改進反激式開關(guān)電源的電池雙向均衡系統(tǒng)

張露 胡廣地 張琦 鄧宇翔

摘 要：為了解決電池均衡系統(tǒng)在均衡過程中被充電電池自行放電現(xiàn)象，避免出現(xiàn)不合理電流產(chǎn)生能量損耗，提出了使用主控MOS管與輔控MOS管的改進的電池均衡系統(tǒng)，實現(xiàn)了均衡電路中各回路電流流向的精確控制；以反激式開關(guān)電源為核心原件，完成了雙向均衡電路的設(shè)計。通過在Matlab/Simulink平臺下建立完整的均衡系統(tǒng)模型，并建立調(diào)參模型作為輔助模型，來對所建立均衡系統(tǒng)進行仿真。研究結(jié)果表明，在一定初始條件下，1C充放電倍率下充電時間延長171.1s、放電時間延長143.1s，1/3C充放電倍率下充電時間延長731.2s、放電時間延長868.5s，證實了改進均衡系統(tǒng)的有效性與實用性。

關(guān)鍵詞：電池均衡；能量損耗；Matlab/Simulink；有效實用

中圖分類號：U467.3 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-32-05

Abstract： In order to solve the battery equalization system in the process of charging the battery self discharge phenomenon， avoid unreasonable current energy loss， an improved battery balancing system using the main control MOS tube and the auxiliary control MOS tube is proposed and realize accurate control of the loop current flows in the circuit to equilibrium； using the flyback switching power supply as the core， the design of two-way balanced circuit is completed. A complete equilibrium system model is built under the Matlab/Simulink platform， and a parameter adjustment model is built as an auxiliary model to simulate the established equalization system. The results show that， under certain initial conditions， the charging time of 1C is prolonged by 171.1s and the discharge time is prolonged 143.1s， the charging time of 1/3C is prolonged by 731.2s and the discharge time is prolonged 868.5s， prove the validity and practicability of the improved balance system.

Keywords： Battery balance； energy loss； Matlab/Simulink； the validity and practicability

CLC NO.： U467.3 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-32-05

前言

由于環(huán)境問題日益嚴重，電動汽車逐步進入人們的視野，并且成為逐漸成為各大高校與科研機構(gòu)研究的熱點[1]，然而電池問題成為電動汽車普及最大的挑戰(zhàn)。為了滿足電動汽車正常行駛時的電壓與能量需求，電動汽車電池大多由許多電池一起串并聯(lián)而成[2]。然而，這樣做會產(chǎn)生許多問題，比如：木桶效應(yīng)[3]，加速老化等等。為了解決這些問題，就需要對電池組進行均衡管理。

針對電池均衡系統(tǒng)，國內(nèi)外科學家也做了大量的工作來進行研究。文獻[4]提出了在單體電池兩端并聯(lián)電阻的被動均衡方法，通過電阻放電的方式對電池進行均衡，這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，然而均衡效率低。文獻[5]提出了基于斬波電路的主動均衡方法，通過斬波電路實現(xiàn)相鄰電池單體之間電壓的均衡，這類方法的優(yōu)點是效率高，然而僅僅只能解決相鄰單體之間電壓的不一致問題。文獻[6]提出了基于多繞組變壓器的均衡方法，可以利用電池組的電壓給電池組內(nèi)單體電池供電，解決了電池均衡的損耗和均衡效果不理想的問題，該均衡結(jié)構(gòu)具有控制簡單，效率高，速度快等優(yōu)點，然而該方案在實際應(yīng)用中變壓器存在體積大，制作困難等缺點。

本文以電動汽車用鋰離子電池組為研究對象，提出了主控MOS管和輔控MOS管的概念，從而達到改進反激式開關(guān)電源的電池雙向均衡系統(tǒng)的目的，避免在電池均衡過程中各個回路電流流向混亂，最后進行了仿真分析與實驗驗證，表明了所改進的電池均衡系統(tǒng)是有效的。

