，能效率C=99.18%。圖10為傳統(tǒng)電感均衡前后電壓對比圖。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的新型分層均衡電路，它是Buck?Boost電路均衡法和集中式變壓器均衡法的結(jié)合。從均衡的效果圖可以看出，此均衡方法與傳統(tǒng)的Buck?Boost電路均衡法相比較，均衡效率較慢，但均衡能效率高，因此綜合效果好。

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