基于多端口變壓器的串聯(lián)鋰電池均壓電路

聶江霖 楊江朋 蔡春健 孫鑫宇 舒澤亮,2

基于多端口變壓器的串聯(lián)鋰電池均壓電路

聶江霖1楊江朋1蔡春健1孫鑫宇1舒澤亮1,2

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756 2. 西南交通大學(xué)磁浮列車與技術(shù)研究所 成都 610031）

串聯(lián)電池組需要均壓措施保證其容量、壽命和安全。該文提出一種基于多端口變壓器的串聯(lián)鋰電池均壓電路，通過主動和被動兩種均壓路徑實(shí)現(xiàn)高可控與高效率的整體均壓。與同類均壓電路相比，無需附加額外電路，且變壓器繞組和開關(guān)管數(shù)量減少一半。通過電路建模分析確定設(shè)計(jì)變壓器電壓比等關(guān)鍵參數(shù)的約束條件，并在傳統(tǒng)平均電壓控制策略的基礎(chǔ)上提出預(yù)測電壓和最低電壓兩種控制策略。最后，針對24串聯(lián)鋰電池組設(shè)計(jì)基于GaN開關(guān)器件和平面多端口變壓器的均壓樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提電路和控制方法具有良好的均壓速度和效率。

串聯(lián)鋰電池均壓電路 多端口變壓器 預(yù)測電壓控制策略 最低電壓控制策略

0 引言

新能源和電動汽車中的能量存儲系統(tǒng)往往采用鋰電池組，利用鋰電池間的串并聯(lián)可以提升電池組的電壓和容量。然而，不同鋰電池間的參數(shù)無法做到完全一致，這就導(dǎo)致鋰電池組在工作過程中容易產(chǎn)生電壓不均的問題，進(jìn)而降低其安全性和使用壽命。因此，需要均壓電路對鋰電池串進(jìn)行均壓以避免鋰電池組出現(xiàn)電壓不均的現(xiàn)象[1-3]。

文獻(xiàn)[4]列舉了常見的幾種均壓電路，從能量消耗情況上可劃分為耗散型和轉(zhuǎn)移型兩種。能量耗散型采用電阻等元件消耗多余能量，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、可靠，但多余能量的浪費(fèi)會造成效率的降低[5-6]，因此，能量耗散型電路更適用于成本較低、效率要求不高的電池均壓需求中；能量轉(zhuǎn)移型電路通過額外的儲能元件，將能量從電壓較高的電池轉(zhuǎn)移到電壓較低的電池中，相較于能量耗散型電路，其效率優(yōu)勢更明顯。

在能量轉(zhuǎn)移型電路中，根據(jù)儲能器件的不同類型，可以將能量轉(zhuǎn)移型均壓電路大致分為電感型、電容型、諧振型以及變壓器型電路?；陔姼谢蛘唠娙莸木鶋弘娐废啾绕渌芰哭D(zhuǎn)移型電路而言，控制簡單、可靠性較高[7-9]。但是，利用單一電感或電容的均壓電路難以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，文獻(xiàn)[10]提出了一種通過諧振回路實(shí)現(xiàn)電池均壓的典型拓?fù)洹Ｔ擃愔C振型均壓拓?fù)溆捎诰邆淞溯^強(qiáng)的軟開關(guān)能力，從而提升了均壓電路的工作頻率和效率[11]。但以上所提能量轉(zhuǎn)移型均壓電路都無法實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻多電池充放電，使得均壓速度難以進(jìn)一步通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到改善和提升。為解決這一問題，變壓器被應(yīng)用到均壓電路中，變壓器型均壓電路除可以利用磁場的耦合實(shí)現(xiàn)多個(gè)電池模塊的同時(shí)均壓外，還可以通過調(diào)節(jié)電壓比來針對不同類型和電壓等級的電池設(shè)計(jì)相應(yīng)的均壓電流，因而具有較快的均壓速度[12-13]。

傳統(tǒng)變壓器型均壓電路中的變壓器數(shù)量會隨著電池?cái)?shù)的增加而增加。因此，利用多端口變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)變壓器的均壓電路成為變壓器型均壓電路的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[13]提出了一種多端口半橋變換器結(jié)合Buck-Boost變換器的均壓電路。其電路通過驅(qū)動變壓器實(shí)現(xiàn)同步驅(qū)動和隔離，降低了控制難度。但由于增加了額外的Buck-Boost變換器，導(dǎo)致整體電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[14]介紹了一種基于多端口變壓器和反激變換器的均壓結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)電池間能量的直接交換，但對于相同數(shù)量的電池串，其所需的開關(guān)管總數(shù)和變壓器端口數(shù)量較多。