1 均衡系統(tǒng)電路與工作原理

均衡電路作為均衡系統(tǒng)的“效應(yīng)器”，是均衡變量的直接調(diào)控者，可以使均衡變量逐步趨于一致，以改善電池組不一致狀況。均衡電路的靈敏性和有效性對均衡系統(tǒng)的好壞至關(guān)重要。

因此，本文提出了一種新型的均衡系統(tǒng)來改進電池雙向均衡系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

均衡電路的核心是單鐵芯、多次級繞組的雙向反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器，它的初級回路由金屬-氧化物半導體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transis -tor，MOSFET，也叫MOS管）與整個電池組組成，它的每一個次級回路中，均包含有一個單體電池、MOS管與電容，電池組中電池的數(shù)量即為轉(zhuǎn)換器次級繞組的數(shù)量。常規(guī)雙向均衡系統(tǒng)中，每個回路均只含有一個MOS管，本均衡電路中，每個回路設(shè)置兩個MOS管，定義回路中控制能量從電池中輸出的MOS管為主控MOS管，定義回路中控制能量輸入電池的MOS管為輔控MOS管，兩者在回路中同時作用，可以準確控制電流的流動方向。以下圖2所在回路中的兩個MOS管為例， Q1為主控MOS管，Q2為輔控MOS管。

當某一回路中兩個MOS管的開關(guān)管均斷開時，在兩個MOS管的二極管的作用下，電流不可流入電池組或電池，也不可流出；當兩個MOS管的開關(guān)管均閉合時，則該回路中電流可雙向流動；當初級回路或某一次級回路中的主控MOS管的開關(guān)管閉合時，從電池組或電池的正極流出的電流將可通過主控MOS管的開關(guān)管與輔控MOS管的二極管，實現(xiàn)電流的單向流動；當輔控MOS管的開關(guān)管閉合時，將實現(xiàn)該回路中電流流入電池組或電池；在未實施均衡時，均衡電路中所有的MOS管均處于斷開狀態(tài)，各個回路中無電流流動。

在本均衡系統(tǒng)中，根據(jù)電池組一致性情況，均衡電路將采取兩種均衡方式之一進行均衡：“削弱強電池”和“補償弱電池”。

當實施“削弱強電池”的均衡方式時，狀態(tài)監(jiān)測模塊實時監(jiān)測各個電池的特征參數(shù)情況，信號處理模塊判斷出哪個是強電池，假如電池1是強電池，均衡電路將采取以下工作模式：

（1）閉合次級回路中主控MOS管Q1，電池1中有能量輸出，經(jīng)轉(zhuǎn)換器的激勵作用，初級線圈將儲存一部分能量；

（2）斷開次級回路中主控MOS管Q1，此時，初級繞組的極性為上負下正，閉合初級回路中輔控MOS管M2，MOS管M1中的二極管導通，使得儲存的能量能夠釋放給整個電池組。

（3）斷開初級回路中輔控MOS管M2，回到步驟（1），直至均衡結(jié)束。

同理，當實施“補償強電池”的均衡方式時，假如電池1被判定為弱電池，則均衡電路采取的工作模式為：

（1）閉合初級回路中主控MOS管M1，整個電池組放電，電池1所在次級回路的線圈將儲存一部分能量；

（2）斷開初級回路中主控MOS管M1，閉合次級回路中輔控MOS管Q2，此時，儲存的能量能夠釋放給電池1。

（3）斷開次級回路中輔控MOS管Q2，回到步驟（1），直至均衡結(jié)束。

由于參與能量交互的兩回路中，總是只有一個MOS管處于閉合狀態(tài)，故而嚴格地控制了能量的流動方向，同時也實現(xiàn)了輸出與輸入能量的隔離。其余回路MOS管均一直處于斷開狀態(tài)，故其余回路無法實現(xiàn)電流流通，最大程度降低了電磁感應(yīng)現(xiàn)象對其余回路的影響。