本文提出了一種基于多端口變壓器的串聯(lián)鋰電池均壓電路。該電路結(jié)構(gòu)可以直接實(shí)現(xiàn)任意組數(shù)、任意位置電池的同時(shí)均壓，并無需附加額外幅值變換器電路。此外，利用所提均壓策略對特定開關(guān)管控制，進(jìn)一步提升了電池均壓速度及效率。

1 電路結(jié)構(gòu)

基于多繞組變壓器的均壓電路拓?fù)淙鐖D1所示，電路的一次、二次側(cè)均為半橋結(jié)構(gòu)，二次側(cè)為個(gè)電池模塊串聯(lián)，每一模塊包含兩個(gè)電池，每個(gè)電池B對應(yīng)一個(gè)開關(guān)管S。圖中，為模塊號，為模塊內(nèi)電池的位置，=1為上位置電池，=2為下位置電池。共有2個(gè)電池可以通過HV+和HV-導(dǎo)線及多端口變壓器進(jìn)行充放電；此外，P和Si分別為一次側(cè)和二次側(cè)的變壓器漏感及寄生電感，P和Si分別為一次側(cè)和二次側(cè)各模塊的等效電阻。

圖1 基于多繞組變壓器的均壓電路拓?fù)?/p>

一次側(cè)電容串和二次側(cè)模塊間通過兩條路徑連接。一條為經(jīng)過多端口變壓器、電容串、開關(guān)管及對應(yīng)電池的主動路徑，通過開關(guān)管的通斷決定電池是否經(jīng)主動路徑充放電，其中一條主動路徑如圖1所示。另一條為被動路徑，利用HV±導(dǎo)線、電容串、電池串組成均壓回路，無論開關(guān)管是否導(dǎo)通，所有電池都會經(jīng)過該路徑進(jìn)行能量交換。在這兩條路徑中，電壓必須滿足各自回路的約束，且一次側(cè)變壓器端口電壓為二次側(cè)端口電壓的倍，為變壓器電壓比。

2 工作原理

電池均壓電路的基本原理是對高電壓電池放電，為低電壓電池充電。以圖1標(biāo)注為參考方向，分別設(shè)一次電流及二次側(cè)模塊的電流為P和Si。由多端口變壓器的基本原理可得

由式（2）可知，一次電流方向同二次側(cè)充放電電流大小有關(guān)，若放電電流之和大于充電電流之和，則一次電流為正；反之，為負(fù)。而均壓電流同電池電壓與端口電壓間的壓差呈正相關(guān)，均壓電流越大，電池充放電速度越快。

2.1 工作模態(tài)分析

本電路具體的工作模態(tài)如圖2所示，對于經(jīng)HV導(dǎo)線的被動路徑而言，其每時(shí)每刻都在為電池串充電或者放電。所以下面著重對主動均壓路徑進(jìn)行分析。

假設(shè)B11＞B12＞ave＞TS＞Bm1＞Bm2，且B12-ave＞ave-Bm2。也就是說，在對應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，模塊1將工作在放電模式，而模塊將工作在充電模式，且電路中的充電電流小于放電電流，即一次側(cè)實(shí)際電流方向如圖2所示的一次側(cè)路徑。

工作階段2 [1,2]：如圖2b所示，本階段為續(xù)流階段，所有先前處于導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)管將在1時(shí)刻關(guān)斷。然后，儲存在電感P中的能量將通過SA的續(xù)流二極管為電容1充電。而S1和Sm中的能量則分別通過對應(yīng)的續(xù)流二極管為B12和B1充電。

圖2 電路工作模態(tài)

同理，在負(fù)半周期的工作階段3，B12和B2分別經(jīng)由S12和S2實(shí)現(xiàn)放電及充電，并在工作階段4完成續(xù)流過程。負(fù)半周期的電壓電流波形同正半周期對稱。

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

假設(shè)電池電壓在一個(gè)周期內(nèi)視為恒定，那么對于利用HV導(dǎo)線完成電池充放電的被動路徑而言，主動路徑中一次電流會使電容串電壓產(chǎn)生浮動，進(jìn)而改變線路電阻HV兩端電壓，并最終使被動路徑中的電流大小發(fā)生變化。根據(jù)式（2），即二次側(cè)同時(shí)充電或者放電的電流越大，主動路徑中一次側(cè)和被動路徑中的電流也越大，電池經(jīng)被動路徑充放電的速度也會越快。