均衡電路通過控制MOS管開閉的時間及次序控制均衡實施的方式和效果。它的控制信號源自信號執(zhí)行模塊提供的PWM調(diào)節(jié)波，圖3展示了當電池1被判斷為強電池并采取“削弱強電池”均衡方法時，MOS管Q1和M2的脈沖信號情況。0～t1時間內(nèi)，表現(xiàn)為電池1放電，t1～t2時間內(nèi)，表現(xiàn)為整個電池組充電。0～t2時間即是一個充放電的循環(huán)周期。

當電池1被判斷為弱電池并采取“補償弱電池”均衡方法時，MOS管M1和Q2的脈沖信號情況如圖4所示。

2 均衡策略設(shè)計

如圖5給出的控制策略的整體流程圖，控制策略接收狀態(tài)監(jiān)測模塊信息流中傳來的電池性能參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制策略模塊以此為據(jù)判定電池組的性能情況，若判定需要進行均衡則給出均衡指令對電池組進行調(diào)控，直到電池組性能情況達到系統(tǒng)要求為止。因此，控制策略的功能在于兩部分：第一，合理評價電池組的健康狀態(tài)；第二，做出正確均衡指令。下面，將從如何實現(xiàn)這兩部分功能介紹控制策略的整體設(shè)計。

控制策略制定的目標在于提供給信號執(zhí)行模塊具體的執(zhí)行指令，以改變均衡電路運行方式，從而改善電池組的不一致性。而由于電池所處的狀態(tài)不同，所選取的能代表單體電池均衡變量不同，并且均衡后應(yīng)達到的狀態(tài)需求也不同，故而，應(yīng)針對電池組所處的三種不同的狀態(tài)制定不同的均衡指令。

2.1 充電狀態(tài)

電池組處于充電狀態(tài)時，若某一節(jié)單體電池達到充電截止電壓，則無論其它單體電池的容量如何，整個電池組都將會中斷。因此，充電狀態(tài)時電池組充電時間的長短及電池組的整體容量將由電池組中強電池決定。故充電狀態(tài)時，均衡指令制定的目標在于控制強電池的充電電壓與剩余容量，即需要采取“削弱強電池”的均衡方法。

本系統(tǒng)設(shè)計將充電電壓Uin作為電池組充電狀態(tài)時的均衡變量，因此，充電狀態(tài)時均衡指令的制定也將基于各單體電池的充電電壓，均衡的起止決定于組內(nèi)各單體充電電壓的極差值rset。

根據(jù)5的流程圖，均衡策略模塊首先接收來自狀態(tài)監(jiān)測模塊信息流中各電池的充電電壓值V1、V2…Vn（n為樣本容量，即電池組內(nèi)的電池數(shù)量），計算其極差值r，當極差值超過所設(shè)定的界限值時，即r>rset時開始“削弱強電池”均衡方法的指令制定：另充電電壓最高的電池所在回路中的主控MOS管的控制端口通入PWM控制信號，并使轉(zhuǎn)換器初級回路中的輔控MOS管的控制端口通入與其相反的PWM控制信號，使兩個MOS管的開關(guān)管交替閉合與斷開，從而使充電電壓最高的單體電池釋放電能分給整個電池組，直到此單體電池的充電電壓與電池組中最小充電電壓的差值不高于界限值時，則完成了一次均衡。而后，均衡策略模塊重新對電池組健康狀況進行分析評價，決定是否開始制定均衡指令，進行下一次的均衡。這樣，經(jīng)過多次均衡，將會有效調(diào)控電池組中出現(xiàn)的最大充電電壓，延長充電時間并增加電池組充入的總能量，從而提高充電效率。

基于以上分析，在充電狀態(tài)時，控制策略模塊的具體工作流程如圖6所示。

2.2 放電狀態(tài)

電池組放電狀態(tài)時，采用放電電壓Uout作為均衡變量，狀態(tài)監(jiān)測模塊信息流中提供的是各電池的放電電壓值V1、V2…Vn（n為樣本容量，即電池組內(nèi)的電池數(shù)量），同樣以放電電壓的極差值r>rset作為開始均衡指令指定的標志。

但不同的是，電池組處于放電狀態(tài)時，電池組放電時間的終止將由電池組中弱電池決定，故充電狀態(tài)時，均衡指令制定的目標在于控制弱電池的放電電壓與剩余容量，即需要采取“補償弱電池”的均衡方法?！把a償電池”均衡方法的指令制定：另轉(zhuǎn)換器初級回路中的主控MOS管的控制端口通入PWM控制信號，放電電壓最高的電池所在回路中的輔控MOS管的控制端口通入與初級回路中相反的PWM控制信號，使兩個MOS管的開關(guān)管交替閉合與斷開，從而使整個電池組釋放電能補償給弱電池，直到此單體電池的放電電壓與電池組中最大充電電壓的差值不高于界限值時，則完成了一次均衡。而后，均衡策略模塊重新進行均衡判斷和新一輪均衡，多次均衡后，將會有效調(diào)控電池組中出現(xiàn)的最小放電電壓，延長電池使用時間。因此，放電狀態(tài)下控制策略模塊的工作流程如圖7所示。

2.3 擱置狀態(tài)

電池組處于擱置狀態(tài)下與放電狀態(tài)下的均衡控制模塊工作流程與工作需求類似。擱置狀態(tài)下，同樣以采樣電壓的極差值r>rset作為開始均衡指令指定的標志，同樣以控制弱電池（電壓最低、剩余容量最少）的放電電壓與剩余容量作為均衡指令制定的目標，即同樣采取“補償弱電池”的均衡方法。不同的是，電池擱置狀態(tài)下的均衡變量采用開路電壓Uoc，因此狀態(tài)監(jiān)測模塊信息流中提供的是各電池的開路電壓值。

3 系統(tǒng)仿真與實驗測試

均衡系統(tǒng)的仿真平臺需要實現(xiàn)電路與邏輯運算處理的動態(tài)仿真，因此，本文選取美國Math Works公司出品的MATLAB軟件作為仿真模型建立的軟件工具，以其中強大的Simulink組件作為仿真平臺。在SimPowerSystem中參考圖1的電路結(jié)構(gòu)，搭建仿真模型，如圖8所示。

置仿真系統(tǒng)在1s的步長下運行10000s，輸出六節(jié)串聯(lián)電池的SOC隨運行時間變化的曲線如圖9所示，提取出均衡前后六節(jié)串連電池的SOC值如表1所示。

從圖9可以看出，6號電池的SOC值呈上升趨勢，其余電池的SOC值處于下降趨勢，即均衡過程中整個電池組在對6號電池進行充電。對比六節(jié)電池樣本初始值的設(shè)置，6號電池初始容量最低，證明均衡過程中采用的是“補償弱電池”的均衡方式，仿真結(jié)果與設(shè)計預(yù)期情況相同。

（1）同時，4號電池的SOC值在均衡過程中出現(xiàn)了小幅度下降，這種情況是由于Simulink系統(tǒng)中的電池模型的SOC估計值存在一定誤差，且運行過程中電池的開路電壓存在一定的波動，從而在一定程度上影響電池模型的SOC估計。

（2）從表1可以看出，均衡過程前，電池組中SOC極差值為21%；均衡過程后，電池組中SOC極差值約為7.3%，此時電池組中開路電壓的極差值達到了0.01V。對比均衡過程前后的SOC極差值，減小了13.7%，證明均衡有效。

（3）根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，計算出均衡過程前后樣本SOC值的方差分別為290、28.45518，可見電池組中SOC值的離散程度大大降低，電池組一致性得到改善，證明均衡有效。

4 結(jié)論

本文以電動汽車用鋰離子電池組為研究對象，完成了基于反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器的雙向均衡系統(tǒng)設(shè)計，并進行了仿真分析，驗證了系統(tǒng)的有效性。

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