但是，經(jīng)被動路徑的充放電需要經(jīng)過整個(gè)電池串的內(nèi)阻。所以在相同條件下，被動路徑均壓的效率要低于主動路徑。因此，若強(qiáng)調(diào)均壓效率，就要避免HV上的電流過大。為減小被動路徑中的電流，首先需要在合理范圍內(nèi)提高電容串容值，以減小其電壓紋波幅值；其次應(yīng)盡量保證二次側(cè)充電和放電電流相近，以降低一次電流。

結(jié)合以上分析，在對主動路徑建立模型之前，需要做下列假設(shè)：①變壓器各端口電壓比一致，即TS1=…=TSm=TS；②各端口電路固有參數(shù)相同，即S1=…=S=S，S1=…=S=S；③各開關(guān)管均為理想器件；④電容及電池電壓在一個(gè)周期內(nèi)基本保持不變；⑤忽略HV的線路電阻HV。

由假設(shè)④和⑤，被動路徑在當(dāng)前條件下可忽略。而所提電路具有兩種工作模態(tài)，基于RL支路兩端電壓RL，可以建立有關(guān)均壓電路的數(shù)學(xué)模型。

以圖1所示標(biāo)注為正方向，得到電路的KVL方程為

式中，RLP為一次側(cè)RL電路兩端電壓；V1及V2分別為電容1與2兩端電壓；TP和TS分別為變壓器一次和二次電壓；為變壓器電壓比。

影響均壓速度快慢的直接因素是均壓電流的大小，但其會被TS和Bij之間的電壓差RL所限制。而RL的電壓分布設(shè)計(jì)主要同TS相關(guān)。所以，下面著重對TS進(jìn)行分析。由先前近似處理，電容及電池電壓在一個(gè)周期內(nèi)保持不變，即在一個(gè)周期內(nèi)，HV上幾乎沒有能量傳輸。電路等效電路模型如圖3所示，圖2a所示的工作階段1可以等效為圖3a所示的RL電路零狀態(tài)響應(yīng)。此時(shí)第1個(gè)模塊電池放電，第個(gè)模塊充電。

圖3 電路等效電路模型

設(shè)S是階段1，即主要均壓過程中的開關(guān)信號，S=1表示允許該模塊充放電；反之，S=0表示該模塊不進(jìn)行充放電。P_1為一次繞組階段1的電流，Si_1為二次側(cè)第個(gè)繞組在階段1的電流，TP_1與TS_1分別為一次側(cè)和二次側(cè)在階段1的端口電壓。那么，階段1中變壓器兩側(cè)電流瞬時(shí)值推導(dǎo)為

結(jié)合式（2）、式（5）和式（6），得TS_1為

將式（7）分別代入式（5）和式（6），P_1和Si_1可分別改寫為

式（7）可以被簡化為

式（10）表明，TS_1的穩(wěn)態(tài)值基本不隨時(shí)間變化。

在0～1內(nèi)，變壓器二次側(cè)感應(yīng)電壓TS1變化幅度很小，可近似認(rèn)為不變。因此，一次、二次側(cè)均壓回路在階段2的工作狀態(tài)可以等效為RL電路的全響應(yīng)，其電流表達(dá)式如式（11）和式（12）所示，均壓電路階段2的等效模型如圖3b所示。對階段1的放電模塊而言，階段2的電流經(jīng)續(xù)流路徑為B2充電，即=2；反之，對階段1的充電模塊而言，第二階段電流經(jīng)續(xù)流路徑仍為B1充電，即=1。

式中，P_2和Si_2分別為一次、二次繞組在階段2的電流；TP_2和TS_2分別為變壓器一次、二次側(cè)在階段2的端口電壓。

聯(lián)立式（11）和式（12）可得，二次繞組電壓TS_2的表達(dá)式為

由式（13）可知，此時(shí)加在二次繞組漏感上的電壓為電池電壓與繞組感應(yīng)電壓之和，所以階段2的電流下降速度很快，持續(xù)時(shí)間很短，故在此不作具體分析。

綜上所述，因?yàn)樽儔浩鞫蝹?cè)端口電壓TS直接影響了電路中電壓分布、電池充放電狀態(tài)及均壓電流有效值，所以完成對TS的設(shè)計(jì)十分必要。然而，式（10）中的電阻及S分別同電路自身參數(shù)和控制策略相關(guān)，這對于TS的設(shè)計(jì)而言是十分不便的。因此，本文主要通過選定合適的變壓器電壓比來實(shí)現(xiàn)TS設(shè)計(jì)。

3 變壓器電壓比設(shè)計(jì)及控制策略

3.1 變壓器電壓比設(shè)計(jì)

針對變壓器電壓比的設(shè)計(jì)需要考慮以下三個(gè)約束條件：

（1）在主要均壓過程，即階段1及階段3中，電池除了通過其對應(yīng)導(dǎo)通開關(guān)管充電外，當(dāng)對應(yīng)開關(guān)管未給開通信號時(shí)，電池依然有可能經(jīng)過其反并聯(lián)二極管進(jìn)行充電。即TS＞SD+Bij，無論是否給予開關(guān)管導(dǎo)通信號，B均可以通過反并聯(lián)二極管實(shí)現(xiàn)充電，這會使得某些高于平均電壓ave的電池仍被充電。其中，SD為開關(guān)管反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通壓降。

本文針對這一問題提出了兩個(gè)解決方案：一是通過電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和器件選型，選擇具有較高SD的開關(guān)管，從而避免反并聯(lián)二極管導(dǎo)通；二是提高電壓比，使＞，進(jìn)而使得TS＜ave。此時(shí)，電壓高于ave的電池?zé)o法通過反并聯(lián)二極管在主要均壓過程中充電，而低于平均電壓ave的電池則可經(jīng)由HV、對應(yīng)開關(guān)管或反并聯(lián)二極管充電。

（3）對于傳統(tǒng)蓄電池而言，其整個(gè)充電過程中電壓升高的平均速度往往小于其放電過程中電壓降低的平均速度。所以在保證效率的前提下，適當(dāng)增大電壓比，降低TS，增加放電電池?cái)?shù)量的同時(shí)，提高主動和被動路徑的均壓電流，進(jìn)而加快整個(gè)電路的均壓速度。

綜合約束條件（1）、（2），電壓比的范圍為

本文采用的是24串聯(lián)鋰電池組，其電池電壓變化范圍為1.9～2.4V。由式（14），所選電壓比的范圍為12～24。最終根據(jù)約束條件（3），選擇的電壓比=16。

3.2 均壓控制策略

3.2.1 平均電壓控制策略

本文第1節(jié)所介紹的平均電壓控制策略存在均壓初期的電池電壓同ave間差距較大的問題，因此參與充放電的電池?cái)?shù)量及均壓電流較大，具有較快的均壓速度。然而，在均壓過程的結(jié)束階段，當(dāng)少部分電池電壓偏離ave，而大部分電池電壓同ave較為接近時(shí)，參與充放電的電池?cái)?shù)量及被動路徑中的均壓電流減小，電路均壓速度減慢?；谄骄妷嚎刂撇呗缘?4串聯(lián)電池組均壓仿真波形如圖4所示，仿真所用電池容量為15A·h。

圖4 平均電壓控制策略24串聯(lián)電池組電壓仿真波形

為了解決均壓末期均壓速度較慢這一問題，同時(shí)為了進(jìn)一步提高電路均壓效率。本文在平均電壓控制策略的基礎(chǔ)上，提出了另外兩種均壓控制策略。

3.2.2 預(yù)測電壓控制策略

預(yù)測電壓控制策略將平均電壓控制策略的ave用ref替換，其控制框圖如圖5所示。圖中，ref為考慮電路和電池?fù)p耗后的均壓結(jié)束時(shí)電壓，v為電池串的極差。當(dāng)電池串極差小于時(shí)，均壓電路停止工作。

在均壓過程中，存在部分接近ave的電池電壓先穩(wěn)定至平均值附近，之后這些電池電壓便不再升高，能量交換主要在HV上完成。因此，在電路損耗的影響下，這些電池的電壓隨著平均電壓一同下降。但是，這些電池由于不再參與充放電，因而造成了一部分能量的無效損耗。預(yù)測電壓控制策略通過均壓效率計(jì)算出預(yù)測電壓ref，用ref代替ave，使電路在均壓末期有更多的電池放電，加快電路均壓速度的同時(shí)，減少了因電池過早結(jié)束均壓導(dǎo)致的無效損耗。

圖5 預(yù)測電壓控制策略框圖

圖5中值得注意的是，如果ref設(shè)置過低，會使得電壓較低的電池提前充電至ref附近，而電壓較高的電池此時(shí)依然需要放電，這部分放電能量無法得到利用，只能經(jīng)電路損耗掉，這會大大降低均壓效率。所以，在該控制策略下，需要依據(jù)當(dāng)前電壓分布，實(shí)時(shí)修正ref?；陬A(yù)測電壓控制策略的24串聯(lián)電池組均壓仿真波形如圖6所示。

圖6 預(yù)測電壓控制策略24串聯(lián)電池組電壓仿真波形

3.2.3 最低電壓控制策略

最低電壓控制策略控制框圖如圖7所示，以本文設(shè)計(jì)的24電池均壓樣機(jī)為例，當(dāng)放電電池?cái)?shù)量不足時(shí)，對電池電壓從高到低進(jìn)行排序，分別記作Bt（=1,…,24）。根據(jù)可供放電的電池?cái)?shù)量決定放電電池的最低電壓，若其個(gè)數(shù)不足，則使放電電池的最低電壓為TS；若其個(gè)數(shù)大于，則放電電池的最低電壓為。基于最低電壓控制策略的24串聯(lián)電池組電壓仿真波形如圖8所示。

圖7 最低電壓控制策略框圖

圖8 最低電壓控制策略24串聯(lián)電池組電壓仿真波形

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺

為了驗(yàn)證所提拓?fù)浜涂刂撇呗缘恼_性，本文制作了一臺基于鈦酸鋰電池的24串聯(lián)電池組均壓樣機(jī)?；谏鲜鰠?shù)設(shè)計(jì)理論，24串聯(lián)電池組均壓樣機(jī)主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 24串聯(lián)電池組均壓樣機(jī)主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Tab.1 Experimental parameters of 24 series battery equalizing prototype

電池均壓電路在實(shí)際工作過程中要對大量電池組進(jìn)行均壓，因此必須盡量減小電路體積[15-16]。本文選用高頻率、小封裝的GaN MOSFET作為開關(guān)器件，具體型號為EPC2021。同時(shí)，采用PCB及FPC制作了平面多端口變壓器[17]，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

三種均壓控制策略下的24電池均壓電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖10～圖12所示，圖中，電池電壓的采樣時(shí)間間隔為1min。由圖10可知，在平均電壓控制策略下的起始階段，由于電池電壓不均衡度較高，參與放電的電池?cái)?shù)量較多，均壓速度較快。但是，隨著時(shí)間的推移，由于放電電池?cái)?shù)量的減少，均壓速度逐漸下降。平均均壓速度為25.32mV/h，結(jié)束階段瞬時(shí)均壓速度為16.70mV/h。

預(yù)測電壓控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11a所示，在2.7h附近，所有低壓電池的電壓已經(jīng)接近初始預(yù)測平均值ref，但是仍有很多高于ref的電池電壓，說明對ref的計(jì)算不準(zhǔn)確。若不對ref進(jìn)行調(diào)整，所有電池的電壓最終都會穩(wěn)定在ref附近，也就是說，高電壓電池中多余的能量必須通過電路損耗掉。所以在2.7h后，根據(jù)此時(shí)電壓分布，ref被重新計(jì)算和提高。在3～6h內(nèi)，電池電壓慢慢接近新的ref，且均壓過程中沒有再出現(xiàn)類似前3個(gè)小時(shí)的情況。

圖10 平均電壓控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11b中，預(yù)測電壓控制策略較好地解決了低壓電池在均壓后期電壓難以上升的問題。平均均壓速度為36.83mV/h，結(jié)束階段瞬時(shí)均壓速度為28.6mV/h。

而圖12所示為最低電壓控制策略下的部分電池的電壓，雖然已經(jīng)接近了平均值，但是由于最低電壓控制策略保證了有足夠數(shù)量的電池參與放電，因此少量電壓過低的電池依然能以較高的速度充電。在均壓結(jié)束時(shí)，可以看出，電池電壓已經(jīng)相當(dāng)接近ave，證明了最低電壓控制策略可以較好地改善低壓電池在均壓后期電壓難以上升的問題。如圖12b所示，最低電壓控制策略平均均壓速度為44mV/h，均壓結(jié)束階段瞬時(shí)均壓速度為22.2mV/h。

圖11 預(yù)測電壓控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12 最低電壓控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果

三種控制策略的均壓效果對比如圖13所示?？梢钥闯?，相比于平均電壓控制策略，另外兩種控制策略的均壓速度更快、效率更高，較好地解決了低壓電池在均壓后期電壓上升困難的問題。而最低電壓控制策略有著最高的均壓速度，但由于其提高了被動路徑中的均壓電流，導(dǎo)致?lián)p耗相較預(yù)測電壓控制策略更大、效率也相對較低。因此，實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)均壓效率和速度的不同指標(biāo)選用合適的控制策略。

圖13 三種控制策略均壓效果對比

電池均壓電路對比見表2，本文所提均壓拓?fù)浼翱刂撇呗苑謩e具有較高的均壓效率及較快的電荷轉(zhuǎn)移速度。同時(shí)，本文所提拓?fù)渌栝_關(guān)器件數(shù)同其他能量轉(zhuǎn)移型電路基本一致，甚至更少。并且，通過采用高頻寬禁帶器件，極大地縮小了電路體積，提升了整體的功率密度。

表2 電池均壓電路對比

Tab.2 Comparision of battery equalizing topology

注：為均壓總電池?cái)?shù)；本文通過電荷轉(zhuǎn)移速度對不同電路均壓速度進(jìn)行評價(jià)，電荷轉(zhuǎn)移速度計(jì)算公式及意義詳見附錄。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于多端口半橋變換器的電池均壓電路，并在傳統(tǒng)平均電壓控制策略的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)測電壓控制策略和最低電壓控制策略。該電路通過主動和被動兩條路徑進(jìn)行均壓，利用對特定電池充放電的控制提升了均壓速度及效率。針對24串聯(lián)鋰電池組設(shè)計(jì)了基于GaN開關(guān)器件及平面多端口變壓器的均壓樣機(jī)，通過三種控制策略驗(yàn)證了電路的有效性和可靠性。其中，預(yù)測電壓控制策略效率較高，達(dá)到98.24%，電荷轉(zhuǎn)移速度為12.74；最低電壓控制策略均壓速度更快，其電荷轉(zhuǎn)移速度達(dá)到21.91。

附 錄

影響電池均衡時(shí)間和速度的主要因素包括電池類型、均壓電流、均壓電池?cái)?shù)、電路拓?fù)浼翱刂撇呗浴楹饬坎煌負(fù)涞木鶋核俣?，?yīng)以電荷轉(zhuǎn)移速度，即單位時(shí)間轉(zhuǎn)移的電荷量同均壓電流的比值作為均壓拓?fù)湓u判依據(jù)。

不同電池具有不同的開路電壓-電荷量（Open Circuit Voltage-State of Charge, OCV-SOC）曲線，在曲線大部分區(qū)域內(nèi)，曲線斜率可以被視為恒定。因此利用每變化1% SOC，電池電壓的變化值OCV作為衡量不同種類電池充放電速度的參數(shù)。則電荷轉(zhuǎn)移速度的表達(dá)式為

式中，為電池容量（A·h）；Bi為第個(gè)電池的起始電壓（V）；ave為電池串起始平均電壓（V）；為均壓電池個(gè)數(shù)；RMS為電路均壓電流有效值（A）；為均壓過程持續(xù)時(shí)間（h）。

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Voltage Equalizing Circuit of Series Lithium Battery Based on Multi-Port Transformer

11111,2

（1. School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 611756 China 2. The Ministry of Education Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）

A series lithium battery pack needs voltage equalization to ensure its life and safety. In this paper, a series voltage equalizing circuit of lithium battery based on multi-port transformer is proposed, which can realize the controllable voltage equalization through active and passive paths. And it can directly control the charging or discharging of specific batteries. Compared with the conventional congeneric methods, it requires no additional circuits. Also, the number of transformer windings and MOSFET is reduced by half. By modeling and analyzing the circuit, the constraint conditions of key parameters such as transformer turn ratio are determined. In addition, predicted voltage and lowest voltage control strategies are proposed based on the traditional average voltage control strategy. Finally, a voltage equalization prototype based on GaN MOSFET and planar multi-port transformer is designed for 24 series battery packs. It is shown that the proposed circuit and control strategies have good voltage equalizing speed and efficiency.

Lithium battery series voltage equalizer, multi-port transformer, predicted voltage control strategy, lowest voltage control strategy

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201686

TM911

聶江霖 男，1997年生，碩士，研究方向?yàn)樾铍姵鼐鶋弘娐芳捌淇刂啤-mail: jacksonen@163.com

舒澤亮 男，1979年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及應(yīng)用、多電平變換裝置、同相供電系統(tǒng)等。E-mail: shuzeliang@swjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）